專利名稱：一種頭戴式計算機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頭戴式計算機，特別涉及一種具有頭部動作感應(yīng)人機交互方式的頭戴式計算機，屬于計算機設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頭戴式計算機(Headset Computer)是一種體積微小、結(jié)構(gòu)緊湊、方便攜帶的微型計算機，采用位于人眼前方的微顯示屏作為顯示器，可像佩戴眼鏡一樣戴在頭部，讓使用者在獲取信息的同時，能用雙手進行其它操作而不受限制，在軍事、醫(yī)療、工業(yè)、娛樂等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。為了使頭戴式計算機擺脫傳統(tǒng)鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等人機交互設(shè)備的限制，美國Google公司和Motorola公司分別發(fā)明了一種基于頭部動作感應(yīng)的Google Glass和HCl頭戴式計算機，使用慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)檢測頭部姿態(tài)，利用頭部的俯仰動作和左右轉(zhuǎn)動來控制屏幕光標(biāo)移動，通過搖頭晃腦來實現(xiàn)鼠標(biāo)的滑動及按鍵功能，從而進行菜單定位或選擇。圖I是已有頭戴式計算機的結(jié)構(gòu)框圖。頭戴式計算機頭部姿態(tài)檢測系統(tǒng)采用慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)的不足之處是(I)屏幕光標(biāo)反應(yīng)遲鈍。加速度計和陀螺傳感器分別測量的是頭部線加速度和角加速度，要經(jīng)過兩次對時間的積分運算后才能獲得頭部的線位移和角位移，所以線位移和角位移測量結(jié)果不僅與頭部的線加速度和角加速度測量值有關(guān)，而且還與頭部線加速度和角加速度值存在的時間長度有關(guān)，因此二次積分運算使頭部的線位移和角位移測量結(jié)果相對頭部運動存在延遲效應(yīng)，進行人機交互時，微顯示屏上的光標(biāo)移動總是滯后于頭部的運動。(2)慣性傳感器檢測頭部姿態(tài)時的靈敏度較低。頭部進行搖頭晃腦運動時產(chǎn)生的加速度非常小，與加速度計和陀螺傳感器產(chǎn)生的誤差信號約為同一數(shù)量級，因此頭部俯仰或轉(zhuǎn)動的力度較小時，頭戴式電腦會因加速度計和陀螺傳感器輸出信號的信噪比太低而無法判斷頭部姿態(tài)。(3)加速度計和陀螺傳感器增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也增大了產(chǎn)品成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種頭戴式計算機，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的屏幕光標(biāo)移動滯后于頭部動作的缺陷，使計算機操作指令的執(zhí)行更加實時和可靠。本發(fā)明提出的頭戴式計算機，包括透鏡，用于將頭戴式計算機的使用者前方的景物成像在圖像傳感器上，透鏡置于頭戴式計算機的微顯示屏的背部；圖像傳感器，將透鏡成像得到的光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，并將數(shù)字圖像信號輸出給圖像處理器；
圖像處理器，用于接收圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像信號，計算出頭戴式計算機的使用者頭部在抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時外界景物在數(shù)字圖像信號中的方向和位移的偏移量，并將將該方向和位移的偏移量傳送給應(yīng)用處理器，圖像處理器與圖像傳感器相連；傳聲器，用于接收頭戴式計算機的使用者的語音操作指令，將語音操作指令轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，然后將模擬音頻信號輸出給音頻編碼器；音頻編碼器，用于將傳聲器輸出的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號，然后將數(shù)字音頻信號輸出給應(yīng)用處理器，音頻編碼器與傳聲器相連；應(yīng)用處理器，用于接收圖像處理器輸出的景物偏移方向和位移，并根據(jù)景物偏移方向和位移，使微顯示屏上的光標(biāo)移動到預(yù)定菜單位置；同時接收音頻編碼器的數(shù)字音頻信號，根據(jù)頭戴式計算機的語音操作指令，執(zhí)行相應(yīng)操作；顯示驅(qū)動器，用于將應(yīng)用處理器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信號轉(zhuǎn)換為低壓差分信號，驅(qū)動微顯示屏顯示文字、圖形、圖像和視頻信息；微顯示屏，用于顯示上述顯示驅(qū)動器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信息；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將應(yīng)用處理器輸出的數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸出給耳機；耳機，用于將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬音頻電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。本發(fā)明提出的頭戴式計算機，可實時檢測頭部姿態(tài)動作(抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn))，并控制屏幕光標(biāo)進行相應(yīng)的移動，光標(biāo)移動與頭部的轉(zhuǎn)動方向和位移量同步，解決了光標(biāo)移動滯后問題。同時，采用本發(fā)明的頭戴式計算機，光標(biāo)動作感應(yīng)的靈敏度很高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠且易于實施。


圖I是已有頭戴式計算機的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明提出的頭戴式計算機的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明提出的頭戴式計算機的使用示意圖。圖4是本發(fā)明計算機的工作過程中，經(jīng)圖像處理器預(yù)處理后的數(shù)字圖像，其中(a)為初始狀態(tài)時的數(shù)字圖像，(b)為頭部轉(zhuǎn)動一定角度后的數(shù)字圖像。圖3中，I是微顯示屏，2是透鏡。
具體實施例方式本發(fā)明提出的頭戴式計算機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括透鏡2，如圖3中所示，用于將頭戴式計算機的使用者前方的景物成像在圖像傳感器上，透鏡置于頭戴式計算機的微顯示屏I的背部；圖像傳感器，將透鏡成像得到的光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，并將數(shù)字圖像信號輸出給圖像處理器；圖像處理器，用于接收圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像信號，計算出頭戴式計算機的使用者頭部在抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時外界景物在數(shù)字圖像信號中的方向和位移的偏移量，并將將該方向和位移的偏移量傳送給應(yīng)用處理器，圖像處理器與圖像傳感器相連；傳聲器，用于接收頭戴式計算機的使用者的語音操作指令，將語音操作指令轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，然后將模擬音頻信號輸出給音頻編碼器；
音頻編碼器，用于將傳聲器輸出的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號，然后將數(shù)字音頻信號輸出給應(yīng)用處理器，音頻編碼器與傳聲器相連；
應(yīng)用處理器，用于接收圖像處理器輸出的景物偏移方向和位移，并根據(jù)景物偏移方向和位移，使微顯示屏上的光標(biāo)移動到預(yù)定菜單位置；同時接收音頻編碼器的數(shù)字音頻信號，根據(jù)頭戴式計算機的語音操作指令，執(zhí)行相應(yīng)操作；
顯示驅(qū)動器，用于將應(yīng)用處理器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信號轉(zhuǎn)換為低壓差分信號，驅(qū)動微顯示屏顯示文字、圖形、圖像和視頻信息；
微顯示屏，用于顯示上述顯示驅(qū)動器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信息；
數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將應(yīng)用處理器輸出的數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸出給耳機；
耳機，用于將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬音頻電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。該聲音信號可以是首樂、游戲聲首等等
本發(fā)明的頭戴式計算機中，應(yīng)用處理器用于控制和執(zhí)行頭戴式計算機的指令操作，主要完成獲取指令、執(zhí)行指令，以及與內(nèi)部存儲器和邏輯部件交換信息等操作，監(jiān)控圖像處理器輸出的景物偏移量，根據(jù)景物偏移量控制光標(biāo)進行相應(yīng)的移動，從而實現(xiàn)菜單定位。
本發(fā)明計算機中的顯示驅(qū)動器，用于將應(yīng)用處理器輸出的3. 3V圖像信號轉(zhuǎn)換為 33OmV的LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)低壓差分信號,然后驅(qū)動微顯示屏顯示圖像。
本發(fā)明的頭戴式計算機中，應(yīng)用處理器采用TI公司的OMAP 3處理器，微顯示屏采用O. 7吋LCOS (Liquid Crystal on Silicon)反射式有源矩陣驅(qū)動型液晶顯示器,顯示驅(qū)動器采用TI公司的FLATLINK芯片，耳機采用頭帶式動圈耳機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用TI公司的 TLV320DAC3100立體聲DAC芯片，傳聲器采用Φ6駐極體電容式傳聲器，音頻編碼器采用TI 公司的TLV320AIC3106芯片，圖像傳感器和圖像處理器采用安捷倫公司生產(chǎn)的內(nèi)置圖像傳感器和圖像處理器的ADNS-2030光電傳感器，透鏡采用模壓成型的非球面塑料鏡片。
本發(fā)明頭戴式計算機的人機交互工作原理是
透鏡將使用者前方的景物成像在圖像傳感器上，圖像傳感器將光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，并將數(shù)字圖像信號輸出給圖像處理器。使用者做抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)動作時，數(shù)字圖像中的景物相應(yīng)地向下、向上、向右或向左移動，圖像中景物的移動量與頭部的運動幅度成正比。
圖像處理器實時測量景物在數(shù)字圖像中沿X軸的偏移量Λ X和沿Y軸的偏移量 Δ Y，然后將Λ X和Λ Y傳送給應(yīng)用處理器；應(yīng)用處理器實時監(jiān)控圖像處理器輸出的景物偏移量Λ X和Λ Y，應(yīng)用處理器根據(jù)下述公式計算光標(biāo)沿屏幕水平方向的位移Λ H和沿垂直方向的位移Λ V。圖4是本發(fā)明計算機的工作過程中，經(jīng)圖像處理器預(yù)處理后的數(shù)字圖像，其中(a)為初始狀態(tài)時的數(shù)字圖像，(b)為頭部轉(zhuǎn)動一定角度后的數(shù)字圖像。
Λ H=系數(shù) HX Λ X
Λ V=系數(shù) VX Λ Y
式中系數(shù)H和系數(shù)V為常數(shù)，表示景物偏單位移量時的光標(biāo)位移量，其大小可以控制動作感應(yīng)的靈敏度。應(yīng)用處理器根據(jù)Λ H和Λ V控制光標(biāo)進行移動，從而實現(xiàn)菜單定位。本發(fā)明實施例的圖像傳感器和圖像處理器數(shù)據(jù)采集速率為2300幀/秒，可實時檢測頭部姿態(tài)動作(抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn))， 屏幕光標(biāo)移動與頭部運動同步，解決了現(xiàn)有技術(shù)光標(biāo)移動滯后的缺陷。同時，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，光標(biāo)動作感應(yīng)的靈敏度很高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠且易于實施。
權(quán)利要求
1. 一種頭戴式計算機，其特征在于，該計算機包括 透鏡，用于將頭戴式計算機的使用者前方的景物成像在圖像傳感器上，透鏡置于頭戴式計算機的微顯示屏的背部； 圖像傳感器，將透鏡成像得到的光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，并將數(shù)字圖像信號輸出給圖像處理器； 圖像處理器，用于接收圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像信號，計算出頭戴式計算機的使用者頭部在抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時外界景物在數(shù)字圖像信號中的方向和位移的偏移量，并將將該方向和位移的偏移量傳送給應(yīng)用處理器，圖像處理器與圖像傳感器相連； 傳聲器，用于接收頭戴式計算機的使用者的語音操作指令，將語音操作指令轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，然后將模擬音頻信號輸出給音頻編碼器； 音頻編碼器，用于將傳聲器輸出的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號，然后將數(shù)字音頻信號輸出給應(yīng)用處理器，音頻編碼器與傳聲器相連； 應(yīng)用處理器，用于接收圖像處理器輸出的景物偏移方向和位移，并根據(jù)景物偏移方向和位移，使微顯示屏上的光標(biāo)移動到預(yù)定菜單位置；同時接收音頻編碼器的數(shù)字音頻信號，根據(jù)頭戴式計算機的語音操作指令，執(zhí)行相應(yīng)操作； 顯示驅(qū)動器，用于將應(yīng)用處理器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信號轉(zhuǎn)換為低壓差分信號，驅(qū)動微顯示屏顯示文字、圖形、圖像和視頻信息； 微顯示屏，用于顯示上述顯示驅(qū)動器輸出的文字、圖形、圖像和視頻信息； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將應(yīng)用處理器輸出的數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，并將模擬音頻信號輸出給耳機； 耳機，用于將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬音頻電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有頭部動作感應(yīng)人機交互方式的頭戴式計算機，屬于計算機技術(shù)領(lǐng)域。包括應(yīng)用處理器、顯示驅(qū)動器、微顯示屏、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、耳機、音頻編碼器、傳聲器，還包括一個由透鏡、圖像傳感器和圖像處理器組成的頭部姿態(tài)測量裝置包括。應(yīng)用處理器分別與顯示驅(qū)動器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、音頻編碼器和圖像處理器相連接，微顯示屏與顯示驅(qū)動器相連接，透鏡放置在圖像傳感器的前面，圖像傳感器與圖像處理器相連接，耳機與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連接，傳聲器與音頻編碼器相連接。本發(fā)明頭戴式計算機可實時檢測頭部姿態(tài)動作，動作感應(yīng)靈敏度高，屏幕光標(biāo)移動與頭部運動同步，沒有光標(biāo)移動滯后問題。同時，本發(fā)明計算機具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠且易于實施的優(yōu)點。
文檔編號G06F3/01GK102981626SQ201210536180
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者高宏, 王慶 申請人:紫光股份有限公司