基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽
技术领域
本实用新型涉及施工安全设备领域，尤其涉及一种基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽。
背景技术
随着计算机硬件技术的飞速发展与信息技术的不断进步，具有通信功能的电子设备性能越来越高而且非常普及，如智能手机、平板电脑等。这些移动终端因其强大的处理能力与便携性、易用性越来越受到一线工程作业人员的青睐。但是在使用过程中仍有一些不足，与台式机电脑屏幕相比，移动终端的屏幕较小，看起来不方便；使用时须用手持拿与操作，而且必须转头面向屏幕，影响正常工作等。
专利CN104522921A公布的“增强现实智能安全帽”，该实用新型在安全帽上加装了电源、控制平台系统、光机臂，其中光臂机上设置了视网膜成像投影仪将高清图像输出于视网膜上，此外还在光机臂上还设置了摄像头与麦克风，麦克风可采集用户的语音口令配合内置的语音识别模块对控制平台系统进行操作。由此可以达到解放施工人员双手，便捷现场办公的目的。
但是上述方案仍存在一定不足：一、其显示系统较为简单，只能进行单眼投射显示，并且光机臂的存在也部分遮挡了佩戴者的视线。二、人机交互方式采用了语音控制方法。该方法虽可实现解放施工人员双手目的，但是也限制了复杂人机交互的可能性(如对显示的图像进行平移、翻转等操作)，不能胜任复杂三维模型的显示与操作。
实用新型内容
本实用新型主要解决现有技术的智能安全帽只能进行单眼投射显示、光机臂遮挡佩戴者视线以及人机交互受限制等技术问题，提出一种基于增强现实、空间扫描与手势识别的智能安全帽，整合了目前增强现实与智能设备领域先进技术，并具安全帽功能，以提升施工现场人员工作效率与工作质量。
本实用新型提供了一种基于增强现实、空间扫描与手势识别的智能安全帽，包括：安全帽主体(1)、帽前檐传感器单元(2)、全息投影单元(3)和帽后檐微型计算机单元(4)；
所述帽前檐传感器单元(2)设置在安全帽主体(1)的前檐下部，包括有机玻璃罩(2-1)以及设置在有机玻璃罩(2-1)内部的电路板(2-2)，所述电路板(2-2)通过数据线与帽后檐微型计算机单元(4)连接；所述电路板(2-2)上搭载手势识别装置、空间扫描装置以及3D摄像装置；
所述全息投影单元(3)设置在帽前檐传感器单元(2)下部，包括：护目镜(3-1)和投影单元，所述投影单元包括两个微型投影装置(3-3)和两块投影屏(3-2)；其中，两块投影屏(3-2)分别位于左、右眼的正前方，护目镜(3-1)设置于投影屏(3-2)远离安全帽主体(1)的一侧，两个微型投影装置(3-3)设置于帽前檐传感器区(2)内且在投影屏(3-2)远离护目镜(3-1)的一侧；
所述帽后檐微型计算机单元(4)包括外壳(4-1)、微型计算机(4-2)和电池(4-3)，所述外壳(4-1)设置在安全帽主体(1)的后檐下部，所述微型计算机(4-2)和电池(4-3)设置在外壳(4-1)内部，所述微型计算机(4-2)和电池(4-3)电连接。
进一步的，所述电路板(2-2)上设置有光强传感器，所述光强传感器与微型计算机(4-2)数据连接，所述光强传感器用于感知光线强度，并将光线强度传递到微型计算机(4-2)。
进一步的，所述护目镜(3-1)采用高强度有机玻璃。
进一步的，所述外壳(4-1)采用ABS塑料。
进一步的，所述微型计算机(4-2)包括mobile CPU、mobile GPU、主板、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及移动通信模块中的一种或多种；
所述mobile CPU、mobile GPU、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及移动通信模块分别焊接在主板上；
所述mobile GPU、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及tttt移动通信模块分别与mobile CPU数据连接。
进一步的，所述主板上设置有SIM卡插槽、TF卡插槽、耳机插口以及micro usb插口中的一种或多种。
进一步的，还包括音频输入输出装置(5)；
所述音频输入输出装置(5)设置在安全帽主体(1)的侧面，并与佩戴者耳部对应，所述音频输入输出装置(5)通过安全帽主体(1)内部的预留空隙内的数据线与微型计算机连接。
进一步的，所述音频输入输出装置(5)包括麦克风(5-2)和音响(5-1)。
进一步的，还包括设置在安全帽主体(1)侧面的开关机按钮(6)。
进一步的，还包括设置在安全帽主体(1)内部的九轴传感器(7)。
本实用新型提供的一种基于增强现实、空间扫描与手势识别的智能安全帽，整合了先进的三维全息投影增强现实技术、手势识别技术与空间扫描等技术，具有强大的计算功能，还具有丰富的输入输出形式以及通信功能，可以协助提高工程施工人员的个人及协同工作效率，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本实用新型采用三维全息投影增强现实技术。屏幕范围大，基本覆盖人眼大部分可视范围。相当于在佩戴者眼前实时悬挂一个巨型的透明屏幕，可显示丰富的图形文字信息。如在屏幕边缘显示当前时间、天气等信息，或者运行的软件的图形界面，又如将二维平面图形或三维模型投影在上面(如二维施工平面图、三维建筑模型)。由于采用三维全息投影所以佩戴者可以看到立体的影像，空间感更强。另外，由于图像是半透明“悬挂”于佩戴者眼前，所以不需要佩戴者做额外的动作即可随时看见(智能手机或IPAD需要先拿在手里再唤醒屏幕，而且需要转动头部才能看到屏幕)。
2、本实用新型采用手势识别系统可以方便的进行人机交互，佩戴者仅需要用手指点击“悬挂”于眼前的屏幕上的相关功能控件即可。另外对于三维图形的控制，佩戴者可以使用组合手势进行缩放(如五指并拢移近或拉远)、平移(如五指并拢手掌上下左右平动)、旋转(如五指弯曲成“爪状”以手腕为轴转动)。该技术可使佩戴者采用最自然的方式进行复杂的指令操作，而无需额外的输入设备。
3、本实用新型所采用的空间扫描技术实现了佩戴者周围空间情况的实时tttt建模。有了这些空间数据，佩戴者可以方便的应用简单的手势进行一些空间操作并存储记录，实现以前需要携带多个工具才能进行的操作。(如手指先后点取两个墙面量取墙间的垂直距离或房间内净高、点取两个边量梁、柱尺寸等，而以往需要带尺、笔、梯子以及助手)
4、本实用新型搭载了WiFi、蓝牙、2G/3G/4G移动通信模块，配合施工场地的信息处理中心可方便的实现服务器到人员和人员到人员的高速通信。各施工人员可从信息处理中心服务器上下载项目三维模型、二维图纸以及施工管理与公告等信息，实时掌握项目的进度与状态，也可以自己上传必要的信息。另外各人员之间也可以进行实时音/视频通信。结合定位系统以及三维模型信息可以方便的了解所有人员的位置与朝向(包括自己)，也可以进行工地内导航。所有的交互内容都可以实时显示在全息投影屏上。节省了目前需要随身带图纸、打电话交流等步骤。
附图说明
图1是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的结构示意图；
图2是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的左视图；
图3是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的爆炸图；
图4是手势识别装置的识别区域示意图；
图5是空间扫描装置的扫描区域示意图；
图6是全息投影单元的示意图。
附图标记：1、安全帽主体；2、帽前檐传感器单元；3、全息投影单元；4、帽后檐微型计算机单元；5、音频输入输出装置；6、开关机按钮；7、九轴传感器；1-1、外层帽体；1-2、内层帽体；2-1、有机玻璃罩；2-2、电路板；3-1、护目镜；3-2、投影屏；3-3、微型投影装置；4-1、外壳；4-2、微型计算机；4-3、电池；5-1、音响；5-2、麦克风。
具体实施方式
为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
图1是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的结构示意图。图2是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的左视图。图3是本实用新型提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽的爆炸图。如图1、2、3所示，本实用新型实施例提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽包括：安全帽主体1、帽前檐传感器单元2、全息投影单元3和帽后檐微型计算机单元4。
安全帽主体1由内层帽体1-2、外层帽体1-1组成，内层帽体1-2和外层帽体1-1相互独立，在边缘处由螺丝或卡扣实现连接。连接成整体的安全帽主体1内部留有部分间隙，为各电子设备与帽后檐的微型计算机单元之间的线路连接提供空间。
所述帽前檐传感器单元2设置在安全帽主体1的前檐下部，包括透明的有机玻璃罩2-1以及设置在有机玻璃罩2-1内部的电路板2-2，所述电路板2-2通过数据线与帽后檐微型计算机单元4连接；所述电路板2-2内部搭载手势识别装置、光强传感器、空间扫描装置以及3D摄像装置。其中所述光强传感器与微型计算机连接，用以感知佩戴者所处环境中的光线强度，再转变成电信号传给微型计算机，进而实现动态调整全息投影的亮度。使投影的图像亮度与所处环境的光强度协调。手势识别装置与空间扫描装置都采用景深摄像头实现，景深摄像头由红外线发射器与红外线摄像头组成，使用时红外线发射器向镜头前的空间均匀的投射出红外线，红外摄像头捕捉遇到物体反射的红外线图像，并据此计算出反射物体表面的点云数据，进而通过三角网格重构算法获得镜头前一定范围内的空间模型。手势识别装置采用近距离景深摄像头实现，用以捕捉佩戴者面前小范围内(如图4，距离范围0-1m)的手部动作三维模型并传递给微型计算机，经处理后对特定的手势做出响应实现对软件系统的操作。使用时，tttt佩戴者将手放在眼前做点击、滑动等手势即可。空间扫描装置采用远距离景深摄像头实现，用以对佩戴者面前较大范围内(如图5，距离范围1-10m)的空间进行实时建模，并将扫描的三维模型存于微型计算机的存储设备中。空间扫描功能需要佩戴者通过语音或者手势来开启，开启后佩戴者需要正面面对着需要扫描的物体并使其在可扫描范围内(如图5)。3D摄像装置由两个并排独立的高清摄像头组成，间距与人眼距离近似。摄像时两个摄像头分别录下存在一定视差的图像保存成3D格式的视频至安全帽搭载的存储器中或通过无线网络实时传输至其他终端。
所述全息投影单元3设置在帽前檐传感器单元2下部，用以实现增强现实的功能，包括：护目镜3-1和投影单元，所述投影单元包括两个微型投影装置3-3和两块投影屏3-2；其中，两块投影屏3-2分别位于左、右眼的正前方，护目镜3-1设置于投影屏3-2远离安全帽主体1的一侧，两个微型投影装置3-3设置在投影屏3-2远离护目镜3-1的一侧(如图6)，其主体位于帽前檐传感器区2内，微型投影装置3-3的出射方向朝向投影屏3-2；两块投影屏3-2设置于佩戴者眼睛正前方，与眼睛较近，每个眼睛前一个，由支座连接在安全帽主体1上。护目镜3-1朝外设置，并与投影屏相对应，护目镜3-1采用高强度有机玻璃自动变色镜片，以防止施工现场光线明暗变化较大对全息投影效果的影响和防止镜片破碎伤害佩戴者。两个微型投影装置3-3隐藏在帽檐里，不遮挡佩戴者视线。每个微型投影装置3-3负责向其对应的投影屏3-2投射图像。微型投影装置3-3由微型投影仪与透镜组组成，能够将显示的图像投影至投影屏上。佩戴者双眼各自只能看到一个投影屏3-2上的图像，在显示三维全息图像时，两个投影屏3-2上的图像存在一定视角差，这样佩戴者的大脑可根据两眼的不同内容在脑中呈现出三维立体图像。
另外，本实施例的智能安全帽还设置音频输入输出装置5，所述音频输入输出装置5包括麦克风5-2和音响5-1。安全帽主体1侧面设置开关机按钮6。具体的，麦克风5-2设置于两个微型投影装置3-3之间，方便录制佩戴者的语音，音响5-1设置于安全帽主体1两侧佩戴者耳部正上方，麦克风5-2与小音响5-1通过安全帽主体1内部的预留空隙内的数据线与微型计算机单元4连接。所有电子设配的开关统一由开关机按钮6控制，开关机按钮6设置于安全帽主体1右侧小音响5-1外壳上。在安全帽主体1内部设置九轴传感器7。具体的，九轴tttt传感器7设置在安全帽主体1内层帽体1-2、外层帽体1-1的空隙中。在安全帽主体的特征位置布置九轴传感器7，用于空间定位与获得佩戴者的头部姿态，九轴传感器7与微型计算机单元4通过安全帽主体1内部的预留空隙内的数据线与微型计算机连接，可以根据捕捉的加速度、角速度计算佩戴者的头部姿态与进行惯性定位，进而实时计算投影屏上的图像使虚拟图像与佩戴者眼中真实物体的空间变化相协调。
所述帽后檐微型计算机单元4包括外壳4-1、微型计算机4-2和电池4-3，所述外壳4-1设置在安全帽主体1的后檐下部，所述微型计算机4-2和电池4-3设置在外壳4-1内部，所述微型计算机4-2和电池4-3电连接。所述微型计算机4-2包括mobile CPU、mobile GPU、主板、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及2G/3G/4G移动通信模块。所述mobile CPU、mobile GPU、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及移动通信模块分别焊接在主板上；所述mobile GPU、RAM、存储器、GPS模块、WiFi模块、无线蓝牙模块以及移动通信模块分别与mobile CPU数据连接。所述主板上设置有SIM卡插槽、TF卡插槽、耳机插口以及micro usb插口，插槽位于帽后檐内部，开口向下。前述的三维全息投影系统、空间扫描系统、定位系统、手势识别系统、音频输入输出系统都通过数据线与主板相连，数据线布置于安全帽主体1里面。其中，本实施例的外壳4-1可以采用高强耐冲击材料，如ABS(acrylonitrile–butadiene–styrene copolymer)塑料，防止对内部电子元件的破坏。电池4-3采用高容量可充电锂电池，设置于主板4-2与外壳4-1之间的夹层处。
本实用新型实施例提供的基于增强现实、空间扫描与手势识别技术的智能安全帽，整合了先进的三维全息投影增强现实技术、手势识别技术与空间扫描技术。三维全息投影的增强现实技术：可以实现双目、大视角、立体的视觉效果，进而可以呈现复杂的内容展示，文字、图片、视频、实时三维虚拟图像等。配合上透明的投影屏，可使佩戴者的视野无遮挡。空间扫描技术：可以实现佩戴者周围环境的实时建模，为佩戴者的工作提供便利。手势识别技术：提供更自然与丰富的人机交互方法，佩戴者可以通过简单的手势动作实现复杂的命令输入(如对显示的图像进行平移、翻转等操作)。本实用新型的智能安全帽具有强大的计算功能，还具有丰富的输入输出形式以及通信tttt功能，可以协助提高工程施工人员的个人及协同工作效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
