CN104777615B - 基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置，包括沿人眼视线方向依次布置的：分束镜，用于获取眼瞳位置信息；空间光调制器阵列，用于调制进入人眼偏振光的透过率；背光照明设备，用于为空间光调制器阵列提供均匀亮度的背光。本发明还公开了一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示方法，对每个视点设置权重函数，利用多视点光场全局优化方法，降低边缘视场的冗余信息，提高三维显示视觉分辨率；同时结合人眼探测装置实时获取眼瞳位置，根据视觉特性对光场密度重新采样分布，利用单一视点光场局部优化方法，极大降低优化方法运算量，实现自适应高分辨的实时三维显示。

Description

基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置和方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置和方法。

背景技术

我们生活在三维的世界，然而传统的显示技术仅仅提供缺少深度信息的二维显示。二维显示大大限制了人们对丰富多彩世界获取认知的信息量。电子技术、光学技术和光电子技术等的快速发展促进了三维显示技术发展。三维显示技术提供显示物体的深度信息，契合现代人对于信息获取的需求。所以三维技术在学术界和商业界得到广泛的关注。

现有的三维显示技术主要包括视差型三维显示、体三维显示、全息三维显示、集成成像三维显示、光场三维显示等。大多数的三维显示技术都存在聚焦辐辏的问题，易造成观看者的疲劳甚至是头晕的效果。

光场近眼显示(头盔显示)技术是实现三维显示的一种最简便的方法。在近眼显示中引入了光场重构的概念，对于任一三维重构点至少有2根光线进入瞳孔，从而人眼可以方便地对不同深度的图像进行自由调焦，消除聚焦辐辏冲突，使得观看更加接近真实和自然。Hironobu Gotoda和MIT的Gordon Wetzstein等人依据计算机层析技术，基于多层液晶，将四维光场经过非负矩阵分解，得出多层衰减图案，实现基于多层液晶的三维显示，可以在较小的视角内实现高分辨的光场显示。

然而上述方法存在两点缺陷：1、该算法都是针对明视距离以外的三维显示，其算法仅在10°左右视场角内效果较好，而采用多层空间光调制的光场近眼显示在光学上视场角可达60°以上；2、近眼显示中人眼在观察大视场的图像时，其眼球是在大范围地扫描，其观察角度和视场位置等都有关，因此该算法并不适合近眼显示。

发明内容

本发明的目的在于克服近眼显示视场角较小、分辨率较低的问题，为提高近眼光场显示图像质量和分辨率，提出一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置和方法；本发明的具体技术方案如下：

一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置，该近眼显示装置沿着人眼正前方依次放置分束镜、微透镜阵列、空间光调制器阵列和背光照明设备。

所述的分束镜通过眼瞳探测装置获取眼瞳位置信息。

所述的微透镜阵列通过其对光线的偏折能力，缩小近眼显示中光场到达眼瞳的光斑大小，降低由于液晶像素尺寸太小导致的衍射问题。

所述的空间光调制器阵列由多层等间隔排布的液晶层构成。尽量保证液晶层之间的平行度，并且液晶层数至少为2层。

光线的角度由空间光调制器的像素间隔以及多层空间光调制器之间的距离决定，但光线的强度和颜色则由该光线对应多层液晶像素的透过率的乘积决定。

由于液晶层是对偏振光的偏振方向进行调制的，为了使得最终光线的强度和颜色等价于光线经多层液晶之后的强度乘积，需要在液晶层与层之间放置偏振片。

背光照明设备常用侧入式背光源。冷阴极灯管作为发光零件，藉由导光板，将光线分布到各处。反射膜则将光线限制住都只往液晶的方向前进，最后藉由棱镜膜和散射膜，将光线均匀的分布到各个区域去，提供给液晶层一个均匀亮度的背光。

利用PC作为控制终端，通过控制驱动板进而控制每层液晶上像素的透过率，最终实现基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示。

在上述的自适应高分辨近眼光场显示装置基础之上，本发明提供了一种基于人眼跟踪的高分辨近眼光场显示方法，包括以下步骤：

1)依据近眼光场显示结构，利用非负矩阵分解算法将重构目标光场问题等价于求取多层液晶空间光调制器的二维图像的张量积，人眼通过所述的自适应高分辨近眼光场显示装置观察到重构的四维光场；

2)基于人眼的清晰成像位置仅限于眼轴附近5°这一视觉特性，设置权重矩阵降低边缘视场的冗余信息，提高三维显示视觉分辨率；

3)通过对人眼眼瞳位置的探测和反馈，根据人眼的视觉分布函数对光线场的密度进行重新分布，将统一计算不同视点的光场全局优化算法进一步简化为计算单一视点位置的光场局部优化算法，提高运算速度。

具体地，所述步骤2)包括：

a)将眼瞳位置离散化，相互之间变化间隔一段距离，使得从三维重构点至少有2根光线同时进入人眼，消除三维显示中的聚焦辐辏冲突；

b)依据人眼只有5°左右的细节分辨视觉特性，对每个视点位置设立一个权重矩阵，获取经过权重优化后的目标光场；

c)使用非负矩阵分解算法，统一计算不同视点的目标光场，将其分解成一系列二维图案的张量积。

具体地，所述步骤3)包括：

a)利用眼瞳探测装置实时探测和反馈人眼瞳孔位置，获取该视点确定位置；

b)眼瞳正对的5度区域采用显示屏最高的分辨率产生光场，外围的区域光场密度逐渐降低；

c)仅对该单一瞳孔位置的光场进行局部优化，由于计算量的大幅降低，提高了该优化算法的速度和实时性。

与先前技术相比，本发明的主要优点如下：

1)根据人眼的视觉特性，设置权重矩阵，对不同眼瞳位置的光场综合优化，增加了近眼光场显示信息量，提高了光场近眼显示分辨率。

2)基于人眼探测装置，实时获取人眼瞳孔位置，仅对该单一位置进行光场局部优化，大大降低运算量，实现人眼跟踪的自适应高清晰实时显示。

附图说明

图1是基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置示意图；

图2是本发明根据视觉特性的光场密度重新采样分布示意图；

图3是本发明人眼跟踪装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于人眼跟踪的自适应高分辨近眼光场显示装置，具有沿着人眼球1前方依次放置的分束镜、微透镜阵列2、液晶层3、液晶层4、液晶层5和背光照明设备，其中终端通过驱动板控制液晶层3的透过率，眼瞳探测装置通过分束镜实时获取人眼眼瞳位置。

以两层液晶为例，光线通过第一层液晶第i行第j列，该像素透过率为f(i,j)；光线通过第二层液晶第k行第l列，该像素透过率为g(k,l)。则该光线到达人眼的光强为L(i,j,k,l)＝f(i,j)·g(k,l)。

任何N层的空间光调制器，均可看成是阶数为N张量，该张量秩为1。

需要说明的是，对与某个像素，可能有多根光线通过，因此用多层空间光调制器构建的光线数要大于空间光调制器所有像素的和，这是我们能够大幅度提高光场分辨率的原因。

理论上液晶层数越多，显示信息量的能力越高。但随着层数增加，整个系统质量变大，厚度增加，降低近眼显示装置的便携性和舒适感。同时随着层数增加，整个系统亮度也会变暗。

人眼能够看清的范围只有5°×5°，而5°以外人眼只能看到大致的轮廓，因此5°以外区域的光场再现的精度要求大大下降。

构建人眼分辨率分布的检测装置，实际测量人眼的分辨分布，对每个视点设置权重函数，保留中心视场信息，去除不必要的边缘冗余信息。

研究不同视场冗余信息的去除方法以及结合人眼不同注视位置的多层显示的光场数据进行全局优化方法，进一步提高光场显示的视觉分辨率。

如图2所示，根据人眼的视觉分布函数对光线场的密度进行重新分布。图中眼瞳正对的5度区域采用显示屏最高的分辨率产生光场，外围的区域光场密度逐渐降低，这样将大大降低光场光线数，提高计算速度，从而实现快速实时计算。

若近眼显示总视场为60度，5度视场只占1/12，面积占约1/144。外围光场分辨率较低，若降低到和中心区域相同的光线数，则总计算量将下降到原光场的七十分之一。

如图3所示的人眼跟踪装置示意图。眼瞳探测装置实时获取眼瞳位置后，将该视点位置正对的中心视场所在液晶区域采用高分辨率显示，边缘视场所在液晶区域采用低分辨率显示。

仅仅对一个眼瞳位置进行光场局部优化，其光场的再现精度会远高于多眼瞳位置全局优化的结果，使分辨率提高，同时计算信息量的大幅降低，

虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于自适应高分辨近眼光场显示装置的方法，其特征在于，所述的自适应高分辨近眼光场显示装置包括沿人眼视线方向依次布置的：分束镜，用于获取眼瞳位置信息；空间光调制器阵列，用于调制进入人眼偏振光的透过率；背光照明设备，用于为空间光调制器阵列提供均匀亮度的背光；

包括以下步骤：

1)将四维的目标光场分解为空间光调制器中二维图像的张量积，人眼通过所述的自适应高分辨近眼光场显示装置观察到重构的四维光场；

2)依据人眼的细节分辨视觉特性，四维的目标光场分为中心视场和边缘视场，设置权重矩阵降低边缘视场的冗余信息，调整空间光调制器的分辨率排布；

3)根据眼瞳位置信息，实时对透过空间光调制器的光线场密度进行重新分布，对单一视点位置的目标光场进行局部优化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

a)将眼瞳位置离散化，使目标物体的三维重构点至少有2根光线同时进入人眼；

b)依据人眼的细节分辨视觉特性，对每个视点位置设立一个权重矩阵，调整空间光调制器的分辨率排布，获取经过权重优化后的目标光场。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)包括：

a)利用眼瞳探测装置获取眼瞳位置信息，确定对应的视点位置；

b)对视点位置正对的中心视场所在空间光调制器区域采用高分辨率显示，边缘视场所在空间光调制器区域采用低分辨率显示。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分束镜通过眼瞳探测装置获取眼瞳位置信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分束镜和空间光调制器阵列之间放置有微透镜阵列，用于对光线偏折并缩小近眼显示中光场到达眼瞳的光斑大小。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空间光调制器阵列具有多层等间隔排布的液晶层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，多层液晶层平行布置。