CN104777622A - 基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化装置，包括沿人眼视线方向依次布置的：空间光调制器阵列，用于调制进入人眼偏振光的透过率；偏振片阵列，用于将进入空间光调制器阵列的背景光调制为偏振光；和背光照明设备，用于为空间光调制器阵列提供均匀亮度的背光；还包括控制终端，用于控制空间光调制器阵列上各像素的RGB通道的透过率，实现近眼三维显示。本发明还公开了一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法，提出重构光场中心区域和边缘区域具有不同的权重范围，同时结合聚焦辐辏冲突消除条件，计算出最终权重角度，使得优化结果更加接近真实情况。本发明显著提高优化速度，增强了优化算法的实时性。

Description

基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法和装置

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法和装置。

背景技术

三维显示技术在显示领域受到越来越多的重视，该技术的发展，已经影响到人类生活的方方面面。从3D电影的蓬勃发展，到风靡全球的GoogleGlass，再到被Facebook以20亿美元收购的Oculus，无不向世人展示了3D显示广阔的发展前景。究其原因，三维显示提供了传统二维显示所不具备的深度信息，给用户带来了极佳的视觉体验。但正因为如此，三维显示中最大的问题就在于，如何提供足够的信息量，实现高空间分辨率、高角分辨率的三维显现效果。

现有的三维显示技术大都是基于双目视差图像的立体显示技术，不可避免的存在着辐辏和聚焦的问题，即人眼观看的屏幕位置(聚焦)和立体图像的空间深度位置(辐辏)不一致，使得人眼在长时间观看后产生晕眩、恶心等生理心理反应。

现有文献(参见Maimone A,Fuchs H.Computational augmented realityeyeglasses[C]//Mixed and Augmented Reality(ISMAR),2013 IEEEInternational Symposium on.IEEE,2013:29-38.)提出一种多层液晶近眼显示的计算方案，其使用堆叠的空间光调制器(SLM)产生随视点变化而变化的图像，得到精确的运动视差和双目视差，产生良好的立体感和深度感。

然而上述方法存在两点缺陷：1、由于四维光场信息量巨大，将光场转化为多层液晶衰减图案张量积时，计算速度慢，只能显示静态的三维场景；2、由于人眼分辨细节的中心视场只有5度左右，将边缘光线与中心光线同样权重对待，优化结果反而与真实情况不符。

发明内容

本发明的目的是避免现有近眼多层显示技术中，中心视场和边缘视场权重相同带来的显示失真等问题，提出一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示的权重优化方法和装置。

一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化装置，包括沿着人眼正前方依次放置的微透镜阵列、空间光调制器阵列、偏振片阵列、背光照明设备和镜框固定设备。

所述的微透镜阵列，用来偏折光场，减小光场到达眼瞳的光斑尺寸，降低系统衍射。

所述的微透镜阵列，若要降低系统的光学结构复杂度，也可不加。

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。

优选的，保证多层液晶层互相平行，液晶层数至少为两层。

该多层液晶近眼显示装置的三维显示效果，由多层液晶层数、液晶分辨率和液晶层间隔共同决定。

偏振片阵列确保背景光进入液晶层之前为偏振光，在层与层之间放置偏振片使得通过每一层液晶的偏振光均可以看做是光强的调制。

优选的，偏振片阵列从近到远，偏振方向按照顺序正交，使得对光偏振方向的调制最终转换为强度的调制。

背光照明设备分成侧入式和直下式两种。侧入式背光源包括导光板、反射膜、透镜膜、漫射膜和冷阴极灯管；直下式背光源包括利用冷阴极荧光管和利用LED阵列两种方式。

镜框固定设备用来固定液晶层和背光照明设备，质量轻巧，易于佩戴，且重心尽量靠近佩戴者以提高使用舒适感。

控制终端连接每一层液晶空间光调制器的驱动板，依据优化方法计算出的衰减图案，不断刷新每层液晶上每个像素的RGB通道的透过率，最终实现基于多层液晶的近眼三维显示。

在上述多层液晶近眼显示权重优化装置基础之上，本发明提供了一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法，包括以下步骤：

1)依据人眼瞳孔大小和瞳孔转动范围，结合人眼聚焦辐辏冲突解决办法，设计视点间隔和视点数目；

2)依据所要显示的三维空间场景，获取不同视点情况下的透视投影结果，得到四维目标光场；

3)依据多层液晶显示系统结构，获取重构四维光场的范围和方向；

4)结合人眼视觉系统分辨细节的中心视场范围，计算出在既定视点间隔情况下，最终的中心权重角度范围；

5)利用高维度线性最小二乘法，基于人眼视觉系统的权重设计，计算出每一层液晶上的衰减图案，实现近眼的三维显示效果。

具体地，所述步骤1)包括：

a)当瞳孔固定时，从某一三维重构点至少有两根光线同时进入人眼，人眼就可以辐辏在该点处；

b)依据瞳孔大小、眼球半径，设计相邻视点间隔；

具体地，所述步骤4)包括：

a)当瞳孔固定时，人眼分辨细节的中心视场范围是5度左右，人眼明视距离为25cm左右；

b)在视点位置确定条件下，获取该视点能够分辨的最边缘点位置；

c)依据该边缘点位置，计算出消除聚焦辐辏冲突条件下，最终的权重角度范围。

与先前技术相比，本发明的主要优点如下：

1)依据人眼视觉特性，提出重构光场中心区域和边缘区域具有不同的权重范围，使得优化结果更加接近真实情况；

2)降低对边缘区域光线的约束强度，由于边缘区域占整个光场的绝大部分，显著地提高优化速度，增加了优化算法的实时性。

附图说明

图1是本发明基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化装置示意图；

图2是本发明消除聚焦辐辏冲突条件下视点间隔示意图；

图3是本发明基于人眼视觉特性的权重角度示意图。

具体实施方式

以下结合附图，结合具体实施例来对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化装置，包括沿着人眼球1前方依次放置的微透镜阵列3、偏振片4、液晶层5、偏振片6、液晶层7、偏振片8和背光照明设备9，其中终端16分别通过驱动板14和驱动板15控制液晶层5和液晶层7的透过率，液晶层阵列、偏振片阵列和背光照明设备通过镜框固定设备10固定。

该多层液晶近眼显示装置离人眼瞳孔2距离大约18～20mm，与普通眼镜到人眼距离相当。

需要说明的是，为了使得背景光通过每一层液晶之后，都可以看做是对光强度的调制，需要在层与层之间放置偏振片，如图中偏振片6。

光线通过不同像素时，由于不同像素的光强透过率不同，同时不同方向的光线与液晶层的交点不同，最终对四维光场产生相应调制，获取随视点不同而不同的透视投影图像。

设光线通过液晶层7所在像素位置为第i行第j列，该像素透过率为f(i，j)，该光线继续通过液晶层5所在像素位置为第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)。

如图1所示，瞳孔2沿着经眼球转动中心O的转动轴转动，沿转动轴左右2.5度范围获得中心视场12，该区域为人眼黄斑瞄准区域，人眼可以分辨该区域细节。

连接背光源边缘和视点分别得到边缘视场11和边缘视场13，由于人眼视觉特性，边缘视场空间分辨能力差，只能察觉物体是否移动，并不能观察到场景细节。

图2为消除聚焦辐辏冲突条件下视点间隔示意图，瞳孔2通过液晶层5和液晶层7，观察重构三维场景17。

由于多层近眼显示装置距离人眼距离很近，尺寸4mm左右的瞳孔不可忽略。当液晶层分辨率足够高时，对于重构三维场景17中某一点p₁而言，至少有两根光线进入瞳孔2，那么理论上人依靠单眼就可以直接辐辏在该重构三维点p₁处，消除传统三维显示技术中经常存在的聚焦辐辏冲突，提高用户的佩戴舒适感。

图2中在瞳孔2固定时，依次放置了视点A、视点B和视点C，同理在垂直纸面方向上，也要摆放至少2个视点，使得该三维显示装置具有准确的水平视差和垂直视差。

图3为基于人眼视觉特性的权重角度示意图。眼球半径R≈12mm，人眼明视距离d＝25cm，在此范围之外观察物体不易产生视觉疲劳。中心视场半角a≈2.5°。区域18在视点H的明视距离以内，不易重构三维场景，区域22在视点H的明视距离以外，J为视点H下能够分辨的最边缘点位置。视点I是视点H的相邻视点，视点间隔为β。同理区域19在视点I的明视距离以内，区域23在视点I的明视距离以外，区域20和区域24分别表示下一视点的明视距离以内和明视距离以外范围，K为该视点下能够分辨的最边缘点位置。

观察重构点J，连接视点H得到重构光线同样连接视点I得到重构光线观察发现不在视点I的中心视场范围之内，为了消除聚焦辐辏冲突，至少需要2根光线在高权重范围内。因此，需要扩展优化时的高权重范围，将权重角度由a角扩展至γ角。

使用正余弦定理得到最终权重角度γ：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\β}}{2}+\arccos \left(\frac{d\cos (\frac{\mathrm{\β}}{2}+a)}{\sqrt{d^2+{4R}^2{\left(\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}\right)}^2+4\mathrm{Rd}\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}\sin (\frac{\mathrm{\β}}{2}+a)}}\right)$

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 (8)

1.一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化装置，其特征在于，包括沿人眼视线方向依次布置的：

空间光调制器阵列，用于调制进入人眼偏振光的透过率；

偏振片阵列，用于将进入空间光调制器阵列的背景光调制为偏振光；

和背光照明设备，用于为空间光调制器阵列提供均匀亮度的背光；

还包括控制终端，用于控制空间光调制器阵列上各像素的RGB通道的透过率，实现近眼三维显示。

2.如权利要求1所述的多层液晶近眼显示权重优化装置，其特征在于，所述人眼的前方还设有用于减小光场光斑尺寸的微透镜阵列。

3.如权利要求1所述的多层液晶近眼显示权重优化装置，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的多层液晶近眼显示权重优化装置，其特征在于，所述的偏振片阵列由多层偏振片组成，且偏振片与液晶层交错布置。

5.如权利要求4所述的多层液晶近眼显示权重优化装置，其特征在于，所述偏振片的偏振方向沿人眼视线方向按序正交。

6.一种基于视觉系统特性的多层液晶近眼显示权重优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)依据人眼瞳孔大小和瞳孔转动范围，结合人眼聚焦辐辏冲突，设计视点间隔和视点数目；

2)依据所要显示的三维空间场景，获取不同视点情况下的透视投影结果，得到四维目标光场；

3)结合人眼视觉分辨细节的中心视场，根据视点间隔，计算中心视场的权重角度范围；

4)利用高维度线性最小二乘法，依据所述的权重角度范围，计算出每一层空间光调制器上的衰减图案，实现近眼的三维显示效果。

7.如权利要求6所述的多层液晶近眼显示权重优化方法，其特征在于，所述的步骤1)包括：

a)当瞳孔固定时，从某一三维重构点至少有两根光线同时进入人眼，人眼就辐辏在该点处；

b)依据瞳孔大小、眼球半径，设计相邻视点间隔。

8.如权利要求7所述的多层液晶近眼显示权重优化方法，其特征在于，所述的步骤3)包括：

a)瞳孔固定，根据人眼分辨细节的中心视场范围和明视距离，获取某一视点能够分辨的最边缘点位置；

b)依据该边缘点位置，计算出消除聚焦辐辏冲突条件下，最终的权重角度范围。