CN105192982B - 可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法和系统 - Google Patents

可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法，包括以下步骤：在头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；获取头盔的实时结构参数；在对应关系表中查找与实时结构参数最接近的结构参数对应的图像矫正参数；根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。本发明还公开了一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正系统。本发明能够为可调节式虚拟现实头盔提供更好的图像矫正效果。

Description

可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法和系统
技术领域
本发明涉及图像矫正技术，更具体地，涉及一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法和系统。
背景技术
近年来，随着虚拟现实技术的逐步成熟，各种虚拟现实头盔陆续出现，其实现原理是将小型二维显示器(例如LCD显示屏)所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果。同时左右眼屏幕通过左右眼透镜分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有视差的信息后在大脑中产生具有立体感的影像。
虚拟现实头盔的光学系统必然会引入光学畸变和色差效应。
光学畸变的原因是由于透镜的放大率会随光束和透镜主轴间所成角度而改变而非恒定值。根据光学系统透镜的不同，可能产生桶形或者枕形畸变，并且越靠近边缘畸变就越大，中心位置几乎无畸变。其中虚拟现实头盔中的光学系统一般产生的是枕形畸变。
色差效应是由于不同色光的波长和折射率不同而导致的。可见光中红色波长较长，折射率小，蓝色波长较短，折射率大。色差会导致两种结果：物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，造成成像模糊；成像画面边缘部分会有彩虹现象，尤其是明暗(黑白)交界处。
消除光学畸变和色差效应可以通过高级的消畸消色差透镜(组)来完成，但无法100％消除畸变与色差，还需要通过数字图像处理技术进行进一步矫正补偿，例如对于存在枕形畸变的光学系统，先将原图像进行桶形畸变，经过存在枕形畸变的光学系统后正好抵消，最后人眼看到的是正常无畸变的图像，或者例如色差补偿，针对RGB三种颜色分别设置三套不同参数进行运算以进行色差补偿。目前矫正算法中应用最广泛的是高阶多项式模型(通常要展开到三阶以上)，将图像矫正参数带入到多项式中进行运算，根据运算结果进行图像矫正。
目前的虚拟现实头盔可以分为不可调节式和可调节式，可调节式是指头盔的物理结构可以改变，例如左右眼镜片中心距离可以调节，镜片与屏幕的距离可以调节等，可调节式头盔适用于大多数用户，例如不同瞳距或远近视眼等用户。但发明人发现，对于可调节式头盔，由于图像矫正参数不会改变，结构调整后仍然使用原来的图像矫正参数，会导致图像矫正效果变差，特别是当物理结构变化较大时，会对最终成像将造成很大的影响，人眼将直接感受到图像变形与色差效应。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种适用于可调节式虚拟现实头盔的图像矫正的新的技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法，包括以下步骤：在头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；获取头盔的实时结构参数；在对应关系表中查找与实时结构参数最接近的结构参数对应的图像矫正参数；根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
优选地，图像矫正参数包括图像畸变参数和/或图像色差参数，图像矫正公式包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式。
优选地，结构参数和图像矫正参数的对应关系是通过拟合实验获得。
优选地，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和/或镜片到屏幕的距离。
优选地，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离；图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；对应关系表，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
优选地，头盔的实时结构参数是通过测量获得或者是根据调节参数计算获得。
根据本发明的第二方面，提供了一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正系统，包括：存储单元、结构参数获取单元、图像矫正单元；存储单元用于存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；结构参数获取单元用于获取头盔的实时结构参数并且将实时结构参数报告给图像矫正单元；图像矫正单元用于在对应关系表中查找与实时结构参数最接近的结构参数对应的图像矫正参数以及根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
优选地，图像矫正参数包括图像畸变参数和/或图像色差参数，图像矫正公式包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式。
优选地，结构参数和图像矫正参数的对应关系是通过拟合实验获得。
优选地，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和/或镜片到屏幕的距离。
优选地，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离；图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；对应关系表，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
优选地，结构参数获取单元包括用于测量获得实时结构参数的距离传感器；或者，结构参数获取单元包括用于接收结构调节单元发出的调节参数的接收单元以及根据调节参数计算出实时结构参数的第一计算单元。
优选地，结构参数获取单元包括用于测量获得实时结构参数的距离传感器；距离传感器周期性地测量头盔的实时结构参数，或者在接收到结构调节单元发出的调节通知后测量头盔的实时结构参数。
本发明的发明人发现，在现有技术中，还没有一种适用于可调节虚拟现实头盔进行图像矫正的技术方案。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
本发明通过在可调节式虚拟现实头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表，跟随结构参数的实时变化进行相应的图像矫正，为可调节式虚拟现实头盔提供了更好的图像矫正效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法的步骤示意图。
图2是本发明可调节式虚拟现实头盔的图像矫正系统的电路框图。
图3、4是本发明的距离传感器的设置方式的结构示意图。
附图标记说明：
100-存储单元、200-结构参数获取单元、300-图像矫正单元、400-结构调节单元、201-205距离传感器、1-镜片、2-屏幕、3-第一挡板、4-第二挡板、5-第三挡板、6-横梁。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1介绍本发明的可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法的实施例，包括以下步骤：在头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；获取头盔的实时结构参数；在对应关系表中查找与实时结构参数最接近的结构参数对应的图像矫正参数；根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
优选地，图像矫正参数可以包括图像畸变参数和/或图像色差参数，相应的，图像矫正公式可以包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式。结构参数可以包括左右镜片中心之间的距离(即瞳距)和/或镜片到屏幕的距离。头盔的实时结构参数可以是例如通过测量获得或者是根据调节参数计算获得，前者比如利用距离传感器测量获得左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离，后者比如通过瞳距调节单元调节左右镜片的距离增大了0.5cm后，根据瞳距调节单元发出的“增大0.5cm”的调节参数就可以计算出调节后的实时瞳距参数。
下面举例介绍本实施例中结构参数和图像矫正参数的对应关系的获取方法：
在本实施例中，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离，图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；
通过拟合实验获得结构参数和图像矫正参数的对应关系表，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
图像矫正参数k1，k2，…，kn与透镜直径、透镜中心距离、透镜到屏幕距离等结构参数均有关。任一参数发生变化，光线的路径都将发生改变，畸变的程度和表象也都随之发生变化，生成的光学拟合图以及图像矫正参数也就不同。然而，不同的虚拟现实头盔由于透镜(组)特性差别较大，有的头盔透镜组既包含凸透镜也包含凹透镜，有的是非球面镜；有的透镜直径变大时，k1变小，有的透镜直径变大时，k1变大，这就导致尽管k1，k2，…，kn受透镜直径、透镜中心距离等参数影响，但很难在它们之间建立简单的统一的对应关系。所以本发明通过拟合实验依靠大量数据拟合出结构参数的各微小段的组合下的图像矫正曲线，取得各种情况下的图像矫正参数k1，k2，…，kn的近似经验值并预先存储在头盔中，在头盔的实际使用过程中，只需要根据头盔的实际结构参数调用对应的图像矫正参数进行图像矫正即可。不同的头盔拟合出的k1，k2，…，kn是不同的。
参考图2介绍本发明的可调节式虚拟现实头盔的图像矫正系统的第一实施例，包括：存储单元100、结构参数获取单元200、图像矫正单元300。
存储单元100用于存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式。
结构参数获取单元200用于获取头盔的实时结构参数并且将实时结构参数报告给图像矫正单元。
图像矫正单元300用于在对应关系表中查找与实时结构参数最接近的结构参数对应的图像矫正参数以及根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
优选地，图像矫正参数可以包括图像畸变参数和/或图像色差参数，相应的，图像矫正公式可以包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式。
优选地，本实施例中结构参数和图像矫正参数的对应关系是通过拟合实验获得，具体过程可以参见前文。本实施例中，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离，图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；对应关系表参考表1所示，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
表1对应关系表
从图2中可以看出，第一实施例中，结构参数获取单元200与结构调节单元400连接，结构参数获取单元200包括用于测量实时结构参数的距离传感器，结构调节单元400每次进行调节后主动发送调节通知到结构参数获取单元，距离传感器测量一次头盔的实时结构参数，在其它的实施例中，距离传感器可以周期性地主动地测量头盔的实时结构参数。
在其它的实施例中，如同前文所述，头盔的实时结构参数可以例如根据调节参数计算获得，结构参数获取单元200包括接收单元和第一计算单元，接收单元用于接收结构调节单元400发出的调节参数，第一计算单元根据调节参数计算出实时结构参数。
参考图3介绍结构参数获取单元200测量左右镜片中心之间的距离的实施例。镜片1安装于支架上，支架包括第一、第二、第三挡板，第一挡板3设置于左右镜片中间将左右镜片隔开，第二挡板4设置于左镜片的右边沿并且与左镜片相对固定，第三挡板5设置于右镜片的左边沿并且与右镜片相对固定。
距离传感器201设置于第二挡板4上并且朝向第一挡板3，用于测量距离传感器201到第一挡板3的距离；距离传感器202设置于第三挡板5上并且朝向第一挡板3，用于测量距离传感器202到第一挡板3的距离；第二计算单元(图中没有示意出)用于计算左右镜片中心之间的距离，左右镜片中心之间的距离＝距离传感器201到第一挡板3的距离+距离传感器202到第一挡板3的距离+距离传感器201到左镜片中心的距离+距离传感器202到右镜片中心的距离。
上述实施例中的距离传感器201和距离传感器202的设置方式适用于左右镜片对称调节的情况，即左右镜片同时互相远离或者互相靠近、左右镜片到第一挡板3的距离一直是相同的情况；也适用于左右镜片非对称调节的情况，例如只有左镜片平移，而右镜片保持不动的情况；在左右镜片非对称调节的情况下，左右镜片到第一挡板3的距离可能是不同的，此时左右镜片可能需要使用不同的图像矫正参数。
在另一个实施例中，距离传感器201可以设置于第一挡板3上并且朝向第二挡板4，用于测量距离传感器201到第二挡板4的距离，距离传感器202还可以设置于第一挡板3上并且朝向第三挡板5，用于测量距离传感器202到第三挡板5的距离；第二计算单元用于计算左右镜片中心之间的距离，左右镜片中心之间的距离＝距离传感器201到第二挡板4的距离+距离传感器202到第三挡板5的距离+第二挡板4到左镜片中心的距离+第三挡板5到右镜片中心的距离。
在另一个实施例中，如果左右镜片是对称调节的情况，那么可以省略距离传感器201或202中的任意一个，左右镜片中心之间的距离＝(距离传感器201到第一挡板3的距离+距离传感器201到左镜片中心的距离)*2，或者左右镜片中心之间的距离＝(距离传感器202到第一挡板3的距离+距离传感器202到右镜片中心的距离)*2。
参考图3介绍结构参数获取单元200测量左右镜片到屏幕的距离的实施例，左右镜片之间的中心支架靠近屏幕的一端设有平行于左右镜片所在平面的横梁6并且横梁6到左右镜片所在平面的距离固定。在横梁6的左端设置有距离传感器203并且朝向屏幕，用于测量距离传感器203到屏幕的距离；在横梁6的右端设有距离传感器204并且朝向屏幕，用于测量距离传感器204到屏幕的距离。
第三计算单元(图中没有示意出)用于计算左镜片和右镜片到屏幕的距离，由于横梁6平行于左右镜片所在平面并且到左右镜片所在平面的距离固定，因此左镜片到屏幕的距离＝距离传感器203到屏幕的距离+横梁6到左右镜片所在平面的距离，右镜片到屏幕的距离＝距离传感器204到屏幕的距离+横梁6到左右镜片所在平面的距离。
上述实施例适用左右眼屏幕可独立调节位置的情况，如果左右眼屏幕不可独立调节，可以省略掉距离传感器203或204中的任意一个。
参考图4介绍结构参数获取单元200测量镜片到屏幕的距离的另一个实施例，适用于左右眼屏幕不可独立调节的情况，距离传感器205可以分别安装在镜平面的上、中、下三个位置并且朝向屏幕，分别测量出上、中、下三个位置到屏幕的距离，求取这三个距离的平均值就能够精确地测量出镜片到屏幕的距离。
考虑到用户在佩戴虚拟现实头盔之后基本处于密闭黑暗状态，优选红外测距距离传感器。红外测距距离传感器具有红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过运算后之后即可测出距离。优选Sharp GP2Y0D805Z0F和GP2Y0D805Z0F型号的红外测距距离传感器，测距范围为5cm，精度0.1mm，非常适合于应用于虚拟现实头盔和本发明的技术方案中。在其它的实施例中，距离传感器可以选用超声波距离传感器等。
本发明通过在头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表，跟随结构参数的实时变化选取不同矫正参数值进行畸变矫正与色差补偿，使虚拟现实头盔的结构可调范围加大，有效提升了虚拟现实头盔的光学性能。优选的或可选的，进而有效解决了高度远、近视眼、眼距过大或过小等特殊人群无法完美欣赏虚拟现实3D图像的问题，向用户提供无畸变、无色差的清晰3D图像。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
在头盔中预先存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；其中，所述图像矫正参数包括图像畸变参数和/或图像色差参数，所述图像矫正公式包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式；
获取头盔的实时结构参数；
在所述对应关系表中查找与所述实时结构参数最接近的结构参数，并根据所述最接近的结构参数查找相应的图像矫正参数；
根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，结构参数和图像矫正参数的对应关系是通过拟合实验获得。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和/或镜片到屏幕的距离。
4.根据权利要求1或2任一项的方法，其特征在于，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离；图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；
左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；
对应关系表，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，头盔的实时结构参数是通过测量获得或者是根据调节参数计算获得。
6.一种可调节式虚拟现实头盔的图像矫正系统，其特征在于，包括：存储单元(100)、结构参数获取单元(200)、图像矫正单元(300)；
存储单元(100)用于存储结构参数和图像矫正参数的对应关系表以及头盔的图像矫正公式；其中，图像矫正参数包括图像畸变参数和/或图像色差参数，图像矫正公式包括图像畸变校正公式和/或图像色差补偿公式；
结构参数获取单元(200)用于获取头盔的实时结构参数并且将实时结构参数报告给图像矫正单元；
图像矫正单元(300)用于在所述对应关系表中查找与所述实时结构参数最接近的结构参数，并根据所述最接近的结构参数查找相应的图像矫正参数，以及根据查找出的图像矫正参数调用图像矫正公式进行图像矫正。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于，结构参数和图像矫正参数的对应关系是通过拟合实验获得。
8.根据权利要求6的系统，其特征在于，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和/或镜片到屏幕的距离。
9.根据权利要求6或7任一项的系统，其特征在于，结构参数包括左右镜片中心之间的距离和镜片到屏幕的距离；图像矫正参数共为n个，分别为k1，k2，…，kn；
左右镜片中心之间的距离的可调节区间为d0～dr，等分为d0～d0+(dr-d0)/n，d0+(dr-d0)/n～d0+2(dr-d0)/n，…，d0+(n-1)(dr-d0)/～dr的n个小区间；镜片到屏幕的距离的可调节区间为D0～Dr，等分为D0～D0+(Dr-D0)/n，D0+(Dr-D0)/n～D0+2(Dr-D0)/n，…，D0+(n-1)(Dr-D0)/～Dr的n个小区间；
对应关系表，针对左右镜片中心之间的距离的小区间和镜片到屏幕的距离的小区间的任意组合，分别对应有一组图像矫正参数k1，k2，…，kn，一共包括n*n组图像矫正参数k1，k2，…，kn。
10.根据权利要求6的系统，其特征在于，结构参数获取单元(200)包括用于测量获得实时结构参数的距离传感器；或者，
结构参数获取单元(200)包括用于接收结构调节单元(400)发出的调节参数的接收单元以及根据调节参数计算出实时结构参数的第一计算单元。
11.根据权利要求6的系统，其特征在于，结构参数获取单元(200)包括用于测量获得实时结构参数的距离传感器；
距离传感器周期性地测量头盔的实时结构参数，或者在接收到结构调节单元(400)发出的调节通知后测量头盔的实时结构参数。
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