CN105404011B - 一种抬头显示器的3d图像校正方法以及抬头显示器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于车载电子设备领域，公开了一种抬头显示器的3D图像校正方法，包括：将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像；左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为系统成像放大率，为矩阵，β0为理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像图像矩阵；将左眼预畸变图像和右眼预畸变图像通过3D图形发生器分时输出，经过成像系统形成消畸变的左眼图像和右眼图像。本发明的左、右眼预畸变图像由上述关系式运算得到，由3D图形发生器将其分时输出，经过抬头显示器的成像系统后，分别形成消畸变的左右眼图像，对左眼图像分别了进行校正，无畸变累加，像质优良。

Description

一种抬头显示器的3D图像校正方法以及抬头显示器

技术领域

本发明属于车载电子设备技术领域，尤其涉及一种抬头显示器。

背景技术

众所周知，抬头显示器(HUD)主要是让驾驶员不用低头看仪表盘信息，而专注于驾驶，从视野前方抬头显示器的虚像上就可以获得想要信息，从而避免因汽车行驶中眼睛集中注意力观察仪表盘带来的驾驶安全问题。在成像源输出3D图像时，左眼图像和右眼图像经过HUD显示系统后形成两套光路分别对应驾驶员的左眼和右眼，由于挡风玻璃等曲面不规则的问题，从而导致同一虚像形成不同畸变，进而导致左右眼图像畸变不同而不重合，从而很难形成清晰的3D效果，视觉感受不佳。目前主流图像校正技术主要是对整幅图像畸变进行校正，从而校正由挡风玻璃等成像元件造成的畸变。该种单一校正方法在左右眼图像畸变较大时，只能校正一只眼睛看到的图像畸变，而另外一只眼睛所见的图像畸变则会由于对整幅图像的预畸变校正而造成畸变的累加，大大降低图像畸变的校正效果，因此，需要提供一种新的校正方案，以实现双眼图像的同时校正。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种抬头显示器的3D图像校正方法，旨在分别校正左眼图像和右眼图像的畸变，提升视觉感受，提高驾驶的安全性。

本发明是这样实现的，一种抬头显示器的3D图像校正方法，所述抬头显示器包括3D图形发生器以及光路调整模块，所述光路调整模块输出的光由汽车上的反光元件反射至人眼，所述光路调整模块和反光元件构成成像系统，所述3D图像校正方法包括下述步骤：

将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像；其中，所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为所述成像系统的系统成像放大率，为一矩阵，β0为与所述成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵；

将左眼预畸变图像和右眼预畸变图像通过所述3D图形发生器分时输出，并经过所述成像系统形成消畸变的左眼图像和右眼图像。

本发明的另一目的在于提供一种抬头显示器，包括用于分时输出左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的3D图形发生器，以及将所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像传输至汽车的反光元件上的光路调整模块，所述光路调整模块和反光元件构成成像系统，所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像由左眼源图像和右眼源图像分别变换得到，且经过所述成像系统后分别形成消畸变的左眼图像和右眼图像，进而形成3D图像。

本发明将3D图形的左眼源图像和右眼源图像变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，该左、右眼预畸变图像是根据成像系统的畸变情况运算得到的，该左、右眼预畸变图像由3D图形发生器将其分时输出，经过抬头显示器的成像系统后，可以分别形成消畸变的左眼图像和右眼图像。这样，该抬头显示器针对左眼图像和右眼图像分别进行了畸变校正，经3D图形发生器分时输出，无畸变累加，形成了像质优良的3D图像。

附图说明

图1是抬头显示器的3D图像的畸变原理图；

图2是抬头显示器的3D图像的畸变图像示意图；

图3是本发明实施例提供的抬头显示器的3D图像校正方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的抬头显示器的3D图像校正方法的校正原理图；

图5是本发明实施例提供的抬头显示器的一种结构示意图；

图6是本发明实施例提供的抬头显示器的另一种结构示意图；

图7是本发明实施例提供的抬头显示器的3D图形发生器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，对抬头显示器的3D图像校正技术是对整幅图像进行校正，不能分左右眼对图像畸变进行分别校正，进而导致仅左眼或右眼图像得以校正，而另一只眼的图像造成畸变累加，校正效果差。3D图像在人眼观察处会形成一定区域大小的可视区间(又称“眼箱”，eyebox)，使得左右眼的视场独立，这为左右眼畸变校正提供了可行性。本实施例为左右眼畸变的同时校正提供了一种方法，以达到更好的畸变校正效果，实现良好的裸眼3D效果。

如图3和图5，该抬头显示器的3D图像校正方法中，涉及的抬头显示器包括3D图形发生器01以及光路调整模块02，光路调整模块02输出的光由汽车上的反光元件03(挡风玻璃或者光耦合器件等)反射至人眼，光路调整模块02和反光元件03构成成像系统，用于将3D图形发生器01输出的图像传输至左眼和右眼。如图3，该3D图像校正方法包括下述步骤：

在步骤S101中，将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像；其中，左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为成像系统的系统成像放大率，为一矩阵，β0为与成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵；

在步骤S102中，将左眼预畸变图像和右眼预畸变图像通过3D图形发生器01分时输出，并经过成像系统形成消畸变的左眼图像和右眼图像。

具体地，在上述步骤S101中，将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的步骤可以通过一处理模块完成，该处理模块可以是独立于3D图形发生器01的，其将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像后输入3D图形发生器01；也可以是设置于该3D图形发生器01内部的，左眼源图像和右眼源图像输入3D图形发生器01后通过该处理模块进行转换获得左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，再分时输出。在该方法中，预先根据左眼源图像和右眼源图像经过成像系统后发生的畸变进行运算得到左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，该左眼预畸变图像和右眼预畸变图像输出后，经过成像系统的传输后，形成无畸变的3D图像。

进一步地，关于左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的获得，详细说明如下，首先了解抬头显示器的3D图形畸变原理，如图1，3D图形发生器01分别产生左眼源图像和右眼源图像，通过平面反射镜021延长光路，将图像传输至凹面反射镜022将图像进行放大，经由挡风玻璃反射后形成左眼图像1-L和右眼图像1-R，然后分别进入左眼和右眼。由图1可以发现，左眼和右眼所接受的图像是经过平面反射镜021、凹面反射镜022和挡风玻璃上不同部分进行成像的，正由于这个原因，左右眼所接受到的图像形成了不同的畸变，其畸变效果如图2所示，图2-a为左眼看到的图像，图2-b为右眼看到的图像。左眼图像和右眼图像产生的畸变往往成镜像关系。

进一步参考图4，以右眼图像为例，说明右眼预畸变图像的获得方式，取3D图像样本，假设3D图形发生器01在未进行畸变校正时输入右眼源图像样本S1对应的图像矩阵t0，图像矩阵t0通过成像系统产生虚拟畸变图像S2的图像矩阵t1，成像系统的系统成像放大率为矩阵β，因此存在以下关系β*t0＝t1，β＝t1/t0；系统成像放大率之所以为一矩阵β，这是由于在实际的成像系统中，并不是理想的近轴光学系统，在离轴的不同位置处，图像的放大倍率并不一致，这也是造成畸变的原因。现假设最原始的右眼源图像S1的图像矩阵为T0，所要输入的右眼预畸变图像S3的图像矩阵为T2，那么为了使右眼预畸变图像S3经过成像系统后无畸变，则有关系式β*T2＝β0*T0，β0为与成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，β0*T0则为理想成像系统下的近轴虚拟图像，成像系统畸变量一般是相对于图像中心的畸变而定义的，因此在校正图像畸变的时候，都是相对图像中心而言的。通过以上关系，得到右眼预畸变图像S3的图像矩阵T2＝β0*T0/β＝β0*T0*t0/t1，其中，β＝t0/t1由预先实验获得，β0为已知量。这样，便获得了右眼预畸变图像S3对应的图像矩阵T2，如图4所示。对于左眼图像畸变的校正，可以通过同样办法获得，或者根据其左右畸变对称的特性，通过图像的对称处理获得。

在上述步骤S102中，3D图形发生器01产生的左眼预畸变图像和右眼预畸变图像通过光路调整模块02的图像缩放以及光路延展，使3D图像信息通过挡风玻璃或者图像耦合镜片等反光元件03反射至人眼观看，观察者的左眼和右眼能够分别接受左眼和右眼图像。通过快速调节3D图形发生器01左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的切换速度，可以使人感知到连续显示的图像，以至于人眼觉察不出来左右眼图像的交替，进而达到调节左右眼图像畸变的目的，也实现了良好的3D显示效果。

根据上述内容可知，该方法基于上述关系式T2＝β0*T0/β，根据原始的左眼源图像和右眼源图像T0即可获得左眼预畸变图像和右眼预畸变图像T2，该系统成像放大率β是预先通过实验确定的，具体通过以下方法获取：步骤a、取3D图像样本，使左眼源图像样本或右眼源图像样本的图像矩阵t0经成像系统成像，获得未经校正的左眼图像样本或右眼图像样本的图像矩阵t1；步骤b、确定对应于左眼图像或右眼图像的成像放大率β为：β＝t1/t0。

进一步地，上述步骤a具体可以在设计成像系统时，通过光学设计软件中的网格畸变功能进行成像，获取图像矩阵t1；或者，在3D图形发生器上显示方形网格图像，同时在眼位置进行图像拍摄，获取图像矩阵t1。

在本实施例中，在设计成像系统时，采用的左眼源图像样本和右眼源图像样本的图像矩阵t0和实际应用时的左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵T0的形式相同，即具有相同数目的行列元素。

基于上述方法，本发明进一步提供一种抬头显示器，其实施上述图像校正方法，实现消畸变3D成像，具体参考图5，该抬头显示器包括用于分时输出左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的3D图形发生器01，以及将左眼预畸变图像和右眼预畸变图像传输至汽车的反光元件03上的光路调整模块02，光路调整模块02和反光元件03构成成像系统，左眼预畸变图像和右眼预畸变图像由左眼源图像和右眼源图像分别变换得到，且经过成像系统后分别形成消畸变的左眼图像和右眼图像，进而形成3D图像。

根据上述校正方法，在该抬头显示器中，左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为成像系统对应左眼图像和右眼图像的系统成像放大率，β0为与成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵。

在本实施例中，3D图形发生器01输出的是左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，可以是在输入3D图形发生器01之前通过相应的处理模块将原始的左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，再输入3D图形发生器01，也可以是将左眼原图像和右眼源图像输入3D图形发生器01，由其中的处理模块变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像。本实施例不进行限制。

在一种实施例中，如图5，抬头显示器的光路调整模块02可以包括依次反射左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的平面反射镜021和凹面反射镜022。

在另一种实施例中，如图6，光路调整模块02也可以包括依次反射左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的第一平面反射镜023和第二平面反射镜024，以及位于第二平面反射镜024的反射光路上的第一透镜025。该第一透镜025可以起到校正像散、畸变等像差的作用，提升成像效果。该第一透镜025可以是凸透镜或者凹透镜。

进一步地，还可以在3D图形发生器01和第一平面反射镜023之间设置第二透镜026。该第二透镜026可用于消除色差，配合第一透镜025的使用，可实现清晰、消色差的3D图像。该第二透镜026也可以是凸透镜或者凹透镜。

在本实施例中，3D图形发生器01可以采用视差屏障技术或者对3D图形发生器01的背光采用指向性光源技术，如图7示例为利用视差屏障技术形成的3D图形发生器01，其包括背光源011、光阑012和2D图形发生器013。在左右眼图像实际校正过程中，通过周期性交替的在2D图形发生器013上输入左右眼预畸变图像，使左右眼分时感知来自2D图形发生器013产生的图像，由于2D发生器013产生的左右眼预畸变图像存在一定的像素错位，可以在相邻的两个图像切换间产生视差，构成左右眼分时调整畸变的基础。2D图形发生器013可以是TFT-LCD显示器，也可以是其它类型的显示器。在进行畸变校正时，分时在2D图形发生器013上输入左右眼预畸变图像，2D图形发生器013的切换速度超过人眼所能分辨的图像切换速度，由于人眼的视觉暂留，就可以使图像看起来如静态一般，并且没有畸变。

本发明将3D图形的左眼源图像和右眼源图像变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像，该左右眼预畸变图像是预先根据成像系统的畸变情况运算得到的，该左右眼预畸变图像由3D图形发生器01将其分时输出，经过抬头显示器的成像系统后，分别形成消畸变的左眼图像和右眼图像，左眼图像和右眼图像分时输送至人眼，这样，该抬头显示器针对左眼图像和右眼图像分别进行了畸变校正，无畸变累加，形成了像质优良的3D图像。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抬头显示器的3D图像校正方法，所述抬头显示器包括3D图形发生器以及光路调整模块，所述光路调整模块输出的光由汽车上的反光元件反射至人眼，所述光路调整模块和反光元件构成成像系统，其特征在于，所述3D图像校正方法包括下述步骤：

将左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像；其中，所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为所述成像系统的系统成像放大率，为一矩阵，β0为与所述成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵；

将左眼预畸变图像和右眼预畸变图像通过所述3D图形发生器分时输出，并经过所述成像系统形成消畸变的左眼图像和右眼图像；

所述成像系统的系统成像放大率β通过以下方法获取：

a、取3D图像样本，使左眼源图像样本或右眼源图像样本经所述成像系统成像，获得未经校正的左眼图像样本或右眼图像样本；

b、确定对应于左眼图像或右眼图像的系统成像放大率β为：β＝t1/t0；其中，t1为左眼图像样本或右眼图像样本的图像矩阵，t0为左眼源图像样本或右眼源图像样本的图像矩阵；

所述光路调整模块包括依次反射左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的第一平面反射镜和第二平面反射镜，以及位于第二平面反射镜的反射光路上的用于校正像差的第一透镜；

在所述3D图形发生器和第一平面反射镜之间设置消色差的第二透镜。

2.如权利要求1所述的抬头显示器的3D图像校正方法，其特征在于，所述步骤a具体为：在设计所述成像系统时，通过光学设计软件中的网格畸变功能进行成像，获得左眼图像样本或右眼图像样本；或者，在所述3D图形发生器上显示方形网格图像，同时在眼位置进行图像拍摄，获得左眼图像样本或右眼图像样本。

3.如权利要求1所述的抬头显示器的3D图像校正方法，其特征在于，所述左眼源图像样本或右眼源图像样本的图像矩阵t0和所述左眼源图像或右眼源图像的图像矩阵T0的形式相同。

4.一种抬头显示器，其特征在于，包括用于分时输出左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的3D图形发生器，以及将所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像传输至汽车的反光元件上的光路调整模块，所述光路调整模块和反光元件构成成像系统，所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像由左眼源图像和右眼源图像分别变换得到，且经过所述成像系统后分别形成消畸变的左眼图像和右眼图像，进而形成3D图像；所述光路调整模块包括依次反射左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的第一平面反射镜和第二平面反射镜，以及位于第二平面反射镜的反射光路上的用于校正像差的第一透镜；在所述3D图形发生器和第一平面反射镜之间设置消色差的第二透镜；所述左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的图像矩阵T2为：T2＝β0*T0/β，β为所述成像系统的系统成像放大率，为一矩阵，β0为与所述成像系统对应的理想成像系统的近轴成像放大率，T0为左眼源图像和右眼源图像的图像矩阵。

5.如权利要求4所述的抬头显示器，其特征在于，所述抬头显示器还包括将所述左眼源图像和右眼源图像分别变换为左眼预畸变图像和右眼预畸变图像的处理模块，所述处理模块设置于所述3D图形发生器内部或者独立于所述3D图形发生器设置。