CN105739090B - 一种立体观看景深的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立体观看景深的计算方法，包括：计算弥散圆直径弥散圆直径；计算前后景深边界点的距离；计算在立体观看条件下人眼的景深范围。本发明提出的立体观看景深的计算方法，可以用来有效提高观看立体图像的舒适度，使观看者在观看立体图像时拥有更舒适的视觉体验。

Description

一种立体观看景深的计算方法

技术领域

本发明涉及人眼景深的计算方法。

背景技术

在光学系统中，平行穿过透镜的光会汇聚在一点，随着成像平面与该点的距离变化，成像平面上像开始变得模糊。然而在一定的范围内，成像的模糊程度是人眼不能察觉的，这段距离称为景深。与二维显示相比，三维显示的物体不再局限于屏幕平面，显示物体能凹陷或者凸出屏幕平面。因为立体显示呈现的物体具有逼真的效果，使人在观看时有更强的沉浸感，具有强烈的视觉冲击和逼真的视觉体验。显示物体凹陷或者凸出屏幕会引起观看者的双眼辐辏，为获得清晰的图像，焦点调节在屏幕平面，而两眼辐辏是在立体图像上，这构成了辐辏与焦点调节之间的矛盾，因而引起了立体观看舒适度的问题。在景深范围内人眼可以清晰地观测一段距离内的物体而不发生双眼辐辏。

由于立体观看时辐辏与焦点调节之间的矛盾，会产生舒适度的问题。当人眼注视在显示屏所在平面时，在不调节眼球的运动也能清晰感知一定范围的深度，这个范围称之为立体观看景深。

发明内容

本发明针对立体观看舒适度的问题，提供一种立体观看景深的计算方法，用于调整观看者眼睛与屏幕之间的距离，消除辐辏和焦点调节之间的矛盾，提高观看立体图像的舒适度，使观看者在观看立体图像时拥有更舒适的视觉体验。本发明的技术方案如下：

一种立体观看景深的计算方法，包括下列步骤：

(1)设d₀为眼睛到景深边界点的距离，A为瞳孔直径，s₀为后节距，S为人眼与显示屏之间的距离，计算弥散圆直径弥散圆直径δ

(2)计算前后景深边界点的距离：记立体观看条件下的前景深边界点为N点，N到眼睛的距离为近点距离，即S_N；后景深边界点为B点，B到眼睛的距离为远点距离，即S_B：则人眼与前后景深边界点的距离为：

(3)在立体观看条件下人眼的景深范围(ΔL)为N点与B点的距离，即：

ΔL＝S_B-S_N。

该发明提出一种立体观看景深的计算方法，可以用来有效提高观看立体图像的舒适度，使观看者在观看立体图像时拥有更舒适的视觉体验。

附图说明

图1为人眼成像图

图2为凸透镜的成像原理图

图3为A.Gullstrand简化眼模型图

图4为立体观看条件下人眼成像图

图5为景深与观看距离的关系图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述.

本发明提出一种立体观看条件下的景深计算方法，该方法基于凸透镜的成像原理，将人眼看做一个复杂的光学系统，由于人眼观看立体图像具有一定的融合区域，深度在融合区域内，成像清晰。这个融合区域的深度叫做景深。进一步考虑立体观看距离与弥散圆的影响，建立立体观看条件下的人眼景深模型，利用本发明给出的景深计算方法得到的景深，可以用来调整观看者眼睛与屏幕之间的距离，提高观看立体图像的舒适度，使观看者在观看立体图像时拥有更舒适的视觉体验。下面就几个方面对本发明进行说明。

1、人眼系统

人眼由眼球壁和眼球内容物构成。如图1所示，眼球壁由多层组成，最外层是蛋白质膜，它的正前方1/6的部分为有弹性的透明组织，称为角膜。眼球外壁的其余5/6部分为不透明组织称之为巩膜，它的主要作用是巩固和保护眼球。在虹膜之间有一个小孔称之为瞳孔，瞳孔的大小由虹膜的肌肉组织进行调节从而控制进入人眼的光通量。眼球壁最里层是视网膜层，由大量的光敏细胞组成，按形状的不同可分为锥状细胞和杆状细胞。眼睛所看到的景物反射的可见光经角膜、晶状体、玻璃体成像在视网膜上，光敏细胞受到光刺激后产生生物信号，生物信号沿着视神经传递到神经中枢，并与其它有关信息(如记忆信息、眼肌调节的紧张程度等)一起经过大脑综合处理后形成对景物的视觉。

人眼可以比作一个非常复杂的光学系统，眼睛能够看清楚外界的物体必须具备以下几个基本条件。首先，人眼的屈光系统必须是透明的以保证从外界进入人眼的光线，从角膜到视网膜的过程中没有任何阻碍；其次，从视网膜、视神经、视索、视放射到大脑皮层的整个视路中的相应部分必须是完整的且功能是正常的；最后，外界物体在视网膜上形成的线必须清晰、足够大且恰好落在中央凹上面，如果偏离中央凹视觉分辨将会极具下降。

2、凸透镜成像原理

具体的，如图2所示，凸透镜的成像规律是平行光沿与凸透镜主轴平行方向入射到凸透镜上，在透镜的另一侧，光线会汇聚到一点。凸透镜成像公式为：

其中，μ为物体到透镜的距离，v为透镜到成像平面的距离，f是透镜的焦距。

3、立体观看条件下人眼景深的计算

人眼可以看成一个复杂的光学系统，可以由A.Gullstrand简化眼模型表示，如图3所示。在立体观看条件下，屏幕固定在眼睛前发射出光线，由眼睛调节，光线汇聚在在视网膜上呈现出清晰的图像。左右眼分别接收左右视图发出的光线，通过大脑融合控制眼球的运动从而形成立体感。当人眼注视在显示屏所在平面时，在不调节眼球的运动也能清晰感知一定范围的深度，这个范围称之为立体观看景深。

图4是人眼在立体观看条件下的成像模型，其中N到眼睛的距离为近点距离(即SN)B到眼睛的距离为远点距离(即SB)。立体观看条件下，当人眼注视在显示屏上时，在注视点沿Z轴方向前后一定范围内都能形成清晰的像而不必产生辐辏，这一前一后的距离范围(B与N点之间的距离)，便叫做景深。注视点发出的光线经过人眼以实像点的形式投放在视网膜上，在注视点沿Z轴前后的其他的点(如B点、N点)发出的光线通过人眼聚焦在视网膜平面的前或后。即在视网膜成像点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。如果弥散圆的直径大于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影像产生的模糊是不能辨认的。

根据光学系统成像规律，弥散圆直径δ可以表示为

其中，d₀为眼睛到景深边界点的距离，A为瞳孔直径，s₀为后节距，S为人眼与显示屏之间的距离。

如图4所示，设立体观看条件下的前景深边界点为N点，后景深边界点为B点，则人眼与前后景深边界点的距离分别表示为：

因此，在立体观看条件下人眼的景深范围(ΔL)为N点与B点的距离，即：

ΔL＝S_B-S_N (5)

由公式5分析可知，在瞳孔直径大小固定时，立体观看条件下的景深与弥散圆直径、观看距离有关。图5是立体观看时的景深与观看距离的的关系图。通过图5可以清楚的观察到当δ固定时，随着观看距离的变大，景深值也变大。为保证人眼观看能够形成清晰的实像，弥散圆的直径最大值不超过0.05mm。因此，记最大的弥散半径为0.05mm，此时立体观看景深只与观看距离有关。根据ITU-RBT.1438标准，最佳观看距离应该为立体显示屏幕高度的3倍，因此当立体显示屏的尺寸固定的时候，观看距离是固定的。此时，立体观看景深只与弥散圆大小有关，当δ固定为0.05mm时景深的范围是固定的。

Claims (1)

1.一种立体观看景深的计算方法，包括下列步骤：

(1)设d₀为眼睛到景深边界点的距离，A为瞳孔直径，s₀为后节距，S为人眼与显示屏之间的距离，计算弥散圆直径弥散圆直径δ

(2)计算前后景深边界点的距离：记立体观看条件下的前景深边界点为N点，N到眼睛的距离为近点距离，即S_N；后景深边界点为B点，B到眼睛的距离为远点距离，即S_B：则人眼与前后景深边界点的距离为：

(3)在立体观看条件下人眼的景深范围(ΔL)为N点与B点的距离，即：

ΔL＝S_B-S_N。