CN110363736A - 虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法 - Google Patents

虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及虚拟现实技术领域，公开了一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法。测量方法包括以下步骤：获取图像源的虚拟现实成像图像，所述图像源包括多个测试图形；分别计算虚拟现实成像图像中与各所述测试图形所对应的像的畸变值；将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。上述方案，通过计算图像源的图形畸变量，并在畸变量大于畸变阈值时，对图像源进行预畸变校正，使预畸变校正后的图像源投射至显示器后是正常的像，克服了未经图像源未预畸变校正直接投射至显示器后出现图像畸变的问题。

Description

虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法
技术领域
本申请一般涉及虚拟现实领域，尤其涉及一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法。
背景技术
在虚拟现实系统中，为了让用户在视觉上拥有真实的沉浸感，虚拟现实设备就是要尽可能的覆盖人眼的视觉范围，因此就需要在虚拟现实设备装一个特定的球面弧度镜片，但是利用弧形镜片将传统的图像投射到人的眼中时，图像是扭曲的存在畸变。图像畸变是指成像过程中所产生的图像像元的几何位置相对于参照系统发生的挤压、伸展、偏移和扭曲等变形，使图像的几何位置、尺寸、形状、方位等发生改变。因此，人眼就没有办法获得虚拟空间中的定位，即在虚拟现实中的使用者周围都是扭曲的图像。
发明内容
本申请期望提供一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法及校准方法，用于解决虚拟现实现实设备存在图形畸变的问题。
本申请一方面提供一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，包括以下步骤：
获取图像源的虚拟现实成像图像，所述图像源包括多个测试图形；
分别计算虚拟现实成像图像中与各所述测试图形所对应的像的畸变值；
将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
进一步地，根据各所述虚拟现实成像图像中与所述测试图形所对应的像中特定点的距离，计算各测试图形的畸变值。
进一步地，所述图像源为纯色背景上设置的多个单色的所述测试图形，多个所述测试图形包括第一矩形，所述第一矩形的四个角及中心位置均设置有第二矩形，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素，根据各所述测试图形特定点的像素坐标计算各所述测试图形宽度方向的畸变值及高度方向的畸变值。
进一步地，根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
本申请另一方面提供一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，包括以下步骤：
依次分别获取多个不同图像源的虚拟现实成像图像，各所述图像源均包括特定的测试图形；
分别计算各虚拟现实成像图像中与测试图形对应的像的畸变值；
将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
进一步地，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，至少具有一个所述测试图形为第一矩形的所述图像源，至少具有五个所述测试图形为第二矩形的所述图像源；
在各所述图像源重叠的状态下，各所述第二矩形分别位于第一矩形的四个角及中心位置，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素；
根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
进一步地，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，所述测试图形为等间距平行设置的多条一个像素宽度的直线，不同所述图像源中的所述直线的间距相同、且倾斜角度不同；
获取预定位置的亮度曲线，所述预定位置为所述虚拟现实成像图像中与垂直于所述直线的截取线相对应的位置；
计算所述亮度曲线中各相邻波峰值之间的距离；
根据以下关系式计算测试图形各预定位置的畸变值：
其中，D为畸变值，Wi为亮度曲线中相邻波峰值之间的距离，i、n均为自然数，n为所述截取线与所述直线相交的间距数。
本申请再一方面提供一种虚拟现实显示设备图形畸变校准方法，包括以下步骤：
采用上项所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，获取所述图形畸变量；
判断所述图形畸变量是否大于畸变阈值，若是则按照以下关系式对图像源进行畸变校准：
其中，k1为畸变校正参数；(x,y)为预畸变后图像像素点；(x0,y0)为图像源中像素点，r＝x2+y2，xmax为x坐标方向的最大值，ymax为y坐标方向的最大值。
进一步地，通过双线性插值算法进行畸变校准的补偿计算，并通过以下权重关系式确定(x1,y1)四周四个像素点在双线性插值补偿计算中所占的权重，并将权重最大的像素点作为预畸变后的图像像素点：
其中，x0、y0为浮点数，(x1,y1)为图像源中像素点(x0,y0)向下取整得到左上角点的坐标值，Wlt为(x1,y1)左上像素的权重，Wlb为(x1,y1)右上像素的权重，Wrt为(x1,y1)左下像素的权重，Wrb为(x1,y1)右下像素的权重。
进一步地，对所述图像源进行畸变校准后，重复获取畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量，并再次判断重新获取的图形畸变量是否大于畸变阈值，若是则再次对畸变校准后的图像源再次进行畸变校准，直至再次畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量小于畸变阈值。
本申请提供的上述方案，通过计算图像源的图形畸变量，并在畸变量大于畸变阈值时，对图像源进行预畸变校正，使预畸变校正后的图像源投射至显示器后是正常的像，克服了未经图像源未预畸变校正直接投射至显示器后出现图像畸变的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明其一实施例提供的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法的流程图；
图2为其一信号源的示意图；
图3为枕形畸变结构关系示意图；
图4为桶形畸变结构关系示意图；
图5为本发明另一实施例提供的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法的流程图；
图6为水平直线图像源示意图；
图7为竖直直线图像源示意图；
图8为45°倾斜直线图像源示意图；
图9为-45°倾斜直线图像源示意图；
图10为对水平直线图像源进行截取的示意图；
图11为其一截取位置亮度曲线示意图；
图12为本发明又一实施例提供的虚拟现实显示设备图形畸变校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本发明实施例提供的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，包括以下步骤：
S1：获取图像源的虚拟现实成像图像，所述图像源包括多个测试图形；
通过正对虚拟现实显示设备透镜的相机式的CCD(Charge-Coupled Device；电荷耦合元件)，来获取图像源投射到显示器上形成的虚拟现实成像图像。一般获取的虚拟现实成像图像是整个视场角范围内的图像，当然，亦可以是小于整个视场角范围内的图像。获取整个视场角范围内的图像，可以充分的展现出图像在显示器上的畸变，利于后续对畸变进行校准。
S2：分别计算虚拟现实成像图像中与各所述测试图形所对应的像的畸变值；
在图像源中可以均匀的间隔排布多个测试图形，多个测试图形优选地布满整个视场角范围，以利于充分的展现出图像在显示器上的畸变，分别计算出各测试图形所对应的像的畸变值。
S3：将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
采用畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量，是为了便于在后续的畸变校准中判断其是否需要进行图像校准，若作为最大值的图形畸变量都可以被接受，则可以不再需要进行图像校准。
进一步地，根据各所述虚拟现实成像图像中与所述测试图形所对应的像中特定点的距离，计算各测试图形的畸变值。
一般的，测试图形采用规则的图形，例如但不限于，矩形、正方形、六边形等，像中特定点一般可以是顶点、畸变最大点等。可以通过像中特定点的横向距离及纵向距离来确定各测试图形的畸变值。
进一步地，如图2所示，所述图像源为纯色背景上设置的多个单色的所述测试图形，多个所述测试图形包括第一矩形，所述第一矩形的四个角及中心位置均设置有第二矩形，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素，根据各所述测试图形特定点的像素坐标计算各所述测试图形宽度方向的畸变值及高度方向的畸变值。
例如，第一矩形的宽度为W，高度为H，第二矩形的宽度为W/4，高度为H/4。
采用纯色背景的图像源及单色的测试图形，便于筛选出测试图形，通过在虚拟现实成像图像中建立坐标系，确定筛选出的测试图形的各像素坐标。
为了提高测试图形筛选的准确性，背景及测试图形选用对比度高的两种颜色，例如但不限于，背景选用黑色，测试图形选用白色，此种情况下获取该虚拟现实成像图像的全图亮度信息，背景的亮度值为0，测试图形的亮度值为255，删选出亮度值为255的像素点，即为测试图形对应的像，根据在虚拟现实成像图像中建立的坐标系，确定各像素坐标。
另外，第一矩形及第二矩形的边界宽度均为一个像素，可以提高筛选出的像素的准确性，可以保证计算所得的畸变值的准确性。
进一步地，如图3、图4所示，根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
进一步地，如图5所示，本申请另一方面提供一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，包括以下步骤：
S10：依次分别获取多个不同图像源的虚拟现实成像图像，各所述图像源均包括特定的测试图形；
通过正对虚拟现实显示设备透镜的相机式的CCD(Charge-Coupled Device；电荷耦合元件)，依次来获取多个不同图像源投射到显示器上形成的虚拟现实成像图像。显示器可以是头戴式显示器。
不同的图像源中的测试图形不同，这里所说的测试图形不同，可以至少是形状、大小、位置中的任意一个。
S20：分别计算各虚拟现实成像图像中与测试图形对应的像的畸变值；
S30：将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
进一步地，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，至少具有一个所述测试图形为第一矩形的所述图像源，至少具有五个所述测试图形为第二矩形的所述图像源；
在各所述图像源重叠的状态下，各所述第二矩形分别位于第一矩形的四个角及中心位置，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素；图像源重叠后的状态可参见图2。
根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
采用纯色背景的图像源及单色的测试图形，便于筛选出测试图形，通过在虚拟现实成像图像中建立坐标系，确定筛选出的测试图形的各像素坐标。
为了提高测试图形筛选的准确性，背景及测试图形选用对比度高的两种颜色，例如但不限于，背景选用黑色，测试图形选用白色，此种情况下获取该虚拟现实成像图像的全图亮度信息，背景的亮度值为0，测试图形的亮度值为255，筛选出亮度值为255的像素点，即为测试图形对应的像，根据在虚拟现实成像图像中建立的坐标系，确定各像素坐标。
另外，第一矩形及第二矩形的边界宽度均为一个像素，可以提高筛选出的像素的准确性，可以保证计算所得的畸变值的准确性。
进一步地，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，所述测试图形为等间距平行设置的多条一个像素宽度的直线，不同所述图像源中的所述直线的间距相同、且倾斜角度不同；
例如但不限于，如图6-9所示，具有四个图像源，图像源均为黑色背景，白色直线，四个图像源中的直线分别是水平直线、竖直直线、45°倾斜直线及-45°倾斜直线。如，其一图像源中水平等间距设置5-20行直线，另一图像源以同样的间距自中间向两边布满竖直直线，在一图像源以同样的间距布满45°倾斜角度的直线及又一图像源以同样的间距布满-45°倾斜角度的直线。
此处亦可以采用黑色背景，白色一像素宽度的直线，以调高计算的准确性。
获取预定位置的亮度曲线，所述预定位置为所述虚拟现实成像图像中与垂直于所述直线的截取线相对应的位置；
可以在任意的预定位置或规律的预定位置进行截取。如图10所示，以水平直线的图像源为例，可以截取1/8H处、2/8H处、4/8H处、6/8H处、7/8处，一般的中心的畸变量要小于边缘的畸变量，采用上述规律的截取位置，在满足计算精度的情况下，还降低了计算量，提高了计算速度。
在各截取位置均获得如图11所示的亮度曲线，该亮度曲线中每两相邻波峰值之间的距离，即为对应的两直线在截取位置处的距离。
计算所述亮度曲线中各相邻波峰值之间的距离；
根据以下关系式计算测试图形各预定位置的畸变值：
其中，D为畸变值，Wi为亮度曲线中相邻波峰值之间的距离，i、n均为自然数，n为所述截取线与所述直线相交的间距数。
本申请再一方面提供一种虚拟现实显示设备图形畸变校准方法，包括以下步骤：
S31：采用上项所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，获取所述图形畸变量；
S32：判断所述图形畸变量是否大于畸变阈值，畸变阈值用于表征可以接受的最大畸变量，若是则按照以下关系式对图像源进行畸变校准：
其中，k1为畸变校正参数；(x,y)为预畸变后图像像素点；(x0,y0)为图像源中像素点，r＝x2+y2，xmax为x坐标方向的最大值，ymax为y坐标方向的最大值。
其中，在进行畸变校准时，可以对整个图像源进行校准，可以仅仅对畸变位置大的区域进行校准。对整个图像源进行校准可以提高准确性，仅对畸变位置大的区域进行校准可降低计算量，提高计算速度。
上述方案，通过计算图像源的图形畸变量，并在畸变量大于畸变阈值时，对图像源进行预畸变校正，得到的预畸变图像再经过虚拟现实显示设备光学系统畸变消除。也即使预畸变校正后的图像源投射至显示器后是正常的像，克服了未经图像源未预畸变校正直接投射至显示器后出现图像畸变的问题。
进一步地，通过双线性插值算法进行畸变校准的补偿计算，并通过以下权重关系式确定(x1,y1)四周四个像素点在双线性插值补偿计算中所占的权重，并将权重最大的像素点作为预畸变后的图像像素点：
其中，x0、y0为浮点数，(x1,y1)为图像源中像素点(x0,y0)向下取整得到左上角点的坐标值，Wlt为(x1,y1)左上像素的权重，Wlb为(x1,y1)右上像素的权重，Wrt为(x1,y1)左下像素的权重，Wrb为(x1,y1)右下像素的权重。
在通过双线性插值算法得到的x0、y0为浮点数，而预畸变后图像像素点应为自然数，通过上述权重计算，获得(x1,y1)四周四个像素点的权重最大的像素点作为预畸变后的图像像素点，实现了预畸变后图像像素点的坐标为自然数。
进一步地，对所述图像源进行畸变校准后，重复获取畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量，并再次判断重新获取的图形畸变量是否大于畸变阈值，若是则再次对畸变校准后的图像源再次进行畸变校准，直至再次畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量小于畸变阈值。
通过一次畸变校准后，可能存在校准不够彻底的情况，为了最大限度的保证虚拟现实显示设备输出的图像是准确的，可以按照上述方法进行多次的图形畸变校准，直至畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量小于畸变阈值。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取图像源的虚拟现实成像图像，所述图像源包括多个测试图形；
分别计算虚拟现实成像图像中与各所述测试图形所对应的像的畸变值；
将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，根据各所述虚拟现实成像图像中与所述测试图形所对应的像中特定点的距离，计算各测试图形的畸变值。
3.根据权利要求2所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，所述图像源为纯色背景上设置的多个单色的所述测试图形，多个所述测试图形包括第一矩形，所述第一矩形的四个角及中心位置均设置有第二矩形，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素，根据各所述测试图形特定点的像素坐标计算各所述测试图形宽度方向的畸变值及高度方向的畸变值。
4.根据权利要求3所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
5.一种虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
依次分别获取多个不同图像源的虚拟现实成像图像，各所述图像源均包括特定的测试图形；
分别计算各虚拟现实成像图像中与测试图形对应的像的畸变值；
将各所述畸变值中的最大值作为虚拟现实显示设备的图形畸变量。
6.根据权利要求5所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，至少具有一个所述测试图形为第一矩形的所述图像源，至少具有五个所述测试图形为第二矩形的所述图像源；
在各所述图像源重叠的状态下，各所述第二矩形分别位于第一矩形的四个角及中心位置，所述第一矩形及所述第二矩形的边界宽度均为一个像素；
根据以下关系式计算各所述测试图形的畸变值：
其中，DW为宽度方向的畸变值，DH为高度方向的畸变值，W1为宽度方向上底部端点像素间的距离，W2为宽度方向上顶部端点像素间的距离，W3为宽度方向上畸变最大点像素间的距离，H1为高度方向上左侧端点像素间的距离，H2为高度方向上右侧端点像素间的距离，H3为高度方向上畸变最大点像素间的距离。
7.根据权利要求5所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，其特征在于，所述图像源为纯色背景上设置的单色的所述测试图形，所述测试图形为等间距平行设置的多条一个像素宽度的直线，不同所述图像源中的所述直线的间距相同、且倾斜角度不同；
获取预定位置的亮度曲线，所述预定位置为所述虚拟现实成像图像中与垂直于所述直线的截取线相对应的位置；
计算所述亮度曲线中各相邻波峰值之间的距离；
根据以下关系式计算测试图形各预定位置的畸变值：
其中，D为畸变值，Wi为亮度曲线中相邻波峰值之间的距离，i、n均为自然数，n为所述截取线与所述直线相交的间距数。
8.一种虚拟现实显示设备图形畸变校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用权利要求1-7任一项所述的虚拟现实显示设备图形畸变测量方法，获取所述图形畸变量；
判断所述图形畸变量是否大于畸变阈值，若是则按照以下关系式对图像源进行畸变校准：
其中，k1为畸变校正参数；(x,y)为预畸变后图像像素点；(x0,y0)为图像源中像素点，r＝x2+y2，xmax为x坐标方向的最大值，ymax为y坐标方向的最大值。
9.根据权利要求8所述的虚拟现实显示设备图形畸变校准方法，其特征在于，通过双线性插值算法进行畸变校准的补偿计算，并通过以下权重关系式确定(x1,y1)四周四个像素点在双线性插值补偿计算中所占的权重，并将权重最大的像素点作为预畸变后的图像像素点：
其中，x0、y0为浮点数，(x1,y1)为图像源中像素点(x0,y0)向下取整得到左上角点的坐标值，Wlt为(x1,y1)左上像素的权重，Wlb为(x1,y1)右上像素的权重，Wrt为(x1,y1)左下像素的权重，Wrb为(x1,y1)右下像素的权重。
10.根据权利要求8或9所述的虚拟现实显示设备图形畸变校准方法，其特征在于，对所述图像源进行畸变校准后，重复获取畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量，并再次判断重新获取的图形畸变量是否大于畸变阈值，若是则再次对畸变校准后的图像源再次进行畸变校准，直至再次畸变校准后的图像源的虚拟现实成像图像的图形畸变量小于畸变阈值。
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