CN110660036A - 一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法，包括数字像源、光学系统、标准镜头、图像传感器和控制器，包括以下步骤：步骤一：系统上电自检，控制器控制各元件处于复位初始状态，检测各元件是否能够正常工作；步骤二：控制器控制数字像源输出预设的标准图像；步骤三：成像镜头将数字像源的输出图像准直为平行光；步骤四：导波元件对光线进行传输；步骤五：在输出区输出平行光线；步骤六：标准镜头汇聚光线形成图像；步骤七：图像传感器采集输出图像并传输给控制器；步骤八：控制器对图像进行预处理；步骤九：控制器对图像进行畸变检测；步骤十：控制器比较最大畸变量是否小于预定阈值：如果是，执行步骤十一，如果否，执行步骤十二；步骤十一：畸变矫正结束，系统退出矫正模式；步骤十二：执行图像畸变矫正。实现了近眼显示图像的畸变矫正，提高了近眼显示系统的成像质量，提升了近眼显示系统的用户使用体验。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法。
背景技术
当今显示技术进入多样性时代，人们为了增加信息量的获取，不断发展新的信息显示方法及显示装置，其中近眼显示系统是一种将微显示器与成像目镜相结合的小型化目视光学系统，它是由较小的尺寸的数字像源创建的图像经过小尺寸的光学器件到达人眼，在视网膜成像，人眼可以观察到眼前一段距离处放大的虚拟图像。
图像畸变是由于光学系统的几何特性以及光学系统在生产过程中的装配和加工误差造成的不同程度的图像失真，常见的图像畸变有枕形畸变和桶形畸变。对于近眼显示系统来说，枕形畸变是较为常见的，图像畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是会造成图像的扭曲和变形，对像质产生严重的影响。
由于近眼显示能够满足特殊环境下人眼对光学显示信息的实时获取的需要，逐渐被广泛应用于军事、医疗、教育、娱乐等领域。在军事领域，近眼显示可以为战斗人员提供飞行、导航、瞄准等信息，近眼显示的图像如果发生畸变，则会影响战斗人员对战场态势的判断。在脑外科、显微外科手术中，近眼显示系统的应用可以减轻医生的工作强度，但是近眼显示图像如果发生畸变，则会一定程度地影响手术的成功率。
申请公布号为CN 107527324 A，发明名称为“一种HUD的图像畸变矫正方法”的中国专利公开了一种HUD的图像畸变矫正方法，通过检测相机抓取HUD图像并进行比对，然后控制系统根据比对结果进行矫正。由于近眼显示光学系统与传统的HUD投影系统存在很大的差别，近眼显示器不在某个表面创建真实的图像，而是形成光瞳，人眼作为光学链中最后一个元件，在视网膜上将来自光瞳的光转换为图像，检测相机无法直接捕捉到近眼显示系统输出的图像，所以这种矫正方法在近眼显示系统的图像畸变矫正中并不适用。
在近眼显示的图像畸变中，目前存在的主要问题是：以往的图像畸变矫正方法在近眼显示系统的图像畸变矫正中并不适用，不能够很好地完成近眼显示系统的图像畸变矫正。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明公开一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法，包括数字像源、光学系统、标准镜头、图像传感器和控制器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：系统上电自检，控制器控制各元件处于复位初始状态，检测各元件是否能够正常工作；
步骤二：控制器控制数字像源输出预设的标准图像；
步骤三：成像镜头将数字像源的输出图像准直为平行光；
步骤四：导波元件对光线进行传输；
步骤五：在输出区输出平行光线；
步骤六：标准镜头汇聚光线形成图像；
步骤七：图像传感器采集输出图像并传输给控制器；
步骤八：控制器对图像进行预处理；
步骤九：控制器对图像进行畸变检测；
步骤十：控制器比较最大畸变量是否小于预定阈值：如果是，执行步骤十一，如果否，执行步骤十二；
步骤十一：畸变矫正结束，系统退出矫正模式；
步骤十二：执行图像畸变矫正。
数字像源采用的是LCD元件或OLED元件或DMD元件。
光学系统包括目镜放大光学装置、光瞳成像光学系统、光瞳成像光学系统、平面或曲面光学合成器和准直光学与波导管。
标准镜头采用的是视角为50度，焦距长度与画幅的对角线长度相等的镜头。
图像传感器采用的是CMOS图像传感器或者CCD图像传感器。
控制器采用的是单片机或FPGA。
标准图像为黑白相间正方形组成的棋盘状图像。
图像预处理内容包括图像滤波和图像二值化。
图像畸变检测是通过控制器将图像传感器采集到的图像与数字像源输出的标准图像进行比对实现的。
图像畸变矫正的方法是控制器控制数字像源对输出的图像进行几何变换，从而达到畸变矫正的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：公开了一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法，实现了近眼显示图像的畸变矫正，提高了近眼显示系统的成像质量，提升了近眼显示系统的用户使用体验。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例的近眼显示系统图像畸变矫正方法流程图。
图2为本发明实施例的近眼显示图像畸变矫正方法的系统组成框图。
图3为本发明实施例的近眼显示图像畸变矫正方法的光学系统结构示意图。
图4为本发明实施例所使用的图像畸变矫正标准图像。
图5为本发明实施例1所使用的系统组成框图。
图6为本发明实施例2所使用的系统组成框图。
在图1中，1.系统上电自检，2.数字像源输出标准图像，3.成像镜头准直平行光，4.导波元件进行光线传输，5.在输出区输出光线，6.标准镜头汇聚光线形成图像，7.图像传感器采集图像，8.图像预处理，9.图像畸变检测，10.最大畸变量是否小于阈值，11.畸变矫正结束，12.图像畸变矫正。
在图2中，13.数字像源，14.光学系统，15.人眼，16.标准镜头，17.图像传感器，18.控制器。
在图3中，19.数字像源，20.成像镜头，21.导波元件，22.输出区1，23.人眼，24.输出区2，25.标准镜头，26.图像传感器。
在图5中，27. LED驱动器，28.照明系统，29. DMD元件，30.前端处理器，31.光学系统，32.人眼，33.标准镜头，34. CMOS图像传感器，35. FPGA。
在图6中，36. LCD驱动器，37. LCD，38.光学系统，39.人眼，40.标准镜头，41.面阵CCD图像传感器，42. FPGA。
具体实施方式
在图1中，近眼显示系统的图像矫正方法流程图包括以下步骤：
步骤一：系统上电自检，控制器控制各元件处于复位初始状态，检测各元件是否能够正常工作；
步骤二：控制器控制数字像源输出预设的标准图像，控制器采用的是单片机或FPGA，数字像源采用的是LCD元件或OLED元件或DMD元件；
步骤三：成像镜头将数字像源的输出图像准直为平行光；
步骤四：导波元件对光线进行传输；
步骤五：在输出区输出平行光线；
步骤六：标准镜头汇聚光线形成图像，标准镜头采用的是视角为50度，焦距长度与画幅的对角线长度相等的镜头；
步骤七：图像传感器采集输出图像并传输给控制器,图像传感器采用的是CMOS图像传感器或者CCD图像传感器；
步骤八：控制器对图像进行预处理, 图像预处理内容包括图像滤波和图像二值化；
步骤九：控制器对图像进行畸变检测, 图像畸变检测是通过控制器将图像传感器采集到的图像与数字像源输出的标准图像进行比对实现的；
步骤十：控制器比较最大畸变量是否小于预定阈值：如果是，执行步骤十一，如果否，执行步骤十二；
步骤十一：畸变矫正结束，系统退出矫正模式；
步骤十二：执行图像畸变矫正, 图像畸变矫正的方法是控制器控制数字像源对输出的图像进行几何变换，从而达到畸变矫正的效果。
在图2中，13.数字像源与14.光学系统机械连接，13.数字像源与18.控制器电连接，14.光学系统与16.标准镜头机械连接，16.标准镜头与17.图像传感器机械连接，17.图像传感器与18.控制器电连接。13.数字像源由18.控制器控制并输出用来畸变矫正的标准图像，14.光学系统包括目镜放大光学装置、光瞳成像光学系统、光瞳成像光学系统、平面或曲面光学合成器和准直光学与波导管，对光线进行传输和处理。16.标准镜头将14.光学系统输出的光线成像在17.图像传感器上，17.图像传感器将采集到的图像传输给18.控制器，18.控制器对图像进行分析和处理，18.控制器根据分析结果控制13.数字像源输出从而实现图像的畸变矫正。
在图3中，19.数字像源输出用来畸变矫正的标准图像，20.成像镜头对光线进行调理后输入21.导波元件，21.导波元件对光线进行折射传输，在22.输出区1输出的光线可以在23.人眼的视网膜成像，24.输出区2输出的光线通过25.标准镜头被26. 图像传感器采集。
在图4中，标准图像为黑白相间正方形组成的棋盘状图像。
在实施例1中，如图5，27. LED驱动器与28.照明系统电连接，28.照明系统与29.DMD元件机械连接，29. DMD元件与30.前端处理器电连接，30.前端处理器与42. FPGA电连接，29. DMD元件与31.光学系统机械连接，31.光学系统与33.标准镜头机械连接，33.标准镜头与34. CMOS图像传感器机械连接，34. CMOS图像传感器与35. FPGA电连接。
28.照明系统使用的是R、G、B三种颜色的LED各四颗，29. DMD元件使用的是TI公司的DLP系列DLP650NE元件，30.前端处理器使用的是STM32F4ZET6单片机，42. FPGA使用的是Xilinx ZYNQ系列的XC7Z020CLG400，34. CMOS图像传感器使用的是安森美公司的MT9V034CMOS图像传感器。
在实施例2中，如图6，36. LCD驱动器与37. LCD电连接，36. LCD驱动器与42.FPGA电连接，37. LCD与38.光学系统机械连接，38.光学系统与40.标准镜头机械连接，40.标准镜头与41.面阵CCD图像传感器机械连接，41.面阵CCD图像传感器与42. FPGA电连接。
37. LCD使用的是型号为LCDS380型液晶显示模块数字像源，其显示尺寸为3.8英寸，分辨率为1280×1024，最大亮度为15000cd/m2，最小为0.5cd/m2。42. FPGA使用的是Xilinx ZYNQ系列的XC7Z020CLG400。41.面阵CCD图像传感器使用的是SONY公司的ICX673AKA面阵CCD图像传感器。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理和功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创新构思的前提下，还可以做出若干的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近眼显示系统的图像畸变矫正方法，包括数字像源、光学系统、标准镜头、图像传感器和控制器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：系统上电自检，控制器控制各元件处于复位初始状态，检测各元件是否能够正常工作；
步骤二：控制器控制数字像源输出预设的标准图像；
步骤三：成像镜头将数字像源的输出图像准直为平行光；
步骤四：导波元件对光线进行传输；
步骤五：在输出区输出平行光线；
步骤六：标准镜头汇聚光线形成图像；
步骤七：图像传感器采集输出图像并传输给控制器；
步骤八：控制器对图像进行预处理；
步骤九：控制器对图像进行畸变检测；
步骤十：控制器比较最大畸变量是否小于预定阈值，如果是，执行步骤十一，如果否，执行步骤十二；
步骤十一：畸变矫正结束，系统退出矫正模式；
步骤十二：执行图像畸变矫正。
2.根据权利要求1所述的数字像源，其特征为：数字像源采用的是LCD元件或OLED元件或DMD元件。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为：光学系统包括目镜放大光学装置、光瞳成像光学系统、光瞳成像光学系统、平面或曲面光学合成器和准直光学与波导管。
4.根据权利要求1所述的标准镜头，其特征为：标准镜头采用的是视角为50度，焦距长度与画幅的对角线长度相等的镜头。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征为：图像传感器采用的是CMOS图像传感器或者CCD图像传感器。
6.根据权利要求1所述的控制器，其特征为：控制器采用的是单片机或FPGA。
7.根据权利要求1所述的步骤二，其特征为：标准图像为黑白相间正方形组成的棋盘状图像。
8.根据权利要求1所述的步骤八，其特征为：图像预处理内容包括图像滤波和图像二值化。
9.根据权利要求1所述的步骤九，其特征为：图像畸变检测是通过控制器将图像传感器采集到的图像与数字像源输出的标准图像进行比对实现的。
10.根据权利要求1所述的步骤十二，其特征为：图像畸变矫正的方法是控制器控制数字像源对输出的图像进行几何变换，从而达到畸变矫正的效果。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200107 |