CN111880309A

CN111880309A - 一种基于瞳孔大小自动调节ar虚像亮度的方法

Info

Publication number: CN111880309A
Application number: CN202010660211.3A
Authority: CN
Inventors: 沈忠文; 张宇宁; 王萍
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2020-11-03

Abstract

本发明公开了一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，包括：步骤1：用户对不同环境模式下的虚像亮度进行自定义；步骤2：在步骤1中自定义的虚像亮度下，获取用户的瞳孔直径；步骤3：采集用户在使用AR显示设备过程中的瞳孔直径，将当前采集时刻的瞳孔直径与步骤2中得到的用户瞳孔直径数据进行比较，根据比较结果，调节当前使用环境下的虚像亮度；本发明可以实现自动调节AR设备呈现在人眼视野中的虚像亮度，可以调整显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异，避免外界光线过强时看不清楚虚拟图像，或避免环境较暗时虚拟图像过于刺眼。

Description

一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法

技术领域

本发明属于AR虚像亮度调节技术领域，具体涉及一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法。

背景技术

随着信息技术和高新产业的日益发展，基于增强现实技术(Augment Reality,AR)的诸多设备正逐渐走入人们的生活。增强现实技术可以将虚拟的信息呈现在真实世界中，真实的环境和虚拟的物体同时存在于空间中。用户使用AR头戴式显示设备时，不仅可以看到外界实景，还能同时看到由AR显示设备呈现的虚拟场景。因此，进入用户眼睛的光线由外界实景和设备产生的虚景组成。

在外界实景之上叠加虚景所呈现给用户的显示效果与外界实景和虚景的亮度匹配有很大关系。例如，当外界光线过于明亮，设备所呈现的虚像在视野中的显示效果并不好。对于外界实景的亮度或者周围环境的亮度，通常情况下为固定的亮度。因此，在匹配外界实景和虚景的亮度时，通过AR显示设备调节虚像的亮度更便于操作。通过调节虚像亮度，可以调整显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异，避免外界光线过强时看不清楚虚拟图像，或避免环境较暗时虚拟图像过于刺眼。

发明内容

本发明的目的是为了解决显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异过大，导致设备所呈现的虚像在视野中的显示效果并不好的问题，提供了一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，该方法可以实现自动调节AR设备呈现在人眼视野中的虚像亮度，无需使用额外的光敏器件去探测环境的光照强度。

技术方案：一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，包括以下步骤：

步骤1：用户对不同环境模式下的虚像亮度进行自定义；

步骤2：在步骤1中自定义的虚像亮度下，获取用户的瞳孔直径；

步骤3：采集用户在使用AR显示设备过程中的瞳孔直径，将当前采集时刻的瞳孔直径与步骤2中得到的用户瞳孔直径数据进行比较，根据比较结果，调节当前使用环境下的虚像亮度。

进一步的，所述步骤1中的环境模式包括暗室模式、室外模式和室内模式。

进一步的，所述暗室模式为环境照度<0.5lx，所述室外模式为环境照度>5000lx，室内模式为环境照度处于0.5lx和5000lx之间。

进一步的，所述步骤2中采用红外摄像头采集用户的瞳孔直径。

进一步的，所述步骤2中通过前置摄像头拍摄记录下用户头部图像后，应用图像识别和图像分割算法得到瞳孔直径。

进一步的，所述步骤2具体包括：

在步骤1中自定义的虚像亮度下，通过平面亮度计，得到虚像与实景叠加后的人眼所获取的亮度分布；

基于空间加权角膜通量密度计算得到瞳孔直径。

进一步的，所述的基于空间加权角膜通量密度计算得到瞳孔直径，由下式计算得到：

式中，L(x，y)表示虚像和实际场景叠加的亮度分布，D为瞳孔直径，σ₁、σ₂、D₀和D_Δ为固定数值参数。

进一步的，所述步骤3具体包括：

记处于室外模式时自定义的虚像亮度为L_out，对应的用户瞳孔直径为D_out；记处于暗室模式时自定义的虚像亮度为L_dark，对应的用户瞳孔直径为D_dark；记处于室内模式时自定义的虚像亮度为L_in，对应的用户瞳孔直径为D_in；记当前采集时刻的瞳孔直径大小为D_t，前一次采集时刻的瞳孔直径大小为D_t-1；

当D_t＞D_dark时，将虚像亮度调节为暗室模式时的虚像亮度L_dark；

当D_t＜D_out时，将虚像亮度调节为室外模式时的虚像亮度L_out；

当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＞D_t-1时，调低虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_dark之间的大小关系，若D_t’<D_dark，则继续调低虚像亮度，若D_t’>D_dark，则调高虚像亮度，直至D_t’＝D_dark；

当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＜D_t-1时，调高虚像亮度，判断调高后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_in之间的大小关系，若D_t’>D_in，则继续调高虚像亮度，若D_t’<D_in，则调低虚像亮度，直至D_t’＝D_in；

当D_in＞D_t＞D_out且D_t＞D_t-1时，调低虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_in之间的大小关系，若D_t’<D_in，则继续调低虚像亮度，若D_t’>D_in，则调高虚像亮度，直至D_t’＝D_in；

当D_in＞D_t＞D_out且D_t＜D_t-1时，调高虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_out之间的大小关系，若D_t’>D_out，则继续调高虚像亮度，若D_t’<D_out，则调低虚像亮度，直至D_t’＝D_out。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明可以实现自动调节AR设备呈现在人眼视野中的虚像亮度，无需使用额外的光敏器件去探测环境的光照强度。通过调节虚像亮度，可以调整显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异，避免外界光线过强时看不清楚虚拟图像，或避免环境较暗时虚拟图像过于刺眼；

2、基于人眼的瞳孔调节规律，符合人的视觉感受，可保证优质的调节效果，更贴近用户真实的使用需求，提高用户的视觉体验。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为采集用户自定义虚像亮度时的操作界面；

图3为增加测量瞳孔直径和亮度分布采集的AR设备；

图4为根据瞳孔大小的变化实现自动调节虚像亮度的完整过程。

具体实施方式

显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异对显示效果和用户观看体验的影响很大，为了保证能给用户呈现出优质的显示效果和提高用户的视觉体验，本发明提供了下述基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法。通过调节虚像亮度，可以调整显示设备呈现的虚拟图像与外界环境的亮度差异，避免外界光线过强时看不清楚虚拟图像，或避免环境较暗时虚拟图像过于刺眼。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，包括以下步骤：

步骤1：用户根据不同环境模式自定义虚像亮度；本实施例中的不同环境模式包括暗室模式、室外模式和室内模式；现对模式说明如下：

根据实验测量数据得到室外晴天无遮挡情况下照度为60000～70000lx，阴天无遮挡情况下照度为20000～30000lx。根据《中华人民共和国国家标准GB 50034-2013建筑照明设计标准》规定，室内照度一般在几百lx水平，比如起居室(主要用于一般活动和书写、阅读等)、普通办公室和一般阅览室的照度标准值为300lx。标准暗室的照度水平一般小于0.5lx。此三种情况包含了人们日常所处的最常见的三种环境条件。三种条件下，室外晴天无遮挡照度远大于室内灯照条件下的照度，而暗室环境照度最小。从人眼视觉规律和日常经验来看，当环境照度越大时，为避免环境亮度和虚像亮度对比过于悬殊，理论上虚像的亮度应随着环境照度的减小而减小。在本实施例中，将环境照度<0.5lx定义为暗室模式，环境照度>5000lx定义为室外模式，环境照度处于0.5lx和5000lx之间定义为室内模式。

用户自定义虚像亮度数据采集过程如下：使用设备中的App，设置三种环境模式：室外模式、室内模式、和暗室模式。一般情况下，室外模式为晴天或者阴天无遮挡环境、室内模式为日常活动频率最高的室内灯光照明场所，暗室模式为无环境光照明情况。不同用户的三种日常环境不同。当用户进行自定义虚像亮度数据采集时，应分别进入到三种环境模式下进行数据采集。

当用户进入一种模式时先适应5min当前环境，适应环境后打开AR设备播放图像内容，根据界面提示进行操作，操作界面如图2所示，此步骤将记录下三种常用模式下用户自定义的虚像亮度。

步骤2：红外摄像头记录不同模式下用户的瞳孔直径大小，将亮度匹配满意时的瞳孔大小设为初始瞳孔直径。红外摄像头每隔5秒采集一次瞳孔直径的数据。

除通过红外摄像头实时采集用户瞳孔大小数据的方法外，还可以通过前置摄像头拍摄记录下用户头部图像后，应用图像识别和图像分割算法等得到瞳孔大小，图像识别算法可采用但不限于斑点检测、角点检测、局部特征点检测、Sift算法、Surf算法；图像分割算法可采用但不限于基于阈值分割方法、基于区域分割方法、基于边缘分割方法、基于小波变换分割方法、基于神经网络分割方法。

如图3所示，除通过红外摄像头实时采集用户瞳孔大小数据的方法外，还可以通过在设备上集成平面亮度计1，拍摄得到虚像与实景叠加后的人眼所获取的亮度分布，通过基于空间加权角膜通量密度的瞳孔直径计算模型2得到瞳孔大小数据。具体使用如下公式：

式中，L(x，y)表示虚像和实际场景叠加的亮度分布，单位为cd/m²，D为瞳孔直径，单位为mm；公式中σ₁＝0.26；σ₂＝0.11，D₀＝5.90和D_Δ＝4.57。步骤3：当用户在使用AR显示设备过程中，将当前时刻的瞳孔直径与前一时刻瞳孔直径进行比较，设备自动调节当前环境下最合适的AR虚像亮度。参见图4，具体调节过程如下：

将用户处于室外模式时瞳孔直径记为D_out，此时对应的虚像亮度为L_out。用户处于暗室模式时瞳孔直径记为D_dark，此时对应的虚像亮度为L_dark。用户处于室内模式时瞳孔直径记为D_in，此时对应的虚像亮度为L_in。

将当前时刻记录的瞳孔直径大小记为D_t，将前一次记录的瞳孔直径大小记为D_t-1。

当D_t＞D_dark时，系统将虚像亮度自动调节为暗室模式时的虚像亮度L_dark；当D_t＜D_out时，系统将虚像亮度自动调节为室外模式时的虚像亮度L_out。当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＞D_t-1时，系统将自动调低虚像亮度，若D_t<D_dark，则继续调低虚像亮度，若D_t>D_dark，则调高虚像亮度，直至D_t＝D_dark；当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＜D_t-1时，系统将自动调高虚像亮度，若D_t>D_in，则继续调高虚像亮度，若D_t<D_in，则调低虚像亮度，直至D_t＝D_in。当D_in＞D_t＞D_out且D_t＞D_t-1时，系统将自动调低虚像亮度，若D_t<D_in，则继续调低虚像亮度，若D_t>D_in，则调高虚像亮度，直至D_t＝D_in；当D_in＞D_t＞D_out且D_t＜D_t-1时，系统将自动调高虚像亮度，若D_t>D_out，则继续调高虚像亮度，若D_t<D_out，则调低虚像亮度，直至D_t＝D_out。

亮度调整步长可精确至0.1cd/m²，考虑到人眼对亮度改变的适应，可根据步长缓慢改变虚像亮度，避免虚像亮度突变给用户带来不适。

Claims

1.一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：用户对不同环境模式下的虚像亮度进行自定义；

2.根据权利要求1所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述步骤1中的环境模式包括暗室模式、室外模式和室内模式。

3.根据权利要求2所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述暗室模式为环境照度＜0.51x，所述室外模式为环境照度＞50001x，室内模式为环境照度处于0.51x和50001x之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述步骤2中采用红外摄像头采集用户的瞳孔直径。

5.根据权利要求1所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述步骤2中通过前置摄像头拍摄记录下用户头部图像后，应用图像识别和图像分割算法得到瞳孔直径。

6.根据权利要求1所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

基于空间加权角膜通量密度计算得到瞳孔直径。

7.根据权利要求6所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述的基于空间加权角膜通量密度计算得到瞳孔直径，由下式计算得到：

8.根据权利要求1所述的一种基于瞳孔大小自动调节AR虚像亮度的方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：

当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＞D_t-1时，调低虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_dark之间的大小关系，若D_t’＜D_dark，则继续调低虚像亮度，若D_t’＞D_dark，则调高虚像亮度，直至D_t’＝D_dark；

当D_dark＞D_t＞D_in且D_t＜D_t-1时，调高虚像亮度，判断调高后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_in之间的大小关系，若D_t’＞D_in，则继续调高虚像亮度，若D_t’＜D_in，则调低虚像亮度，直至D_t’＝D_in；

当D_in＞D_t＞D_out且D_t＞D_t-1时，调低虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_in之间的大小关系，若D_t’＜D_in，则继续调低虚像亮度，若D_t’＞D_in，则调高虚像亮度，直至D_t’＝D_in；

当D_in＞D_t＞D_out且D_t＜D_t-1时，调高虚像亮度，判断调低后的虚像亮度对应的用户瞳孔直径D_t’与D_out之间的大小关系，若D_t’＞D_out，则继续调高虚像亮度，若D_t’＜D_out，则调低虚像亮度，直至D_t’＝D_out。