CN114445605A - 自由曲面的仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种自由曲面的仿真方法及装置，属于光学领域。在本申请实施例中，通过对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果，并根据仿真指标条件和第一像差结果对自由曲面镜所对应的自由曲面方程中的系数进行调整，以得到与汽车前挡风玻璃的曲率相匹配的自由曲面镜，这样，可以使HUD投射至汽车前挡风玻璃上的影像更为清晰。

Description

自由曲面的仿真方法及装置

技术领域

本申请实施例涉及光学领域，特别涉及一种自由曲面的仿真方法及装置。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display，HUD)，又叫平视显示器，主要作为飞行辅助仪器应用于航空器上。由于HUD可以将飞行数据直接投射至飞机前挡风上，使飞行员不需要低头就能随时查看飞行数据，所以提高了飞行的安全性。

目前，一些汽车上也开始安装HUD，用于将车况信息投射至汽车的前挡风玻璃上，使驾驶员在不低头的情况下就能随时查看车况信息，例如，车速，油量等，可以提高驾驶安全性。其中，HUD主要包括一个液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)、一个平面镜和一个自由曲面镜。但是，在HUD中的自由曲面镜的曲率与汽车前挡风玻璃的曲率不匹配的情况下，容易导致投射在汽车前挡风玻璃上的车况信息不清晰，影响了驾驶员对车况信息的查看。

发明内容

本申请实施例提供了一种自由曲面的仿真方法和装置，可以使HUD投射至汽车前挡风玻璃上的影像更为清晰。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种自由曲面的仿真方法，所述方法包括：

基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定所述自由曲面方程中各次项的初始系数，所述仿真指标条件用于约束所述自由曲面的仿真结果；

基于所述自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示所述第一像差结果；

响应于所述第一像差结果不满足仿真需求，对所述自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，所述至少一个像差为所述第一像差结果不满足所述仿真需求时所影响的像差；

基于调整后的系数，对所述HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足所述仿真需求的第二像差结果；

将用于确定所述第二像差结果的所述自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

可选地，所述自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，所述z为所述自由曲面在z轴方向上的矢高，所述x为所述自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述自由曲面在y轴方向上的矢高，所述c₁-c₄₄为所述自由曲面方程的各次项所对应的系数。

可选地，所述自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、C₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

C₁₀、C₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、2₁₉、c₂₀、c₂₁、C₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、C₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

可选地，所述像散包括一阶像散、三阶像散和五阶像散，其中，c₃、c₄、c₅影响的像差为所述一阶像散，c₆、c₇、c₉、c₂₁、c₂₂、C₂₄、C₂₆、C₂₇影响的像差为所述三阶像散，c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄影响的像差为所述五阶像散；

所述彗形像差包括一阶彗形像差、五阶彗形像差和七阶彗形像差，其中，c₆、c₇、c₈、c₉影响的像差为所述一阶彗形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀影响的像差为所述五阶彗形像差，c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七阶彗形像差；

所述球型像差包括一阶球型像差、五阶球型像差和七阶球型像差，其中，c₁₀、c₁₂、c₁₄影响的像差为所述一阶球型像差；c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇影响的像差为所述五阶球型像差；c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为所述七阶球型像差；

所述叶形像差包括三叶形像差、四叶形像差、五叶形像差、六叶形像差和七叶形像差，其中，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为所述三叶形像差，c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述四叶形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述五叶形像差，c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述六叶形像差，c₂₈、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七叶形像差。

可选地，所述方法还包括：

获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，所述至少一个用户为坐在所述汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

基于所述前挡风玻璃的位置信息以及所述至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定所述HUD的位置信息；

基于所述HUD的位置信息、所述前挡风玻璃的位置信息和所述至少一个用户的人眼位置信息，创建所述三维虚拟场景。

可选地，所HUD包括数字光处理DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。

另一方面，提供了一种自由曲面的仿真装置，所述装置包括处理器，所述处理器用于：

基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定所述自由曲面方程中各次项的初始系数，所述仿真指标条件用于约束所述自由曲面的仿真结果；

基于所述自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示所述第一像差结果；

响应于所述第一像差结果不满足仿真需求，对所述自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，所述至少一个像差为所述第一像差结果不满足所述仿真需求时所影响的像差；

基于调整后的系数，对所述HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足所述仿真需求的第二像差结果；

将用于确定所述第二像差结果的所述自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

可选地，所述自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，所述z为所述自由曲面在z轴方向上的矢高，所述x为所述自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述自由曲面在y轴方向上的矢高，所述c₁-c₄₄为所述自由曲面方程的各次项所对应的系数。

可选地，所述自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

可选地，所述像散包括一阶像散、三阶像散和五阶像散，其中，c₃、c₄、c₅影响的像差为所述一阶像散，c₆、c₇、c₉、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述三阶像散，c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄影响的像差为所述五阶像散；

所述彗形像差包括一阶彗形像差、五阶彗形像差和七阶彗形像差，其中，c₆、c₇、c₈、c₉影响的像差为所述一阶彗形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀影响的像差为所述五阶彗形像差，c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七阶彗形像差；

所述球型像差包括一阶球型像差、五阶球型像差和七阶球型像差，其中，c₁₀、c₁₂、c₁₄影响的像差为所述一阶球型像差；c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇影响的像差为所述五阶球型像差；c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为所述七阶球型像差；

所述叶形像差包括三叶形像差、四叶形像差、五叶形像差、六叶形像差和七叶形像差，其中，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为所述三叶形像差，c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述四叶形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述五叶形像差，c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述六叶形像差，c₂₈、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七叶形像差。

可选地，所述处理器用于：

获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，所述至少一个用户为坐在所述汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

基于所述前挡风玻璃的位置信息以及所述至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定所述HUD的位置信息；

基于所述HUD的位置信息、所述前挡风玻璃的位置信息和所述至少一个用户的人眼位置信息，创建所述三维虚拟场景。

可选地，所HUD包括数字光处理DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。

另一方面，提供了一种自由曲面的仿真装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定所述自由曲面方程中各次项的初始系数，所述仿真指标条件用于约束所述自由曲面的仿真结果；

第一仿真模块，用于基于所述自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示模块，用于展示所述第一像差结果；

调整模块，用于响应于所述第一像差结果不满足仿真需求，对所述自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，所述至少一个像差为所述第一像差结果不满足所述仿真需求时所影响的像差；

第二仿真模块，用于基于调整后的系数，对所述HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足所述仿真需求的第二像差结果；

第二确定模块，用于将用于确定所述第二像差结果的所述自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

可选地，所述自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，所述z为所述自由曲面在z轴方向上的矢高，所述x为所述自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述自由曲面在y轴方向上的矢高，所述c₁-c₄₄为所述自由曲面方程的各次项所对应的系数。

可选地，所述自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

可选地，所述像散包括一阶像散、三阶像散和五阶像散，其中，c₃、c₄、c₅影响的像差为所述一阶像散，c₆、c₇、c₉、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述三阶像散，c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄影响的像差为所述五阶像散；

所述彗形像差包括一阶彗形像差、五阶彗形像差和七阶彗形像差，其中，c₆、c₇、c₈、c₉影响的像差为所述一阶彗形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀影响的像差为所述五阶彗形像差，c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七阶彗形像差；

所述球型像差包括一阶球型像差、五阶球型像差和七阶球型像差，其中，c₁₀、c₁₂、c₁₄影响的像差为所述一阶球型像差；c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇影响的像差为所述五阶球型像差；c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为所述七阶球型像差；

所述叶形像差包括三叶形像差、四叶形像差、五叶形像差、六叶形像差和七叶形像差，其中，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为所述三叶形像差，c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述四叶形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述五叶形像差，c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述六叶形像差，c₂₈、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七叶形像差。

可选地，所述装置还包括：

获取模块，用于获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，所述至少一个用户为坐在所述汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

第三确定模块，用于基于所述前挡风玻璃的位置信息以及所述至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定所述HUD的位置信息；

创建模块，用于基于所述HUD的位置信息、所述前挡风玻璃的位置信息和所述至少一个用户的人眼位置信息，创建所述三维虚拟场景。

可选地，所HUD包括数字光处理DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。

另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现上述自由曲面的仿真方法中的任一步骤。

另一方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述自由曲面的仿真方法中任一步骤。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本申请实施例中，通过对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果，并根据仿真指标条件和第一像差结果对自由曲面镜所对应的自由曲面方程中的系数进行调整，以得到与汽车前挡风玻璃的曲率相匹配的自由曲面镜，这样，可以使HUD投射至汽车前挡风玻璃上的影像更为清晰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种自由曲面的仿真方法流程图；

图2是本申请实施例提供的一种创建三维虚拟场景的方法流程图；

图3是本申请实施例提供的一种确定HUD位置的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种光斑分布图；

图5是本申请实施例提供的一种畸变图；

图6是本申请实施例提供的一种场曲图；

图7是本申请实施例提供的一种MTF图；

图8是本申请实施例提供的一种自由曲面的仿真装置的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的一种电子设备的框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

在对本申请实施例进行详细的解释说明之前，先对本申请实施例涉及的应用场景进行介绍。

目前，一些汽车上也开始安装HUD，用于将车况信息投射至汽车的前挡风玻璃上，使驾驶员在不低头的情况下就能随时查看车况信息，但是，在HUD中的自由曲面镜的曲率与汽车前挡风玻璃的曲率不匹配的情况下，容易导致投射在汽车前挡风玻璃上的车况信息不清晰，影响了驾驶员对车况信息的查看。基于此，可以通过本申请实施例的自由曲面的仿真方法来获取与汽车前挡风玻璃的曲率相匹配的自由曲面镜，并将其应用于HUD中，使HUD投射至汽车前挡风玻璃上的车况信息更为清晰。

本申请实施例提供的自由曲面的仿真方法的执行主体是电子设备，该电子设备中部署有光学成像仿真软件，例如，Zemax。该电子设备可以通过该光学成像仿真软件来实现本申请实施例的自由曲面的仿真方法，该电子设备可以为任何一种可与用户通过键盘、触摸板、触摸屏、遥控器、语音交互或手写设备等一种或多种方式进行人机交互的电子产品，例如PC(Personal Computer，个人计算机)、掌上电脑PPC(Pocket PC)、平板电脑、智能手机等。

本领域技术人员应能理解上述光学成像仿真软件和电子设备仅为举例，其他现有的或今后可能出现的光学成像仿真软件和电子设备如可适用于本申请实施例，也应包含在本申请实施例保护范围以内。

接下来对本申请实施例提供的自由曲面的仿真方法的实现过程进行详细的解释说明。

请参考图1，图1是本申请实施例提供的一种自由曲面的仿真方法流程图，该自由曲面的仿真方法可以包括如下几个步骤：

步骤101：基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定自由曲面方程中各次项的初始系数，仿真指标条件用于约束自由曲面的仿真结果。

其中，自由曲面方程见下式(1)：

z＝

c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸………(1)

其中，z为自由曲面在z轴方向上的矢高，x为自由曲面在x轴方向上的矢高，y为自由曲面在y轴方向上的矢高，c₁-c₄₄为自由曲面方程的各次项所对应的系数。

其中，仿真指标条件包括如下条件中的至少一个：仿真后得到的图像的光斑尺寸不大于第一阈值、畸变量不大于第二阈值、场曲在第一预设范围之内、MTF(ModulationTransfer Function，调制传递函数)图中毫米范围内的黑白条纹数量不小于第三阈值。当然，仿真指标条件还可以包括其他的条件，本申请实施例对此不做限定。

需要说明的是，第一阈值、第二阈值、第一预设范围、以及第三阈值为电子设备内置的，也可以是用户自定义的。示例性地，第二阈值可以为5％，第一预设范围可以为-10mm至+10mm。换句话说，仿真指标条件可以是电子设备在仿真之前内置的，也可以是由用户基于仿真目标进行设置。如果仿真指标条件由用户进行设置，电子设备可以显示第一用户界面，用户可以在第一用户界面中输入仿真指标条件，这样，电子设备可以获取并保存用户在第一用户界面中输入的仿真指标条件。

在一种实现方式中，电子设备可以先获取自由曲面方程中各次项的系数的数量，之后，根据自由曲面方程中各次项的系数的数量和仿真指标条件，按照相关算法为自由曲面方程中的各次项生成一个初始系数。

步骤102：基于自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果。

在一种实现方式中，三维虚拟场景中包括虚拟人眼、虚拟汽车前挡风玻璃和虚拟HUD，电子设备在得到自由曲面方程中各次项的初始系数之后，可以先根据自由曲面方程中各次项的初始系数，按照上述自由曲面方程确定虚拟HUD中自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标。之后，对三维虚拟场景中虚拟HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果。

其中，对三维虚拟场景中虚拟HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果的具体过程如下：

从虚拟人眼引出第一光束，该第一光束会入射至虚拟汽车前挡风玻璃，经虚拟汽车前挡风玻璃反射后入射至虚拟HUD中的自由曲面镜上，经虚拟HUD中的自由曲面镜反射后在虚拟HUD的图像生成装置中成像，以得到第一图像。此时，电子设备将第一图像与第二图像进行对比，得到初始像差结果，第二图像是指不存在像差的情况下第一光束在HUD的图像生成装置中所成的像。之后，确定初始像差结果是否满足仿真指标条件，当初始像差结果不满足仿真指标条件时，对自由曲面方程的初始系数进行调整，并根据调整后的初始系数更新虚拟HUD中自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标，之后，再次进行仿真以获得新的像差结果。

电子设备在得到新的像差结果之后，再次确定新的像差结果是否满足仿真指标条件，如果新的相差结果满足仿真指标条件，将新的像差结果作为第一像差结果。如果新的像差结果不满足仿真指标条件，将新的像差结果与前一次的像差结果进行比较，并根据比较结果对自由曲面方程的系数再次进行调整，之后，再次根据调整后的系数对自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标进行更新以及进行仿真，重复上述过程直至达到预设仿真次数后，将最后一次得到的像差结果作为第一像差结果。

其中，电子设备在每次仿真得到像差结果之后，可以先确定像差结果是否满足仿真指标条件，当像差结果不满足仿真指标条件时，则说明本次仿真得到的像差结果不满足仿真需求，需要再次调整系数来仿真，直至仿真次数达到预设仿真次数之后，认为当前的仿真结果已经收敛。示例性地，当仿真指标条件中的畸变量要求为不大于5％，仿真得到的像差结果中的畸变量为11％时，则说明当前仿真得到的像差结果不满足仿真需求。

可选地，HUD包括DLP(Digital Light Processing，数字光处理)组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。DLP组件会将生成的影像投射至第一自由曲面镜，并经第一自由曲面镜反射后入射至第二自由曲面镜，再经第二自由曲面镜反射后入射至汽车前挡风玻璃，之后，经汽车前挡风玻璃反射后入射至人眼瞳孔中，并在汽车前挡风玻璃前形成该影像的虚像，使用户在不低头的情况下就可以直接看到该影像的虚像。

需要说明的是，在HUD包括第一自由曲面镜和第二自由曲面镜的情况下，步骤101中确定出的初始系数包括第一初始系数和第二初始系数，其中，第一初始系数为第一自由曲面镜所对应的初始系数，第二初始系数为第二自由曲面镜所对应的初始系数。

基于上述HUD的投射原理，在对三维虚拟场景中HUD投射影像的过程进行仿真时，电子设备可以先根据第一初系数确定出第一自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标，根据第二初始系数确定出第二自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标，之后，从虚拟人眼引出入射至虚拟汽车前挡风玻璃上的第一光束，该第一光束在经过虚拟汽车前挡风玻璃反射后会入射至第二自由曲面镜，并经第二自由曲面镜反射后入射至第一自由曲面镜，再经第一自由曲面镜反射后在DLP组件中成像，以得到第一图像。此时，电子设备将第一图像与第二图像进行对比，得到初始像差结果，第二图像为不存在像差的情况下第一光束在DLP组件中所成的像。电子设备在确定出初始像差结果不满足仿真指标条件时，对第一初始系数和第二初始系数进行调整，并在调整后再次进行仿真，以得到第一像差结果。

其中，电子设备对第一初始系数和第二初始系数进行调整，并在调整后再次进行仿真，以得到第一像差结果的具体实现过程可以参考上述获得第一像差结果的实现过程，本申请实施例在此不再赘述。

可选地，在对三维虚拟场景中HUD投射影像的过程进行仿真之前，还可以先创建三维虚拟场景。请参考图2，创建三维虚拟场景的过程包括以下步骤：

步骤1021：获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，至少一个用户为坐在汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户。

在一种实现方式中，电子设备获取的汽车的前挡风玻璃的位置信息可以为该汽车的前挡风玻璃中各个位置点在三维坐标系中的坐标，该至少一个用户的人眼位置信息可以为该至少一个用户的人眼中心点在三维坐标系中的坐标。

其中，该三维坐标系可以是以任意一点为原点建立的坐标系。比如，以该至少一个用户中眼睛所处的高度最低的用户的人眼中心为原点，以与原点所在的水平面垂直的方向为z轴方向，以原点所在的水平面中的任一方向为x轴方向，以原点所在水平面中与x轴垂直的方向为y轴方向建立的坐标系。

电子设备在创建三维虚拟场景之前，可以显示第二用户界面，用户可以在第二用户界面输入汽车的前挡风玻璃的3D(3Dimensions，三维)数据和至少一个用户的人眼的3D数据。这样，电子设备可以基于汽车的前挡风玻璃的3D数据确定汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及基于至少一个用户的人眼的3D数据，确定该至少一个用户的人眼位置信息。

步骤1022：基于前挡风玻璃的位置信息以及至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定HUD的位置信息。

从前述介绍可知，HUD发出的光束会入射至汽车前挡风玻璃，并经过汽车前挡风玻璃反射后入射至人眼的瞳孔，并在汽车前挡风玻璃前形成车况信息图像的虚像。同理可知，当从虚拟的HUD中引出一条光线时，该光线会入射至虚拟的汽车前挡风玻璃表面，并经虚拟的汽车前挡风玻璃反射后入射至虚拟的人眼。因此，为了确定该三维虚拟场景中的HUD的位置，可以使用逆向光线追踪的方式。即，确定至少一条第一射线，其中，至少一条第一射线与至少一个用户一一对应，第一射线是指从相应用户的人眼引出且朝向汽车前挡风玻璃的射线，且第一射线与水平面之间的夹角为相应用户对应的参考角度。对于该至少一条射线中的每条第一射线来说，将第一射线与汽车前挡风玻璃之间的交点确定为入射点，以入射点为切点，确定汽车前挡风玻璃的切面。确定经过入射点且垂直于切面的法线，确定该法线与第一射线之间的夹角。然后，确定第二射线，第二射线是指从该入射点引出且背向汽车前挡风玻璃的射线，且第二射线与该法线之间的夹角等于第一射线与该法线之间的夹角。这样，可以得到与至少一条第一射线一一对应的至少一条第二射线，将该至少一条第二射线与该汽车的交点的位置信息确定为HUD的位置信息。

需要说明的是，由于上述至少一个用户坐在汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同，这样，该至少一个用户在驾驶汽车时，从汽车前挡风玻璃入射至用户人眼瞳孔的光线与水平面之间的夹角也会不同，所以，可以为该至少一个用户分别设置一个参考角度。这样，最终确定出的至少一条第二射线能够与汽车交于同一点，从而能够确定出HUD的位置信息。

示例地，请参考图3，对于至少一个用户中的任一用户，为方便说明，将其称为第一用户，从第一用户的人眼1引出第一射线2，并且使该第一射线2能够入射至虚拟的汽车前挡风玻璃3上，之后，根据第一射线2的出射点的位置信息、汽车前挡风玻璃的位置信息以及参考角度，可以获取第一射线2入射至虚拟的汽车前挡风玻璃表面的入射点4的坐标，之后，以入射点为切点，确定汽车前挡风玻璃的切面5，并根据切面5以及入射点4确定出经过入射点且垂直于切面的法线6，再根据第一射线2与法线6之间的夹角确定出第二射线7，其中，第二射线7与法线6之间的夹角等于第一射线2与法线6之间的夹角。之后，将第二射线7与该汽车的交点的位置信息确定为HUD的位置信息。

从上述介绍可知，HUD包括DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜，由于HUD中的DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜在HUD中的相对位置是固定的，因此，在确定出HUD的位置信息之后，即可确定出HUD中的DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜的位置信息。

步骤1023：基于HUD的位置信息、前挡风玻璃的位置信息和至少一个用户的人眼位置信息，创建三维虚拟场景。

电子设备在得到HUD的位置信息、汽车前挡风玻璃的位置信息以及人眼位置信息之后，可以根据HUD的位置信息、汽车前挡风玻璃的位置信息以及人眼位置信息构建三维虚拟场景。并在构建出三维虚拟场景之后，按照上述方法对三维虚拟场景中的虚拟HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果。

步骤103：展示第一像差结果。

电子设备按照上述步骤102确定得到第一像差结果之后，第一像差结果可能并不能满足用户的仿真需求，所以，电子设备还可以展示第一像差结果，以使用户确定第一像差结果是否满足仿真需求。

需要说明的是，电子设备可以从上述至少一个用户中每个用户的人眼位置均引出第一光束来进行仿真。接下来以一个用户为例，对第一像差结果进行说明。

示例性地，当HUD中包括第一自由曲面镜、第二自由曲面镜和DLP组件时，电子设备向用户展示的第一像差结果包括如图4所示的光斑分布图、如图5所示的畸变图、如图6所示的场曲图、以及如图7所示的MTF图。

从图4中可以看出，如果从DLP组件中引出第一光束，该第一光束依次经过第一自由曲面镜、第二自由曲面镜和汽车前挡风玻璃反射后，由于存在像差，其在汽车前挡风玻璃前形成的虚像不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。

从图5中可以看出，如果从DLP组件中引出第一光束，该第一光束依次经过第一自由曲面镜、第二自由曲面镜和汽车前挡风玻璃反射后，在汽车前挡风玻璃前形成的虚像的畸变量为12.3％。

场曲指像场弯曲，用于指示从DLP组件引出的第一光束依次经过第一自由曲面镜、第二自由曲面镜和汽车前挡风玻璃反射后入射至人眼位置，与在不存在像差的情况下从DLP组件引出的第一光束入射至人眼位置之间的偏差，从图6中可以看出，从DLP组件引出的第一光束依次经过第一自由曲面镜、第二自由曲面镜和汽车前挡风玻璃反射后入射至人眼位置，与在不存在像差的情况下从DLP组件引出的第一光束入射至人眼位置之间在X轴方向上的偏差(如图6中的实曲线)和在Y轴方向上的偏差(如图6中的虚曲线)均小于10mm，说明图像质量较好。

MTF图用于指示对比度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力，其中，对比度越大，说明图像质量越好。从图7中可以看出，曲线的对比度最小值小于0.2，说明图像质量不好，像差较大。

步骤104：响应于第一像差结果不满足仿真需求，对自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，至少一个像差为影响第一像差结果不满足仿真需求的像差。

其中，自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系见表1：

表1系数与像差的关系

在一种实现方式中，电子设备在向用户展示第一像差结果之后，第一像差结果有可能不满足仿真需求，此时，电子设备会接收到用户触发的系数选择操作，并显示第三用户界面，第三用户界面包括各次项的系数。当电子设备检测到用户选择的系数以及该系数对应的调整策略之后，可以将用户所选择的系数作为待调整系数，按照该系数对应的调整策略对待调整系数进行调整，并保持其他系数不变。

示例性地，当电子设备检测到用户选择的系数为C₁₀、C₁₂、C₁₄时，将系数C₁₀、C₁₂、C₁₄作为待调整系数，并对待调整系数进行调整，保持其他系数不变。

其中，用户选择的待调整系数是用户在根据电子设备展示的第一像差结果判断出该第一像差结果不满足仿真需求时，根据第一像差结果中的至少一个像差从上述表1中确定的。当用户根据第一像差结果判断出第一像差结果不满足仿真需求时，可以根据如图4所示的光斑分布图来确定第一像差结果中的像差种类，当用户根据光斑分布图中的光斑形状和方向确定出的像差为一阶像散时，可以从上述表1中的系数与像差的对应关系中确定出一阶像散所对应的系数为C₃、C₄、C₅，并在电子设备展示的系数选择界面中将系数C₃、C₄、C₅选择为待调整系数。

可选地，电子设备在接收到用户输入的待调整系数之后，还可以显示第四用户界面，第四用户界面中包括各个待调整系数对应的权重设置框。用户可以在第四界面中各个待调整系数对应的权重设置框中，为各个待调整系数设置对应的权重。这样，电子设备可以获取用户在各个待调整系数对应的权重设置框中所输入的权重，之后，根据各个待调整系数的权重，按照相关算法对待调整系数进行调整。

其中，电子设备接收到的各个待调整系数的权重是用户根据待调整系数对像差的影响程度确定的，其中，对像差影响越大的系数，用户为其设置的权重越大。

步骤105：基于调整后的系数，对HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足仿真需求的第二像差结果。

在一种实现方式中，电子设备在得到自由曲面方程中的调整后的系数之后，根据调整后的系数对HUD中包括的自由曲面镜的曲面上各个位置的三维坐标进行更新，之后，再次对HUD投射影像的过程进行仿真，得到新的像差结果，展示新的像差结果。响应于新的像差结果满足仿真需求，将最新的像差结果作为第二像差结果，并结束仿真，响应于新的像差结果不满足仿真需求，用户可以按照上述方法重新选择待调整系数以及各个待调整次数对应的权重。此时，电子设备可以根据接收到的用户选择的待调整系数以及权重再次进行仿真，重复上述过程至得到满足仿真需求的第二像差结果为止。

其中，电子设备重复仿真过程的具体实现过程可以参考上述获取第一像差结果的仿真实现过程，本申请实施例在此不再赘述。

步骤106：将用于确定第二像差结果的自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

在HUD中包括第一自由曲面镜和第二自由曲面镜的情况下，电子设备可以将确定第二像差结果的第一自由曲面镜对应的自由曲面和第二自由曲面镜对应的自由曲面作为仿真结果。

示例性地，最终确定出的第一自由曲面镜对应的各个次项的系数位于下述表2所示的第一系数范围内，最终确定出的第二自由曲面镜对应的各个次项的系数位于下述表2所示的第二系数范围内。

表2自由曲面方程中的各个次项所对应的系数范围

在本申请实施例中，通过对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果，并根据仿真指标条件和第一像差结果对自由曲面镜所对应的自由曲面方程中的系数进行调整，以得到与汽车前挡风玻璃的曲率相匹配的自由曲面镜，这样，可以使HUD投射至汽车前挡风玻璃上的影像更为清晰。

另外，在本申请实施例中，电子设备在得到第一像差结果之后，根据表1中的系数与像差的关系可以快速的确定出影响像差的自由曲面方程的待调整系数，之后，为每个待调整系数设置一个权重，并根据设置的权重对待调整系数进行调整，这样，能够有效缩短确定HUD中的自由曲面镜的自由曲面的时间。

接下来，对本申请实施例提供的自由曲面的仿真装置进行介绍。

图8是本申请实施例提供的一种自由曲面的仿真装置的结构示意图，该自由曲面的仿真装置可以由软件、硬件或者两者的结合实现。该自由曲面的仿真装置800可以包括：

第一确定模块801，用于基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定自由曲面方程中各次项的初始系数，仿真指标条件用于约束自由曲面的仿真结果；

第一仿真模块802，用于基于自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示模块803，用于展示第一像差结果；

调整模块804，用于响应于第一像差结果不满足仿真需求，对自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，至少一个像差为影响第一像差结果不满足仿真需求的像差；

第二仿真模块805，用于基于调整后的系数，对HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足仿真需求的第二像差结果；

第二确定模块806，用于将用于确定第二像差结果的自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

可选地，自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，z为自由曲面在z轴方向上的矢高，x为自由曲面在x轴方向上的矢高，y为自由曲面在y轴方向上的矢高，c₁-c₄₄为自由曲面方程的各次项所对应的系数。

可选地，自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

可选地，像散包括一阶像散、三阶像散和五阶像散，其中，c₃、c₄、c₅影响的像差为一阶像散，c₆、c₇、c₉、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为三阶像散，c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄影响的像差为五阶像散；

彗形像差包括一阶彗形像差、五阶彗形像差和七阶彗形像差，其中，c₆、c₇、c₈、c₉影响的像差为一阶彗形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀影响的像差为五阶彗形像差，c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为七阶彗形像差；

球型像差包括一阶球型像差、五阶球型像差和七阶球型像差，其中，c₁₀、c₁₂、c₁₄影响的像差为一阶球型像差；c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇影响的像差为五阶球型像差；c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为七阶球型像差；

叶形像差包括三叶形像差、四叶形像差、五叶形像差、六叶形像差和七叶形像差，其中，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为三叶形像差，c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为四叶形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为五叶形像差，c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为六叶形像差，c₂₈、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为七叶形像差。

可选地，装置还包括：

获取模块，用于获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，至少一个用户为坐在汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

第三确定模块，用于基于前挡风玻璃的位置信息以及至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定HUD的位置信息；

创建模块，用于基于HUD的位置信息、前挡风玻璃的位置信息和至少一个用户的人眼位置信息，创建三维虚拟场景。

可选地，所HUD包括数字微镜器件DLP、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。

在本申请实施例中，通过对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果，并根据仿真指标条件和第一像差结果对自由曲面镜所对应的自由曲面方程中的系数进行调整，以得到与汽车前挡风玻璃的曲率相匹配的自由曲面镜，这样，可以使包括该自由曲面镜的HUD投射至汽车前挡风玻璃上的影像更为清晰。

需要说明的是：上述实施例提供的自由曲面的仿真装置在对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的自由曲面的仿真装置与自由曲面的仿真方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

图9示出了本申请一个示例性实施例提供的电子设备900的结构框图。该电子设备900可以是：智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑。电子设备900还可能被称为用户设备、便携式电子设备、膝上型电子设备、台式电子设备等其他名称。

通常，电子设备900包括有：处理器901和存储器902。

处理器901可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器901可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器901也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器901可以集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器901还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器902可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器902还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器902中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器901所执行以实现本申请中方法实施例提供的自由曲面的仿真方法。

在一些实施例中，电子设备900还可选包括有：外围设备接口903和至少一个外围设备。处理器901、存储器902和外围设备接口903之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口903相连。具体地，外围设备包括：射频电路904、显示屏905、摄像头组件906、音频电路907、定位组件908和电源909中的至少一种。

外围设备接口903可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器901和存储器902。在一些实施例中，处理器901、存储器902和外围设备接口903被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器901、存储器902和外围设备接口903中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例对此不加以限定。

射频电路904用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信号。射频电路904通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信。射频电路904将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路904包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路904可以通过至少一种无线通信协议来与其它电子设备进行通信。该无线通信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局域网和/或WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路904还可以包括NFC(Near Field Communication，近距离无线通信)有关的电路，本申请对此不加以限定。

显示屏905用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏905是触摸显示屏时，显示屏905还具有采集在显示屏905的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器901进行处理。此时，显示屏905还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏905可以为一个，设置电子设备900的前面板；在另一些实施例中，显示屏905可以为至少两个，分别设置在电子设备900的不同表面或呈折叠设计；在另一些实施例中，显示屏905可以是柔性显示屏，设置在电子设备900的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏905还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏905可以采用LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)等材质制备。

摄像头组件906用于采集图像或视频。可选地，摄像头组件906包括前置摄像头和后置摄像头。通常，前置摄像头设置在电子设备的前面板，后置摄像头设置在电子设备的背面。在一些实施例中，后置摄像头为至少两个，分别为主摄像头、景深摄像头、广角摄像头、长焦摄像头中的任意一种，以实现主摄像头和景深摄像头融合实现背景虚化功能、主摄像头和广角摄像头融合实现全景拍摄以及VR(Virtual Reality，虚拟现实)拍摄功能或者其它融合拍摄功能。在一些实施例中，摄像头组件906还可以包括闪光灯。闪光灯可以是单色温闪光灯，也可以是双色温闪光灯。双色温闪光灯是指暖光闪光灯和冷光闪光灯的组合，可以用于不同色温下的光线补偿。

音频电路907可以包括麦克风和扬声器。麦克风用于采集用户及环境的声波，并将声波转换为电信号输入至处理器901进行处理，或者输入至射频电路904以实现语音通信。出于立体声采集或降噪的目的，麦克风可以为多个，分别设置在电子设备900的不同部位。麦克风还可以是阵列麦克风或全向采集型麦克风。扬声器则用于将来自处理器901或射频电路904的电信号转换为声波。扬声器可以是传统的薄膜扬声器，也可以是压电陶瓷扬声器。当扬声器是压电陶瓷扬声器时，不仅可以将电信号转换为人类可听见的声波，也可以将电信号转换为人类听不见的声波以进行测距等用途。在一些实施例中，音频电路907还可以包括耳机插孔。

电源909用于为电子设备900中的各个组件进行供电。电源909可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源909包括可充电电池时，该可充电电池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。

本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构并不构成对电子设备900的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，或者组合某些组件，或者采用不同的组件布置。

本申请实施例还提供了一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行上实施例提供的自由曲面的仿真方法。

本申请实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述实施例提供的自由曲面的仿真方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本申请实施例的较佳实施例，并不用以限制本申请实施例，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)、数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)以及信号，均为经用户授权或者经过各方充分授权的，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。

Claims (10)

1.一种自由曲面的仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定所述自由曲面方程中各次项的初始系数，所述仿真指标条件用于约束所述自由曲面的仿真结果；

基于所述自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示所述第一像差结果；

响应于所述第一像差结果不满足仿真需求，对所述自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，所述至少一个像差为所述第一像差结果不满足所述仿真需求时所影响的像差；

基于调整后的系数，对所述HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足所述仿真需求的第二像差结果；

将用于确定所述第二像差结果的所述自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，所述z为所述自由曲面在z轴方向上的矢高，所述x为所述自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述自由曲面在y轴方向上的矢高，所述c₁-c₄₄为所述自由曲面方程的各次项所对应的系数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述像散包括一阶像散、三阶像散和五阶像散，其中，c₃、c₄、c₅影响的像差为所述一阶像散，c₆、c₇、c₉、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述三阶像散，c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄影响的像差为所述五阶像散；

所述彗形像差包括一阶彗形像差、五阶彗形像差和七阶彗形像差，其中，c₆、c₇、c₈、c₉影响的像差为所述一阶彗形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀影响的像差为所述五阶彗形像差，c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七阶彗形像差；

所述球型像差包括一阶球型像差、五阶球型像差和七阶球型像差，其中，c₁₀、c₁₂、c₁₄影响的像差为所述一阶球型像差；c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇影响的像差为所述五阶球型像差；c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为所述七阶球型像差；

所述叶形像差包括三叶形像差、四叶形像差、五叶形像差、六叶形像差和七叶形像差，其中，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为所述三叶形像差，c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述四叶形像差，c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述五叶形像差，c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇影响的像差为所述六叶形像差，c₂₈、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为所述七叶形像差。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，所述至少一个用户为坐在所述汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

基于所述前挡风玻璃的位置信息以及所述至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定所述HUD的位置信息；

基于所述HUD的位置信息、所述前挡风玻璃的位置信息和所述至少一个用户的人眼位置信息，创建所述三维虚拟场景。

6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所HUD包括数字光处理DLP组件、第一自由曲面镜和第二自由曲面镜。

7.一种自由曲面的仿真装置，其特征在于，所述装置包括处理器，所述处理器用于：

基于自由曲面方程和仿真指标条件，确定所述自由曲面方程中各次项的初始系数，所述仿真指标条件用于约束所述自由曲面的仿真结果；

基于所述自由曲面方程中各次项的初始系数，对三维虚拟场景中包括自由曲面镜的抬头显示器HUD投射影像的过程进行仿真，以确定第一像差结果；

展示所述第一像差结果；

响应于所述第一像差结果不满足仿真需求，对所述自由曲面方程中与至少一个像差所对应次项的系数进行调整，所述至少一个像差为所述第一像差结果不满足所述仿真需求时所影响的像差；

基于调整后的系数，对所述HUD投射影像的过程重新进行仿真，直至得到满足所述仿真需求的第二像差结果；

将用于确定所述第二像差结果的所述自由曲面镜的自由曲面确定为自由曲面仿真结果。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述自由曲面方程为：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴+c₁₅x⁵+c₁₆x⁴y+c₁₇x³y²+c₁₈x²y³+c₁₉xy⁴+c₂₀y⁵+c₂₁x⁶+c₂₂x⁵y+c₂₃x⁴y²+c₂₄x³y³+c₂₅x²y⁴+c₂₆xy⁵+c₂₇y⁶+c₂₈x⁷+c₂₉x⁶y+c₃₀x⁵y²+c₃₁x⁴y³+c₃₂x³y⁴+c₃₃x²y⁵+c₃₄xy⁶+c₃₅y⁷+c₃₆x⁸+c₃₇x⁷y+c₃₈x⁶y²+c₃₉x⁵y³+c₄₀x⁴y⁴+c₄₁x³y⁵+c₄₂x²y⁶+c₄₃xy⁷+c₄₄y⁸

其中，所述z为所述自由曲面在z轴方向上的矢高，所述x为所述自由曲面在x轴方向上的矢高，所述y为所述自由曲面在y轴方向上的矢高，所述c₁-c₄₄为所述自由曲面方程的各次项所对应的系数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述自由曲面方程中各次项的系数与其所影响的像差之间的关系如下：

c₁影响的像差为x轴倾斜；

c₂影响的像差为y轴倾斜；

c₃、c₅影响的像差为离焦；

c₃、c₄、c₅、c₆、c₇、c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₃、c₁₄、c₂₁、c₂₂、c₂₄、c₂₆、c₂₇影响的像差为像散；

c₆、c₇、c₈、c₉、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅影响的像差为彗形像差；

c₁₀、c₁₂、c₁₄、c₂₁、c₂₃、c₂₅、c₂₇、c₃₆、c₃₈、c₄₀、c₄₂、c₄₄影响的像差为球型像差；

c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、c₁₉、c₂₀、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₂₄、c₂₅、c₂₆、c₂₇、c₂₈、c₂₉、c₃₀、c₃₁、c₃₂、c₃₃、c₃₄、c₃₅、c₃₇、c₃₉、c₄₁、c₄₃影响的像差为叶形像差。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理器用于：

获取汽车的前挡风玻璃的位置信息，以及至少一个用户的人眼位置信息，所述至少一个用户为坐在所述汽车的同一座椅上其眼睛所处高度不同的用户；

基于所述前挡风玻璃的位置信息以及所述至少一个用户的人眼位置信息，按照逆向光路追踪的方式，确定所述HUD的位置信息；

基于所述HUD的位置信息、所述前挡风玻璃的位置信息和所述至少一个用户的人眼位置信息，创建所述三维虚拟场景。

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