CN204101815U - 一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，属于虚拟现实技术领域。包括镜架，左右眼菲涅尔透镜，镜框，高清显示屏，屏幕固定框，微控制电路板和头戴绑带等等。高清显示屏位于人眼正前方，其间以人眼为光轴，菲涅尔透镜与距离屏幕是菲涅尔透镜的1倍焦距内，出瞳距20～30mm，出瞳直径2～4mm，人眼看到在远端视场角为90度～100度的放大虚像，通过微控制器读取姿态传感器的位置信息实现人和视觉场景的交互。本虚拟眼镜成本低廉，大出瞳距，满足不同屈光度视力使用者；通过对图像进行逆向畸变补偿的方法实现广阔视野，清晰图像的观察，可以观看5～7寸，分辨率1280×800以上的像源。

Description

一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜

技术领域

本实用新型涉及一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，属于虚拟现实技术领域。

背景技术

虚拟现实技术是通过计算机虚拟出现实世界，通过显示屏和目视系统投射到人眼视网膜，结合其他人体传感的输入设备模拟出一个从视觉，听觉，触觉等多方面都很逼真的虚拟世界。本质就是呈现一个以使用者视角为主体，可以实时、无限制地观察三维空间内的物体，给使用者沉浸感体验。虚拟现实技术涵盖了跟踪传感技术、广角立体显示技术、立体声、触觉反馈等多种技术。已经广泛应用在娱乐，军事训练，医疗培训、产品三维虚拟展示等多个领域。

目前虚拟眼镜采用的两种光学广角目视方案分别是单片传统短焦球面透镜和多片非球面透镜组。第一种方案通过图像畸变矫正补偿的方法，让人眼看到正常的图像。第二种方案利用非球面对像差的矫正来改善大视场图像的畸变，不需要对图像预先矫正，使人眼看到正常图像，但是非球面光学的定制成本和透镜组无形增加了人眼和屏幕的距离，使得头盔偏大，重心外移，影响舒适度。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，运用软件对图像进行矫正，并使虚拟眼镜整体重量更轻，成本低廉、适合更多视力屈光度使用者佩戴。

本实用新型提出的基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，包括镜架外壳、菲涅尔透镜、高清显示屏、微控制电路板、密封眼罩和绑带，所述的菲涅尔透镜固定在镜框中，固定有菲涅尔透镜的镜框固定在屏幕固定框的前部，所述的高清显示屏固定在屏幕固定框的后部；所述的微控制电路板固定在密封眼罩上；屏幕固定框的前部插入所述的镜架外壳的后部，屏幕固定框的后部固定在密封眼罩中；所述的绑带的两端分别固定在屏幕固定框的前端两侧。

本实用新型提出的基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，其优点是：

本实用新型的虚拟眼镜，具有较好的使用体验，由于采用菲涅尔透镜，成本低廉，具有图像清晰，广角显示，沉浸感体验的效果。由于具有20～30mm的出瞳距，2～5mmm的出瞳直径，能满足不同视力人眼的使用需求，是一种适合更多人群使用的虚拟眼镜。

附图说明

图1为本实用新型提出的基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜的结构示意图。

图2是图1的零件分解图。

图3是图1所示的虚拟眼镜的控制电路图。

图4是图1所示的虚拟眼镜中菲涅尔透镜的广角显示原理图。

图5是菲涅尔透镜的单眼显示原理图。

图6是菲涅尔透镜的畸变仿真效果图。

图7是理想成像位置和经过菲涅耳透镜畸变成像后极坐标位置随着视场变化关系图。

图8是理想成像位置和经过菲涅耳透镜正畸变后图像、图像负畸变补偿后图像、经过光学和图像两次畸变后实际成像的极坐标位置随着视场变化关系图。

图1-图2中，一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜1是菲涅尔透镜，2是镜框，3是镜架外壳，4是高清显示屏，5是屏幕固定框，6是密封眼罩，7是微控制电路板，8是绑带，9是调节滑轮。

具体实施方式

本实用新型提出的基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，其结构如图1和图2所示，包括镜架外壳3、菲涅尔透镜1、高清显示屏4、微控制电路板7、密封眼罩6和绑带8。菲涅尔透镜1固定在镜框2中，固定有菲涅尔透镜1的镜框2固定在屏幕固定框5的前部，高清显示屏4固定在屏幕固定框5的后部。微控制电路板7固定在密封眼罩6上；屏幕固定框5的前部插入镜架外壳3的后部，屏幕固定框5的后部固定在密封眼罩6中。绑带8的两端分别固定在屏幕固定框5的前端两侧。

以下结合附图，详细介绍本实用新型的虚拟眼镜的工作原理：

本实用新型的虚拟眼镜中，高清显示屏4作为图像显示载体，安装在屏幕固定框5中，光学显示系统包括左、右两片菲涅尔透镜。菲涅尔透镜位于虚拟眼镜佩戴者的人眼和高清显示屏4之间，保持高清显示屏4与菲涅尔透镜的距离不变，使菲涅尔透镜的中心位于高清显示屏的高度的一半处，并与人眼的光轴相重合，菲涅尔透镜通过设置在镜框2上的调节滑轮9调节瞳距，光学显示系统的出瞳位于菲涅尔透镜的光轴上，并与人眼重合，使人眼观察到图像。

图像生成过程由虚拟眼镜中的微控制电路板实现，微控制电路板的结构原理如图3所示，包括微控制器、姿态传感器和视频转换芯片，其中的微控制器通过HDMI接口接收上位机电脑的左右眼3D图像源信号，通过控制视频转换芯片，将图像传输到高清显示屏4的MIPI接口，同时微处理器读取姿态传感器的姿态信息，反馈给上位机电脑图像源，实现人和场景的变换和动态交互，其中姿态传感器通过USB与上位机电脑连接。本实用新型的一个实施例中，微控制电路板上的微控制器采用STM32F103，由意法半导体(ST)公司生产；视频转换芯片采用TC358779XBG由东芝公司生产；姿态传感器采用MPU9250，由InvenSense公司生产。工作时，上位机电脑得到微控制器传来的图像畸变矫正参数(k₀ ^*,k₁ ^*)对图像进行畸变补偿，同时将眼镜静置2秒，完成对姿态传感器的矫正。

如图4所示，根据凸透镜成像原理，高清显示屏4位于菲涅尔透镜1的1倍焦距内，人眼A处即可观察到经过视觉放大、位于图4中所示的B位置处的虚像。为了避免双目视觉竞争，需要根据屏幕大小设计合适的放大率，放大率一般可取6到10倍，本实例中采用7倍放大率，其中瞳距C可调范围是59～70mm满足大多数人眼需求。

本实用新型的一个实施例中，高清显示屏4采用LG公司的JDI 5.9寸LCD屏幕，分辨率为1920*1080，采用的菲涅尔透镜的焦距为40mm、环距为0.3mm、口径为45mm。如图5所示，当菲涅尔透镜1与高清显示屏4之间的距离S1为35mm、人眼与菲涅尔透镜S2之间的距离为25mm时，实现了7倍的放大率，并实现了90度的水平和竖直视场角度。视场角随着S2改变，最大可达100°。因此，本实用新型的虚拟眼镜满足了图像清晰和大视场的要求，具有25mm的出瞳距，从而满足了眼镜佩戴者的观看需求。

上述完成光学正畸变的过程，图像负畸变矫正的求解的详细过程如下：

如图4和图5所示，由于具有广角显示效果，大视场的图像会带来正畸变，如图6所示。图6中，点表示理想成像位置，网格焦点表示实际成像位置。因此必须要对源图像进行负畸变补偿，以达到不失真的效果，因此需要通过以下数学模型进行畸变补偿参数计算，结合CODE V10.2光学仿真结果，通过针对具体实施例中菲涅尔透镜视场畸变的参数来指导像源图像进行畸变补偿矫正。具体方法是：将原始正常图像进行网格剖分，得到一系列参考点，极坐标是r，经过菲涅尔透镜后坐标r_len，经过电脑畸变后的图像为r_computer，透镜的畸变参数为(k₀,k₁)，其参数来自如图6中CODE V10.2光学软件仿真计算结果，图像的畸变补偿参数为(k₀ ^*,k₁ ^*)。

r_len＝r(k₀+k₁r²)   (1)

r_computer＝r(k_o ^*+k₁ ^*r²)   (2)

将(2)中r_computer代入(1)中的r，得到经过两次畸变的视觉图像位置r_view

则r_view＝r(k₀ ^*+k₁ ^*r²)(k₀+k₁r²(k₀ ^*+k₁ ^*r²)²)，令r_view＝r于是可以求解出图像畸变补偿参数(k₀ ^*,k₁ ^*)。其中k₀ ^*＝1/k₀，k₁ ^*＝-k₀ ^*3k₁/k₀(4)

本实施例中，根据CODE V10.2光学软件模拟菲涅尔透镜成像得到一系列r和r_len(如图7中的实线和〇线)，经过数据拟合得到(k₀,k₁)为(0.997,0.1254)，根据(4)式得到(k₀ ^*,k₁ ^*)为(1.003,0.1269)，于是得到r_computer。将r_computer经过本实施例中的菲涅尔透镜得到r_view≈r，人眼即可看到经过近似补偿矫正后的不失真的图像。

计算机处理的拟合矫正参数带入如图8所示，〇线表示透镜畸变位置图，即r_len；*线表示计算机图像反向畸变矫正图，即r_computer；+线是经过光学和图像两次矫正后实际成像位置图，即r_view；实线是理想成像位置图，即r；结果表明经过两次补偿矫正后，r_view和r在80％视场范围内近似相等，最大畸变偏差率为5％，满足图像基本不失真的要求。

Claims (1)

1.一种基于光学和图像畸变互补偿的虚拟眼镜，其特征在于该虚拟眼镜包括镜架外壳、菲涅尔透镜、高清显示屏、微控制电路板、密封眼罩和绑带，所述的菲涅尔透镜固定在镜框中，固定有菲涅尔透镜的镜框固定在屏幕固定框的前部，所述的高清显示屏固定在屏幕固定框的后部；所述的微控制电路板固定在密封眼罩上；屏幕固定框的前部插入所述的镜架外壳的后部，屏幕固定框的后部固定在密封眼罩中；所述的绑带的两端分别固定在屏幕固定框的前端两侧。