一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】。包括鏡架，左右眼菲涅爾透鏡，鏡框，高清顯示屏，屏幕固定框，微控制電路板和頭戴綁帶等等。高清顯示屏位于人眼正前方，其間以人眼為光軸，菲涅爾透鏡與距離屏幕是菲涅爾透鏡的1倍焦距內(nèi)，出瞳距20～30mm，出瞳直徑2～4mm，人眼看到在遠(yuǎn)端視場(chǎng)角為90度～100度的放大虛像，通過(guò)微控制器讀取姿態(tài)傳感器的位置信息實(shí)現(xiàn)人和視覺(jué)場(chǎng)景的交互。本虛擬眼鏡成本低廉，大出瞳距，滿足不同屈光度視力使用者；通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行逆向畸變補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)廣闊視野，清晰圖像的觀察，可以觀看5～7寸，分辨率1280×800以上的像源。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬出現(xiàn)實(shí)世界，通過(guò)顯示屏和目視系統(tǒng)投射到人眼視網(wǎng)膜，結(jié)合其他人體傳感的輸入設(shè)備模擬出一個(gè)從視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，觸覺(jué)等多方面都很逼真的虛擬世界。本質(zhì)就是呈現(xiàn)一個(gè)以使用者視角為主體，可以實(shí)時(shí)、無(wú)限制地觀察三維空間內(nèi)的物體，給使用者沉浸感體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵蓋了跟蹤傳感技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)、立體聲、觸覺(jué)反饋等多種技術(shù)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用在娛樂(lè)，軍事訓(xùn)練，醫(yī)療培訓(xùn)、產(chǎn)品三維虛擬展示等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]目前虛擬眼鏡采用的兩種光學(xué)廣角目視方案分別是單片傳統(tǒng)短焦球面透鏡和多片非球面透鏡組。第一種方案通過(guò)圖像畸變矯正補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ屓搜劭吹秸５膱D像。第二種方案利用非球面對(duì)像差的矯正來(lái)改善大視場(chǎng)圖像的畸變，不需要對(duì)圖像預(yù)先矯正，使人眼看到正常圖像，但是非球面光學(xué)的定制成本和透鏡組無(wú)形增加了人眼和屏幕的距離，使得頭盔偏大，重心外移，影響舒適度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是提出一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，運(yùn)用軟件對(duì)圖像進(jìn)行矯正，并使虛擬眼鏡整體重量更輕，成本低廉、適合更多視力屈光度使用者佩戴。
[0005]本實(shí)用新型提出的基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，包括鏡架外殼、菲涅爾透鏡、高清顯示屏、微控制電路板、密封眼罩和綁帶，所述的菲涅爾透鏡固定在鏡框中，固定有菲涅爾透鏡的鏡框固定在屏幕固定框的前部，所述的高清顯示屏固定在屏幕固定框的后部；所述的微控制電路板固定在密封眼罩上；屏幕固定框的前部插入所述的鏡架外殼的后部，屏幕固定框的后部固定在密封眼罩中；所述的綁帶的兩端分別固定在屏幕固定框的前端兩側(cè)。
[0006]本實(shí)用新型提出的基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，其優(yōu)點(diǎn)是:
[0007]本實(shí)用新型的虛擬眼鏡，具有較好的使用體驗(yàn)，由于采用菲涅爾透鏡，成本低廉，具有圖像清晰，廣角顯示，沉浸感體驗(yàn)的效果。由于具有20?30mm的出瞳距,2?5mmm的出瞳直徑，能滿足不同視力人眼的使用需求，是一種適合更多人群使用的虛擬眼鏡。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本實(shí)用新型提出的基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是圖1的零件分解圖。
[0010]圖3是圖1所示的虛擬眼鏡的控制電路圖。
[0011]圖4是圖1所示的虛擬眼鏡中菲涅爾透鏡的廣角顯示原理圖。
[0012]圖5是菲涅爾透鏡的單眼顯示原理圖。
[0013]圖6是菲涅爾透鏡的畸變仿真效果圖。
[0014]圖7是理想成像位置和經(jīng)過(guò)菲涅耳透鏡畸變成像后極坐標(biāo)位置隨著視場(chǎng)變化關(guān)系圖。
[0015]圖8是理想成像位置和經(jīng)過(guò)菲涅耳透鏡正畸變后圖像、圖像負(fù)畸變補(bǔ)償后圖像、經(jīng)過(guò)光學(xué)和圖像兩次畸變后實(shí)際成像的極坐標(biāo)位置隨著視場(chǎng)變化關(guān)系圖。
[0016]圖1-圖2中，一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡I是菲涅爾透鏡，2是鏡框，3是鏡架外殼，4是高清顯示屏，5是屏幕固定框，6是密封眼罩，7是微控制電路板，8是綁帶，9是調(diào)節(jié)滑輪。

【具體實(shí)施方式】
[0017]本實(shí)用新型提出的基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括鏡架外殼3、菲涅爾透鏡1、高清顯示屏4、微控制電路板7、密封眼罩6和綁帶8。菲涅爾透鏡I固定在鏡框2中，固定有菲涅爾透鏡I的鏡框2固定在屏幕固定框5的前部，高清顯示屏4固定在屏幕固定框5的后部。微控制電路板7固定在密封眼罩6上；屏幕固定框5的前部插入鏡架外殼3的后部,屏幕固定框5的后部固定在密封眼罩6中。綁帶8的兩端分別固定在屏幕固定框5的前端兩側(cè)。
[0018]以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本實(shí)用新型的虛擬眼鏡的工作原理:
[0019]本實(shí)用新型的虛擬眼鏡中，高清顯示屏4作為圖像顯示載體，安裝在屏幕固定框5中，光學(xué)顯示系統(tǒng)包括左、右兩片菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡位于虛擬眼鏡佩戴者的人眼和高清顯示屏4之間，保持高清顯示屏4與菲涅爾透鏡的距離不變，使菲涅爾透鏡的中心位于高清顯示屏的高度的一半處，并與人眼的光軸相重合，菲涅爾透鏡通過(guò)設(shè)置在鏡框2上的調(diào)節(jié)滑輪9調(diào)節(jié)瞳距，光學(xué)顯示系統(tǒng)的出瞳位于菲涅爾透鏡的光軸上，并與人眼重合，使人眼觀察到圖像。
[0020]圖像生成過(guò)程由虛擬眼鏡中的微控制電路板實(shí)現(xiàn)，微控制電路板的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，包括微控制器、姿態(tài)傳感器和視頻轉(zhuǎn)換芯片，其中的微控制器通過(guò)HDMI接口接收上位機(jī)電腦的左右眼3D圖像源信號(hào)，通過(guò)控制視頻轉(zhuǎn)換芯片，將圖像傳輸?shù)礁咔屣@示屏4的MIPI接口，同時(shí)微處理器讀取姿態(tài)傳感器的姿態(tài)信息，反饋給上位機(jī)電腦圖像源，實(shí)現(xiàn)人和場(chǎng)景的變換和動(dòng)態(tài)交互，其中姿態(tài)傳感器通過(guò)USB與上位機(jī)電腦連接。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，微控制電路板上的微控制器采用STM32F103，由意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)；視頻轉(zhuǎn)換芯片采用TC358779XBG由東芝公司生產(chǎn)；姿態(tài)傳感器采用MPU9250，由InvenSense公司生產(chǎn)。工作時(shí)，上位機(jī)電腦得到微控制器傳來(lái)的圖像畸變矯正參數(shù)(k二 kD對(duì)圖像進(jìn)行畸變補(bǔ)償，同時(shí)將眼鏡靜置2秒，完成對(duì)姿態(tài)傳感器的矯正。
[0021]如圖4所示，根據(jù)凸透鏡成像原理，高清顯示屏4位于菲涅爾透鏡I的I倍焦距內(nèi)，人眼A處即可觀察到經(jīng)過(guò)視覺(jué)放大、位于圖4中所示的B位置處的虛像。為了避免雙目視覺(jué)競(jìng)爭(zhēng)，需要根據(jù)屏幕大小設(shè)計(jì)合適的放大率，放大率一般可取6到10倍，本實(shí)例中采用7倍放大率，其中瞳距C可調(diào)范圍是59?70mm滿足大多數(shù)人眼需求。
[0022]本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，高清顯示屏4采用LG公司的JDI 5.9寸IXD屏幕，分辨率為1920*1080，采用的菲涅爾透鏡的焦距為40mm、環(huán)距為0.3mm、口徑為45mm。如圖5所示，當(dāng)菲涅爾透鏡I與高清顯示屏4之間的距離SI為35mm、人眼與菲涅爾透鏡S2之間的距離為25mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 7倍的放大率，并實(shí)現(xiàn)了 90度的水平和豎直視場(chǎng)角度。視場(chǎng)角隨著S2改變，最大可達(dá)100°。因此，本實(shí)用新型的虛擬眼鏡滿足了圖像清晰和大視場(chǎng)的要求，具有25mm的出瞳距，從而滿足了眼鏡佩戴者的觀看需求。
[0023]上述完成光學(xué)正畸變的過(guò)程，圖像負(fù)畸變矯正的求解的詳細(xì)過(guò)程如下:
[0024]如圖4和圖5所示，由于具有廣角顯示效果，大視場(chǎng)的圖像會(huì)帶來(lái)正畸變，如圖6所示。圖6中，點(diǎn)表示理想成像位置，網(wǎng)格焦點(diǎn)表示實(shí)際成像位置。因此必須要對(duì)源圖像進(jìn)行負(fù)畸變補(bǔ)償，以達(dá)到不失真的效果，因此需要通過(guò)以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行畸變補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算，結(jié)合CODE V10.2光學(xué)仿真結(jié)果，通過(guò)針對(duì)具體實(shí)施例中菲涅爾透鏡視場(chǎng)畸變的參數(shù)來(lái)指導(dǎo)像源圖像進(jìn)行畸變補(bǔ)償矯正。具體方法是:將原始正常圖像進(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到一系列參考點(diǎn)，極坐標(biāo)是r，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡后坐標(biāo)rlm，經(jīng)過(guò)電腦畸變后的圖像為r_putOT，透鏡的畸變參數(shù)為0?, h)，其參數(shù)來(lái)自如圖6中CODE V10.2光學(xué)軟件仿真計(jì)算結(jié)果，圖像的畸變補(bǔ)償參數(shù)為(1C，O。
[0025]rlen = r (ko+kf2) (I)
[0026]^computer = r (k0*+k!*r2) (2)
[0027]將⑵中r_puto代入⑴中的r，得到經(jīng)過(guò)兩次畸變的視覺(jué)圖像位置rv1T
[0028]則rview = r (kj+k廣r2) (k0+kir2 (^+k^r2)2)，令 rview = r 于是可以求解出圖像畸變補(bǔ)償參數(shù)(k0*, k,) ο 其中 k0* = l/k0, k: = ~k0*/k0 (4)
[0029]本實(shí)施例中，根據(jù)CODE V10.2光學(xué)軟件模擬菲涅爾透鏡成像得到一系列r和rlen(如圖7中的實(shí)線和〇線)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到(k0,10為(0.997，0.1254)，根據(jù)(4)式得到GC O為(1.003, 0.1269)，于是得到r_putOT。將r_pute經(jīng)過(guò)本實(shí)施例中的菲涅爾透鏡得到rv1T ^ r，人眼即可看到經(jīng)過(guò)近似補(bǔ)償矯正后的不失真的圖像。
[0030]計(jì)算機(jī)處理的擬合矯正參數(shù)帶入如圖8所示，〇線表示透鏡畸變位置圖，即rlm線表示計(jì)算機(jī)圖像反向畸變矯正圖，即r_putCT ; +線是經(jīng)過(guò)光學(xué)和圖像兩次矯正后實(shí)際成像位置圖，即rview ;實(shí)線是理想成像位置圖，即r ;結(jié)果表明經(jīng)過(guò)兩次補(bǔ)償矯正后，rview和r在80%視場(chǎng)范圍內(nèi)近似相等，最大畸變偏差率為5%，滿足圖像基本不失真的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)和圖像畸變互補(bǔ)償?shù)奶摂M眼鏡，其特征在于該虛擬眼鏡包括鏡架外殼、菲涅爾透鏡、高清顯示屏、微控制電路板、密封眼罩和綁帶，所述的菲涅爾透鏡固定在鏡框中，固定有菲涅爾透鏡的鏡框固定在屏幕固定框的前部，所述的高清顯示屏固定在屏幕固定框的后部；所述的微控制電路板固定在密封眼罩上；屏幕固定框的前部插入所述的鏡架外殼的后部，屏幕固定框的后部固定在密封眼罩中；所述的綁帶的兩端分別固定在屏幕固定框的前端兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK204101815SQ201420564588
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】嚴(yán)斌, 姚又友, 郭崟, 任勇 申請(qǐng)人:光場(chǎng)視界（北京）科技有限公司