基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及三維顯示技術領域，特別是一種基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示裝置和方法。
【背景技術】
[0002]我們生活在三維的世界，然而傳統(tǒng)的顯示技術僅僅提供缺少深度信息的二維顯示。二維顯示大大限制了人們對豐富多彩世界獲取認知的信息量。電子技術、光學技術和光電子技術等的快速發(fā)展促進了三維顯示技術發(fā)展。三維顯示技術提供顯示物體的深度信息，契合現(xiàn)代人對于信息獲取的需求。所以三維技術在學術界和商業(yè)界得到廣泛的關注。
[0003]現(xiàn)有的三維顯示技術主要包括視差型三維顯示、體三維顯示、全息三維顯示、集成成像三維顯示、光場三維顯示等。大多數(shù)的三維顯示技術都存在聚焦輻輳的問題，易造成觀看者的疲勞甚至是頭暈的效果。
[0004]光場近眼顯示(頭盔顯示)技術是實現(xiàn)三維顯示的一種最簡便的方法。在近眼顯示中引入了光場重構的概念，對于任一三維重構點至少有2根光線進入瞳孔，從而人眼可以方便地對不同深度的圖像進行自由調(diào)焦，消除聚焦輻輳沖突，使得觀看更加接近真實和自然。Hironobu Gotoda和MIT的Gordon Wetzstein等人依據(jù)計算機層析技術，基于多層液晶，將四維光場經(jīng)過非負矩陣分解，得出多層衰減圖案，實現(xiàn)基于多層液晶的三維顯示，可以在較小的視角內(nèi)實現(xiàn)高分辨的光場顯示。
[0005]然而上述方法存在兩點缺陷:1、該算法都是針對明視距離以外的三維顯示，其算法僅在10°左右視場角內(nèi)效果較好，而采用多層空間光調(diào)制的光場近眼顯示在光學上視場角可達60°以上；2、近眼顯示中人眼在觀察大視場的圖像時，其眼球是在大范圍地掃描，其觀察角度和視場位置等都有關，因此該算法并不適合近眼顯示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服近眼顯示視場角較小、分辨率較低的問題，為提高近眼光場顯示圖像質量和分辨率，提出一種基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示裝置和方法；本發(fā)明的具體技術方案如下:
[0007]一種基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示裝置，該近眼顯示裝置沿著人眼正前方依次放置分束鏡、微透鏡陣列、空間光調(diào)制器陣列和背光照明設備。
[0008]所述的分束鏡通過眼瞳探測裝置獲取眼瞳位置信息。
[0009]所述的微透鏡陣列通過其對光線的偏折能力，縮小近眼顯示中光場到達眼瞳的光斑大小，降低由于液晶像素尺寸太小導致的衍射問題。
[0010]所述的空間光調(diào)制器陣列由多層等間隔排布的液晶層構成。盡量保證液晶層之間的平行度，并且液晶層數(shù)至少為2層。
[0011]光線的角度由空間光調(diào)制器的像素間隔以及多層空間光調(diào)制器之間的距離決定，但光線的強度和顏色則由該光線對應多層液晶像素的透過率的乘積決定。
[0012]由于液晶層是對偏振光的偏振方向進行調(diào)制的，為了使得最終光線的強度和顏色等價于光線經(jīng)多層液晶之后的強度乘積，需要在液晶層與層之間放置偏振片。
[0013]背光照明設備常用側入式背光源。冷陰極燈管作為發(fā)光零件，藉由導光板，將光線分布到各處。反射膜則將光線限制住都只往液晶的方向前進，最后藉由棱鏡膜和散射膜，將光線均勻的分布到各個區(qū)域去，提供給液晶層一個均勻亮度的背光。
[0014]利用PC作為控制終端，通過控制驅動板進而控制每層液晶上像素的透過率，最終實現(xiàn)基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示。
[0015]在上述的自適應高分辨近眼光場顯示裝置基礎之上，本發(fā)明提供了一種基于人眼跟蹤的高分辨近眼光場顯示方法，包括以下步驟:
[0016]I)依據(jù)近眼光場顯示結構，利用非負矩陣分解算法將重構目標光場問題等價于求取多層液晶空間光調(diào)制器的二維圖像的張量積，人眼通過所述的自適應高分辨近眼光場顯示裝置觀察到重構的四維光場；
[0017]2)基于人眼的清晰成像位置僅限于眼軸附近5°這一視覺特性，設置權重矩陣降低邊緣視場的冗余信息，提高三維顯示視覺分辨率；
[0018]3)通過對人眼眼瞳位置的探測和反饋，根據(jù)人眼的視覺分布函數(shù)對光線場的密度進行重新分布，將統(tǒng)一計算不同視點的光場全局優(yōu)化算法進一步簡化為計算單一視點位置的光場局部優(yōu)化算法，提高運算速度。
[0019]具體地，所述步驟2)包括:
[0020]a)將眼瞳位置離散化，相互之間變化間隔一段距離，使得從三維重構點至少有2根光線同時進入人眼，消除三維顯示中的聚焦輻輳沖突；
[0021]b)依據(jù)人眼只有5°左右的細節(jié)分辨視覺特性，對每個視點位置設立一個權重矩陣，獲取經(jīng)過權重優(yōu)化后的目標光場；
[0022]c)使用非負矩陣分解算法，統(tǒng)一計算不同視點的目標光場，將其分解成一系列二維圖案的張量積。
[0023]具體地，所述步驟3)包括:
[0024]a)利用眼瞳探測裝置實時探測和反饋人眼瞳孔位置，獲取該視點確定位置；
[0025]b)眼瞳正對的5度區(qū)域采用顯示屏最高的分辨率產(chǎn)生光場，外圍的區(qū)域光場密度逐漸降低；
[0026]c)僅對該單一瞳孔位置的光場進行局部優(yōu)化，由于計算量的大幅降低，提高了該優(yōu)化算法的速度和實時性。
[0027]與先前技術相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點如下:
[0028]I)根據(jù)人眼的視覺特性，設置權重矩陣，對不同眼瞳位置的光場綜合優(yōu)化，增加了近眼光場顯示信息量，提高了光場近眼顯示分辨率。
[0029]2)基于人眼探測裝置，實時獲取人眼瞳孔位置，僅對該單一位置進行光場局部優(yōu)化，大大降低運算量，實現(xiàn)人眼跟蹤的自適應高清晰實時顯示。
【附圖說明】
[0030]圖1是基于人眼跟蹤的自適應高分辨近眼光場顯示裝置示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明根據(jù)視覺特性的光場密度重新采樣分布示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明人眼跟蹤裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。