全视角图像显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的全视角图像显示装置，图像显示设备包括设置在图像显示设备一侧的瞳距调节机构，还包括另一侧的凹面镜、凸透镜以及透明连接件，凹面镜紧邻显示设备设置，透明连接件将凸透镜固定在凹面镜上；图像处理软件将图像处理分为分割与变换两个步骤：将原始图像分割为中心区域和外缘区域；中心区域的图像经过凸透镜折射后进入瞳孔，对应视野舒适视域；将外缘部分的图像经由计算机进行极坐标反转后，再通过凹面镜进入瞳孔。本发明专利技术的以凹面反射镜和凸透镜组合产生全视野图像，扩大了可视范围，可实现230度在内的极大视角，大大提高了虚拟现实的临场感，设计完成后，结构简单、装配及制造难度低，便于大批量生产，降低成本。

【技术实现步骤摘要】
全视角图像显示装置
本专利技术涉及一种图像显示装置，尤其涉及一种观看全视角图像的显示装置。
技术介绍
近年来，随着CG技术(ComputerGraphic，计算机图形图像技术)和计算机性能的不断提高，针对虚拟现实的显示装置日益受到人们的广泛关注。其中，HMD(Head-MountedDisplay，头戴式显示系统)相对于CAVE(Computer-AidVirtual-realityEnvironment，计算机辅助虚拟现实环境)及Full-DomeProjection(球幕投影)等大型设备而言，造价低廉且实施方便，更适合小型单位和个人使用。加之虚拟漫游、电脑游戏等交互媒体的日趋发展，具备姿势感应，3D立体显示功能的头戴式显示系统发展前景十分广阔。由于结构限制，现有头戴式显示系统无法复原人类视域范围的全部图像，视角较为狭窄。如日本索尼公司的HMZ-T1显示器，水平可视角度仅为30度左右；美国SiliconMicroDisplay公司的ST1080显示器，水平可视角度约为45度；而美国Oculus公司的OculusRift显示器，水平可视角度约为90度。据测算，人类双眼的水平视角叠加后约为230度，要达到全视角的虚拟沉浸体验，必须将头戴式显示器的可视角度增加到180度以上，形成虚拟的半球影像。而现有类似设备大多采用单一凸透镜或透镜组作为目镜，如图1所示，将LED、LCD等显示设备产生的原始图像放大到更大尺寸，并矫正到明视距离，该结构受限于目镜的直径，无法显示180度全视角的图像。因此，现有技术存在缺陷，有待于进一步改进和发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种图像显示装置，基于凸透镜与凹面镜的配合，通过光学变换和相应算法，将全景相机或计算机产生的全景图分割为两个部分，并分别针对其图像特征进行变换，最终复原为全视角的自然图像。本专利技术的技术方案如下：全视角图像显示装置，包括图像显示装置，以及与所述图像显示装置连接的计算机，其中：所述图像显示装置包括图像显示设备，设置在所述图像显示设备一侧的瞳距调节机构；还包括设置在所述图像显示设备另一侧的凹面镜、凸透镜以及透明连接件，所述凹面镜紧邻所述显示设备设置，所述透明连接件将所述凸透镜固定在所述凹面镜上；所述计算机包括图像处理软件以及原始图像数据；所述计算机连接所述图像显示设备；所述原始图像数据经图像处理软件分割变换后，发送给所述图像显示设备；左右眼可观察图像显示设备显示的具有视差的2张全景图，在全视角范围内产生立体感；所述凸透镜对应的视域为舒适视域，所述凹面镜对应的视域为诱导视域；所述图像处理软件保证外缘区域的图像和凹面镜的曲率严格匹配；所述凹面镜和凸透镜的曲率针对原始图像的特征指定进行定制，以矫正全景图在所述凹面镜和凸透镜上的畸变；所述图像处理软件将图像处理分为分割与变换两个步骤：第一步，将原始图像分割为中心区域和外缘区域；中心区域的图像经过凸透镜折射后进入瞳孔，对应视野舒适视域；第二步，将外缘部分的图像经由计算机进行极坐标反转后，再通过凹面镜进入瞳孔，对应视野诱导视域。与现有技术相比，本专利技术提供了全视角图像显示装置，在现有头戴式显示系统的基础上，增加了一组自由曲面反射镜，即凹面镜，将中央目镜的盲区图像加以利用，利用凸透镜的盲区，以凹面反射镜和凸透镜组合产生全视野图像，扩大了可视范围，可实现230度在内的极大视角，大大提高了虚拟现实的临场感。本专利技术通过光学变换和相应算法，将全景相机或计算机产生的全景图分割为两个部分，并分别针对其图像特征进行变换，最终复原为全视角的自然图像。本专利技术提供的全视角图像显示装置设计完成后，结构简单、装配及制造难度低，便于大批量生产，降低成本。附图说明图1为现有技术头戴式显示系统的显示装置结构示意图；图2为本专利技术图像显示装置的分解结构示意图；图3为本专利技术图像显示装置的组装结构示意图；图4为本专利技术左右眼可观察图像显示设备产生的舒适视域和诱导视域示意图；图5本专利技术计算机和图像显示装置的功能结构示意图；图6为本专利技术图像处理软件将原始图像分割为中心区域和外缘区域的示意图；图7为本专利技术凹面镜反转外缘区域的示意图；图8为本专利技术凹面镜一般曲率计算方法的原理示意图；图9为本专利技术凹面镜一般曲率计算方法中，Ki的计算原理示意图；图10为本专利技术球面反射镜全景图计算原理示意图；图11为本专利技术抛物面反射镜全景图计算原理示意图；图12为本专利技术凸透镜的一般曲率计算示意图；图13为本专利技术凸透镜的一般曲率计算过程中，Li计算原理图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的较佳实施例作进一步详细说明。本专利技术的全视角图像显示装置，其第一个优选实施例，包括图像显示装置，以及与所述图像显示装置连接的计算机8；所述图像显示装置主要包括图像显示设备1，设置在所述图像显示设备1一侧的瞳距调节机构5；还包括设置在所述图像显示设备1另一侧的凹面镜2，凸透镜3以及透明连接件4，如图2和图3所示，所述凹面镜2紧邻所述显示设备1设置，所述透明连接件4将所述凸透镜3固定在所述凹面镜2上。本专利技术图像显示装置适用于三维图像的显示，如图4所示，左右眼可观察图像显示设备1显示的具有视差的2张全景图，在全视角范围内产生立体感。凸透镜3对应的视域为舒适视域；凹面镜2对应的视域为诱导视域。所述图像显示装置的图像显示设备1为显示器时，所述图像显示装置通过图像显示设备1接计算机8，如图5所示。所述计算机包括图像处理软件以及原始图像数据，所述原始图像指由相机或软件生成的单个全景图像、全景视频或虚拟现实场景。所述计算机8包括图像渲染单元，图像处理软件及其连接的所述图像显示设备1。所述图像渲染单元一般为游戏引擎或虚拟现实软件，所述图像渲染单元经由图像变换处理后，将视频信号传输给所述图像显示设备1。原始图像可包括静帧画面、视频影像或交互图像，如照片、视频、游戏等。所述图像渲染单元的原始图像一般通过全景相机、全景摄像机，或由游戏引擎、虚拟现实软件渲染生成后经过图像处理软件发送给所述图像显示设备1。所述计算机8还包括与所述图像渲染单元连接的图像处理软件，所述图像处理软件连接所述图像显示设备1。所述图像处理软件将图像处理分为分割与变换两个步骤：第一步，将原始图像分割为中心区域6和外缘区域7两个部分，如图6所示；中心区域6的图像将通过凸透镜3折射后进入瞳孔，对应视野舒适视域。第二步，由于凹面镜2反转了外缘区域7的图像，因此外缘区域7部分图像需经由计算机进行如图7所示的极坐标反转。本专利技术计算机的图像处理软件可保证凹面镜2的曲率和外缘区域7的图像严格匹配。这样，最终进入视网膜的图像将被拼接为无反转、畸变小、视差小的全视角场景。所述凹面镜2为表面光滑的反射镜，其形状近似于抛物面，材料为合金或者表面镀金属的高分子材料。根据原始图像的特征，凹面镜2的反射曲面必须针对该特征所定制，其曲率根据图像特征而有所区别。例如球面反射镜、双曲面反射镜、抛物面反射镜所生成的全景图像畸变系数不同，对应的凹面镜2的曲率也相应变化，如果图像由计算机生成，也可根据其特征定制曲率。本专利技术提出了计算该凹面镜2曲率的通用方法。根据原始图像获取的特征，凸透镜3是针对该特征所定制的玻璃或高分子材料透镜，其曲率根据原始图像的特征而有所区别。本专利技术同时提出了计算凸透镜3曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
全视角图像显示装置，包括图像显示装置，以及与所述图像显示装置连接的计算机，其特征在于： 所述图像显示装置包括图像显示设备，设置在所述图像显示设备一侧的瞳距调节机构；还包括设置在所述图像显示设备另一侧的凹面镜、凸透镜以及透明连接件，所述凹面镜紧邻所述显示设备设置，所述透明连接件将所述凸透镜固定在所述凹面镜上； 所述计算机包括图像处理软件以及原始图像数据；所述计算机连接所述图像显示设备；所述原始图像数据经图像处理软件分割变换后，发送给所述图像显示设备； 左右眼可观察图像显示设备显示的具有视差的2张全景图，在全视角范围内产生立体感；所述凸透镜对应的视域为舒适视域，所述凹面镜对应的视域为诱导视域； 所述图像处理软件保证外缘区域的图像和凹面镜的曲率严格匹配； 所述凹面镜和凸透镜的曲率针对原始图像的特征指定进行定制，以矫正全景图在所述凹面镜和凸透镜上的畸变； 所述图像处理软件将图像处理分为分割与变换两个步骤：第一步，将原始图像分割为中心区域和外缘区域；中心区域的图像经过凸透镜折射后进入瞳孔，对应视野舒适视域；第二步，将外缘部分的图像经由计算机进行极坐标反转后，再通过凹面镜进入瞳孔，对应视野诱导视域。...

【技术特征摘要】
1.全视角图像显示装置，包括图像显示装置，以及与所述图像显示装置连接的计算机，其特征在于：所述图像显示装置包括图像显示设备，设置在所述图像显示设备一侧的瞳距调节机构；还包括设置在所述图像显示设备另一侧的凹面镜、凸透镜以及透明连接件，所述凹面镜紧邻所述显示设备设置，所述透明连接件将所述凸透镜固定在所述凹面镜上；所述计算机包括图像处理软件以及原始图像数据；所述计算机连接所述图像显示设备；所述原始图像数据经图像处理软件分割变换后，发送给所述图像显示设备；左右眼可观察图像显示设备显示的具有视差的2张全景图，在全视角范围内产生立体感；所述凸透镜对应的视域为舒适视域，所述凹面镜对应的视域为诱导视域；所述图像处理软件保证外缘区域的图像和凹面镜的曲率严格匹配；所述凹面镜和凸透镜的曲率针对原始图像的特征指定进行定制，以矫正全景图在所述凹面镜和凸透镜上的畸变；所述图像处理软件将图像处理分为分割与变换两个步骤：第一步，将原始图像分割为中心区域和外缘区域；中心区域的图像经过凸透镜折射后进入瞳孔，对应视野舒适视域；第二步，将外缘部分的图像经由计算机进行极坐标反转后，再通过凹面镜进入瞳孔，对应视野诱导视域；凸曲面反射镜全景图在凹面镜畸变矫正时，所述凹面镜的曲率通用计算方法如下：以右眼为例，设瞳孔为坐标原点O，左右眼连线为x轴，视野正前方为y轴；将所述凹面镜的剖面曲线分为n份，并将各分割点记为K0，K1，K2，K3……Kn-1，Kn，使得各曲线段K0K1，K1K2，K2K3……Kn-1Kn对应坐标原点O的张角相等；K0为诱导视域的最外侧点，Kn为诱导视域和舒适视域的分界点；假设图像显示设备的图像剖面平行于x轴，离瞳孔距离为OO'，则中心区域与外缘区域的分界点为K0的反射点，记为K'0；外缘图像最右侧点为Kn的反射点，记为K'n；类似地，将K1，K2，K3……Kn各点所反射的图像点记为K'1，K'2，K'3……K'n；将K0，K1，K2，K3……Kn-1，Kn各点切线的角度记为a0，a1，a2，a3……an-1，an；K0O与y轴的夹角对应人眼右方最大视角，记为β；K0点与瞳孔的距离为人机尺寸m；KnO与y轴的夹角需大于人眼的舒适视角并取适度值，记为ε；图像显示设备的原始图像半径为r；假设原始全景图由凸曲面反射镜在环境中的正交投影获得，则原始全景图中的任意一点均来自空间中某条光射线OKi的投影，将这条射线与凸曲面镜中心轴，即y轴的夹角记为γi，以原始全景图的中心点为极坐标原点，凹面镜上任意点Ki在原始全景图上所对应的点为(ρi,θi)，设γi与ρi的函数关系为f：ρi＝f(γi)(1)将Ki的坐标记为(xi,yi)，过Ki切线的角度记为ai，Ki反射的图像点记为K'i，K'i的坐标记为(x'i,y'i)，OKi与y轴的夹角记为γi；当n足够大时，Ki可被看做位于直线OKi与Ki-1切线的交点，由反射定律、余弦定理、三角形K'iOKi的性质求解方程，可得所述凹面镜各点相关数据xi、yi、x'i、ai的通用公式为当i＝0时，有：x0＝m·sinβy0＝m·cosβx'0＝f(ε)y'0＝r·cotε当全景图生成函数f确定时，将所得x0、y0、x'0代入公式(2)，可求出a0：再将x0，y0，x'0及a0依次代入公式(4)、(5)、(3)、(2)，可求出i＝1时x1、y1、x'1、a1的数据；继而求出i＝2……直至i＝n时的数据；当获得i＝n时的数据时，根据Kn点的值，以Kn点为起点进行二次矫正计算，依次求出Kn-1、Kn-2…直至K0点的数据；任意凸曲面反射镜全景图在凸透镜畸变矫正时，上凸下平型凸透镜的曲率通用计算方法如下：设凸透镜折射率为nr，半径为r2，将凸透镜的凸面剖线分为n份，将各分割点记为L0，L1……Ln-1，Ln，使得各曲线段L0L1，L1L2……Ln-1Ln对应坐标原点O的张角相等；由于...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄石，
申请(专利权)人：黄石，
类型：发明
国别省市：北京;11