非对称高清晰VR头盔显示器制造技术

本发明专利技术公开了一种非对称VR头盔显示器，由单屏显示器(1)、非对称光学系统(2)和VR播放功能模块构成，可提供高清晰、无像素晶格的VR显示。作为显示终端可用于2D/3D影视、360°全景、VR游戏等，与对称式VR头盔显示相比，具有更宽广的视野，更高的清晰度，还可通过高分辨率图像来体现单目立体视觉的优势，可以降低VR图像对网络传输带宽的需求，以较小的代价提高帧刷新率，降低VR头显的眩晕感。

【技术实现步骤摘要】
非对称高清晰VR头盔显示器
：本专利技术涉及一种高清晰VR头盔显示器，更具体地讲，涉及一种非对称的高清晰虚拟现实VR头盔显示器，所述显示器作为显示终端可用于2D/3D影视、360°全景、VR游戏等。
技术介绍
：VR-VirtualReality，虚拟现实，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。VR头盔显示器作为虚拟现实的显示终端，其原理是将小型二维显示器所产生的影像藉由光学系统放大，小型显示器所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果，利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全景视觉。VR头盔显示器简称VR头显，主要分三类：VR眼镜、VR头盔和VR一体机。VR眼镜，是由眼镜盒子配合手机的头戴式设备(MobileVR)，代表性的设备有GoogleCardboard、GearVR和暴风魔镜，虽然体验没有VR头盔好，但由于其成本低廉、便携式和方便操作，随着智能手机性能的快速提升，在目前技术条件下正在成为VR头盔显示的主流。VR头盔，必须接上电脑的沉浸头戴式设备(HMD)，其代表就是OculusRift，Sony的PlayStationVR，和HTC/Valve的VIVE)，VR头盔现阶段主打的是游戏市场。VR一体机，其设计兼顾了轻便与性能，让用户摆脱了外部设备的束缚，内置的处理器、内存、显示屏能满足多数游戏和视频对硬件的需求，成本较高。除了显示终端，VR拍摄已经开发出双目摄像头、环视设备、360°全景摄像头及拼接算法。内容端可提供的包括3D电影，360°全景视频、漫游、图片，VR游戏，以及大量的2D影片等。众所周知，决定虚拟现实效果的首要因素就是设备的显示性能。理论上，只有当VR头显的分辨率达到4K(3840*2160)，视场角达到90°以上，视频帧率达到120FPS，才会有足够的清晰度、沉浸感，才可以杜绝虚拟现实产品普遍存在的眩晕感。除了视场角以外，其它重要指标VR头显还达不到，目前高端的VR一体机采用2K(2560*1440)超清屏，分辨率达到534PPI，帧率达到60FPS，视场角达到110°超广角视野，能够逼真模拟人眼视野，给用户带来全景沉浸体验。即便如此，像素晶格或网格仍然明显，眩晕感仍然存在，无论如何，我们需要至少将视频帧数维持到90FPS。至于1080P以下显示屏构成的头显设备，其像素点更大，清晰度更低。即使一些采用1080P全高清双屏显示的VR头盔和VR一体机，在达到90°以上的视野时，像素晶格也明显可见。在VR显示中，获得宽广的视野需要更大的光学放大率，导致像素晶格清晰可见，通常的思路是采用更高清的4K乃至8K屏来消除像素晶格，但超高清屏在提高显示帧频和满足图像传输带宽，以及硬件成本方面又带来了新的压力。本专利技术将非对称显示与光学放大技术结合在一起，在保持显示帧频和传输带宽不变的条件下，大幅提高显示图像的清晰度，消除像素晶格，获得更好VR立体显示。
技术实现思路
：本专利技术公开了一种非对称VR头盔显示器的结构和原理，目的在于提供一种可以高清晰、无明显像素晶格的VR显示终端，不仅可以播放高清晰的3D视频和图像，还可以通过单目立体的方式播放2D电影和2D全景视频。在说明非对称VR头盔显示器的结构之前，先简单阐述立体视觉的机理和依据。人的立体视觉可分为双目立体视觉和单目立体视觉。由于人的两只眼睛存在间距，平均值为6.5cm，对于同一景物，左右眼的相对位置是不同的，这就产生了双目视差，即左右眼看到的是有差异的图像，在大脑中融合，形成双目立体视觉，双目视差不是立体视觉形成的全部依据，但在各种因素中是最强的；运动视差是由观察者和景物发生相对运动所产生的，这种运动使景物的尺寸和位置在视网膜的投射发生变化，使产生深度感，可以形成单目立体视觉，运动视差产生的立体感觉弱于双目视差；人眼是通过晶状体精细调节来聚焦的，焦距的变化使我们可以看清楚远近不同的景物，聚焦在双目立体视觉和单目立体视觉形成中均起作用，聚焦引起的立体感觉弱于双目视差和运动视差。线性透视、光影分布、空气散射、颜色、背景密度、构图等客观因素，以及人的生活经验即客观物体的立体视觉信息在人脑中的记忆，也会帮助人们建立和强化立体视觉。另外，在VR显示中采用增大视场，隔绝图像边界及外界视野的办法，减少强调图像平面性的环境因素，也可以增强立体视觉效果。总之，立体视觉是多种因素综合作用的结果。在本专利技术提供的VR显示中，我们总结了如下可供利用的现象和规律：a.单眼看2D图象，特别是看2D影视、2D全景视频时，由于运动视差的存在，具有非常好的立体感和沉浸感；b.双眼看2D图像，由于不存在双目视差，强化了显示器本身的平面性，削弱了图象的立体感，特别是近景和特写，被强行推到了远处，出现“巨人现象”，失去了触手可及的感觉；c.双眼看3D图像，具有双目视差，立体感非常强烈，并且当左、右视差图像的清晰度不相同时，也可以实现立体视觉，3D图像的清晰度取决于分辨率高的那一幅视差图像。非对称VR头盔显示器由单屏显示器(1)、非对称光学系统(2)和VR播放功能模块构成。所谓单屏是相对于采用两个独立显示单元的VR头盔设备(HMD)而言的，最典型的单屏显示器(1)就是智能手机，VR播放功能模块可作为VR播放APP安装在智能手机上，或者包含在其它APP之中。虚拟现实影像清晰度低的原因，在于VR头显大多采用了单屏对称分隔显示，如图1所示。为了达到较大的视场角，需要高倍数的光学放大，我们看到圆形的单眼视场只占显示屏面积的1/4～1/3，圆形内的矩形区域显示2D/3D影视，只占显示屏面积的1/6～1/4，像素数少，因此像素晶格十分明显。目前采用单屏对称分隔显示的VR头显包括全部的VR眼镜，大部分VR一体机，及少量VR头盔；其余的VR一体机，及多数VR头盔采用独立的双屏显示，本专利技术主要涉及采用单屏显示的VR头显。非对称VR头显的单屏显示器(1)如图2所示，显示区被左右分隔成宽度比例为L∶R的两个区域显示左目图像(20)和右目图像(19)，左视野遮罩(26)和右视野遮罩(25)将VR可视视场限制成椭圆区域，为了增加沉浸感，全景图像的边界被限制在视场之外，中间矩形为2D/3D影视左显示区(24)和右显示区(23)。屏幕分隔比例L∶R取1∶2，可兼顾提升清晰度与保持观看舒适度，左屏的像素数为右屏的一半，在2K手机屏上，像素数仍然达到850*1440，保持了不错的清晰度，不会为左眼观看带来额外的负担。双目显示的清晰度主要取决于高分辨率的图像，在右眼视场中，大椭圆超过显示屏面积的1/2，相比图1所示的对称分隔圆形视场区域，可见像素增加了60％，也就是说图像清晰度提高了60％。另外，人单眼的水平视觉120°，垂直视觉60°，非对称分隔的椭圆形视场更接近人眼，因此比对称分隔的圆形视场临场感更好。L∶R在1∶3～2∶3之间都是可行的，分隔面积相差越大，右目图清晰度越高，但会带来光学放大系统的设计困难，同时，过低的左目图像分辨率也会带来观看的不适；分隔面积相差太小，右目图像清晰度提升不明显，光学放大系统又不如对称式简洁。VR播放功能模块作为显示APP必不可少的部分，至少包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非对称VR头盔显示器，其特征在于，由单屏显示器(1)、非对称光学系统(2)和VR播放功能模块构成，单屏显示器(1)的显示区被左右分隔成宽度比例为L∶R的两个区域，分别显示左目图像(20)和右目图像(19)，非对称光学系统(2)由左右两组光路组成，分别对应单屏显示器(1)的左右双目图像，经过光学展宽放大后，左右眼看到同样宽广的视场，VR图像的清晰度取决于左右眼视场中分辨率高的图像。

【技术特征摘要】
1.一种非对称VR头盔显示器，其特征在于，由单屏显示器(1)、非对称光学系统(2)和VR播放功能模块构成，单屏显示器(1)的显示区被左右分隔成宽度比例为L∶R的两个区域，分别显示左目图像(20)和右目图像(19)，非对称光学系统(2)由左右两组光路组成，分别对应单屏显示器(1)的左右双目图像，经过光学展宽放大后，左右眼看到同样宽广的视场，VR图像的清晰度取决于左右眼视场中分辨率高的图像。2.如权利要求1所述的头盔显示器，其特征还在于，显示区被左右分隔成宽度不同的两个区域，窄屏区域与宽屏区域的面积比例在1∶3～2∶3之间。3.如权利要求2所述的头盔显示器，其特征还在于，窄屏区域与宽屏区域的面积比例为1∶2。4.如权利要求1所述的头盔显示器，其特征还在于，非对称光学系统(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：石庆俊，
申请(专利权)人：石庆俊，
类型：发明
国别省市：河北,13