虚拟光线跟踪方法及光场动态重聚焦显示系统技术方案

本发明专利技术涉及虚拟光线跟踪方法及光场动态重聚焦显示系统，光线信息采集，即随机检索全焦图片上的像素点，以此来减少光线采样的数量；并/或假设物体表面为光滑而简化交点检索；包括虚拟现实显示内容处理器、虚拟现实显示器、眼球跟踪器、眼球追踪信息处理器以及光场重聚焦处理器。本发明专利技术减小了计算复杂度，能够自行替换错误采样，得到真实准确的重新对焦；可以根据人眼注视方向而动态聚焦，能够让使用者聚焦在远近不同的物体上，符合人体肉眼的观察特征。

Virtual ray tracing method and light field dynamic refocusing display system

The invention relates to a virtual ray tracing method and optical field dynamic focusing light display system, information collection, namely random search pixel full focus on the picture, in order to reduce the amount of light sampling; and / or assume that the object surface is smooth and simplified intersection retrieval; including virtual reality display processor, virtual reality display, eye the tracker and eye tracking information processor and optical field focusing processor. The invention reduces the computational complexity, enables self replacement of erroneous sampling, obtains a real and accurate re focusing, and can dynamically focus according to the direction of eye gaze, allowing users to focus on Near far different objects, which is in line with the naked eye observation characteristics of human body.

【技术实现步骤摘要】
虚拟光线跟踪方法及光场动态重聚焦显示系统
本专利技术涉及图像绘制
，具体地说是虚拟光线跟踪方法及光场动态重聚焦显示系统。
技术介绍
光线跟踪算法是一种提出于1980的真实感图形生成方法，能够生成高质量的真实感图形，目前是三维真实感图形的常用算法之一；光线跟踪算法实际上是光照明物理过程的近似逆过程，可以跟踪物体间的镜面反射光线和规则透射，模拟了理想表面的光的传播。参见图1a，图1a显示了小孔图像和深度图的光线跟踪方法，假设场景的深度范围是[z0，z1](z1＞z0＞0)，其中z1可以无穷大，感光片到针孔的距离为s。参见图1b，在渲染渲染景深效果时，假设在针孔的位置放置一个虚拟的薄透镜，虚拟的薄透镜焦距为f，f满足也就是说最远的平面z1对焦在感光片上。进一步地，假设透镜的直径为R。在这样的一个虚拟成像系统中，平面z∈[z0，z1]内的点将在感光片上成模糊的像，其弥散圆大小为：根据式(2)可见，平面z0上的点在感光片上成的弥散圆半径最大为同时弥散圆半径大小也取决于光线圆锥(如图1b中的大圆锥)与z0平面的圆形交盘。参见图1b，根据相似三角形变换关系，交盘半径可以为或者基于上述系统设置，我们可以动态的调整感光片的位置sf渲染出对焦到平面zf上的图片，其中zf满足1/s_f+1/zf＝1/f。如图1c，使用像素索引原始图片，计算得到中央光线的光锥指数。这样可以保证渲染后的图像和原始图像具有同样的分辨率，并且保证同一像素位置对应空间中同样的位置。在最终的成像结果中，每一个像素点p的最终颜色是由光锥内所有光线的积分得到。在传统的光线跟踪算法中，需要跟踪每一条光线到场景中去。然而在图像空间中的光线跟踪算法，跟踪一条光线到场景中，根据场景中的三维坐标反跟踪到原图像。基于朗勃逊假设可以直接使用像素点颜色作为反跟踪回来的光线颜色。为了确定该光线的颜色，对光线和空间中的物体的交点的定位是必不可少的。在基于光场的算法中，光线跟踪主要依据前向弯曲获得：对于中央视图，使用其深度图扭曲周围光场视图。该方法能够应用的前提是，光线必须密集采样。另个一个方面，每渲染一张图片需要创建大量的虚拟视角，因此算法复杂度非常的高。因此，需要减小光线跟踪重对焦的计算复杂度。此外，作为光线跟踪计算方法的具体应用，现有的虚拟现实装置只能显示全聚焦图像或者全聚焦虚拟现实场景，仅及体验者的头部所在方向内容，而不能提供符合人眼成像原理的体验内容以及人眼感兴趣区域的内容——因此无法完全按照人眼注视方向进行内容显示以及实现重聚焦。参见图13，人眼310中睫状肌可以舒张和收缩，从而使人眼310可以聚焦在远近不同的物体上，人眼310可以选择聚焦在不同半径的球面上，聚焦在远处(即半径较大的球面320上)时睫状肌舒张，聚焦在近处(即半径较小的球面340、330上)时睫状肌紧绷。但是现有的虚拟现实装置因为缺少有效的数据处理方法，从而导致人眼310只能看到全聚焦或者说固定焦平面的图像，参见图12所示的固定聚焦图像，而不能重新聚焦，这不符合人眼310观看三维世界的视觉特性，降低了人眼310观看虚拟现实内容的视觉体验。因此，除了需要简化计算复杂度之外，还迫切需要专利技术一款可以根据人眼注视方向而动态聚焦从而看见多固定聚焦面的虚拟现实显示系统。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的问题，旨在提供一种虚拟光线跟踪方法及光场动态重聚焦显示系统。本专利技术采用的技术方案包含如下步骤：获取全焦图片及其深度信息；光线信息采集，即随机检索全焦图片上的像素点，以此来减少光线采样的数量；并/或假设物体表面为光滑而简化交点检索；基于上述光线信息进行颜色融合，得到最终显示结果。其中，光线采集为震动采样，即将光圈分为若干等分区域，随后在所述每个等分区域内采集一个像素点。其中，所述简化交点检索，即根据和固定的dq直接计算lpq，对半径r内的光线进行采样，并初始化一个作为lpq0像素的偏移；如果像素点的位移等于则可确定交点位置；否则设置刚才像素点的位移为继续往下迭代，直到结果满足式停止，并将迭代结束时的像素点颜色返回。本专利技术采用的技术方案还提供一种虚拟现实光场动态重聚焦显示系统，包括虚拟现实显示内容处理器、虚拟现实显示器、能够获取眼球转动方向的眼球跟踪器、眼球追踪信息处理器以及具有光场动态重聚焦处理功能的光场重聚焦处理器，其中，虚拟现实显示内容处理器获取显示内容，并且和虚拟现实显示器、眼球跟踪器、眼球追踪信息处理器和光场重聚焦处理器依次通过数据线连接。其中，虚拟现实显示器包括对应于左、右眼的成像显示屏、具有放大功能的光学镜片以及等定位传感器组成，用于显示虚拟现实显示内容处理器处理得到的双目立体图像。其中，所述虚拟现实显示器中，光学镜片的边缘上设有微型LED灯，在光学镜片的上方设有采集人眼图像的摄像头。和现有技术相比，本专利技术通过随机检索减少对光线信息的采样和简化交点检索过程，减小了计算复杂度，并且能够自行替换错误采样，得到真实准确的重新对焦；虚拟现实光场动态重聚焦显示系统可以根据人眼注视方向而动态聚焦，能够让使用者聚焦在远近不同的物体上，符合人体肉眼的观察特征。附图说明图1a为小孔成像原理的示意图；图1b为加入虚拟薄透镜的成像方法的示意图；图1c为图像空间光像跟踪的示意图；图1d为本专利技术方法的示意图；图2为光线震动采样的示意图；图3a、图3b为光线错误采样分析的示意图；图4a为gamma2.2曲线和梯度图；图4b为色调映射矫正图像亮度的示意图；图5为本专利技术实施例中不同颜色融合方法的效果示意图；图6为渲染效果比较示意图图7为单反相机和Lytro相机景深效果图比较图；图8为本专利技术实施例渲染的特别对焦效果图；图9为虚拟现实光场动态重聚焦显示系统的结构示意图；图10为虚拟现实头盔的结构示意图；图11为虚拟现实显示器的结构示意图；图12为单固定聚焦面的示意图；图13为多固定聚焦面的示意图；参见附图，虚拟现实显示内容处理器100、虚拟现实显示器200、眼球跟踪器110、眼球方向信息处理器120、光场重聚焦处理器130、摄像头1101、微型LED灯1102、光学镜片2201、人眼310、成像显示屏2101、人眼区域图像2202、左眼的图像5101，右眼的图像5102。具体实施方式现结合附图对本专利技术作进一步地说明。本实施例不同于传统的光线跟踪算法，仅需一张全焦照片与其对应深度图即可完成同样的效果，在计算上大为简化；下文中将通过展示统计先验概率的随机检索算法，最终完整地描述能够生成和单反相机效果媲美的虚拟光线跟踪方法。在真实世界中，人眼310在观看三维世界时，上、下直肌，内、外直肌和上、下斜肌可以控制眼球的转动，从而使人眼310能够看到不同方向的场景或者目标。但是现有的虚拟现实头盔因为无法定位到人眼的转动方向，因此只能通过内置或者外部感应器确定人头部转动方向来判断人眼310的注视方向，但由于人眼310的灵活性导致人眼310注视方向与头部方向并不是完全一致的，这也就导致无法准确的获取人眼注视方向的信息，进而导致无法显示正确的画面。参见图9至图11，为了解决上述问题，本专利技术实施中所用的虚拟现实光场动态重聚焦显示系统主要包括五个模块，包括具有虚拟现实显示内容处理器100、虚拟现实显示器200(为虚拟现实头盔，诸如HTCVIVE此类V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟光线跟踪方法，其特征在于包含如下步骤：获取全焦图片及其深度信息；光线信息采集，即随机检索全焦图片上的像素点，以此来减少光线采样的数量；并/或假设物体表面为光滑而简化交点检索；基于上述光线信息进行颜色融合，得到最终显示结果。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟光线跟踪方法，其特征在于包含如下步骤：获取全焦图片及其深度信息；光线信息采集，即随机检索全焦图片上的像素点，以此来减少光线采样的数量；并/或假设物体表面为光滑而简化交点检索；基于上述光线信息进行颜色融合，得到最终显示结果。2.根据权利要求1所述的一种虚拟光线跟踪方法，其特征在于：光线采集为震动采样，即将光圈分为若干等分区域，随后在所述每个等分区域内采集一个像素点。3.根据权利要求1所述的一种虚拟光线跟踪方法，其特征在于：所述简化交点检索，即根据和固定的dq直接计算lpq，对半径r内的光线进行采样，并初始化一个作为像素的偏移；如果像素点的位移等于则可确定交点位置；否则设置刚才像素点的位移为继续往下迭代，直到结果满足停止，并将迭代结束时的像素点颜色返回。4.一种基于权利要求1、2或3所述内容...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞启铭，曹煊，
申请(专利权)人：叠境数字科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31