專利名稱：雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及頭盔顯示器系統(tǒng)，特別是雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
頭藍(lán)顯示器(HMD, HeadMountedDisplay)分為半投型與全投型,是ー種新興的機(jī)載顯示/瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。它能將小型ニ維顯示器所產(chǎn)生的圖像經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)，成虛像于人眼前方。具體而言，小型ニ維顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過透鏡組使影像因折射或衍射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果，利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀察或瞄準(zhǔn)而達(dá)到所謂的全像視覺。1968年世界上第一個真正意義上的頭盔顯示器為軍用頭盔顯示器，即美國ARPA信息處理技術(shù)辦公室主任Ivan Sutherland開發(fā)的“達(dá)摩克里斯之劍”頭盔顯示器。原先主要為戰(zhàn)機(jī)和戰(zhàn)車駕駛員配備，而現(xiàn)在，無論是戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)還是單兵所戴的頭盔不單是保護(hù)裝置，飛速發(fā)展的科技技術(shù)將多種功能凝聚在頭盔里，使其成為幫助使用者操縱飛機(jī)、瞄準(zhǔn)、獲取地圖信息等設(shè)備的得力助手，是使用者與其武器、基地之間的重要紐帶。另外，民用頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位也十分重要。雙目疊加作用是指各眼所獲取的信息相加而產(chǎn)生超越単眼的雙眼視覺功能。我們?nèi)粘５囊曈X，包括閱讀，無論涉及深徑與否，雙眼能增進(jìn)其功能。然而在頭盔顯示器中，雙目頭盔顯示器是更為復(fù)雜的ー種。它要求雙目顯示器的圖像在人眼看來是ー個整體畫面，所以對畸變校正及雙目顯示系統(tǒng)的相對關(guān)系上都有較高的要求。光學(xué)系統(tǒng)加工起來都是有誤差的，其虛像面不可能理想地位于無窮遠(yuǎn)處，且本身可能帶有較大的畸變，另外兩個顯示器也不可能完全対稱。因此，若有進(jìn)行一定的重疊度的安裝，則需要一定的光軸調(diào)整且進(jìn)行相應(yīng)的圖像變換，最終才得能使兩個眼睛所看到的圖像是融合在一起的。目前，大多數(shù)專利及論文，如發(fā)表在《現(xiàn)代顯示》2002年01期，文章編號為1006-6268 (2002)01-0043-05的《頭盔顯示器視覺機(jī)理與處理初探》，都是針對理想的單目頭盔顯示系統(tǒng)來研究雙目系統(tǒng)的裝配與校正。然而，實際目視光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想光學(xué)系統(tǒng)的效果，特別是在特殊結(jié)構(gòu)情況下，光路需要大量折轉(zhuǎn)時，其主光線與光軸夾角、虛像面位置、視場角、畸變等因素往往是不能很好地控制的。按理想光學(xué)系統(tǒng)的方法來裝配與校正雙目系統(tǒng)后，人眼觀察時會產(chǎn)生拮抗、疲勞、惡心，甚至無法融像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于在于針對現(xiàn)有方法與技術(shù)的不足提出一種裝配與校正雙目頭盔顯示器的方法。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題一種雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，包括以下步驟步驟I :使用完成畸變校正的左、右目光學(xué)系統(tǒng)，首先進(jìn)行虛像面的位置以及重疊度的估算，即通過光學(xué)系統(tǒng)的裝配關(guān)系，顯示特定的圖像，再用人眼在特定的位置上進(jìn)行觀、測，讀出雙目融合重疊度及計算出虛像面的位置；步驟2 :計算光軸的折轉(zhuǎn)角度后折轉(zhuǎn)左、右光學(xué)系統(tǒng)的光軸，提高圖像重疊度；步驟3:圖像校正。本發(fā)明進(jìn)一歩具體為 單目虛像面的位置與雙目圖像的重疊度有直接的關(guān)系，因此第一歩要先估算ー個單目虛像面的位置，即到人眼的距離，以及雙目系統(tǒng)光軸平行時的重疊度。首先使用兩個標(biāo)尺，標(biāo)尺上有對應(yīng)左、右的記號，記號間距均與實驗人員瞳孔距PL相同。左、右顯示屏分別使用帶標(biāo)記的圖像，標(biāo)記圖像能反映出顯示屏上ー些固定參考點的位置。把兩個標(biāo)尺固定干與人眼不同距離上，同時保持標(biāo)尺中心線平行且處于同一水平面。實驗人員移動頭部，使雙眼能同時看到相應(yīng)記號重合。然后，實驗人員的頭部以記號點為標(biāo)準(zhǔn)保持不動。分別調(diào)節(jié)左、右單目顯示系統(tǒng)，使左眼在看到全屏清晰像時，其圖像中心點標(biāo)尺上相應(yīng)的左記號完全重合，同樣地要求以調(diào)節(jié)右單目顯示系統(tǒng)。然后，同時睜開雙眼，通過圖像20上的標(biāo)尺讀出雙目的重疊度k。貝U:,, , .Lc = .一
P = (I - Kl ·.tas P上式中P為虛像面中心到人眼左眼(或右眼)連線與左眼(右眼)正前視方向的夾角；α為單目顯示系統(tǒng)的視場角；PL為人眼瞳距；Ltl為虛像面距離。本發(fā)明進(jìn)一歩具體為所述步驟2中，光軸折轉(zhuǎn)角度計算方法為，以上已計算出虛像面中心到人眼左眼(或右眼)連線與左眼(右眼)正前視方向的夾角P，左、右顯示器應(yīng)該以通過瞳孔中心的豎直線為軸線，向鼻側(cè)方向分別折轉(zhuǎn)P /2，因此折轉(zhuǎn)角3=p/2。本發(fā)明進(jìn)一歩具體為步驟3的圖像校正具體為，由于進(jìn)行了左、右顯示器進(jìn)行了光軸轉(zhuǎn)動，此時虛像面相對人前正前方發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，即人眼觀察單目圖像是傾斜的，雙目圖像是不融合的，因此要進(jìn)行圖像非線性水平平移。圖像被旋轉(zhuǎn)后，共中心點偏移到兩眼中心正前方。采用投影法校正圖像，以左眼圖像中心以左的半部為例
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Le 、 - -式中，X0為原圖像中到圖像中心的水平距離，X1調(diào)整后到圖像中心的水平距離。所述的光學(xué)系統(tǒng)為半投型頭盔光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明進(jìn)一歩具體為所述的光學(xué)系統(tǒng)為半投型頭盔光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點在干該雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整方法簡單易行，有效地改善雙目融合的效果。下面通過結(jié)合附圖對本發(fā)明方法做進(jìn)ー步的解釋，使該方法對本領(lǐng)域研究人員變得顯然。


圖I為該雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法流程圖。圖2為圖像20示意圖。圖3示意性示出估算虛像面位置時的裝置圖。
圖4示意性示出投影法校正圖像的方法。
具體實施例方式圖I為該雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法流程圖，本發(fā)明雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法包括以下步驟步驟I :使用完成畸變校正的左、右目光學(xué)系統(tǒng)，首先進(jìn)行虛像面的位置以及重疊度的估算，即通過光學(xué)系統(tǒng)的裝配關(guān)系，顯示特定的圖像，再用人眼在特定的位置上進(jìn)行觀測，可以讀出雙目融合重疊度及計算出虛像面的位置；步驟2 :計算光軸的折轉(zhuǎn)角度后折轉(zhuǎn)左、右光學(xué)系統(tǒng)的光軸，提高圖像重疊度； 步驟3 圖像校正，如果此時雙目光學(xué)系統(tǒng)的光軸依然平行，則用戶觀測體驗，若用戶滿意其效果則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到完成；如果此時雙目光軸不平行，則進(jìn)行圖像校正，接頭用戶觀測體驗，若用戶滿意則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到調(diào)整完成。本發(fā)明雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法簡單易行，有效地改善雙目融合的效果O同時參看圖2、圖3，為了估算比較準(zhǔn)確的單目虛像面位置，即到人眼的距離。首先使用標(biāo)尺30、標(biāo)尺40。標(biāo)尺30上有對應(yīng)左、右眼的記號31、記號32，標(biāo)尺40上有對應(yīng)左、右眼的記號41、記號42。記號31到記號32的距離、記號41到記號42的距離均與實驗人員瞳孔11、12的間距PL相同。左、右顯示屏分別使用帶標(biāo)尺的圖像20。把標(biāo)尺30、標(biāo)尺40固定干與人眼不同距離S1、S2上，同時保持其標(biāo)尺中心線33、標(biāo)尺中心線43平行且處于同一水平面。實驗人員移動頭部，使雙眼能同時看到記號31與記號41重合、記號32與記號42重合。然后，實驗人員的頭部以記號點以標(biāo)準(zhǔn)保持不動。分別調(diào)節(jié)左、右單目顯示系統(tǒng)，使左眼在看到全屏清晰像時，其圖像中心點21與記號31、記號41完全重合，同樣地要求來調(diào)節(jié)右單目顯示系統(tǒng)，使右眼在看到全屏清晰像時，其圖像中心點22與記號32、記號42完全重合。然后，同時睜開雙眼，通過圖像20上的標(biāo)尺讀出雙目的重疊度k。貝U:
_2]P = α(1 - k) .上式中P為虛像面中心到人眼左眼(或右眼)連線與左眼(右眼)正前視方向的夾角；α為單目顯示系統(tǒng)的視場角；PL為人眼瞳距；Ltl為虛像面距離。光軸折轉(zhuǎn)角度計算方法，以上已計算出虛像面中心到人眼左眼(或右眼)連線與左眼(右眼)正前視方向的夾角P，左、右顯示器應(yīng)該以通過瞳孔中心的豎直線為軸線，向鼻側(cè)方向分別折轉(zhuǎn)P /2，因此折轉(zhuǎn)角d = p/2。參看圖4，采用投影法校正圖像，以左眼圖像中心以左的半部為例
PL r_I! = tan[d — tan-1 —-] * L|，(PL/2):式中，x0為原圖像中到圖像中心的水平距離，X1調(diào)整后到圖像中心的水平距離。以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和 改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I:使用完成畸變校正的左、右目光學(xué)系統(tǒng)，首先進(jìn)行虛像面的位置以及重疊度的估算，即通過光學(xué)系統(tǒng)的裝配關(guān)系，顯示特定的圖像，再用人眼在特定的位置上進(jìn)行觀測，讀出雙目融合重疊度及計算出虛像面的位置； 步驟2 :計算光軸的折轉(zhuǎn)角度后折轉(zhuǎn)左、右光學(xué)系統(tǒng)的光軸，提高圖像重疊度； 步驟3 :圖像校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述步驟I具體包括使用兩個標(biāo)尺，標(biāo)尺上有對應(yīng)左、右的記號，記號間距均與實驗人員瞳孔距PL相同；左、右顯示屏分別使用帶標(biāo)記的圖像，把兩個標(biāo)尺固定干與人眼不同距離上，同時保持標(biāo)尺中心線平行且處于同一水平面；實驗人員移動頭部，使雙眼能同時看到相應(yīng)記號重合；分別調(diào)節(jié)左、右單目光學(xué)系統(tǒng)，使左眼在看到全屏清晰像時，其圖像中心點標(biāo)尺上相應(yīng)的左記號完全重合，同樣地要求以調(diào)節(jié)右單目光學(xué)系統(tǒng)；同時睜開雙眼，通過圖像上的標(biāo)尺讀出雙目的重疊度k ;則
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述步驟2中，光軸折轉(zhuǎn)角5 = p/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述步驟3中具體包括如果此時雙目光學(xué)系統(tǒng)的光軸依然平行，則用戶觀測體驗，若用戶滿意其效果則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到完成；如果此時雙目光軸不平行，則進(jìn)行圖像校正，接頭用戶觀測體驗，若用戶滿意則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到調(diào)整完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述圖像校正采用投影法，以左眼圖像中心以左的半部為例
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)為半投型頭盔光學(xué)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項所述的雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其特征在于所述的圖像校正為圖像非線性水平平移。
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙目頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整方法，其使用完成畸變校正的左、右目光學(xué)系統(tǒng)。首先進(jìn)行虛像面的位置以及重疊度的估算，即通過光學(xué)系統(tǒng)的裝配關(guān)系，顯示特定的圖像，再用人眼在特定的位置上進(jìn)行觀測，讀出雙目融合重疊度及計算出虛像面的位置；計算光軸的折轉(zhuǎn)角度后折轉(zhuǎn)左、右光學(xué)系統(tǒng)的光軸，提高圖像重疊度；如果此時雙目光學(xué)系統(tǒng)的光軸依然平行，則用戶觀測體驗，若用戶滿意其效果則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到完成；如果此時雙目光軸不平行，則進(jìn)行圖像校正，接頭用戶觀測體驗，若用戶滿意則調(diào)整完成，若不滿意則重新調(diào)整光軸角度，如此反復(fù)直到調(diào)整完成。該調(diào)整方法簡單易行，有效地改善雙目融合的效果。
文檔編號G02B27/01GK102692708SQ201210199509
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者向艷, 楊新軍, 田永明, 藍(lán)景恒, 陳國勝 申請人:中航華東光電有限公司