本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

VR頭顯設(shè)備由于體積有限，屏幕距離人眼的位置很近，因此普遍采用光學(xué)透鏡將屏幕成像在人眼的明視范圍內(nèi)，由于光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的引入，其固有的成像缺陷即像差會(huì)給設(shè)備帶來(lái)體驗(yàn)度的下降，其中畸變與色散作為較為明顯的兩大缺陷受到了廣泛的關(guān)注，畸變是由于透鏡對(duì)距光軸不同距離的物點(diǎn)的線放大率不同所造成，從而導(dǎo)致像的形狀相對(duì)于物發(fā)生形變，這是一種單色像差，而色散則是由于透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光折射率不同所造成，由于屏幕只輸出RGB三種單色光，所以事實(shí)上色散只需要考慮RGB三種情況下畸變的差別，目前主要的一種修復(fù)方式就是通過(guò)對(duì)輸出圖像進(jìn)行RGB分別的反畸變算法處理，從而補(bǔ)償透鏡本身相應(yīng)的像差，使得最終的輸出圖像盡可能達(dá)到原始正常情況下的效果，因此，如何獲取VR頭顯設(shè)備的畸變參數(shù)對(duì)于通過(guò)算法矯正的辦法來(lái)修復(fù)圖像缺陷至關(guān)重要。

目前，一般用來(lái)獲取VR頭顯設(shè)備畸變參數(shù)的方法是利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如ZEMAX)理論上對(duì)透鏡模型進(jìn)行建模，模擬出透鏡成像的畸變情況，從而推倒出相應(yīng)的反畸變算法，但由于透鏡及模具的制造的安裝公差的存在，僅僅通過(guò)理論上給出的參數(shù)并不能進(jìn)行完美的修正，之后可能還要進(jìn)行參數(shù)的進(jìn)一步人工調(diào)試，這無(wú)疑大大加重了工作量，另一方面，一些VR頭顯設(shè)備的透鏡由第三方的光學(xué)廠商提供，透鏡的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)出于商業(yè)機(jī)密很可能不予提供，這給開(kāi)發(fā)人員在理論上的建模帶來(lái)了難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

出于對(duì)以上缺點(diǎn)的考量，本發(fā)明意在提供一種行之有效且簡(jiǎn)便的方法去獲取VR頭顯設(shè)備的畸變參數(shù)。

技術(shù)方案：一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，該方法令屏幕輸出具備坐標(biāo)系的模板圖，采用照相機(jī)代替人眼捕捉虛像；先將照相機(jī)拍攝到的圖像通過(guò)照片處理軟件對(duì)照相機(jī)本身的畸變進(jìn)行校正，之后再提取相應(yīng)的坐標(biāo)；通過(guò)采樣原模板圖上的坐標(biāo)位置及經(jīng)過(guò)透鏡成像之后畸變的坐標(biāo)位置，求解出某一單色光的畸變參數(shù)；讓屏幕(1)依次輸出R、G、B三種顏色的坐標(biāo)模板圖，重復(fù)以上步驟，可以獲得R、G、B各畸變參數(shù)。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在照相機(jī)代替人眼捕捉虛像前，對(duì)屏幕的尺寸以及屏幕與透 鏡距離按照VR頭顯設(shè)備參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)配置步驟。

在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在照相機(jī)代替人眼捕捉虛像前，使用完整的VR模具模擬VR頭顯設(shè)備。

優(yōu)選的，照相機(jī)還包括鏡頭、鏡頭光闌，保持鏡頭光闌與透鏡的距離與出瞳距離一致，以模擬人眼的情況。

優(yōu)選的，鏡頭為廣角鏡頭或超廣角鏡頭。

在第一種實(shí)施方式中：當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯不垂直時(shí)，即透鏡的光軸與屏幕法線的夾角大于5°；所述具備坐標(biāo)系的模板圖其坐標(biāo)系選為直角坐標(biāo)系，模板圖中具備正方形網(wǎng)格圖。

更具體的，其網(wǎng)格為6x 6mm的正方形。

優(yōu)選的，求解畸變參數(shù)的具體方法為：

K1、K2、K3、P1、P2為畸變參數(shù)，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

其中x_u、y_u表示原模板圖上的坐標(biāo)位置，x_d、y_d表示經(jīng)過(guò)透鏡成像之后畸變的坐標(biāo)位置，均通過(guò)采樣得到；將采樣樣本帶入求解得到畸變參數(shù)K1、K2、K3、P1、P2。

在第二種實(shí)施方式中：當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯垂直時(shí)，即透鏡的光軸與屏幕法線的夾角小于等于5°；所述具備坐標(biāo)系的模板圖其坐標(biāo)系選為極坐標(biāo)系，模板圖中具備多個(gè)同心圓，單位半徑為4mm。

優(yōu)選的，求解畸變參數(shù)的具體方法為：

K1、K2、K3為畸變參數(shù)，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

其中x_u、y_u表示原模板圖上的坐標(biāo)位置，x_d、y_d表示經(jīng)過(guò)透鏡成像之后畸變的坐標(biāo)位置，均通過(guò)采樣得到；將采樣樣本帶入求解得到畸變參數(shù)K1、K2、K3。

本發(fā)明的有益效果

1)利用成實(shí)像的攝影光學(xué)系統(tǒng)捕捉虛像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛像的參數(shù)標(biāo)定。與之前通過(guò)理論模擬來(lái)確定畸變參數(shù)的方法相比較，本發(fā)明從VR頭顯設(shè)備實(shí)際的成像情況著手，通過(guò)照相機(jī)來(lái)代替和模擬人眼捕捉圖像，避免了對(duì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，同時(shí)開(kāi)發(fā)人員也不需要光學(xué)設(shè) 計(jì)方面的基礎(chǔ)，因此無(wú)論從可靠性和操作難易程度上來(lái)說(shuō)均優(yōu)于前者。

2)通過(guò)鏡頭光闌位置的設(shè)置以及采用廣角鏡頭(或超廣角鏡頭)模擬人眼的成像，將視覺(jué)效果量化，方便評(píng)估。

3)根據(jù)透鏡的光軸與屏幕之間的關(guān)系，提出適用于不同情況下的坐標(biāo)采樣及參數(shù)擬合方案：當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯不垂直時(shí)，綜合考慮了徑向畸變和切向畸變兩個(gè)影響因素；當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯垂直時(shí)，僅考慮徑向畸變的影響因素。并根據(jù)不同情況，模板圖采取不同的坐標(biāo)系，在滿(mǎn)足計(jì)算精度的前提下大大減少了數(shù)據(jù)計(jì)算量。

4)基于本發(fā)明提出的方法獲得R、G、B各畸變參數(shù)后，通過(guò)反畸變算法的處理，即可同時(shí)消除輸出圖像的畸變與色散。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的方案裝置示意圖。

圖2為第一種實(shí)施方式中：當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯不垂直時(shí)，所述具備坐標(biāo)系的模板圖(直角坐標(biāo)系)。

圖3為第二種實(shí)施方式中：當(dāng)透鏡的光軸與屏幕明顯垂直時(shí)，所述具備坐標(biāo)系的模板圖(極坐標(biāo)系)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此：

實(shí)施例1：結(jié)合圖1，一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，該方法令屏幕(1)輸出具備坐標(biāo)系的模板圖，采用照相機(jī)(4)代替人眼捕捉虛像；先將照相機(jī)(4)拍攝到的圖像通過(guò)照片處理軟件對(duì)照相機(jī)(4)本身的畸變進(jìn)行校正，之后再提取相應(yīng)的坐標(biāo)；通過(guò)采樣原模板圖上的坐標(biāo)位置及經(jīng)過(guò)透鏡(3)成像之后畸變的坐標(biāo)位置，求解出某一單色光的畸變參數(shù)；讓屏幕(1)依次輸出R、G、B三種顏色的坐標(biāo)模板圖，重復(fù)以上步驟，獲得R、G、B各畸變參數(shù)。

本方案利用成實(shí)像的攝影光學(xué)系統(tǒng)捕捉虛像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛像的參數(shù)標(biāo)定。與之前通過(guò)理論模擬來(lái)確定畸變參數(shù)的方法相比較，本方案從VR頭顯設(shè)備實(shí)際的成像情況著手，通過(guò)照相機(jī)(4)來(lái)代替和模擬人眼捕捉圖像，避免了對(duì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，同時(shí)開(kāi)發(fā)人員也不需要光學(xué)設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，因此無(wú)論從可靠性和操作難易程度上來(lái)說(shuō)均優(yōu)于前者。

一些實(shí)施方式中，在照相機(jī)(4)代替人眼捕捉虛像前，對(duì)屏幕(1)的尺寸以及屏幕(1)與透鏡(3)距離按照VR頭顯設(shè)備參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)配置步驟。

另一些實(shí)施方式中，在照相機(jī)(4)代替人眼捕捉虛像前，使用完整的VR模具模擬VR 頭顯設(shè)備。

實(shí)施例2：結(jié)合圖1，如實(shí)施例1所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，照相機(jī)(4)還包括鏡頭(5)、鏡頭光闌(6)，保持鏡頭光闌(6)與透鏡(3)的距離與出瞳距離一致，以模擬人眼的情況。

實(shí)施例3：如實(shí)施例2所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，鏡頭(5)為廣角鏡頭或超廣角鏡頭。

本方案通過(guò)鏡頭光闌位置的設(shè)置以及采用廣角鏡頭(或超廣角鏡頭)模擬人眼的成像，將視覺(jué)效果量化，方便評(píng)估。

實(shí)施例4：如實(shí)施例1所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，當(dāng)透鏡(3)的光軸與屏幕(1)明顯不垂直時(shí)，即透鏡(3)的光軸與屏幕(1)法線的夾角大于5°；所述具備坐標(biāo)系的模板圖其坐標(biāo)系選為直角坐標(biāo)系，模板圖中具備正方形網(wǎng)格圖。

實(shí)施例5：結(jié)合圖2，如實(shí)施例6所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，這里以16：9的5.5寸屏幕為例，其網(wǎng)格為6x 6mm的正方形。該數(shù)值為參考值，中央菱形區(qū)域的中心為屏幕(1)一側(cè)的中心點(diǎn)即光軸與屏幕的交點(diǎn)，采樣坐標(biāo)為所有網(wǎng)格頂點(diǎn)，網(wǎng)格越密集，采樣坐標(biāo)越多，則擬合精度越高，可根據(jù)對(duì)擬合精度要求的不同做相應(yīng)調(diào)整。

實(shí)施例6：如實(shí)施例4或5所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，求解畸變參數(shù)的具體方法為：

K1、K2、K3、P1、P2為畸變參數(shù)，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

其中x_u、y_u表示原模板圖上的坐標(biāo)位置，x_d、y_d表示經(jīng)過(guò)透鏡(3)成像之后畸變的坐標(biāo)位置，均通過(guò)采樣得到；將采樣樣本帶入求解得到畸變參數(shù)K1、K2、K3、P1、P2。

實(shí)施例7：如實(shí)施例1所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，當(dāng)透鏡(3)的光軸與屏幕(1)明顯垂直時(shí)，即透鏡(3)的光軸與屏幕(1)法線的夾角小于等于5°；結(jié)合圖3，所述具備坐標(biāo)系的模板圖其坐標(biāo)系選為極坐標(biāo)系，模板圖中具備多個(gè)同心圓，單位半徑為4mm，該數(shù)值為參考值，采樣坐標(biāo)為一組同心圓的半徑，采用極坐標(biāo)系的坐標(biāo)數(shù)量相比直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)數(shù)量大大減少，但可以滿(mǎn)足大部分情況下的精度要求。

實(shí)施例8：如實(shí)施例9所述的一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備畸變參數(shù)的測(cè)量方法，求解畸變參數(shù)的具體方法為：

K1、K2、K3為畸變參數(shù)，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

其中x_u、y_u表示原模板圖上的坐標(biāo)位置，x_d、y_d表示經(jīng)過(guò)透鏡(3)成像之后畸變的坐標(biāo)位置，均通過(guò)采樣得到；將采樣樣本帶入求解得到畸變參數(shù)K1、K2、K3。

本發(fā)明公開(kāi)的方案根據(jù)透鏡(3)的光軸與屏幕(1)之間的關(guān)系，提出適用于不同情況下的坐標(biāo)采樣及參數(shù)擬合方案：當(dāng)透鏡(3)的光軸與屏幕(1)明顯不垂直時(shí)，綜合考慮了徑向畸變和切向畸變兩個(gè)影響因素；當(dāng)透鏡(3)的光軸與屏幕(1)明顯垂直時(shí)，僅考慮徑向畸變的影響因素。并根據(jù)不同情況，模板圖采取不同的坐標(biāo)系，在滿(mǎn)足計(jì)算精度的前提下大大減少了數(shù)據(jù)計(jì)算量。

基于本發(fā)明提出的方法獲得R、G、B各畸變參數(shù)后，通過(guò)反畸變算法的處理，即可同時(shí)消除輸出圖像的畸變與色散。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神做舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。