[发明专利]全视角图像显示装置

摘要

本发明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。

主权项

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；由于凸透镜与凹面镜边缘紧密衔接，所以L0O与y轴的夹角等于ε；当n足够大时，通过各点的数据可确定凸透镜的剖面曲线；在透镜上方任取一点Li，将点Li所折射的点记为L'i，其切线的角度记为bi，将透镜下方平面的对应点记为Li；设折射后进入瞳孔的光线与y轴的角度为γi，将其未被折射前与y轴的角度记为λi；当n足够大时，Li可被看做位于Li-1的切线上，根据折射定律，求解方程可知，凸透镜上凸面Li点对应的γi，bi，xi，yi，λi有若公式(14)中的全景图像函数f确定，则当i＝0时，L0对应的数据有：γ0＝εx0＝r2y0＝r2·cotε将γ0，x0，y0，λ0，b0依次代入公式(10)、(12)、(13)、(14)、(11)，可求得当i＝1时，所述凸透镜凸面L1点的数据γ1，x1，y1，λ1，b1……以此类推，L2，L3……Ln-1，Ln各点均可由L0点多次迭代求得。