CN104216126A - 一种变焦3d显示技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变焦3D显示装置及其方法。目的是实现人眼空间感官中的变焦视觉效果。具体通过至少一个摄像头定位左右眼球角膜在眼白中的相对位置，并由此计算出视线交点。根据视线交点位置，选择滤镜对视觉场景中远近不同的物体进行不同程度的模糊化处理。在3D显示器中，将模糊化处理的3D图像显示出来，以模拟双眼在现实世界中的变焦感觉。本发明所需硬件设备少，仅增加了测量眼球角度的摄像头，具有成本低，易推广的优点。

Description

一种变焦3D显示技术

技术领域

本发明涉及一种变焦3D显示技术，属于3D显示领域。该技术在3D显示功能中，添加了视觉变焦功能，可配合3D显示设备，为使用者提供更真实的视觉体验。

 

背景技术

人眼的空间感觉源自左右眼之间的视差，称为：视差空间感；以及晶状体的变焦，称为：变焦空间感。

现有的3D显示技术利用视差原理，为使用者提供了视差空间感，而忽略了视觉变焦对空间感觉的影响。故现有的3D显示技术实际上是一种“定焦3D显示技术”，不能模拟现实环境中完整的空间感觉。

例如3D显示屏和头戴式3D显示器。前者在显示屏内通过微结构（偏振镜或光栅）在同一块显示屏上显示左右两幅视差图像，使用者的视线焦点限制于显示屏所处位置上。头戴式3D显示器向左右眼分别投射视差图像，图像通过透镜在眼睛前方3米左右形成一个虚像，使用者的视线焦点限制在虚像所处位置上。这两种3D显示设备均不考虑视觉变焦。

而3D显示实际应用中，特别是3D游戏中，使用者频繁切换视线焦点，观察远处和近处的视觉场景。传统的定焦3D显示技术，并不区分远处和近处的焦距差别，造成的不真实的视觉感受。

本发明提出了一种变焦3D显示技术，在视差3D显示的基础上，模拟了晶状体变焦形成的视觉效果，为用户提供了更真实3D视觉感受。

 

发明内容

本发明提出的一种变焦3D显示技术。目的是同时实现“视差空间感”和“变焦空间感”，为使用者提供更真实的3D视觉感受。

该技术实现步骤为：

一种变焦3D显示技术，其特征在于：包含3D显示设备、摄像头以及提供图像源和处理图像的上位机，实现过程包含以下步骤：

1.通过正对用户眼睛的摄像头获得左右眼球图像；

2.在眼球图像中搜索角膜对应的圆形暗色区域，确定角膜在眼白中的相对偏移位置：左眼d _L ，右眼d _R ，以及左右眼瞳间距d _LR ；

3.根据角膜偏移位置计算出视线角度：左眼                                                 ，右眼  ，r为眼球半径，取值范围11~13mm；

4.计算视线交点位置，即物距：；

5.计算前景深，后景深，其中F为人眼的光圈值，取值范围2.0~8.5，l为人眼的像距，取值范围21~24mm，δ为可调参数，用于调节景深范围；

6.将图像源中景深范围内，即距离在L-ΔL _F  和L+ΔL _B 之间的景物清晰投影于含有视差的左右两幅图像上；

7.使用模糊化滤镜将景深范围外的景物进行模糊化处理后，投影于含有视差的左右两幅图像上；

8.将上述视差图像显示于3D显示设备上；

9.上述的步骤以每秒30~120次的速度循环进行，其速度与显示设备的刷新速率相匹配。

本发明的另一个技术方案是上述的3D显示设备为3D显示屏或头戴式3D显示器。

本发明的另一个技术方案是上应用于头戴式3D显示器时，所述的摄像头固定于头戴显示器上，位于眼睛前上方、前下方或外侧。

本发明提出变焦3D显示技术，在现有3D显示设备的基础上再现了人眼空间感知中的“变焦空间感”，消除了定焦3D显示技术中图4所示的不真实的视觉感受，可以为用户提供完整的3D视觉感受。

本发明的优点

本发明所需硬件设备少，仅增加了一个测量眼球角度的摄像头，具有成本低，易推广的优点。

 

附图说明

图1为本专利所述技术的实现流程图；

图2为具体实施方案所需的设备及布置图；

图3为人眼视觉变焦原理示意图；

图4为传统定焦3D显示（a为左眼图像、b为右眼）和本发明所述变焦3D显示（c为左眼图像、d为右眼）的效果对比。

 

具体实施方式

本发明提出的一种变焦3D显示技术。当应用于头戴式3D显示器时，具体实施方式如图2所示：

需要的设备：

1）   显示设备采用头戴式3D显示器3，俗称“3D视频眼镜”。

2）   两个相机2，分置于左右眼前上方，固定在头戴式3D显示器3上。

3）   用于提供图像源和处理3D图像的上位机1。

4）  由上位机向头戴式3D显示器传输变焦处理后3D图像的下行数据线4；和由相机向上位机传输左右眼球图像的上行数据线5。

工作流程：

首先由位于眼睛前方的摄像机采集眼球图像6，在眼球图像中搜索角膜对应的圆形暗色区域，确定角膜在眼白中的偏移量7，左右眼分别为：d _L 、d _R ；以及左右眼瞳距11，记作d _LR 。

然后根据上述偏移量d _L 、d _R ，计算出左右眼的视线夹角8，左右眼分别记作θ _L 、θ _R ，计算公式为：

                                            ——（1）

式（1）中r为眼球半径，取值范围11~13mm。

由三角法计算出视线交点9的距离，即眼球的成像物距12——记作L：

                                      ——（2）

再根据人眼的生理特性，计算该焦平面对应的景深范围13——包括前景深ΔL _F 和后景深ΔL _B ，计算公式为：

                                         ——（3）

式（3）中F为人眼的光圈值，强光场景中取F值为8.3，暗光场景中为2.1，其他场景根据情况取中间值；l为人眼的成像相距，取值范围21~24mm ；δ为可调参数，用户可以根据自我感受调整。

将景深范围（距离在L-ΔL _F 和L+ΔL _B 之间）内的景物清晰投影于含有视差的左右两幅图像上；同时将景深范围外的景物使用模糊滤镜进行模糊化处理后，再进行投影，其投影过程遵从景物前后的遮挡顺序。

最后将经过上述变焦处理后的视差图像显示于3D显示设备上。最终实现的如图4c、图4d所示的，同时含有“视差空间感”和“变焦空间感”的3D显示效果。

Claims (3)

1.一种变焦3D显示技术，其特征在于：包含3D显示设备、摄像头以及提供图像源和处理图像的上位机，实现过程包含以下步骤：

 （1）通过正对用户眼睛的摄像头获得左右眼球图像；

（2）在眼球图像中搜索角膜对应的圆形暗色区域，确定角膜在眼白中的相对偏移位置：左眼d _L ，右眼d _R  ，以及左右眼瞳间距d _LR ；

（3）根据角膜偏移位置计算出视线角度：左眼                                                ，右眼 ，r为眼球半径，取值范围11~13mm；

（4）计算视线交点位置，即物距：； 

（5）计算前景深 ，后景深，其中F为人眼的光圈值，取值范围2.0~8.5，l为人眼的像距，取值范围21~24mm ，δ为可调参数，用于调节景深范围；

（6）将图像源中景深范围内，即距离在L-ΔL _F  和L+ΔL _B 之间的景物清晰投影于含有视差的左右两幅图像上；

（7）使用模糊化滤镜将景深范围外的景物进行模糊化处理后，投影于含有视差的左右两幅图像上；

（8）将上述视差图像显示于3D显示设备上；

（9）上述的步骤以每秒30~120次的速度循环进行，其速度与显示设备的刷新速率相匹配。

2.根据权利要求 1 所述的变焦3D显示技术，其特征在于：所述的3D显示设备为3D显示屏或头戴式3D显示器。

3.根据权利要求2所述的变焦3D显示技术，其特征在于：应用于头戴式3D显示器时，所述的摄像头固定于头戴显示器上，位于眼睛前上方、前下方或外侧。