CN109031667B - 一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机领域，具体涉及一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法，包括以下步骤：将单眼的凸透镜或透镜组进行简化，等同为一个理想薄球面凸透镜；对简化后的理想薄球面凸透镜进行计算，求得横向边界定位的边界点I_L和I_R。本发明测量瞳距等参数，仅使用推导出的数学公式就可快速、简便、准确地确定显示屏上显示图像区域的范围，且本发明适用于普通VR眼镜。

Description

一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法

技术领域

本发明属于计算机领域，具体涉及一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法。

背景技术

VR眼镜即VR头显，VR头戴式显示设备。由于早期没有头显这个概念，所以根据外观产生了VR眼镜、VR眼罩、VR头盔等不专业叫法。VR头显是利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。

人在VR眼镜中能看到三维立体图像是由于双眼存在视差，并因为双眼视差的存在而产生了非常真实的深度感，进而产生了接近真实的立体的感觉。双眼视差本质上是人的两只眼睛分别从不同角度对同一物体进行焦点透视，且两眼视线相交。

而VR眼镜技术则是依据双眼视差原理将两眼视域分隔开，并在显示屏幕上分别给双眼提供从其对应角度进行焦点透视所得到的图像，图像应放置在凸透镜或者透镜组的焦距之内，使人眼看到放大的虚像，经过凸透镜或者透镜组折射后的图像同样要遵循双眼视差原理，如图1所示。但不同人的双目瞳距是不同的，且一般是在6～7cm之间变化，这就要求对于不同双目瞳距的人要提供不同的透镜位置和对应的屏幕图像显示，以保证不同双目瞳距的人都能够舒适地看到清晰的三维立体图像。

目前，主流的VR眼镜主要是采用透镜间距可调来解决此问题，例如，暴风科技公司的暴风魔镜4采用双眼透镜同步调节，上海乐相科技的大朋看看采用双眼独立调节。但是由于不同人的瞳距差异，仅仅通过调节左右眼透镜间的距离还不足以满足使用者对VR眼镜使用舒适度的要求，一些VR眼镜用户会产生双眼图像无法重合成三维图像的情况，或即使能够重合成一个三维图像，也会因长时间的使用造成眼部的酸胀等疲劳的感觉。根据以上问题，本发明提出一种针对不同双目瞳距者在使用VR眼镜时其显示图像的横向边界定位方法。

综上所述，现有技术存在部分用户双眼无法合成三维图像、用户易眼球疲劳等问题。

发明内容

为定位VR眼镜中图像显示区域的位置，本发明对双目视觉显示方法进行了深入研究，提出针对VR眼镜的显示区域横向边界定位的方法。该方法能够确定双目各自显示图像的横向边界区域，提供清晰的双目观看效果，不会产生双目图像无法重合现象，并缓解长时间佩戴的视觉疲劳感。

以下对本发明方法做进一步的说明，具体内容如下：

一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法，包括以下步骤：

(1)将单眼的凸透镜或透镜组进行简化，等同为一个理想薄球面凸透镜；

(2)对简化后的理想薄球面凸透镜进行计算，求得横向边界定位的边界点I_L和I_R。

所述对简化后的理想薄球面凸透镜进行计算，求得横向边界定位的边界点I_L和I_R，包括：

凸透镜成像规律公式为：

其中，f为凸透镜焦距；u为物距，v为像距；

由上式得，定义像距v的绝对值为v′：

其中，f为凸透镜焦距；u为物距，v为像距；

人双目瞳距为d；在等边三角形E_LE_RM中，点M到双眼瞳孔所在平面E_LE_R的距离为

且

瞳孔E_L到透镜主面γ的距离为w，w根据每个人的眉眼深度不同进行测量，由以上知，MR的距离为：

在等边三角形V_LMV_R中，V_LR的距离为：

成像平面β与双眼舒适视角的立体成像区域∠V_LMV_R区域相交的横向边界点——左边界点V_L和右边界点V_R；

由△E_LL_LC_L∽△E_LV_LP，E_LC_L:E_LP＝L_LC_L:V_LP,求得：

又由△E_LF_LF_S∽△E_LV_LP，F_LF_S:V_LP＝E_LF_L:E_LP，求得：

联立上述两式，求得：

由此得到I_LN的长度：

其中，I_LN为I_L距离双眼中垂线MR的距离，I_RN为I_R距离双眼中垂线MR的距离；

由于VR眼镜设计的对称性，得I_RN长度等于I_LN长度，确定出立体视觉图像在显示屏幕上进行横向边界定位的边界点I_L和I_R。

本发明的有益效果在于：

本发明测量瞳距等参数，仅使用推导出的数学公式就可快速、简便、准确地确定显示屏上显示图像区域的范围，且本发明适用于普通VR眼镜。

附图说明

图1是VR眼镜立体视觉产生原理；

图2是人眼视域及重合区域原理图；

图3是VR眼镜立体视觉图像显示横向边界定位规律示意图；

图4是本发明的参数图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法

本发明属于计算机领域，具体涉及一种以虚拟现实眼镜为载体，其显示区域在显示屏上的定位方法。

VR眼镜即VR头显，VR头戴式显示设备。由于早期没有头显这个概念，所以根据外观产生了VR眼镜、VR眼罩、VR头盔等不专业叫法。VR头显是利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。

人在VR眼镜中能看到三维立体图像是由于双眼存在视差，并因为双眼视差的存在而产生了非常真实的深度感，进而产生了接近真实的立体的感觉。双眼视差本质上是人的两只眼睛分别从不同角度对同一物体进行焦点透视，且两眼视线相交。

而VR眼镜技术则是依据双眼视差原理将两眼视域分隔开，并在显示屏幕上分别给双眼提供从其对应角度进行焦点透视所得到的图像，图像应放置在凸透镜或者透镜组的焦距之内，使人眼看到放大的虚像，经过凸透镜或者透镜组折射后的图像同样要遵循双眼视差原理，如图1所示。但不同人的双目瞳距是不同的，且一般是在6～7cm之间变化，这就要求对于不同双目瞳距的人要提供不同的透镜位置和对应的屏幕图像显示，以保证不同双目瞳距的人都能够舒适地看到清晰的三维立体图像。

目前，主流的VR眼镜主要是采用透镜间距可调来解决此问题，例如，暴风科技公司的暴风魔镜4采用双眼透镜同步调节，上海乐相科技的大朋看看采用双眼独立调节。但是由于不同人的瞳距差异，仅仅通过调节左右眼透镜间的距离还不足以满足使用者对VR眼镜使用舒适度的要求，一些VR眼镜用户会产生双眼图像无法重合成三维图像的情况，或即使能够重合成一个三维图像，也会因长时间的使用造成眼部的酸胀等疲劳的感觉。根据以上问题，本发明提出一种针对不同双目瞳距者在使用VR眼镜时其显示图像的横向边界定位方法。

为定位VR眼镜中图像显示区域的位置，本发明对双目视觉显示方法进行了深入研究，提出针对VR眼镜的显示区域横向边界定位的方法。该方法能够确定双目各自显示图像的横向边界区域，提供清晰的双目观看效果，不会产生双目图像无法重合现象，并缓解长时间佩戴的视觉疲劳感。

以下对本发明方法做进一步的说明，具体内容如下：

(二)技术方案

本发明直接利用人眼视度的特点，基于透镜显示原理设计VR眼镜图像显示区域横向边界定位方法，在确定VR眼镜的部件尺寸及位置后，计算显示图像区域在硬件显示载体上的位置。

一、人眼视域分析

人眼可视角度通常是120°，即图2中左右眼的蓝色区域。其中单眼舒适视域为60°，即图2中左右眼的绿色区域。单眼舒适视域是指单眼观看时，只有这60°范围内的物体，人们才能够看清楚，人眼才能够聚焦；超过这个60°范围视野部分称为诱导视野，这部分是人眼并不敏感的范围。除非双眼同时转动到该区域某个方向，否则诱导视野内的物体看起来是模糊的。

物体或者图像只有处于人单眼的舒适视域的60°范围内，才能被清楚地看到。双眼舒适视角的立体成像区域，为图2中∠A区域，这个区域处于左右两眼舒适视域的交叠范围。虽然∠B区域也是人双眼视野的重合视域，这个范围内观看到的事物可以有立体观感，但是由于VR眼镜的特殊设计，在使用VR眼镜时，人眼习惯性直视前方，这样最容易快速适应视野的改变，眼睛也处于最舒适的状态。在双眼直视前方的情况下，位于∠A区域的图像才能很好地使人产生立体观感。如果VR眼镜所呈现的图像位于∠B区域之内且∠A区域之外，即使可以产生立体视觉，使用者往往要努力调整眼部肌肉，而且双眼图像常常无法重合，这会给使用者带来痛苦的使用体验，除了眼睛的肌肉疲劳外，还要忍受双眼视野中图像混乱导致的眩晕感。

在VR眼镜中我们看到的并不是显示屏幕本身，而是经过凸透镜或透镜组折光后产生的放大、放远的虚像。若以线bf为我们所看到的物体的虚像所在平面，则其中bk和lf两部分的图像不能双眼中同时产生对应图像，为未重合的二维部分；只有在kl区域内的看到与双眼相对应图像，才能够使人产生三维立体的感觉。

VR眼镜通常使用两个凸透镜或者两个透镜组分别为双眼提供放大的图像，因此这里将单眼的凸透镜或透镜组进行简化，均等同为一个理想薄球面凸透镜，以方便计算分析。另外一般VR眼镜所用凸透镜的视场角(FOV)都比较大，所以视场角不会对屏幕上显示图像区域造成限制，因此可以忽略凸透镜视场角的影响。

根据以上对人眼视度相关知识的介绍，可以知道若想通过VR眼镜的两个凸透镜(组)看到立体视觉图像，则经透镜所成的物体的虚像应该在双眼舒适视角的立体成像区域，即图3 中∠V_LMV_R区域。

图3为VR眼镜立体视觉图像显示横向边界定位规律示意图，其中E_L、E_R为两眼所在位置，γ为两凸透镜主面，α为显示屏幕所在平面，β为屏幕经凸透镜折射后所成虚像的平面。

凸透镜成像规律公式为

式中，f为凸透镜焦距；u为物距，即图3中显示屏幕α与透镜主面γ的距离；v为像距，即图3中显示屏幕经凸透镜折射后所成虚像的平面β与透镜主面γ的距离。由于透镜成虚像，因此，这里的像距实际为负值。根据凸透镜成像规律公式(1)，并定义像距v的绝对值为v′

人双目瞳距假设为d；在等边三角形E_LE_RM中，可知点M到双眼瞳孔所在平面E_LE_R的距离为

且

瞳孔E_L到透镜主面γ的距离为w，这个数值可根据每个人的眉眼深度不同进行测量。由以上知，MR的距离为：

在等边三角形V_LMV_R中，可知V_LR的距离为：

进而可以确定成像平面β与双眼舒适视角的立体成像区域(∠V_LMV_R区域)相交的横向边界点——左边界点V_L和右边界点V_R。假设点V_L和点V_R在手机屏幕上对应的显示点分别为点I_L和点I_R，要进行立体视觉图像显示的横向边界定位，则需要求出点I_L和点I_R距离双眼中垂线 MR的距离I_LN和I_RN。

求I_LN和I_RN之前，需要先确定显示屏幕的光线经凸透镜折射的路径。以显示屏幕左边界点I_L为例，其向空间中发射多个角度的光线。通常会有一条特殊光线，该光线平行于透镜光轴QE_L入射到透镜上，经折射到达焦点F_L。然而，人眼观察VR眼镜时，通常眼睛会位于焦距之内，因此到达F_L点的光线并未经过点E_L，即左眼中。那么这里是要求出一条特殊光线，该光线由点I_L出发，经过透镜上点L_L折射，到达点E_L，即被左眼看到。该光线沿E_LL_L方向延长会到达点V_L，也就是眼睛实际看点I_L的虚像。另一方面该光线沿L_LE_L方向延长会到达透镜在焦点F_L的焦平面上，交点为F_S。也就是说假如没有位于点E_L的左眼阻挡，该光线会到达点F_S。那么根据凸透镜成像的原理，平行于I_LL_L的一组平行光线都会在透镜的焦平面汇聚为点F_S。这里选取一条特殊光线，即从点S射出且平行于I_LL_L的光线，经过透镜中心点C_L，也会同样与焦平面相交于点F_S。基于以上事实分析，可推导：

由△E_LL_LC_L∽△E_LV_LP，可知E_LC_L:E_LP＝L_LC_L:V_LP,可求得

由于前面已经推导出L_LC_L的长度，由于L_LI_L和C_LS平行，因此I_LS的长度就等于L_LC_L的长度。接下来将推导SQ的长度：

由△C_LSQ∽△C_LF_LF_S，可知SQ:F_LF_S＝QC_L:F_LC_L,可求得

又由△E_LF_LF_S∽△E_LV_LP，可知F_LF_S:V_LP＝E_LF_L:E_LP,可求得

将公式(7)中的F_LF_S代入到公式(6)中，可得

由此可以计算I_LN的长度

由于VR眼镜设计的对称性，可知I_RN长度等于I_LN长度。由此可以确定出立体视觉图像在显示屏幕上进行横向边界定位的边界点I_L和I_R。

本发明与其他方法相比较具有如下优势：

经过测量瞳距等参数，仅使用推导出的数学公式就可快速、简便、准确地确定显示屏上显示图像区域的范围。

本发明适用于普通VR眼镜。

本发明适用于普通VR眼镜的图像显示区域横向边界定位。我们以暴风魔镜为例，具体实施方法如下：

配置环境

本发明使用的硬件包括：(1)一台暴风魔镜2代VR眼镜(2)一部华为荣耀6plus手机。软件包括：实现本发明的自编程序。

获取参数

根据查询硬件说明书中的参数值，具体如图4所示。

数值计算

由以上数据可知，f＝8cm，u＝5.3cm，d设定为平均值即d＝6.5cm，w＝3cm将这些参数值代入公式(9)，可得I_LN＝4.7cm。

Claims (1)

1.一种虚拟现实眼镜图像显示区域横向边界定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将单眼的凸透镜或透镜组进行简化，等同为一个理想薄球面凸透镜；

(2)对简化后的理想薄球面凸透镜进行计算，求得横向边界定位的边界点I_L和I_R；

所述对简化后的理想薄球面凸透镜进行计算，求得横向边界定位的边界点I_L和I_R，包括：

凸透镜成像规律公式为：

其中，f为凸透镜焦距；u为物距，v为像距；

由上式得，定义像距v的绝对值为v′：

其中，f为凸透镜焦距；u为物距，v为像距；

人双目瞳距为d；在等边三角形E_LE_RM中，点M到双眼瞳孔所在平面E_LE_R的距离为

且

瞳孔E_L到透镜主面γ的距离为w，w根据每个人的眉眼深度不同进行测量，由以上知，MR的距离为：

在等边三角形V_LMV_R中，V_LR的距离为：

成像平面β与双眼舒适视角的立体成像区域∠V_LMV_R区域相交的横向边界点——左边界点V_L和右边界点V_R；

又由△E_LF_LF_S∽△E_LV_LP，F_LF_S:V_LP＝E_LF_L:E_LP，求得：

联立上述两式，求得：

由此得到I_LN的长度：

其中，I_LN为I_L距离双眼中垂线MR的距离，I_RN为I_R距离双眼中垂线MR的距离；

由于VR眼镜设计的对称性，得I_RN长度等于I_LN长度，确定出立体视觉图像在显示屏幕上进行横向边界定位的边界点I_L和I_R。

Images