CN104020565B - 具有光学透镜和显示屏的显示系统及其图像显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有光学透镜和显示屏的显示系统及其图像显示方法，包括以下步骤：（1）、根据光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；（2）、根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；（3）、将一预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像；（4）所述补偿图像输出至所述显示屏上显示后，经过所述光学透镜而显示为正常图像。本发明的具有光学透镜和显示屏的显示系统及其图像显示方法，解决了图像会模糊或重影以及畸变的问题，算法快速、便捷。

Description

具有光学透镜和显示屏的显示系统及其图像显示方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体地说，是涉及一种具有光学透镜和显示屏的显示系统及其图像显示方法。

背景技术

头戴显示器(HMD)作为近几年新兴的技术，是一种放大超微显示屏上的图像，将影像投射于用户视网膜上,进而呈现于观看者眼中大屏幕图像。头戴显示器目前在工业、军事、文艺、娱乐等多方面具有广泛的应用。

图1是目前头戴显示器的光路示意图，如图1所示，其中，人眼100透过目镜102能够观看到成像在直板型平面显示器101上的图像。由于光线经过目镜102的折射后，会产生一定的畸变，如图2、图3所示，其中，图2为显示器正常显示输出的图像，图3是经过目镜102后投入至人眼中所呈现的畸变图像，投影图像的畸变不仅会影响观察的舒适感，甚至会造成用户对重要信息的误判，导致不必要的损失。

此外，由于三原色RGB的波长各不相同，经过目镜102的折射角度也不同，参见图4所示，投影在人眼中，体现为三种颜色图像互不重合，会造成模糊或重影的视觉效果，同样会造成影响观察的舒适感以及用户对信息的误判。

发明内容

本发明为了解决现有头戴显示器的视觉效果出现畸变以及图像模糊或重影的问题，提供了一种具有光学透镜和显示屏图像显示方法，可以克服上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，包括以下步骤：

(1)、根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

(2)、根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

(3)、将一预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像；

(4)、所述补偿图像输出至所述显示屏上显示后，经过所述光学透镜而显示为正常图像。

进一步的，步骤(2)中，畸变系数的计算方法为：

建立一个反转透镜前的图像物面坐标系，其中，物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高l为该像素点至坐标系中心点的距离

获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高分别为L，L′，L〞；

则RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数为：

R: $a1=\frac{L}{l};$

G: $a2=\frac{L^{\′}}{l};$

B: $a3=\frac{L^{\′\′}}{l}.$

又进一步的，步骤(2)中，不同像素点的畸变系数不同，所述a1、a2、a3为常数数组。

又进一步的，获得像素点(x1，y1)经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高L，L′，L〞的步骤包括：

根据所述反转透镜的光学参数模拟出所述反转透镜的物像对应关系；

依据所述对应关系输出RGB三种颜色分量在物面坐标系中的原像高以及经过反转透镜后的新像高；

依据RGB三种颜色分量的原像高l₀和新像高L₀、L₀′、L₀〞拟合出RGB三种颜色分量的新像高关于原像高的函数关系，即RGB三种颜色分量畸变前与畸变后像高的函数关系

R:L₀＝f(l₀)；

G:L₀′＝f₁(l₀)；

B:L₀″＝f₂(l₀)；

依据所述物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高以及所述函数关系，获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高，分别为L＝f(l)，L′＝f₁(l)，L〞＝f₂(l)。

再进一步的，在步骤(3)中还包括填补遗漏点的步骤，对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点缺少X值，则对该像素点的X值进行填补，其中，X为RGB三种颜色分量的其中一种。

再进一步的，对X值进行填补的方法为：将与该像素点相近邻的至少两个像素点对应的X值进行求平均计算，并将求平均计算的结果填补为该像素点的X值。

进一步的，在步骤(3)中，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，还包括针对重叠点进行处理的步骤，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点其中一种颜色分量具有多个值，则将该多个值处理成一个值。

优选的，所述的针对重叠点进行处理的方法为，将所述的多个值进行求平均值计算。

基于上述的一种具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，本发明同时提供了一种图像显示方法的显示系统，包括光学透镜，设置于光学透镜前的显示屏以及连接所述显示屏的图像调整模块，所述图像调整模块包括：

虚拟反转透镜单元,用于根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

畸变系数计算单元，用于根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

图像调整单元，用于接收预显示图像，将所述预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像，输出至所述显示屏。

进一步的，所述图像调整单元还用于在将所述补偿图像输出至所述显示屏之前对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，填补遗漏的RGB三种颜色分量；和/或，

所述图像调整单元还用于在得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，对重叠点进行处理。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，通过将图像RGB三种颜色分量分别进行畸变补偿，解决了由于三种颜色波长不同而畸变程度不同，若采用统一标准补偿的话处理后的图像会模糊或重影的问题，通过对显示器原图像按照畸变系数做逆运算进行补偿，可以抵消图像经过目镜折射产生的畸变，最终呈现在用户眼中的是清楚、无畸变的图像，视觉效果好，此外，对于固定的目镜其畸变系数也是固定的，因此，相应的参数只需计算一次即可适用于对显示器输出所有图像的补偿，快速、便捷。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是背景技术中目前头戴显示器的光路示意图；

图2是背景技术中显示器正常显示输出的图像；

图3是背景技术中经过目镜102后的畸变图像；

图4是背景技术中经过目镜102后RGB三种颜色分量分离的示意图；

图5是本发明的实施例一中显示器输出的经过补偿的图像；

图6(a)是本发明的实施例一中R颜色分量的畸变前与畸变后像高的函数关系曲线；

图6(b)是本发明的实施例一中G颜色分量的畸变前与畸变后像高的函数关系曲线；

图6(c)是本发明的实施例一中B颜色分量的畸变前与畸变后像高的函数关系曲线；

图7是本发明的实施例一中具有光学透镜和显示屏的图像显示方法流程图；

图8是本发明所提出的图像显示系统的一种实施例结构示意图；

图9是图8所示的显示系统的显示图像过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提供了一种具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，参见图7和图8、9所示，包括以下步骤：

S1、根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

S2、根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

S3、将一预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像；

S4、所述补偿图像输出至所述显示屏上显示后，经过所述光学透镜而显示为正常图像。

本实施例的具有光学透镜和显示屏的图像显示方法工作原理是，首先，由于RGB三种颜色波长不同而畸变程度不同，也即体现为畸变系数不同，本实施例中通过将图像RGB三种颜色分量分别进行畸变补偿，解决了现有若采用统一标准补偿的话处理后的图像会模糊或重影的问题。其次，通过计算畸变前后的畸变系数，对显示器原图像按照畸变系数做逆运算进行补偿，可以抵消图像经过目镜折射产生的畸变，最终呈现在用户眼中的是清楚、无畸变的图像，视觉效果好，此外，对于固定的目镜其畸变系数也是固定的，因此，相应的参数只需计算一次即可适用于对显示器输出所有图像的补偿，快速、便捷。

需要说明的是，由于畸变之前的原图像各像素RGB三种颜色分量坐标是重合的，因此，原图像中坐标为(x1，y1)的像素点的RGB三种颜色分量坐标值均相同。

作为一个优选实施例，通过对比图2、图3可知，畸变前与畸变后的图像的一些像素至中心点的距离发生变化，也即，像高的值直接反应了畸变程度，因此，为了更精准的对图像进行补偿，本实施例中的畸变系数由像高计算出，所述步骤S1中，畸变系数的计算方法为：

建立一个反转透镜前的图像物面坐标系，其中，物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高l为该像素点至坐标系中心点的距离

获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高分别为L，L′，L〞；

则RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数为：

R: $a1=\frac{L}{l};$

G: $a2=\frac{L^{\′}}{l};$

B: $a3=\frac{L^{\′\′}}{l}.$

通过对比图2、图3同样可知，不同像素点的畸变系数不同，越靠近中心点变化越小，因此，在各颜色分量不同坐标的像素点的畸变系数是不同的，若采用统一的畸变系数进行补偿，无法实现对每个像素的畸变进行补偿，因此，需要分别计算出各像素点在各颜色分量的畸变系数，形成畸变系数的常数数组，也即，所述步骤S1中，所述a1、a2、a3为常数数组。

由于本方法最终适用于工业产品使用，无法像在实验室环境下可以逐个像素点测试畸变后的像高，因此，优选提前找出像高畸变前与畸变后像高的函数关系，所述畸变后像素点的RGB三种颜色分量的像高的计算方法为：

又进一步的，获得像素点(x1，y1)经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高L，L′，L〞的步骤包括：

根据所述反转透镜的光学参数模拟出所述反转透镜的物像对应关系；

依据所述对应关系输出RGB三种颜色分量在物面坐标系中的原像高以及经过反转透镜后的新像高；

依据RGB三种颜色分量的原像高l₀和新像高L₀、L₀′、L₀〞拟合出RGB三种颜色分量的新像高关于原像高的函数关系，即RGB三种颜色分量畸变前与畸变后像高的函数关系

R:L₀＝f(l₀)；

G:L₀′＝f₁(l₀)；

B:L₀″＝f₂(l₀)；

依据所述物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高以及所述函数关系，获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高，分别为L＝f(l)，L′＝f₁(l)，L〞＝f₂(l)。

由于执行步骤S3时，对原图像的所有像素点进行补偿，因此各个像素点的坐标是确定的，因此，对于任一坐标为(x₁，y₁)的像素点，其像高为：所以通过上述函数公式可以很容易的计算出畸变后的像高，进而很容易计算出畸变系数。

本实施例给出了测得的其中一种目镜的函数关系，其中，L₀＝f(l₀)曲线可参见图6(a)所示，L₀′＝f₁(l₀)曲线可参见图6(b)所示，L₀″＝f₂(l₀)曲线可参见图6(c)所示，上述三幅曲线图中，横轴表示畸变前的像高，纵轴表示畸变后的像高。利用畸变前像素点的像高l₀计算畸变后像素点RGB三种颜色分量的像高L₀、L₀′、L₀〞，再根据直角坐标关系，可分别计算出补偿后图像RGB三颜色分量的坐标值(x₂，y₂)，(x₂′，y₂′)，(x₂〞，y₂〞)：

$x_2=\frac{L_0}{l_0}{x}_1;y_2=\frac{L_0}{l_0}{y}_1;$

$x_2^{\′}=\frac{{L_0}^{\′}}{l_0}{x}_1;y_2^{\′}=\frac{{L_0}^{\′}}{l_0}{y}_1;$

$x_2^{\′\′}=\frac{{L_0}^{\′\′}}{l_0}{x}_1;y_2^{\′\′}=\frac{{L_0}^{\′\′}}{l_0}{y}_1;$

由于该图像的畸变和色散值刚好与头戴显示器的目镜相反，将该图通过显示器显示，再透过头戴显示器的目镜观看时，畸变和色差都可以得到补偿，最终人眼看到的效果，是如图2中没有任何畸变的正常画面。

若根据上述对应关系直接将原图像中(x1,y1)坐标点中的R、G、B值分别存入其对应坐标点(x₂，y₂)，(x₂′，y₂′)，(x₂〞，y₂〞)中，则在新的图像中可能会出现某些点没有原图的对应关系，体现在图像显示中，这些像素点缺少某种颜色分量，因此在所述步骤(3)中还包括填补遗漏点的步骤，对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点缺少X值，则对该像素点的X值进行填补，其中，X为RGB三种颜色分量的其中一种。补偿后的图像更加还原其真实色彩，避免了图像处理过程中丢失颜色分量的现象。

作为一个优选实施例，为了简化计算方法，提高计算速度，本实施例中优选采用平均值法，也即，对X值进行填补的方法为：将该像素点至少两个相邻点对应的X值进行求平均计算，并将计算结果填补作为该像素点的X值。

同样道理的，若根据上述对应关系直接将原图像中(x1,y1)坐标点中的R、G、B值分别存入其对应坐标点(x₂，y₂)，(x₂′，y₂′)，(x₂〞，y₂〞)中，则在新的图像中可能会出现某些像素点的其中一种颜色分量具有多个值，也即出现了重叠点，为了不影响显示，在所述步骤(3)中，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，还包括针对重叠点进行处理的步骤，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点其中一种颜色分量具有多个值，则将该多个值处理成一个值。

同样作为一个优选实施例，为了简化计算方法，提高计算速度，本实施例中优选采用平均值法，也即，所述的针对重叠点进行处理的方法为，将所述的多个值进行求平均值计算。通过将多个重叠点处理成一个点，可以防止显示输出程序出错，使其输出每幅图像都具有唯一对应的值。

实施例二，基于实施例一中的一种具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，本实施例提供了一种图像显示方法的显示系统，如图8和9所示，包括光学透镜102，设置于光学透镜102前的显示屏101以及连接所述显示屏101的图像调整模块103，所述图像调整模块103包括：

虚拟反转透镜单元,用于根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

畸变系数计算单元，用于根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

图像调整单元，用于接收预显示图像，将所述预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像，输出至所述显示屏。

由于对图像的补偿与该图像经过光学透镜102时的畸变和色散相反，因此，如图9所示，补偿图像经过光学透镜102后，畸变和色差都可以得到补偿，最终人眼看到的效果，是如图9中没有任何畸变和色差的正常画面。

进一步的，所述图像调整单元还用于在将所述补偿图像输出至所述显示屏之前对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，填补遗漏的RGB三种颜色分量；和/或，

所述图像调整单元还用于在得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，对重叠点进行处理。通过本实施例的填补遗漏的RGB三种颜色分量以及对重叠点进行处理，补偿后的图像更加还原其真实色彩，避免了图像处理过程中丢失颜色分量的现象。

本系统也可应用在头戴显示器等近眼显示设备中，但本发明的保护范围不限定本系统的应用环境。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有光学透镜和显示屏的图像显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

(2)、根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

(3)、将一预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像；

(4)、所述补偿图像输出至所述显示屏上显示后，经过所述光学透镜而显示为正常图像。

2.根据权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(2)中，畸变系数的计算方法为：

建立一个反转透镜前的图像物面坐标系，其中，物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高l为该像素点至坐标系中心点的距离，

获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高分别为L，L′，L〞；

则RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数为：

$R:a1=\frac{L}{l};$

$G:a2=\frac{L^{\′}}{l};$

$B:a3=\frac{L^{\′\′}}{l}.$

3.根据权利要求2所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(2)中，不同像素点的畸变系数不同，所述a1、a2、a3为常数数组。

4.根据权利要求2所述的图像显示方法，其特征在于，获得像素点(x1，y1)经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高L，L′，L〞的步骤包括：

根据所述反转透镜的光学参数模拟出所述反转透镜的物像对应关系；

依据所述对应关系输出RGB三种颜色分量在物面坐标系中的原像高以及经过反转透镜后的新像高；

依据RGB三种颜色分量的原像高l₀和新像高L₀、L₀′、L₀〞拟合出RGB三种颜色分量的新像高关于原像高的函数关系，即RGB三种颜色分量畸变前与畸变后像高的函数关系

R:L₀＝f(l₀)；

G:L₀′＝f₁(l₀)；

B:L₀〞＝f₂(l₀)；

依据所述物面坐标系中像素点(x1，y1)的像高以及所述函数关系，获得该像素点经过反转透镜后的RGB三种颜色分量的像高，分别为L＝f(l)，L′＝f₁(l)，L〞＝f₂(l)。

5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的图像显示方法，其特征在于，在步骤(3)中形成补偿图像之前还包括填补遗漏点的步骤，对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点缺少X值，则对该像素点的X值进行填补，其中，X为RGB三种颜色分量的其中一种。

6.根据权利要求5所述的图像显示方法，其特征在于，对X值进行填补的方法为：将与该像素点相近邻的至少两个像素点对应的X值进行求平均计算，并将求平均计算的结果填补为该像素点的X值。

7.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的图像显示方法，其特征在于，在步骤(3)中，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，还包括针对重叠点进行处理的步骤，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，若出现部分像素点其中一种颜色分量具有多个值，则将该多个值处理成一个值。

8.根据权利要求7所述的图像显示方法，其特征在于，所述的针对重叠点进行处理的方法为，将所述的多个值进行求平均值计算。

9.一种应用权利要求1至8中任一项所述的图像显示方法的显示系统，其特征在于，包括光学透镜，设置于光学透镜前的显示屏以及连接所述显示屏的图像调整模块，所述图像调整模块包括：

虚拟反转透镜单元,用于根据所述光学透镜的光学参数虚拟地反转所述光学透镜，得到一个虚拟的反转透镜，所述反转透镜的物像与所述光学透镜的物像是反转的；

畸变系数计算单元，用于根据反转透镜的光学参数分别计算出RGB三种颜色分量经过所述反转透镜后的畸变系数，为a1、a2、a3；

图像调整单元，用于接收预显示图像，将所述预显示图像各像素点分别进行放大a1、a2、a3倍的处理，得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量，形成补偿图像，输出至所述显示屏。

10.如权利要求9所述的显示系统，其特征在于，所述图像调整单元还用于在将所述补偿图像输出至所述显示屏之前对补偿图像中各像素点的RGB三种颜色分量分别进行查找，填补遗漏的RGB三种颜色分量；和/或，

所述图像调整单元还用于在得到所述各像素点畸变后的RGB三种颜色分量之后，形成补偿图像之前，对得到的各像素点畸变后的RGB三种颜色分量分别进行查找，对重叠点进行处理。