CN105049833B - 一种采用对称可调式背光结构的立体视检查方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用对称可调式背光结构的立体视检查装置，包括对称可调式背光装置、瞳孔位置跟踪模块、同步信号提取模块、信号处理模块、图像显示屏；对称可调式背光装置包括对称可调式光学组件、可寻址光源组件；其中，对称可调式光学组件又包括导光模组和对称可调式成像模组，导光模组包括：聚光镜、导光器件和三角棱镜，对称可调式成像模组(M)包括：透镜、透镜切换装置、折光镜、分光镜和折光反射镜；信号处理模块根据接收到的瞳孔位置信息和视频同步信号，控制可调式背光结构中的可寻址光源组件。在显示左图像的同时，信号处理模块根据左眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在左眼瞳孔处汇聚；在显示右图像的同时，信号处理模块根据右眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在右眼瞳孔处汇聚。
Description
一、技术领域
本发明涉及信息显示技术领域，特别是采用一种对称可调式背光结构的立体视检查装置。
二、背景技术
立体盲是指立体视觉缺欠。人的立体感是这样建立的：双眼同时注视某物体，双眼视线交叉于一点，叫注视点，从注视点反射回到视网膜上的光点是对应的，这两点将信号转入大脑视中枢合成一个物体完整的像。不但看清了这一点，而且这一点与周围物体间的距离、深度、凸凹等等都能辨别出来，这样成的像就是立体的像，这种视觉叫立体视觉。人的双眼视觉功能一旦发生障碍缺乏立体视觉时，对外部空间的景物深度和距离就无法判断，这样的病症称为立体盲(立体盲的发病率为2.6％，立体视觉异常则高达30％)。立体盲是近十年来才被生物学家发现的一种眼病，它是一种比夜盲、色盲及色弱更严重的眼科疾病。患有立体盲者不能从事飞行员，机车司机等工作。色盲为先天性色觉障碍，色盲患者不能分辨自然光谱中的各种颜色或某种颜色；对颜色的辨别能力差的则称色弱。色弱患者，虽然能看到正常人所看到的颜色，但辨认颜色的能力迟缓或很差。
传统的立体盲的检测方法有立体视觉计检查法，立体视觉检查图检查法，实体镜检查法，偏振光实验检查法。目前有一些用于立体检测盲检测的检查图，如中国专利CN102529470A。上述的测试方法都存在检测样本单一，检测距离受限，存在单眼线索等问题。
现有的立体显示实现方式主要有视差立体，体立体和全息立体三种。其中体立体和全息立体都存在单眼线索的问题，而视差立体是将两幅不同的图片分别投射到人的左右眼中，在大脑的融合而形成立体视觉，因此视差立体有其得天独厚的优势用于立体盲的检测。传统的视力检查方式，例如近视视力测试、色弱及色盲测试需要多个检查设备，便携性差。立体盲检测需要克服上述技术中的不足。
三、发明内容
本发明的目的是，为了解决在立体盲检测过程中检测样本单一，检测距离受限，存在单眼线索等问题，而提出了一种采用对称可调式背光结构的可多距离观看的立体视检查装置。本发明通过以下技术手段实现。瞳孔位置跟踪模块获得观看者瞳孔位置信息，信号处理模块在接收到瞳孔位置信息和视频同步信号之后，控制对称可调式背光结构将相应的左右图分别投射到观看者的左右瞳孔，使观看者的左眼只能看到图像显示屏上的左图像，右眼只能看到图像显示屏上的右图像。
本发明的技术方案：一种对称可调式背光结构的多距离观看的自由立体测试装置，包括对称可调式背光装置、瞳孔位置跟踪模块、同步信号提取模块、信号处理模块、图像显示屏；对称可调式背光装置包括对称可调式光学组件、可寻址光源组件；其中，对称可调式光学组件又包括导光模组和对称可调式成像模组，导光模组包括：聚光镜、导光器件和三角棱镜；对称可调式成像模组(M)(包括：透镜、透镜切换装置、折光镜、分光镜和折光反射镜)；信号处理模块根据接收到的瞳孔位置信息和视频同步信号，控制可调式背光结构中的可寻址光源组件。在显示左图像的同时，信号处理模块根据左眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在左眼瞳孔处汇聚；在显示右图像的同时，信号处理模块根据右眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在右眼瞳孔处汇聚；本发明是一种对称可调式背光结构的多距离观看的自由立体测试装置。
采用导光模组实现光线的传导，从可寻址光源组件中发出的光线，经过由聚光镜、导光器件、三角棱镜组成的导光模组；从导光模组发出的光线经过分光镜实现了光线的分离，一半的光线投射到上面的折光反射镜，分光后的一半光线经过折光反射镜的反射汇聚；另一半的光线投射到下面的折光反射镜反射汇聚；导光模组发出的光线光路的垂直位置固定有二到五个不同焦距的透镜或透镜组和透镜切换装置，通过透镜切换装置使不同的透镜处于所述光线光路中；对称可调式成像模组实现不同距离所对应的透镜组合。透镜切换装置的应用，达到了不同的光学效果，实现了观看者可以在不同距离观看立体效果。
用对称式背光结构将可寻址光源组件发出的光线在某个距离汇聚成观看窗口；在不同观看距离，观看窗口宽度与发光单元长度成固定的比例关系，比例常数为β1，β2，β3，即分别代表不同距离的比例常数；
上式中，W表示观看窗口的宽度，w表示发光单元的宽度，T表示两个观看窗口之间的距离，t表示两个发光单元之间的距离。
为了实现良好的立体显示效果，观看窗口宽度W和两个观看窗口之间的距离T需要保持在一定的范围之内，因此当β发生变化之后，对称可调式成像模组中的透镜切换装置需要进行透镜切换。
装置采用对称可调式背光结构为图像显示屏提供同步背光。调节对称可调式光学组件中的透镜切换装置，实现了对称可调式成像模组中的不同透镜组合，配合可寻址光源组件发出的光线，经过对称可调式光学组件之后在不同位置实现了汇聚及形成观看窗口，因而观看者可以在不同的距离观看到立体效果。采用导光模组实现光线的传导。从可寻址光源组件中发出的光线，经过由聚光镜、导光器件、三角棱镜组成的导光模组，有效的增加了光程。导光器件应用全反射原理，有效的缩小了光线的发散角度和传输损失，提高了光线利用率。
采用多透镜组合的方式实现了光线在不同距离汇聚的效果。可寻址光源组件发出的光线，经过多透镜组合之后，结合透镜切换装置实现了光线在不同距离的汇聚，从而实现了立体效果。
采用同步信号提取模块。提取视频的同步信号之后，对信号进行整理和去噪。为了实现模块互联，对信号幅值进行了限制，同时进一步提高了信号质量，提高了***的稳定性。
采用可寻址光源组件。信号处理模块接收来自瞳孔位置追踪模块的瞳孔位置信息后，将可寻址光源组件中对应位置的发光单元点亮。信号处理模块接收来自同步信号提取模块的图像显示屏同步信号，分时点亮可寻址光源组件中的发光单元。在显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到右图像；同理，在显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到左图像。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种采用对称可调式背光结构的可多距离观看的自由立体测试装置与现有技术相比，其显著优点是：
1、采用对称可调式背光结构，大大增强了背光均匀性和亮度；
2、通过调节透镜切换装置，实现了在不同距离观看到立体效果；
3、采用同步信号提取模块和对称可调式背光结构，具有良好的成像质量，大大降低了立体串影；
4、采用导光器件，结构紧凑、小巧，携带方便；
5、采用瞳孔位置追踪模块，无需佩戴辅助设备；
6、播放片源为具有视差的左右图像高清视频。显示图像无分辨率降低，具有很强的立体效果；
7、可自由实现2D和3D切换，适用性强。检测样本丰富、可多距离观看、结构紧凑、高清等。
四、附图说明
图1是一个实施实例的整体结构侧视图，虚线部分M为对称可调式成像模组；
图2是自由立体测试装置原理立体图；
图3是对称可调式背光结构可多距离观看原理图；
图4是聚光镜原理图；
图5是导光器件原理图；
图6是三角棱镜原理图；
图7是菲涅尔透镜原理图；
图8是透镜切换装置原理图；
图9是分光镜原理图；
图10是折光反射镜原理图；
图11是可寻址光源组件原理图；
图12是信号处理模块框图。
五、具体实施方式
图1中，对称可调式背光结构的多距离观看的自由立体测试装置包括发光单元1、聚光镜2、导光器件3、三角棱镜4、三角棱镜5、导光器件6、三角棱镜7、透镜切换装置8、透镜9、透镜10、透镜11、分光镜12、折光镜13、折光镜14、透镜15、透镜16、折光镜17、折光镜18、LCD显示屏20；图3对称可调式背光结构可多距离观看原理图；图7菲涅尔透镜原理图；图3、7中：对称可调式成像模组M、发光单元宽度w、发光单元阵列中心距离t、观察窗口宽度W、观察窗口之间距离T、观看者位置A、观看者位置B、发光单元到对称可调式背光结构的距离U、最佳观看距离V(A)、最佳观看距离V(B)、虚像物距V′。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明的基本思想是利用时分原理实现立体效果。有必要在此指出的是，以下实施实例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术成熟人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
一种对称可调式背光结构的可多距离观看的自由立体测试装置，整个装置由对称可调式背光结构、观看者位置追踪模块、同步信号提取模块和图像显示屏构成。在本实施实例中，图像显示屏采用的是LCD(120HZ)显示器。对称可调式背光结构包括对称可调式光学组件、可寻址光源组件。其中，对称可调式光学组件又包括导光模组(包括：聚光镜、导光器件和三角棱镜)和对称可调式成像模组(包括：透镜、透镜切换装置、折光镜、分光镜和折光反射镜)。
***整理原理如下：信号处理模块接收来自同步信号提取模块的视频同步信号，在左图像显示的同时，点亮可寻址光源组件中与左图像相对应的发光单元，为图像提供同步背光；在右图像显示的同时，点亮可寻址光源组件中与右图像相对应的发光单元，为图像提供同步背光。信号处理模块接收来自瞳孔位置追踪模块的人眼位置信息，点亮可寻址光源组件中相应的发光单元。获得左眼信息之后，点亮可寻址光源组件中左眼相对应的发光单元，光线经过对称可调式背光结构之后，在左眼位置处实现汇聚，形成观察窗口。同理，获得右眼信息之后，点亮可寻址光源组件中右眼相对应的发光单元，光线经过对称可调式背光结构之后，右眼位置处实现了汇聚，形成观察窗口，如图2。对称可调式成像模组中的透镜切换装置可以实现不同透镜的组合，配合可寻址光源组件中的发光单元，实现了在不同距离的光线汇聚，使观看者可以在不同的距离观看到立体效果。
采用可寻址光源组件。信号处理模块接收来自瞳孔位置追踪模块的瞳孔位置信息后，将可寻址光源组件中对应位置的发光单元点亮。信号处理模块接收来自同步信号提取模块的图像显示屏同步信号，分时点亮可寻址光源组件中的发光单元。在显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到右图像；同理，在显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到左图像。
基于以上基本原理，所述的对称可调式背光结构(如图1)包括对称可调式光学组件和可寻址光源组件。在本实施实例中，可寻址光学组件由一系列的高亮LED紧密排列组成(如图11)，配合驱动电路实现任意LED的亮灭。从高亮LED发出的光线，经过聚光镜(2)可以实现光线在YZ平面的压缩，在本实施实例中采用棱柱镜实现光线的压缩(如图4)，将发散的光线压缩成***行光。经过压缩的光线进入到导光模组中的导光器件(3、6)，在本实施实例中采用导光板，利用其全反射棱镜传送原理(如图5)实现了光线的无损传播。光线从导光板进入到三角棱镜中(4、5)，实现了光线方向的翻转，最终从三角棱镜(7)中发出。
在本实施实例中，从导光模组发出的光线经过分光镜实现了光线的分离，一半的光线投射到上面的反射镜，光线翻转之后经过折光反射镜的反射实现了光线在特定距离的汇聚；同理，一半的光线投射到下面的反射镜。在垂直机械结构上面固定有三个透镜，通过透镜切换装置可以使不同的透镜处于光路中。透镜切换装置的应用，达到了不同的光学效果，实现了观看者可以在不同距离观看立体效果。汇聚采用的透镜为菲涅尔透镜。通过两种菲涅尔透镜的组合，实现了光线在不同距离的汇聚。两种菲涅尔透镜组合相当于单个菲涅尔透镜的效果，下面以单个菲涅尔透镜透镜进行说明。
在菲涅尔透镜一倍焦距内放置高亮LED(1)，经过菲涅尔透镜在远处形成虚像。点亮LED位置的不同，虚像的位置也不同(如图7)。虚像像距与物距U具有如下关系：
其中f是菲涅尔透镜的焦距，本实施实例中，菲涅尔透镜15和菲涅尔透镜16的参数相同，菲涅尔透镜9、菲涅尔透镜10和菲涅尔透镜11的焦距各不相同。通过调节透镜切换装置(如图8)，实现了不同的菲涅尔透镜组合，使光线在不同的距离汇聚，达到多距离观看的效果。如图3所示，简略起见，以两种距离进行说明，调节透镜切换装置的同时配合高亮LED，实现了在不同距离光线的汇聚。
在本实施实例中，采用了分光镜(棱镜)作为分光器件(如图9)，实现了光线的分离，很大程度上提高了亮度均匀性。光线从上下两个方向传播，通过反光镜13、14，菲涅尔透镜15、16，反光镜17、18，实现了光线的翻转。最终投射到折光反射镜上(如图10)，经过LCD显示器(20)之后，实现了光线的汇聚。同步信号提取模块电路可以参照本申请人的在先申请。
在本实施实例中，瞳孔位置跟踪模块由软件和硬件组成。硬件包括三个不同焦距的摄像头，分别对应不同的观看距离。采用Adaboost算法进行候选点的检测，然后采用基于SIFT特征的ASM(Active Shape Model)算法进行人脸的精确定位。其可用的算法如下：
1、人脸定位。人脸定位方法有基于SIFT特征的ASM人脸定位。传统的ASM算法采用局部特征点的灰度信息进行计算马氏距离，拟合精度不高，旋转鲁棒性差。因此采用SIFT(尺度不变特征变换)特征作为ASM算法的局部特征点。SIFT是一种基于空间尺度的、对图像缩放、旋转甚至仿射变换保持不变的图像局部特征描述算子，对于人脸的状态变化，场景所处的环境及成像器材特性都有很好的适应性。
2、瞳孔位置跟踪。通常情况下，瞳孔的位置变化不快，利用这一特性可以实现瞳孔位置的快速检测及预测。利用瞳孔位置变化不快这一特性，检测算法可以在上一帧中的瞳孔位置周围进行检测，缩小检测范围。利用瞳孔的连续位置信息，可以对下一帧中瞳孔可能出现的位置进行预测，同样缩小了检测范围。Kalman算法、TLD算法都是常用的跟踪算法。
在本实施实例中，信号处理模块采用AVR单片机，通过串口与瞳孔位置跟踪模互联，通过排线与同步信号提取模块(如图12)实现互联。信号处理模块根据接收到的瞳孔位置信息和视频同步信息，控制可寻址光源组件中高亮LED的亮灭。具体的***框图如图12。未详细描述的涉及的具体方案可以参照本申请人(发明人)的如下专利申请：201310615833.4基于混合投影的瞳孔定位方法，201310627291.2基于运动相关性的瞳孔位置滤波方法，201310612559.5平板化无辅助立体显示装置及方法。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (4)
1.一种采用对称可调式背光结构的立体视检查装置，其特征是包括对称可调式背光装置、瞳孔位置跟踪模块、同步信号提取模块、信号处理模块、图像显示屏；对称可调式背光装置包括对称可调式光学组件、可寻址光源组件；其中，对称可调式光学组件又包括导光模组和对称可调式成像模组，导光模组包括：聚光镜、导光器件和三角棱镜，对称可调式成像模组(M)包括：透镜、透镜切换装置、折光镜、分光镜和折光反射镜；信号处理模块根据接收到的瞳孔位置信息和视频同步信号，控制可调式背光结构中的可寻址光源组件；在显示左图像的同时，信号处理模块根据左眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在左眼瞳孔处汇聚；在显示右图像的同时，信号处理模块根据右眼瞳孔位置信息将相应的发光单元点亮，实现光线在右眼瞳孔处汇聚；采用导光模组实现光线的传导，从可寻址光源组件中发出的光线，经过由聚光镜、导光器件、三角棱镜组成的导光模组；从导光模组发出的光线经过分光镜实现了光线的分离，一半的光线投射到上面的折光反射镜，分光后的一半光线通过折光反射镜进行反射汇聚；另一半的光线投射到下面的折光反射镜反射汇聚；导光模组发出的光线光路的垂直位置固定有二到五个不同焦距的透镜或透镜组和透镜切换装置，通过透镜切换装置使不同的透镜处于所述光线光路中；对称可调式成像模组实现不同距离所对应的透镜组合；
用对称式背光结构将可寻址光源组件发出的光线在某个距离汇聚成观看窗口；在不同观看距离，观看窗口宽度与发光单元长度成固定的比例关系，比例常数为β1，β2，β3，即分别代表不同距离的比例常数；
<mrow>
<mfrac>
<mi>W</mi>
<mi>w</mi>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>T</mi>
<mi>t</mi>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
上式中，W表示观看窗口的宽度，w表示发光单元的宽度，T表示两个观看窗口之间的距离，t表示两个发光单元之间的距离。
2.根据权利要求1所述的采用对称可调式背光结构的立体视检查装置，其特征是所述的对称可调式背光结构，为图像显示屏提供同步背光；调节对称可调式光学组件中的透镜切换装置，实现了对称可调式成像模组中的不同透镜组合，配合可寻址光源组件发出的光线，经过对称可调式光学组件之后在不同位置实现了汇聚及形成观看窗口，因而观看者可以在不同的距离观看到立体效果。
3.根据权利要求1所述的采用对称可调式背光结构的立体视检查装置，其特征是采用同步信号提取模块，提取视频的同步信号之后，对信号进行整理和去噪。
4.根据权利要求1所述的采用对称可调式背光结构的立体视检查装置，其特征是对称可调式背光结构，采用可寻址光源组件；信号处理模块接收来自瞳孔位置追踪模块的瞳孔位置信息后，将可寻址光源组件中对应位置的发光单元点亮；信号处理模块接收来自同步信号提取模块的图像显示屏同步信号，分时点亮可寻址光源组件中的发光单元；在显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到右图像；同理，在显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，即观看者只能看到左图像。
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