多通道球面立体视景视觉感知深度精确计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于视景仿真技术领域，具体是指多通道球面立体视景中的立体视觉感知 深度的精确计算方法。本发明主要用于指导多通道球面立体视景图像生成时的视锥体和虚 拟眼点参数设置，以达到准确控制视觉感知距离的目的。
【背景技术】
[0002] 传统多通道视景显示方式的视觉效果主要依赖模型的逼真性，虽然有大型投影系 统来增强仿真系统的沉浸感，并且模型也是三维的，但是输出的视觉图像还是二维平面的， 完全依赖人类的心理视觉因素产生纵深感，在视景的逼真度和沉浸感方面还并不令人满 意，尤其是当视景仿真用于装备模拟训练时，受训人员不能很好地通过眼睛估计空间距离。 而通过立体视景显示，可使受训人员更容易分辨不同目标的相对运动状态和距离，降低训 练者误判的概率。这是因为立体显示技术不仅可以再现生动的立体景象，而且还可以精确 地描绘物体的远近、纵深和图像的现实分布状况，从而使观察者获得更加全面的信息。
[0003] 针对模拟训练装备的视景系统即需要有纵深感、立体感，又要有大视场的要求，通 常需要采用多通道的立体视景。实际上，在模拟训练装备的立体视景图像计算机生成时，需 要准确控制场景的视觉感知深度，尤其是"出屏"的距离，而视觉感知深度又受到各通道立 体图像生成的视锥体形式和大小、显示设备的形态和范围、虚拟眼点位置和眼间距等因素 的影响。
[0004] 在立体影像拍摄中，四川大学的王爱红推导了再现立体深度与拍摄相机间距的关 系，但其是以单通道平面立体显示器为基础，拍摄相机采用对称视锥体而推导出来的。对于 多通道立体视景图像显示，显示设备既可能是平面，也可能是球面，并且计算机生成图像采 用的是非对称视锥体，其立体视觉感知深度需要基于球面特性进行修正，才能准确地控制 多通道立体图像的感知深度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对多通道立体视景系统的球面显示，提出了视 觉感知深度的精确计算方法，以及如何设置多通道球面立体视景图像生成时的非对称视锥 体的左右视偏角。
[0006] 本发明所提出的多通道球面立体视景视觉感知深度精确计算方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤S1，确定球面显示的物理参数；
[0008] 步骤S2,确定人眼的生理参数；
[0009] 步骤S3,设定立体图像生成时的视锥体参数；
[0010] 步骤S4，确定立体场景观察的物点参数；
[0011] 步骤S5，计算观察物点T的视觉感知深度v;
[0012] 步骤S6,计算两眼非对称视锥体的左视角和右视角。
[0013] 所述步骤S1中的球面显示物理参数具体为：
[0014] 1-1)球面显示屏幕的半径r，其特征是，球心到球面任意点的距离；
[0015] 1-2)球面显示的水平长度L，其特征是，人眼在球面显示的球心观察时，人类双眼 重合视域角度P内的球面显示的水平长度i=2Mn(w2)，该水平长度范围内通常包含多个通道 视景图像的显示区域。
[0016] 所述步骤S2中的人眼生理参数具体为人类双眼之间的实际眼间距e，其特征是，成 年人两眼球中心之间的距离。
[0017] 所述步骤S3中的立体图像生成时的视锥体参数具体为：
[0018] 3-1)立体图像生成时的虚拟眼间距d，其特征是，在计算机生成立体图像的空间 中，左右虚拟眼点之间的距离，d的取值可与e数值不同；
[0019] 3-2)立体图像生成时的视锥角2Θ，其特征是，在计算机生成图像时，采用的视锥体 锥角水平角度值。
[0020] 所述步骤S4中立体场景观察的物点参数具体为：
[0021] 4-1)零视点到左右虚拟眼点连线中心的距离Z0,其特征是，立体观察时正好位于 球幕上的特征物点Τ'，在计算机生成立体图像的空间中到左右虚拟眼点连线中心的距离。
[0022] 4-2)观察物点Τ到左右虚拟眼点连线中心的距离ζ，其特征是，需要计算立体观察 视觉感知深度的观察物点Τ，在计算机生成立体图像的空间中到左右虚拟眼点连线中心的 距离。
[0023] 4-3)实际人眼观察的视偏角γ，其特征是，实际双眼的中点与观察物点Τ的连线相 对于双眼连线垂线的偏角。
[0024] 所述步骤S5中观察物点Τ的视觉感知深度ν的计算公式为
其特征是，利用上述步骤S1至步骤S4确定的参数，可计算出观察物点Τ在球面立体显示时， 立体观察到的视觉感知位置到显示球面的距离V。
[0025] 所述步骤S6中的两眼非对称视锥体的左视角和右视角具体计算公式为：
[0026] 6-1)左眼非对称视锥体的左视角α的计算公式$
其特征是， 左虚拟眼点的非对称视锥体相对于两眼连线垂线的左偏角；
[0027] 6-2)左眼非对称视锥体的右视角β的计算公式为
$特征 是，右虚拟眼点的非对称视锥体相对于两眼连线垂线的右偏角；
[0028] 6-3)右眼非对称视锥体的左视角α'的计算公式为α'=β;
[0029] 6-4)右眼非对称视锥体的左视角β'的计算公式为β'=α。
[0030] 本发明的有益效果是将球面立体图像的再现立体深度与获取视差图时虚拟眼点 间距和球面显示尺寸等参数联系起来，为场景中物点的立体深度设定提供了一种精确的计 算方法，提供了非对称视锥体的左右视偏角与虚拟眼间距的关系，以达到最佳的球面立体 显示效果。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明设计的球面立体显示模型；
[0032]图2是本发明采用的虚拟眼点视锥体设置图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图与实施例对本发明进一步详细说明。
[0034]在球幕立体显示中的视场角通常大于180°，需要采用多通道的投影拼接融合，这 就造成了立体显示会产生畸变的现象，因而需要建立新的模型，图1是本发明设计的球面立 体显示模型。
[0035] 以物点&为例，Qi在左右眼两幅视差图上的对应像素点分别为左像素点U和右像 素点Ri，两像素点间的水平距离即水平视差，记为 Pl。人的双眼观看半径为r的球幕上具有视 差的同一物点Qi时便产生了立体感，其立体感知深度vi可以由另
?角定， 其中r为球幕圆弧的半径，观察者眼点位于球幕的圆心位置，e为双眼距离，成年人的双眼间 距一般为65mm。
[0036] 当物点的右像素位于左像素的右侧时呈现正视差，此时物体的深度位于屏幕后， 如物点Qi;当物点的右像素点位于左像素点的左边时呈现负视差，此时物体的深度位于屏 幕前，如物点为双眼的中点与物点的连线相对于双眼连线垂线的视偏角。
[0037]在相同的视差？1下，随着γ?的增大得到的立体感知深度V1也变大。而在平面显示 模型中，只要视差P1相同，立体感知深度也相同，不会受到视差点位置的影响。这也是在球 面显示与平面显示中立体感知深度的差别。
[0038] 计算机生成双眼视差图时，采用图2中的虚拟眼点视锥体设置，左右眼视锥体具有 相同的视域范围，在Z = ZQ所在平面的空间点成像位于显示屏上，也即该平面上的物点水平 视差为零，可以得到设置视锥体左右视场角的偏移量α和β。
[0039] 实施例中：球幕半径r为3.25m，人类双眼重合视域0=1Μ°，球面显示的水平长度L 为5.74m，观察物点Τ与虚拟眼点之间的距离ζ为2.4m，特征物点Τ'与眼点之间的距离ζο为 3.25m，设置虚拟眼睛之间的距离d为0.1m，视锥体的视场角2Θ为80°，观察视偏角γ为0°，成 年人的双眼间距e为65mm。则根据步骤S5,可以计算出观察物点Τ的视觉感知深度ν约为 1.2m，根据步骤S6可以计算出左眼非对称视锥体的左视角α为39.479°，左眼非对称视锥体 的右视角β为40.513°。
【主权项】
1. 多通道球面立体视景视觉感知深度精确计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤S1，确定球面显示的物理参数； 步骤S2，确定人眼的生理参数； 步骤S3，设定立体图像生成时的视锥体参数； 步骤S4,确定立体场景观察的物点参数； 步骤S5,计算观察物点T的视觉感知深度v; 步骤S6,计算两眼非对称视锥体的左视角和右视角。2. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S1中的球面 显示物理参数为球面显示屏幕的半径r和球面显示的水平长度L。3. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S2中的人眼 生理参数为人类双眼之间的实际眼间距e。4. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S3中的视锥 体参数为立体图像生成时的虚拟眼间距d和立体图像生成时的视锥角2Θ。5. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S4中立体场 景观察的物点参数为零视点到左右虚拟眼点连线中心的距离zo、观察物点T到左右虚拟眼 点连线中心的距离z和实际人眼观察的视偏角γ。6. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S5中观察物 点J的视觉感知深度7. 根据权利要求1所述的视觉感知深度精确计算方法，其特征是，所述步骤S6中的左眼 / . . \ 非对称视锥体的左视角α计算公式为?=arCtan ，左眼非对称视锥体的右视角β I J 计算公式为# = 右眼非对称视锥体的左视角α'计算公式为α'=β，右眼 I z〇 J 非对称视锥体的左视角β'计算公式为β'=α。
【专利摘要】本发明公开了一种多通道球面立体视景视觉感知深度精确计算方法，属于视景仿真技术领域，解决了传统的球面立体视差配置和深度控制主要依靠摸索测试的难题，实现了准确的立体深度感计算。本发明综合考虑了球幕显示的物理参数、人眼的生理参数、视锥体参数和立体场景物点参数对视觉感知深度的影响，给出了非对称视锥体左右偏角与虚拟眼间距、零视点距离和视锥角之间的关系。本发明主要用于指导多通道球面立体视景图像生成时的视锥体和虚拟眼点参数设置，可以解决模拟训练装备中立体视景感知距离的控制问题，实现与实装训练距离感的一致性匹配。
【IPC分类】G06T3/00, G06T3/40
【公开号】CN105608665
【申请号】CN201510979433
【发明人】张兵强, 方君, 方伟, 姜本清, 徐涛
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月23日