肖雪同学在新型显示装置研究中取得新进展
头戴式显示器是用于图像显示的移动穿戴设备，在立体显示、虚拟现实及增强现实等领域有着广泛的应用前景。头戴显示器通过光学系统直接将计算机生成的虚拟图像等信息投影到用户眼前。当系统存在光学畸变时，投影的图像产生几何形变，将导致不舒适的视觉效果，甚至可能影响使用者对信息的识别和获取。尤其在大视场角的头戴显示器中，引入的离轴、非对称的光学元件使得光学畸变更为严重和复杂，用于传统的旋转对称光学系统的线性畸变模型及算法也不再适用。因此针对头戴显示器的光学畸变校正具有重要的意义。 本研究室肖雪同学提出一种基于二次单元的局部畸变模型来校正头戴显示器的畸变。此方法原理简单，对畸变的类型没有要求，可以方便地应用于一般的头戴显示器系统，并且无需复杂的数值计算即可得到足够的校正精度。 本文的畸变校正方法包括三个主要步骤：畸变的测量与拟合，生成预畸变图以及畸变的补偿。流程图如图1所示。其中测量畸变时的分割单元为二次三角形单元，拟合时建立的物空间与畸变像空间的局部映射函数是二次多项式。 |
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Fig. 1. Flow diagram of the proposed distortion correction method for head-mounted display (HMD). |
图2为结构分析中常用的两种线性单元：3节点线性单元与4节点线性单元。图3则为6节点的二次单元。线性单元具有直边，节点只在顶点处。与基于线性单元的畸变拟合方法相比，二次单元除了顶点处的节点，还引入了中间节点，有弯曲的几何形状和内部二次的变形函数，从而可以更加准确地近似真实的像面形变。此外，相邻二次单元公共的中间节点保证了校正后图像的连续性。 |
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Fig. 2. (a) A 3-node linear triangular element used for division. (b) The corresponding deformed triangle to approximate the local distortion. (c) A 4-node linear rectangle element used for division. (d) The corresponding deformed quadrilateral to approximate the local distortion. |
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Fig. 3. (a) a 6-node quadratic triangle used for division. (b) The corresponding distorted triangle to approximate the local deformation. |
肖雪同学在实验中验证了所提出的局部二次分割畸变校正方法，并将其与另外两种线性畸变校正方法进行了对比，得到如图4所示的结果。可见，基于二次畸变模型的校正方法收敛速度更快，校正精度更高。使用棋盘格图片及灰度图片作为头戴显示器的输入进行校正，实验结果如图5所示。 |
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Fig. 4. The root mean square error (RMSE) of division models based on three types of elements: three‐node linear triangular, four‐node linear rectangular, and six‐node quadratic triangle and the number of utilized elements varied from 4 to 288 |
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Fig. 5. (a) A distorted checkerboard image. (b) A distorted grayscale image. (c) The distortion-corrected image of (a) by using the quadratic division model with 144 6-node triangular elements. (d) The distortion-corrected image of (b) by using the quadratic division model with 144 6-node triangular elements. |
相关研究的结果以“Division model based distortion correction method for head-mounted displays”为题，整理发表在国际信息显示学会(The Society for Information Display, SID)期刊杂志Journal of the Society for Information Display. 2019。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1002/jsid.754 |
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(2019.01.29)
