增强现实显示虚像参数测量方法研究

作     者：田方旭 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张军

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：增强现实 虚像视场角 虚像视距 虚像边缘判定 空间频率响应 

摘      要：增强现实(AR)显示技术的研发在近年来取得了飞速的进展,但目前的AR器件在用户体验上仍需要进一步改善。正因如此,AR所显示的虚拟图像参数,如虚像视场角(VFOV)、虚像视距(VID)、可视范围(Eyebox)等是器件研发时最主要的设计目标,也是衡量所设计的AR显示系统的功能质量能否达到用户需求的重要指标,故准确、便捷地实现AR显示虚像参数的测量,对于AR器件研发和使用都是不可或缺的一环。但在以往研究中,对于测量虚像光学参数的研究较为简略,存在测量方法和测量标准不明确、多依赖主观判断等问题。本文针对这些问题改进原有测量方法,完成了 AR显示虚像参数测量系统的设计与构建,实现了对AR显示系统VFOV、VID的客观定量测量。针对VFOV测量过程中标准不明确的问题,本文以6类像素亮度统计参数作为虚像边缘判断依据测量了 AR器件的VFOV,实验结果表明:一方面用作虚像边缘判断依据的亮度阈值与VFOV测量结果具有极高的相关性,不同亮度阈值所得平均VFOV测量结果存在11°(V)×7°(H)的差别。另一方面,多次测量中的VID测量误差对VFOV测量的影响要远小于亮度阈值选取的影响,不同VID测量值导致的测量结果平均波动范围为0.95°(V)×1.10°(H)。以不同VID条件下VFOV结果稳定性来看,采用0.64倍的像素亮度算术平均值作为亮度阈值,所得的VFOV测量结果为23.613±0.228°(V)× 42.936±0.360°(H),相对波动仅为0.91%,该结果最为稳定,符合AR镜片的设计预期。针对VID测量中清晰像多依赖于主观判断、未考虑摄影系统的景深的问题,本文通过定量计算同一摄影系统在拍摄虚像和参考实际物体的两个过程中清晰度的相对变化,将VID的测量转换为摄影系统在相应对焦位置时远景距离的测量,实现了对VID更精确地测量。所设计的VID测量系统的测量误差为10mm～40mm,相比于传统方法将理论误差降低到1.6%～6.45%,显著提高了 AR显示系统VID的测量精度。本文所设计的AR显示虚像参数测量系统为研究机构和厂家更准确、便捷地掌握VFOV、VID等参数提供了可行方案,有利于实现AR器件在用户视觉体验和穿戴舒适性的进一步提升,助力AR设备设计和生产工艺的进步。