Head-Mounted Display(HMD)是实现虚拟现实 (VR)的主要技术形式,而可视化VR图像的色温还原还有待解决。为了消除HMD干扰源的感知差异,基于色度学理论分析了OLED(Organic Light-Emitting Diode)光源下的色温与光谱面积比例的关系,研制出了性别差异下补偿色温偏好的光学滤光膜。结合Matlab工程计算软件,利用最小二乘法-高斯牛顿迭代法进行光谱数据离散点函数的曲线拟合,逆向推导出OLED光源下的色温与光谱面积比例之间的转换关系。通过分析材料的光学特性,结合光学薄膜理论,利用Essential Macleod薄膜设计软件对膜层敏感度进行了分析;通过减小误差并优化膜系结构,实现了色温滤光膜的制备。采用电子束加热蒸发的方法制备薄膜,通过晶控精确控制薄层及敏感层的沉积厚度,减小了实验误差。分别对两种膜系进行了光谱、表面粗糙度及环境检测,结果表明,所提滤光片可以将OLED光源下的色温调整至4876 K及9333 K,解决了性别差异下HMD中的色温偏好问题,还原了VR可视化色彩。

增强现实头盔显示器(HMD)需要两个或更多焦平面,用以显示不同焦距上的画面,既能增强景深效果又能减少单焦面带来的视觉辐辏冲突及不适感。较为传统的解决办法是使用两块分离的图像生成单元(PGU)分别显示两个焦面的内容,增加了成本,降低了可靠性并且体积庞大。使用单个图像生成单元和单个自由曲面棱镜设计了一个新的结构,在图像生成单元上设置两个分开的区域,并通过平面反射镜将其中一个图像区域中继到新的较远位置以实现双焦面显示,最终得到一个视场角为18°×16°,出瞳直径为8 mm,波长为540~640 nm,出瞳距大于15 mm,焦距为95.2 mm和35.2 mm的双焦面头盔显示光学系统。

针对视觉式头部姿态测量系统存在编码特征点安装空间需求大的问题, 设计一种结构简单、需求空间小的瞄准线测量方法。使用定位摄像机拍摄头盔上的编码特征点图像, 计算机对图像进行解析和计算, 结合正交迭代(OI)算法解算头部姿态。根据编码特征点随意布局特点进行了多组多次的仿真分析, 仿真数据表明此方法是合理、有效的, 利用小空间布局的编码特征点可以解算出高精度瞄准线。

针对头盔瞄准线快速、精准测量的要求，研究一种全新的综合瞄准线测量方法。在电磁瞄准线测量基础上，增加微惯性测量技术，实现头部姿态的高精度、快速、实时测量。通过卡尔曼滤波算法以及微惯性器件零偏估计，将电磁和惯性测量技术融合在一起进行综合瞄准线测量。根据瞄准线测量原理建立有效的数学模型，并用实物搭建实验平台进行测试和验证。实验结果表明，惯性和电磁综合瞄准线测量技术可以快速、有效地计算出高精度瞄准线。

针对头盔显示器(HMD)的头部姿态检测系统中单一传感器进行头部姿态解算准确度低、精度粗略的问题, 提出了一种基于MARG传感器的头部姿态解算方法。将互补滤波与PI算法相结合估算陀螺仪的漂移误差, 再通过扩展卡尔曼滤波(EKF)实现姿态数据融合。设计了由CC1310、陀螺仪、加速度计和磁强计组成的头部姿态检测单元进行测试实验。与单独的EKF对比, 结果表明, 这种算法对陀螺仪自身的漂移和加速度计噪声有抑制作用, 提高了头部姿态解算的精度和稳定性。

针对运动平台上头部姿态测量问题, 提出一种可以获得更快测量速度、更高测量精度的综合测量方法。通过卡尔曼滤波将分别由视觉测量和微惯性测量得到的头部姿态数据进行数据融合。利用视觉测量对微惯性测量进行校正, 综合了视觉测量方法误差不随时间变化与微惯性测量方法测量速度快、测量范围大的优点, 抑制了惯性测量随时间累积产生的无约束发散误差, 克服了视觉测量方法范围受限、容易受到干扰的缺点, 并经过试验分析与仿真, 得到了验证。

头盔显示器在现代空战技术中发挥越来越重要的作用, 新型双目数字式头盔显示器具备更广的视场范围和更高的分辨率, 更加适用于飞行和作战需求。但其光学系统的离轴角度更大, 画面畸变情况更为严重, 现有的单目数字图像畸变校正技术并不能完全适应和满足。设计应用于双目数字式头盔显示器的双目数字图像实时预畸变校正系统, 提出双目空间索引坐标逐像素交叉存储、DDR3优化存储的方案, 并采用适应性平滑滤波解决经过畸变校正系统显示图形边缘锯齿感较强的问题, 实现了小型化、低功耗的实时畸变校正系统。

头盔瞄准数字显示界面的设计关系到飞行员的认知绩效。由于头盔瞄准界面透视显示的特殊性, 其实时变化的背景对于前景色的选取提出了新的要求。通过实验手段, 以游标敏锐度为测量方法, 通过反应时间和正确率的数值, 在典型天空背景样本中对比了前景字符在明度和饱和度两个维度上的相对较优值。实验发现, 头盔瞄准界面在白天和全天候使用状况下, 字符色彩HSB值(120° 33% 33%)和(120° 99% 33%)的色彩识别性较好; 在夜间使用情况下, 字符色彩HSB值(120° 33% 66%)的色彩被识别性较好, 为头盔瞄准界面色彩设计提供了科学的依据。

针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求, 选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线, 利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列, 以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜, 形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割, 形成矩形光斑, 并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明: 与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比, 采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%, 背光亮度提高了96.4%, 非均匀性由23.8%略提高到23.1%, 半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直, 易形成高亮度的均匀矩形光斑, 满足头盔显示器液晶像源背光的要求。

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标, 为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难, 提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先, 分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理, 指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着, 提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差, 完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3°(H)×80°(V), 最大相对畸变为6.97%, 出瞳直径8 mm, 点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8°时, 双目视场范围为122.3°(H)×80°(V), 双目重叠视场为90.3°(H)×80°(V), 瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明: 相比双椭球结构, 系统成像质量得到较大提高; 视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。