基于凸透镜/凹面镜的车头盲区透视虚拟显示设备及方法
技术领域
本发明涉及一种透视虚拟显示设备，尤其涉及车头盲区透视虚拟显示设备及使用方法。
背景技术
交通工具的驾驶需要驾驶人具备对交通工具及其周围环境的观察感知能力，以帮助驾驶人准确判断本人所驾驶的交通工具的大小、形状、位置、方向、速度、行驶轨迹以及周围障碍物的种类、数量和距离等相关信息，使驾驶人能够准确及时的操作交通工具正常行驶。目前大多数交通工具的驾驶舱都存在一些观察盲区。
以汽车为例，汽车驾驶舱存在车头盲区、车尾盲区、后视镜盲区、AB柱盲区等诸多盲区，限制了驾驶人对周围环境的观察感知能力，使驾驶人不能准确的判断盲区内的情况以及车身在盲区内的位置，同时驾驶人不能准确直观的判断自己的左右车宽、车头位置、行驶轨迹等相关信息，对驾驶造成一定困扰，存在一定的驾驶安全隐患。现有的一些盲区可视化装置基本是采用摄像装置采集相应盲区位置的视频图像，以平面或3D的方式显示在驾驶舱内的屏幕上，在较近的视距内提供给驾驶人观看，驾驶人观看时需要转移视线及调整视距，这种观看方式不够直观方便，并且驾驶人在观察屏幕时视线会离开前方路况，在高速行驶时存在安全隐患。
中国实用新型专利公开号CN204605659U公开了贴敷包被于汽车驾驶室A、C柱消除盲区的视频显示装置，根据汽车驾驶室A、C柱的柱形特点，利用异形显示技术将柔性显示屏设计成贴敷、包被于汽车驾驶室A、C柱内表面的显示装置，每一显示装置在车体外相对应位置配置一个微型红外高清摄像机镜头，与车内显示屏构成一组相对独立的视频即时显示单元，各独立单元组合成一整套汽车驾驶室消除A、C柱盲区视频即时显示装置，该装置是利用柔性显示屏直接显示实时视频，视距较近不适用于显示车头盲区路况，又如中国发明专利公开号CN107662542A公开了低能见度条件下可透视道路实况的抬头显示装置，包括光学投影装置、双目视差棱镜、第一反光镜、第二反光镜、红外摄像头、汽车前档风玻璃、自动调光电路板，其中的光学投影装置由反光碗、三基色LED灯、第一双凸透镜、电风扇、电源控制电路板、第一菲涅尔镜片、液晶显示屏、第二菲涅尔镜片、直角全反射棱镜、第二双凸透镜、双凹透镜、第三双凸透镜、金属铝盒组成。其结构复杂，生产维护成本都很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于凸透镜/凹面镜成像规律的驾驶舱盲区透视虚拟显示设备，帮助驾驶人透过车体观察到位于盲区的车体外的路况、车体在路面上的宽度、车体在路面上的位置、车头的位置、车辆的行驶轨迹等与驾驶相关的各类信息，驾驶人可根据通过透视虚拟显示设备观察到相关信息准确操控驾驶车辆，提高驾驶安全。
本发明的技术方案是：基于凸透镜/凹面镜的车头盲区透视虚拟显示设备，它包括：凸透镜/凹面镜；至少一个图像显示器，所述图像显示器位于所述凸透镜/凹面镜光线输出侧的一倍焦距之内且显示待成像目标的图像，所述图像显示器通过凸透镜/凹面镜形成的虚像投射于车头盲区内与待成像目标融合；容器；所述容器将凸透镜/凹面镜和图像显示器容纳在内且让出供凸透镜/凹面镜和图像显示器成像光路的空间。
上述方案中它包括：凸透镜；一个图像显示器；容器；所述容器将凸透镜和图像显示器容纳在内且让出供凸透镜和图像显示器成像光路的空间。
上述方案中它包括：凸透镜；间隔分布的第一图像显示器和第二图像显示器，所述第一图像显示器靠近凸透镜且为透明材质，所述第二图像显示器远离凸透镜；容器；所述容器将凸透镜和图像显示器容纳在内且让出供凸透镜和图像显示器成像光路的空间。
上述方案中它包括：凹面镜；一个图像显示器；容器；所述容器将凹面镜和图像显示器容纳在内且让出供凹面镜和图像显示器成像光路的空间。
上述方案中它包括：凹面镜；间隔分布位于凹面镜凹面侧的第一图像显示器和第二图像显示器，所述第一图像显示器靠近凹面镜且为透明材质，所述第二图像显示器远离凹面镜；容器；所述容器将凹面镜和图像显示器容纳在内且让出供凹面镜和图像显示器成像光路的空间。
上述方案的改进是所述凸透镜/凹面镜的上方设有阻止上方光线进入容器内的遮光板。
上述方案的进一步改进是所述凸透镜/凹面镜的光线进入侧设有减少外界光线进入凸透镜/凹面镜的半透光和/或半反射板。
上述方案中所述凸透镜是平凸透镜、双凸透镜或菲涅尔透镜。
上述方案中所述图像显示器的显示亮度可调。
基于凸透镜/凹面镜的车头盲区透视虚拟显示设备的使用方法，它包括以下步骤：将车头盲区透视虚拟显示设备置于驾驶室前挡风玻璃下方，图像显示器实时采集车头盲区的影像并经过处理后形成待投射的图像，人眼通过凸透镜/凹面镜观察到待投射的图像在车头盲区显示的虚像，该虚像与车头盲区的实际影像完全融合，使驾驶员可以无需切换视线即可透过车头看到车头盲区的情况。
本发明的有益效果是该透视虚拟显示设备所显示的透视虚拟图像与前方路况融为一体，驾驶人无需转移视线和调整视距就可以同时兼顾观察前方路况和透视屏幕，观察直观舒适，在更加及时便捷的获得驾驶所需的各类信息的同时，还能够减缓驾驶人眼部疲劳，进一步提升驾驶安全。
附图说明
图1为凸透镜成像规律原理图；
图2为凹面镜成像规律原理图；
图3为凸透镜透视虚拟显示设备结构示意图；
图4为凹面镜透视虚拟显示设备结构示意图；
图5为透视虚拟显示设备光路结构反射折叠示意图；
图6为透视虚拟显示设备汽车应用示意图；
图7为透视虚拟显示设备汽车应用驾驶人视角示意图；
图中，1、容器；2、镜体；3、虚像；4、物体；5、第2图像显示器；6、第2虚像；7、第1图像显示器；8、第1虚像；9、第2实物面；10、第1实物面；11、深色半透光和/或半反射板；12、不透光遮光板；13、镜面反射板；14、半透光半反射镜面板；15、车头盲区；16、路面车道线；17、第1虚像中透视显示的路面车道线的虚像；18、第1图像显示器中采集处理后的路面车道线的显示图像；19、第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像；20、第1图像显示器中处理叠加的虚拟车轮行驶轨迹的显示图像；21、第1虚像中叠加显示的虚拟导航信息的虚像；22、第1图像显示器中叠加虚拟导航信息的显示图像；23、第2虚像中虚拟指示汽车左前大灯位置的虚像；24、第2图像显示器中虚拟指示汽车左前大灯位置的显示图像；25、第2虚像中虚拟指示汽车车头中间位置车辆品牌标志的虚像；26、第2图像显示器中虚拟指示汽车车速信息的显示图像；27、第2虚像中虚拟指示汽车车速信息的虚像；28、第2图像显示器中虚拟指示汽车车头中间位置车辆品牌标志的显示图像；29、第2图像显示器显示的图像；30、第1图像显示器显示的图像；F、焦距。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图像显示器所显示的图像基于凸透镜/凹面镜成像规律在镜体内形成与所需被透视观察到的物体或所需被虚拟显示的物体的大小、形状、位置、角度、距离、方向、色彩、亮度等参数完全一致且重合的虚像。
所述的图像显示器根据所需被透视观察的物体和/或所需被虚拟显示的物体的形状可以是包括但不限于点状、线状、面状、立体形状的显示装置，可显示平面和/或立体的图像，所显示的图像可以是静态影像和/或动态影像。
凸透镜包括但不限于平凸透镜、双凸透镜、菲涅尔透镜等。
图像显示器可以是透明和/或不透明显示器。
图像显示器的显示亮度可根据环境光线强度变化实时调整，使图像显示器始终保持最利于驾驶人观察的显示亮度。
图像显示器的数量可以为1个或多个，多个图像显示器可同时形成多个不同位置距离的虚像。
本设备的光路可通过镜面反射材料和/或镜面半反射半透射材料进行多次反射以改变设备形状和/或减小设备体积。
本设备可采用镜面半反射半透射材料将不同距离位置的多组图像显示器整合到一组光路中，以显示不同距离位置多层次的虚像。
本设备可在所需相应位置处虚拟和/或叠加显示包括但不限于相应物体、行驶轨迹、仪表盘参数、前视和或后视影像、倒车影像、地图导航、通讯信息等与驾驶及驾驶人相关的各类信息。
镜体前可设置一块深色半透光和/或半反射板，以减少外界光线进入镜体产生的反光，提升设备显示质量。
镜体前上方可设置一块不透光遮光板，遮挡来自上方的光线进入显示设备内，防止入射光线造成镜体反光而影响设备显示质量。
根据图1和图2所示的凸透镜/凹面镜成像规律原理图，设置于镜体一倍焦距以内位置的物体4根据凸透镜/凹面镜成像规律在比物距更远的像距位置形成一个与像距/物距等比例大的放大虚像3，该虚像3上的每一个点的像距位置都与物体4上对应的每一个点的物距位置呈一一对应关系。若需得到与虚像3的大小和距离等完全相同的物体的虚像(即虚像3)，则需根据凸透镜/凹面镜成像规律，将与该物体的大小和距离完全重合的虚像3上的每一个点都对应到镜体一倍焦距以内的相应位置，所有的对应点集合起来会与物体4完全重合，在物体4位置处设置图像显示器，该图像显示器所显示的图像与物体4尺寸大小形状完全相同，则可在虚像3位置处形成与虚像3尺寸大小形状完全相同的虚像。
图3为凸透镜透视容器1结构示意图，该示例中透视容器1由凸透镜镜体2以及第1图像显示器7和第2图像显示器5构成；观察者、凸透镜镜体2、第2图像显示器5、第1图像显示器7、实物面9和实物面10构成一个光路，此处第2图像显示器5为透明的图像显示器，使视线可以穿过第2图像显示器5观察到第1图像显示器7，第1图像显示器7可以是透明的图像显示器或不透明图像显示器；第1图像显示器7可形成第1虚像8，第1虚像8与第1实物面10完全重合；第2图像显示器5可形成第2虚像6，第2虚像6与第2实物面9完全重合；视线透过透视容器1可穿过第2实物面9观察到与第2实物面9完全重合的第2虚像6以及与第1实物面10完全重合的第1虚像8，达到视线透过障碍物观察到第2实物面9和第1实物面10的透视效果。透视容器1在凸透镜镜体2前上方设置了不透光遮光板12，遮挡来自上方的光线进入显示设备内，防止入射光线造成镜体反光而影响设备显示质量；凸透镜镜体2前设置一块深色半透光和/或半反射板11，以减少外界光线进入镜体产生的反光，提升设备显示质量。
图4为凹面镜透视容器1结构示意图，该示例中透视容器1由凹面镜镜体2以及第1图像显示器7和第2图像显示器5构成；观察者、凹面镜镜体2、实物面9和实物面10构成一个光路，由于凹面镜的成像规律，第1图像显示器7和第2图像显示器5不能置于观察者和凹面镜镜体2之间，所以将第1图像显示器7和第2图像显示器5偏置于光路之外，此处第2图像显示器5为透明的图像显示器，使视线可以穿过第2图像显示器5观察到第1图像显示器7，第1图像显示器7可以是透明的图像显示器或不透明图像显示器；第1图像显示器7可形成第1虚像8，第1虚像8与第1实物面10完全重合；第2图像显示器5可形成第2虚像6，第2虚像6与第2实物面9完全重合；视线透过透视容器1可穿过第2实物面9观察到与第2实物面9完全重合的第2虚像6以及与第1实物面10完全重合的第1虚像8，达到视线透过障碍物观察到第2实物面9和第1实物面10的透视效果。透视容器1在凹面镜镜体2前上方设置了不透光遮光板12，遮挡来自上方的光线进入显示设备内，防止入射光线造成镜体反光而影响设备显示质量；凹面镜镜体2前设置一块深色半透光和/或半反射板11，以减少外界光线进入镜体产生的反光，提升设备显示质量。
图5为透视容器1光路结构反射折叠示意图，图5的上图以凸透镜镜体2为例示例透视容器1的典型光路结构，透视容器1由镜体2以及第1图像显示器7和第2图像显示器5构成，为改变形状和/或减小设备体积便于安装，设置了镜面反射板13和半透光半反射镜面板14，通过镜面反射板13和半透光半反射镜面板14将透视容器1的光路进行反射折叠后，形成了如图5下图所示的透视容器1结构，使透视容器1的形状得以改变，体积得以减小，并通过半透光半反射镜面板14将第2图像显示器5整合到光路中。
图6为透视容器1汽车应用示意图，该示例中透视容器1由凸透镜镜体2以及第1图像显示器7和第2图像显示器5构成，第1图像显示器7根据车头盲区15的尺寸大小距离及采集到车头盲区15的影像形成第1图像显示器显示的图像30和第1虚像8，第1虚像8尺寸大小距离位置与车头盲区15的图像完全重合且水平，第1图像显示器显示的图像30根据采集到的车头盲区15的影像显示了第1图像显示器中采集处理后的路面车道线的显示图像18，第1图像显示器中采集处理后的路面车道线的显示图像18对应形成了第1虚像中透视显示的路面车道线的虚像17，第1虚像中透视显示的路面车道线的虚像17与路面车道线16完全重合，第1图像显示器显示的图像30同时还虚拟叠加显示了第1图像显示器中处理叠加的虚拟车轮行驶轨迹的显示图像20和第1图像显示器中叠加虚拟导航信息的显示图像22，第1图像显示器中处理叠加的虚拟车轮行驶轨迹的显示图像20和第1图像显示器中叠加虚拟导航信息的显示图像22分别对应形成了第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像19和第1虚像中叠加显示的虚拟导航信息的虚像21，其中第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像19与汽车实际行驶的行驶轨迹完全重合；第2图像显示器5根据车头的距离、汽车品牌标志的位置以及汽车左前车灯的位置形成了第2图像显示器显示的图像29以及在车头位置处形成了与车头完全重合且垂直的第2虚像6，第2图像显示器显示的图像29上虚拟叠加了第2图像显示器中虚拟指示汽车左前大灯位置的显示图像24和第2图像显示器中虚拟指示汽车车头中间位置车辆品牌标志的显示图像28，分别对应形成了与汽车左前大灯位置接近重合的第2虚像中虚拟指示汽车左前大灯位置的虚像23和与车辆品牌标志位置重合的第2虚像中虚拟指示汽车车头中间位置车辆品牌标志的虚像25，第2图像显示器显示的图像29上还叠加显示了第2图像显示器中虚拟指示汽车车速信息的显示图像26，在车头位置处的第2虚像6上对应形成了第2虚像中虚拟指示汽车车速信息的虚像27。
图7为透视容器1汽车应用驾驶人视角示意图，驾驶人坐在驾驶室内可通过透视容器1看到位于车头左前大灯位置的第2虚像中虚拟指示汽车左前大灯位置的虚像23和位于车头中间品牌标识位置的第2虚像中虚拟指示汽车车头中间位置车辆品牌标志的虚像25以及位于车头位置的第2虚像中虚拟指示汽车车速信息的虚像27，驾驶人在获取相应车速信息的同时还可借助相关信息来判断车头左前角的位置距离以及车头中间位置的距离；驾驶人还可以通过透视容器1看到位于盲区内的贴合与路面的实时影像如第1虚像中透视显示的路面车道线的虚像17，第1虚像中透视显示的路面车道线的虚像17与路面车道线16完全重合，驾驶人还可以通过透视容器1看到位于盲区内路面上叠加显示的第1虚像中叠加显示的虚拟导航信息的虚像21和第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像19，第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像19与汽车实际的行驶轨迹完全重合，驾驶人在获取相应导航信息的同时还可借助第1虚像中叠加显示的虚拟车轮行驶轨迹的虚像19来判断汽车行驶在路面上的左右宽度与相对位置以及车辆即将行驶的轨迹，帮助驾驶人更好的掌控车辆，提升驾驶安全，同时由于透视容器1所显示的透视影像与前方路况融为一体，驾驶人无需转移视线和调整视距就可以同时兼顾观察前方路况和透视屏幕，观察直观舒适，在更加及时便捷的获得驾驶所需的各类信息的同时，还能够减缓驾驶人眼部疲劳，进一步提升驾驶安全。
需要说明的是，本发明的基于凸透镜/凹面镜的车头盲区透视虚拟显示设备不仅可以用于显示车头盲区，还可以用于显示车后盲区，其原理和上述一致。
本发明中的图像显示器采集位于盲区的车体外的路况、车体在路面上的宽度、车体在路面上的位置、车头的位置、车辆的行驶轨迹等与驾驶相关的各类信息，具体可以通过摄像头采集，并通过凸透镜/凹面镜的成像规律在图像显示器上显示实景等比例缩小后的图像，再将实景等比例缩小后的图像经过凸透镜/凹面镜的同样比例的放大还原成与实景大小一致的虚像，该虚像与实景融合，这个信息采集和处理的过程是现有技术可以实现的，这在中国实用新型专利公开号CN206765921U通过光电装置来采集、处理、显示外部图像、中国发明专利公告号CN201010590428.8一种全景泊车辅助系统的摄像头输入模块、图像校正模块和图像显示模块和中国发明专利公开号CN107662542A中都有所体现。
本发明当然也可以只用一个图像显示器，只成一个虚像。图像显示器具体可以是平板电脑，液晶显示器等自带光源的设备，可以将经过处理的图像显示出来，容器可以是一个透明的盒体，或者至少部分透明的盒体，透明的部分可以让观察者、凸透镜/凹面镜、第1图像显示器7和/或第2图像显示器5之间的光路不受阻碍。
