产生立体图像的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及一种产生立体图像的方法和装置，尤其涉及在标准电视或计算机监视器上无明显闪烁地显示立体图像的方法。为了看到立体图像，观看者要戴上一付眼镜，这付眼镜基本上能使每个眼睛都能看到全部的色谱。
背景技术
观看者为了能看到立体图像，观看者的眼睛必须以稍不同的透视方向观看物体，使每个眼睛看到不同角度的图像。目前有几种方法用于在电视或计算机监视器上显示立体图像。在目前的技术中实际使用的立体图像系统使用补色滤色镜，放置在每个眼睛前。例如，红色滤色镜可以用于左眼，而蓝色和绿色(青色)滤色镜用于右眼。在每个眼睛习惯了特定的色偏差，并且以红色显示物体的左侧视线，以青色显示物体的右侧视线之后，可以观察到明显地立体图像。然而，由于每个眼睛观看到的是受到很大限制的全色谱中的一部分，所以仅仅有限的色彩信息可以加入到通常出现的轻度着色的图像中。
目前的技术是在电视或计算机监视器上交替产生全色彩的左和右透视图像。通过眼镜观看屏幕，该眼镜可以使每个眼睛仅接收适当透视的图像。该眼镜一般由液晶元件构成，它交替地“关闭”每个眼睛，因此，一般称为闸门眼镜。这一系统的问题是当用于标准场速率为50Hz的PAL制或60Hz的NTSC制电视图像时，会产生明显的闪烁，这是因为每个眼睛接收到的图像会交替地出现黑暗周期。为了能让观看者接受这一系统，图像需要进行电子处理，把帧速率提高到最小100Hz。在这一速度时，闪烁是不明显的。然而这时的视频图像不再以标准速度产生，不能在一般的电视或计算机监视器上显示。
另一种方案由Street的美国专利No.4,692,792提出，即显示至少两种透视的目标场，这样，在使用时，用于显示一个透视的色谱分量在一给定时刻通常与用于显示另一个透视的色谱分量互补，同时，在一个周期上进行平均，利用与要进行立体显示的目标场相关的全色谱的一般描述分量组来显示每个所述透视。实际上。这一系统在一给定时刻向观看者的一个眼镜传送了对应于图像一个透视的色谱分量，对观看者的另一眼睛传送对应于图像第二透视的的色谱分量。
实际上，当红/蓝绿滤色镜以PAL制的标准场速率50Hz和NTSC制的标准场速率60Hz转换时，由于在这些转换速率上可以观察到明显的闪烁，所以Street的发明并不用使用。对于另一种不同速率的转换，例如100Hz，这将会产生非标准的速率，与电视制式不同，它需要对TV图像进行特殊处理，例如扫描线加倍，并需要专用的电视或计算机监视器。此外，Street的眼镜的机电属性意味着长期佩戴会不舒服，这是由于这种眼镜较重，并且，观看者能感觉到噪声和振动。
而且，也已发现Street揭示的系统在边缘部分也产生明显的闪烁，即，图像周围出现闪烁。也就是说，由于眼镜的转换，图像周围的背景和其它目标会出现闪烁。已经发现这种闪烁的背景使观看者十分不适。
发明目的
本发明的目的在于提供一种产生立体图像的方法和装置，在这种方法和装置中，为观看者提供一种图像，该图像对每个眼睛来说都可以包括基本上全范围的彩色信息，而不会有闪烁，在标准的未改动的PAL或NTSC制式的电视或计算机监视器上观看更佳。本发明的另一个目的在于提供这样一种装置，它能以全电子的形式而不是已有技术的电机结构的形式产生。本发明的另一个目的在于提供一种成本较低的装置。
【发明内容】
对于上述目的，本发明的一个方面提供：
一种显示立体图像的装置，该装置显示所述图像的场频是预定的，该装置包括：
第一滤色装置，使具有第一色谱的光谱分量的第一透视图像通过；
第二滤色装置，使具有第二色谱的光谱分量的第二透视图像通过；
交替装置，使所述第一和第二光谱分量交替；
其中所述交替装置以与显示装置的场频的奇数倍的速率工作。
在本发明的另一个方面，提供：
一种在场频预定的显示装置上显示立体图像的方法，其中：
使观看者左眼观看的第一透视图像通过具有第一色谱分量的第一滤色镜；
使观看者右眼观看的第二透视图像通过具有第二色谱分量的第二滤色镜；
所述第一和第二色谱分量以显示装置的场频的奇数倍的速率进行交替。
较佳地，本发明利用彼此互补的第一和第二色谱分量。也就是说，第一和第二色谱分量的组合将产生白色。较方便的是，第一色谱分量可以是红色，第二色谱分量可以是青色，或者是蓝色和绿色的组合。本发明还将参考这红色和青色组合进行进一步的讨论，然而任何颜色和其补色也都是可以使用的。例如，蓝和黄，或者另一绿色和洋红色也可以使用。
较佳地，本发明还包括同步装置，确保观看者的左眼仅看到第一透视图像，观看者的右眼仅看到第二透视图像。
在本发明的再一个方面，提供：
一种观看立体图像的系统，包括：
滤色装置，适用于产生经色谱滤色的左眼和右眼图像，用于分别由观看者的左眼和右眼观看；
投影装置，在场频预定的显示装置上投射或显示所述经色谱滤色的左眼和右眼图像；以及
观看装置，能使观看者在所述显示装置上观看所述经色谱滤色的左眼和右眼图像；
其中，所述滤色装置包括：
第一滤色装置，用于滤色具有第一色谱的光谱分量的左眼透视图像；
第二滤色装置，用于具有第二色谱的光谱分量的右眼透视图像；
交替装置，以与显示装置的场频的奇数倍的速率使所述第一和第二光谱分量交替。
理想地，本发明这样构成，显示至少两种透视的目标场，这样，在使用时，用于显示一个透视的色谱分量在一给定时刻通常与用于显示另一个透视的色谱分量互补，同时，在一个周期上进行平均，利用与要进行立体显示的目标场相关的全色谱的一般描述分量组来显示每个所述透视。实际上，这一系统在一给定时刻向观看者的一个眼镜传送了对应于图像一个透视的色谱分量，对观看者的另一眼睛传送对应于图像第二透视的的色谱分量。
例如，目标场中的目标左透视和右透视可以显示在一个屏幕上，右透视以红色显示，左透视以补色青色显示。在这两者之间的快速转换产生基本上为每个透视产生全色谱。
实践中发现，以PAL和NTSC制的场速率对红透视和青透视之间的转换会引起可以观察到的明显的闪烁。为了克服这种闪烁，已经发现必须把转换速率提高到最小100Hz。在这一速度上，观看者不会感觉到任何闪烁。然而，由于该频率或更高频率不是电视视频制式，因此必须使用一些制式转换器或者扫描线加倍器，以便能实际上，没有闪烁地实现这种技术。
为了使转换速度大于100Hz，并仍与现有的PAL和NTSC制式保持兼容，已发现必须以场频的奇数倍，即150、250Hz等(对于PAL制)和180、300Hz等(对于NTSC制)进行转换。
本发明还将参照附图进行进一步描述。本技术的熟练人员应当理解，本发明的其它实施例也是可能的，因此，附图中的特定例子并不能理解成对本发明上述描述的限制。
图1显示了一场的色谱分量的互补转换。
图2显示了两场的顺次转换。
图3显示了驱动电压与手征层列(Chiral Smectic，CS)液晶显示(LCD)单元的色彩传送之间的关系。
图4显示了利用CS LCD单元构成眼镜的立体观看系统的实际实现例子。
图5示出了驱动本发明解码器所需要的立体视频格式。
图6示出了能使CS LCD单元以场频的奇数倍被驱动的一种可能的结构。
图7示出了本发明使用的一种可能的解码器。
图8a示出了一种可能的转换装置，在本例中，多路复用器构置成向左眼传送图像的红色分量，向右眼传送图像的青色分量。
图8b示出了图8a的另一个例子，其中多路复用器用置成向左眼传送图像的青色分量，向右眼传送图像的红色分量。
图9a示出了两种互补色谱分量的典型频谱。
图9b示出了一种陷波滤色镜的曲线图，以对应两种互补色谱分量的串扰。
图9c示出了应用了陷波滤色镜后的两种互补色谱分量的合成频谱。
现在参照附图，虽然本发明可以与2D至3D的转换系统组合，但是本发明主要针对接收具有3D数据的2D信号系统，因而3D数据能使解码器把2D信号转换成各自的左眼和右眼图像，使观看者观看到立体图像。
根据本发明的解码器的一个例子的框图如图7所示，它适于把传统的模拟场顺序3D转换成适于彩色顺序眼镜使用的格式。该解码器的操作如下：
输入视频信号可以是复合信号或者S视频格式，利用视频模数转换器把它转换成24比特的RGB格式。把交替场存储在两个256k×24比特的场存储器中，使场存储器1包含有奇数场，场存储器2包含有偶数场。由3至8比特多路复用器选择每个场存储器的24比特RGB输出，假设使用红/青编码，则如图8所示进行输出选择。也就是说，在一时刻，把图像的红色分量传送左眼，而把图像的青色分量传送给右眼，如图8a所看到的。然后，在下一时刻，多路复用器这样转换，把青色分量馈送给左眼，把红色分量馈送给左眼，如图8b所看到的。多路复用器的输出馈送给视频数模编码器，在标准电视或计算机监视器上显示得到的复合信号或S视频输出。
也可以有其它方法来构成解码器，例如16比特的YUV，具有色空间转换，并不用3至8比特多路复用器。
时序发生器可以工作成使多路复用器以场速率的奇数倍转换，因而，能使观看者的双眼接收到基本上全部的色谱和3D图像。也就是说，每个眼睛观看到每场的两个色谱分量。
解码器的选择和类型关不重要。所需要的是解码器能接收和处理2D图像和3D数据，能对具有两种不同色谱分量的左眼和右眼图像进行色谱滤色，同时，能有效地以场频的奇数倍转换色谱分量，这样对两种色谱分量的交替滤色产生了基本上全色彩的立体图像。
例如，如图1所示，假设本发明系统以150Hz转换，这是PAL制的场速率50Hz的三倍。第一视频场的三个阶段如图1中的A、B和C所示。在A阶段期间，左透视图的红色分量在左眼出现，右透视图的青色分量在右眼出现。在B阶段期间，左透视图的青色分量在左眼出现，右透视图的红色分量在右眼出现。在C阶段期间，左透视图的红色分量在左眼出现，右透视图的青色分量在右眼出现。第二视频场的三个阶段如图2所指示。在A阶段期间，左透视图的青色分量在左眼出现，右透视图的红色分量在右眼出现。在B阶段期间，左透视图的红色分量在左眼出现，右透视图的青色分量在右眼出现。在C阶段期间，左透视图的青色分量在左眼出现，右透视图的红色分量在右眼出现。因此，在任一阶段，每个眼睛都能接收到透视图像的色谱分量。在两个相邻的阶段，例如AB、BC，每个眼睛从各个透视图上接收到基本上全部的色谱，由于转换速率大于100Hz，因此没有明显的闪烁。
提供在红青之间进行必要转换的眼镜的方法在以前是依赖于机械或电机组件。全电子或电光转换滤色镜将克服与观看者佩戴具有机械或机电部件的眼镜有关的所有问题。电光转换滤色镜有两上基本类型：双折射滤色镜和二向色滤色镜。这两种类型都以特定的方式由线性偏振光工作，这种特定方式可以使电光装置控制这些偏振，并在一时刻上传送一种颜色。所需要的偏振控制要么把偏振方向旋转90°，要么使其方向不改变。双折射和二向滤色镜原来都是用控制偏振的克尔元件或法拉第转动器构成的，但是现在液晶延时器提供了更方便的电光功能。
液晶显示(LCD)技术的新发展已使手征层列(CS)液晶元件得到了发展。它是由液晶薄层组成，夹在两个玻璃基片之间。CS器件是可转换的半波板，旋转角为45°。它们是二进制器件，能在两个正交偏振状态之间转换。对于本发明的应用，它们可以构筑成在红或青色传送之间进行转换。红色和青色之间的转移时间与PAL和NTSC电视制式的场回扫时间相比很短。这些单元一般由双极+/-5V直流平衡波形来驱动，如图3所示。
图4示出了利用CS LCD眼镜的立体观看系统的一个基本的实现例子。应理解，也可以使用其它观看装置，例如另一种CS LCD眼镜可以是扭转向列(TN)LCD眼镜。
现在参照图4，把以PAL或NTSC制式的复合视频信号加到同步检测器中，同步检测器输出水平同步脉冲和指示奇偶视频场的逻辑电平。水平同步脉冲用于D型触发器的时钟，D型触发器的D输入由奇/偶信号驱动。D型触发器的Q和-Q输出提供了所需要的互补信号，直接驱动CS LCD元件。驱动这种类型的解码器所需要的立体视频格式显示在图5中。这是最基本的实现方式，由于彩色变换是以场频50或60Hz进行的，所以对于观看者来说可以看到闪烁。
为了以场频的奇数倍来驱动CS LCD，需要对结构进行改进，图6示出了一种可能的实现方式。在这种结构中，使用一种锁相环来提供高频，驱动CS LCD单元，这种锁相环锁定于水平同步信号的奇数倍上。
目前，CS LCD元件在红色和青色之间转换发生的时间接近30微秒。这相对于PAL一根扫描线的扫描时间(64μS)来说占了相当大的百分比。因此，从红色到青色或从青色到红色的变换将花费接近1/2的扫描线。因此，观看者很可能将注意到这种变换，因为，每场要发生两次(3次场扫描)，将导致观看者看到两根水平线在屏幕上延伸。
一直到更快CS LCD元件的变换可实现之后，通过改变每场上元件从红至青色或青至红色的转换的视频线数才可能减小观看者对变换的可见程度。通过改变线数以及在电视或计算机监视屏幕上的实际位置，将使彩色变换对于观看者来说变得不再明显。也就是说，假设每帧从一个色谱分量到另一色谱分量的元件转换通常发生在扫描线x上。为了减小变换效应，其上发生每帧的转换的扫描线可以改变，以发生在一根或多根相邻线上，例如可以使用扫描线x，x+1，x+2，…，x+n。理想地，可以使用5至10根不同的视频扫描线来转换元件，从而减少变换效应。每一场上发生变换的视频扫描线数能以固定的顺序改变或者伪随机地改变。
有多种技术可以用于使发生变换的扫描线同步，这些技术对于本技术领域的熟练人员来说都是明白。一种技术是把同步信号插在视频信号的第一扫描线的开始处，而无论是否需要固定或伪随机顺序以进行重启动。
希望CS LCD元件以后的发展会产生更快的转换时间，或者可以使用其它的具有更快转换时间的材料。如果变换时间可以减少到几微秒，则变换将出现在水平消隐周期内，因此，观看者将不会再看出，在这种情况下，就不必再如上所述调整视频扫描线的转换。
在已作的讨论中，假设眼镜在任何时刻仅使将被看见的两种频谱之一通过。也就是说，当通过频谱1时，频谱2全部消除，当通过频谱2时，频谱1全部消除。然而，在实践中，两种频谱之间特别是在两个频谱交叉的部分点上会有一些串扰。图9a示出了这种情况。这种串扰的结果对于显示的3D图像来说是有害的，因此，理想上必须除去。虽然将来可以用从通带到止带的变化为更陡的彩色元件，但是目前对这种串扰的解决方案是在该元件前设置一个光学陷波滤色镜，以减少或消除该点上光谱的串扰。应理解，对各种滤色镜的需要将与所选的频谱有关。例如虽然一个陷波滤色镜对于红青系统是足够的，但是很可能在绿和洋红系统中需要两个单独的滤色镜。
还应理解，这些滤色镜也可以用来均衡两种频谱的光幅度。即，如果一种光谱分量的自然光幅度与另一种光谱分量不同，则可以用滤色镜来基本上均衡这两种幅度，从而为观看者提供更均衡的图像。