具有观察者跟踪的自动立体显示器 【技术领域】
本发明涉及观察者自适应的自动立体显示器。
背景技术
在2000年1月的SPIE 3957的会刊“立体显示器及应用XI”(“Stereoscopic Displays & Applications XI”)中的、作者为N.A.Dodgson等人的文章“50”时间复用的自动立体显示器”(“A50”time-multiplexed autostereoscopic display”)中描述了一个基于CRT的观察者自适应的自动立体系统，其包括尺寸基本上等于CRT的尺寸的一组透镜。该系统可以被认为是两个叠加的光学系统：
-复合“图像转移透镜”，其将CRT的图像转移到一个液晶显示器(LCD)的平面。这个LCD像光闸一样工作。
-菲涅耳透镜，其将光闸的图像投影到空间中。
“图像转移透镜”并没有投影真实的图像：更确切地说，观察者透过菲涅耳和投影透镜来看，并直接观看CRT面板，就像透过放大镜观看一样。该系统通过在CRT上依次显示每个视图来工作。LCD被近似地放置在“图像转移透镜”的投影透镜的焦点处。使光闸的LCD段之一被制成与图像显示器同步地透明。这便将光从CRT引导到眼盒(eye box)中的特定窗口，即，观察者所在的空间中的位置。就几何光学来说，“图像转移透镜”将CRT面部上地图像转移到自由空间中的平面上。在这个平面上放置有菲涅耳透镜，这样使得CRT的图像看起来像是处于它的表面上。光闸以这样的方式受到控制，那就是对于预定的时间周期，只有右眼能够透过叠加的光学系统看到CRT，并且交替地，左眼能够看到相同的时间等等。该系统的主要缺点是它相当庞大。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供不太大的观察者自适应的自动立体显示器。为了这个目的，本发明提供由独立权利要求所规定的观察者自适应的自动立体显示系统以及单元。从属权利要求规定有利的实施例。
与现有技术主要的不同在于：在根据本发明的优选实施例的显示系统中，光学系统被大量放置在网格结构中的较小的光学模块所代替。该光学模块只对来源于像素组的光起作用，而以前的光学系统对来源于整个屏幕的光起作用。组中的像素数量基本上少于整个图像的像素数量。组中的像素数量可以是例如等于1，或是等于图像的一列的像素数量，或是等于图像的一行的像素数量。光学模块的厚度基本上少于以前的光学系统的厚度。另一个优点是使用根据本发明的显示系统，可以获得更好的视图分离。除此以外，根据本发明的显示系统支持多个使用者只使用一个显示设备同时观看立体图像。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例中，段具有的宽度基本上小于像素宽度。段的尺寸涉及光束的投影的位置精确度。这意味着视图的分离与段的尺寸有关。优选地，段的宽度比像素的宽度小大约上百倍。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例中，透镜是线性的。正常的全透镜(full lens)，即，圆形透镜使光沿x和y方向弯曲。线性透镜是带状的，例如，圆柱形的，这些透镜使光沿x或y方向弯曲，而不使光沿另一个方向弯曲。全透镜和线性透镜都可以使用，但是线性透镜是优选的，因为使用这些透镜会减少花费：透镜的数量减少了。优选地，线性透镜从屏幕的顶端延伸到屏幕的底端。可替换地，线性透镜从屏幕的左端沿伸到屏幕的右端。因此，一个线性透镜分别相关于图像的一列的像素或图像的一行的像素。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例中，段具有的长度基本上等于屏幕的尺寸。优选的是，在第一网格中的透镜和在第二网格中的透镜都是线性的。优选的是，在使用线性透镜的情况下，段还是矩形的。那么，段的数量是有限的，这导致较不复杂的光闸，该光闸也是较便宜的。
根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例包括光分离设备(light-separation device)。重要的是通过第一网格的特定透镜的光也通过第二网格的对应透镜，而不，或者尽可能少地通过第二网格的另外的透镜。换句话说，必须防止串扰以及失真。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例中，光分离设备包括镜栅。防止串扰的第一个方法是对光进行反射。应用镜子的优点是只损失相对少的光。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的另一个实施例中，光分离设备包括黑盒网格。防止串扰的第二个方法是将光吸收。这个分离设备的实施例的优点是它的简单性。
在根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的另一个实施例中，光分离设备包括菲涅耳透镜。防止串扰的第三个方法是使光弯曲。应用菲涅耳透镜的优点是只损失相对少的光。
根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例的特征在于：第一网格、光闸和第二网格位于具有相对高的折射率的固体透明盒中。这个实施例的优点是视角扩展了。
观察者自适应的自动立体显示系统的修改以及它的变化可以对应于所描述的观察者自适应的自动立体显示单元的修改以及它的变化。
【附图说明】
从下文所描述的实现和实施例以及附图，根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统和单元的这些和其他方面将变得明显，并且被进行阐述。
图1A示意性地示出有3个观看者用他们的右眼看图像的、观察者自适应的自动立体显示系统的实施例；
图1B示意性地示出有3个观看者用他们的左眼看图像的、观察者自适应的自动立体显示系统的实施例；
图2A示意性地示出根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例的俯视图；
图2B示意性地示出根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例的一部分的透视图；
图3示意性地示出包括光分离设备的观察者自适应的自动立体显示系统的实施例；
图4A示意性地示出基于镜子的光分离设备的原理；
图4B示意性地示出基于黑盒的光分离设备的原理；
图4C示意性地示出基于透镜的光分离设备的原理；以及
图5示意性地示出观察者自适应的自动立体显示系统一部分的实施例，该系统中第一网格、光闸和第二网格位于具有相对高的折射率的固体透明盒中。
所有图中对应的附图标记都具有相同的含义。
【具体实施方式】
图1A和图1B示意性地示出有3个观看者分别用他们的右眼和左眼看图像的观察者自适应的自动立体显示系统100的实施例。观察者自适应的自动立体显示系统100能够以观察者和图像选择的基础、以时间复用合成输入视频流信号VSS的形式、向n＝1，2，...或N个观察者显示M个原始的3D视频或电视节目，正如将在下文中更详细地进行说明的。进入显示系统100的那M个原始的3D视频或电视节目的每一个都由例如2D左眼和右眼视图形成的K个原始的3D图像组成，那些2D左眼和右眼视图的每一个都在预定的观看者VP1-VP3的相应的眼睛处聚焦。
在输入连接器105提供的、这样的时间复用合成输入视频流信号VSS包括携带3D图像IMij的二维(2D)左眼和右眼视图Vlij和Vrij的像素数据的图像对的周期序列，其中i＝1，2，......K，是构成视频节目j的K个3D图像的序列内的号，其中j＝1，2......M，M是提供给显示设备102的3D电视节目的总数量。显示设备102将电的像素数据转换成为由光束或光线携带的光学的像素数据，该光束或光纤被发射到位于显示设备102前面的所谓指向性光学器件104的后端。显示设备102将左眼和右眼视图Vlij和Vrij的视图索引数据i，j提供给指向性驱动器106，以用于将显示设备102的操作与指向性光学器件104同步。
将具有3D眼睛定位器107的视点跟踪器连接到自动立体显示系统100，以用于个别地检测在显示设备102的观看范围内的所有观看者眼睛的xyz坐标。这样的视点跟踪器其本身是公知的，例如，从欧洲专利0 946 066中得知。3D眼睛定位器107被耦合到向指向性驱动器106提供视点指示控制信号的视点控制信号发生器103。指向性驱动器106使用视点指示控制信号以及由显示设备102提供给指向性驱动器106的视图索引数据i，j，来产生指向控制信号。在指向控制信号的控制下，指向性光学器件104将携带左眼和右眼视图Vlij和Vrij的像素数据的光束聚焦到授权观看上述视频或电视节目j的预定观察者或观看者n的相应眼睛中。更具体地，显示设备102沿不同的方向发射光。在显示设备102前面是指向性光学器件104，它能够改变光线的方向并且能够可选择地阻挡光线，以便使其进入一个、几个或所有观看者的眼睛。指向性驱动器106为每一个眼睛独立地决定其是否能够看到显示。3D眼睛定位器107将所有眼睛的xyz坐标提供给指向性驱动器106，使得指向性驱动器106能够适当地调节指向性光学器件104。
为了清楚起见，本发明将参考图1A和图1B，以将被传输给三个观察者或观看者VP1-VP3的、由一系列3D图像IM1到IMK构成的单个3D视频或电视节目为基础进行描述。假设每个3D图像IM1到IMK分别由2D左眼和右眼视图V11到V1K和Vrl到VrK组成，其中左眼和右眼视图由显示设备102分别在上述时间复用合成输入视频流信号VSS的相应的偶数时隙t＝0，2，4，...和奇数时隙t＝1，3，5，...中发生的交替的偶数和奇数图像序列提供。那么在偶数时隙，显示设备102被设置为左视图模式以便只处理左眼视图Vli(i＝1......K)，如图1B所示。在奇数时隙，显示设备102被设置为右视图模式以便只处理右眼视图Vri(i＝1......K)，如图1A所示。为了显示单个的3D图像IMk，其2D左眼和右眼视图V1k和Vrk分别发生在时隙2(k-1)和2k-1，该指向性驱动器106控制指向性光学器件104，以便将在偶数时隙2(k-1)中携带左眼视图Vlk的像素数据的所有光束聚焦到与观察者VP1-VP3的左眼视点相符的左视图聚焦点或顶点(apex)中，并且将在奇数时隙2k-1中携带右眼视图Vrk的像素数据的所有光束聚焦到与观察者VP1-VP3的右眼视点相符的右视图顶点中。通过由显示设备102提供给指向性驱动器106的视图索引数据i，而在显示设备102从左视图模式进入右视图模式以及反向进入的交替切换中、获得与从显示设备102到指向性光学器件104的2D左眼和右眼视图Vli和Vri的时间复用传输的同步。通过使用由视点跟踪器VT提供的上述视点指示控制信号以动态地使左眼和右眼视图顶点适合每个观看者眼睛的实际位置，而得到所有3D图像IM1到IMK的2D左眼和右眼视图Vl和Vr对于每个观看者VP1-VP3的眼睛的正确清楚的聚焦，从而产生在所有三个视点VP1-VP3的全部3D视频或电视节目的正确的3D图像感知，而与观看者的位置和在显示设备的观看范围内的移动无关。
图2A示意性地示出根据本发明的观察者自适应的自动立体显示系统100的实施例的俯视图，包括：
具有用于显示图像的屏幕的显示设备102；
指向性光学器件104，包括：
第一网格202，包括以基本上等于该图像的像素宽度的预定间距放置的多个第一透镜208-216；
光闸204，其被电子地控制以具有透明和不透明的段，这些段与显示设备102同步地按时间顺序交替；以及
第二网格206，基本上与第一网格202对齐，并且包括以预定间距放置的多个第二透镜218-226；
指向性驱动器106，用于控制该指向性光学器件104。
指向性光学器件104可被认为是为一组像素而包括例如208的第一透镜、栅栏204和例如218的第二透镜。栅栏是光闸204的一部分，或者换句话说，是光闸包括的段的总数量中的多个段。光闸可以是LCD或是聚合物LC/凝胶类型。显示设备102可以是任何类型的显示器，例如，CRT、PDP、TFT或LCD。光学模块的工作如下所述。来自显示设备102的光由特定模块的例如208的第一透镜聚焦。光闸204位于大约等于该第一透镜的焦距的距离处。光可以只从这个光闸204的透明段通过，并且被所有其他段阻挡。在每个时隙，对于每个观看者有一个段是透明的。观看者的眼睛的位置确定哪个段是透明的以及哪个段不透明。光通过光闸的透明段，并且随后被引导通过相应的第二透镜，例如218。这个第二透镜218将光引导到例如眼睛114所位于的特定位置112。
图2B示意性地示出根据本发明的、观察者自适应的自动立体显示系统实施例的一部分的透视图。第一网格202包括在基本垂直的方向上放置的多个透镜208-216。第二网格206基本上与第一网格202对齐，并且包括多个透镜218-226。光闸204位于第一网格202和第二网格206之间，并且包括也在基本上垂直的方向上定向的多个段228-234。第一网格202和第二网格206以及光闸204被放置在标准显示设备102的屏幕前面。原则上，该显示设备102不必为了这个目的而修改。第一网格202、第二网格206、光闸204以及显示设备102的屏幕的尺寸基本上相互相等。在尺寸为80×60厘米、CCIR分辨率为大约700×600的标准CRT显示器的情况下，像素尺寸大约为1毫米。在该情况下，每个透镜大约为1毫米乘60厘米。透镜的焦距大约为2毫米。指向性光学器件104的厚度少于1厘米。
图3示意性地示出包括光分离设备302的观察者自适应的自动立体显示系统300的实施例。光分离设备302位于第一网格202和光闸204之间。可替换地，光分离设备302位于第二网格206和光闸204之间。光分离设备302的目的是防止来自例如208的特定透镜的光通过与该特定透镜不对应的第二透镜，例如220。否则将出现图像失真。
图4A示意性地示出基于镜子401-407的光分离设备302的原理。如果没有设置预防措施，则在视角之外的点用眼睛114观看的观察者会注意到图像失真。这将在下文中使用相反方向的光线进行说明。这意味着从观察者的眼睛114到显示设备102。光线409将相继通过透镜220、光闸204的透明段230以及透镜212。然而，透镜212和220并不是彼此对应，即，属于相同模块的透镜。但是镜子405反射该光线。光线410以显示设备102的适当像素的方向通过透镜210。因此，光线408作为光线410继续。可使用几个技术来构造这些“微”镜(”micro”-mirrors)，例如，金属的阻尼。
图4B示意性地示出基于具有光吸收壁411-417的黑盒的光分离设备302的原理。在该情况下，光线409基本上被分离设备的黑盒的壁415吸收。将会损失一些光，但是防止了失真。
图4C示意性地示出基于菲涅耳透镜430的光分离设备302的原理。在该情况下，光线409被透镜430弯曲。因此，光线408作为光线410在显示设备102的适当像素的方向上继续。菲涅耳透镜430的焦距比透镜218-222和208-212的焦距小。典型地焦距将小一倍。可选择地用透镜网格代替菲涅耳透镜430。
图5示意性地示出观察者自适应的自动立体显示系统的一部分的实施例，其中具有透镜218-222的第一网格202、光闸204以及具有透镜208-212的第二网格206位于具有相对高的折射率的固体透明盒500中。可选择地，透明盒500中也可以包括光分离设备302。当然透镜具有的折射率高于固体透明盒500的材料的折射率。该盒的效果是光也在固体透明盒500的边界处发生弯曲。因此，总的观看与没有固体透明盒500的实施例相比扩展了。观看视角具有因子为2的扩展是可以实现的。
只要光闸完全打开，该显示系统和单元看起来就是正常的，并且能够用正常的帧速率示出传统的单视觉图像。
应该注意的是上述实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计替换的实施例。在权利要求书中，任何放置在括号中的附图标记都不应该解释成限制该权利要求。词“包括”不排除没有在权利要求书中列出的元件或步骤的存在。在元件前面的词“一个”也不排除多个这样的元件的存在。本发明可以通过包括几个不同的元件的硬件，以及通过合适的编程计算机来实现。在单元权利要求书列举了几个装置，这些装置中的几个可以通过同一硬件来具体化。