CN101040537A - 透镜自动立体显示设备和方法以及相关的自动立体图像合成方法 - Google Patents

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Abstract

一种自动立体显示设备包括：矩阵显示屏(2)；以及透镜阵列(4)，其布置在所述显示屏(2)的前面，并且透镜轴相对于所述显示屏(2)的垂直轴倾斜，其中，所述透镜阵列(4)以这样的方式布置：它接收并光学处理通过显示屏传输的光栅图像，所述光栅图像被编码以用来集成同一场景的多(P)个视点，所述显示屏包括图像像素的阵列，每个所述图像像素包括三个色彩单元，所述色彩单元被组织为行和列，并且以这样的方式布置：在屏幕之内形成同一色彩的(R，V，B)的列。显示屏(2)发射出的图像由三维像素(P3D)的组合形成，每个所述像素集成场景像素图像的多(P)个视点，并且每个三维像素(P3D)占据屏幕之内的两个相邻行中的3×P个色彩单元。本发明特别地用于三维计算机和电视机屏幕。

Description

透镜自动立体显示设备和方法以及相关的自动立体图像合成方法
技术领域
本发明涉及一种透镜自动立体显示设备。同时，也涉及在所述设备中实现自动立体显示的方法，以及相关的自动立体图像的合成方法。
本发明的技术领域更具体地是用于诸如播放广告或公共信息消息、或者用于显示教育或娱乐内容的三维彩色计算机和电视屏幕的领域。
背景技术
无需眼镜的自动立体显示设备已经为世人所知，它是采用视差障碍技术或者透镜技术实现的。大体上，自动立体显示屏包括：
-采用等离子或者液晶(LCD)技术的、用于播放已编码内容的二维电子屏，以及
-2D-3D转换屏，它被布置于离二维屏幕近距离的位置并在传送的过程中工作，该转换屏可以是视差障碍类型或者透镜类型。
视差障碍很容易就可以实现，并且很便宜就可以生产出来，但是对于具有太多的光子构成了障碍，特别是期望对众多的视角进行编码的时候。于是，可能有低于10％的自动立体屏幕框被传输。这导致了与光子通量和屏幕亮度有关的问题。
采用透镜阵列的自动立体屏具有很少的光子损失，因此它具有将近100％的传输率，但是制造成本较高，并且较难以使用。
但是，根据视点的数量，现有的透镜彩色自动立体屏存在水平分辨率损失的问题。所述分辨率总体除以视角数。
于是，面临的问题是找到恰当的方法，以在2D电子屏上为P个视点编码，从而平衡水平和垂直分辨率损失，同时保留RGB(红，绿，蓝)色彩编码。由于眼睛的生理特点，立体效果必须为水平效果。从而，立体编码必须为水平。
于是，文件WO 0010332公开了行中的水平编码。色彩的编码也以每个连续3D像素(微透镜)不同色彩的方式在行中水平地完成。这意味着，微透镜是垂直的，但是分辨率的损失仅仅在水平轴上。这样的结果是：每个获取的图像是很不对称的。例如，假如考虑一个2D的1200×768像素尺寸的屏幕，并且假设有8个图像被编码，每个视点的分辨率则为150×768，这表明对于整个图像具有明显的分辨率损失。
进一步，为3D像素编码的色彩彼此相距甚远，并且是为三色彩编码的微透镜节距的两倍。于是就获得了混合在一起的色彩，这对视网膜不是很好，如果希望很多视角的话。
在文件EP 0791847B1所公开的自动立体屏中，视点被总体水平编码，但是在最少3行屏幕像素中也垂直编码。色彩编码表面至少等于每三个屏幕像素(垂直方向)的微透镜(水平方向)尺寸的一倍。分辨率的损失在水平方向和垂直方向是一致的。但是，如果像这样的编码显得适用于2D屏幕，如一些LCD屏幕的情况下那样，其像素之间以及像素的色彩单元之间的间隙很明显，那么相反地，它不能令人满意地适用于单元之间很接近、甚或几乎连接到一起的等离子体屏幕，这可能导致不同视点的图像明显地混合到一起。
发明内容
本发明的目的是提供一种透镜彩色自动立体显示设备，其获得了比现有设备更好的分辨率，并且特别适用于视点较少的自动立体设备，所述视点一般少于8个。
上述目的是通过这样的自动立体显示设备实现的，该设备包括矩阵显示屏以及布置于所述显示屏前面的透镜阵列，所述透镜阵列具有相对于所述显示屏的垂直轴倾斜的透镜轴，这个透镜阵列被设计用来光学接收和处理通过所述显示屏传送的光栅图像，所述的光栅图像被编码以集成同一场景的P个视点，所述显示屏包括屏幕像素的矩阵，其中每个像素包括三个色彩单元，所述色彩单元被组织为行和列的形式，从而形成所述屏幕内的同一色彩(R、G、B)的列。
根据本发明，通过显示屏2传送的图像包括一组三维像素P3D，每个像素集成了所述场景的图像像素的P个视点，每个三维像素P3D占据了所述屏幕内相邻两行中的3×P个色彩单元。
在这种情况下，图像被理解为是指明显表示的场景。为了实现这个，该图像的P个视点是必要的。一个图像像素对应于该场景的一个像素的P个视点。
使用根据本发明的显示设备，从而变得可以平衡该屏幕的两个水平和垂直维度中的分辨率损失。于是，对于4个视点，具有因数为2的分辨率损失在水平和垂直方向相同。对于更多的视点(例如5个或者7个)，水平分辨率损失和垂直分辨率损失之间的比值分别等于1.25(五个视点)和1.75(7个视点)，这和在现有技术的自动立体设备中观察到的分辨率损失比值处于完全不同的范围。
事实上，和现有技术中的设备所使用的编码技术相反，在本发明中，一方面，在立体显示的问题和色彩编码的问题之间进行了部分分离，立体显示的问题必须在水平维度中处理，而色彩编码的问题在这里是在沿着编码轴的两行中处理的，所述的编码轴实际上是透镜阵列的轴。
根据本发明的显示设备的每个三维像素P3D可以使用两个相邻行中的一个中的2×P个相邻的色彩单元和另一行中的P个相邻色彩单元。
三维像素被布置，从而两个水平相邻的三维像素是重叠的。
透镜阵列包括平行的柱面透镜，其具有如此的透镜节距和角度，以致于每个三维像素基本上被两个相邻的单元微透镜所覆盖。
优选地这样选择倾斜角α∶tanα基本上等于色彩单元的宽度CCh和所述色彩单元的高度CCv之间的比值。
在本发明的一个具体实施例中，每个三维像素的每个视点被编码：
-在第一色彩的第一单元中，位于第一行，
-在第二色彩的第二单元中，位于所述第一行，并且相对于所述第一单元偏移P个单元，并且
-在第三色彩的第三单元中，位于和所述第一行相邻的第二行中，所述第三单元相对于所述第一单元水平偏移一个单元。
根据本发明的自动立体显示设备的视点的数量P优选地从2、4、5或7中选择。
根据本发明的自动立体显示设备可以方便地包括等离子屏幕，但是也可以包括LCD技术或者任何其它矩阵技术的屏幕。
根据本发明的另外一个方面，提出了一种自动立体显示方法，该方法使用了根据本发明的自动立体显示设备，该方法包括：
-经由二维显示屏，显示从由P个视点获得或收集的图像预先编码的图像，以及
-经由布置于所述显示屏之前的透镜阵列，接收并光学处理所述被显示的图像，所述透镜阵列的透镜轴相对于所述显示屏的垂直轴倾斜，从而在远处产生三维图像，所述光栅图像被编码以集成所述图像的P个视点，其特征在于，透镜阵列所执行的光学处理被设计用来处理被编码的图像，所述图像包括一组三维像素P3D，每个像素集成所述场景的图像像素的P个视点，每个三维像素P3D占据所述屏幕内的两个相邻行中的3×P个色彩单元。
根据本发明的另外一个方面，提出了一种用于合成彩色自动立体图像的方法，其目的是为根据本发明的显示设备提供图像内容，所述方法包括：从每个以表示场景的图像像素的矩阵形式的P个先前获得或者计算的数字图像中，合成被编码的显示矩阵，所述显示矩阵包括一组三维像素，每个所述像素集成所述场景的图像像素的P个视点，每个三维像素占据所述屏幕内两个相邻行中的3×P个色彩单元。
附图说明
通过检查非限制性的实施例的详细描述，并且从附图中，本发明的其它优点和特征将会变得明显，其中：
-图1为根据本发明的自动立体显示设备的概要视图，
-图2A、2B，2C和2D显示了视点数分别等于2、4、5和7的情况下，由根据本发明的自动立体显示设备所处理的编码图像的内部结构，以及
-图3显示了根据本发明的图像合成方法的主要步骤。
具体实施方式
根据本发明的示例性的自动立体显示设备将参考附图2A到2D首先予以说明。
自动立体显示设备1包括：等离子屏2，其连接到电子模块3，用于产生编码图像；以及透镜过滤器4，其为平行柱面透镜阵列的形式，所述柱面透镜相对于等离子屏的垂直轴倾斜角度α，该透镜过滤器4以基本上等于透镜的焦距F1的距离布置于等离子屏的前面，在实际的示范性实施例中所述焦距为9mm，同时显示屏的每个色彩单元的宽度为286μm。
根据本发明的自动立体显示设备1有望在距离屏幕足够远的距离D处，例如大于2m处，提供广告或者信息消息的显示，由此观察者的每个眼睛OG、OD接收由透镜阵列4提供的分开的光学图像Im、In，并且由此经由立体效果，该观察者察觉到三维的图像。
柱面透镜的焦距f取决于期望的最佳距离。在该最佳距离处，由两个连续的色彩单元所编码的两个连续图像有必要隔开两眼之间的平均距离Dy，例如隔开65mm。透镜的焦距f可以基于色彩单元的宽度CCh以及最佳距离Dopt确定，使用以下公式：
f＝CCh.Dopt/Dy≈9mm
例如，假如期望的最佳距离Dopt为2m，并且宽度CCh等于286μm，则焦距f近似为9mm。
微透镜的宽度l尤其是取决于期望的最佳距离。事实上，当观察者位于最佳距离(最终距离)处时，分开由观察者的一只眼睛通过两个连续的柱面透镜同时观察到的二维屏幕的两个点的距离，并不是正好等于分开柱面透镜的轴的水平距离。比例关系等于Dopt/(Dopt+f)。
每个微透镜单元的宽度l因而可以由下面的公式确定：
l＝cosα.P.CCh.Dopt/(Dopt+f)
例如，假如期望的最佳距离Dopt为2m，色彩单元CCh的宽度和高度分别等于286μm和808μm，焦距等于9mm，视点的个数等于4，那么微透镜的宽度l则近似为1.074mm。
参见图2A、2B和2C，等离子屏包括基本单元的矩阵，该矩阵包括图2中的像素L1-L6的行以及图2中的像素C1-C6的列，每列像素包括三列色彩单元R、V、B。为了非限制性的图示目的，每个单元的高度为CCv，宽度为CCh。显示矩阵的列是连续的红、绿和蓝色彩单元。
为了举例说明，对于当前商业上可用的等离子技术屏幕，比如PIONEER PDP50MXE1，其对应于768×1280像素矩阵，每个单元的高度CCv等于808μm，宽度CCh等于286μm。
在图2A所示的第一示范性实施例中，其对应于具有两个视点的配置，三维像素P3D2(1，1)包括第一下行中的四个连续色彩单元V、B、R、V，其中视点01，1，11，1，01，1，11，1被分别编码，所述三维像素P3D2(1，1)还包括第二上行中的两个色彩单元B、R，其中视点01，1和11，1被分别编码。和像素P3D2(1，1)的结构相比，三维像素P3D2(1，2)具有头脚倒置的结构。每个三维像素被两个柱面透镜LC所覆盖，该透镜的透镜节距1被如此规定，以便1/cosα等于色彩单元宽度和比值Dopt/(Dopt+f)的乘积的两倍。垂直方向的分辨率损失因数是2，而水平方向的分辨率损失因数为1。
在图2B所示的第二示范性实施例中，其对应于具有4个视点的配置，每个三维像素占据两行中的12个色彩单元：在一行中为8个单元，并且在相邻行中为4个单元。于是，三维像素P3D4(1，2)包括行L1中的四个单元，其中每个单元根据视点(-1，0，1，2)予以编码，三维像素P3D4(1，2)还包括行L2中的八个单元，双倍地表示根据四个视点编码的连续单元。每个三维像素被两个柱面透镜LC所覆盖，该透镜的透镜节距1被如此规定，以便1/cosα等于色彩单元宽度和比值Dopt/(Dopt+f)的乘积的四倍。
在三个不相邻的单元中编码三维像素的每个视点。于是，在屏行L2和屏列C2中的单元R、屏行L1和屏列C2中的单元V以及屏行L1和屏列C3中的单元B中编码图像像素21，2。
水平相邻的三维像素是重叠的，并且具有倒转的几何结构。具有四个视点的这种配置造成的分辨率损失在垂直方向和水平方向的因数为2。
在图2C所示的第三示范性实施例中，其对应于具有5个视点的配置，每个三维像素占据两行中的15个单元：在第一行为10个单元，对应于一系列5个单元的两倍，其每个为5个视点(-2，-1，0，1，2)编码，还包括相邻行的5个单元，其对应于为5个视点编码的一系列5个单元。于是，为了非限制性的图示目的，三维像素P3D5(1，2)包括L1行中的十个单元，其连续编码色彩(B，R，V，B，R，V，B，R，V，B)中的视点(-2，-1，0，1，2，-2，-1，0，1，2)，还包括L2行中的五个单元，其连续编码色彩(R，V，B，R，V)中的视点(-2，-1，0，1，2)。
每个三维像素被两个柱面透镜LC所覆盖，该透镜的透镜节距1被如此规定，以便1/cosα等于色彩单元宽度和比值Dopt/(Dopt+f)的乘积的五倍。
在具有5个视点的装置配置中，两个三维像素使用十个屏幕像素。水平方向的分辨率损失因数为2.5，垂直方向的因数为2。
在图2D所示的第四示范性实施例中，其对应于具有7个视点的配置，每个三维像素占据两行中的21个单元：在第一行为14个单元，对应于一系列7个单元的两倍，其每个为7个视点(-3，-2，-1，0，1，2，3)编码，还包括相邻行中的7个单元，其对应于为7个视点编码的一系列7个单元。
对于每个图像像素，在被分成两个单元在一行中并且一个单元在相邻行中的3个色彩单元中，在三维像素之内编码给定的视点。例如，在屏行L2和屏列C4中的单元V、屏行L1和屏列C4中的单元B以及屏行L1和屏列C7中的单元R中编码图像像素21，2。
如具有2、4和5个视点的前述配置中那样，相邻的三维像素全部水平重叠。在具有7个视点的这种配置中，2个三维像素使用14个屏幕像素。水平方向的分辨率损失因数为3.5并且垂直方向的因数为2。
下面参考图3描述根据本发明的实现自动立体图像合成方法的例子，这些的图像打算供根据本发明的自动立体显示设备使用。
首先要考虑的是初始阶段(I)，用于根据P个视点，例如为4个视点，其被恰当地选择以获得立体效果，来获得数字图像。这些P个数字图像可以从远地或图像库中合成或收集，或者也可以通过影片拍摄来获取。
对于每个视点，这些数字图像I1，I2，...，Ik，...，Ip中的每一个包括图像像素的矩阵，这些图像像素P1(i，j)，...，Pk(i，j)中的每一个包含三条色彩信息R、V、B。
合成方法的第二阶段(II)在于通过以下构造显示矩阵MC：对于视点中的每个图像点(i，j)，从图像像素的四个视点的集合中，产生3D像素，其在图3中被指示为P3D(i，j)，为了产生三维像素P3D(i，j)，使用本发明特有的编码模式，亦即每个编码像素P1(i，j)，...，Pk(i，j)的组合水平和垂直编码。为了举例说明，在该三维像素中，图像像素P2(i，j)提供到上行中的单元V以及上行中的两个单元B和R。
在第三个阶段(III)，每个对应于编码序列SC的图像的显示矩阵MC，然后存储在图像存储单元US中，其打算响应来自根据本发明的自动立体显示设备1的控制处理器的请求而被激活。
当然，本发明并不限于刚刚描述的例子，并且可以向这些例子添加许多特征，而不超出本发明的范围。尤其是，本发明不限于等离子屏幕的单一情况，而是可以以连续或者隔开的单元的方式，用具有矩阵结构的其它屏幕类型实现。
对于同样的屏幕，也可以期望将根据本发明的显示方法中使用的特定编码模式与其它像素编码模式结合，所述其它像素编码模式是本领域中已知的，或者将来可能开发出来，每个编码模式适用于屏幕的行的特定或者可变的块。
根据本发明的合成方法因此仅仅在显示屏的部分行中采用，其余行可以采用不同于本方法的单独的编码模式。
也可以期望采用根据本发明的合成方法的行基于正在显示的场景而动态地被确定。

Claims (14)

1.一种自动立体显示设备(1)，包括：矩阵显示屏(2)；以及透镜阵列(4)，其布置在所述显示屏(2)的前面，并且具有相对于所述显示屏(2)的垂直轴倾斜的透镜轴，所述透镜阵列(4)被设计用来接收并光学处理由所述显示屏(2)传输的光栅图像，所述光栅图像被编码以便集成同一场景的多(P)个视点，所述显示屏包括屏幕像素的矩阵，每个像素包括三个色彩单元，所述色彩单元以排列的行和列的方式被组织，以便在所述屏内形成同一色彩(R，V，B)的列，其特征在于，由所述显示屏(2)传输的所述图像包括一组三维像素(P3D)，每个所述像素集成所述场景的图像像素的多(P)个视点，每个三维像素(P3D)占据所述屏内的两个相邻行中的3×P个色彩单元。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个三维像素(P3D)在所述两个相邻行的一个行中占据2×P个相邻色彩单元，并且在另一个行中占据P个相邻色彩单元。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述的三维像素被如此排列，以致于两个水平相邻的三维像素是重叠的。
4.如在先权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述透镜阵列包括平行的柱面透镜，所述柱面透镜具有如此的透镜节距和角度，以致于每个三维像素(P3D)基本上被两个相邻的单元微透镜所覆盖。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，如此选择透镜阵列的透镜节距1和倾斜角α，以致于：
       1＝cosα.P.CCh.Dopt/(Dopt+f)
其中，CCh为色彩单元的宽度，Dopt为期望的最佳显示距离，并且f为透镜阵列的焦距。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，如此选择倾斜角α，以致于tanα基本上等于色彩单元的宽度(CCh)和所述色彩单元的高度(CCv)的比值。
7.如在先权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，在每个三维像素内，每个视点被编码：
-在第一色彩的第一单元中，位于第一行，
-在第二色彩的第二单元中，位于所述第一行，并且相对于所述第一单元偏移P个单元，并且
-在第三色彩的第三单元中，位于和所述第一行相邻的第二行，所述第三单元相对于所述第一单元水平偏移一个单元。
8.如在先权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，视点的数量P从2、4、5或7之中选取。
9.如在先权利要求中的任何一项所述的设备(1)，其特征在于，电子显示屏(2)为等离子屏。
10.如权利要求1到8中的任何一项所述的设备，其特征在于，电子显示屏为液晶屏(LCD)。
11.一种在如在先权利要求中的任何一项所述的自动立体显示设备(1)中实现的自动立体显示方法，包括：
-经由二维显示屏(2)，显示从由多(P)个视点获得或收集的图像预先编码的光栅图像，以及
-经由布置于所述显示屏(2)之前的透镜阵列(4)，接收并光学处理所述被显示的图像，所述透镜阵列的透镜轴相对于所述显示屏的垂直轴倾斜，从而在远处产生三维图像(Im，In)，所述光栅图像被编码以集成所述图像的多(P)个视点，其特征在于，透镜阵列(4)所执行的光学处理被设计用来处理被编码的图像，所述图像包括一组三维像素(P3D)，每个像素集成所述场景的图像像素的多(P)个视点，每个三维像素(P3D)占据所述屏幕内的两个相邻行中的3×P个色彩单元。
12.一种用于合成彩色自动立体图像的方法，其被执行以便供应如权利要求1到10中的任何一项所述的显示设备(1)，所述方法包括：从每个以表示场景的图像像素的矩阵形式的多(P)个先前获得或者收集的数字图像中(I)，合成被编码的显示矩阵(MC)(II)，所述显示矩阵(MC)包括一组三维像素(P3D)，每个所述像素集成所述场景的图像像素的多(P)个视点，每个三维像素(P3D)占据所述屏幕内两个相邻行中的3×P个色彩单元。
13.如权利要求12所述的合成方法，其特征在于，所述方法仅仅在显示屏的部分行中采用，其余行采用与这种方法中执行的编码模式分开的编码模式。
14.如权利要求13所述的合成方法，其特征在于，基于正在显示的场景而动态确定采用本方法的行。
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