CN101518096A

CN101518096A - 三维显示系统

Info

Publication number: CN101518096A
Application number: CNA2007800349858A
Authority: CN
Inventors: C·克拉
Original assignee: Apple Computer Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: US20100118118A1; CN102143374B; WO2008070246A2; US20080068372A1; JP2010503899A; US7843449B2; KR101057617B1; US9300951B2; JP5214616B2; KR20090045938A; CN101518096B; WO2008070246A3; EP2064895A2; CN102143374A

Abstract

一种三维显示系统(100)，该系统提供了一个具有预定角响应反射表面函数(302)的投影屏(124)。在预定角响应反射表面函数(302)的配置下，三维图像(114，116)被分别调制(904)，由此定义了一个具有可编程偏转角的可编程镜(126)。

Description

三维显示系统

相关申请的交叉引用

本申请包含了关于2005年10月21日提交的名为“THREE-DIMENSIONAL IMAGING AND DISPLAY SYSTEM”的共同未决美国专利申请No.11/255,348的主题。该申请被转让给了Apple Computer，Inc.(苹果公司)，并且标识为律师案卷号P3830US1。

技术领域

本发明主要涉及视觉显示系统，尤其涉及三维显示系统。

背景技术

现代三维(“3D”)显示技术正在日益普及和实用，其不仅在计算机图形学领域中，而且在其他不同的环境和技术中同样得以实施。其不断增长的示例包括医疗诊断、飞行模拟、空中交通管制、战场模拟、天气分析诊断学(weather diagnostics)、娱乐、广告、教育、动画、虚拟现实(virtual reality)、机器人技术、生物力学研究、科学可视化等等。

这种日益增长的关注度和普及度源于诸多因素。在我们的日常生活中，印刷品和电视上充斥着合成计算机图形图像。现在，人们甚至可以在家中在个人计算机上产生类似图像。此外，我们还经常看到信用卡上的全息图以及麦片盒上的珠粒状显示(lenticular display)。

当然，对3D观看的关注并不是新产生的。至少是从上世纪初的立体镜(stereoscope)时代，公众就对这种体验抱有兴趣。在上世纪中期，新的兴奋、关注和热情也随着对3D电影的狂热一并产生，其后出现的则是令人着迷的全息术，以及最近发展出的虚拟现实。

计算机和计算机图形学方面的最新进展使得空间3D图像更为可行并且更易得到。以台式工作站为例，其现有的计算能力已经可以足够快地产生立体图像对用于交互式显示。在计算能力谱(computational power spectrum)的高端，允许以交互方式来操作和动画化复杂对象数据库的相同技术进展现在则已经能够实现用于高质量3D显示的大量图像数据的渲染(render)。

此外，人们也越来越认同对传统上被称为“3D计算机图形学”的3D场景的二维投影并不足以满足观看、导航和理解某些类型的多元数据(multivariate data)的要求。如果不是借助3D渲染，那么即便是具有极佳视角描述(perspective depiction)的高质量图像，看上去仍旧会是不逼真的和扁平的。对此类应用环境而言，人们日益认识到人类的立体视觉深度线索、运动视差以及(至少在较小的程度上)视觉调节(ocular accommodation)对于促进图像理解及其逼真度而言是意义重大且非常重要的。

在3D显示技术的其他方面，例如就观看所需的硬件而言，虚拟现实的广泛领域业已驱使计算机和光学工业制造出更好的头盔式(helmet mounted)和头戴式(boom-mounted)立体显示器，以及以产生现实幻象所需要的速率和质量来渲染场景的相关软件及硬件。但是，当前大多数虚拟现实旅行(voyage)是独自进行并且是妨碍性的：用户通常要佩戴头盔、特殊眼镜或是其他只会将3D世界单独显示给每个用户的设备。

这种立体显示器的一种常见形式是使用快门或被动偏光眼镜(eyewear)，其中观察者佩戴的是阻挡两个显示图像之一的眼镜，并且这两个图像中的每一个图像都排他地对应于一只眼睛。这种眼镜的示例包括被动偏光眼镜(passively polarized glasses)和快速交替的快门式眼镜(shuttered glasses)。

虽然这些方法通常是成功的，但是它们并未被广泛接受，这是因为观察者通常不喜欢在眼睛上戴东西。此外，这些方法在要将3D图像投影给一个或多个偶然经过的过路人、一群合作者或全体观众，例如在希望实现个性化投影的情况下是不切实际并且基本上是行不通的。即便给出相同的投影，此类状况也还是需要不同并且开发度相对较低的技术，例如常规的自动立体显示器。

出于对免除头戴物(headgear)的考虑，由此激发了自动立体显示器的发展，其中所述自动立体显示器自动为观察者渲染立体观看体验，而不需要观察者使用或佩戴特殊的附件或设备。自动立体显示器尝试在不使用眼镜、护目镜或其他个人佩戴的物理观看工具的情况下将空间图像呈现给观看者。这种自动立体显示器非常吸引人，因为它具有提供最接近于实物光学特性的最佳体验的前景。

目前业已提出多种自动立体显示方案，用以显示那些实际看上去是三维的图像。对当前可以物理实现的自动立体显示器来说，这些显示器通常可以分为三大类，即重新成像显示器(re-imaging display)，体显示器(volumetric display)，以及视差显示器(parallax display)。

重新成像显示器通常获取来自三维对象的光并将其重新辐射到新的空间位置。体显示器跨越一定体积的空间，并且照亮该空间的各单独部分。视差显示器则是放射出亮度随方向改变的光的表面。每种显示器都已经在商业显示系统中得到使用，并且每种显示器都具有与生俱来的优点和弱点。

较常用的显示方法往往可归入体积型和视差型这两种主要类别。

体积型自动立体显示器是通过生成某个体积内部的点的集合来产生3D图像的，其中这些点是用作发光光源或者看上去是发光的。如果这些点像经常发生的那样以各向同性的方式发光的，那么最终得到的图像看上去将会是重影(ghosted)或透明的。由此，典型的体积显示器是不会创建真实的3D光场的，这是因为那些在深度上对准的体积元素是不会被察觉出是彼此阻碍的。换言之，该图像是不会显示遮蔽物的。

视差型自动立体显示器在内部执行图像的立体分离处理，由此就不需要观察者使用附加的眼镜。目前业已开发了多种此类显示系统，只要观察者保持处于空间中的固定位置，那么这些显示系统会向每一只眼睛呈现不同图像。这其中的大多数系统都是视差格栅(parallaxbarrier)方法的变体，在该方法中，在显示屏前方放置了精密垂直的光栅或双凸透镜阵列。当观察者的眼睛保持固定在空间中的某个位置时，每一只眼睛都只能通过光栅或透镜阵列来观看一组显示像素(偶数或奇数)，而不会看到另一组显示像素。然后，这种几何形状可以确保每只眼睛都只看到自己的相应图像，并且所述相应图像与显示不同图像视图的像素组相对应。这两个被观看者的相应右眼和左眼各自看到的图像视图被配置为使人眼视觉系统将单独看到的图像同时解译成单个3D图像。该处理是在观察者不必佩戴或使用任何个人辅助设备的情况下进行的。但是，视差格栅方法通常需要观察者保持固定在一个位置上。此外，在很多情况下，该显示器产生的是提供水平视差而不是垂直视差的二维光场。

较新并且有可能更逼真的自动立体显示形式是全息图。全息图和伪全息显示器通过为观看者有效地重新创建或模拟原始光波阵面来输出同时呈现多个不同视图的局部光场。最终得到的图像有可能会如照片般逼真，它展现了遮蔽物以及依赖于视角的其他效果(例如反射)，并且该图像与观看者的物理位置无关。实际上，观看者可以来回移动，以便观察图像的不同方面。另外，全息图还可能允许多个观察者同时观看同一图像。

虽然更为逼真，但是与双视图立体显示器通常需要的计算能力和带宽相比，动态呈现的全息图像同样需要更强的计算能力和更宽的带宽。此外，目前明显缺乏有效的手段来以商业上可以接受的成本和实时动态的方式重新创建原始波阵面或是其可接受的复制品。

由此，目前仍旧需要允许观察者完全且无妨碍地自由移动的高有效性、切实可行、高效率、低复杂度以及低成本的自动立体3D显示器。此外持续存在对在垂直以及水平移动方向上提供真实的视差体验的实用自动立体3D显示器的需要。

同时一直以来对此类实用自动立体3D显示器还有着使其能够独立并同时适应多个观看者的需要。如果提供这种同时观看的需要得到满足，使得可以为处于相同观看环境并可以完全自由移动的每一个观看者呈现唯一定制的自动立体3D图像，而且该图像完全不同于那些正被任何其他观看者所观看的图像，那么将会是特别有利的。

更进一步，除了令人畏惧的未解决的技术难题之外，由于特殊的用户要求，一直以来还对实用自动立体3D显示器有着使其提供逼真的全息体验的特别需要。所以如果提出了一种解决方案能够如上所述满足对多个同时且个体观看的全息或伪全息观看系统的需要，那么该解决方案将会是更为杰出的。

另一个迫切需要是不突兀的(unobtrusive)3D观看设备，其中该设备对反馈进行组合，以便结合针对3D用户的输入来优化观看体验，这样就能在3D空间中观看和操作虚拟3D对象，而不需要特殊的观看护目镜或头戴物。

鉴于不断增长的商业竞争压力，不断增长的消费者预期以及不断减小的为市场供应与众不同的有意义产品的机会，找出这些问题的答案也变得越发重要。此外，对节省成本、提高效率、改进性能以及满足这些竞争压力的需求也在不断增长，因此也就更为迫切地需要找出这些问题的答案。

找寻这些问题解决方案的工作已经进行了很长时间，但是现有的开发工作并未教导或提出任何解决方案，这就使得本领域技术人员长期以来都无法得出这些问题的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种三维显示系统，该系统具有一个投影屏，该投影屏具有预定的角响应反射表面函数。与预定角响应反射表面函数配合来分别调制三维图像反射镜，由此定义具有可编程偏转角的可编程镜。

作为上述特性的补充或替换，本发明的某些实施例还具有其他特性。通过参考附图来阅读下文中的详细描述，本领域技术人员可以清楚了解这些特性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的三维显示系统的功能框图和示意性说明；

图2是对投影屏表面上的单个像素的描述；

图3是对具有表面函数的投影屏的描述；

图4是对投影仪到观察者的光路径的描述，其中所述光路径随投影屏的表面函数而变化；

图5是显示随距离x变化的法线角度以及正确瞄准法线角度的图；

图6是随距离x变化的调制函数的图；

图7是描述调制函数的物理意义(physical significance)的图示；

图8显示的是在数字信号处理器看来的观察者的简化形状；以及

图9是根据本发明实施例的三维显示系统的流程图。

具体实施方式

在下文中将对实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。应该理解的是，根据本公开，其他实施例将会是显而易见的，此外，可以在系统、处理或机械方面做出改变而不背离本发明的范围。

在后续描述中将会给出众多具体细节，以便提供关于本发明的全面理解。然而非常明显的是，本发明是可以在没有这些具体细节的情况下实施的。为了避免混淆本发明，对某些公知的电路、系统配置和操作步骤将不作详细公开。

同样，显示系统实施例的附图是半图式的且非按比例绘制，特别地，为使图示清楚，在附图中对某些维度进行了放大显示。同样，虽然为了便于描述，附图中的视图一般显示的是相同的方位(orientation)，但是对大多数部位来说，附图中的这种描述是任意的。一般来说，本发明是可以在任何方位工作的。

此外，如果所公开或描述的实施例具有某些共有特征，那么为了清楚起见同时为了便于说明、描述和理解，彼此相似或相同的特征通常将用相同的附图标记来描述。

出于说明目的，这里使用的术语“水平”被定义成是与观察者眼睛的平面相平行的平面，而不考虑观察者的方位。术语“垂直”指的是与如上刚定义的水平相垂直的方向。诸如“在......上”、“上方”、“下方”、“底部”、“顶部”、“侧面”(如在“侧壁”中)、“更高”、“更低”、“较高”、“在......之上”以及“在......之下”之类的术语都是相对于水平面来定义的。

本发明提供了一种三维(“3D”)显示系统，该系统具有3D人机接口能力并且能够提供不突兀的且无妨碍的3D自动立体观看体验。观察者无需佩戴头戴物。在一个实施例中，本发明的系统提供了一种立体3D显示和观看体验；在另一个实施例中，它提供了一种逼真的全息3D显示体验。

根据本发明的某些实施例，一个或多个观察者的位置将被实时追踪，以便能够单独为每一个观察者持续定制投影到所述观察者的3D图像。这种针对一个或多个观察者的实时位置追踪还能使3D图像具有逼真的垂直和水平视差。此外，每一个3D图像都可以依照观察者单独改变的观看位置而被调整，由此能实现在动态、可变的环境中观看个性化定制和个体化的3D图像。此外，位置追踪以及位置响应图像调整还能够合成真实的全息观看体验。

由此，根据本发明的实施例，在这里公开了自动立体显示系统，其中举例来说，该系统包括如下结构组块(building block)：

○二维(“2D”)投影仪，包括模拟反射镜(analog mirror)、多边形扫描仪或类似设备、以及驱动器电路；

○3D成像器(它可以是2D投影仪的一部分)；

○具有表面函数的投影屏；

○显示界面；

○数字信号处理器(“DSP”)；以及

○具有3D渲染能力的主机中央处理器(“CPU”)。

应该理解的是，依据所考虑的特定实施方式需要或是为了适应特定实施方式，这些和其他相关结构组块和元件既可以配置为独立部件，也可以一起组合在一个或多个配件中。

现在参考图1，该图显示的是根据本发明实施例的三维(“3D”)显示系统100的功能框图和示意性说明。主机CPU 102包括操作系统(“OS”)104、3D/立体渲染引擎106、图形卡108以及通常可以理解的其他元件(未显示)。

如下文中进一步描述的那样，3D/立体渲染引擎106渲染3D图像(例如，立体的或伪全息的)，并且可以根据所考虑的特定实施方式实现为固件、软件或硬件。相应地，3D/立体渲染引擎106可以是诸如图形卡108之类的图形卡的一部分、图形芯片的一部分、运行在图形芯片的图形处理器单元(“GPU”)上的代码、专门的专用集成电路(“ASIC”)、运行在主机CPU 102上的特定代码等等。依据本公开以及所考虑的特定实施方式的相关特性，关于实施方式的选择对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

3D/立体渲染引擎106渲染的3D图像经由适当互连，例如经由基于数字视频接口(“DVI”)标准的互连而被发送到3D/立体显示器110。该互连既可以是无线的(例如使用802.11x Wi-Fi标准、超宽带(“UWB”)或其他适当的协议)，也可以是有线的(例如以模拟形式或数字地传送，如通过最小化传输差分信号(“TMDS”)或低电压差分信号(“LVDS”))。

位于3D/立体显示器110内部的显示界面和图像分割器(imagesplitter)112将来自3D/立体渲染引擎106的3D图像分成两个3D子图像，即左边子图像114和右边子图像116。如图2所示，所述左边和右边子图像114和116在各自的图像调制器118和120中被调制，以便如图2所述，允许并控制投影仪122将左边和右边的子图像114和116分别光学地投影到观察者的左眼208和右眼210。然后，观察者的大脑会将所投影的这两个光学子图像114和116组合成3D图像，从而为观察者提供3D观看体验。

偏转射入观察者的相应左眼和右眼这一操作是使用根据本发明实施例的投影屏124来完成的。该投影屏与依照本发明并如这里公开和教导的那样经过恰当调制的图像数据相结合，由此形成具有可编程偏转角的可编程镜(programmable mirror)的镜设备126。一般来说，由于这种组合要么通过操作并且依照观察者的特定左眼和右眼的空间位置而将光从投影屏反射到相应眼睛，要么就好像光被滤除了那样不反射光，因此，这种组合会使投影屏构成一个作为空间滤波器的可编程镜。

由此，这里广泛使用的术语“可编程镜”被定义成意味着如本文在此公开的投影屏124以及投影到其上并从其上反射的调制图像数据具有能为投影屏124上的特定有限位置可编程地改变的偏转角，其中举例来说，所述特定有限位置可以是所投影图像的单个像素的位置。更概括地说，在这里将其定义成意味着可编程地来为与整个投影屏124一样多的反射点中的每一个反射点(例如像素)单独控制和改变偏转角。由此，通过该定义，投影屏124不具有固定偏转角。相反，偏转角(例如，其中一个偏转角对应于观察者的左眼208，另一个偏转角对应于观察者的右眼210)可以被实时编程，以便根据需要随着观察者眼部位置的变化(例如由于头部倾斜度、头部位置、观察者位置等等的变化)而变化。

数字信号处理器(“DSP”)128与3D成像器130相结合，用于确定观察者132(也就是用户)相对于投影屏124的正确位置。关于该观察者132的特性，例如观察者的头部位置、头部倾斜度以及相对于投影屏124的眼分距(eye separation distance)等，同样是由DSP128以及3D成像器130确定的。根据这些判定，对图像调制器118和120的调制函数、和/或对投影仪122的偏转角、对镜设备126的可编程偏转角做出适当的改变，从而在不需要3D护目镜或其他引入注意的观看装置的情况下为观察者132提供最佳3D观看体验。

本领域技术人员可以理解，3D成像器130可以是任何适当的扫描仪或是用于定位和确定每一个观察者132的位置和特性的其他已知设备。例如，这些特性可以包括观察者132的高度，头部方位(旋转和倾斜)，臂和手的位置等等。在一个实施例中，3D成像器将会为此目的利用由投影仪122投影并从投影屏124反射的光，这将在下文中有进一步的描述。特别有效和划算的3D成像器可以可选地实现，例如通过利用于2005年10月21日提交的且转让给本发明申请人的共同未决的美国专利申请No.11/255,348中的教导来实现。

在某些实施例中，3D成像器130可以被配置成是投影仪122的一个完整部分(integral part)。例如，投影仪122可以被配置成以可控方式直接照亮观察者132和投影屏124。然后则会放置一个恰当定位的光传感器134，以便拾取从观察者132反射的照明光。例如，光传感器134可以是一个适当的全向光传感器，因为3D成像器130(或者如所述，可选的为投影仪122)是在已知的预定角度和高度上以可控方式投射照明光的。观察者132的位置于是就可以由来自3D成像器130的投射照明光的角度和高度，以及测量得到的从3D成像器130到光传感器134的照明光的飞行时间(“TOF”)来确定。同样，虽然为了便于图示说明而将光传感器134显示成是独立单元，但是它也可以并入任何其他系统元件中，例如3D成像器130。同样，3D成像器130和/或光传感器134可以有利地并入和/或集成于投影仪122中，由此可选地与之共享公共元件。

3D成像器130和光传感器134还可以提供用于观察者输入的装置。例如，3D显示系统100可以将投影屏124前方的且观察者132位于其内的体积构造成一个虚拟显示体136，其中该虚拟显示体被回显(echo)为投影屏124上的3D显示。该虚拟显示体136于是就可用于观察者输入。在一个实施例中，观察者132于是就可以激励例如一个3D按钮表示，以便激活虚拟活动桌面(未显示)上的某些特征。这个活动桌面是在虚拟显示体136中虚拟表示的，并且凭借投影屏124上的3D投影，该活动桌面在观察者132看来是紧靠观察者132并即刻呈现在虚拟显示体136中的3D图像。根据本公开，本领域普通技术人员将会理解，其他人机接口行为同样是可行的。

现在参考图2，该图显示的是对投影屏124(图1)表面上的单个像素202的描述200。左边光束204和右边光束206被显示为沿着从投影仪122到投影屏124上的像素202的路径前行，随后分别返回观察者的左眼208和右眼210。进入观察者左眼208的左边光束204是投影光在像素位置X_L的反射光束；进入观察者右眼210的右边光束206是投影光在像素位置X_R的反射光束。在一个实施例中，像素表面是用反射性材料处理的，例如抛光的银或铝。

对在本实施例中呈圆顶形的每一个像素202来说，存在投影光束204和206从其被分别反射进入到观察者的相应左眼208和右眼210的一个确切位置X_L和一个确切位置X_R。这是因为来自投影仪122的照明光束的入射角与反射角在反射入射光束的点上相对于像素202的表面法线212是相等的。(法线212是一条在入射光束被反射的点上与像素202的表面相垂直的直线)。在这个位置或反射点(例如X_L或X_R)，像素202的仅一小部分会向观察者的相应左眼208或右眼210反射光。来自投影仪并且射至像素202的任何其他部分的光将会被反射到观察者的特定眼睛以外的其他位置。

由此，由于法线212垂直于像素202表面的斜率，并且所述斜率在像素202范围内不恒定，使得对X_L和X_R而言，分别只存在一个理想位置，在这个理想位置，光被反射到观察者132的相应左眼208和右眼210。如果观察者132移动到另一个位置，则需要新的反射位置或反射点X_L和X_R，才能持续地把光适当反射到观察者的眼睛。同样，处于其他位置的其他观察者将分别需要像素202上其自身唯一的反射位置X_L和X_R。

相应地，通过在投影仪122扫描投影屏124(图1)时恰当调制(开启或断开)左边光束204和右边光束206，投影仪122可以分别向观察者132的左眼208和右眼210发送唯一图像。例如，这种处理可以通过在投影仪122朝向唯一位置X_L进行投影的确切时刻将左眼图像信息投影到投影屏124上的每一个像素202，以及在投影仪122朝向唯一位置X_R进行投影的确切时刻将右眼图像信息投影到投影屏124上的每一个像素202来完成。

当以这种方式使用时，投影屏124将会充当并成为具有可编程偏转角的可编程镜设备。换言之，通过对投影仪122编程来使其投影至与特定的相应偏转角(例如用于投影到观察者132的相应的左眼208和右眼210的角度)相关联的唯一像素位置X_L和X_R，投影屏124的偏转角将会根据这种编程而被唯一选择和控制。由此，投影屏124(取决于其结构)将会从(例如)全向反射表面转换成具有可编程偏转角的可编程镜设备。

如下文显示和描述的那样，在一个实施例中，为投影屏124选择正弦表面函数会是非常有用的。这里使用的术语“正弦表面函数”被定义成是投影屏124上的表面形貌(surface topography)，其中所述表面形貌是作为沿投影屏124的至少一条轴线的位移的函数而正弦变化的。

现在参考图3，该图显示的是对具有表面函数302的投影屏124的描述300。在本实施例中，表面函数302是一个正弦表面函数，由此，如图3概括性描述的那样，该表面形貌正弦地变化，从而对应于入射光束304呈现出一种持续变化的、已知的且可预测的偏转角

对应于反射光束306的偏转角

是参考投影屏124的平面308测得的，由此该偏转角是投影屏124上的位置或坐标的正弦函数。在描述300中，投影屏124的关联法线212被显示成是水平位移x的函数，并且同样是随着x正弦地变化。

应该理解的是，虽然在本实施例中将表面函数302描述为正弦函数，但在更一般的意义上，只要是公知或明确定义的，该表面函数302可以是任何恰当的函数。如下文中更详细描述的那样，表面函数302被定义为这样一个函数，其中该函数是预定的(也就是已知和明确定义的)、反射性的(也就是反射撞击在其上的光)以及角响应的(angularly-responsive)。角响应(Angularly-response)被定义成意味着其上撞击光(impinging light)被反射的角度依赖于撞击光指向的表面函数上的位置而变化(也就是作为其函数变化，且该角度不恒定)，即使在光的实际撞击角度保持恒定的情况下也是如此。由此，光的反射角是以一种已知且可预测的方式来对光所瞄准或指向的位置做出响应的(“角响应的”)。相应地，投影屏124具有空间滤波器(表面函数302)，该空间滤波器定义了一个预定角响应反射表面函数。

虽然优选周期性表面函数和具有平滑斜率变化(例如弯曲外形)的表面函数，但是只要定义明确，也可以采用锯齿波函数、三角波函数、不规则函数、非谐波函数或是其他任何适当的任意函数。该函数既可以在数学上被明确定义，也可以通过扫描投影屏124并将所得到的反射映射到例如相关表中而得以操作性地明确定义。

继续参考图3并且随后转到图4，反射光数306的偏转角

作为x的函数可被如下确定。

投影屏124的表面函数302以如下方式将投影屏124的厚度(由此将表面高度)z(x)与沿着屏幕表面310的水平位移x相关联(由此就具体化为表面函数302)：

z (x) = Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x) + Z_{OFF}, k_{0} = \frac{2 \cdot π}{λ_{P}}

(式1)

其中：

Z₀是Z_OFF(“Z偏移量”)与投影屏124的最大厚度(Z_OFF+Z₀)之间的差值(由此，Z₀实质上是表面函数的幅度)，

Z_OFF是投影屏124的平均厚度，

z(x)是投影屏124在位置x的厚度，以及

λ_P是一个像素202(图2)的波长(由此，λ_P是一个360°循环的正弦波，而这代表了一个完整的表面函数周期)。

为了计算随x改变的正切或斜率312，对(式1)求取x的微分：

\frac{z (x)}{dx} = Z_{0} \cdot k_{0} \cdot \cos (k_{0} \cdot x)

(式2)

角度β^*于是被计算为：

\tan (β^{*} (x)) = \frac{z (x)}{dx} = Z_{0} \cdot k_{0} \cdot \cos (k_{0} \cdot x) &RightArrow;

β^{*} (x) = \arctan (Z_{0} \cdot k_{0} \cdot \cos (k_{0} \cdot x))

(式3)

角度β是法线212相对于投影屏124的表面308的角度。为了获取法线212随位置x改变的角度β，β可被如下计算为：

β(x)＝β^*(x)+90＝arctan(Z₀·k₀·cos(k₀·x))+90 (式4)

现在参考图4，该图显示的是对从投影仪122到观察者132的光路径402(包括入射光束304和反射光束306)的描述400，其中所述光路径是随投影屏124的表面函数302而改变的。

角度

和

可被如下计算为：

\tan (δ_{O}) = \frac{L_{O} - x}{L_{OS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)} &RightArrow; δ_{O} = \tan (\frac{L_{O} - x}{L_{OS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)})

(式5)

以及

\tan (δ_{P}) = \frac{L_{P} - x}{L_{PS} - Z_{OFF}} &RightArrow; δ_{O} = \tan (\frac{L_{P} - x}{L_{PS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)})

(式6)

借助等式5和6，现在就可以计算法线相对于x轴的角度。由于角度

正好介于

与

中间，因此，法线随x的变化是：

δ_{OP} (x) = \frac{δ_{O} + δ_{P}}{2} = \frac{1}{2} \cdot (\tan (\frac{L_{P} - x}{L_{PS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)}) + \tan (\frac{L_{O} - x}{L_{OS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)})) + \frac{π}{2}

(式7)

(式7)与β(x)(式4)中的函数相交的位置提供了如下文中的

(MathWorks，Natick，MA)脚本所示的调制函数：

％***************************************************

％

script for the calculation of the modulation

％function

％************************************************

％

％Initialize variables in mm

％Setup：

％Width of display：500mm

％Location of projector：250mm from left edge of display，

％500mm away from projection screen

％Location of observer：125mm from left edge of display，

％500mm away from projection screen

％Average thickness of display：10mm

％Pixel spacing：25mm

％Pixel depth：1mm

ZOFF＝10

Z0＝1

lambdaP＝50

k0＝360/lambdaP；

LO＝125

LP＝250

LPS＝500

LOS＝500

n＝0

flag＝0

％Define vectors

beta＝zeros(1,500)；

delta＝zeros(1,500)；

mod＝zeros(1,500)；

％Generate functions

for x＝1∶1∶500

delta(x)＝0.5*(atand((LP-x)/(LPS-

ZOFF+Z0*sind(k0*x)))+atand((LO-x)/(LOS-

ZOFF+Z0*sind(k0*x))))+90；

beta(x)＝atand(Z0*k0*cosd(k0*x))+90；

end

％determine points that are common to both functions

for counter＝1∶1∶500

mod(counter)＝0；

if delta(counter)＞beta(counter)

if(flag＝＝0)

mod(counter)＝delta(counter)；

flag＝1；

end

else

if(flag＝＝1)

mod(counter)＝delta(counter)；

flag＝0；

end

％************************************************

％plot graphs

％************************************************

％the red graph shows the angle of the normal when the

％screen is illuminated as a function of x

％the green graph shows the angle of the normal when

％observer is at location Lo，projector is at location Ls and

％the screen is illuminated as a function of x

％the blue graph shows the modulation function，the y axis

％showing the associated angle.Note that the modulation

％function has a constant amplitude of 1.

％************************************************

x＝1∶1∶500

figure

plot(x，delta，′r′)

hold on

plot(x，beta，′g′)

title′Angle of Normal as a function of x′

xlabel′Screen location/mm′

ylabel′Phase/degrees′

figure

plot(x，mod，′b′)

title′Modulation function as a function of x′

xlabel′Screen location/mm′

ylabel′Phase/degrees′

虽然投影屏124的大小、像素202、投影距离、观看距离等等取决于所考虑的特定用途，但是上述

脚本中的参数代表了这样一个实施例。在该实施例中，投影仪122与投影屏124相距500mm且与所显示图像(未显示)的左边缘相距250mm，所显示图像的宽度是500mm，观察者与投影屏124相距500mm且与所显示图像的左边缘相距125mm，以及像素202具有大小为1mm的深度以及25mm的间隔。

在

却本之前的介绍中，注意到

(式7)中与β(x)(式4)的函数相交的位置提供了调制函数，现在将会对此进行描述。

现在参考图5，该图显示的是示出了β(x)的曲线502的图500，其中所述β(x)是法线212随x改变的(图3)角度。

此外，在图5中还示出了

的曲线(在本实施例中实质上是一条直线)。如曲线504所示，

是随距离x逐渐改变的。可以设想，作为距离x的函数，

与法线212(图4)的角度相对应，其中后者将反射光束306瞄准观察者132的眼睛的正确角度(参见图4)。

现在参考图6，该图显示的是随距离x改变的调制函数602的图600。在β(x)与

的交叉点(如图5所示)，该调制函数602具有值1，而在其他位置则具有值0。存在用于观察者左眼的调制函数，以及用于观察者右眼的调制函数。在处于入射光束304(图4)撞击投影屏124的表面函数302(例如在图2所示的位置X_L和X_R上)的确切相应角度

时，这些调制函数将被用于开启投影仪122(例如调制函数值＝1)，由此将入射光束直接反射到观察者132的相应左眼208和右眼210。也就是说，每一个左边和右边调制函数都会在正确时刻控制并开启其各自左边或右边的图像投影，使其只到达相应的左眼或右眼。在其他时间，投影仪122关闭(例如调制函数值＝0)并且不会进行投影，由此会在投影光束没有瞄准以到达观察者眼睛的时候遮蔽或禁止(gate out)投影光束(也就是入射光束304)。

应该理解的是，毫无疑问，投影光束(例如入射光束304)未必像所描述的那样受到遮蔽，这是因为其在未瞄准恰当反射点(例如X_L和X_R)时是不会被直接反射到观察者眼睛的。但是，由于在商业上实现的反射表面并不完美，使得所述反射通常不是镜面反射而是会显现出某种程度的漫反射，因此，优选仍采用遮蔽处理。如所述，如果投影光束撞击到恰当反射点之外的位置，那么这种漫反射有可能降低图像质量。

类似的考虑因素暗示，入射光束304的宽度不但应该小于恰当反射点X_L和X_R之间的距离，而且优选应该要比上述距离小很多，例如标称上不到上述距离的一半。

现在参考图7，该图显示的是描述了图6所示的调制函数602物理意义的图示700。特别地，图7显示了调制函数602与投影屏124的表面函数302的关系，以及由此产生针对来自投影仪122的入射光束304(图4)的、受控的、同步传输和抑制。

在一个实施例中，入射光束304周期性扫过(sweep)投影屏124的表面。入射光束304的这种周期性扫过会使其路径在其扫过投影屏124的过程中随时间规则(即周期性)变化。由此，入射光束304的位置或位移(x，y)是时间t的函数。(为了简化说明，未显示y)。

相应地，图7将时间t与入射光束304在其扫过投影屏124过程中的物理移动或位移x相关联。借助t与x之间的这一相关性，被投影给观察者132的图像中的单个像素可以与表面函数302的一个像素相关联。于是，通过使用调制函数602来恰当调制该图像，可以标出像素中与特定法线212相关联的具体部分，其中围绕所述特定法线发生了针对观察者132的选定眼睛的预期反射。在一个实施例中，入射光束304是在其周期性扫过投影屏124的表面过程中由调制函数602相应地接通和切断的。结果使得确切的相应3D图像信息就能由此被投影到观察者132的左眼208和右眼210(图2)。

于是，在图7顶部显示了一个描述代表性图像数据信号的图像数据信号702。所述图像数据信号702可以包括例如关于左边子图像114(图1)的分量702L以及关于右边子图像116的分量702R。然后，调制函数602对相应的图像调制器118和120进行控制，以便只要在调制函数602具有值1的时候就调制左边子图像114和右边子图像116并将相应图像数据信号702(即702L和702R)传递到投影仪122。同样，当调制函数602具有值0时，就没有信号会被传递到投影仪122。这样做会使投影仪122只在入射光束304的角度与表面函数302正确配合的精确时刻投影要调制的图像数据信号702，以定义相应的分离光路径402，从而在空间上分别指引图像数据702以及其内的左边和右边子图像(114和116，由702L和702R表示)从投影屏124单独并且实质上只反射到观察者132的相应左眼208和右眼210的位置。相应地，在图7中将经过调制函数602调制的图像数据信号702的投影部分描述成了投影部分704L和704R。

图7底部显示的是投影屏124的表面函数304的相应部分。在这里表现的是x、t、调制函数602以及对应于观察者左眼208和右眼210的相应法线212L和212R之间的关系。如前所述，法线212相关并且由此规定了用于将入射光束304反射到观察者的相应左眼和右眼的正确角度以及投影目标的位置。如所述，在这些位置(x)和相应时间(t)处，调制函数602会在具有调制函数值1的情况下“接通”投影仪122。

相应地，通过使用调制函数602来适当调制图像数据702，可以为左眼208和右眼210创建相应的空间反射。通过与角响应反射表面函数302配合而在角度和强度上分别调制左边子图像114和右边子图像116，可以提供并定义具有可编程偏转角的可编程镜126。

同样，如下文中进一步说明的那样，出于成像目的，3D显示系统100可以产生空间反射。入射光束304或反射光束306可用于成像某个对象。更具体地说，它可以用于为给定偏转角确定给定对象的距离。在这种特定模式中，3D显示系统100将会成像其视野，以便创建代表对象距离的映射，以此作为扫描光束在设备视野中的垂直和水平位移的函数。举个例子，在一个实施例中，在光束离开投影仪122之后，随后它会被可编程镜126偏转到对象上(例如观察者132)，然后则从该对象进入光传感器134。根据调制光束的路径延迟，DSP128于是就可以计算光束传播距离，由此计算所要扫描的特定对象的距离。该特征有助于计算最优偏转角，以便为观察者132给出最佳的可能立体观看体验。

现在，根据本公开可以理解，调制函数602并不局限于调制图像数据702。该调制函数602还可以用于在水平和/或垂直方向上调制扫描光束(例如入射光束304)的扫描速度。举个例子，在一个实施例中，该实施方式会将投影仪持续保持在“开启”状态，并且简单地将入射光束304直接“跳转”到相应像素的每一条相应法线212的位置，其中，在该时刻入射光束304将被投影到所述相应像素位置以及从该相应像素位置投影到观察者的选定或目标眼睛。

此外还应该理解，调制函数602可以编码在投影屏124的表面中，使得在以恒定速度扫描投影屏124时将会命中合适的目标偏转角例如，当观察者132处于相当固定的位置时，这种处理是非常有利的。在某些此类环境中，扫描波束是可以持续保持开启的。

如上所述根据本发明的公开，通过与依照本发明公开而被调制的投影图像光束相结合来配置这里公开的投影屏，就可以提供具有可编程偏转角

的镜。

如上文中结合图1描述的那样，通过引入被观察者132之类的物理对象反射的光进行评估的拾取传感器，例如3D成像器130和光传感器134(图1)，可以使用系统100来成像一个或多个现有对象或观察者。这样做能够确定所述对象的位置和形状特性。此外举例来说，确定此类特定特性的处理可以使用已知的图像识别技术轻易完成。由此举例来说，该处理能使系统100将观察者头部左侧与对应于左眼208的左偏转角相关联，并将观察者头部右侧与对应于右眼210的右偏转角相关联。

应该理解的是，对观察者132来说，此类位置和形状特性是调整用于左边和右边图像的投影光束的恰当偏转角

以确保其正确到达观察者相应的左眼208和右眼210所必需的。这种用于确定观察者位置和形状特性的成像能力在系统100中产生了一种反馈机制(例如3D成像器130和光传感器134)，它允许观察者在投影屏124附近移动，由此系统100将会适应这种移动，并且持续追踪和跟随观察者。换言之，观察者的移动将被追踪，以便提供能够进行合适实时调整的反馈，从而在观察者移动并改变位置时持续将3D图像正确直接地引导到察者的左眼和右眼。

该反馈还可用于定义和追踪观察者的特性，例如头部方位(旋转和倾斜)、臂、手及手指位置等等，这些特性随后可以被解译为反馈，以便为各种观察者激励的控制输入提供系统输入。这些控制输入则又可用于控制3D显示系统100的操作，以便控制和/或操作虚拟显示体136中的虚拟对象等等。

例如，3D显示系统100可以在虚拟显示体中向观察者132呈现一个不突兀的3D虚拟桌面(未显示)。观察者132于是可以通过进入虚拟显示体136来“抓握”、“推动”或以好像桌面内部的虚拟对象似乎实际存在(看上去是实际存在的)的其他方式操纵这些虚拟对象，由此能够操作桌面内的这些虚拟对象。可以对虚拟对象进行操作是因为反馈机制识别了观察者在虚拟对象位置处的移动，例如手指移动，并且响应于此而对虚拟对象显示进行了重新配置。

一般来说，虚拟显示体136由此充当了用于3D交互的虚拟体。这种3D交互和用户界面(“UI”)可以与3D立体投影和观看相结合，或者与3D全息(或是下文中进一步描述的伪全息)投影及观看相结合。

在一个检测和反馈实施例中，例如在用来自投影仪122的光照亮观察者132以便由光传感器134进行检测时，由投影仪122投影的每个图像帧均可分为3个子帧：

○被投影的左图像子帧，它是指定给观察者132的左眼208(图2)的3D立体图像中的左边3D子图像(也就是左边子图像114)的帧；

○被投影的右图像子帧，它是指定给观察者132的右眼210(图2)的3D立体图像中的右边3D子图像(也就是右边子图像116)的帧；以及

○被投影的扫描图像子帧，它是通过照亮观察者132来确定和定位观察者的实际位置和方位的帧。

由此在该实施例中，投影扫描图像子帧的处理是以与投影左边和右边3D子图像的处理相一致的方式进行的。

扫描图像子帧可以用于扫过在其中会对观察者进行追踪的整个目标区域，或者当观察者的大致位置已知时，可以将扫描图像子帧期间的投影光束以更为具体的方式指向这个大致已知的位置来照亮观察者132。作为替换，观察者132也可以通过将来自投影屏124的光反射到该观察者而被间接照亮。从观察者132反射的光于是可以用于创建观察者132的3D轮廓，以及定义观察者132与投影屏124之间的关系。例如，这种关系可以被定义成是观察者与投影屏之间的距离z，以及各种观察者特性在与投影屏124的平面平行且相距z的相应x，y平面中的x，y，z位置。扫描图像子帧的数量和速率既可以是固定的，也可以适应性地依赖并响应于观察者132的移动程度和速率。

如先前所述，处于投影屏124附近的现存对象和/或观察者的成像处理可以由投影仪122或是3D成像器130之类的独立成像器提供，而光传感器134可以并入其中或与之分离。

现在参考图8，该图显示的是观察者132在被3D成像器130使用适当的图像识别法成像之后的简化形状800，这样该形状在DSP 128(图1)看起来是已知的。DSP 128中的适当图像识别处理随后会识别出观察者132的左肩802和右肩804。观察者头部的左侧806和右侧808也会被识别，并且观察者的左眼208和右眼210的相应位置同样也被识别(如果对3D成像器130不可见，那么它们可以通过内插法而从已被识别的其他头部特征位置、例如左侧806和右侧808中识别)。其中举例来说，用于实现眼部位置内插法的适当数据和过程可以用DSP 128来存储。

图8描述的是观察者的简化形状800，如上所述，它涉及x、y和z轴。在这方面，观察者132被识别成是面朝投影屏124(在图8中并未显示)、观察者的背朝3D成像器130、且位于投影屏124附近(参见图1)。

然后，以这种方式使用的被成像观察者132的简化形状800将会用于确定观察者头部的左侧806和右侧808的精确位置，以便(例如通过内插)恰当确定观察者左眼208和右眼210的位置。系统100于是使用该眼部位置信息来分别对左边和右边图像的偏转角

做出正确调整，以使其到达所确定的(内插得到的)眼部位置处的观察者的左眼208和右眼210。此外，当观察者132移动时，系统100追踪这种移动，并且追踪观察者眼部位置的移动，以及(通过内插)恰当确定新的眼部位置，以便响应于所追踪的移动来调整左边和右边的子图像。如下文中要进一步说明的那样，通过响应于所追踪的移动来调整左边和右边子图像，就能够产生出模拟全息图的图像。

现在，根据这里的公开，本领域普通技术人员应该进一步预见并了解，本发明可以同时适应多个观察者在同一时间共同使用3D显示系统100。当存在多个观察者时，3D成像器130或其他扫描系统(如先前所述)将会以持续和同时的方式来检测并定义多个观察者中的每一个的个人形状和位置。调制函数602和图像数据信号702随后将被适当修改，以便追踪多个用户中的每一个的位置和方位，从而得以启动和控制与每一个单独观察者相关联的恰当唯一的个人图像数据流以及空间反射。以此方式，就很容易为每一个单独用户同时提供唯一的个人3D视觉体验，其中每一个视觉体验(也就是投影图像)都可以根据需要选择性地与其他视觉体验相似或不同。

此外，可以实施图像识别来对观察者和非观察者加以区分，由此仅仅将图像投影到具有例如能对其加以区分的某些预先定义特征的预期目标(也就是在场的实际观察者)。

更进一步，在这里不但可以单独区分、检测和追踪单个的观察者132，而且可以根据与众不同的个人特征(例如身高、肩宽、独特轮廓等)来唯一识别这些观察者。于是，在这里可以存储个性化的观察者偏好，并且将其与这里的每一个观察者相关联。由此举例来说，一旦进入3D显示系统100的环境，那么该系统将会识别该观察者132，并且根据与之相关联的唯一的偏好和参数来定制观察者的体验。其示例包括自动验证观察者，在观察者到来时以个性化方式问候观察者，为该观察者提供仅为其定制的桌面，为该观察者提供定制的控制响应(例如针对头部移动的响应)，恢复先前停止的3D显示等等。

本发明的有价值的且有利的特征是自动对准处理(“自对准”，auto-alignment)。本发明的自对准特征能够在投影仪122、3D成像器130(如果独立于投影仪122)、投影屏124以及观察者132之间执行恰当的自动对准。在一个实施例中，该自对准特征会在3D成像器和光传感器并入投影仪122的情况下利用投影仪122作为传感器。在另一个实施例中，自对准特征使用了独立的3D成像器和传感器，例如3D成像器130和/或光传感器134。

借助自对准和校准特征，DSP 128和诸如3D成像器130之类的3D成像器不但确定了观察者的位置，而且还确定了投影屏124的位置。这种处理是通过以与扫描观察者132相似的方式扫描投影屏124来完成的。这种扫描确定投影屏124、观察者132以及投影仪122的确切相对位置和维度。DSP 128随后根据由该自校准由此确定的更新的当前屏幕位置和/或坐标来对调制函数602做出合适的调整(校准或重新校准)。如果期望或是需要的话，可以周期性地重复执行所述自对准校准处理，以便确保在投影屏124或其他元件的位置应该改变的时候仍然继续对准。这种自校准处理确保了为观察者132提供极佳的观看体验。

根据这里的公开，现在还应该理解，即使是对于投影屏124上的单个像素，通过适当扫描投影屏124并记录将投影光束返回到诸如光传感器之类的特定位置的投影角，也是可以对其进行单独校准的。然后，在投影屏的表面函数302已知并且光传感器的位置同样已知的情况下，据此就能很容易地计算和规定调制函数602，以便唯一投影到任何其他位置，例如观察者的特定的左眼208和右眼210。

本发明的一个特殊方面在于：它可以产生肉眼上几乎无法与观看真实全息图相区分的观看体验。这种“伪全息”图像直接来源于本发明追踪并响应于观察者移动的能力。通过追踪观察者眼部位置的移动，可以响应于所追踪的眼部移动来调整左边和右边的3D子图像，以便产生模拟真实全息图的图像。本发明因此可以持续将3D图像投影给观察者，也就是说当观察者在空间中(例如在虚拟显示体136中)走来走去并由此处于其中所显示的不同虚拟对象附近时，就会重建观察者应该具有的实际观看体验。这与全息图提供的体验性观看效果是相同的。此外，举例来说，它还允许观察者在虚拟对象周围移动，并且从不同的角度观察该对象的多个侧面，而普通的3D图像显示的是3D透视图，但却不会支持相对于所观看对象(例如在其周围)的移动。通过检测和跟随(也就是追踪)观察者在空间中的实际移动，以及响应于此恰当重建所观看的3D图像，并且由此模仿在一个或多个此类虚拟对象周围的实际移动，本发明投影的伪全息图像于是就能以与真实全息图相同的方式动态改变对象的3D视图。

本发明的伪全息能力的一个强大且出乎意料的扩展是全息加速。借助这里教导的全息加速，通过使得伪全息图像以快于观察者实际移动或位移的速度来进行相对于观察者的相应移动，就可以增加观察者的似动(apparent movement)。例如，当围绕某个对象移动时，该对象将会看上去以比观察者实际围绕其移动的速度更快的速度旋转。在直线移动时，相对于被投影图像的移动将会看上去比观察者的实际移动更快。其中举例来说，图像加速的程度可以由观察者选择，并且很容易即可由3D显示系统100实施。

在本发明的环境中，全息加速是非常有利的，这是因为虚拟显示体136的范围是有限的，并且观察者是面朝投影屏124的。举例来说，当投影屏124是扁平状的时候，让观察者以实际步行方式围绕虚拟对象任意行走是不切实际的。但是借助全息加速，观察者通过只围绕对象移动一个较小的弧度就可以实现相同效果，在执行这种处理时，观察者将会观察到所述对象是旋转的，就好像观察者正移动经过大的多的弧度。这种观看体验当前是不能用实际的全息图来实现的，由此也是本发明的一个显著的独特优点。

现在参考图9，该图显示的是根据本发明实施例的三维显示系统900的流程图。该三维显示系统900包括：在方框902中，提供具有预定角响应反射表面函数的投影屏；以及在方框904中，通过与预定角响应反射表面函数相配合来分别调制3D图像，以便定义具有可编程偏转角的可编程镜。

出人意料的是，本发明由此被发现具有很多特性。

这其中的一个主要方面在于：本发明提供了一种允许观察者完全且无阻碍地自由移动的高有效性、实用的、高效率、低复杂度以及低成本的自动立体显示器。

另一个重要方面在于：本发明同时在垂直和水平移动方向上提供了真实的视差体验。

再一个重要方面在于：本发明提供了可以独立且同时地支持多个观察者的实用的自动立体显示器。

本发明的一个非常重要的方面在于其提供了这样一种同时进行的观看活动，即可以向在相同观看环境中全都可以完全自由移动的每一个观察者呈现唯一定制的自动立体图像，并且该图像可以完全不同于同时正由在场的其他观察者所观看的图像。

本发明的另一个特别重要的方面在于能够实现和提供一种提供逼真全息体验的实用的自动立体显示器。更令人惊讶的是，根据本发明的全息或伪全息观看解决方案能够实现多个同时进行的个性化观看活动。

本发明的另一个特别重要的方面在于能够实现并提供不突兀的3D观看系统，其中该系统对反馈进行组合，以便结合针对3D观察者/用户输入的规定来优化观看体验，由此能在3D空间中观看和操作3D对象，而不需要特殊的观看护目镜或头戴物。

本发明的又一个重要方面在于其极大地支持并提供了降低成本、简化系统及增加性能的历史趋势的服务。

由此，本发明的这些以及其他有价值的方面就是将现有技术至少提升到了下一个等级。

由此可以发现，本发明的3D显示系统为视觉显示系统、尤其为3D自动立体和伪全息显示系统提供了极为重要的解决方案、能力以及功能方面，迄今为止对其的进一步应用可以说仍然是未知的和不可用的。相比之下，其最终得到的系统配置却简单直接的、划算的、复杂度低的、用途广泛且非常有效的。而且更令人惊讶的是，这种系统配置是可以通过采用已知的技术而以一种非显而易见的方式实施的，因此是与常规的制造工艺和技术完全兼容的。

虽然在这里结合特定的最佳实施方式而对本发明进行了描述，但是应该理解，根据以上描述，众多替换、修改和变更对本领域技术人员来说都是显而易见的。相应的，所有这些替换、修改和变更全都应该落入所包含的权利要求的范围以内。在这里阐述或是在附图中显示的所有内容都是以示例性而非限制意义来解释的。

Claims

1.一种三维显示系统(100)，包括：

提供(902)具有预定角响应反射表面函数(302)的投影屏(124)；以及

与预定角响应反射表面函数(302)配合来分别调制(904)三维图像(114，116)，以定义具有可编程偏转角的可编程镜(126)。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：在虚拟体(136)中追踪预定观察者特性(208，210，802，804，806，808)，以便提供关于观察者(132)激励的交互式控制输入的反馈。

3.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：使用扫描图像子帧来扫过观察者(132)正被追踪的目标区域。

4.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：在投影屏(124)前方构造预定虚拟显示体(136)，作为用于三维交互的虚拟体(136)。

5.根据权利要求1所述的系统(100)，其中调制(904)三维图像(114，116)还包括：开启和关闭所述图像(114，116)来控制射入观察者(132)左眼和右眼(208，210)的光学投影。

6.根据权利要求1所述的系统(100)，其中调制(904)三维图像(114，116)还包括：调制扫描射束(304)的扫描速度。

7.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：使用如下等式来确定表面函数(302)的法线(212)的角度：

β(x)＝β^*(x)+90＝arctan(Z₀·k₀·cos(k₀·x))+90。

8.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：使用以下等式来确定表面函数(302)的法线(212)的角度，其中所述函数对于将反射射束(306)瞄准到观察者(132)眼(208，210)中的处理进行校正：

δ_{OP} (x) = \frac{δ_{O} + δ_{P}}{2} = \frac{1}{2} \cdot (\tan (\frac{L_{P} - x}{L_{PS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)}) + \tan (\frac{L_{O} - x}{L_{OS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)})) + \frac{π}{2} .

9.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：

将调制函数(602)编码到投影屏(124)的表面(310)中。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括：将调制函数(602)编码到投影屏(124)的表面(310)中，以便在以恒定速度扫描投影屏(124)时命中预定目标偏转角。

11.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：

在观察者(132)与非观察者之间加以区分；以及

仅将图像(114，116)投影(122)给观察者(132)。

12.根据权利要求1所述的系统(100)，还包括：

确定至少一个观察者(132)的左眼和右眼(208，210)位置；

将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影(122)；以及

与预定角响应反射表面函数(302)配合来分别调制(118，120)子图像(114，116)，以便分别将左边和右边的子图像(114，116)实质上只投影到相应的左眼和右眼(208，210)位置。

13.根据权利要求12所述的系统，还包括：追踪眼(208，210)位置的移动。

14.根据权利要求12所述的系统，还包括：

追踪眼(208，210)位置的移动；以及

响应于所追踪的移动，调整左边和右边的子图像(114，116)，以便产生模拟全息图的图像。

15.根据权利要求12所述的系统，其中调制(118，120)子图像(114，116)还包括：在未瞄准子图像(114，116)使其到达观察者(132)眼(208，210)时，遮蔽或禁止子图像(114，116)的投影。

16.根据权利要求12所述的系统，其中：

调制(118，120)还包括：与表面函数(302)的法线(212)进行关联；以及

将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影还包括：将入射光射束(304)投影到对应像素的每一条相应法线(212)的位置，其中在该时刻所述入射光射束(304)将被投影到所述法线(212)的位置以及从所述法线(212)的位置投影。

17.根据权利要求12所述的系统，其中将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影还包括：将入射光射束(304)投影到对应像素的每一条相应法线(212)的位置，其中在该时刻所述入射光射束(304)将被投影到所述法线(212)的位置以及从所述法线(212)的位置投影，所述入射射束的宽度小于像素(202)的反射点X_I与X_R之间的距离。

18.根据权利要求12所述的系统，还包括：

唯一标识各个观察者(132)；

存储个性化的观察者(132)偏好；以及

根据与观察者(132)相关联的偏好来定制所述观察者(132)的体验。

19.根据权利要求12所述的系统，还包括：通过下列处理来自动对准投影屏(124)以及左边和右边子图像(114，116)的投影(122)：

扫描投影屏(124)来确定其位置；以及

根据所确定的投影屏(124)的位置来调整所述调制(118，120)。

20.根据权利要求12所述的系统，还包括：通过下列处理来自动对准投影屏(124)以及左边和右边子图像(114，116)的投影(122)：

确定投影屏(124)的位置；

记录至少一个投影角，其中该投影角将至少一个被投影的子图像返回给预定位置；以及

据此来调整所述调制(118，120)。

21.一种三维显示系统，包括：

追踪观察者(132)的眼(208，210)位置的移动；

将左边和右边的三维伪全息子图像(114，116)向观察者(132)的相应的左眼和右眼(208，210)位置投影；以及

响应于所追踪的移动，调整左边和右边的子图像(114，116)，以便产生模拟全息图的伪全息图像。

22.根据权利要求21所述的系统，还包括：使所述伪全息图像(114，116)相对于观察者以比观察者(132)的实际移动更快的速度来进行对应移动，以便通过增加观察者(132)的表观移动来提供全息加速度。

23.根据权利要求21所述的系统，还包括：结合三维伪全息投影和观察，在观察者(132)前方构造预定虚拟显示体(136)作为三维交互的虚拟体(136)。

24.一种三维显示系统，包括：

投影屏(124)，具有预定角响应反射表面函数(302)；以及

与预定角响应反射表面函数(302)配合来分别调制三维图像(114，116)，以定义具有可编程偏转角的可编程镜(126)的设备(118，120)。

25.根据权利要求24所述的系统，还包括：用于在虚拟体(136)中追踪预定观察者特性(208，210，802，804，806，808)来提供关于观察者(132)激励的交互式控制输入的反馈的设备(102，110)。

26.根据权利要求24所述的系统，还包括：用于使用扫描图像子帧来扫过观察者(132)正被追踪的目标区域的设备(102，110)。

27.根据权利要求24所述的系统，还包括：在投影屏(124)前方被构造为用于三维交互的虚拟体(136)的预定虚拟显示体(136)。

28.根据权利要求24所述的系统，其中用于调制三维图像(114，116)的设备(118，120)还包括：用于开启和关闭所述图像(114，116)来控制射入观察者(132)左眼和右眼(208，210)的光学投影的设备(118，120)。

29.根据权利要求24所述的系统，其中用于调制三维图像(114，116)的设备(118，120)还包括：用于调制扫描射束(304)的扫描速度的设备(118，120)。

30.根据权利要求24所述的系统，还包括：用于使用如下等式来确定表面函数(302)的法线(212)的角度的电路(102)：

β(x)＝β^*(x)+90＝arctan(Z₀·k₀·cos(k₀·x))+90。

31.根据权利要求24所述的系统，还包括：用于使用以下等式来确定表面函数(302)的法线(212)的角度的电路(102)，其中所述函数对于将反射射束(306)瞄准到观察者(132)眼(208，210)中的处理进行校正：

δ_{OP} (x) = \frac{δ_{O} + δ_{P}}{2} = \frac{1}{2} \cdot (\tan (\frac{L_{P} - x}{L_{PS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)}) + \tan (\frac{L_{O} - x}{L_{OS} - Z_{OFF} + Z_{0} \cdot \sin (k_{0} \cdot x)})) + \frac{π}{2} .

32.根据权利要求24所述的系统，还包括：在投影屏(124)的表面(310)中编码的调制函数(602)。

33.根据权利要求24所述的系统，还包括：在投影屏(124)的表面(310)中编码以便在以恒定速度扫描投影屏(124)时命中预定目标偏转角的调制函数(602)。

34.根据权利要求24所述的系统，还包括用于实施下列处理的设备(102，110)：

在观察者(132)与非观察者之间加以区分；以及

仅将图像(114，116)投影(122)给观察者(132)。

35.根据权利要求24所述的系统，还包括：

用于确定至少一个观察者(132)的左眼和右眼(208，210)位置的设备(102，110)；

用于将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影的设备(122)；以及

用于与预定角响应反射表面函数(302)配合来分别调制子图像(114，116)以便分别将左边和右边的子图像(114，116)实质上只投影到相应的左眼和右眼(208，210)位置的设备(118，120)。

36.根据权利要求35所述的系统，还包括：用于追踪眼(208，210)位置的移动的设备(102，110)。

37.根据权利要求35所述的系统，还包括用于实施下列处理的设备(102，110)：

追踪眼(208，210)位置的移动；以及

38.根据权利要求35所述的系统，其中用于调制子图像(114，116)的设备(118，120)还包括：用于在未瞄准子图像(114，116)使其到达观察者(132)眼(208，210)时遮蔽或禁止子图像(114，116)的投影的设备(118，120)。

39.根据权利要求35所述的系统，其中

用于调制的设备(118，120)还包括：用于与表面函数(302)的法线(212)进行关联的设备；以及

用于将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影的设备(122)还包括：用于将入射光射束(304)投影到对应像素的每一条相应法线(212)的位置的设备(122)，其中在该时刻所述入射光射束(304)将被投影到所述法线(212)的位置以及从所述法线(212)的位置投影。

40.根据权利要求35所述的系统，其中用于将左边和右边的三维子图像(114，116)向投影屏(124)投影的设备(122)还包括：用于将入射光射束(304)投影到对应像素的每一条相应法线(212)位置的设备(122)，其中在该时刻所述入射光射束(304)将被投影到所述法线(212)的位置以及从所述法线(212)的位置投影，所述入射射束的宽度小于像素(202)的反射点X_L与X_R之间的距离。

41.根据权利要求53所述的系统，还包括用于实施下列处理的设备(102，110)：

唯一标识各个观察者(132)；

存储个性化的观察者(132)偏好；以及

42.根据权利要求35所述的系统，还包括：用于自动对准投影屏(124)的设备(102，110)以及用于通过下列处理来投影左边和右边子图像(114，116)的设备(122)：

扫描投影屏(124)来确定其位置；以及

根据所确定的投影屏(124)的位置来调整所述用于调制的设备(118，120)。

43.根据权利要求35所述的系统，还包括：用于自动对准投影屏(124)的设备(102，110)以及用于通过下列处理来投影左边和右边子图像(114，116)的设备(122)：

确定投影屏(124)的位置；

据此来调整所述用于调制的设备(118，120)。

44.一种三维显示系统，包括：

用于追踪观察者(132)眼(208，210)位置的移动的设备(102，110)；

用于将左边和右边的三维伪全息子图像(114，116)向观察者(132)的相应的左眼和右眼(208，210)位置投影的设备(122)；以及

用于响应于所追踪的移动来调整左边和右边的子图像(114，116)，以便产生模拟全息图的伪全息图像的设备(102，110)。

45.根据权利要求44所述的系统，还包括：用于使所述伪全息图像(114，116)相对于观察者以比观察者(132)的实际移动更快的速度来进行对应移动，以便通过增加观察者(132)的表观移动来产生全息加速度的设备(102，110)。

46.根据权利要求44所述的系统，还包括：结合三维伪全息投影和观察，在观察者(132)前方作为三维交互的虚拟体(136)构造的预定虚拟显示体(136)。