CN101533156A - 利用单片显示器件制作的头盔式立体显示器 - Google Patents

Abstract

利用一种特殊设计的光学图像转化元件，将单片显示器中显示的左眼图像转换到观察者的左眼，而将单片显示器上显示的右眼图像转换到观察者的右眼，从而使观察者能过看到立体图像，这种光学转换元件由两组平面全反射矩形镜组成，其中一组反射镜将左眼图反射到观察者的左眼，而另一组反射镜将右眼图反射到观察者的右眼，在观察者左眼前放置了像移片，该像移片可以将左眼前的图像向下移动，在观察者的右眼前也放置了像移片，可以将右眼前的图像向上移动，观察者因此可以在单片显示器上看到没有垂直视差的立体图像。

Description

利用单片显示器件制作的头盔式立体显示器

立体头盔显示器是一种可以带在头上观看立体图像的立体显示装置，由小尺寸、高分辨率的显示器件、光学成像元件、电子驱动电路和头盔式外壳组成。电子驱动电路将具有视差的左眼视频信号和右眼视频信号分别馈送至两个显示器件，再通过两套光学成像元件将这两个显示器件显示的图像分别传送到观察者的左眼和右眼，最终观察者在大脑中合成立体图像。

显示器件的分辨率一般在600 x 400至1920 x 1080之间，显示器件可以是液晶显示器，也可以是LCos显示器，也有用阴极射线管做显示器的。由于显示器的尺寸很小并且安装在紧靠观察者头部的位置，为了获得大的视场和清晰的图像，需要采用光学成像装置将显示器的图像做无畸变放大并且改变成像位置，有直接采用透镜成像的，也有采用凹面镜成像的，为了减小图像的畸变，减轻光学元件的重量，最近几年，采用非线性透镜成像的光学器件越来越普遍。

电子驱动电路已经十分成熟，可以采用具有视差的双路视频信号分别驱动两片显示器件，也可以采用时分立体视频信号，通过电路提取奇数场和偶数场视频信号并分别倍频后传送到两片显示器件。

有些用户需要做虚拟现实的显示，这可以通过在头盔上安装位置追踪器来实现，有磁性传感器位置追踪器，也有用液体传感器位置追踪器的。

这样的立体头盔显示器已经有多种产品问世，日本、美国和中国都先后生产过这种立体头盔显示器。

由于这种头盔式立体显示器采用了两片显示器件，其重量和高成本成为市场推广的羁绊。是否可以采用单片显示器完成头盔式立体图像的显示呢？这样不仅可以减轻头盔显示器的重量，还可以降低头盔显示器的成本，本发明就是针对这一问题提出的。

图1是本发明的基本原理图。

图1a中的1是单片显示器，其中表示了单片显示器显示的一幅正常情况下的完整图像，图1b说明本发明利用一个单片显示器1显示分别提供给左眼和右眼的具有视差的两幅图像2和3，其中显示的左眼图像为2，显示的右眼图像为3，左眼图像2和右眼图像3的图像编码方式可以是多种方式的。图1c说明通过一套光学元件，将图像2转移到左眼4，而将图像3转移到右眼5。单片显示器1可以是垂直放置，左眼图和右眼图在1中是水平排列的，而通过光学元件转移到左右眼的图像也是水平的；图1d说明单片显示器也可以水平放置，2和3在1中是垂直排列的，左眼图像2的左上角位于单片显示器显示正常器图像时的左下角，而右眼图像3的左上角，位于单片显示器显示正常图像时的右上角，光学元件将2和3转移到左右眼的图像是水平的。4和5表示观察者的左眼和右眼。

因为单片显示器的显示比率是4：3(1.33)或16：9(1.77)，因此在将其沿着宽边方向的中点一分为二使用，使其中之一显示左眼图像，使其中之二显示右眼图像，所显示的每一幅图像的比率是3：2(1.5)或9：8(1.125)，它们接近标准显示比率，同时也很容易校正到标准的显示比率，而不会引起图像的畸变。图像的编码格式同所采用的转移图像的光学元件有关，不同的光学转换元件，应该对应不同的图像编码格式。如果采用1920 x 1080的单片显示器，则分配给左眼的图像和右眼图像的最大分辨率为1080 x 960，考虑到光学图像转换元件的影响，左眼图像和右眼图像的垂直分辨率会损失一些，但至少也能达到1080 x 950，这样的头盔式立体显示器，比当今市场上多数立体头盔显示器的分辨率还是高出许多，但成本却大大降低了。

图2是在利用单片显示器件制作头盔立体显示器时，对所需要的立体图像编码格式的说明。

1是单片显示器件，可以是液晶显示器件，也可以是LCos显示器件，也可以是阴极射线管显示器件，当然也可以采用DLP显示器件。在图2a中，单片显示器件是水平使用的，其中2表示在水平使用的单片显示器件中，左半部分显示左眼图像，该图像的左上角对应着单片显示器显示屏面的左下角，该图像的宽边是单片显示器件的窄边；右半部分显示右眼图像，该图像的左上角，对应着单片显示器显示屏面的右上角，同样，图像的宽边是单片显示器件的窄边。

在图2b中，单片显示器件仍是水平使用的，其中2表示在水平使用的单片显示器件中，左半部分显示左眼图像，该图像的左上角对应着单片显示器的宽边的上方中心点，图像的宽边是单片显示器件的窄边；右半部分显示右眼图像，该图像的左上角，对应着单片显示器的宽边的下方的中心点，同样，图像的宽边是单片显示器件的窄边。

在图2c中，单片显示器件是垂直使用的，其中2表示在垂直使用的单片显示器件中，上半部分显示左眼图像，该图像的左上角对应着单片显示器正常显示图像时的左下角，图像的宽边是单片显示器件的窄边；下半部分显示右眼图像，该图像的左上角，对应着单片显示器正常显示图像时的下端宽边的中心点，同样，图像的宽边是单片显示器件的窄边。

在图2d中，单片显示器件也是垂直使用的，其中2表示在垂直使用的单片显示器件中，上半部分显示左眼图像，该图像的左上角对应着单片显示器的左下角，图像的宽边是单片显示器件的窄边；下半部分显示右眼图像，该图像的左上角，对应着单片显示器的下端宽边的中心点，同样，图像的宽边是单片显示器件的窄边。但2和3是水平倒置反向的，这从图2c和图2d的对比中可以看出，图2d的图像是图2c的图像的镜像，即水平方向正好相反。

然而，无论何种利用单片显示器形成的立体图像编码格式，在最终显示时，都要符合图2e的显示方式，即2显示左眼图像，通过光学器件提供给观察者的左眼；3显示右眼图像，通过光学器件提供给观察者的右眼。

图3是如何将单片显示器件显示的立体图像通过光学元件显示给观察者的左眼和右眼的。

1是单片显示器件，按照图中的位置，它是以其窄边垂直于纸面放置的，2是在该单片显示器上端显示的左眼图像，用黑色箭头表示，3是在该单片显示器下端显示的右眼图像，用灰色箭头表示，为了表述清楚，我们将这两个箭头分开画出，而实际情况是它们应该重合在一起的，因为它们是在同一个画面上显示的。6是一块全反射矩形镜，其镜面对着单片显示器的显示面，它相对于单片显示器1成45度角放置，这样该反射镜会将像2转移到像2b，8是另一块全反射矩形镜，它和6平行，该镜将像2b转移到像2c，观察者的左眼4通过像移片10看到像2c，为了放大图像，在像移片10的前方可以再放置一个透镜10a，该透镜可以是非线性透镜。7是另一块全反射矩形镜，其镜面面向单片显示器的显示面，它将像3转移到3b，9是另一块全反射矩形镜，它的镜面面向7的镜面，并和7平行，它将像3b转移到像3c，观察者的右眼5通过像移片看到像3c。当观察者的左眼和右眼同时看到单片显示器上的左眼图像和右眼图像时，即可在观察者的大脑中合成立体图像。

图4说明像移片是如何工作的。

在图4a中，1是单片显示器，2是在单片显示器上方显示的左眼图像，3是在单片显示器的下方显示的右眼图像，经过如图3所述的4片全反射矩形镜的反射，将像2转移到像2c，而将像3转移到像3c。但是像2c和像3c不是在一条水平线上，具有相当大的垂直视差异，观察者是无法将这样的两幅图像会聚成像的。必须通过某种方法将像2c向下移动，而将像3c向上移动，移动的距离恰好让像2c和像3c在一个水平线上，使得观察者可以看到0垂直视差的体视对。我们将这样的过程叫做像移过程，而将具有这样功能的光学器件叫做像移器或像移片。图4b中的10和11就是这样的像移器件，它们放置在2c和3c的前方一定的位置，观察者的左眼通过10观看2c，而观察者的右眼通过11观看3c。图4b说明了当像移片没有工作时，像2c和像3c的位置。图4c说明当像移片工作时的情形，可以看到，像2c被向下移动，而像3c被向上移动。两个像在同一个水平线上，垂直视差为零，观察者可以对左眼图和右眼图进行会聚立体成像。

图5进一步说明了像移片的工作原理。

10是像移片，它是由微小棱镜组成的水平棱镜阵列，当像2c发出的光线到达这些微小棱镜的上折射面时，棱镜通过折射，会使入射光向下偏转，这样观察者会看到像2c被转移到像2d，即将像2c像上方移动了距离12。同样，当2c发出的光线到达这些微小棱镜的下折射面时，棱镜通过折射，会使入射光向上偏转，即将2c向上方移动了距离13，显然12等于13，即通过这种像移片，我们将获得两个被像移了图像：一个移到上方，而另一个被移到下方。通过设计棱镜的折射角，可以视距固定的情况下，正好将2c和3c移到我们需要的位置，并保证其水平视差异为零，当然，如果视距是可变，也可通过调整像移片和图像的距离来调整像移的大小。为了便于叙述，这里只以像移片10和像2c对像移片是如何移动图像的原理进行说明，而11对于3c的像移动，其原理完全相同。在两只眼前，放置的像移片是完全一样的，只是左眼看到的是被下移的图像，而右眼看到的是被上移的图像，左眼中被下移了图像已经在视场之外，同样，右眼中被上移了图像，也已经在视场之外，观察者是看不到的。在图5的下方，是另外一个描述像移片工作状况的说明图，10是像移片，4是观察者的左眼，透过像移片观察像2c，可以看出像2成被下移位到2d，另外一个被上移位到2e的像，由于已经超出视野范围，因此不会对4造成双像干扰。

图6是为了更好的说明本发明的工作原理而绘制的一张立体示意图。

1是单片显示器，可以是单片液晶显示器，也可以是单片LCos显示器，也可以是阴极射线管显示器，如果不是为了显示动态立体图像，也可以是一张图像胶片。单片显示器的相对于观察者水平放置，而宽边相对于观察者垂直放置。6是全反射矩形镜，它的一边和单片显示器的右宽边相交，并和单片显示器成45度夹角，8是另一块全反射矩形镜，它和6平行放置，1显示的上半部分表示左眼的图像经过6和8被转移到观察者的左眼；7也是全反射矩形镜，它的一边和单片显示器的左宽边相交，也和单片显示器成45度夹角，9是另一块全反射矩形镜，它和7平行放置，1显示的下半部分表示右眼的图像经过7和9被转移到观察者的右眼。10是放置像移片和透镜的地方，它可以将8上反射到观察者左眼的图像下移，而将9上反射到观察者右眼的图像上移，以保证观察者双眼没有垂直视差异，从而形成立体会聚成像。透镜的作用是对像进行放大，以满足大视场的需要，同时将成像面进行移动，使观察者可以看到清晰的像。

图7是本发明的电路驱动部分的原理图。

20和21是具有一定间距的两部摄像机或数码照相机，它们构成了一部立体摄像机或立体照相机，它们被同步器22同步控制，以保证两部摄像机获得的视频信号具有完全一样的时基和行场同步信号，23和24是立体摄像机或立体照相机获得右眼图像和左眼图像，25和26是图像处理器，把23进行水平尺寸和垂直尺寸的调整，使其水平像素数等于23的垂直像素数，而使其垂直像素数等于23水平像素数的一半；把24进行水平尺寸和垂直尺寸的调整，使其水平像素数等于24的垂直像素数，而使其垂直像素数等于24水平像素数的一半；29是数字图像编辑器，它把27和28编辑合成为30，30的上半部分为27，而下半部分为28。将30送入单片显示器1中去显示，再通过前面叙述的立体成像原理和方法，就可以显示立体图像了。

可以看出，利用本发明实现的立体头盔，只用一片显示器就可以显示立体图像，而且光学图像转换器件只是平面全反射镜，成本低，结构简单，占用空间小，几乎没有亮度损失，图像的像移距离小，考虑到视角和视场的变化，镜面的尺寸也是十分有限的。为了尽量减少图像的失真、增加放大率，可以在像移片10的前面增加透镜或非下行透镜。

本发明不仅可以用于头盔立体图像的显示，而且也可以用于其它需要显示立体图像的文化、教育或科研领域。它不仅适合于小尺寸单片显示器显示立体图像，而且也适用于大尺寸的单片显示器显示立体图像，比如采用17寸高分辨液晶屏或更大尺寸的液晶显示器显示立体图像，通过同步调整6、7和8、9的角度，可以使观察者在观看大尺寸显示屏显示的立体图像时，看到符合人眼汇聚要求的舒适立体图像，而不受单片显示屏显示尺寸的限制。

Claims (4)

1.一种利用单片显示器制作的头盔式立体显示器，其特征是：采用两部被同步的摄像机或照相机拍摄立体图像，将其中表示左眼的图像和表示右眼的图像处理并合成为一幅图像，在该图像中，上半部分图像为左眼图像，而下半部分图像为右眼图像，合成图中的左眼图像的水平像素数为摄像机拍摄的左眼图像的垂直像素数，而垂直像素数为摄像机拍摄到的左眼图像的水平像素数的一半；合成图中的右眼图像的水平像素数为摄像机拍摄的右眼图像的垂直像素数，而垂直像素数为摄像机拍摄到的右眼图像的水平像素数的一半，将这种合成图在单片显示器中显示出来，利用一种特殊设计的光学图像转化元件，将单片显示器中显示的左眼图像转换到观察者的左眼，而将单片显示器上显示的右眼图像转换到观察者的右眼，从而使观察者能过看到立体图像，这种光学转换元件由两组平面全反射矩形镜组成，其中第1组平面全反射镜由两块正交的全反射矩形镜片组成，其中一个镜片放置在合成图左眼图像的前方，并和单片显示器的显示面成45度夹角，用来反射左眼图，另一个镜片放置在合成图右眼图像的前方，也和单片显示器的显示面成45度夹角，用来反射右眼图，第2组平面全反射镜也有两块矩形全反射镜面构成，其中一块同反射左眼图的反射镜平行，将左眼图反射到观察者的左眼；而另一块同反射右眼图的反射镜平行，将右眼图反射到观察者的右眼；在观察者左眼前放置了一块像移片，该像移片可以将左眼前的图像向下移动，在观察者的右眼前也放置了像移片，它可以将右眼前的图像向上移动，观察者看到的是没有垂直视差的立体图像。

2.权利要求1中提到的立体图像的编码方式，其表示左眼图像的位于单片显示器上半部分方，而表示右眼图像位于单片显示器窄边的下半部分，单片显示器垂直使用。

3.权利要求1中提到的像移片，是由微小棱镜阵列构成的，它不仅可以将左眼前的图像向下移动，也可以将左眼前的图像像上移动；它不仅可以将右眼前的图像向上移动，也可以将右眼前的图像向下移动。

4.权利要求1中提到的单片显示器，可以是液晶单片显示器，可以是LCos单片显示器，可以是阴极射线管显示器，可以是DLP单片显示器，也可是图像胶片。

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