CN101534455A - 利用单片显示器件制作的头盔式立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种利用单片显示器制作的头盔式立体显示器，其特征是：自单片显示器的两个宽边的中点连线处，将单片显示器的显示区域分为相等的两部分，其中一部分显示具有视差的左眼图像，而另一部分显示具有视差的右眼图像，左眼图像和右眼图像的宽边是单片显示器的窄边，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，从而使观察者看到立体图像。

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，以往利用单片显示器件显示图像的方式就是这样的，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器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，电脑至少也能达到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。

图3a中的1是单片显示器件，在图3a上，是其宽边向着观察者的方向竖直放置的，我们看到是它的显示屏面的宽边上端面。2和3分别表示在1上显示的左眼的图和右眼的图，有方向的箭头是为了表示图2a中的编码方式，6是两块成90度正交的全反射矩形镜，其两个正交的镜面同单片显示器件的显示平面的交角是±90度，两片全反射镜的交线同单片显示器两个宽边的中点连线平行，它可以把2转移到2a，把3转移到2b，注意图中表达左眼图的2和右眼图的3，其箭头的始端是个菱形，这是为了表达它们在图2a中单片显示器件显示的左眼图和右眼图的上端部分，而在图3b中，这些箭头的始端是圆球型，这是为了表达它们在图2a中单片显示器件显示的左眼图和右眼图的下端部分，我们在下面的叙述中会看到，这样的描述会有助于理解本发明的技术特征。注意2a和3a之所以画在了6的外侧，而没有按照反射定律画在6的内侧，完全是为了便于说明图像是如何被转换过来的，是表示观察者在视网膜上看到的图像。

图3c中的单片显示器件1的位置为背对着观察者，在其上显示的左眼图2和右眼图3用不同的箭头表现出来，6是正交的两块全反射矩形镜，7和8是另外两块全反射矩形镜，它们同单片显示器的窄边成90度夹角，7和8是正交的，每一片全反射矩形镜7和8到单片显示器件的窄边边缘的距离都相等，通过这两块全反射镜，2a和2b被转移到12和11，注意这时的箭头都是指向纸内的，人眼可以看到的实际图像是10和9，观察者的左眼4和右眼5就可以看到单片显示器中显示的左眼图像2和右眼图像3，这时，由于在单片显示器上显示的左眼图像和右眼图像分别被两片全反射镜进行了在不同正交空间方向的两次90度像转移，因此观察者获得了符合图2e的一幅立体图像。

当需要采用大尺寸的单片显示器显示立体图像时，由于人眼的瞳孔间距是无法改变的，又由于人眼汇聚的特殊功能，所以我们必须通过同步调整7和8的交角来满足观察者的双眼汇聚融像的过程，达到立体成像的目的，这时7和8的交角将大于90度。

图4是描述本发明的工作原理的一幅立体图。

1是单片显示器件，水平放置，按图中它和观察者的相对位置，它的显示面水平向下放置在观察者眼睛的正方，2是单片显示器中显示的左眼图像，箭头表示图像的编码格式；3是单片显示器中显示的右眼图像，箭头表示图像的编码格式，图中共用了四个不同的箭头，以方便表述它们在经过光学转换器转换图像时的图像位置，6是两片正交的全反射矩形镜，2a和3a分别表示经过6后，像2和像3的位置；7和8是另外两块全反射矩形镜，镜面7同2a构成的像平面成90度夹角，镜面8同3a构成的像平面成90度夹角；镜面7和镜面8到单片显示器的距离相等；2b是2经过两个镜面6和7转换得到的像；3b是3经过两个镜面6和8转换得到的像；14是透镜，它可以将2b放大，4是观察者的左眼，它通过透镜14观察到图像2；15也是透镜，它可以将3b放大，5是观察者的右眼，它通过透镜15观察到图像3，最终在观察者大脑中合成一幅立体图像。

图5是当单片显示器尺寸较大时，去掉透镜的情形。

当单片显示器的尺寸达到29寸或40寸时，完全没有必要再用透镜放大图像，观察者就可以看到清晰的立体图像，问题是如何汇聚左眼图像和右眼图像，图5中的16和17表示安装在观察者眼前的玻璃，18表示7和8的调整角，通过增大7和8的夹角或交角，可以保证观察者获得理想的汇聚。

图6是本发明的图像驱动电路部分。

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，它们把23进行逆时针90度旋转，把24进行顺时针90度旋转，获得27和28，29是数字图像编辑器，它把27和28的水平像素数和垂直像素数进行调整并合成为30，30可以具有水平像素1920，垂直像素1080，也可以是其它分辨率，只要同单片显示器的显示分辨率相匹配就可以了，将30送入单片显示器中去显示，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，而且光学图像转换期间只是平面全反射镜，成本低，结构简单，占用空间小，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，可以将14和15制作成非线性透镜。利用本发明制作的头盔式立体显示器，因为无需采用半透镜进行图像转移，因此图像亮度基本没有损失，这也是本发明的一大特点。

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7和8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逆时针旋转90度，另一幅表示右眼图像顺时针旋转90度，将这两幅图像的底边对齐并排列在一起，合成为一幅完整图像，并将这幅图像在一个单片显示器上显示出来，自单片显示器的两个宽边的中点连线处，将单片显示器的显示区域分为相等的两部分，其中一部分显示具有视差的左眼图像，而另一部分显示具有视差的右眼图像，左眼图像和右眼图像的宽边是单片显示器的窄边，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矩形正交镜片组成，其镜片的交线正对且平行于单片显示器显示面两个宽边的中点的连线，第2组平面全反射镜也有两块矩形全发射镜面构成，镜面的法线同显示器显示面的法线正交，矩形镜面的宽边同单片显示器的窄边交角90度，两片矩形镜片的交角也是90度，这两组全反射镜将单片显示器上显示的左眼图像和右眼图像分别做了2个90度的图像转移后，呈现给观察者的左眼和右眼，在左眼和右眼前，安置有线性透镜或非线性透镜，观察者通过这两个透镜看到被放大了的立体图像，左眼图像和右眼图像是这样被编码到单片显示器的显示屏上的：左眼图像的左上角是单片显示器显示正常图像的左下角，而右眼图像的左上角是单片显示器正常显示图像的右上角。

2.权利要求1中提到的立体图像的编码方式，其表示左眼图像的左上角可以位于单片显示器宽边中点上端点，而表示右眼图像的左上角可以位于单片显示器宽边中点的下端点。

3.权利要求1中提到的单片显示器，可以是任意尺寸的单片显示器，可以用于头盔立体图像显示，也可以用于其它大尺寸的立体图像显示，保证双眼汇聚是通过同步调整7和8的角度实现的。

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。

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