CN101606393A - 多视图立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示器，其通过将双凸透镜耦合到LCD显示器来提供3D感觉，透镜的轴以一角度与显示器的垂直方向倾斜，来自每个交替的像素的排的输出直接在每排之上的一排或多排上重复，该自动立体显示器提供多个9视图的重复的组。

Description

多视图立体显示器

发明领域

本发明涉及自动立体显示器，其中，为了产生可感知的三维印象，把双凸透镜放在平板显示器和观察者之间。

背景

为了增加观看者观察二维图像的视觉体验，普遍认为引入可感知的三维是一个成功的方法。这个效果已经用宣传标示牌和视觉促销活动。在娱乐业中，多年来已经使用彩色滤光镜以及后来通过使用与在左右眼视图之间交替的显示器同步的快门眼镜来获得可感知的三维观看。

平板显示器例如液晶(LCD)和等离子种类的出现，宣告在显示器和观看者之间插入光学元件而为观看者的每只眼睛呈现不同图像的可能性。

为了获得这些不同的图像，一幅图像被分成相应于不同观看角度的许多视图。这些视图被拼接成一幅图像，柱面透镜阵列把每个视图聚集到不同的方向。相邻视图之间的角距设计为，使得在距显示器的指定的观看距离内，观察者的每只眼睛接收来自不同视图的光。各种文献描述了原理和技术，例如美国专利第6,064,424号。最简单的布置只产生两个视图，而多视图系统典型地具有七到九个视图，观察者向一旁移动时，视图组重复。在视图组之间的过渡区，观察者的眼睛所看到的图像是不匹配的，也失去了3D效果，体验也不舒服。

更多数量的视图提供增强的3D体验，因为能够更大程度地“环视(look-around)”目标，以及也能减少过渡区(在该处，视图组重复)的数量。增加视图数量的阻力是水平分辨率的损失以及水平分辨率和垂直分辨率之间的不一致。

采用双凸透镜的显示器的另一相关问题是产生了摩尔纹(moirepattern)。当透镜体的轴经过子像素之间的非发光的交叉点时，这种情况最显著，随着观察者向一旁移动，摩尔纹本身由通过屏幕的黑色波带表现。9视图系统的摩尔纹非常显著，因为透镜体的轴角对角地斜穿过每个子像素，从而与最大数量的非发光交叉点相交。

LCD技术近来的发展可以制造水平方向超过2000像素并接近4000像素的高清显示器。在这些超高清显示器出现以前，最高商用清晰度是1920×1080像素，将有效视图的最多数量限制为约是9个，这与斜双凸透镜的最佳配置相符，由此水平方向和垂直方向的分辨率是相同的。使用相同或不同的斜角以及试图增加视图的数量导致两个方向的分辨率之间的不匹配。

本发明涉及这样一种方法，其用于产生大量的(特别地，18个、27个或更多)视图组且水平分辨率和垂直分辨率相等、生成更大的“环视”效果，以及提供视图组间存在更少过渡区的显示器还提供减少了摩尔纹的显示器。为了领会本方法，最好理解当前技术。

LCD和等离子屏幕采用发光元件，包括红色、绿色和蓝色的矩形元件，三个一组彼此相邻地构成像素。典型地，单色元件(被称为子像素)是长轴在垂直方向上、纵横比为3∶1的矩形。

在自动立体成像的情形下，相邻的子像素可表示“视图”，对于简单的单个观看者显示器，只有两个视图，或者，可有多达9个或9个以上的视图，这允许观看者的位置有更大的自由度。双凸透镜用来将不同的视图成像于观察者的每只眼睛里，从而使图像具有立体感效应。

借助于图示有助于理解该技术。图1以及放大的部分，显示了LCD显示器1的平面图的几何形式，LCD显示器1具有斜的双凸透镜2，其包括多列柱面镜3，柱面镜也被称为透镜体。依赖于视角，将看到不同的子像素4，以及在最佳观看距离，不同的眼睛5将看到相邻的子像素。光线路径显示为虚线。

显示器从前面看的示意图在图2显示。显示了红色、绿色和蓝色的子像素1，透镜体的轴4显示为斜的，以便与红色、绿色和蓝色子像素相交。在9视图系统中，透镜轴从垂直方向倾斜atan(1/3)的角度，大约是18.5度，且每个透镜体跨越9个子像素或3个像素。

在这个优化的9视图布置中的分辨率是“没有透镜的(un-lensed)”显示器的分辨率的三分之一。例如，1920×1080像素显示器实际上变成640×360像素显示器。尽管看起来分辨率低，然而这样的分辨率足够大多数的观看应用。

应指出，为了产生例如18视图，可通过加倍透镜体的节距(pitch)来达到，然而，这样不会导致垂直分辨率的减少，垂直分辨率也是由透镜的倾斜角度来决定的。提供18视图的显示器的水平分辨率将减少5倍。具有水平方向固有的3840像素的显示器所提供的水平分辨率，与将九视图透镜应用于固有的1920像素显示器所产生的水平分辨率相同。

超高清显示器的一个缺陷是，当涉及电影文件时，就对文件的大小和数据传输率有要求。本发明的目的是提供具有多于10个视图并在水平方向和垂直方向上具有相同分辨率的3D自动立体显示器。

发明内容

本发明在于一种自动立体3D显示器，其使用耦合到诸如LCD等基于像素的显示器的斜双凸透镜，由此该显示器展现9.n图像，n是大于1的整数，特征在于，像素输出在相邻的n像素排的排组(row set)中重复，且双凸透镜具有atan(1/(3.n))的斜角，以及接近3.n.p的水平节距，其中p是像素宽度。

本发明还在于一种自动立体显示器，其包括耦合到LCD屏幕的双凸透镜片，特征在于，透镜具有与垂直方向倾斜接近9.5度的平行的柱面小透镜并具有接近LCD像素的水平节距的6倍的水平节距，由此从LCD屏幕的输出在每个交替的像素的排上重复。

由于每二排重复一次，可以看到，相比于每排的输出与其他排无关的图像，图像文件的大小被减小了大约1/n。

本发明还在于一种基于像素的显示器，其中像素三个一组的纵横比是2∶1或3∶1，长轴在垂直方向。

描述

参考显示优选实施方式的附图能最佳领会本发明。图3显示18视图布置的图示，以及图4示出27视图的布置，同时图5显示达到相似结果的像素几何形式。

参考图3，LCD显示器呈现红色、绿色和蓝色的子像素1，一组这样子像素组成如轮廓2所示一般是正方形的像素。每个像素里的数字指的是相对的视图号码，R、G、B字母表示子像素的颜色。双凸透镜的一个柱面元件的轴由虚线3表示，相邻元件的轴由虚线4表示。轴的倾斜度使得该轴能够通过两个垂直相邻的子像素。这个角度相应atan(1/6)，atan(1/6)大约与垂直方向成9.46度。

能够看出，例如，白色图像的红色分量在垂直方向每六个像素重复一次，且在水平方向也是每六个像素重复一次。因此在两个方向都保持了分辨率。

对显示器的输入编程，使得每二排重复一次。通过使用以芯片形式的专用电路，图像需要比全分辨率图像少的多的数据，并能够使该图像文件的大小接近同等全分辨率图像大小的一半。制造图像数据的技术并不构成本发明的部分，但是认为是计算领域的人的起码的知识。

图4显示27视图显示器的配置。这种数量的视图仅适合于水平方向接近10,000像素的显示器，标注具有与图2相同的含义，不同点在于，轴3和4的倾斜使得它们通过三个垂直相邻的子像素。这个角度相应atan(1/9)，大约与垂直方向成6.34度。

虽然以上的两种描述指的是单个高清显示板，但是原理可适用于被平铺连接(tile)以制造大显示器的多个较低分辨率的显示器。

尽管以上描述参考了柱面镜，但其指的是用来把光聚集在一个方向的任何光学元件，并包括全息装置和复面(facetted surface)。还包括吸收滤光片(barrier filter)或视差滤光片。

以上实施方式的替换形式是提供这样一种像素几何形式，其中子像素的纵横比是6∶1而不是传统的3∶1，且输入图像的垂直分辨率是全分辨率(子像素纵横比为3∶1)显示器的一半。

图5显示设计为提供18个视图且不要求对多对像素行的输出加倍的像素几何形式。参考图形，子像素1的纵横比接近6∶1。像素边界用2指示，同时双凸透镜的轴显示为3和4。

实施例

具有3840水平像素和2160垂直像素的45英寸(对角线114cm)的显示器使用最佳视距3米的双凸透镜用来提供自动立体图像。对于6.5cm的眼睛间距，每个视图的角宽度应该是atan(6.5/300)＝1.24°。对于18视图显示器，18视图的角宽度大约是22°。正常的期望观看角大约是“直视”位置的任一侧的30°，所以需要三组18视图(在它们之间有两个过渡区)。这种低数量允许更加舒适的观看，且各组之间更宽的观看角实现更强的3D效果，因为观看者能围绕着目标的边缘看得更远。

以上指定的显示器具有0.257mm的像素大小或0.0857mm的子像素宽度。因此双凸透镜需要的水平方向的节距为0.257mm×6＝1.542mm。实际上，这个数字按一小因数减小，以将观看距离考虑进来，使得在中央被观察到的特定的视图将也在接近屏幕的边缘处被看到，在屏幕的边缘处，该特定的视图必须向内朝着位置居中的观看者。透镜的轴的倾斜大约是9.46度，所以能计算出在透镜体轴的法线方向上的节距是1.521mm。

透镜体的半径和透镜的厚度依赖于任何空隙的宽度，该空隙可有意地为接近零，或者为限定的间隔，例如5mm。现成的光学软件可以使用，其基于通常为丙烯酸的透镜材料的折射率来指定透镜体的半径和厚度。

透镜使用传统的塑料成形技术制作，例如注塑、挤压、轧辊之间的热成形，或压机的板之间的热成形。

提供到显示器的内容被适当地产生、分成18个视图并拼接在一起。这个方面的技术不是本发明的主题。

存在若干个内容供应者，已经开发了用于这种自动立体显示的软件。

第二个实施例采用16个像素容量为1920×1080的45”显示器。显示器用平铺的方式紧密布置在一起。为了以全分辨率驱动16个显示器，将要求高的文件大小和数据传输率。通过采用本发明的原理，在垂直方向上将每个显示器的分辨率降低3倍，并包括提供36个视图的双凸透镜，能充分减小文件大小，同时使得这一组显示器的有效分辨率是1920×1080。尽管对于有效尺寸为180”的大显示器来说看起来有些粗糙，但是当从例如8米的距离观看时，是完全可以接受的。

将领会，以上描述的本发明对使用自动立体显示器的3D体验提供了改进，允许很多视图以及水平轴和垂直轴相等的分辨率。

Claims (6)

1.一种自动立体显示器，其包括耦合到LCD屏幕的双凸透镜，所述LCD屏幕包括像素阵列，所述自动立体显示器的特征在于，所述透镜具有与垂直轴倾斜接近9.5度的平行的柱面小透镜，并具有接近LCD像素的水平节距的6倍的水平节距，其中，输入到像素的每个交替排的数据在每个相邻的排上重复。

2.一种用于与LCD屏幕使用的双凸透镜，所述透镜具有与垂直轴倾斜接近9.5度的平行的柱面小透镜。

3.如权利要求2所述的双凸透镜，其中，所述透镜的水平节距接近于所述透镜要耦合到的LCD屏幕的像素的水平宽度的6倍。

4.如权利要求1所示的显示器，其中透镜片由丙烯酸制作。

5.一种自动立体显示器，其特征在于包含用来将信号复制到所述显示器的LCD矩阵的每个输出排的电子芯片，所述显示器耦合到双凸透镜。

6.一种斜的双凸透镜，包括耦合到基于像素的显示器例如LCD的柱面小透镜，由此所述显示器呈现9.n个视图的组，其中，n是大于1的整数，所述双凸透镜的特征在于像素输出在相邻的n个像素排的排组中重复，所述小透镜的轴与垂直方向倾斜角度为atan(1/3n)，以及所述小透镜的水平节距比所述显示器的像素的宽度大且为其3n倍。

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