CN103460129B - 三维显示系统 - Google Patents
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Abstract
一种三维显示系统（10）包括显示器外壳（24）和用于将二维图像（102）投影到自由空间的多个投影仪（12），每个投影仪（12）具有调整从投影仪（12）到投影图像（102）距离的部件，并且每个投影仪（12）枢轴安装到显示器外壳（24），以调整投影二维图像（102）相对于投影仪（12）的水平和垂直位置。显示器提供高分辨率、三维多色、并且能够被观众安全触摸的图像。显示器通过调整图像来响应显示区域中的物理对象。显示器可用于操作计算机和浏览万维网。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维显示器，特别但不限于涉及一种允许用户交互的三维显示器。
背景技术
三维显示系统是众所周知的，并且其落入多种技术分类。立体系统依赖于向观众的双眼显示两个不同的图像。这可以通过将两个图像投影到同一屏幕，并且为观众提供极化眼镜或者具有彩色滤光片的眼镜来实现，使得第一图像仅能为观众的右眼所见，而第二图像仅能为观众的左眼所见。也存在不需要眼镜的裸眼立体系统，其通过视差屏障或者柱状透镜阵列分别向每只眼睛显示分离图像。
在立体系统中，向观众的左眼和右眼显示的图像是相同的图像，不论观众相对于图像的位置如何。因此，观众无法看到图像的侧面或者背面，而简单地向其显示具有视差的单个透视图。现已使用眼追踪设备来跟随用户的注视，并实时调整图像。然而，这些系统仅适用于单个观众观看。
体三维显示器也是已知技术，其包括“体扫描”设备。这类显示器快速地将三维图像切片投影到运动的二维表面上，依赖于视觉暂留以向观众显示三维图像。然而，由于这类设备中的显示体必须包含快速运动的机械部分，由于不可能触碰图像而不造成伤害，使用体扫描显示器作为交互设备是不可能的。这些显示器也不适于在诸如笔记本电脑、平板电脑和手机的移动设备中使用。
“静态体”设备也是已知技术，其避免在显示体中使用运动部分。一种示例静态体显示设备将激光会聚到空中一点，其在该点电离空气，从而形成一个等离子球。这种显示器在显示体中不需要运动部分，但是显示的图像由相当大的像素构成，所以显示分辨率很低。这类显示器也限于单一颜色或者少量颜色。
三维图像也能够通过全息摄影术产生。然而，已知的全息显示器并不提供用户交互。
许多上述已有类型的三维显示器产生虚拟图像，或者限于显示器内部的图像。与现实相对的，虚拟图像不能被触摸并因此不能提供触摸式用户交互。
本发明的一个目标是提供一种三维交互显示器，其减少或实质上避免了上述问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种三维显示系统包括显示器外壳和用于将二维图像投影到自由空间的多个投影仪，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以调整投影二维图像相对于投影仪的水平和垂直位置。
通过提供多个投影仪，能够从多个二维图像分量形成一个三维图像。这提供了能够像真实物体一样从许多角度观看的三维图像。由于每个图像分量具有小视场，通过组合小的图像分量构成三维图像的方法有很大优点，并小视场将使像差降低为最小。
理想地，小的图像分量将合并在一起以形成单个三维图像。然而，即使当二维图像略微分离也可能会获得引人注目的三维效果，并且有时可能会形成多个不相交的三维图像。
通过提供可调整投射方向的投影仪，并将投影仪枢轴安装在外壳中，能够调整每个二维图像分量的位置。因此能够显示许多不同的三维图像，并且能够形成运动图像。在显示器中不存在运动部件，所以能够安全地触摸投影图像。图像可以是高分辨率和多色的，并且观看图像无需特殊设备。多个观众能够同时观看该显示。
每个投影仪包括光源、显示屏幕和变焦镜头。每个投影仪还包括波面调制器。具有光源、显示屏幕和变焦镜头的投影仪以传统方式操作以将图像投影到显示屏幕上，会聚到通过变焦镜头和该处提供的调制器的调整而确定的点。
变焦镜头可以是液体变焦透镜。由于相比传统机械变焦透镜能够实质上节省空间，液体变焦特别适用于移动使用的显示设备。
每个投影仪进一步包括投影仪外壳，其呈长方棱柱体。由于许多这类投影仪都有效地安装到框架上，这种形状是有益的。
每个投影仪可选地包括圆锥平截头体形的外壳，显示屏幕置于外壳的窄端附近而变焦镜头置于宽端附近。由于外壳壁吸收的光最少，因此这种形状是有益的，从而能够进行有效的操作。
至少提供一个摄像机，其连接到具有图像处理软件的计算机。摄像机安装到显示设备的显示体上，以检测与投影图像相关的真实对象的存在和位置。
当提供一个摄像机和计算机时，数字或其他符号构成每个投影二维图像分量的一部分，图像处理软件配置为从摄像机或多个摄像机的视频信号或多个视频信号中检测存在或不存在数字或其他符号。通过这种方法，计算机能够识别出投影图像中的任何部分是否已经被存在的某些物理障碍散射，所述物理障碍例如是用户的手。
数字可能投影在人眼看不见的电磁波谱部分，例如紫外或红外波谱。
根据本发明的第二方面，一种操作计算机的方法包括以下步骤：
(a)提供一种三维显示系统，包括显示器外壳和用于将二维图像投影到自由空间的多个投影仪，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以调整投影二维图像相对于投影仪的水平和垂直位置；
(b)在三维显示器上显示三维物体；
(c)在物体表面上显示与程序、功能、数据或者设备相关的符号；
(d)检测用户的手的位置是否在物体表面附近，检测在物体表面附近是否有其他物体；以及
(e)根据检测到用户手的点附近显示的符号，启动程序、激活功能、载入数据或者激活与符号代表的设备相关的功能。
操作计算机的方法进一步包括以下步骤：
(f)减小在步骤(a)中显示的对象的尺寸；以及
(g)显示一个新对象，其代表已启动程序功能、载入数据的元素、或者用户在步骤(c)中选择的符号代表的设备的内容。
本操作计算机的方法提供了高度可视的人机交互，用户体验到三维空间的优势，从而理解例如其观看的数据组织。相比传统二维界面，这允许用户快速理解复杂的互联数据和功能。
根据本发明的第三方面，一种浏览万维网的方法包括以下步骤：
(a)提供一种三维显示系统，包括显示器外壳和用于将二维图像投影到自由空间的多个投影仪，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以调整投影二维图像相对于投影仪的水平和垂直位置；
(b)在三维显示器上显示第一网页；
(c)检测用户的手的位置是否在显示的网页附近，检测在显示的网页附近是否有其他物体；以及
(d)如果检测到用户手位于第一网页上的超链接附近，则缩小第一网页并以较大尺寸显示该超链接的目标网页。
与本发明第二方面的方法类似，这种方法向用户提供对其访问的网页的互联特性的进一步感知和理解。当访问任何特定页面时用户不仅能够知晓从该页面其将去往何处，还能够知晓从何处能够到达该处。用这种方法，更易实现包括回溯到先前访问站点的非线性浏览并且信息更容易为用户的头脑所接受。
网页能够以标记语言撰写，其中定义了每个元素的三维位置。因此，这种网页对于根据本发明第三方面的显示和交互方法是最优的。
可选地，将定义了每个页面元素的三维位置的三维字体应用于HTML或XHTML网页，这些网页设计为在标准二维浏览器中显示。
附图说明
为了更好地理解本发明，并更清楚地展示如何将其实现，通过示例方式仅引用如下附图，其中：
图1示出根据本发明第一方面的三维显示系统的示意透视图；
图2示出作为图1中三维显示系统的部件的投影仪的示意透视图。
图3示出一个投影仪的可选实施例，其作为图1的显示系统中图2投影仪的可选替代；
图4示出图2投影仪和图3投影仪的比较；
图5示出图2投影仪的旋转安装；
图6示出图2投影仪的枢轴安装；
图7示出在框架上多个图2投影仪的布置；
图8示出在框架上多个图2投影仪的可选布置；
图9示出框架上多个图2投影仪的另一个可选布置；
图10示出框架上多个图2投影仪的另一个可选布置；
图11示出框架上多个图2投影仪的另一个可选布置；
图12示出框架上多个图2投影仪的另一个可选布置；
图13示出使用中具有多个视角的图1的显示设备；
图14示出图1的显示设备，其中投影的三维图像包含在外壳中；
图15示出图1的显示设备，其中投影的三维图像部分包含在外壳中；
图16示出图1的显示设备，其中投影的三维图像全部不在在外壳内；
图17示出图1的显示设备投影的图像，其由背景部分、中景部分和前景部分构成；
图18示出由图1的显示设备投影的弯曲薄板的图像，其正被真人触摸；
图19示出由图1的显示设备投影的流体表面的图像，其正被真人触摸；
图20示出由图1的显示设备投影的软体表面的图像，其正被真人触摸；
图21示出由图1的显示设备投影的类人图像；
图22示出在可移动底座上的凹透镜；
图23示出与图22中凹透镜一起使用的图1中的三维显示系统；
图24示出在不同位置的图23的布置；
图25示出在另一个位置的图24的布置；
图26示出根据本发明第二方面的计算机操作界面；
图27示出在图26中图像部分被用户手触摸后，图26的界面；
图28示出作为图26界面的一部分的电邮消息显示器；
图29示出根据本发明第三方面的网页浏览器；
图30示出图29中的网页浏览器，其中显示传统的二维网站；
图31示出根据本发明第四方面的双面手表；以及
图32示出图31中手表的一个面。
优选实施例的描述
首先参考图1，一般地三维显示系统以10标识。显示系统10包括多个投影块12、多个摄像机22、显示器外壳24和计算机26。每个投影块12将二维图像分量102投影到显示系统10前面的空间中。组合二维图像分量102以形成三维图像100。
在图2中示出每个投影块12的结构。每个投影块包括块外壳14、二维显示屏幕16、变焦镜头18和调制器20。外壳14是长方棱柱体。二维显示屏幕16在长形外壳14一端而变焦透镜18在另一端。调制器20位于两端之间距离实质上四分之一处，距变焦镜头18比距显示屏幕16近。
二维显示屏幕16在本实施例中是计算机26控制的LCD显示器。显示屏幕16是背光式的。在使用中，在显示屏幕16上显示图像分量，调节变焦镜头18和调制器20以在距投影块12可调距离的空间点处显示清晰图像。块外壳14由不透光材料制成，因此光不会穿过安装在同一框架上的投影块12之间，而导致干涉。变焦镜头18可以是液体变焦镜头，例如在GB专利2432010(三星)中公开的。
调制器20和/或镜头18可能引入投影图像分量102的一些像差。畸变是可能引入的一类像差，其可以被计算机26预测并通过引入发送到二维显示屏幕16的图像的反向失真来进行补偿。球差也能够以此方法校正，虽然在实践中许多情况下观众不会注意到球差。
薄雾机(未示出)在空气中提供悬浮颗粒云，形成半透明雾。这允许投影块12投影出浮在空中的图像。优选地选择薄雾机以产生不显眼的雾，其是对于观众是不可见的，或者几乎不可见的。
图3中示出投影块28的可选实施例。在可选实施例中，块外壳30是圆锥平截头形。在该实施例中，二维显示屏幕16位于外壳30的窄端而变焦镜头18位于宽端。
在投影块12或28的任一实施例中，如图6所示，显示屏幕16位于块12或28的一端的一定距离处，而不是位于靠近块12或28的一端。
投影块28的形状是有益的，由于其保证来自背光显示屏幕16的大部分光投影到投影仪外壳30之外，而不是被不透光壁吸收，如图4所示。
投影块可选地能够被其他能够在空间中投影点、像素或图像分量的设备替代。例如，激光能够用于在气体中激发可见辐射。
可以设想的是，部分或所有的投影块构成能够投影全息图的结构，包括激光器和具有先前记录全息图的摄影底片。
现在参考图5和6，每个投影块12或28安装在显示器外壳24上，使得其能够以两个垂直轴A-A和B-B中任意一个为轴旋转，垂直轴位于块12或28的一端并与显示屏幕16位于一个平面内，并且每个都垂直于显示屏幕16的边。每个投影块12或28也能够沿块外壳的棱柱体或平截头体的主轴旋转90度。配件是机械的且能够通过计算机26控制，使得在使用中，通过将投影块12或28以轴A-A为轴旋转而将每个投影图像分量102沿着平行于显示系统10表面的水平X方向移动，通过将投影块12或28以轴B-B为轴旋转而将每个投影图像分量102沿着平行于显示系统10表面的竖直Y方向移动，以及通过调整变焦镜头18和调制器20而将每个投影图像分量102沿着垂直于显示系统10表面的Z方向运动。外壳的选择是有益的，由于其能够更加灵活地布置形成三维图像100的图像分量102。
在本实施例中，显示屏幕16是方形的。然而也可以使用其他形状的显示屏幕，并且这是90度旋转提供不同二维图像分量102的不同纵横比的情况。
图7到12示出显示器外壳24内投影块12或28的不同布置。投影块12或28的布置可以被选择以最好地适应显示器上将要在显示器上显示的图像的形状。例如，图10示出投影块的球形布置，其中投影块12或28朝向显示器外面，使得三维图像100完全环绕在显示器周围。三维图像100可以是，例如，全景景观，其可以被走过的，在显示设备10上方或下方的多个观众观看。图12示出适于在诸如膝上电脑、平板电脑或者移动电话的移动设备中使用的半球形布置。
在使用中，如图13所示，三维图像100通过显示设备10投影，并由多个图像分量102构成。依赖于观众112的位置，部分图像分量102将落入观众的视野，而其他的将不能看见。这与真实三维物体的用户体验一致：只能看见不被其他部分遮挡的部分。在图13中，观众112a能够看到图像分量102a，但是不能看到图像分量102b。类似地，观众112b能够看到图像分量102b，但是不能看到图像分量102a。每个图像分量在特定角度范围内能够被观察者看到，在角度范围之外观察者不能看到。
投影的三维图像可以在显示器外壳24的边界内，如图14所示，或者可选地全部或部分在外壳24的边界外，如图15和16所示。
图17示出由二维前景104、中景106和背景108形成的三维图像100。前景104挡住其覆盖的中景106和背景108的部分。然而，观众可以通过移动其位置到背景108和中景106的先前遮挡部分，越过或环顾前景。
三维图像100能够响应于物理物体的存在，允许用户与三维显示器10上的图像100交互。
图18到20示出多个示例交互。图18中，投影图像100是弯曲薄板。可以看到，三维图像100如物理存在的弯曲薄板那样响应用户的触摸。在图19中，投影图像100是流体表面。当用户手110碰到图像时，可以看到从接触点向外出现波动或波纹。在图20中，投影图像100是柔软且无弹力材料的表面，例如沙体。当用户手110碰到投影图像的表面时，在表面上形成一个沟，并且其在手110移开后保持原状。在图中，手110从图像左边到右边水平移动，从而形成线形沟。
三维交互，不限于图18到20中的上述例子，能够通过使用摄像机22实现。摄像机22置于图像100投影的区域上。如图21，每个图像分量102通过数字标识。数字很小使得其对用户是非遮挡和近乎不可见的。数字可以投影在电磁频谱不可见部分，例如紫外或红外部分。计算机26从摄像机22接收视频信号，并且，由于该图像分量102中的数字不再可见，而能够识别由于对象存在使图像分量102散射的情形。用这种方法，能够识别出外部对象的位置，通过调整发送到显示屏幕16的视频信号、投影块12的变焦镜头18和调制器20、机械配件上投影块12的角度位置使得投影的三维图像100作出适当反应。
可选地，可以向计算机26提供图像处理软件，其能够检测在摄像机22视场内对象的位置和运动。由于其无需通过数字遮挡投影图像100，因此这种方法是有益的。合适的图像处理技术在Dellaert等(2000)的StructurefromMotionwithoutCorrespondence,IEEEComputerSocietyConferenceonComputerVisionandPatternRecognition以及Hartley和Zisserman(2004)的MultipleViewGeometryinComputerVision,CambridgeUniversityPress中描述。激光器、雷达或能够检测空间中对象位置的类似技术也能够使用以获得相同效果。
摄像机22也能够用于记录运动的人或对象。来自摄像机22的视频流可以被计算机26用于利用已知技术构建场景的三维模型。三维模型随后通过三维显示设备10播放。所述记录能够被存储并通过，例如电邮传输到另一个人。
在图22中，以40标识凹面镜单元40。镜单元40包括凹面镜42、固定在凹面镜外表面中心并且在该点其延伸部分垂直于曲面切线的第一支撑部件44、以及枢轴连接到第一支撑部件的第二支撑部件46。第二支撑部件46，在使用中，牢固地连接到，例如地面或墙壁。在第一支撑部件44连接到第二支撑部件处提供机械配件48，允许镜42绕三个正交轴旋转。机械配件由计算机26控制以调整凹面镜的位置。
如图23所示，可移动的凹面镜单元40允许由显示设备10投影的三维图像100被反射，因此能够整体移动到不同位置。通过计算机控制机械配件48来控制三维图像的位置。
还提供第二机械配件50以支持支撑架52上的三维显示器外壳24。第二机械配件50提供与第一机械配件48类似的运动自由度，并且为计算机所控制，并且提供定位投影图像100的更大灵活性。
可调整的图像位置允许三维图像100被站立、坐下或躺着的观众所见，如图23到25所示。图像位置能够被用户手动调整，例如通过遥控方式。可选地，图像位置能够被计算机26自动调整，其获取来自摄像机22的输入以跟踪用户头部的位置。
三维显示系统10能够用于操控计算机，如图22到24所示。在图26中，三维计算界面120包括第一三维球122的投影图像，其由三维显示系统10投影。连接到计算机的不同存储设备通过第一球122表面上的字母或符号124表示。程序或数据文件也能够通过类似字母或者符号表示。当用户触摸到合适符号时，这能够被任一上述方法检测到，第一球122的尺寸减小并且第二球126被投影以表示，例如选择存储设备中的文件或目录、选择程序的功能、或者选择数据文件中的数据，如图27所示。在任何特定时间可能打开数个程序、目录或者文件，每个都通过其自己的球表示，较小的球表示当前没有体验用户交互的背景任务。能够理解的是，除球形外的其他形状也能同样用来表示计算机系统内的设备、程序和数据。在图28中，电邮消息被接收，并同发送者的三维图像一起显示在三维显示器10上。
图29和30示出三维网页浏览器130。与三维计算界面120类似，网页132被浏览器130表示为球。当用户触摸第一球表面的一部分时，所述第一球被标识以表示到其他网站的链接，减小第一球的尺寸并且显示大尺寸的第二球以表示链接的页面。网页132在标志语言中被特别地设计以用于三维显示，其标识出每个分量的三维位置。可选地，三维字体本地应用到传统二维HTML或XHTML网页。浏览器可以同时显示多个网页。为兼容的目的，网页浏览器130也能够显示二维网页134而不增加三维字体定义。三维视频可以插入网页中。
现在参考图31和32，双面手表70包括第一和第二表面72、74以及连接到所述面的表带76。手表70设计为可佩戴的，以使得两个面置于佩戴者手腕的相对面上。金属线嵌入表带76内以用于在表面72、74之间通信。
图32示出表面72、74之一的放大视图。实质上如上所述，每个表面包含一个三维交互显示器。手表在三维显示器上显示时间和其他有用信息。显示器可以独立地操作，或者构成相同的三维交互显示器的一部分，其中每个表面中的投影仪指向实质上环绕于佩戴者手的显示区域。高分辨率和多色三维效果通过手表70产生以给佩戴者的朋友留下印象。
所述手表具有无线通信链路，例如符合Wi-Fi(RTM)标准。这允许将手表用于发送电子消息，包括三维视频消息。为了发送基于文本的消息，通过三维交互显示器投影一个交互式键盘。
显示器外壳和不透光投影仪外壳可以由塑料制成，特别地可以由可降解生物塑料制成以降低在使用期结束时该设备的环境影响。
Claims (18)
1.一种三维显示系统，包括
显示器外壳和用于将二维图像分量投影到自由空间的多个投影仪，其中，薄雾机在空气中提供悬浮颗粒云以形成半透明雾，使得每个投影仪投影出浮在空中的图像，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像分量距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以调整投影二维图像分量相对于投影仪的水平和垂直位置，其中，所述二维图像分量组合形成三维图像。
2.如权利要求1所述的三维显示系统，其中每个投影仪能够绕其投影轴线旋转。
3.如权利要求1所述的三维显示系统，其中每个投影仪包括光源、显示屏幕和变焦镜头。
4.如权利要求3所述的三维显示系统，其中变焦镜头是液体变焦镜头。
5.如权利要求3或4所述的三维显示系统，其中每个投影仪进一步包括波阵面调制器。
6.如权利要求3或4所述的三维显示系统，其中每个投影仪进一步包括具有长方棱柱体的投影仪外壳。
7.如权利要求3或4所述的三维显示系统，其中每个投影仪进一步包括具有圆锥平截头体形状的投影仪外壳，并且显示屏幕置于外壳的窄端附近而变焦镜头置于宽端附近。
8.如权利要求1-4任一所述的三维显示系统，进一步包括至少一个摄像机和具有图像处理软件的计算机。
9.如权利要求8所述的三维显示系统，其中数字或其他符号构成每个投影二维图像分量的一部分，并且其中图像处理软件配置为从一个摄像机或多个摄像机捕捉的一个视频信号或多个视频信号检测散射的数字或者其他符号。
10.如权利要求9所述的三维显示系统，其中数字或其他符号投影在人眼不可见的电磁波谱部分。
11.如权利要求10所述的三维显示系统，其中数字或其他符号以紫外光投影。
12.如权利要求10所述的三维显示系统，其中数字或其他符号以红外光投影。
13.一种操作计算机的方法，包括以下步骤：
(a)提供一种三维显示系统，包括显示器外壳和用于将二维图像分量投影到自由空间的多个投影仪，其中，薄雾机在空气中提供悬浮颗粒云以形成半透明雾，使得每个投影仪投影出浮在空中的图像，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像分量距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以相对于投影仪调整投影二维图像分量的水平和垂直位置，其中，所述二维图像分量组合形成三维图像；
(b)显示三维显示系统的三维物体；
(c)在物体表面上显示与程序、功能、数据或者设备相关的符号；
(d)检测用户的手的位置是否在物体表面附近，检测在物体表面附近是否有其他物体；以及
(e)根据检测到用户手的点附近显示的符号，启动程序、激活功能、载入数据或者激活与符号代表的设备相关的功能。
14.如权利要求13所述的操作计算机的方法，进一步包括以下步骤：
(f)减小在步骤(a)中显示的三维图像的尺寸；以及
(g)显示一个新对象，其代表已启动程序功能、载入的数据、或者用户选择的符号代表的设备的内容。
15.一种浏览万维网的方法，包括以下步骤：
(a)提供一种三维显示系统，包括显示器外壳和用于将二维图像分量投影到自由空间的多个投影仪，其中，薄雾机在空气中提供悬浮颗粒云以形成半透明雾，使得每个投影仪投影出浮在空中的图像，每个投影仪具有调整从投影仪到投影图像分量距离的部件，并且每个投影仪枢轴安装到显示器外壳，以调整投影二维图像分量相对于投影仪的水平和垂直位置，其中，所述二维图像分量组合形成三维图像；
(b)在三维显示系统上显示第一网页；
(c)检测用户的手的位置是否在显示的第一网页附近，检测在显示的第一网页附近是否有其他物体；以及
(d)如果检测到用户的手位于第一网页超链接附近，缩小第一网页并以较大尺寸显示该超链接的目标网页。
16.如权利要求15所述的浏览万维网的方法，其中至少一个第一网页通过标志语言撰写，所述标志语言定义了每个二维图像分量的三维位置。
17.如权利要求15所述的浏览万维网的方法，其中至少一个第一网页是用于标准二维显示的HTML或XHTML网页，并且其中应用了定义每个页面元素的三维位置的三维字体。
18.一种双面腕表，包括两个表面和一个表带，至少一个表面包括如权利要求1所述的三维显示系统。
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