CN104272733A - 自动立体显示设备及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动立体显示设备，其中，观看者跟踪系统确定观看者相对于显示面板的位置。至少根据观看者距离显示面板的距离，控制显示面板以显示多个不同的视图。这使视图的数量能相对于观看者的位置和/或移动速度进行优化。

Description

自动立体显示设备及驱动方法

发明领域

本发明涉及一种类型的自动立体显示设备，该类型的自动立体显示设备包括具有用于生成显示的显示像素阵列的显示面板、以及将不同的视图导向到不同空间位置的成像装置。

发明背景

用于此类显示的成像装置的第一个实例是屏障(barrier)，例如，屏障具有依据显示器底层的显示像素来调整尺寸与位置的狭缝。在双视图的设计中，如果观看者的头部在固定的位置上，则他/她能够感知到3D图像。屏障位于显示面板的前部，并且设计为使得来自奇数像素列和偶数像素列的光分别导向到观看者的左眼和右眼。

此类双视图显示设计的缺点在于，观看者必须处于固定的位置，并且只能左右移动大约3cm。在更优选的实施例中，不是两个而是数个子像素列存在于每个狭缝的下方。以这种方式，观看者可以左右移动并且在他的/她的眼中一直感知到立体图像。

屏障装置制造简单，但是发光效率低。因此，优选的替代方案是将透镜装置用作成像装置。例如，可以将细长的双凸透镜元件阵列设置为彼此平行延伸并覆盖在显示像素阵列上，并且通过这些双凸透镜元件可观察到显示像素。

双凸透镜元件设置为元件片，其中每一个元件片包括细长的半圆柱形透镜元件。双凸透镜元件在显示面板的列方向上延伸，每个双凸透镜元件覆盖在显示像素的两个或多于两个的相邻列的对应组上。

在每个微透镜与两列显示像素关联的设置中，每一列的显示像素提供各自的二维子图像的垂直切割面。双凸透镜片将这两个切割面、以及与其他微透镜关联的显示像素列的相应切割面导向到位于片前的用户的左眼和右眼，使得用户观察到单个立体图像。双凸透镜元件片从而提供了光输出指向功能。

在其它设置中，每个微透镜与行方向上的四个或多于四个的相邻显示像素组相关联。适当设置各组中对应的显示像素列以提供各个二维子图像的垂直切割面。当用户的头部左右移动时，感知到一系列连续的、不同的立体视图，从而形成，例如，环视效果。

上述设备提供了有效的三维显示。然而，可以理解的是，为了提供立体视图，有必要牺牲设备的水平分辨率。在具有垂直双凸透镜的n视图3D显示器中，感知到的每个视图沿水平方向的分辨率相对于2D的情况将通过因子n而减小。垂直方向上的分辨率将保持不变。使用倾斜的屏障或双凸透镜元件，可以降低水平方向和垂直方向的分辨率之间的差异。在这种情况下，分辨率损失可以均匀地分布于水平方向和垂直方向上。

各个视图都各自位于所谓的视锥(viewing cones)中，并且通常这些视锥在整个视场上重复。

视觉体验被这一事实所妨碍，即观看者不能完全自由地选择他们从中观看3D显示屏或电视机的位置：在视锥间的边界上，不存在3D效果并且出现了令人烦恼的重像。

这些所谓的视锥变换代表众所周知自动立体显示的第一个问题。已知的是可使用头部跟踪来跟踪观看者眼睛的位置。那么可以根据观看者位置控制显示的图像，从而避免视锥变换。

另一个问题是，立体图像内容存在各种格式。目前在双视图流中用两个单独的图像来提供大部分内容。除非使用基于深度估计的数字转换来内插新的视图，否则大部分多视图显示器不适合于双视图流。类似地，双视图显示器只能用于双视图流，并且不能被配置用于多个观看者。那么，3D感知只可能存在于很窄的观看距离范围内。

因此，需要一种更灵活的系统。

发明内容

根据本发明，提供了如独立权利要求中所要求保护的自动立体显示设备和方法。

一方面，本发明提供了一种自动立体显示设备，所述自动立体显示设备包括：

像素化显示面板；

成像装置，其用于将与显示面板的不同显示像素相关联的光导向到不同方向，以限定可向其同时显示不同图像的至少三个观看区域；

观看者跟踪系统，其用于跟踪观看者并且确定观看者相对于显示面板的位置；

处理器，其用于处理图像内容并驱动显示面板，其中，至少根据观看者离显示面板的距离，处理器驱动显示面板显示多个不同的视图。

这种设置使根据观看者位置，动态地控制视图被分配给不同观看位置的方式(如通过显示器的物理/光学设计限定)成为可能。这样能够增加图像的清晰度，并且能够避免视锥边界变换。当视图重叠度高时，例如，如果物体在原始显示平面的后方的前面的很远处成像，那么清晰度变差。降低视锥内不同的视图的数量可减少这种视图重叠。

针对第一观看距离，可以显示第一数量的视图，并且针对更大的第二观看距离，显示更多的第二数量的视图。

这使显示能在例如用于单个近距观看者的双视图模式(单个自动立体视图模式)和用于多个观看者或远距观看者的多视图模式(即多个自动立体视图)之间进行切换。针对低于阈值的观看距离，则总共显示两个视图。

在多个显示输出视锥中可以重复视图，并且距离阈值可使得该距离的视锥宽度小于范围是15-40cm的阈值。这意味着视锥宽度大于观看者眼间距的较小倍数，例如3-4倍。

处理器也可以适用于得到观看者的移动速度，且如果速度超过第一阈值，则不同视图的数目设置成1。这意味着，如果观看者相对于可靠定位的多个视图移动过快，则可以启用2D模式。此外，如果速度超过阈值(相同或不同)，可改变不同的视图的顺序以减弱视锥变换的可视性，例如，当检测到观看者移动较快时，那么跟踪系统可以跟踪。例如，在WO2005091050中讨论了视锥变换的问题。

在每个视锥中，第一组的每个视图仅可在一个观看区域内显示，并且第二组的每个视图可至少在两个相邻的观看区域内显示。对于用户不可见的视图(基于观看者的位置是已知的)，可被提供为观看者能看到的那些图像的重复，这又降低了视图的数量，从而减少了串扰并且提高清晰度。

另一个方面，本发明提供了驱动自动立体显示设备的方法，所述方法包括：

将与像素化显示面板的不同显示像素相关联的光导向到不同方向，从而限定可向其同时显示不同图像的至少三个观看区域；

跟踪观看者并且确定观看者相对于显示面板的位置；

处理图像内容并且驱动显示面板以显示一些不同的视图，这至少取决于观看者离显示面板的距离。

本发明可以实施为适合于在驱动显示面板之前处理图像数据的计算机程序。

附图说明

现参考附图，纯粹以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是已知的自动立体显示设备的示意性透视图；

图2示出双凸透镜阵列如何将不同的视图提供到不同的空间位置；

图3示出屏障装置如何将不同的视图提供到不同的空间位置；

图4示出多视图自动立体显示器的布局的截面图；

图5是图4的特写；

图6示出9视图系统，其中在每个视锥组中生成的视图是相等的；

图7示出本发明的显示设备的实施例；

图8示出本发明的显示设备如何可以控制显示输出的第一实施例；

图9示出本发明的显示设备如何可以控制显示输出的第二实施例；以及

图10示出本发明的显示设备如何可以控制显示输出的第三实施例。

具体实施方式

本发明提供了一种自动立体显示设备，其中，观看者跟踪系统确定观看者相对于显示面板的位置。至少根据观看者离显示面板的距离，控制显示面板以显示一些不同的视图。这使视图数量能相对于观看者的位置进行优化，并且可选地还可以相对于观看者的移动速度进行优化。

首先将描述已知的自动立体显示设计。

图1是已知的直接的视图自动立体显示设备1的示意性透视图。已知的设备1包括作为空间光调制器的有源矩阵型液晶显示面板3，以生成显示。

显示面板3具有以行及列布置的显示像素5的正交阵列。为清楚起见，图中只示出了少量显示像素5。实际上，显示面板3可能包含约一千行和数千列的显示像素5。

液晶显示面板3的结构完全是常规的。具体地，面板3包括一对隔开的透明玻璃衬底，在透明玻璃衬底之间设置了对准的扭曲向列型(twistednematic)液晶材料或其他液晶材料。衬底在其面对的表面上载有透明的铟锡氧化物(ITO)电极图案。在衬底的外表面上还设置了偏振层。

每个显示像素5包括衬底上的相对电极，相对电极间插入了液晶材料。显示像素5的形状和布局由电极的形状和布局决定。显示像素5通过间隙彼此规则地间隔开。

每个显示像素5与切换元件相关联，所述切换元件诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)。通过将寻址信号提供到切换元件来操作显示像素以生成显示，并且适当的寻址方案是本领域技术人员所熟知的。

显示面板3由光源7照射，光源7在这种情况下包括在显示像素阵列区域上延伸的平面背光源。通过显示面板3引导来自光源7的光线，且驱动单个显示像素5以调制光线并生成显示。

显示设备1还包括设置在显示面板3的显示侧的双凸透镜片9，以执行视图形成功能。双凸透镜片9包括一排相互平行延伸的双凸透镜元件11，为清楚起见，以夸大的尺寸仅示出了一个双凸透镜元件。

双凸透镜元件11采用凸面圆柱透镜形式并且其充当光输出引导装置，从而将来自显示面板3的不同图像或视图提供给位于显示设备1前方的用户的眼睛。

图1所示的自动立体显示设备1能够提供在不同方向上的多个不同的透视图。特别地，每个双凸透镜元件11覆盖每行中的一小组显示像素5。双凸透镜元件11在不同的方向上投影一组显示像素5中的每个显示像素，从而形成了多个不同的视图。当用户头部从左向右移动时，他/她的眼睛将依次接收这若干个视图中的不同的视图。

图2示出上述双凸透镜型成像装置的操作原理，并且示出了背光源20、例如LCD的显示设备24、以及双凸透镜阵列28。图2显示双凸透镜装置28如何将不同像素输出导向三个不同的空间位置。

图3示出了屏障型成像装置的工作原理，该屏障型成像装置示出了背光源20、屏障设备22和如LCD的显示设备24。图3示出了屏障设备22如何提供图案化的光输出。这意味着，不同的像素由不连续的光源区域照射，具有实现了导光功能的效果。如图所示，从一个方向照射一个视图的像素29a，且从另外一个方向照射另一视图的像素29b。观看者的双眼接收通过显示器的不同像素调制的光。

本发明部分地涉及视图重复的问题，这将在下面进行说明。

图4示出了多视图自动立体显示器的布局的截面图。某些双凸透镜下面的每个像素将生成特定的视图。该透镜下面的所有像素将一起帮助生成视锥。视锥的宽度由若干个参数的组合来确定：它取决于从像素平面到双凸透镜平面的距离D。它也取决于透镜间距P_L。

图5是图4的特写，且示出了，显示像素24射出的光由最接近该像素的双凸透镜收集，也可由双凸透镜装置中的相邻透镜收集。这是发生视锥重复的根源。

视锥角度Φ的大小对这些参数的依赖性由以下关系支配(通过近似得到)：

$\mathrm{\Φ}=2\arctan \left[\frac{n{P}_L}{2D}\right].$

在这个表达式中，n是像素平面和双凸透镜平面之间材料的平均折射率(一般地，n通常介于1.0(空气)到1.6的范围之间)。P_L是纯水平间距，D是从透镜基座到像素结构的距离。

需要注意的是，两个视图之间的角间距越小，3D效果越高，但移动的自由度越低。

每个视锥中生成的相应视图是相等的。图6中示意性地示出了9视图系统(即每个视锥中有9个视图)的这种效果。

为了在3D效果和分辨率损失之间达到可接受的折衷方案，通常将视图的总数限制为9或15。这些视图通常具有1o-2o的角宽度。视图与视锥均具有周期性的特性。如果用户在显示器周围行走，他将越过相邻视锥间的边界。对于图6右侧所示的观看者而言，在特定的区域中，双眼的图像将不会恰当地匹配。例如，在9视图系统的情况下，左眼将接收如第九个图像，而右眼将接收如第一个图像。首先，左图像和右图像是倒置的，这意味着该图像是幻视的。其次，更严重的是，图像间具有非常大的差异。这被称为“超幻视”观看。当观看者越过视锥边界时，可观察到非常讨厌的不连续跳跃。

只有完全处于某一视锥内的观看者(例如图6左侧的观看者)将体验到3D效果，因为导向到他左眼和右眼的视图略有不同(例如，分别导向到左眼和右眼的视图4和视图5)。

本发明采用了观看者跟踪系统以至少跟踪观看者的位置(并由此得出观看者距离显示屏幕的距离)并且，可选地还得出观看者的移动速度，特别是横向的移动速度。

图7以示意性地方式示出了本发明的系统。

自动立体显示器70设计为在重复图像视锥中显示多个视图(例如，如图6所示)。

接收图像数据72。图像数据72可能包括双视图图像数据，在这种情况下，可在双视图模式下驱动显示器。可选地，可通过图像处理技术内插附加的视图。

然而，优选地，以数个不同的视图的形式提供图像数据，所述数个不同的视图对应于显示器70设计的每个视锥的视图数。

提供观看者跟踪系统74。这能够至少确定观看者76离显示面板的距离d，但可选地也能确定观看者的移动速度v，至少能确定如图所示移动速度的横向分量。

在使用所获得的观看者跟踪信息驱动显示器70之前，处理器78处理图像数据。

本发明的系统使显示的视图数量和顺序能根据观看者的位置和/或移动速度改变。

观看者跟踪系统74可以是脸部跟踪系统或身体跟踪系统，所述跟踪系统能够测量所记录的图像或视频中的脸部位置及大小。跟踪系统可以，例如通过测量眼距或通过使用立体照相机分析观看者的脸部而得出观看者的距离d。例如，观看者跟踪系统可基于图像处理脸部跟踪算法、雷达系统、基于可穿戴指示器的系统、红外线红眼发生器以及检测器。

可使用任何已知的脸部跟踪、身体跟踪或距离测量系统以至少能够确定到观看者的距离d。

本发明的系统不改变显示器70的物理设计。因此，可由本发明实现的方法基于图像处理和显示驱动。

本发明的系统对将图像分配到由显示器70的物理设计限定的不同观看区域进行控制。例如，可通过将相同图像内容提供到双视图区域来显示较少量的视图，如果要显示最大量的视图，则将提供不同的图像。

一般地，通过特定显示设计降低显示的视图的数量，可以增加3D图像的清晰度，而这是以牺牲观看者的移动自由度和可能的观看者数量为代价的。通过跟踪显示器的用户，特别是观看者的距离，可确定用于用户观看的不同图像的最佳数量。

自动立体显示的视锥宽度W_C取决于针对其设计显示器的光学器件和观看距离D_V。如上所述，光学器件限定视锥的角度大小。视锥宽度由下式给出：

W_C＝2*D_VtanΦ/2

这个关系式将角度大小与在观看距离D_v的实际宽度联系起来。

如下所述，可控制本发明的系统以实施各种可能的方法。

参照图8和图9说明第一个实施例，其中，观看者越接近显示器，显示器呈现的图像数量就越少。

图8示出了靠近显示器的观看者，并且显示器被配置为仅显示双视图(右R和左L)。为了显示双视图，每个视锥内的各个观看区域中都重复这两个视图。例如，如果显示光学器件被设计为九视图系统，则可显示5/4左视图和4/5右视图。这不会增加视图的分辨率，但确实减少了串扰，且从而降低了图像模糊现象。

当观看距离小于阈值时，显示器可切换到双视图模式。例如，如果观看距离d使得眼间距大于在该观看距离下的视锥宽度的0.25倍，则模式切换可发生。如果该比值变得小于0.25，则显示器可切换到多于两个视图的自动立体模式。0.25的阈值可以是不同的，例如介于0.2-0.3之间，或者甚至介于0.1-0.5之间。

基于0.25的阈值，下列关系成立：

如果E/W_C>0.25，则N_V＝2

如果E/W_C<＝0.25，则N_V>2

其中，N_V是视图数量，并且E是眼间距。

可以假设眼间距是固定的，例如6cm。在这种情况下，视锥宽度阈值W_C是24cm。该阈值可以是例如15-40cm当中的任意值。

图9示出了显示器，且观看者更加远离该显示器，并因此在多视图模式下操作。示出了九个不同的视图(编号-4至+4)。

系统还可以用于检测观看者的移动速度。当观看者以高于跟踪器可跟随的速度的速度进行移动时，显示器可同样切换到单个视图模式(2D模式)，因此，这防止了在通过视锥边界时用户看到左右反转的图像。

速度跟踪的另一个用途是，当移动速度比跟踪器可以跟随的速度快时，可将整个视锥宽度的视点的顺序改成非线性顺序。这样可减弱视锥变换的可视性。例如，如图9所示，视锥内的视图顺序(9视图系统的视图顺序)可以是-1-3-2-101231，而不是-4-3-2-101234。

按照这种方式，避免了在视锥边界看到视图4和-4的可能性。视图编号的最大差为2(视锥内的视图3和视图1、或视锥边界处的视图1和视图-1)，而不是这九视图的差。

因此，可将相邻显示的视图的视图编号的最大差设置为2。

显示器可以设计成使得观看距离补偿最有效。例如，显示器可以这样设计，在默认观看距离上(为显示器设计的距离)，视锥宽度小于4倍的眼间距E，例如小于30cm。视锥宽度可设计为小于3倍的眼间距E，其对应于大约20cm。例如，默认观看距离可等于2倍的显示宽度。

以这种方式，当观看者处于距离显示器的设计距离处时，距离系统将切换到双视图模式，并且当观看者离显示器更远时，仅会提供更多的视图。因此，默认距离针对将显示器用作显示屏的单个近距离视图，但是显示器可由多个用户在较远的观看距离处使用。

参照图10说明本发明的系统的另一使用方式。

在这种情况下，还有两个以上但少于最大可能数量(如实施例所示的九个)的视图。通过将视锥内观看者(即使他们稍微移动)不可见的视图设置为与观看者可见的视图相同的视图来降低可见串扰量。以这种方式，只在一个观看区域中显示第一组的每个视图(视图1、0和-1)，并在至少两个邻近观看区域中显示第二组的每个视图(视图2和-2)。

在所示的实例中，中央视图显示一次，且横向边缘视图显示三次。

然而，这取决于观看者的位置。例如，可一次全部呈现导向到观看者(但容许在有限范围内移动)的图像，并且可以向其余的观看位置提供相同的视图。这通常会一次显示两个或三个图像(实例中所示的3个，-1、0、-1)，并且只有两个其他图像(2、-2)用于所有其他视图。

以这种方式，根据视锥内观看者的相对位置来选择该视锥内显示的图像。

本发明尤其适用于显示屏大小的显示器，该显示器可在用于较大距离处的多位观看者的模式与一种配置之间进行切换，在该配置中，一位观看者正近距离使用显示器时，显示器将切换到可能最清晰的模式：双视图系统。

当有多位观看者时，观看者跟踪系统可寻找最接近显示器的观看者，并通过该最接近的观看者判断是否切换显示模式。可选地，每当检测到多于一位观看者时，显示器可保持在多视图模式下，并且仅当正跟踪唯一的观看者并且该唯一的观看者靠近显示面板时，才切换到双视图模式下。

本发明可用在屏障系统或双凸透镜系统中，或者实际上例如使用微透镜的其它光学系统。

也可以有手动超控装置(manual override)，使用户能在双视图模式和多视图模式之间进行选择。

本发明已经结合LCD显示器进行了说明，但也可以应用到其它显示器技术中，如OLED显示器。

如果系统的输入数据仅包括双视图(而不是2D和深度信息、或者多视图图像)，那么系统可包括立体视图到多视图的转换。

当系统的输入数据是2D和深度信息且显示器切换到较少数量的视图或立体视图(2视图)模式时，可以按比例调整深度信息。例如，可使所产生的视差差异可以增大至少20％从而加强深度效果。

当系统的输入数据是多视图图像时，存在将哪个视图对用于立体图像(2视图)模式的选择。例如，与正常配置中的视图相比，可选择的视图被进一步地分隔开。例如，视图0和1通常会投射到左边和右边。相反，可选择视图0和2、或0和3。甚至视图-3和3也可以被选择使用。因为视图中的串扰不再是限制因素，所以存在这些选择。

从对附图、本公开以及所附权利要求书的研究中，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现对所公开实施方式的其他变型。在权利要求书中，措词“包括”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并没有排除复数。事实仅在于，在彼此不同的从属权利要求中阐明的某些措施并不意味将这些措施相结合使用不具有优势。在权利要求书中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种自动立体显示设备，包括：

像素化显示面板；

成像装置，其用于将与所述显示面板的不同显示像素相关联的光导向不同的方向，以限定可以向其同时显示不同图像的至少三个观看区域；

观看者跟踪系统，其用于跟踪观看者并且确定观看者相对于所述显示面板的位置；

处理器，其用于处理图像内容并且驱动所述显示面板，其中，所述处理器驱动所述显示面板以显示多个不同的视图，这至少取决于所述观看者离所述显示面板的距离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，针对第一观看距离，显示第一数量的视图，并且针对更大的第二观看距离，显示更多的第二数量的视图。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，针对低于阈值的观看距离，显示总共两个视图。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，在多个显示输出视锥中重复所述视图，并且其中，距离阈值使得在该距离处的视锥宽度小于范围是13-40cm的阈值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述处理器适合于得出所述观看者的移动速度，并且其中，如果所述速度超过第一阈值，则将所述不同的视图的数量设置为1。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述处理器适合于得出所述观看者的移动速度，并且其中，如果所述速度超过第二阈值，则改变所述不同的视图的顺序。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在多个显示输出视锥中重复多个视图，并且其中，每个视锥内都有可向其同时显示不同图像的多个观看区域，且其中，仅在一个观看区域中显示第一组的每个视图，并在至少两个相邻的观看区域中显示第二组的每个视图。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在多个显示输出视锥中重复所述视图，并且其中，在观看距离处的所述视锥宽度等于两倍的所述显示面板的宽度，所述显示面板的宽度小于30cm，并且更优选地小于20cm。

9.一种驱动自动立体显示设备的方法，包括：

将与像素化的显示面板的不同显示像素相关联的光导向到不同方向，以限定可向其同时显示不同图像的至少三个观看区域；

跟踪观看者并且确定所述观看者相对于所述显示面板的位置；

处理图像内容并且驱动所述显示面板以显示多个不同的视图，这至少取决于所述观看者离所述显示面板的距离。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，针对第一观看距离，显示第一数量的视图，并且针对更大的第二观看距离，显示更多的第二数量的视图。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，针对低于阈值的观看距离，显示总共两个视图，其中，距离阈值使得在该距离处的视锥宽度小于范围是15-40cm的阈值。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括，得出所述观看者的移动速度，其中，如果所述移动速度超过第一阈值，则将所述不同的视图的数量设置为1。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括，得出所述观看者的移动速度，其中，如果所述移动速度超过第二阈值，则改变所述不同的视图的顺序。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，包括，在多个显示输出视锥中重复所述多个视图，并且其中，每个视锥内有可向其同时显示不同图像的多个观看区域，

其中，所述方法包括：仅在一个观看区域中显示第一组的每个视图，且在至少两个相邻的观看区域中显示第二组的每个视图。

15.一种计算机程序，当所述程序运行在计算机上时，适于实施权利要求9至14中任一项所述的方法。