CN110832853A - 用于渲染三维图像的显示设备和方法 - Google Patents

Abstract

显示设备(100)具有布置在显示平面中的多个显示元件(101)，用于根据图像数据(330)渲染三维图像。每个显示元件具有像素(120)和用于使像素垂直于显示平面移动的致动器(130)。每个显示元件的致动器可响应于接收到像素的位置值而操作，以根据位置值使像素垂直于显示平面移动。

Description

用于渲染三维图像的显示设备和方法

技术领域

本公开涉及用于渲染三维图像的显示设备和方法。

背景技术

存在用于生成三维(“3D”)图像的各种设备，这些设备通常依靠于向用户的每只眼睛供给不同的图像来通过立体效果产生深度的假象(illusion)。例如，可以像在虚拟现实耳机设备中一样，将不同的图像直接提供给每只眼睛。

替代地，可以在单个输入图像的不同分量到达用户的眼睛之前对其进行分离。这可以以多种不同的方式来实现，诸如本领域中已知的偏光眼镜、浮雕(anaglyph)眼镜等。

存在其它能够生成3D图像而无需图像的观看者佩戴头戴式耳机的设备。这些设备通常包括一个或多个特殊面板，并且具有有限的观看区域，从该观看区域中可观看3D效果。因此，用这样的设备可能难以甚至不可能生成对多个用户同时具有令人满意的3D效果的图像。

发明内容

根据本文公开的第一方面，提供了一种用于根据图像数据渲染三维图像的显示设备，该显示设备包括：布置在显示平面中的多个显示元件，每个显示元件包括像素；以及用于使像素垂直于显示平面移动的致动器；其中每个显示元件的致动器可响应于接收到像素的高度值而操作，以根据该高度值使像素垂直于显示平面移动。

在示例中，每个显示元件包括像素引导件，该像素引导件使像素的移动限制在垂直于显示平面的固定距离内。

在示例中，像素引导件是透明的。

在示例中，每个显示元件的像素可响应于接收到亮度值而操作以根据亮度值输出光。

在示例中，多个像素是多个彩色像素，并且每个显示元件的彩色像素还可响应于接收到彩色值而操作，以根据该彩色值输出光。

在示例中，每个显示元件的像素是磁性的或携带磁体，并且每个显示元件的致动器包括电磁线圈，该电磁线圈可以被通电以引起像素移动。

在示例中，显示设备还包括像素位置提取部分，该像素位置提取部分被配置为接收包含图像数据和像素的位置值的图像文件，并从中提取像素的位置值。

在示例中，显示设备还包括像素位置提取部分，该像素位置提取部分被配置为接收图像数据并且被配置为通过将位置值生成算法应用于图像数据来提取位置值。

在示例中，位置值生成算法包括边缘检测算法，该边缘检测算法用于确定在图像的检测到的边缘上的一组像素，并且像素位置提取部分被配置为针对该组像素中的那些像素生成较大的位置值。

在示例中，显示设备还包括亮度值提取部分，该亮度值提取部分被配置为接收图像文件并从中提取像素的亮度值。

根据本文公开的第二方面，提供了一种在显示设备上渲染三维图像的方法，该显示设备包括布置在显示平面中的多个显示元件，每个显示元件包括像素和用于使像素垂直于显示平面移动的致动器，该方法包括：接收显示设备的至少一个显示元件的像素的位置值；根据位置值控制至少一个显示元件的致动器，以使像素垂直于显示平面移动。

在示例中，每个显示元件包括像素引导件，该像素引导件使像素的移动限制在垂直于显示平面的固定距离内。

在示例中，像素引导件是透明的。

在示例中，每个显示元件的像素是磁性的或携带磁体。每个显示元件的致动器包括电磁线圈，该电磁线圈可以被通电以引起像素移动；以及其中所述控制致动器移动像素包括使电流可控制地通过电磁线圈。

在示例中，该方法包括接收包含图像数据和像素的位置值的图像文件，并且其中所述接收像素的位置值包括从图像文件中提取像素的位置值。

在示例中，该方法包括接收图像数据，并且其中所述接收像素的位置值包括将位置值生成算法应用于图像数据以生成位置值。

在示例中，位置值生成算法包括边缘检测算法，该边缘检测算法用于确定在图像的检测到的边缘上的一组像素，并且像素位置提取部分被配置为针对该组像素中的那些像素生成更大的位置值。

在示例中，该方法包括以下步骤：接收显示设备的至少一个显示元件的像素的亮度值；根据亮度值控制至少一个显示元件的像素以输出光。

附图说明

为了帮助理解本公开并示出实施例如何生效，通过示例的方式参考附图，其中：

图1示出了正在由用户观看的显示设备的示例；

图2示出了图1的显示设备的示意性横截面；以及

图3示出了包括显示设备的控制系统的示例。

具体实施方式

现有的三维(“3D”)显示设备仅在人类用户观看时才会产生三维假象。即，没有显示器真正创建3D图片或视频。而是，头戴式耳机、面板和/或其它设备仅小心地控制到达用户每只眼睛的光，通常提供单独的左侧图像和右侧图像，这些图像在用户的大脑中有效地组合在一起，从而产生图像是3D的错觉。这些方法的问题包括需要眼镜或其它头戴式设备和/或较差的图像质量。

而且，这些已知方法对于观看图像的人的数量不能很好地进行缩放。即使在3D图像本身可以被正确地渲染给多个人(诸如在3D电影院中使用偏光眼镜)的情况下，尽管每个人处于略有不同的地点，但每个人观看到相同的3D图像，并且移动将不会改变3D图像的外观。真实的3D对象的行为并非如此；取决于视角，真实的3D对象看起来有所不同。

现有技术系统的另一个问题是它们可能引起某些人的头痛等问题，特别是当呈现给每只眼睛的图像甚至略有校准误差时。

本文公开了一种显示设备，该显示设备能够渲染真实的3D图像(“真实”的意义在于图像的不同部分的深度确实是可变的而不仅仅是立体假象)。因此，由本显示设备创建的3D图像克服了上述问题，因为它们一次对多个用户呈现3D并且如真实的3D对象所预期的那样随视角而变化。这些图像也将不会在用户中引起头痛，因为用户确实在观看3D对象，而不是旨在欺骗用户的视觉系统的错觉。

图1示出了根据本文描述的方面的显示设备100的示例。显示设备100可以被包括在电视、移动电话、平板电脑、计算机监视器屏幕或可以具有或作为显示器或屏幕的任何其它电子设备中。

显示设备100包括布置在显示平面中的多个显示元件101。如图2所示，显示设备100被设计为由用户200从一侧(观看侧)观看。即，显示设备100被配置为提供用户200可从观看侧观看的图像。

包括在每个显示元件101中的是像素(下面将更详细地描述)。如本文所使用的术语“像素”用于描述显示设备100的个体图片元素，即，产生用于显示的图像的对应图片元素的显示设备的元件。可以个别地控制像素以发射特定强度和/或颜色的光。因此，为了向用户200显示图像，显示设备100中包括的多个像素中的每个像素被控制为发射特定性质的光，使得渲染期望的图像。以这种方式，显示设备100用于显示图像，该图像可以是静态图像和/或移动图像。

用于渲染图像的各种类型的像素在本领域中是已知的。一些类型的像素包括背光源(backlight)和过滤器，以选择性地让光通过以便生成图像，诸如在液晶显示(LCD)设备中。其它类型的像素不包括过滤器，而是直接生成光，诸如在有机发光二极管(OLED)设备中。

显示设备100的像素能够在垂直于显示平面的方向上移动，从而允许渲染真实的3D图像。图1示出了显示设备100的4×4显示元件部分的分解图，其中三个显示元件101x-z的相应像素正在输出不同的颜色并且相对于显示平面也升高到不同的高度。显示元件101z中的像素尚未从显示平面移动，因此位于零“高度”处。显示元件101y的像素已经稍微移出显示平面(在观看方向上朝向用户200)，因此比显示元件101z中的像素更靠近用户200。显示元件101x的像素是所示的“最高”的(在显示平面之外最远)，因此最靠近用户200。因此，应该理解的是，这些像素生成可以被用户200观看的3D图像。

图2示出了显示设备100的一部分的横截面。在该图中，示出了显示设备100的六个显示元件101a-f。

每个显示元件101包括像素120和致动器130。像素120位于像素引导件110中，并且能够在像素引导件110中上下移动。图1示出了在其相应的像素引导件110a-f内的各种不同位置处的像素120a-f，以对此进行说明。

像素120被布置为当由用户200整体上观察时根据要由显示设备100显示的图像的元素来输出光。像素120还被布置为在像素引导件110内自由移动(由致动器130控制)。为了输出元素，像素130可以包括例如OLED像素或被配置为产生光的其它类型的像素。像素120也可能自身不产生光，而是过滤由背光源等产生的光。在这些情况下，每个像素120可以包括其自己相应的背光源，或者显示设备100可以包括向两个或更多个像素120提供背光的一个或多个背光源。例如，在这些情况下，像素120可以是LCD像素。包括在显示设备100中的多个像素120可以全部是相同的类型(例如，所有OLED像素)，或者可以是两种或更多种类型(例如，包括在同一显示设备100中的一些OLED像素和一些LCD像素)。

在图2所示的示例中，像素引导件110是中空管，其可以由任何合适的材料形成，诸如塑料、金属、玻璃等，其允许像素120在由致动器130作用时在像素引导件110内部的空间内自由移动(见下文)。像素引导件110可以在顶部打开(在观察方向上，朝向用户200，远离致动器，如图2所示)或者可以关闭。在像素引导件关闭的情况下，它们可以被密封并且因此也可以被抽成真空，使得像素引导件110的内部是真空的。如果关闭，则每个像素引导件110的至少顶部是透明的，使得由像素120产生的光可以逸出到达用户200的眼睛。注意的是，最低要求是给定像素引导件110的顶部透射由包含在其中的像素120产生的足够的(一个或多个)波长的光，使得用户200能够辨别该像素120的强度的变化。

优选地，像素引导件110的侧面也类似。但是，即使不透明的侧面也将允许形成3D图像，因为用户200仍可以在其视场中的不同深度处观看像素120。

像素引导件110可以短(例如一或两毫米)或者可以更长(例如一或两厘米或甚至更长，直至数十厘米)。像素引导件110的长度可以限定像素120可以垂直于显示平面移动的最大距离，因此也可以限定可以在显示设备100上渲染的最大深度。

如图2所示，致动器130也可以位于像素引导件110中，或者可以位于像素引导件110的外部。在又一个替代方案中，给定显示元件101的致动器130可以与像素引导件110集成在一起。重要的是，致动器130可以起到使相应像素120在相应像素引导件110内移动的作用。

如本文所使用的，术语“致动器”是指允许像素120在像素引导件110内的位置被控制的任何布置。在图2的示例中，致动器130采用电磁线圈的形式，该电磁线圈位于像素引导件110的底部。在这个示例中，像素120是磁性的(例如，通过包括固定到像素120的底部的永磁体部分，诸如永磁体)，使得每个像素120的底部(致动器侧)向致动器130呈现北磁极。应该理解的是，本文描述的与使用电磁感应来移动像素120相关的原理同样适用于向致动器130呈现南磁极的像素。类似地，还应该理解的是，并非所有像素120都需要向致动器130呈现相同的磁极。

通过致动器130的电磁线圈的电流将在线圈周围感应磁场，磁性像素120将对该磁场产生反应。因此，通过控制通过致动器130的电磁线圈的电流，可以将力施加到像素120，并且因此可以通过该电流来控制像素120在像素引导件110内的位置。注意的是，使电流的方向反向将使感应磁场的极性反向，因此也使在像素120上的力的方向反向，因为像素120的磁极性是恒定的。

在图2的示例中，设置通过致动器130的电流，使得在前三个图示的显示元件101a-c中的像素被吸引到它们相应的致动器130(相应致动器产生吸引像素的北磁极的南磁极)。通过其它三个示出的显示元件101d-f的其它致动器的电流在与显示元件101a-c相反的方向上流动。因此，这些致动器产生排斥其相应像素的北磁极。可以通过改变通过致动器130的电流的振幅来控制每个像素120在其像素引导件110内的高度。注意的是，在这个示例中，像素引导件110可以优选地由提供磁屏蔽的材料构成，以便减小一个致动器的磁场与其邻居之间的干扰。

可以用于移动像素120的致动器130的其它示例包括微机电系统(MEMS)和纳米机器。显示设备100中存在的多个致动器130可以包括多个相同类型的致动器130，或者可以由两种或更多种不同类型的致动器组成。

并非显示设备100的所有部分都必须是可移动的。即，显示设备100的一些显示元件110可以设置有固定像素，即常规像素，其不具有相关联的致动器，因此不相对于显示平面移动。例如，显示设备100的一个或多个子部分中的一些显示元件101可以能够渲染3D效果(即，仅具有用于改变相应像素的位置的相应致动器的显示元件101)，而其它则不能。具有3D渲染能力的子部分可以是连续的，或者可以是不连续的。例如，显示设备100的中央子部分可以包括具有可移动像素并因此能够渲染3D效果的显示元件101，并且朝向显示设备100的边缘的区域可以包括能够仅渲染2D图片的常规(固定的)像素元件。

图3示出了包括(如上面关于图1和图2所描述的)显示设备100、控制器300和媒体源320的系统的示例。

控制器300经由一个或多个有线或无线连接连接到显示设备100。控制器300可以被设置为单独的设备，或者可以与显示设备100一体地设置。控制器300还连接到媒体源320。在示例中，媒体源320可以是控制器300的本地存储器或数据存储装置，然后存储器320优选地经由例如硬连线连接直接连接到控制器300。

媒体源320表示用于存储图像文件330的存储地点或数据存储装置。媒体源320可以是计算机可读存储介质，诸如CD、DVD、蓝光盘、硬盘、闪存等，其存储图像文件330并且可由控制器300访问。在这种情况下，媒体源320可以直接连接到控制器300。媒体源320可以替代地是可通过诸如互联网之类的网络访问的并且具有数据存储功能的一个或多个服务器。

图像文件330是计算机可读文件，其定义要在显示设备100上渲染的图像的参数。这可以是静态图像(例如，图片或其它图形)，或者可以是视频图像(例如，影片/电影或其它移动图片)。

常规的图像文件至少包括定义要由显示屏幕上的多个像素渲染的各个亮度值的亮度信息，并且还可以定义色度值或其它颜色信息，如本领域中已知的。这些值可以被编码和/或压缩为存储在图像文件330中。

本文描述的用于由显示设备100渲染的图像文件330与常规图像文件的不同之处可以在于，它进一步定义了像素位置信息(像素高度信息)，以供控制器300在控制显示设备100渲染图像文件330中定义的图像时使用，如本文所描述的。在替代方案中，图像文件330可以是常规的图像文件，并且根据下面描述的示例，可以从图像文件330生成像素位置信息。

控制器300包括输入端301、图像数据提取部分302、像素位置数据提取部分303和输出端304。输入端301可操作地耦合到图像数据提取部分302和像素位置数据提取部分303中的每一个。图像数据提取部分302和像素位置数据提取部分303每个也可操作地耦合到输出端304。

仅出于解释控制器300的功能的目的，如图3所示的控制器300及其部件被表示为示意性框图。因此，应该理解的是，控制器300的每个部件是用于执行本文中归因于其的功能的功能块。每个部件可以用硬件、软件、固件或其组合来实现。此外，虽然被描述为控制器300的单独的部件，但是一些或全部功能可以由单个硬件、软件或固件来执行。例如，图像数据提取部分302和像素位置数据提取部分303可以被实现为在一个或多个处理器上执行的单个软件。

输入端包括用于从媒体源320接收数据的一个或多个物理(例如，网络端口)或逻辑(例如，硬连线连接)输入模块。在操作中，输入端301接收图像文件330，并将其提供给图像数据提取部分302和像素位置数据提取部分303中的每一个。输入端301可以在将文件330提供给图像数据提取部分302和像素位置数据提取部分303之前对文件330执行一个或多个初步处理步骤，诸如解压缩。

图像数据提取部分302被配置为从输入端301接收图像文件330，并对其进行处理以至少提取要应用于显示设备100的像素120的亮度信息和可选的颜色信息。这可以包括从图像文件330确定像素120中的一些或全部像素的相应值，该值表示要贡献于图像的渲染的该像素的输出亮度。在本领域已知的标准图像文件中，这是通过为每个像素(对于视频文件具有随时间变化的分量)存储诸如8位值(介于0-255之间)的值来实现的。该值定义应该如何控制像素的亮度，例如值0表示“关闭”或“最小亮度”并且值255表示“最大亮度”。类似的原理也适用于彩色图像中的颜色值。图像文件330可以以这些已知方式中的任何方式存储图像数据。因此，图像数据提取部分302表示图像解码器相对于解码图像文件并控制显示器的像素以渲染(二维)图像的亮度和颜色的常规功能。

像素位置提取部分303被配置为从输入端301接收图像文件330，并对其进行处理以提取要应用于显示设备100的至少一些像素120的位置信息。位置信息也可以被称为“高度”信息，因为它不是指像素在显示器的平面内的地点，而是指像素在显示器平面中或外的偏移(在垂直于显示平面的方向上)。因此，“较高”位置处的像素比“较低”位置处的像素更靠近显示设备100的观看侧的用户200。

高度信息可以与上述图像信息一起被编码在图像文件330中。例如，高度值可以被编码为对于每个像素(对于视频文件具有随时间变化的分量)诸如8位值(介于0-255之间)的值。该值定义应将像素控制在距显示平面多远的位置，例如，值0表示“零”或“最小高度”，并且值255表示“最大高度”。

替代地，像素位置提取部分303可以从常规图像文件(即，没有明确定义这种高度的图像文件)中提取像素高度值。例如，这可以通过对图像进行边缘检测并生成定义将检测到的边缘上的所有像素120设置为最大高度的像素高度信息来完成。例如，移动设备的触摸屏上的图标和其它按钮的轮廓可以从屏幕的表面升起，并且因此可以使用户200更容易感觉和选择。作为另一个示例，可以使文本的轮廓从屏幕的表面升起。这对于盲人或弱视用户特别有利。文本可以是例如盲文文本。

所提取的图像和高度信息被提供给输出端304，以经由有线或无线连接发送至显示设备100的多个显示元件110。由此，控制器300控制显示元件110以输出在图像信息中为其定义的相应亮度，并且还控制其像素120移动到在高度信息中为其定义的高度，从而在显示设备100上渲染真实的3D图像。

应该认识到的是，上面的大多数内容已经在没有参考彩色显示器的情况下进行了描述。但是，还应该认识到的是，可以提供每个显示元件101的像素120以输出特定颜色的光。因此，本文描述的原理直接适用于彩色像素的单个颜色单元。即，如本文描述的显示元件101的三元组可以形成单色像素，其中显示元件是一个红色、一个绿色和一个蓝色。因此，全彩色3D图像可以由显示设备100渲染。

将理解的是，本文中所提及的处理器或处理系统或电路系统实际上可以由单个芯片或集成电路或多个芯片或集成电路提供，可选地作为芯片组、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)等提供。一个或多个芯片可以包括用于实施至少一个或多个数据处理器或一个或多个数字信号处理器的电路系统(以及可能的固件)，这些数据处理器或数字信号处理器是可配置的，以便根据示例性实施例进行操作。在这方面，示例性实施例可以至少部分地由存储在(非暂态)存储器中并且可由处理器执行的计算机软件来实现，或者由硬件来实现，或者由有形存储的软件和硬件(以及有形存储的固件)的组合来实现。

本文参考用于存储数据的数据存储装置。这可以由单个设备或多个设备提供。合适的设备包括例如硬盘和非易失性半导体存储器。

本文描述的示例将被理解为本发明的实施例的说明性示例。设想了其它实施例和示例。关于任何一个示例或实施例描述的任何特征可以被单独使用或与其它特征结合使用。此外，关于任何一个示例或实施例描述的任何特征也可以与任何其它示例或实施例的一个或多个特征或者任何其它示例或实施例的任何组合结合使用。此外，在权利要求书所限定的本发明的范围内，也可以采用本文未描述的等同物和修改。

Claims (15)

1.一种用于根据图像数据渲染三维图像的显示设备，所述显示设备包括：

布置在显示平面中的多个显示元件，每个显示元件包括像素和用于使所述像素垂直于所述显示平面移动的致动器；

其中每个显示元件的所述致动器能够响应于接收到所述像素的位置值而操作，以根据所述位置值使所述像素垂直于所述显示平面移动。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其中每个显示元件包括像素引导件，所述像素引导件将所述像素的移动限制在垂直于所述显示平面的固定距离内。

3.根据权利要求2所述的显示设备，其中所述像素引导件是透明的。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的显示设备，其中每个显示元件的像素是磁性的或携带磁体，并且每个显示元件的致动器包括电磁线圈，所述电磁线圈能够被通电以引起像素移动。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的显示设备，包括像素位置提取部分，所述像素位置提取部分被配置为接收包含图像数据和像素的位置值的图像文件，并从中提取像素的位置值。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的显示设备，包括像素位置提取部分，所述像素位置提取部分被配置为接收图像数据并且被配置为通过将位置值生成算法应用于所述图像数据来提取位置值。

7.根据权利要求6所述的显示设备，其中所述位置值生成算法包括边缘检测算法，所述边缘检测算法用于确定在图像的检测到的边缘上的一组像素，并且所述像素位置提取部分被配置为针对所述一组像素中的那些像素生成较大的位置值。

8.一种在显示设备上渲染三维图像的方法，所述显示设备包括布置在显示平面中的多个显示元件，每个显示元件包括像素和用于使像素垂直于所述显示平面移动的致动器，所述方法包括：

接收所述显示设备的至少一个显示元件的像素的位置值；

控制所述至少一个显示元件的所述致动器，以根据所述位置值使像素垂直于所述显示平面移动。

9.根据权利要求8所述的方法，其中每个显示元件包括像素引导件，所述像素引导件使所述像素的移动限制在垂直于所述显示平面的固定距离内。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述像素引导件是透明的。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，其中每个显示元件的像素是磁性的或携带磁体；每个显示元件的致动器包括电磁线圈，所述电磁线圈能够被通电以引起像素移动；并且其中所述控制致动器移动像素包括使电流可控制地通过所述电磁线圈。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，包括接收包含图像数据和像素的位置值的图像文件，并且其中所述接收像素的位置值包括从所述图像文件中提取像素的位置值。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，包括接收图像数据，并且其中所述接收像素的位置值包括将位置值生成算法应用于所述图像数据以生成位置值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述位置值生成算法包括边缘检测算法，所述边缘检测算法用于确定在图像的检测到的边缘上的一组像素，并且所述像素位置提取部分被配置为针对所述一组像素中的那些像素生成较大的位置值。

15.根据权利要求8至14中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

接收所述显示设备的所述至少一个显示元件的像素的亮度值；以及

根据所述亮度值控制所述至少一个显示元件的像素以输出光。

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