CN112352189B - 用于显示三维图像的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于显示3D图像的多焦点平面显示(MFD)装置的技术领域。特别地，本发明提出一种用于显示3D图像的装置，其中，基于2D图像和深度图来生成3D图像。该装置包括光源、漫射器、以及控制器。该光源用于发射光束，每个光束对应于2D图像的像素。该漫射器用于漫射光束，其中，漫射器包括分布在三维体上的多个漫射器单元，并且每个漫射器单元可被单独地控制为透射的或漫射的。该控制器用于基于深度图将每个漫射器单元控制为透射的或漫射的。

Description

用于显示三维图像的装置和方法
技术领域
本发明涉及多焦点平面显示(multifocal plane display,MFD)装置的技术领域，并因此提出了用于显示三维(three-dimensional,3D)图像的装置和方法。特别地，本发明的装置和方法用于基于二维(two-dimensional,2D)图像和深度图来显示3D图像。基于2D图像产生多个光束，并且对光束进行选择性漫射以创建3D图像。
背景技术
MFD装置可以用于例如近眼显示(near eye display,NED)、近眼(near-to-eye,NTE)、或头戴显示(head mounted display,HMD)的应用或装置，旨在实现3D图像的多焦点显示。可以将不同的MFD装置分类为空间复用或时间复用的实现。在时间复用的实现中，与多个焦平面的帧的渲染同步地快速切换所显示的(单个)2D图像到人眼的观看距离(深度)，以生成无闪烁感的3D图像。
这种MFD装置的主要挑战是系统要求。实际上，要在市场上商业部署的这种MFD装置的关注度在很大程度上取决于计算负荷、硬件设计等。
已经进行了诸多尝试来解决系统要求的挑战。例如，一些尝试提出了通过设有可切换的层来显示3D图像，其中，每个层用于在特定焦平面上显示图像。这些可切换层例如被称为堆叠的可切换漫射器或液晶膜片。
然而，所有尝试都不能在无需高帧率的情况下令人满意地实现3D图像的高精度渲染。
发明内容
鉴于上述挑战，本发明旨在改进用于显示3D图像的装置和方法。本发明的一个目的是提供一种系统要求较低的用于显示3D图像的装置。特别地，本发明旨在提供一种无需高帧率的渲染高精度3D图像的装置和方法。
本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的解决方案实现。本发明的有利实施方式在从属权利要求中进一步定义。
特别地，本发明提出引入一种漫射器，该漫射器包括用于漫射光束以生成3D图像的一组可切换的漫射器单元。可以通过单独地打开/关闭选中的漫射器单元来在漫射器中改变深度。
本发明第一方面提供了一种用于显示三维(three-dimensional,3D)图像的装置。该装置包括光源、漫射器、以及控制器。该光源用于发射光束，每个光束对应于二维(two-dimensional,2D)图像的像素。该漫射器用于漫射光束。其中，漫射器包括分布在三维体上的多个漫射器单元，并且每个漫射器单元可被单独地控制为透射的或漫射的。该控制器用于基于深度图将每个漫射器单元控制为透射的或漫射的。
与用于显示3D图像的其他装置相比，通过单独控制不同的漫射器单元，降低了系统要求。特别地，上述单独控制不需要高帧率即可实现高精度3D图像的渲染，即特别是具有比其他时间复用MFD装置更低的帧率。实现此目的的关键是可以将3D图像表示为2D图像和深度图。因此，该组可切换的漫射器单元可用于基于深度图来生成3D图像。
该装置的漫射器可以基于液晶(作为漫射器单元)构造，通过施加电能可以对其进行电控制。在LCD背景下，液晶可用于单独地接通和断开像素。
在第一方面的实施方式中，漫射器单元布置成多个层。
因此，漫射器包括相对于观看者或相对于装置的出射光瞳处于不同深度的多个漫射器层。因此，通过使用根据深度图选择的层将光束漫射，可以生成高精度3D图像。
在第一方面的另一实施方式中，漫射器单元布置成列，每列包括位于不同层中的漫射器单元。
因此，漫射器单元布置成特别简单的几何结构，这使得能够独立于任何其他列的漫射器单元来控制一列的漫射器单元。同一列但不同层中的漫射器单元对应于不同的3D图像深度。
在第一方面的另一实现形式中，控制器用于基于深度图为每列选择一层，以及将该列的位于选中的层中的一个漫射器单元控制为漫射的，并将该列的位于一个或多个未选中的层中的一个或多个漫射器单元控制为透射的。
因此，基于深度图，可以为每列选择某一深度，以在总体上生成高精度3D图像。
在第一方面的另一实施方式中，每层中的漫射器单元彼此邻接。
换句话说，任意层中的漫射器段之间没有间隙。因此，每层的相邻漫射器单元提供的任意图像段之间没有明显间隙，从这种意义上来说，每层都可以提供连贯的图像。
在第一方面的另一实施方式中，层彼此间隔。
因此，使用少量的层(例如，少于五层)可以实现大的深度范围。
在第一方面的另一实施方式中，每个像素有一列，或者，每组像素有一列，每组包括若干像素。
在第一方面的另一实施方式中，每层与3D图像中的不同深度相关联。
在第一方面的另一实施方式中，深度图包括关于3D图像的每个像素的深度的信息。
因此，该装置可以有效地渲染高精度3D图像。
在第一方面的另一实施方式中，深度图的分辨率低于2D图像。
因此，装置的处理要求相当低，同时仍能获得精确渲染的3D图像。
在第一方面的另一实施方式中，控制器还用于将3D图像分解成2D图像和深度图，基于该2D图像控制光源，并基于深度图控制漫射器。
因此，该装置可以接收(例如，视频流中的)一个或多个待显示的3D图像，并且控制器获取每个3D图像并控制其显示。
在第一方面的另一实施形式中，控制器还用于从由装置接收的包含3D图像序列的视频信号或视频流中提取3D图像。
在第一方面的另一实施形式中，控制器还用于估计3D图像中的多个深度，并基于该深度估计来获得深度图。
因此，获得了特别有效和高精度的3D图像渲染。
在第一方面的另一实施形式中，控制器还用于基于深度图计算下一3D图像的预测深度图，并基于该预测深度图获得该下一3D图像的深度估计。
因此，该装置可以在更高的效率和更少的计算负荷下运行。
在第一方面的另一实施形式中，该装置还包括布置在漫射器的出射侧的放大器。
因此，可以向装置的用户提供在漫射器中生成的3D图像的放大图。例如，放大器可以是放大镜。
在第一方面的另一实施形式中，放大器具有焦平面，并且漫射器包括多个漫射器层。漫射器层包括第一漫射器层和一个或多个其他漫射器层。该第一漫射器层位于焦平面中或位于焦平面和放大器之间。该一个或多个其他漫射器层位于第一漫射器层和放大器之间。
可以在第一漫射器层上显示具有无限深度的图像区域(即，与远处的物体或风景相关联的图像区域)。第一漫射器层位于放大器焦平面中的优点是，用户无需调节自己的眼睛就可以观看第一漫射器层——第一漫射器层将显示为距离用户无穷远。一个或多个其他漫射器层将显示为更靠近用户。
本发明的第二方面提供了一种用于显示三维(three-dimensional,3D)图像的方法。该方法包括：发射光束，每个光束对应于二维(two-dimensional,2D)图像的像素，通过基于深度图将分布在三维体上的多个漫射器单元中的每一个漫射器单独地控制为透射的或漫射的，漫射该光束。
在第二方面的实施方式中，漫射器单元布置成多个层。
在第二方面的另一实施方式中，漫射器单元布置成列，每列包括位于不同层中的漫射器单元。
在第二方面的另一实施方式中，该方法包括：基于深度图为每列选择一层，以及将该列的位于选中的层中的一个漫射器单元控制为漫射的，并将该列的位于一个或多个未选中的层中的一个或多个漫射器单元控制为透射的。
在第二方面的另一实施方式中，每层中的漫射器单元彼此邻接。
在第二方面的另一实施方式中，层彼此间隔。
在第二方面的另一实施方式中，每个像素有一列，或者，每组像素有一列，每组包括若干像素。
在第二方面的另一实施方式中，每层与3D图像中的不同深度相关联。
在第二方面的另一实施方式中，深度图包括关于3D图像的每个像素的深度的信息。
在第二方面的另一实施方式中，深度图的分辨率低于2D图像。
在第二方面的另一实施方式中，该方法还包括：将3D图像分解成2D图像和深度图，基于该2D图像控制光源，并基于深度图控制漫射器。
在第二方面的另一实施形式中，该方法还包括：从包含3D图像序列的接收的视频信号或视频流中提取3D图像。
在第二方面的另一实施形式中，该方法还包括：估计3D图像中的多个深度，并基于该深度估计来获得深度图。
在第二方面的另一实施形式中，该方法还包括：基于深度图计算下一3D图像的预测深度图，并基于该预测深度图获得该下一3D图像的深度估计。
第二方面的方法及其实施方式实现了第一方面及其相应实施方式的装置的上述优点和效果。
本发明的第三方面提供了一种计算机程序产品，其包括程序代码，该程序代码用于控制根据第一方面或其任何实施方式的装置，或者，当该程序代码在计算机上运行时，用于执行根据第二方面或其任何实施方式的方法。
因此，分别实现了上述关于第一方面的装置和第二方面的方法的所有优点和效果。
应注意，本申请中描述的所有装置、元件、单元、以及方式可以以软件元件、硬件元件、或其任何种类的组合来实现。由本申请中描述的各个实体执行的所有步骤以及由各个实体执行的所描述的功能旨在表示各个实体适于或用于执行各个步骤和功能。在特定实施例的以下描述中，即使由外部实体执行的特定功能或步骤未在执行该特定步骤或功能的实体的特定详细元件的描述中反映出来，但是对于技术人员应该清楚的是，这些方法和功能可以在相应的软件、硬件元件、或其任何种类的组合中实现。
附图说明
将在以下结合附图的具体实施方式的描述中解释本发明的上述方面和实施形式，其中
图1示出了根据本发明实施例的装置。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的装置如何创建3D图像。
图3示出了根据本发明实施例的方法。
图4示出了根据本发明实施例的装置执行的算法。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的装置100。特别地，装置100用于显示3D图像。装置100可以例如通过输入视频流来接收待显示的3D图像。通常，装置100可以基于2D图像和深度图106来渲染待显示的任意3D图像。如本文稍后所解释的，2D图像和深度图106可以由装置100根据待显示的3D图像生成。
装置100包括光源101、漫射器(diffuser)103、和控制器105。光源101用于发射光束102。因此，每个光束102对应于2D图像的像素。漫射器103还用于将从光源101发射的光束漫射。特别地，为此目的，漫射器103包括分布在3D体上的多个漫射器单元104。在图1中，仅出于说明目的，示出了四个漫射器单元104。漫射器103的每个漫射器单元104可被单独地控制为透射的或漫射的，特别是如图1中的各个箭头所指的通过控制器105进行控制。即，控制器105用于基于深度图106将每个漫射器单元104控制为透射的或漫射的。这使得生成3D图像。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的装置100如何生成3D图像。因此，图2基于图1所示的装置100，即，相同的元件标有相同的附图标记并且具有相同的功能。特别地，图2示出了待显示的3D图像可以由2D图像和深度图106来表示。因此，可以控制具有单独可控的漫射器单元104的漫射器103基于2D图像和深度图106来生成3D图像。值得注意的是，所采用的漫射器单元104的数量越多，装置100可以渲染的3D图像的深度就越高。深度图106的分辨率通常低于2D图像。
如图2所示，准直图像引擎可以用作光源101。准直图像引擎获取2D图像作为输入，并相应地用于输出一组窄光束102，其中，每个光束102对应于2D图像的图像像素。漫射器103获取这些窄光束102作为输入，即，光束102撞击到漫射器103上，漫射器103用于基于深度图106(即，如图1所示，通过接收深度图106作为输入的控制器105)将光束102漫射。
特别地，漫射器103包括分布在3D体上的多个单独可控的漫射器单元104。如图2所示，漫射器单元104布置成多个层，其中，每层200可以与3D图像中的不同深度相关联。特别地，所示的层200沿光束102的方向依次相互间隔布置。优选地，每个层200中的漫射器单元104彼此邻接。
如图2进一步所示，漫射器单元104也布置成列201，在图2中，不同的阴影线表示两个不同的列，其中，每列201包括位于不同层200中的漫射器单元104。2D图像的每个像素可能有一列201，或者2D图像的每组像素可能有一列201，每组包括若干像素。即，每列201可以与一个或多个窄光束102相关联。对于每个窄光束102，可以开启某个漫射器单元104。当漫射器单元104被开启时，在使入射的窄光束102直接投射到眼睛(瞳孔)之前，该漫射器单元104将入射的窄光束102漫射。具体地，为了生成3D图像，控制器105可以特别地用于基于深度图106为每列201选择一层200，以及将列201的位于选中的层200中的一个漫射器单元104控制为漫射的，并将列201的位于一个或多个未选中的层200中的一个或多个漫射器单元104控制为透射的。漫射器103的选中的漫射器单元104可以对应于像素的估计深度。同样如图2所示，当人眼聚焦在图像中的对象1上时，对象2自然地离焦。
图2还示出了可以在漫射器103的出射侧布置例如透镜的放大器202。放大器202使得用户能够观看放大的3D图像。
装置100的控制器105还可以用于将待显示的(例如，所接收的)3D图像分解为2D图像和深度图106。然后，控制器105可以基于2D图像控制光源101，并且可以基于深度图106控制漫射器103。控制器105还可以用于基于深度图106来计算下一3D图像的预测深度图，并基于该预测深度图获得下一3D图像的深度估计。在图4中示出了其示例实现。
特别地，图3示出了用于处理包含待显示的3D图像序列的输入视频流的框图。图3所示的处理可以由控制器105(其接收视频流)执行。视频流因此可以被馈送到图1的装置100中。
框301“3D视频帧”从视频流中提取3D图像，并将其馈送到框302“焦平面切片”。框302估计当前图像的深度(或当前3D图像中存在的焦平面(深度)的数量)。3D图像和深度估计被转发到框303“空间网格化”，其将3D图像分解为2D图像和深度图106。接下来的框304“漫射器状态控制器”获取深度图106以选择待分配给每个像素的漫射层状态，并转发2D图像数据。最后，框305“硬件控制器”(其可以由控制器105实现)使用2D图像和一组漫射层状态，以渲染3D图像。对于下一帧，可以在框306中应用“深度预测器”，以预测下一3D图像的深度分布。不同的框可以代表控制器105能够实现的不同的功能步骤。
图4示出了根据本发明实施例的方法400。方法400可以由用于显示3D图像的装置执行，特别是由图1所示的(并在图2中示意性地解释的)装置100执行。方法400可用于显示3D图像。方法400包括发射光束102的步骤401，每个光束102对应于2D图像的像素。进一步，方法400包括步骤402，步骤402通过基于深度图106将分布在3D体上的多个漫射器单元104中的每一个漫射器单元104单独地控制为透射的或漫射的，将光束102漫射。
已经结合了作为示例的各种实施例以及实施方式描述了本发明。然而，根据对附图、本公开、和独立权利要求的研究，实施本发明的本领域技术人能够理解和实现其他的变型。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的几个实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表示不能在有利的实施方式中使用这些措施的组合。

Claims (13)

1.一种用于显示三维(3D)图像的装置(100)，所述装置(100)包括
用于发射光束(102)的光源(101)，每个光束(102)对应于二维(2D)图像的像素，以及
用于漫射所述光束(102)的漫射器(103)，
其中，所述漫射器(103)包括分布在三维体上的多个漫射器单元(104)，并且每个漫射器单元(104)可被单独地控制为透射的或漫射的，其中，所述漫射器单元(104)布置成多个层(200)，所述漫射器单元(104)布置成列(201)，每列(201)包括位于不同层(200)中的漫射器单元(104)；以及
控制器(105)，用于基于深度图(106)将每个漫射器单元(104)控制为透射的或漫射的。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述控制器(105)用于基于所述深度图(106)为每列(201)选择一层(200)，以及将所述列(201)的位于选中的层(200)中的一个所述漫射器单元(104)控制为漫射的，并将所述列(201)的位于一个或多个未选中的层(200)中的一个或多个漫射器单元(104)控制为透射的。
3.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，每层(200)中的所述漫射器单元(104)彼此邻接。
4.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述层(200)彼此间隔。
5.根据权利要求1所述的装置(100)，其中
每个像素有一列(201)，
或者其中，每组像素有一列(201)，每组包括若干像素。
6.根据权利要求1所述的装置(100)，其中
每层(200)与所述三维(3D)图像中的不同深度相关联。
7.根据权利要求1所述的装置(100)，其中
所述深度图(106)的分辨率低于所述二维(2D)图像。
8.根据权利要求1所述的装置(100)，其中
所述控制器(105)还用于将所述三维(3D)图像分解(303)成所述二维(2D)图像和所述深度图(106)，基于所述二维(2D)图像控制所述光源(101)，并基于所述深度图(106)控制所述漫射器(103)。
9.根据权利要求1所述的装置(100)，其中
所述控制器(105)还用于基于所述深度图(106)计算(306)下一3D图像的预测深度图，并基于所述预测深度图获得(302)所述下一3D图像的深度估计。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(100)，还包括布置在所述漫射器(103)的出射侧的放大器(202)。
11.根据权利要求10所述的装置(100)，其中，所述放大器(202)具有焦平面，并且所述漫射器(103)包括多个漫射器层，所述漫射器层包括：
位于所述焦平面中或位于所述焦平面和所述放大器(202)之间的第一漫射器层，以及
位于所述第一漫射器层和所述放大器(202)之间的一个或多个其他漫射器层。
12.一种用于显示三维(3D)图像的方法(400)，所述方法(400)包括
发射(401)光束(102)，每个光束(102)对应于二维(2D)图像的像素，
通过基于深度图(106)将分布在三维体上的多个漫射器单元(104)中的每一个漫射器单元(104)单独地控制为透射的或漫射的，漫射(402)所述光束(102)，其中，所述漫射器单元(104)布置成多个层(200)，所述漫射器单元(104)布置成列(201)，每列(201)包括位于不同层(200)中的漫射器单元(104)。
13.一种计算机存储介质，存储程序代码，所述程序代码用于控制根据权利要求1至11中的一项所述的装置(100)，或当所述程序代码在计算机上运行时，用于执行根据权利要求12所述的方法(400)。
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