CN1126377C - 三维图象显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种三维图象显示系统，该系统基于被称为双D深度的新颖概念，该系统包括第一显示装置(3)和至少一个第二显示装置(4)；其中这些显示装置沿着系统轴(9-91)彼此之间有偏离，并被用来部分地显示场景的相同的两维图象，而与深度表示有关的参数是由至少一个显示图象中的专用亮度层次的形式构成的，所有的显示图象与图象显示装置之间的轴向距离(ΔL)一起给观众(10)引起了深度效果。

Description

三维图象显示系统
本发明涉及一种三维图象显示系统，该系统具有从发光元件延伸到观测窗的系统轴、并带有至少两个彼此协调对准并沿着系统轴的不同位置设置的图象显示装置，并且带有控制电路。
在这里，图象显示装置被理解为用于将提供给该装置的控制电路的电图象信号转换成可视图象的装置。这种装置可以由例如阴极射线管或图象显示板组成；该图象显示板带有液晶材料层且其操作是以入射到其上的光的偏振状态的改变为基础的；或者该图象显示板带有聚合物层，在该层中弥散着液晶材料晶胞且其操作是以光的散射为基础的。这种板按照一个设在另一个之后的方式放置在系统轴上。当采用阴极射线管时，这些阴极射线管可以以例如这样的方式设置，即它们的面板处于彼此垂直的平面中，且这些图象能够被例如与这些平面成例如45°地设置的部分透射镜所结合。该镜将这些阴极射线管的(子)轴与延伸至观测窗的一个系统轴结合起来。
在带有阴极射线管的三维图象显示系统中，这些阴极射线管也是发光元件。在带有液晶图象显示板的系统中，发光元件是对板进行照明的辐射源单元。
观测窗可以是物理的窗，即在其中容纳图象显示系统的各种部件的外壳上的一个光透射开口，但也可以是一个虚拟窗口，即一个标志观众空间的开始且在其中形成图象的平面。
图象显示装置彼此协调对准这一事实，意味着不仅这些图象显示装置形成的图象的中心是同轴的，而且对应的图象各部分也是对准的。在此情况下这些图象显示装置的图象表面本身不一定是彼此平行的。
对三维图象显示系统有很大的需求，尤其是在医学诊断技术中，特别是当分析和可视地表示借助X射线层析摄影或磁共振技术获得的图象信息时，而且也在利用声波、正电子发射层技术、ECT(发射计算层析摄影)或MMI(多模态成象)的诊断系统中。另外，在显示计算机产生的图象即计算机图形学方面，也需要三维图象显示系统。有效的三维图象显示系统，不仅是在这些专业领域中的突破，而且也是在消费者使用领域的突破，特别是对于电视设备和多媒体系统。这样的系统应该是用户友好的，即它应该能够在观众不需要诸如偏振眼镜这类辅助装置的情况下工作，且它应该适合于多个用户同时观看，因而要有例如大的视角。
在开头一段中描述的三维图象显示系统，可以从例如美国专利第5,113,227号中知道。在该专利的说明书中描述的系统包括至少两个但最好是更多数目的图象显示板，这些板最好是基于光散射的。三维显示效果，必须通过用给定数目的显示板来显示相同数目的、处在垂直于系统轴的平面中的物体横截面的图象而获得，从而使得在观众看来，根据所要显示的物体沿着所述方向是变得更宽还是更窄，而使相继的图象覆盖了相关的显示板上越来越大或越小的表面区域。这种三维效果是基于视差仿真，且为了获得足够强的效果，不同的散射或或液晶层彼此之间应该以足够大的距离来设置。另外，这些层的数目应该足够大，可多达二十个，从而只让小部分的照明光束强度能够到达观众那里。
本发明提供了三维图象显示系统的一种新颖的概念，借助该系统可获得令人信服的深度效果，且该系统只要求少量的图象显示装置并能够借助不同类型的显示装置来实现。根据本发明的三维图象显示系统的特征在于，
各个图象显示装置被用于部分地显示场景相同的两维图象，且与深度表示有关的参数是由至少一个显示图象中的专用亮度层次(intensitygradation)的形式构成的，且所有的显示图象一起、并与图象显示装置之间的轴向距离相结合而引起观众的深度效果，且专用的亮度层次由以下场景参数的一或多个来确定：
—场景组成部分的深度位置；
—场景组成部分的高度；
—场景组成部分的厚度；
—场景组成部分之间的距离。
令人信服的深度效果是利用多个(例如两个)图象显示装置而获得的，从观众空间看这些图象显示装置被设置在沿着系统轴的不同位置并且每一个都显示一部分图象。对同一图象的部分显示，被理解为一个图象的某些图象部分被显示在一个图象显示板上，且同一图象的其他部分被显示在另一图象显示板上。通过对这些图象中的至少一个提供专用亮度层次，可防止场景的前部或场景的接近部分似乎漂浮在显示的场景的其他部分之上—这种情况将给出不自然的印象。专用亮度层次是外加的亮度层次，它与两维图象的内容无关。
通过结合上述的借助轴向分离的图象显示装置以产生两个部分图象和亮度层次这两个特征，获得了一种新的深度感觉，且这种感觉被证明能够引发起自然的三维图象感觉。这种深度感觉可被表征为以层次为基础的由距离确定的深度感觉，或由距离确定的深度，“双D深度”(“Double-D-Depth”)，这是以以申请人命名的商标；且这种深度感觉是单目的，即这种效果可以用一只眼睛来观测到，从而能够从不同的角度来观测所产生的三维图象。本发明提供了新颖的、生理上的深度参数或深度线索。目前正式用来产生三维图象的系统，大体上是利用观测者的眼睛之间的距离的立体摄影系统，因而具有小的视角间距。在立体摄影系统中，观测的深度随着观测者与图象之间的距离的增大而增大，从观察感受的角度看这种效果是急剧扰动性的。这种问题在所述“双-D-深度”系统中是不会出现的。
应该注意的是，在美国专利第3,891,305号中描述了一种用于仿真三维图象的设备，其中采用了多个图象板。除了一或两个用于产生图象的显示板—例如LCD板-之外，该设备包括额外的显示板以交替产生光透射条和图象条，该图象条包含与图象产生板形成的图象条相对应的相同的图象信息。被图象产生板显示的图象从不同的角度被摄取。所有这些板都没有由深度信息确定的层次。这种设备是作为立体镜设备而工作的并具有固有的缺点。它没有提供基于由深度信息所确定的亮度层次的三维图象。
还应该注意的是，美国专利第4,985,756号描述了一种用于获得视频图象的特别效果的电子处理器，这些效果诸如图象部分的淡入和淡出。为了增强该特别效果，可给物体的前表面区以比该物的其他部分或图象的其他部分更大的亮度，以仿真三维效果。只有一个图象显示装置被用于显示带有这种特别效果的图象。
在原理上，根据本发明的图象显示系统中可以使用两个图象显示装置，其中只有一个装置产生具有专用亮度层次的图象，而另一个装置产生两维图象。然而，根据本发明的图象显示系统的特征还在于最好让图象显示装置产生的所有图象对于不同的图象都具有不同的专用亮度层次。
因此，实现了自然的三维效果。借助正确方式的层次，消除或防止了观测到的图象中的视差。深度效果是借助图象显示装置之间的距离来实现的，而不依赖于观测者与图象之间的距离。
借助这样的图象显示系统可实现优化的效果，该系统的特征进一步还在于：两个相继的图象显示装置所产生的图象中的专用亮度层次是彼此互补的。
互补在此被理解为两个图象的对应部分中的亮度层次是彼此相反的。例如，在第一图象的一个部分中的额外亮度可以从底部向着顶部而减小，而在第二个图象的对应部分中的亮度则从顶部向着底部而减小。
该三维图象显示系统的一个最佳实施例的进一步的特征在于，每一个象素的专用亮度层次积等于原有的两维图象的亮度。
由于实际的图象和深度信息现在是完全整体化的，显示的图象具有非常自然的效果。
该三维图象显示系统进一步的特征在于，从观测窗来看，各图象显示装置之间的距离等于图象显示装置的图象表面区的对角线的一个分数f，其中对于f有：
1/1000≤f≤1/10
距离的这种选择防止了深度被夸大而使其变得太具有扰动性。在具有以下的f关系为其进一步特征的图象显示系统中，扰动性的深度过程得到了完全的防止：
1/75≤f≤1/25
图象显示装置的象平面，例如阴极射线管的面板或LCD板的面，可以是彼此平行的，即f值在整个图象表面区上都是恒定的。
然而，该图象显示系统的特征还可以在于，从沿着系统轴的方向看，图象显示装置的图象表面区彼此成锐角地延伸。
如果对应的图象部分得到了令人满意的对齐，则可以借助这种图象显示系统获得令人满意的三维图象。
另外一方面，根据本发明的图象显示装置的特征在于一个同步电路，该电路用于经过它们的控制电路而以这样的方式驱动图象显示装置，即使得它们的图象同时得到显示。
由此，这些图象可以以每秒一百、五十、二十五或三十帧的视频速率而显示，且对控制电路没有额外的要求。如果图象显示装置是阴极射线管，该三维图象可以具有高亮度。在借助图象显示板的LCD实施方案中，通过使照射源具有足够大的功率，可以获得所希望的亮度。
作为一种替换，该图象显示系统的特征可以在于一个同步电路，该同步电路用于借助它们的控制电路而以这样的方式驱动图象显示装置，即使得它们的图象以大于人眼所能够观测的频率而一个接着一个地及时交替显示。
由于子图象在不同的时刻得到显示，能够防止扰动的波纹效应。
为了使在摄取场景期间获得的深度信息得到正确的处理，该三维图象显示系统进一步的特征在于，各个图象显示装置的控制电路具有用于接收两维图象信息信号的第一输入端和用于接收深度信息信号的第二输入端，并进一步包括用于将这些信号结合成一个图象信号的图象混合器。
深度信息因而与实际的图象信息结合起来。
根据本发明的另一个方面，三维图象显示系统进一步的特征在于，由一个图象显示装置形成的至少一个图象以这样的方式得到弯曲，即该图象的边缘比所述图象的中心更接近观测窗。
由于这种措施，如果图象的弯曲沿着水平方向延伸，则由于各图象的亮度层次和图象间的距离的结合所引起的三维效果(这种效果也可以被称为微分分部(differential fractal)深度效果并沿着与观众垂直的方向出现)将与沿着水平方向的深度效果互补。这种弯曲也可以沿着竖直方向延伸。此时，微分分部深度效果得到增强。该图象(或若干图象)也可以沿着两个方向得到弯曲，此时两种分部深度效果在几何上得到互补且深度透视得到了增强。
如果一个或多个图象显示装置是阴极射线管，可通过修改管的面板或通过将具有与窗口材料的折射率不同的透明弯曲平面板设置于普通的阴极射线管之前，从而实现所述图象弯曲。如果图象显示装置是显示板，则可以通过使这些显示板具有弯曲的形状或通过将具有弯曲表面的板放置在平的显示板之前而获得弯曲的图象。
三维图象显示系统的另一个实施例的特征在于，图象显示装置产生的图象从图象的中心向着它们的边缘具有单调的亮度层次，两个相继的图象显示装置的图象中的单调亮度层次是彼此互补的，最接近观测窗的所述图象显示装置的所述图象在边缘处具有最高亮度。
通过将额外的单调亮度变化以这样的方式结合到实际的图象中，即例如使前面的图象显示装置上的图象在中心处的亮度最小而边缘处的亮度最大，就可以获得与弯曲图象的效果类似的效果，从而使借助纵向方向的分部深度获得的效果在水平效果上得到增强和/或补充。
该实施例进一步的特征在于，在图象中的单调亮度层次是沿径向延伸的。
此时向着观众的图象会聚可以沿着图象平面中的所有方向得到仿真。
另外，该实施例的特征可以在于单调的亮度层次是沿着两个彼此垂直的方向的，而这两个方向与系统轴相垂直。
此时得到沿着两个方向弯曲的图象的仿真。
应该注意的是，美国专利第4,517,558号提出了通过在阴极射线管之前设置一个板而仿真三维效果，该板具有从中心向着下和上边缘逐渐减小的透射率。在此情况下，阴极射线管所形成的图象的亮度不是单调变化的，且只采用了一个图象显示装置，因而不适用分部深度原理。
除了全场景的三维显示之外，本发明还可以被用于使物体的体积可视化，一种使其成为可能的三维图象显示系统的特征在于由该图象显示装置产生的物体图象，这些图象显示  根据与系统轴垂直的不同平面而表示了不同的横截面。其轮廓由该物象的周边之内的、并沿着与局部的轮廓线相交方向的亮度层次来表示。
在此情况下利用了这一事实，即物体的体积或形状是作为显示的物象的厚度或高度的增大或减小而观测到的。通过利用两或多个图象显示装置(用它们来产生结合了专用亮度层次的图象，这种亮度层次对于不同的图象是互补的且是沿着与局部轮廓线垂直的方向的，获得了意外良好的三维图象，其中甚至能够看出物体的组成部分的圆形。
应该注意的是，美国专利第5,055,918号描述了一种电子模块，它处理来自例如一个图形计算机的视频信号，该信号以这样的方式被加到例如一个电视监视器上(即所显示的图象中的图象部分的给定周边部分具有单向的亮度层次，而没有实际的深度)，从而强调了这些部分之间的距离。然而，显示的图象不是三维图象且没有使用分部深度原理。
为了防止三维图象的观众的视角受到视差的限制(这种视差可以是由于用两个轴向偏离的图象显示装置显示同一图象而产生的)，根据本发明的图象显示系统进一步的特征可以在于，第一图象显示装置在第一时间间隔中显示两维图象并在第二时间间隔中显示由深度线索确定的第一深度图象，其中第二时间间隔位于第一时间间隔之间，且至少一个第二图象显示装置在第三时间间隔里显示由深度线索确定、并与第一深度图象互补的第二深度图象。
深度图象应该被理解为由场景的深度线索确定的亮度层次形式的伪图象。
在最后提到的实施例中，只有一个即第一图象显示装置被用于显示实际的两维图象，因而该图象不能呈现出任何视差。为了产生三维效果，要在其中不显示实际图象的那些时间间隔中使用第一和第二以及在可能情况下更多的显示装置。以此方式使亮度和深度外形(depthprofile)在时间上彼此分离，而防止了所显示的图象呈现出视差和/或波纹。
第一、第二和第三时间间隔的长度和它们彼此相继的频率要适当选择，以使人眼不能观测到图象改变。第二和第三时间间隔可以是重合的，从而使互补的深度图象得到同时表示。而借助分离的第二和第三时间间隔，可以防止在深度图象之间出现波纹效应。
为了使分部深度效果适合于观众的个人需要，根据本发明的图象显示系统进一步的特征可以在于第一和第二图象显示装置是经过可调节间隔器而彼此相连的。
借助这些间隔器，两个图象显示装置(例如两个LCD板或一个CRT和一个LCD板)之间的轴向距离以及光程长度，可以由观众以机械、手动或机电的方式进行改变，从而使显示的图象对他来说尽可能地自然。
为了同一目的和其他的目的，该图象显示系统其他或额外的特征可以在于，两个图象显示装置之间的介质具有可调的光学特性。
这种介质可以是包含在两个光透射电极结构之间的液晶材料。通过有选择地激励这些电极，介质的折射率、以及两个图象显示装置之间的光程长度能够得到局部的改变，从而使深度效果能够得到增强。
该介质也可以是其中弥散有少量液晶材料的聚合物，该聚合物被包围在两个光透射电极结构之间。通过有选择地激励这些电极，可以使该介质局部散射或不散射，从而使场景或其中的物体的一些部分得到强调，或者使背景模糊。
该介质也可以是包围在两个光透射电极结构之间的电致变色液(electrochromic liquid)。通过有选择地激励这些电极，在显示的图象中的颜色对比度可以得到局部的增大，或者场景中的物体的体积特性能够得到强调。
该介质也可以是诸如硅橡胶或poly-vinylcarbozole-trinitro-fluoronone的有机粘弹性或弹性材料。通过将电压局部地加到该材料上，使该材料变形，从而产生松弛，而这种松弛增强了深度效果或者使轮廓界面能够变成可视的。
本发明可以借助不同的图象显示装置实现。
图象显示系统的第一实施例的特征在于，图象显示装置由阴极射线管构成，且提供了n-1个光束合成器，(其中n是阴极射线管的数目)，以便将来自这些阴极射线管的光束合成成一条光束，该光束的轴与系统轴相重合，且这些阴极射线管的图象中的专用亮度层次借助阴极射线管中的电子束的强度变化来实现。
该系统显示的图象具有高亮度。
一种具有体积紧凑的优点的图象显示系统的实施例的特征在于，图象显示装置由图象显示板构成，且这些图象显示板在照射源提供的照明光束的路径上以一个设在另一个之后的方式设置并以系统轴为中心，且这些板的图象中的专用亮度层次是借助板的透射率的变化来实现的。
使前两个实施例的优点得到尽可能的结合而其缺点得到尽可能的克服的图象显示系统的一个实施例，其特征在于，离观测窗最远的图象显示装置由阴极射线管构成，而其他的图象显示装置由图象显示板构成，且显像管的图象的专用亮度层次是通过阴极射线管中的电子束的强度变化来实现的，而图象显示板的深度图象的专用亮度层次则通过显示板的光透射率的变化来实现。
采用阴极射线管作为图象显示装置的所述实施例进一步的特征最好还在于，各个光束合成器由宽频带的部分透光镜构成，该镜由一个透明基底构成，在该基底上相继地涂上较薄的银层和较厚的二氧化硅层。
这种镜具有宽频带镜的优点，即它在大的波长范围中具有恒定的性质，在大的视角范围内，例如从相对于系统轴-45°至+45°的范围，只吸收非常小部分的光，且在通过该镜观测到的图象中不出现彩色成荫或颜色变化。
应该注意的是，欧州专利申请0602934描述了一种三维图象显示系统，它设有彼此成90°角设置的两个LCD板，其图象经过部分透光镜而被结合成一个图象，该部分透光镜带有金属层和介电材料层。然而在该申请中描述的系统是一个立体镜系统：观众的左眼观看一个LCD板而其右眼观看另一个LCD板。这些LCD板产生的图象不包括由专用深度线索确定的亮度层次。
从以下描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并将得到阐述。
在附图中：
图1、2、3和4显示了根据本发明的三维图象显示系统的第一、第二、第三和第四实施例，
图5a-5e显示了在这些实施例中所用的双D深度原理，
图6显示了该图象显示装置的可能的图象信号处理和驱动模式，
图7-10显示了图象显示系统的实施例，其中产生了弯曲的图象，
图11和12显示了显示系统可以用来仿真弯曲的图象的子图象，
图13a-13e显示了显示系统可以用来仿真体积图象的子图象，
图14显示了可以用来叠置这些子图象的方式，
图15a-15c显示了该系统可以用来产生三维图象的两维图象和两个深度图象，
图16显示了叠置这些图象的方式，
图17显示了可以在时间上一个接着一个地显示这些图象的显示系统的可能实施例，
图18显示了显示系统的一个实施例，其中图象显示装置之间的光程长度是可调的，
图19显示了图象显示系统的一个实施例，其中在图象显示板之间有有源可控介质，
图20显示了用在图1的实施例中的宽频带半透镜，以及
图21显示了该镜的光学特性。
图1示意地显示了根据本发明的显示系统的第一实施例，它包括阴极射线管3和4形式的第一和第二图象显示装置。该系统还带有部分透光镜5形式的光束合成器。该镜使来自阴极射线管3的一部分光通过，并将来自阴极射线管4的光的一部分反射到同一观众。在阴极射线管3和4的图象窗口6和7中形成的图象同时出现的情况下、和在这些图象以足够高的频率(例如100Hz)一个接着一个地显示的情况下，在该观众看来，这些图象都是一个图象。
标号8表示一个观测窗，它可由一个容纳部件3、4和5的外壳上的光透射窗口，或者由一个想象的窗口构成，该想象的窗口由阴极射线管的面板6和7在镜5紧下方的一个平面中的重合投影所限定。
由于这些图象应该在窗口8的位置处彼此对准，所以应该保证在面板6中的图象部分a与在面板7中的图象部分a1相对应，而图象部分b则对应图象部分b1。
如图1所示，面板6的中心与部分透射镜的中心之间的距离比面板7的中心与镜的中心之间的距离L大一个分数ΔL。从系统轴9-91的方向看，也就是沿着轴向方向看，在面板上形成的图象偏离了距离ΔL。因此，由于两个图象是一个图象的两个部分图象并且以下述的方式带有深度信息，观众会体验到一种深度感并观测到三维图象。
如已知的，阴极射线管提供了清晰的图象。尽管存在着部分透光镜，但由于两个这样的图象被结合起来，观众观测到的图象仍具有高亮度。也可以不用两个而是采用N个阴极射线管，在此情况下需要有N-1个结合镜。
图2显示了图象显示系统的一个实施例，其中图象显示装置由诸如液晶显示板或LCD 20和30的图象显示板构成。各个显示板都具有液晶材料层21，31，在该液晶材料层的前面和后面分别设置有偏振器22、32和检偏振器24、34。该显示板由照明单元15照明。这种单元包括具有高亮度的灯，例如一种带有非常小的灯弧的非常高压的汞灯(如本中请人的欧州专利申请576071中描述的那种，该单元还包括在灯后面的一个反射器以及用于形成适当的照明光束的其他可能的光学部件。这种照明单元是已知的且不构成本发明的一部分，因而不用在此进行讨论。这也适用于LCD板的操作。
由于以一个设在另一个之后的方式采用了两或多个显示板；因而最好以这样的方式驱动这些显示板，即第一个显示板在第一时间间隔中显示其图象，而第二显示板在位于各第一时间间隔之间的第二时间间隔里显示其图象。时间间隔的延续期和它们彼此相继的频率是这样选择的，即既不能分别地观测到显示板上的图象，又没有图象闪烁。另外，最好以这样的方式适配这些显示板，即显示板在其不显示图象的时间间隔里具有最大的透明度，从而使受到另一显示板的图象信息调制的光尽可能少地受到前述显示板的衰减。这意味着，当采用在未激励状态下其象素不改变光的极化方向的显示板时，该显示板的检偏振器和偏振器的偏振的方向对于每一个板都是彼此平行的，如在图2中对于第一显示板的箭头23和25和对于第二显示板的箭头33和35所示。
图3显示了根据本发明的图象显示系统的第三实施例。在此实施例中，第一图象显示装置是具有荧光层加图象窗口41的阴极射线管40，第二图象显示装置是具有偏振器47、液晶层46和检偏振器48的LCD板45。偏振器和检偏振器的偏振方向49和50再次以这样的方式选择，例如使它们彼此平行，使得显示板在不显示图象的时间间隔中具有最大的透射率，从而使得在这些时间间隔中管40的受到图象信息调制的光受到最小的衰减。阴极射线管以这样的方式得到驱动，即它在不显示图象的时间间隔中具有最大的亮度，并构成了用于照明在所述时间间隔中显示图象的LCD板的理想的照射源。图3的实施例比图1的更为紧凑，并可以产生出比图2的实施例更为明亮的图象，而图2的实施例又比图1和3的实施例更为紧凑。
图象显示装置的图象表面不一定是彼此平行的，而是可以彼此间有一个锐角，如图4所示。所示的系统包括一个照明单元61、第一和第二LCD板62和63以及观测窗64。显示板的平面彼此成例如10°的锐角。如图4所示，两个显示板可以与系统轴9-91成锐角β和γ。然而，也可以是只有这些显示板中的一个与该轴成锐角，而另一显示板与该轴垂直。然而，应该保证显示板的相应图象部分都能对齐，即沿着与系统轴平行的方向看，它们应该彼此覆盖。借助该实施例也能够获得令人满意的三维图象，就像图3的实施例的修正那样—其中板45与系统轴成锐角；也像图1的实施例的修正那样—其中阴极射线管的面板以有一个小于90°的角度。
在图2、3和4的实施例中也可以不采用LCD板，而是采用其他的显示板，例如包括聚合物层的PDLC板，在该聚合物层中提供有少量的液晶材料且该层的操作是光散射为基础的。在原理上，这种显示板不一定包括偏振器和检偏振器。然而，通过加上这些元件，可以获得具有更高对比度的图象。作为例子，在1992年的《日本显示器》第931-934页中的文章“带有聚合物弥散结构的全色TFT-LCD”中，描述了一种PDLC板。
在原理上，本发明可以用各种类型的图象产生装置实现。
结合图5a-5e中显示的实验，可以阐述双D深度原理。图5a的开始显示了在瓷砖地面71和瓷砖后墙72的背景中的赛车70。两个图5b和5c中显示的两个透明箔(transparent foil)由该场景构成；图5b显示了与其背景分离的赛车而图5c只显示了其背景。如果图5b的箔被置于图5c的箔之上，同时将透明玻璃或合成材料板置于其间并从图5c的箔一侧照明整个组件，则从图5b的箔一侧观看的观众将感觉到由这些箔所共同表示的场景的真实深度。
然而，该车似乎漂浮在其背景上。这种效果可通过在部分图象中提供附加的专用亮度层次，而基本上得到消除。沿着对于观众来说是纵向方向的方向的这种层次，对于两个部分图象来说是互补的。如图5d所示，带有赛车的箔中的亮度或象素的密度从下侧处的例如100％延伸到上侧处的例如10％。对于图5e所示的带有背景的箔，赛车的亮度从上侧处的100％延伸至下侧处的10％。如果透明箔之间的距离不太大，例如对于A4格式的箔在0.5和10μm之间，则观众将感觉到自然的三维图象(这也是由于观众头脑中的插入作用)并且不存在有麻烦的双图象现象。另外，这种深度感觉是单目的，所以它只用一只眼睛也能够感觉到，并能够在较大的视角内得到保持。如果在所要显示的场景中有更多的深度线索出现，例如透视，则这些线索可以增强双D深度效果。
上述带有静止图象的实验设置，通过用电子控制图象显示装置(诸如图象显示板或阴极射线管)来取代箔，就可以转换成适当的专业或消费者所用的系统。借助这种装置，当然可以显示移动的三维图象。如果这些图象是彩色图象，还可以在图象中提供彩色层次，以取代或补充专用亮度层次。这些层次取决于场景中的深度线索。
这些专用亮度层次最好以这样的方式彼此适配，即对于每一个象素这些层次的积等于两维图象的象素中的亮度。
另外，图象显示装置的图象表面之间的距离等于这些表面的对角线的一个分数f，其中对于f以下关系成立：
1/1000≤f≤1/10
选择这一距离可防止感觉到的深度过于夸张而具有扰动效果。在f为以下关系的显示系统中，扰动性的深度感觉可被完全防止：
1/75≤f≤1/25
图6显示了用于根据本发明的三维系统的图象信号产生和图象显示的可能模式。在摄取侧，采用了通常的摄象机80，例如可以用来摄取两维场景或物体并提供二维图象信号S2D的视频摄象机。还采用了装置81，借助它从场景获得深度信息且由它提供了深度信号Sd。该装置被表示为单独的装置，但也可以是与摄象机80成为一体的。装置81可以用各种方式实施。例如，它可以包括红外发射器—它发射用于扫描场景的红外光束，以及红外敏感检测装置—诸如摄象机管或CCD传感器，该检测装置接收各种场景成分反射的光并将其转换成深度信号。该装置还可以由具有自动扫描聚焦设定的摄象机构成，其中用于校正聚焦的控制信号可被用作深度信号。
一般地，有源和无源深度检测装置都可用于确定场景的深度特性。
信号S2D和Sd经过传送介质82被传送到三维图象显示系统85，在电视广播的情况下，传送介质由空气构成，而在闭路电视或局部网络的情况下则由电缆构成。
图象显示系统85包括第一处理器或图象混合器86-其中信号S2D和Sd被处理成图象帧，而深度信息被加到所述帧的每一个象素上。带有图象帧信息的信号Sfr被加到图象处理器87-其中图象帧被转换成两个独立的带层次的图象。图象处理器87的输出信号Sdi被加到一个多路复用器88的输入端，该多路复用器提供包括两个图象信号Si，1、Si，2的输出信号Sdi。该信号Si，1被加到第一图象显示装置95(例如示意地显示的显示板95)的控制电路97，而信号Si，2被加到第二显示板96的控制电路98。
在多路复用器88与控制电路97和98之间设置有开关89和90，这些开关能够以这样的方式得到控制，使得图象显示装置以不同、独立且相继的时间间隔显示它们的图象。这种显示模式是较好的，特别是当图象显示装置为透光板时。开关89和90构成了同步电路。
如已经结合图5a-5e描述的，双D深度引起的深度效果是沿着观众的纵向方向的效果。通过以使得图象沿着水平方向受到弯曲的方式实施该系统，可以将沿着水平方向的深度效果加强到这种效果上。这样的图象能够通过提供一种柱面透镜而获得，该柱面透镜的柱面轴在来自图象显示装置的光路中是纵向的。然而，图象表面本身最好沿着水平方向弯曲，如图7所示。该图显示了前视剖视图中的图象表面100以及它的纵向横截面图101和其水平横截面图102。
图8以水平横截面图的形式显示了一个适配的阴极射线管105，借助它能够获得沿着水平方向弯曲的图象。为此玻璃屏幕106由两层107和110构成。层107带有与荧光层具有相同曲率的第一表面108和荫罩105，该荫罩确定了面板。表面108以顶着荧光层的方式设置。层107的第二表面109具有与表面108的曲率相反的、但更大的曲率。第二层110具有平坦的外表面112和内表面111，该内表面111具有与表面109相同的曲率。第一层107具有折射率n1且第二层具有大于n1的折射率n2，因而光线在第一和第二层之间的界面109被折射向观众。显然，图8显示了系统在水平横截面中的表现部分。
阴极射线管可以用图3类似的方式与显示板结合，例如一个包括偏振器47、一层液晶材料46和检偏振器48的LCD板45。
为了获得水平深度效果，可以采用其面板为凹而不是凸形的阴极射线管。这样的一种管120显示在图9中。单个的玻璃层122具有平坦的外表面124和内表面123，而该内表面具有与加有荫罩121的荧光层的曲率相同的曲率。
这种阴极射线管可以用图3中类似的方式与图象显示板45相结合。也可以如图8或9所示地那样，用图1所示的相同方式，在三维图象显示系统中采用两个阴极射线管104或120。
在带有图象显示板的系统中，水平深度效果可通过采用一或两个显示板而获得，如图10中所示。图10显示了带有偏振器137、液晶层136和检偏振器138的显示板135。在该检偏振器上设置有一个额外的板139，其外表面140沿着水平方向具有凹进的弯曲形状。
借助该三维图象显示系统获得的图象也可以不是沿着水平方向弯曲，而是沿着纵向方向弯曲。这提供了沿着纵向方向的附加深度效果，这种效果增强了双D深度效果。沿着纵向方向的图象弯曲可以通过参考图7至10所描述的沿着水平方向的弯曲相同的方式获得，这些图此时是纵向的而不是水平的横截面图。
还可以使图象沿着水平和纵向方向都发生弯曲。此时可同时获得沿着纵向方向的增强的深度效果和沿着水平方向的深度效果。
上述的附加深度效果不仅能够通过图象或图象表面的实际弯曲而产生，也可以通过借助附加的亮度层次来模拟弯曲而产生，该亮度层次是独立于深度信息的。这种弯曲模拟可以结合图11和12解释。
图11显示了带有与图5a-5e相同的场景的第一透明箔，其中左和右侧150、151现在具有最大的透明度(例如接近100％)，而中心152具有最小的透明度(例如接近0％)。从最大至最小透明度有一个逐渐的转变。
图12显示了带有相同的场景的一个第二透明箔，它具有与图11相反的透明度变化，它在中心为例如接近100％而在左和右侧为例如接近0％。如果图12的箔被叠置在图11的箔上，且在它们之间放置一个透明(例如玻璃)板，对于在图12的箔一侧的观众，就产生了其边缘比中心近的弯曲图象的印象。
通过借助可控电子图象显示装置来显示箔影象(foilpresentations)(其中以箔的透明度来取代显示的图象中的相应亮度层次)，就获得了适合实际使用的系统，在这种系统中柱面透镜作用是内设的，而虚拟的柱面透镜的轴是纵向的并位于中心。
将这种柱面透镜形状效果与双D深度效果结合，就可以用水平深度效果补充双D深度效果。额外的、独立于深度的亮度层次，可以沿着纵向方向而不是水平方向提供，从而使双D深度效果产生的深度感觉能够得到加强。额外的独立于深度的亮度层次可以进一步同时沿着水平和纵向方向提供，这不仅具有增强的纵向深度效果而且还具有水平深度效果。后者也可以借助于沿着径向方向的附加的、独立于深度的、连续变化的亮度层次而得到实现。
本发明不仅可以被用于显示场景的三维图象—例如视频图象或医学检验图象(在这类图象中场景部分之间的距离和场景的深度具有特别的作用)，而且可以用于物体的体积的可视化(其中厚度是非常重要的)。具体的例子可以是能够显示大型招贴画或广告的图形系统，特别地也包括计算机图形系统。所述物体的体积特性和形状，在观测到的图象的厚度或高度的增大或减小中得到了突出的体现。已经发现，本发明特别适合于厚度逐渐变化的可视化。为此，若干个部分图象被对齐叠置，这些图象表示了厚度变化所确定的附加亮度层次，不同的图象的这些层次是互补的。只出现在物体的轮廓之内的所述亮度层次现在沿着与物体的轮廓垂直的方向延伸，而不是沿着水平或纵向方向延伸。这种可能性可以结合图13b-13e所示的具有部分图象的多个透明箔而进行解释。
图13a显示了表演模特儿160的两维图象，该图象应该在体积和圆形形状方面得到尽可能自然的显示。图13b-13e显示了该模特儿的不同的纵向横截面图。
图13b显示了包括外形轮廓的横截面图161，而图13c显示了横截面图165-它显示了头166和两臂167的一部分。根据本发明，图13b的横截面图161的轮廓由带有该横截面的箔的透明度的层次162来显示，这种层次只出现在轮廓曲线之内并沿着与轮廓曲线的方向垂直的方向延伸。另外图13c的横截面图165的头和两臂也是借助这种层次166和167来显示的。如果带有横截面图165的箔被置于带有横截面图161的箔上，当具有适当厚度的透明板被置于它们之间时，从带有横截面图165的箔观看的观众将看到主要是模特儿的上部的三维图象。
为了完成该图象，可以相继地用透明板和带有横截面图167的另外一张的箔(图13d)来形成带有横截面图165的箔，横截面图167显示了模特儿的裙子的大部分。该裙子的轮廓168和褶169再次由沿着与这些轮廓和褶的垂直的方向的透明度层次170、171表示。最后，刚才提到的箔可带有另一个透明板和最后一张箔(图13e)-该箔是带有裙子的突出部分174的横截面图173。
图14显示了上述的叠置的横截面图。在此图中，标号180表示一个照明单元，181、182和183表示透明板，而161、165、167和173表示设置在箔中的横截面图。当观众10观看这些箔和透明板的叠置物时，他将感觉到模特儿的非常良好的体积图象，其中甚至能够看出模特儿的身体的圆形形状。
结合图13a-13e和14所描述的实验设置，可以利用用于显示横截面图的可控电子图象显示装置来转变成可以实际使用的系统，这时透明度层次被亮度层次所取代。
当采用双D深度原理时，即当采用其间带有一定间隔的至少两个图象显示装置时，应该能避免在用这些装置形成的三维图象中出现视差，或者换言之，当视角改变时场景部分不应该偏离。根据本发明另外一方面，通过只采用一个图象显示装置来显示实际的图象内容即两维图象、并通过采用两个图象显示装置来显示深度信息、而且还通过在不同的时间间隔中显示不同类型的信息，就能够防止视差。这可以结合利用具有不同的图象内容的若干箔所进行的实验来说明。这些箔在图15a、15b和15c中显示，并显示了与图13a-13e相同的模特儿。
图15a显示了在第一个箔上的模特儿的全身两维图象190。
图15b显示了箔上的模特儿的第一、正视的深度图象195，其透明度层次由图象的深度线索确定。
图15c显示了模特儿的第二、后视的深度图象，它的透明度层次与图15b是互补的。如图16所示，如果带有图象190的箔、带有图象200的箔、透明板199和带有图象195的箔被相继放置在照明单元180上，观众10将看到模特儿的整个体积。
与以上的描述类似，可以采用三个显示装置来代替用于显示图象190、195和200的箔。然而，由于系统的光输出和/或紧凑性，只采用两个图象显示装置和用于这些装置的特殊驱动单元要有利得多，如图17所示。
在此图中，标号205表示一个照明单元，且206和207表示图象显示装置，例如带有控制电路209、210的PDLC板。在这些显示板之间的介质可以是空气或玻璃。控制电路209和210经过示意地显示的开关211、212而与一个电子装置相连，该电子装置与图6的类似且只显示了它的多路复用器215。
该电子装置和开关可以以这样的方式得到适配，即要使显示板206显示两维图象190且显示板207在例如1/100秒的第一时间间隔中具有最大的透明度，而在第一时间间隔之间的例如同样为1/100秒的第二时间间隔中显示板206显示深度图象200而显示板207显示深度图象195。以此方式，深度外形(深度图象)和实际的图象内容或亮度，同时可能还有色度，将在时间上被分离开，因而防止了视差。由于所述时间间隔非常短且切换频率非常高，观众将会把该深度图象和两维图象理解为一个图象，因而观众将看到自然的三维图象或全体积图象。
该系统也可以用这样的方式进行适配，即让显示板206在例如同样为1/100秒的第一时间间隔里显示两维图象190，显示板206在随后的第二时间间隔中显示深度图象200，而显示板207在一个随后的第三时间间隔里显示深度图象195，在此之后该循环得到重复。另外，能够防止深度图象之间的波纹干扰。
在实际中，可能需要调节显示板之间的光学距离以显示尽可能自然的深度内容。
图18显示了图象显示系统的一个实施例，它提供了这种可能性。该实施例与图2的实施例的不同点仅在于在第一显示板20和第二显示板30之间设置了可调间隔器220。如图18所示，这些间隔器可以由弹性部件构成，这些部件可以由系统的用户以机械或机电的方式进行调节。此时介质的厚度(它可以是空气)可以根据用户的个人需要或偏好而得到适配。同样在图1的实施例中，这些阴极射线管产生的图象之间的有效光程也可以通过使一个阴极射线管沿着其自己的轴相对于另一阴极射线管移动而得到调节。
除了诸如空气之类的无源介质以外，图象显示装置之间的空间也可以是有源介质，即其光学特性可以改变的介质。
图19显示了属于这种情况的系统的一个实施例。该实施例是图2的实施例的修正，它包括照明单元15、带有偏振器22和检偏振器24以及设在其间的液晶层21或其中弥散有少量液晶材料的聚合物层的第一显示板、以及带有偏振器32和检偏振器34以及液晶层31的类似的第二图象显示板。
图19还显示了用于层21的一对电极板230和231，借助这些电极能够一个象素一个象素地驱动第一显示板；还显示了用于第二板类似的一对电极板232、233。标号235表示两个显示板之间的有源介质。该介质被包围在两个电极板236和237之间，而这些电极板可以用这样的方式适配，以便能够对介质235进行按象素顺序驱动或较粗一些的驱动。
介质235由例如电一光材料(诸如液晶材料)组成，它的折射率能够在局部范围内(例如每一个象素)改变，从而使第一和第二显示板的相应象素之间的光程能够得到增大或减小。因而能够实现优化的深度效果。
介质235还可以是其中弥散有少量液晶材料的聚合物。通过激励这些电极，该材料可在给定的区域中或局部地发生散射，从而使三维图象的给定部分能够得到强调，或者使背景被遮蔽。
介质235还可以是电致变色材料，即可以通过将电场加到该材料而改变其颜色的材料。这样能够局部地改变显示图象中的颜色对比度，这有助于增强深度感觉或显示的物体的体积特性，或者能够强调显示的场景中的物体。
介质235还可以是一种有机弹性材料，它在加在该材料的电场的影响下变形，从而使它得到某些松弛。由此，可以增强深度感觉，这在使轮廓界面可视化时是特别有效的。
当用根据图1的系统显示三维彩色图象时，必须采用满足多种要求的光束合成器和分光镜5。例如，该分光镜必须在整个可见光波长范围内具有相同的、大约50％的透射率/反射率，并具有小的吸收率(例如小于10％)，同时它应该在大的视角范围内不呈现彩色成荫或彩色变化。该分光镜必须包括最少的层次且应该可以借助可应用于的大表面积的工艺过程来制作。已经发现，图20的横截面图中所示的分光镜特别适合于用作图2的实施例中的分光镜5。该分光镜包括一个透明基底240，该基底只敷有厚度在15-20nm量级的银层241，和厚度为130nm量级的SiO2层242。
图21用曲线245、246和247分别显示了以入射光的百分比表示的作为波长λ的函数的透射率、反射率和吸收率。从该图可见，在可见光波长范围内的光学特性非常接近于恒定，吸收率很低(大约为5％)，且反射和透射系数具有适当的值。另外，该分光镜在相对于系统轴-45°至+45°的视角中几乎没有彩色成荫或颜色变化。

Claims (21)

1.一种三维图象显示系统，它具有从发光元件延伸至一个观测窗的系统轴，并带有至少两个彼此叠合对准且被设置在沿着该系统轴的不同位置处的图象显示装置，还带有控制电路，其特征在于，
各个图象显示装置用于显示场景的相同二维图象的不同部分；与最大深度表示有关的参数是由至少一个显示图象中的专用亮度层次的形式构成的，该专用亮度层次是与图象内容无关的；所有的显示图象一起并与图象显示装置之间的轴向距离相结合而引起观众的深度效果；以及，专用亮度层次由以下场景参数中的一个或多个来确定：
—场景组成部分的深度位置
—场景组成部分的高度
—场景组成部分的厚度
—场景组成部分之间的距离。
2.根据权利要求1的三维图象显示系统，其特征在于，图象显示装置产生的所有图象都具有专用亮度层次，且这些专用亮度层次对于不同的图象是不同的。
3.根据权利要求2的三维图象显示系统，其特征在于，由两个相继的图象显示装置产生的图象中的专用亮度层次是彼此互补的。
4.根据权利要求3的三维图象显示系统，其特征在于，每个象素的专用亮度层次的积等于原来的两维图象的亮度。
5.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，从观测窗观察到的图象显示装置之间的距离等于该图象显示装置的图象表面区的对角线的一个分数f，其中对于f以下关系成立：
1/1000≤f≤1/10。
6.根据权利要求5的三维图象显示系统，其特征在于，对于f以下关系成立：
1/75≤f≤1/25。
7.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，沿着系统轴的方向观察图象显示装置的图象表面区彼此之间成锐角。
8.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于一个同步电路，该同步电路用于经过图象显示装置的控制电路以这样的方式驱动这些图象显示装置，即使得它们的图象以大于人眼所能够观测到的频率而交替显示。
9.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，各个图象显示装置的控制电路具有用于接收三维图象信息信号的第一输入端和用于接收一个深度信息信号的第二输入端，并且该电路包括用于将这些信号合成为一个图象信号的图象混合器。
10.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于由一个图象显示装置形成的至少一个图象以这样的方式被弯曲，即使得该图象的边缘比所述图象的中心更接近观测窗。
11.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，图象显示装置产生的图象从图象的中心向着它们的边缘具有单调的亮度层次，该亮度层次与场景内容和场景深度无关，且两个相继的图象显示装置的图象中的单调的亮度层次是彼此互补的。
12.根据权利要求11的三维图象显示系统，其特征在于该图象中的单调的亮度层次沿着径向方向延伸。
13.根据权利要求11的三维图象显示系统，其特征在于，单调的亮度层次沿着两个彼此垂直的方向延伸，而这两个方向又与系统轴垂直。
14.根据权利要求1、2、3或4的、用于使物体的体积可视化的三维图象显示系统，其特征在于由图象显示装置产生的物象，该物象表示了按照垂直于系统轴的不同平面的横截面图，其轮廓由物象的周边内的、沿着与局部轮廓线相交的方向的亮度层次来表示。
15.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，第一图象显示装置在第一时间间隔里显示两维图象，并在位于第一间隔之间的第二时间间隔里显示由深度线索确定的第一深度图象，并且至少一个第二图象显示装置在第三时间间隔里显示由深度线索确定并与第一深度图象互补的第二深度图象。。
16.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，第一和第二图象显示装置通过可调间隔器而互连。
17.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，两个图象显示装置之间的介质具有可调的光学特性。
18.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，图象显示装置由阴极射线管构成，并且提供了n-1个光束合成器(其中n是管的数目)以将来自这些阴极射线管的光束合成为其光束轴与系统轴重合的一个光束，并在于这些管的图象中的专用亮度层次是借助管中的电子束的强度变化来实现的。
19.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，各个图象显示装置由在辐射源提供的照明光束的路径上一个接着一个地设置、并以系统轴为中心的图象显示板构成，并且显示板的图象中的专用亮度层次是借助显示板的光透射率变化来实现的。
20.根据权利要求1、2、3或4的三维图象显示系统，其特征在于，离观测窗最远的图象显示装置由阴极射线管构成，而其他的图象显示装置由图象显示板构成，并且阴极射线管的图象中的专用亮度层次是借助管中的电子束的强度变化来实现的，而图象显示板的图象中的专用亮度层次是借助显示板的光透射率变化来实现的。
21.根据权利要求18的三维图象显示系统，其特征在于，各个光束合成器由宽频带的部分透射镜构成，该镜由在其上相继涂上较薄的银层和较厚的二氧化硅层的透明基底构成。
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