CN1708996A - 三维显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用包括三维像素的三维显示平面显示三维图像的三维景物模型的方法，包括：通过所说三维像素发射和/或透射光使光进入一定方向，于是可以显示三维景物点。对于三维图像进行计算，以便将所说的三维景物模型转换成多个三维景物点，将所说的三维景物点至少部分地加到所说三维像素的至少一个上，所说的至少一个三维像素计算它对三维景物点显示的贡献。

Description

三维显示器

技术领域

本发明涉及通过三维像素发射和/或透射光使光进入某些方向并且利用由三维像素构成的三维显示平面来显示三维景物模型的方法，由此可显示三维景物点。

本发明还涉及包括具有三维像素的三维显示平面的三维显示设备。

背景技术

三维电视是广播电视系统的一个主要的目标。通过提供三维电视，向用户提供尽可能靠近原始景物给出的印象的视觉印象。有三种不同的方法可提供三维印象，即经过视觉调节(意味着目镜适应景物深度)、产生立体效应(意味着两眼在景物上的视域略有不同)、和利用运动视差(意味着头部的移动在景物上产生新的和可能完全不同的视域)。

提供三维图像的良好印象的一种处理方法是通过大量的照相机记录一个景物。每个照相机从不同的观察点俘获景物图像。为了显示俘获的图像，必须在对应于照相机位置的观察方向显示所有的这些图像。在获取、发送、和显示期间，可能发生许多问题，因为许多照相机需要很大的空间，这些照相机的位置必须相互极其靠近，来自照相机的图像需要很大的发送带宽，需要大量的用于压缩和解压缩的处理信号，最后，必须同时显示许多图像。

文献WO99/05559公开了一种方法，用于使用透镜状屏幕提供N个视域的自动立体显示。通过使用透镜状屏幕，每个像素可以将它的光引导到不同的方向，其中的一个微透镜的光束是一个平行光束。通过提供这种方法，有可能显示各个视域，因此可为观察者提供立体印象。在所公开的方法中，需要计算在每个像素外部的每个像素的光发射方向的信息。

由于在现有技术方法中存在缺陷，本发明的一个目的是提供一种方法和显示设备，以便允许减小在显示设备和控制设备之间的带宽。本发明的另一个目的是使显示设备的制造很容易。本发明的下一个目的是提供三维景物的三维几何状态的全校正表示。

发明内容

通过一种方法来实现本发明的这些目的，所说方法的特征在于：将所说的三维景物模型转换成多个三维景物点，将所说的三维景物点至少部分地加到所说三维像素的至少一个上，所说的至少一个三维像素计算它对三维景物点显示的贡献。在三维像素内三维像素对于三维景物点的贡献的计算的本身允许进行图像的高速计算。还可以绘制大量的图像，而不必将这些图像从单独的单元发送到显示器。

一个二维像素可以是能够调制光的发射或透射的一个器件。一个空间光调制器可以是N_x×N_y个二维像素组成的一个光栅。一个三维像素可以是包括空间光调制器的器件，空间光调制器可能在不同的方向引导不同强度的光。它可以包含光源、透镜、空间光调制器、和控制单元。一个三维显示平面可以是包括三维像素的N_x×N_y光栅的一个二维平面。三维显示器是用于显示图像的整个设备。

一个体素可以是一个很小的三维体积，它的大小为D_x、D_y、D_z，靠近三维显示平面定位。一个三维体素矩阵可以是一个很大的体积，它的宽度和高度等于三维显示平面的宽度和高度，并且具有一定的深度。这个三维体素矩阵可以包括M^* _x×M_y*×M_z个体素。三维显示分辨率可以理解为一个体素的大小。一个三维景物可以理解为目标的原始景物。

一个三维景物模型可以理解为包含三维景物视觉信息的任何格式的数字表示。这样一个模型可以包含多个景物点的信息。某些模型可以具有一些表面，这些表面是隐含地代表多个点的元素(VRML)。一片点模型可以明显地代表多个点。一个三维景物点是在三维景物模型内的一个点。控制单元可以是绘制处理器，所说的处理器以三维景物点作为输入并且提供用于三维像素中空间光调制器的数据。

一个三维景物总是包括一系列三维景物点，三维景物点可以从三维图像的三维模型中检索到。这些三维景物点定位在显示平面的内部和外部的一个三维体素矩阵的内部。无论何时三维景物点处在显示平面内，在一个三维像素内的所有的二维像素都要协同动作，在所有的方向发射光，确定最大的观察角。通过在所有方向发射光，用户在显示平面内看见了这个三维景物点。来自不同三维像素的一系列二维像素一旦协同动作，它们就可以显示定位在三维体素矩阵内的景物点。

人的视觉系统在这些空间位置观察视觉景物点，在这里光线的射束是“最薄的”。对于每个景物点，“发射的”光的内部结构取决于景物点的深度。从这里以不同的方向出射的光来源于景物点内的不同位置、不同的二维像素，然而，只要这个结构低于眼睛的分辨率，在感觉上就不可能看见这种情况。这就意味着，与任何常规的显示类似，就应该避免显示最小的观察距离。通过在每个三维像素内向一定的方向发射光，可使所有的三维像素的所有的发出的光线相互作用，并且它们的光线射束在不同的位置是“最薄的”。光线在三维体素矩阵内的各个体素处发生相互作用。每个体素可以代表不同的三维景物点。

每个三维像素不管它是否对于特定的三维景物点的三维显示有贡献，都可以解密。这是一个三维像素的所谓的“绘制过程”。通过解密对于所有三维像素或者来自所有三维像素的一个三维景物的所有三维景物点，允许在整个显示中进行绘制。

优选使用根据权利要求2所述的方法。一个三维像素的二维像素向一个三维景物点贡献光。根据三维景物点的空间位置，来自不同三维像素的二维像素发光，以致于在观察者一侧留下的印象是，这个三维景物点准确地处在像它在三维景物中一样的空间位置。

为了提供对于三维像素内的误差富有弹性的方法，提供根据权利要求3所述的方法。通过重新分配三维景物点，可以防止单个三维像素中的误差发生。另外的三维像素仍旧为三维景物点的显示提供光。此外，由于丢失的三维像素类似于坏的三维像素，所以可以将一个方形的和平直平面显示器切割成任意形状的平面。还有，通过只连接多个显示平面的三维像素，可将多个显示平面组合成一个平面。最终的平面仍旧显示完整的三维景物，只有平面的形状阻止从某些特殊的角度观察景物。

与在所有的三维像素中重新分配三维景物点并行地，优选地提供根据权利要求4所述的分配。在这个所谓的“负载”模式，实际上是在三维像素的外部获取并绘制所有的图像。在此之后，将它们装入三维像素内。这对于显示静止图像可能是有益的。

如果不进行在每个三维像素内的并行的绘制，建议使用根据权利要求5所述的方法。通过连接几个三维像素到一个绘制处理器或者在“主”像素中包括一个绘制处理器，可以部分非并行地进行一个绘制过程，例如确定哪个二维像素对于显示三维景物点的光有贡献。例如，用包括绘制处理器的一个专用的三维像素提供显示器所有行的三维像素。在这种情况下，三维像素的最外边的列可以用作这一行的“主”像素，而这一行的其它像素用作“从属”像素。通过专用的处理器可以并行地进行绘制，但在每一行内是按顺序进行的。

还要优选使用根据权利要求6所述的方法。在三维模型内的所有的三维景物点都要提供一个或多个三维像素。每个三维像素都要从它的输入端到一个或多个相邻像素重新分配所有的三维景物点。有效的作法是，将所有的景物点都发送到所有的三维像素。一个三维景物点是一个数据组，具有有关位置、亮度、颜色、和另外的相关数据的信息。

每个三维景物点都具有坐标x、y、z和亮度I。一个三维景物点的三维大小由显示器的三维分辨率确定，这个大小可能是三维体素矩阵的体素的大小。所有的三维景物点都顺序地或者并行地提供给基本上所有的三维像素。

在一般情况下，每个三维像素都必须知道它在显示平面光栅内的相关位置，以便对于向某个三维景物点提供光的二维像素进行正确的计算。然而，根据权利要求7所述的方法解决了这个问题。每个三维像素在向它的相邻像素发送之前都可能略微改变三维景物点的坐标。利用这一点可以将两个相邻的三维像素之间的相关位置差考虑在内。在这种情况下，在三维像素中不需要存储全体位置信息，在整个显示器上所有的三维像素的内部结构可能是相同的。

根据权利要求8所述提供一种所谓的“z缓冲”机制。当一个三维像素接收所有的三维景物点流时，可能碰巧赶上数目大于一个的三维景物点需要同一个二维像素的贡献。如果两个三维景物点要求显示位于一个三维像素内的一个二维像素的贡献，那么就必须确定哪一个三维景物点“有权处理”这个特殊的二维像素。这个确定是通过阻断语义的方法进行的，这就是说，最接近观察者的那一点应该是可见的，因为这一点有可能阻挡其它景物点的观察点。

因为水平视差比垂直视差重要得多，所以提供根据权利要求9所述的方法。如果将水平视差考虑在内，则可以减小显示三维景物所需的二维像素的数目。只有一行二维像素的一个三维像素对于产生水平视差可能就是足够的了。

为了将颜色考虑在内，提供根据权利要求10所述的方法。在一个三维像素内，可以对于数目超过一个的光源进行空间或时间的多路复用。还可能出现的情况是，对于每个基本颜色，如红、绿、蓝，都设置三维像素。要说明的是，将3个三维像素的一个组合并为一个三维像素。

本发明的另一方面是一种显示设备，特别是用于上述的方法的显示设备，这里所说的三维像素包括一个输入端口和一个输出端口，用于接收和输出三维景物的三维景物点，所说的三维像素至少部分地包括一个控制单元，用于计算它们对于代表所说三维景物的三维景物点的显示的贡献。

为了能够在三维像素之间传输三维景物点，提供根据权利要求12所述的的显示设备。

还可以提供三维像素的光栅和二维像素的光栅。当在正确最小的距离观察显示器时，三维像素的光栅低于眼睛的分辨率。观察具有相同大小的体素。这个大小等于这个三维像素的水平和垂直的大小。一个体素在深度方向的大小等于它的水平大小除以tan(1/2α)。这里，α是每个三维像素的最大观察角，它还等于显示器的总观察角。对于α＝90°，分辨率在所有方向都是各向同性的。三维景物点的大小随着深度线性地增加，增加的系数是1+2|z|/N。这就对在显示器外部的自由空间里能够很好地显示多远的景物点形成了一个限制。在深度位置为z＝+/-1/2N的景物点，将在所有的方向的原始分辨率都分为一半，以此作为最大的观察限制。

优选提供根据权利要求13所述的空间光调制器。

还优选提供根据权利要求14所述的显示设备，通过使用点光源，每个二维像素都将光发射到极特殊的方向，一个三维像素的所有二维像素覆盖最大观察角。

在绘制期间，显示器显示以前绘制的图像。只在接收到一个“结束”信号时，整个显示器才显示新绘制的图像。因此，根据权利要求15所述，需要由显示设备提供的缓冲。通过使用所谓的“双重缓冲”，可以避免在绘制期间的闪烁。

附图说明

参照以下附图进行说明，本发明的这些和其它方面都将变得显而易见。在附图中，表示：

图1三维显示屏幕；

图2三维像素的实施方案；

图3显示一个三维景物点；

图4通过相邻的三维像素绘制一个景物点；

图5在三维像素之间相互连接；

图6一个三维像素的实施方案；

图7在三维像素内进行绘制的实施方案。

具体实施方式

图1描述的是一个三维显示平面2，包括一个由N_x×N_y个三维像素4组成的光栅。每个所说的三维像素4都包括由N_x×N_y个二维像素。在图1中的描述的显示平面2的取向在x-y平面的方向，x-y平面还用空间取向8来表述。所说的三维像素4通过它们的二维像素6在不同方向提供光线，如图2所示。

图2a-c表示二维像素6的顶视图。在图2a中，描述了一个点光源5，它在所有的方向发光，特别是在空间光调制器4h的方向。二维像素6通过使用所说的空间光调制器4h允许或者禁止光线从所说的点光源5向各个方向的传输。通过确定哪一个二维像素6允许光的传输，可以控制光的方向。所说的光源5、所说的空间光调制器4h、和所说的二维像素都包括在一个三维像素4之内。

图2b表示用于整个显示器的一个准直的背光照明和一个厚透镜9a。这样就允许光在整个观察方向的传输。

在图2c中，表示的是一个常规的散射背光照明。通过引导光穿过空间光调制器4h并且将薄透镜9b放置在距空间光调制器4h  的聚焦距离9c中，可以将所说的光从所说的薄透镜9b引导到一定的方向。

图3描述几个三维像素4的一个顶视图，每个三维像素4都包括二维像素6。在图3中，描述的是在体素A和B内的三维景物点的视域的显示。所说的三维景物点是在三维体素矩阵的体素A和B内显示的，每个三维景物点可以由所说三维体素矩阵的一个体素A、B来定义。一个体素的分辨率由它的水平大小d_x、它的垂直大小d_y(未描述)、和它的深度大小d_z来表征。所说点光源5向空间光调制器发光，空间光调制器包括二维像素的一个光栅。这个光可以透过所说的二维像素6或者由所说的二维像素阻挡。

显示器显示的三维景物总是包括一系列三维景物点。无论何时景物点一旦处在显示平面内，就像通过体素A所示的那样，在同一个三维像素内的所有二维像素6就要协同动作，这就意味着，来自所说点光源5的光引向所有的方向，并从三维像素4出射。用户在体素A内可以看见这个三维景物点。

无论何时来自不同三维像素4的一系列二维像素协同动作，它们就可以显示所说显示平面的三维体素矩阵内的各个位置的景物点，如对于体素B能够看见的。

从各个三维像素4发出的光线协同动作，它们的光束在三维景物点的由体素B表示的位置是“最薄的”。通过确定哪些二维像素6向所说的三维景物点贡献了光，可以在显示器2的显示范围内显示一个三维景物。当在正确的距离观察显示器的时候，二维体素矩形的分辨率低于眼睛的分辨率。

如在图4中可以更加详细地看见的，按照以下所述实现在体素B内的一个三维景物点的绘制。在图4内描述的是通过三维像素4利用坐标x_3d、y_3d、z_3d对于一个景物点的绘制。这个图的取向在x-y平面方向，表示的是三维像素4的一行的顶视图。垂直方向没有表示出来，但在垂直方向的所有绘制处理都与水平方向完全相同。

为了在体素B内产生三维景物点的视域，如图所示，在体素B内选择两个专用的点P和Q。在三维像素4内，从这两个点P和Q开始向点光源5画直线。对于左边的三维像素4，这导致交点S_x和T_x。在这两个交点S_x和T_x之间的具有其中点的所有的二维像素都应该对于受到所说的点P和Q约束的三维景物点的显示作出贡献。

为了简化在控制单元中信号处理的实施方案，可以找到具有数值S_z、S_x、S_y、T_x、T_y的变换坐标：

$S_z=\frac{1}{2}N\frac{-1}{z_{3D}}$

$S_x=\frac{1}{2}N-S_z(x_{3D}+\frac{1}{2})$

$S_y=\frac{1}{2}N-S_z(y_{3D}+\frac{1}{2})$

T_x＝S_x+S_z

T_y＝S_y+S_z

数值S_x、S_y、S_z是变换的坐标。它们的数值是以轴x_2D和y_2D的单位为单位的，并且可以是分数(利用浮点的数或固定点的数的实施方案)。当z_3D是零时，可以很保险地将其设定为一个很小的非零值，例如设定为z_3D＝+/-1/2，从而可以避免在 $S_z=\frac{1}{2}N\frac{-1}{z_{3D}}$ 中出现无穷大，这样就没有可视的效果。

对于右边相邻的三维像素，在发送它到它的相邻像素之前通过每个三维像素来变换上述的数值，这就意味着，一个三维像素不需要任何有关在显示器内它自已位置的信息，实际上这个三维像素是相同的：

S_z’＝S_z

S_x’＝T_x

S_y’＝S_y

T_x’＝S_x’+S_z’

T_y’＝S_y’+S_z’.

在垂直方向(在图4中没有表示出)，对于相邻的三维像素，保持类似的关系。

在图5中，描述的是三维像素的误差弹性实施方案。一个三维景物模型发送到一个输入端10。这个三维景物模型用作在块12内转换成一片三维景物点的基础。这一片三维景物点是在输出端14输出的，并且向三维像素4提供所说的三维景物点。从第一个三维像素4开始，将这一片三维景物点发送到相邻的三维像素并且因此发送到显示器内的所有的三维像素。

在图6中描述三维像素4的实施方案。每个三维像素4都有输入端口4a、4b。这些输入端口提供用于时钟信号CLK、交叉信号S_x、S_y、S_z、亮度值I、和控制信号CTRL的端口。在框4e中，根据当前的时钟信号CLK选择为所说的三维像素4提供来自输入端口4a、4b的哪一个输入。如果存在两个时钟信号CLK，可进行任间的选择。使用输入的坐标S_x、S_y、S_z、某些点的亮度值I、和某些控制信号CTRL来计算三维像素对于三维景物点的显示的贡献。在选择一个输入端口之后，在寄存器4g中缓冲所有的信号。这将使这个系统成为一个流水线式的系统，因为数据在每个时钟周期从每个三维像素移动到下一个三维像素。

在三维像素4内，执行两次加法以获得T_x、T_y，在此之后，将经过变换的数据组发送到水平的和垂直的相邻三维像素4。通过框4f来检查输出。如果三维像素4通过自检确定这个三维像素4本身不能正确地发挥作用，则这个三维像素4将不会向它的相邻像素发送它的时钟信号CLK，因而这些三维像素4只从其它的像素接收数据，正确地操作相邻的三维像素4。在三维像素4内进行的加法是S_x+S_y以及S_y+S_z。

在三维像素4内实现绘制过程。为了控制绘制过程，要将通用信号“开始”和“结束”发送到整个显示器内所有的三维像素。在收到“开始”信号时，复位所有的三维像素，并且向显示器发送将要绘制的所有三维景物点。因为必须向所有的三维像素提供所有的三维景物点，所以必须等待某些时钟循环周期，以保证最后的三维景物点已由显示器内的所有三维像素接收到。在此之后，将“结束”信号发送到显示器的所有三维像素。

在绘制周期期间，显示器显示前一个绘制的图像。只有在接收到“结束”信号以后，整个显示器才显示新绘制的图像。这就是称之为“双重缓冲”的技术。它可以避免观察者观察到闪烁。否则，可能发生闪烁，这是因为在绘制期间二维像素的亮度例如由于“z缓冲”可能变化几次，并且由于新的三维景物点可能阻挡前一个三维景物点。

在图7中描述在一个三维像素4内绘制过程。对于一个三维像素内的每一个二维像素，都包括一个计算装置4g，计算装置4g可以计算亮度值I和变换的深度S_z。计算装置4g包括3个寄存器I_ij、S_zij、R_ij。寄存器I_ij是瞬时亮度寄存器，寄存器S_zij是瞬时变换深度寄存器，寄存器R_ij直接耦合到空间光调制器，因而它的数值的变化可以改变显示器的外观。对于每个二维像素，计算数值r_i和c_j。变量r_i代表在垂直方向的二维像素值，变量c_j代表在水平方向的二维像素值。这些变量r_i和c_j分别代表特定的二维像素是否位于垂直的和水平的交叉点S和T之间。这是通过在图7中的左部和顶部表示的比较器和“异”操作块实现的。

在水平方向的比较器确定坐标S_x和T_x是否在水平方向的二维像素0到二维像素N-1之内。在垂直方向的比较器确定坐标S_y和T_y是否在垂直方向的二维像素0到二维像素N-1之内。如果坐标在这两个二维像素之间，则比较器之一的输出是高电平HIGH，“异”操作块的输出也是高电平HIGH。

在一个三维像素中，提供N_x ^*×N_y个二维像素，角标0≤i，j≤N-1。每个二维像素ij具有多个寄存器，一个寄存器用于亮度I_ij，一个用于在绘制期间二维像素在特定的时刻作过贡献的那个体素的变换深度S_zij，一个R_ij耦合到二维像素的空间光调制器(未表示)。通过变量r_i和c_j和深度变量z_ij来确定每个像素的亮度值，深度变量z_ij代表所贡献的体素的深度。z_ij的值是来自比较器COMP的布尔变量，比较器COMP比较的是当前的变换深度S_z与变换的深度S_zij。

二维像素对于一个过去的三维景物点的贡献是否应该改变为对于在输入端当前提供的三维景物点的贡献，取决于3个必要的要求：

a)在水平方向满足相交的要求(c_i＝1)；

b)在垂直方向满足相交的要求(r_i＝1)；

c)与过去的三维景物点(z_ij＝1)相比，当前的三维景物点更加靠近观察者。

控制信号“开始”复位所有的寄存器。寄存器I_ij设定为“黑”，寄存器S_zij设定为表示z＝负的无穷大的数值。在此之后，向所有的三维像素提供所有的三维景物点。对于每个三维景物点，确定所有二维像素的亮度值。如果一个二维像素位于交点S和T之间，这就意味着r_i＝c_j＝1，则“z缓冲”机制确定新的三维景物点是否比先前绘制的景物点更加接近观察者。当是这种情况时，三维像素确定这个二维像素应该对于当前的三维景物点的显示作贡献。然后，这个三维像素就复制这个三维景物点亮度信息并使其进入它的寄存器I_ij，并且复制三维景物点深度信息并使其进入寄存器S_zij。

当接收“结束”信号时，将亮度寄存器I_ij的值复制到寄存器R_ij，用于确定显示三维图像的每个二维像素的亮度。

通过提供上述的方法，任何数目的观察者都可以同时观察显示，没有任何眼睛损伤，对于所有的观察者都可提供立体效应和运动视差，可以在完全校正的三维几何状态下显示所说的景物。

Claims (15)

1.一种利用包括三维像素的三维显示平面显示三维图像的三维景物模型的方法，包括：

通过所说三维像素发射和/或透射光使光进入一定方向，于是可以显示三维景物点，其特征在于：

将所说的三维景物模型转换成多个三维景物点，

将所说的三维景物点至少部分地加到所说三维像素的至少一个上，

所说的至少一个三维像素计算它对三维景物点显示的贡献。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的光是由包括在所说三维像素内的二维像素发射和/或透射的，每个二维像素将光引导进入不同的方向，将光提供给所说三维景物模型的一个景物点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的三维景物点是顺序地或者并行地向所说的三维像素提供的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使三维像素向某个三维景物点提供光在所说的三维景物点向所说三维像素提供光之前。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所说的三维景物点向一行或一列三维像素中的其余的三维像素提供光之前，在一行或一列的一个三维像素内计算三维像素向某个三维景物点提供的光。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：一个三维像素向至少一个相邻的三维像素输出一个输入的三维景物点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在向至少一个相邻的三维像素输出所说三维景物点之前，每个三维像素改变三维景物点的坐标。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：如果超过一个三维景物点需要来自一个三维像素的光的提供，则所说的三维景物点的深度信息是决定性的。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：一个三维显示平面的所说二维像素只在一个平面内透射和/或发射光。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在每个三维像素内通过空间或时间的多路复用将颜色考虑在内。

11.一种三维显示设备，特别是用于根据权利要求1所述的方法的三维显示设备，包括：

具有三维像素的一个三维显示平面；

所说的三维像素包括一个输入端口和一个输出端口，用于接收和输出三维景物的三维景物点；

所说的三维像素至少部分地包括一个控制单元，用于计算它们对于代表三维景物的三维景物点的显示的贡献。

12.根据权利要求11所述的三维显示设备，其特征在于：相互连接所说的三维像素，用于并行和串行发送三维景物点。

13.根据权利要求11所述的三维显示设备，其特征在于：所说的三维像素包括具有一个二维像素矩阵的空间光调制器。

14.根据权利要求11所述的三维显示设备，其特征在于：所说的三维像素包括一个点光源，为所说的二维像素提供光。

15.根据权利要求11所述的三维显示设备，其特征在于：所说的三维像素包括多个寄存器，用于存储在所说的三维像素内的哪一些二维像素向一个三维景物点提供光。

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