CN1873472A - 多画面立体显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示器设计领域，特别是立体显示器设计领域。整个显示器主要分为平面显示屏和光线控制屏。平面显示屏用来显示平面图像，光线控制屏用来控制光线的出射方向。图像的来源采用对同一景物在不同角度的拍摄，然后将同一水平位置的垂直象素在平面上展开显示，通过显示屏和光线控制屏的配合扫描使人左右眼上产生视差，从而达到立体显示的效果。本显示器具有不用佩戴分光眼镜，对观察者的位置限制范围较大，不存在逆视差点的特点。

Description

多画面立体显示器

技术领域  本发明涉及显示器设计领域，特别是立体显示器设计领域。

技术背景  随着平面显示器的普及，人们已经不再满足于平面成像装置，对立体显示装置的需求变得越来越强烈，许多公司都推出了各自的新产品。但是立体显示器目前仍然还处在概念阶段。其产品有的需要使用偏光眼镜；有的采用分左右视场显示，对观察者的位置要求很严格，存在逆视差区；有的使用实际的立体发光点阵成像，成像的视场宽度，深度，速度都很难提高。总之目前还没有一种能够通过平面装置成像，且对观察者位置没有限制，无需使用辅助观看设施，有移动立体视觉的简单立体显示装置。

本发明的目的是提供一种当观察者位置在一个较大的限定范围内时，满足上述要求的立体显示显示装置。

发明内容  本发明采用一种全新的平面成像加光线出射方向控制的方法实现立体显示，其主要过程如下：

(1)采用多台摄像机同时从不同的角度拍摄同一物体的图像，获得立体图像源；

(2)把具有多个画面的图像源重新编码然后在平面显示装置上分时显示；

(3)在平面显示装置前设置光线控制屏，用以控制每个像素的光的出射方向，使其沿着原来拍摄时光线从物体到摄像机的方向出射。

本发明采用了多幅图像作为立体显示的图像源，对比传统两幅图像源的立体显示系统，具有可以产生移动视差的效果，放宽了对观察者位置的限制。虽然采用了多个图像源会增加数据量，但是如果采用专用的硬件压缩解码芯片同样可以获得高速流畅的画面。就某个瞬时看，从显示装置出射的光线是多列分立的像素列，但是当扫描显示的速度极快时，由于人眼有视觉暂留效应，整个画面就会变得连续、流畅。

附图说明

图1为多画面立体显示器的示意图；

图2为立体视觉产生原理示意图；

图3为平面显示装置编码及成像原理图；

图4为扫描显示以及光线控制时序图；

图5为显示器观察效果分区示意图。

具体实施方式  以下结合各附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明—多画面立体显示器的示意图，1为平面显示成像平面，2为光线出射方向控制器平面。平面显示器采用具有很高的带宽和亮度的显示器，将编组后的像素高速显示在平面上。光线出射方向控制器采用成熟的液晶光开关。光线出射方向控制器在控制电路作用下打开多条透光的狭缝，这样每个像素的光线出射时，出射光线在水平方向上的投影具有确定方向。人的左右眼透过狭缝看到的平面显示器上的像素是不同的，因此产生立体视差；而且观察者在一定范围内移动时双眼看到的像素都会随观察者的位置改变而发生改变，因此还可以产生移动视差。由于人眼一般处于水平状态，对垂直方向的视差不敏感，因本发明只控制出射光线在水平面投影的方向。

图2为立体视觉产生原理示意图，21为平面显示器上的像素单元，每个方框代表竖直的一列像素；22为光线出射方向控制器，其狭缝的宽度等于平面显示器上相邻的两个像素之间的间距；23为近距离观察者双眼产生视差示意图；24，25为观察者产生移动视差示意图；26为远距离观察者双眼产生视差示意图。由于有光线出射方向控制器的阻挡，入射到人眼的光线来自平面显示器上不同的成像单元。观察者近距离观察时左右眼看到的平面显示器上的两列像素的位置间距较大，因而视差较大，远距离观察时左右眼看到的平面显示器上的像素的位置间距较小，因而视差较小，符合人眼对真实物体观察时的情况。同时观察者移动位置时，入射到左右眼的光线也会改变，使人产生移动视差，大大提高观察的真实感。当然，图2仅仅是某一个时刻的状态。在某个瞬时，人眼看到的显示平面是多个透光的狭缝，不是完整的画面。实际情况是，平面显示器上的图像在快速变化，光线出射方向控制器的透光狭缝也在高速变化。人眼看到的图像是一个个分时显示后叠加的结果，当变化的时间大大低于人眼的视觉暂留时间时，人眼就看到了连续稳定的立体图像。

图3为平面显示装置编码及成像原理图，30-36为来自不同摄像机的像素，本实例中一共有7个图像源，其中30来自最右边的摄像机，36来自最左边的摄像机，中间部分按此顺序依次排列。图中每个方框表示竖直的一列像素，字母顺序代表该列像素在水平方向上的坐标；38为平面显示器上经过编码后实际显示的像素，其中字母顺序代表该列像素在编码前的水平方向上的坐标，数字表示其来源图像源的编号，7代表最左边的图像源，即第36组像素，1代表最右边的图像源，即第30组像素，中间部分按此顺序依次排列；39为光线出射方向控制器。由图中可以看到，在光线出射方向控制器前面的位置观察，观察者的左眼看到的一列像素相对右眼看到的一列像素始终来自相对靠左边的摄像机。这样在一个较大的范围，无论观察者怎样移动，都不会存在逆视差区，而且会有移动视差。

图4为扫描显示以及光线控制时序图；41-43为3次连续的平面显示器成像以及光线出射方向控制器的状态。44为每个图像源的像素，每一个方框表示竖直的一列像素，字母代表该列像素的水平方向坐标。45为平面显示器上显示的像素，其中字母右边的数字表示不同的图像源的编号，同图3中的说明；某一个时间点上，平面显示器实际上是将来自多个图像源的同一水平坐标的多列像素以该水平坐标为中心展开来显示，46为光线出射方向控制器的状态。图4是以7个图像源为例说明分时显示时序图。可以看到，来自7个图像源的图像被分组后在平面显示器上分时显示。以D列像素为例，来自7个图像源的D列像素(D1-D7)，以水平方向坐标D为中心，分7列在平面显示器上显示。此时A、B、C、E、F、G列像素的显示位置被来自7个图像源的D列像素占据，因此对人眼而言是不可见的。但是它们会在随后的显示周期内显示，人眼会通过视觉暂留效应将所有的像素连接起来，形成一副完整的立体图像。如果第一个平面显示周期内显示A、B、C…Z组像素，则第个二平面显示周期内显示A+1、B+1、C+1…Z+1组像素，依次递增；如果Z+1大于图像的水平分辨率n，则将Z+1对n取模。图4中在第一个时刻显示的是D、K、R列像素，光线出射方向控制屏的透光狭缝对准D、K、R…列。第二个时刻显示E、L、S…列像素，光线出射方向控制屏的透光狭缝也转移到对准E、L、S…列，同时平面显示器上将显示来自7个图像源的E、L、S…列像素。这样依次显示下去，7个周期后又回到显示D、K、R…列像素。整个显示过程就是这样周而复始的进行。在显示器的左右两个边缘，由于来自多个图像源的像素要以原水平坐标为中心展开，因此若有x个图像源，平面显示器的水平分辨率要求比图像源的水平分辨率至少高x个像素才能全部显示出所有图像。

图5是本显示器的观察效果分区示意图。51为显示器；52为交叉视觉区，在该区内由于可能通过一组像素对应的狭缝看到另一组像素，因此可能引起视觉混乱，但是该区域较小，限于靠近显示器的一个小区域；53为半交叉视觉区，该区内只有部分立体视觉；54为全立体视觉区，在该区内可以看到全部的立体画面，而且有移动立体视觉，是最佳观察区。该区呈三角形，适合多人观看；55为弱立体视觉区，该区离显示器较远，观察立体感减弱，但仍旧有立体视觉。

由于现阶段CRT显示器具有延时小、亮度高、对比度高的特点，因此平面显示器选用高带宽的CRT显示器，同时也可以选用等离子显示器。液晶显示器由于具有较大的延时故不宜选用。

液晶光开关只需要具有开和关两个状态，不需要产生灰度，所以制造工艺相对于灰度液晶面板而言简单。同时由于每列竖直像素都是同时开关，以产生透光狭缝，所以面板上的电极无需做成点状，做成线状即可，可以大大简化工艺，降低生产成本。

现有的平面显示器一般采用水平逐行扫描的方法显示，但是这样使得竖直的一列像素相互间的更新时间相差很大。等到最下端的一个像素更新完成，最上端的像素又开始更新，光线出射方向控制器没有适合的时间更新其透光狭缝。所以为了使分组后的每组像素在较小的时间间隔内显示出来，平面显示器的扫描方式采用垂直方向逐列扫描，扫描更新完一组像素后立即更新该组像素对应的透光狭缝。同步控制器获取平面显示器上正在显示的像素组的位置和完成时间信息，在每组像素更新完成时更新透光狭缝的位置，使其对准每组像素水平位置的正中。

显示装置距离参数的计算方法：假定观察者和显示装置的光线出射方向控器平面之间的最佳间距为D(对于不同用途的显示器D取不同值，计算机显示器取值较小约为0.5米，电视机显示器取值较大约为2米，公共场合广告等用途的显示器取值更大，视具体情况而定)，光线出射方向控制器平面到平面显示成像平面之间的间距为d，平面显示器的水平点距为P，人双眼的水平间距约为0.06米。则以上参数满足公式                              d/P＝D/0.06

根据以上公式可以确定光线出射方向控制器平面到平面显示成像平面之间的间距。具体计算过程中还要考虑光通路中不同介质(如玻璃面板)折射率的影响。如果有x组图像源，则观察者处于最佳观察距离处时水平可移动距离为(x-1)*0.06米，因此图像源越多具有立体视觉的观察范围越宽，但是同时需要更高带宽的平面显示器而且显示器整的体亮度会减弱。因此x一般取5到20之间。

Claims (9)

1.一种能够产生立体图像的装置，包括平面显示装置，光线出射方向控制装置，同步控制电路等部分构成。

2.按照权利要求1所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

立体显示装置的每帧图像来源于对同一被拍摄物体两个以上不同角度的拍摄。

3.按照权利要求1、2所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

将每帧来自多个拍摄角度的多幅图像的像素重新组合；即把同一帧内来自多个摄像机的每幅图像同一水平坐标处的竖直一列像素编成一组；按照其来源摄影机的位置顺序逆序排列；来自最左边摄影机的像素排列在最右边，来自最右边摄影机的像素排列在最左边，中间部分依次排列；如果图像的水平分辨率为n，则一共有n组像素。

4.按照权利要求1所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

平面显示装置采用分时显示的方法；即如果有x个摄像机提供图像源，每幅图像的水平分辨率为n；

则在平面显示装置上每次显示n/x组像素，同时显示在平面显示器上的每相邻两组像素之间的编号间隔为x-1。

5.按照权利要求4所述的分时显示方法，其特征还在于：

平面显示器将多组像素循环显示；即如果平面显示器第一次显示A、B、C…Z组像素，则第二次显示A+1、B+1、C+1…Z+1组像素，依次递增；如果A+1、B+1、C+1…Z+1大于图像的水平分辨率n，则将其对n取模。

6.按照权利要求1所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

光线出射方向控制装置采用液晶光开关实现；即在平面成像装置前面放置一个液晶屏，通过控制电路使液晶屏产生多个透光的单个像素宽度的竖直狭缝。

7.按照权利要求1、4所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

采用控制器控制平面显示装置和光线出射方向控制装置的同步；使得液晶屏的透光狭缝的位置对准平面显示器上所显示的每组像素水平方向上的正中位置。

8.按照权利要求1、4、6所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

如果有x个摄像机提供图像源，每幅图像的水平分辨率为n，液晶光开关每个时刻一共产生n/x个透光狭缝。

9.按照权利要求1所述的立体图像显示装置，其特征还在于：

平面显示器采用垂直逐列扫描的方法更新其上的像素；即从一列的第一个像素开始扫描到达该列的最后一个像素后，再到达下一列的第一个像素，依次类推；到达最后一列的最后一个像素后又回到第一列的第一个像素。

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