JP2005164916A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 現有のディスプレイの性能の範囲でクロストークを抑制して良好な三次元観察が可能となる立体表示装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 左右の視差画像を短冊状に分割し交互に短冊状の画像を並べたストライプ視差画像を表示する画像表示手段と、ストライプ視差画像に対応してパララックスバリアによって観察者に立体像を観察させる立体表示手段と、そのパララックスバリアの発生と消滅を電子的に制御が可能なバリア発生制御手段と、そのバリア発生制御手段と同期してストライプ視差画像の左右視差画像の入れ替えを行って2フィールドで1フレームの立体表示を行う立体表示装置において、該スイッチングバリアの半ピッチを透過と遮光を制御する複数のシャッタで構成したことを特徴とする立体表示装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は右眼と左眼の両眼視差によって、使用者に立体像を観察させる立体ディスプレイとその制御方法に関する。

（１）両眼視差による立体表示手段の説明：
ディスプレイ上に立体表示を行う方式としては、パララックスバリアを用いた立体画像表示方式（以下、パララックスバリア方式と呼ぶ）が広く知られている。

パララックスバリア方式については、S.H.Kaplan, “Theory of Parallax Barriers", J.SMPTE,Vol.59,No.7,pp.11-21(1952)に開示されている。この方式によれば、複数視点からの複数視差画像のうち、少なくとも左右視差画像を交互に配列されたストライプ画像を、この画像から所定の距離だけ離れた位置に設けられた所定の開口部を有するスリット（パララックスバリアと呼ばれる）を介して、左右それぞれの眼でそれぞれの眼に対応した視差画像を観察することにより立体視を行うことができる。

また、左右の視差画像を表示する方式としてレンチキュラ方式も広く知られている。レンチキュラ方式はディスプレイの前面にかまぼこ状のレンズを多数ならべたレンチキュラを設け、空間的に左右の眼に入る画像を分離して、ユーザに立体像を観察させる。

更に、特開平９−３１１２９４号公報には、２枚のレンチキュラレンズと市松マスクによって左右視差画像を分離する立体表示装置が開示されている。

（２）視点検出追従の説明：
上述のような立体画像表示装置の立体視領域は狭く、観察者の視点が立体視領域から外れると立体表示が認識されなくなる。そのため、観察者の視点位置を検出して、視点位置に応じて画像表示を制御して、立体視領域を観察者の視点位置に自動的に追従させ、実質的な立体視領域の拡大が図られている。例えば、特開平１０―２３２３６７号公報には、マスクパターンまたはレンチキュラレンズを表示面に平行移動させて、立体視領域を拡大する技術が開示されている。

また、特開平１０−１１５８００号公報には、レンチキュラレンズを水平方向だけでなく、表示素子との距離も可変とすることによって、立体視可能な範囲を左右方向だけだでなく、奥行き方向（表示装置と観察者との距離方向）にも拡大した立体表示装置が提案されている。

このような立体画像表示装置において、マスクパターンやレンチキュラレンズの移動量は、観察者の左右位置と奥行き観察距離、即ち、視点位置によって決定される。本明細書において、視点位置は両眼の中心位置を意味する。通常、視点位置検出は表示装置に設けたビデオカメラによって観察者を撮影し、撮影画像にテンプレートマッチング等を施す画像処理方法により行われる。特に奥行きの距離検出については、ステレオ画像を用いた方法が多く用いられる。

（３）２Ｄ／３Ｄ混在表示の説明：
２次元画像（一視点画像）表示装置との両立を達成するために、パララックスバリアを透過型液晶表示装置などにより電子的に発生させ、バリアパターンの形状や位置などを電子的に可変制御するようにした立体表示装置が、特開平３−１１９８８９号公報、特開平５−１２２７３３号公報に開示されている。

図２８は特開平３−１１９８８９号公報に開示されている立体画像表示装置の基本構成図である。この立体画像表示装置は、画像表示を行う透過型液晶表示装置901と、これに厚さｄのスペーサー902を介して配置される透過型液晶表示素子を具備する。透過型液晶表示装置901には２方向または多方向から撮像した視差画像を縦ストライプ画像として表示する。そして、電子式パララックスバリア903にはＸＹアドレスをマイクロコンピュータ904等の制御部によって指定することにより、バリア面上の任意の位置にパララックスバリアパターンを形成し、前記パララックスバリア方式の原理に従って立体視を可能とする。

また、図２９は特開平３−１１９８８９号公報に開示されている液晶パネルディスプレイと電子式パララックスバリアによって構成された立体画像表示装置の表示部の構成図であり、２枚の液晶層915，925をそれぞれ２枚の偏光板911，918及び912，928で挟んだ構成になっている。この装置において、２次元画像表示を行う際には、電子式パララックスバリアパターンの表示を停止し、電子式バリア903の画像表示領域の全域にわたって無色透明な状態にすることで、２次元表示との両立性を実現している。

また、特開平５−１２２７３３号公報には、図３０に示すように透過型液晶表示素子から成る電子式パララックスバリア903の一部領域にのみバリア・ストライプのパターンを発生させることが出来る構成とし、３次元画像と２次元画像とを同一面内で混在表示することを可能とした例が開示されている。

更に、２Ｄ／３Ｄ混在表示が可能なディスプレイを用いたコンピュータシステム、特にＧＵＩ制御の方法が特開平１０−７４２６７号公報に開示されている。特開平１０−７４２６７号公報には、オブジェクトが３Ｄデータを有するかどうかの判断手段を備え、その判断手段に応じて立体表示装置の制御が行われることが記載されている。

（４）高品位立体像化の説明：
上述のパララックスバリア方式やリアクロスレンチ方式では、使用する一枚のパネルから左目用画像と右目用画像を表示するために、夫々の視差画像の解像度が半分になる問題がある。この問題を解決するためには、パネルの解像度を上げるか、時分割で補ってやる必要がある。時分割による方法は、特表平9-503355に述べられている。図３１の状態Ａと状態Ｂで示すように、特表平9-503355は透過遮光制御が可能なシャッタアレイ(シャッタコンポーネント)と、そのシャッタアレイに同期して画像を切り替えることで、右目或いは左目で観察される視差画像の解像動画が半分にならないようにしている。

以下、夫々の視差画像の解像度が半分ではなく、通常の２D表示と同じ解像度で表示される立体像のことを本明細書では高品位立体像と呼称する。高品位立体像でない通常の立体ディスプレイの場合は、立体像の画素が欠ける問題がある。特にワイヤーフレームモデル等のように直線や曲線を用いて立体像を表現する場合は、実線が破線のように欠けて見え、線そのものが欠落するなどの問題がある。尚、特表平9-503355には、シャッタアレイを移動することによって、視点追従を行う構成についても記載されている。

また、特開平9-74574では、画像表示に同期してパララックスバリアを書き換えて高品位立体像化を図っている。

（５）運動視差表示手段の説明：
上述で説明した視点検出追従機能を有し、ＧＵＩ等の操作環境が実装されたシステムにおいて、特開平１０−２３４０５７号広報の第５の実施形態に、ポインティングデバイスと観察者の視点追従を利用する運動視差表示手段が開示されている。

（１）特開平３−１１９８８９号公報、特開平５−１２２７３３号公報、特表平9-503355および特開平9-74574の構成ではバリア開口率の制限が無いため、観察位置で右目画像と左目画像が混じりあうクロストークが大きく現実的ではない。
（２）特開平３−１１９８８９号公報、特開平５−１２２７３３号公報及び特表平9-503355では、画像の切り替えに要する時間が考慮されておらず、シャッタと画像表示制御が現実的ではない。
（３）ＧＵＩによって制御できる好適な立体表示装置が提案されていなかった。
本出願は上記問題点に鑑みてなされたものであって、現有のディスプレイの性能の範囲でクロストークを抑制して良好な三次元観察が可能となる立体表示装置を提供することを課題とする。

上記の目的を達成するための本発明の表示制御装置は以下の構成を備える。
（１）視差画像表示用のシャッタの間に更に遮光部又はシャッタを設ける。
（２）上記のシャッタと同期した画像表示制御手段を備える。
（３）ＧＵＩのウインドウシステムに好適な制御手段をもつ。

以上説明したように、パララックスバリアの半ピッチを複数のシャッタで構成したスイッチングバリアを用い、視差画像の表示の入れ替えとスイッチングバリアを同期制御することで、クロストークがなく、高品位な立体像が表示できる。また、視点検出を行い、スイッチングバリアを適当に制御することで立体視領域の拡大が図れる。更にGUIを実装したコンピュータシステムを構築することで、使い勝手の良い立体表示が実現できる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、パララックスバリアの開口率を制限して、クロストークを改善し且つ、高品位立体像化と２D表示を可能とした表示光学系について述べる。本実施形態の画像表示装置は液晶表示装置を用いて説明してあるが、液晶に限らず、PDP（プラズマディスプレイ）等の自発光型表示装置でも適用できる。
（１）第1の実施形態の全体構成とスイッチング動作：
図１に第1の実施形態の表示装置構成を示す。101は所定の場所を透過及び遮光制御するシャッタアレイ（以下、スイッチングバリアと呼称）である。102は表示装置で液晶によって構成され、コンピュータ等の映像信号により所定の画像を表示する。103は液晶表示装置のバックライトである。110はスイッチングバリアの開口パターンを制御するバリアパターン発生系、120は表示装置102の画像表示を制御する画像表示系、130はバックライト103を制御するバックライト発光制御系である。また、50Rは観察者の右目、50Lは観察者の左目である。

図２Aと図２Bはスイッチングバリア101を切り替えることによって、高品位立体像化を図っている説明図である。表示装置102は交互に右画像と左画像をストライプ状に表示する。この際の右画像と左画像は、1画素（RGB単位）或いは数画素単位、または画素のドット単位（例えばRGB色画素のひとつ）でもよい。図２Aにおいて、Dをパネル-バリア間隔、Eを眼間距離、Lを視差画像のピッチ、Bをバリア開口ピッチ、Rを観察距離とおき、三角形P0-P1-P2と三角形P0-P3-P4の相似から、L:D=E:Rの関係であり、次式になる。

また、三角形P₁-P₄-P₅と三角形P₀-P₄-P₆の相似から、2L(D+R)=B:Rの関係であり、次式になる。

２式は１式の関係から、次のようにも表すことができる。

バリア開口ピッチBは式２で算出でき、得られたバリア開口ピッチに対応して開口を設ければ良い。図２Aと図２Bでは、スイッチングバリアの位相が半ピッチずれており、そのバリアの開口に応じて画像を切り替えることで高品位立体像の表示が可能となる。この時、バリアの切り替えと画像の切り替えは人間の残像時間内に行う必要があり、表示装置102は２D表示用パネルの2倍以上の表示速度が必要となる。
（２）バリアの開口率：
観察者の右目と左目に逆の視差画像の画像光が入射されると、所謂、クロストークが生じる。このクロストークが生じるか否かはバリアの開口率が左右する。バリア開口幅をSとし、開口率Kは以下のように定義する。

例えば、バリア開口ピッチBが１ｍｍ、開口幅Sが0.5ｍｍであれば、開口率は50%である。

図３は必要な開口率を示す図である。図３において、Sはバリア開口幅、Gは視差画像を表示するための一つの画素サイズである。例えば、液晶表示装置では数十μm幅のブラックマトリックスを形成するため、画素ピッチLよりも画素サイズGは小さくなる。表示装置の開口率はG/Lとして定義できる。クロストークを生じない条件としては、画素サイズGより放射される表示光が眼間の半分を超えないこと、即ち、狙った目に対して、±E/2の範囲に光線が射出される必要がある。図３はその条件を示す図であり、表示画素と開口を図のように結んだ交点と表示装置の間隔をhとすれば、三角形の相似より次式が成り立つ。

Ｇ：ｈ＝Ｅ：（Ｒ＋Ｄ−ｈ） …式４
Ｇ：ｈ＝Ｓ：（Ｄ−ｈ） …式５
式４と式5を整理すると、開口幅は次式で求めることができ、この値よりも小さくなるように設計しなければならない。

更に、式１により式６は以下のように変形できる。

よって開口幅は式６或いは式７で求めた値以下に設計しなければならない。
また、開口率KはバリアピッチBと開口幅Sを求めることで、式３より簡単に求めることができる。スイッチングバリアのシャッタが等ピッチで構成される場合では、１つのピッチを構成するシャッタ数ｎは開口率Kの逆数よりも大きい自然数となる。式２、式３及び式７から以下の関係になる。

（３）液晶表示画素の開口率とバリア開口幅の最適化：
観察者の視認性や省電力化の点から、観察面での照度が大きくなる効率の良い表示光学系が望まれる。観察面での照度は、表示画素の開口幅（率）に正比例して大きくなり、パララックスバリアの開口幅(率)にも正比例して大きくなる。観察面での照度をP、所定の比例定数をKpとすれば、以下の関係式になる。

次にPが最大となる画素サイズGを求める。式９でG以外を定数、Gを変数とすれば、PはGの関数となり、Pを1階微分し、ゼロとなるGを求めればよい。即ち、

の解を求める。

である。ゆえに、画素ピッチLの半分を表示画素にすればよい。

式6のG=L/2を代入し、式1を用いて簡素化すると、バリア開口幅は以下のようになる。

更に、バリア開口率を求めると、式２、式３、式10から、K=1/4になる。

つまり、最適化の条件は、表示画素の開口率が50％、バリアの開口率が25％である。また、スイッチングバリアの1ピッチは4分割したシャッタアレイで構成すればよい。
（４）色分離の問題：
一般に市販されている表示装置の1画素はRGBの各色ドットで一つの横ストライプ画素を構成している。バリアの1ピッチを１画素に対応させると、色が分離して見える問題が発生する。その為、RGBの各色ドットにバリアを対応させている3Dディスプレイが実用化されている。しかし、表示装置のカバーガラスの厚みと画素ピッチの関係で、観察距離が長くなる問題が発生している。このことは、式1の関係から容易に推測できる。

このため、1画素がRGB横ストライプ構成ではなく、RGB縦ストライプ構成にすると有利である。RGB縦ストライプの表示装置を作成するか、一般に市販されているRGB横ストライプを90°回転させて使用することで対応できる。

本明細書では2画素にバリアの１開口を割り当てる構成について述べるが、表示装置のカバーガラスの厚みや観察者の観察距離を適当に設定すれば、各色ドットにバリアを対応させる方法でも問題ない。
（５）設計例：
以下に具体的な設計例について述べる。

使用する表示装置は、以下の仕様とする。

画面サイズ：38cm(15インチ型)
画素数：1024×768(XGA)
画素ピッチ：0.297mm
画素の開口率：75％
また、一般的に観察者の眼間は65mm程度であり、E=65とする。また、一般的のディスプレイの標準的な観察距離は650mmと言われており、R=650とする。よって、バリアピッチBは式2より、

である。

パネル-バリア間隔Dは式１を変形し以下のように求まる。

画素サイズGは液晶の開口率と画素ピッチから求まる。

G=0.75×0.297＝0.22275mm
バリアの開口幅Sは式6で求まる。

開口率Kは式３で求まる。

以上で求めた値で光学系を構成すれば、観察者にクロストークを感じさせずに、左右の視差画像を表示することが可能である。
（６）スイッチングバリアの構造：
図４に第1の実施形態で、そのスイッチングバリアの構成を示す。図中の101aは短冊状のシャッタであり、このシャッタが複数並ぶことでスイッチングバリアを構成している。尚、このシャッタ101aは個々に遮光と透過の制御が可能である。図４は上述の設計例のバリアパターンを示し、図中のBは0.591298mmとなる。開口率は0.1252（＝１/7.98）以下の必要があり、1ピッチを8分割、半ピッチを4分割のバリアパターンとした。スイッチングバリアの開口パターンは図４に示すように「3D表示時(a)」と「3D表示時(b)」及び「2D表示時」の3パターンある。図２Aに対応したバリアパターンが「3D表示時(a)」であり、図２Bに対応したバリアパターンが「3D表示時(b)」である。このようにバリアパターンの切り替えと視差画像の切り替えを同期して行うことで高品位立体像が再生できる。
（７）画像書き換え時間の対応：
表示装置102の視差画像を切り替えるためには所定の時間が必要であり、バリアの書き換えと画像の書き換えが重なると、視認性の悪い立体像となる。「3D表示時(a)」と「3D表示時(b)」の間に、すべてのシャッタを遮光し、その間に表示装置の画像を切り替えれば視認性の悪い立体像にならない。また、表示装置に液晶表示を用いた場合には、表示装置の画像切り替え時間はバックライトを消灯すれば同様の効果がある。
（８）簡略化したスイッチングバリア：
図５に簡略化したバリアパターンの構成を示した。110はスイッチングバリアを示し、2種類の幅のシャッタ110aと110bから構成される。スイッチングバリアは図４に示してあるように等ピッチで並んでいなくてもよく、図５のような不等ピッチの構成にして、個々のシャッタを制御すれば同様の効果が得られる。また、図６に示すように、スイッチングバリアのドライバも3ブロックに分けて行えばよく、ドライバの簡素化が図れる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、スイッチングバリアと表示装置に、非常に早い書き換え速度が要求されるが、第2の実施形態では書き換えの走査タイミングを制御することで、一般に使用されている2次元ディスプレイの2倍程度の書き換え速度で高品位立体像を再生する形態について述べる。
（１）スイッチングバリアと画像の書き換えタイミング：
スイッチングバリアの書き換えと視差画像の書き換えタイミングについて図７を用いて説明する。図中の201はスイッチングバリアのパターン図で、図４で説明したものと同様のバリアである。バリアの書き換えは右から左に行うものとして説明する。図中の202は表示装置表示画像を示し、右目視差画像と左目視差画像の描画が行われる。尚、この描画は液晶表示装置などに用いられている線順次方式でも、CRTのような点順次方式でもよく、バリアの書き換えと同様に右から左へ視差画像を書き換えて、順次、視差画像が入れ替える。

203は画像の切り替え位置である。この位置を境界にバリアに対して右画像と左画像が入れ替わり、バリアの位相が半ピッチ分ずれる。図７ではバリアの位相を半ピッチ遅らせて、半ピッチずらしてある。境界203は画像パネルの書き換えと同様に右から左へ移動する。画像パネルの1フィールドごとに左右の画像は入れ替わって表示され、バリアの位相も半ピッチずれ、2フィールドで高品位立体像を再生する。図８はバリアの位相を半ピッチ早めて、半ピッチずらした形態である。

図９は図５で示した簡略したスイッチングバリアの説明図で、動作は図７と図８で説明したものと同様である。
（２）2次元表示と3次元表示の切り替え：
コンピュータシステムやテレビジョンシステムでは、従来のデータやソースを使用するために全画面の2次元表示の要求がある。図１０は2次元表示から3次元表示へ切り替えるときのスイッチングバリアの開口制御説明図である。2次元画像はシャッタの個々をすべて開口として、表示装置には2次元画像を表示すればよい。このときの表示画像は視差画像の一方でもよい。3次元表示から2次元表示へは、図１０で示した逆の制御を行えばよい。

また、3次元表示時と2次元表示では開口比分の輝度差が生じるため、その開口比に応じて輝度を調整する。液晶等の透過型表示装置ではその光源を調整し、CRTやPDP等の自発光型表示装置では、表示輝度を調整する。
（３）バリアの駆動回路：
図１１は、第2の実施形態の駆動回路である。251は本実施形態の立体表示装置全体を制御するシステムコントローラ、252は所定のクロックと論理出力をするパルスジェネレータ、253は表示装置102の書き込み制御を行う表示装置制御回路である。また、254はシリアル信号をパラレル信号に変換するシフトレジスタであり、パラレル信号線はスイッチングバリアのシャッタの夫々に対応している。また、255は出力回路でシフトレジスタ254のパラレル信号の夫々に電力増幅回路を備えた出力回路である。本実施形態のスイッチングバリアの駆動は、一般の画像表示装置と異なり、次のような特徴がある。

・マトリックス駆動ではなく、1次元駆動である。

・各駆動対象（シャッタ）の階調表現は不要で、ON/OFFの２値制御でよい。

・制御パターン（バリアパターン）が限定される。

パルスジェネレータ252で発生するバリア用のパターンは、３D表示の2種類と２D表示のパターンである。システムコントローラ251から、バリアパターンの指示がパルスジェネレータ252に送られて、そのバリアパターンの信号を発生する。表示装置253は画像パネルの書き込みタイミングが送られて、図７で説明したバリアパターンの制御が行われる。このような構成にすることで、一般の液晶パネル駆動に比べ、簡素な構成になる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態では、本発明のスイッチングバリアを備え、観察者の立体視領域を拡大するために、観察者の視点位置を検出し、その視点位置に立体視領域を追従・表示する形態について述べる。
（１）制御系の説明：
パララックスバリア方式ではバリアを水平方向に移動すると観察位置も水平方向にシフトし、バリアを前後方向に移動すると観察位置も前後方向に移動する。このことを利用し、観察者の眼の位置を検出し所定のバリア移動制御を行えば、観察者の視点位置に応じて立体視領域を追従でき、立体観察領域の拡大が可能である。

図１２は観察者の視点位置を追従する制御系を示したブロック図である。図中の310はスイッチングバリア101を左右方向と奥行き方向に機械的に平行移動させるためのバリア移動機構である。312はバリアの移動量を視点検出系313からの視点位置に応じて決定するバリア移動制御系であり、バリア移動機構にその制御量を働きかける。313は観察者の視点位置を検出するために、画像処理等によって観察者の眼の位置を検出する。
（２）奥行き方向の追従：
奥行き方向の追従はスイッチングバリア101を前後方向に移動し、パネル-バリア間隔Dを変えれば、式１の関係に従って観察距離が移動する。第1の実施形態では観察距離を650mmと固定にしたが、ここでは、最短観察距離を500mm、最長観察距離を1200mmとした場合の設計例を以下に示す。

パネル−バリア間隔Dと観察距離Rは比例関係にあるが、開口率Kは一定の値となる。開口幅Sは式7から、パネル-バリア間隔D(mm)と観察距離Rには依存せず、一定であることが分かる。
（３）左右方向の追従：
スイッチングバリアを左右方向に所定量移動することで、観察位置を左右に移動することが可能である。図１３は左右にスイッチングバリアを移動したときの図で、右目だけの移動を記した。図中の点線は移動後の位置で、Xは観察者の水平移動量、Hはスイッチングバリアの移動量である。三角形の相似条件から、
Ｄ：Ｈ＝（Ｄ＋Ｒ）：Ｘであり、また、式１よりDとRを消去すると、式11となる。

となる。

スイッチングバリア101の移動量と観察者の移動量は比例関係にある。第1の実施形態の設計値を代入すると、
X=219.855Hの関係になる。

例えば、観察位置を水平方向に500ｍｍ移動させるには、スイッチングバリアの移動は2.274mmになる。
（４）2次元表示と3次元表示の切り替わり動作：
2次元表示のときは観察者を追従しても意味がないため、消費電力を抑える目的で視点追従を行わない方が望ましい。しかし、2次元表示から3次元表示に切り替える時には、追従を行っていないためにバリアを瞬時に移動しなくてはならない。水平方向の追従に関しては、1ピッチを複数のバリアで構成しているため、観察位置から最適な開口位置を算出し、開口制御することでバリア移動を最小限にすることができる。

図１４は2次元表示から3次元表示に切り替えた時のバリアの制御に関する処理を説明したフローチャートである。Ｓ301は2次元表示動作であり、スイッチングバリア101のすべてのシャッタは透過状態に制御されている。Ｓ302は2次元表示から3次元表示に切り替わることを判断する切り替わり判断部であり、3Ｄに切り替わったと判断するとステップＳ304に進み、切り替わっていないとその他の処理であるステップＳ303に分岐する。Ｓ304は視点検出系313を用いて観察位置を取得するステップである。Ｓ305はスイッチングバリア101の移動量を取得するバリア位置の取得部である。バリア位置はバリア移動制御で用いられる制御用の位置信号で流用できる。Ｓ306は観察位置とバリア位置から、スイッチングバリアの最適な開口位置を求めるステップである。最適な開口位置は視点位置と視差画像に対応した表示画素中心を結んだ仮想線と、その仮想線とバリアの交点に最も近いシャッタを開口制御する。ステップＳ306で求めた開口位置をもとにステップＳ307の視点追従動作を行う。このような制御を行うことで、切り替わり時にバリアを水平移動する距離はシャッタ幅以下となり、応答性が良く、且つ、消費電力の節約になる。

図１５は3次元表示から2次元表示に切り替えた時のバリアの制御に関する処理を説明したフローチャートである。Ｓ311は3次元表示動作であり、スイッチングバリア101は開口制御と視点追従が行われている。Ｓ312は3次元表示から２次元表示に切り替わることを判断する切り替わり判断部であり、2Ｄに切り替わったと判断するとステップＳ314に進み、切り替わっていないとその他の処理であるステップＳ313に分岐する。Ｓ314はバリアの位置を所定位置に戻すステップである。Ｓ315はスイッチングバリア101の移動制御を中断するステップである。Ｓ316は2次元表示動作であり、スイッチングバリア101のすべてのシャッタは透過制御される。

＜第４の実施形態＞
第３の実施形態でパララックスバリアを機械的に移動制御することで、立体視領域の追従ができることを説明した。本発明では図４で説明したようにバリアの半ピッチが複数で構成されているため、開口パターンを左右にシフトすることで観察位置を左右に移動することができる。このことを利用して視点追従を行うことができる。奥行き方向の追従に関しては、第3の実施形態と同様の制御が施される。また、第4の実施形態に用いられるスイッチングバリアは図４で説明した構成をとる。

図１６は第4の実施形態を説明するブロック図で、図１２の差異について述べる。401はバリアを奥行き方向のみに移動させるバリア移動機構(前後)で、402はバリアの奥行き方向のみの制御を行うバリア移動制御系(前後)、403はバリアの開口位置を左右方向にシフトさせるバリアシフト系である。

バリアを1シャッタ分シフトすることは、バリアを1シャッタ幅分移動させることに等しい。よって、シャッタ分割数をｎとすれば、H=B|nであるため、1シャッタ分の観察位置のシフト量をS₁とすれば、式11から、式12へ変形できる。

第1の実施形態の設計例を代入すると、

となり、16.25mm刻みで観察者の追従が可能である。また、より滑らかに追従しようとすれば、液晶の分割数を整数m倍とし、一つの開口をm個で構成すればよい。

＜第5の実施形態＞
第3の実施形態ではバリアを機械的に移動させて視点追従を行う構成を、第4の実施形態ではバリアの水平方向でバリア開口パターンをシフトする構成について述べた。第3の実施形態ではバリアの移動距離が大きくなり、第4の実施形態では滑らかな追従ができない。第5の実施形態ではこれらを組み合わせた構成について述べる。奥行き方向の追従に関しては、第3の実施形態と同様の制御が施される。また、第５の実施形態に用いられるスイッチングバリアは図４で説明した構成をとる。

図１７は第5の実施形態を説明するブロック図で、図１６との差異について述べる。501はバリア移動機構で、前後と左右方向に移動させる機構である。本実施形態ではバリアの機械的移動量はB/nで良い。これを超える場合には第4の実施形態と同様に電子的に開口パターンを左右にシフトすれば良い。第3の実施形態の具体例では、観察距離を水平方向に500mm移動させるためにバリアを2.274mm移動させなければならなかった。第5の実施形態は、0.591298/8=0.0739mmであり、大幅に移動量が小さくて良い。このことは大幅に機構の簡素化と省エネルギー化が図れることを意味する。502はバリア移動制御系で前述のバリア移動機構501を制御するが、この際にバリアシフト系403からの情報と視点検出系313の情報をもとにバリアの移動距離を決定する。

＜第６の実施形態＞
第６の実施形態では、上述の実施形態にＧＵＩとポインティングデバイスを実装したコンピュータシステムについて述べる。
（１）２Ｄ/３Ｄ混在表示の説明：
立体表示装置の表示部に２次元画像と３次元画像が同時に存在することを２Ｄ／３Ｄ混在表示と呼ぶことにする。また、立体表示装置の表示部の全面が２次元と３次元に切り替わる表示も２Ｄ／３Ｄ混在表示の一部として考える。

直視型の立体表示方式は観察者の左右眼に各々の視差画像を表示し、その両眼視差画像を観察者が見ることで立体像を認識している。本発明の２次元表示としては２種類の方法が考えられる。第一は図４でも説明したようにスイッチングバリアのスリット状の開口発生を制御すれば２次元と３次元表示が制御できる。第二は3次元で表示すべき左右の視差画像を同一の画像にすれば2次元表示となり、部分的に視差画像の有無を制御することで任意の位置に２Ｄ／３Ｄ混在表示が可能である。
（２）システムの説明：
図１８は第6の実施形態の外観を示す。601は立体表示装置で立体表示部602と視点位置検出器１０５からなる。611はホストコンピュータ、612はポインティングデバイスであるマウス、613はキーボード、690は本システムを使用する観察者である。

図１９は第６の実施形態のシステム構成を説明する機能ブロック図である。601は立体表示装置、611はホストコンピュータ、612はポインティングデバイスである。立体画像表示装置611は、立体表示装置全体の制御や管理を行うシステムコントローラ621、２Ｄ／３Ｄ混在表示を行うための画像表示制御部622、観察者の視点位置を検出する視点位置検出器105、視点位置検出器105の情報にもとづいて立体視領域の追従をお行う視点追従部623、バリアの開口制御行うバリア開口制御部624が含まれる。視点追従部623とバリア開口制御部624は第3から第5の実施形態に記した何れの処理でも良く、本実施形態の説明では図１９のように記した。ホストコンピュータ611は、２Ｄ／３Ｄ混在表示制御機能を有するＧＵＩ制御部631、コンテンツの視差画像の生成制御を行うコンテンツ表示制御部632、立体表示装置601の制御を行う立体表示装置制御部633を含む。

図２０は立体表示装置の表示画面全体が２次元表示を行っているときの画像の図で、２次元表示機能のみの通常のコンピュータシステムのＧＵＩである。図中の２３０は画面の最も外側の境界の外枠、２３１は画面のタイトルバー、２３２はプルダウンメニューで使用されるメニューバー、２３３は画像を表示するためのウインドウ、２３４ａ、２３４ｂ、２３４ｃ、２３４ｄは、ディスクファイルや入出力デバイスを仮想的に使用者に示すアイコンである。２３５はオブジェクトを選択し、座標を入力するためにマウス等のポインティングデバイスによって移動可能なポインタである。２３６は前述のオブジェクトの背景である。このように、アイコン２３４ａ〜２３４ｄ、ウインドウ２３３、メニュー２３２などを用いるＧＵＩでは、ファイルの移動、コピー、削除、周辺機器との入出力を行うためや、ディスプレイ上でその様な作業を行うための場所をデスクトップのウインドウ領域上に確保する目的で、ファイルシステム上のディレクトリや、アプリケーションに関連づけられたアイコン、ウインドウ、メニューなどのオブジェクトを移動したりすることがある。

また、図２１は本実施形態において、複数のウインドウを表示しているＧＵＩの表示例を示す図である。２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃはユーザによって開かれ画像表示をしているウインドウで、ウインドウの重なりに応じて、他のオブジェクトが隠れるといったことが生じる。このオブジェクトの重なり合いにおいては、ウインドウがアクティブ或いは、イベントが作用した時刻が新しい方を優先させるように表示する。図２２は表示オブジェクトのウインドウ２３３をポインタ２３５で選択したときの図で、ウインドウ２３３がアクティブになった時の様子を示す。ウインドウ２３３のコンテンツは３次元データを持ち、ウインドウがアクティブになって時に３次元表示状態になる。尚、紙面の都合で、３次元表示は斜視図で示した。また、ウインドウがアクティブでない時は、視差画像の一方か他の画像等で２次元表示する。図２３はウインドウが複数ある場合で、ポインタ２３５でウインドウ２３３ａをアクティブにしたときの図である。
（３）イベント処理の説明：
GUIを有するコンピュータシステムでは、ユーザがポインティングデバイスやキーボードに入力した指令、即ち、イベントを処理することでOS（operating system）が成り立っている。このようなシステムは一般にイベント駆動型と呼ばれている。

図２４は本発明で使用されるアプリケーションソフトの処理の流れで、イベント駆動型の一例を示したフローチャートである。S601は電源立ち上げ時やソフトウエア起動時の初期化のステップである。S602はユーザがコンピュータシステムに働きかけたイベントを取得し解析するステップである。S603はイベントを解析し、表示すべきオブジェクトのなかで3次元表示オブジェクトの存在を判断するステップであり、3次元表示オブジェクトが在ると判断すればS605に進み、無いと判断すればS604へ進む。S604は表示画面の全体を2次元表示にするステップであり、バリアを全て透過にし、画像表示も視差画像の無いものにする。また、2次元と3次元の輝度差の調整も行う。更に、３次元表示の画像表示速度を半分に落としてもよい。ステップS604が含まれる動作の際には、2次元専用のディスプレイとして使用できる。S605はイベントの更新状況を判断するステップで、更新されていればS606へ進み、更新されなければS606をスキップする。S606は予めプログラムされたイベント処理を行うステップである。S607は２D/3D混在表示を行うステップである。S607或いはS604を終了すると再びS602へ戻り、イベント駆動型のループが完成する。
（４）２D/3D混在表示でのバリアと画像表示制御：
図２２と図２３は２D/3D混在表示の状態を示し、ウインドウ２３３が3次元表示となっている。このときウインドウ233のエリア内のみに第1の実施形態で説明したようなバリア制御と画像表示制御が施される。ウインドウ233のエリア外は、第1の実施例で説明したバリア制御は行うが、画像表示制御は視差画像のない2次元画像を表示する。このように、3次元画像エリアでは視差画像を表示し、2次元画像エリアでは2次元画像を表示することで２D/3D混在表示が可能となる。
（５）3次元画像及び運動視差画像の表示：
図２５は運動視差をともなった3次元画像表示のフローである。運動視差とは、観察者が移動することによって視差が変わることで、立体視効果を向上させることができる。S610は観察者の視点位置を取得するステップで、視点位置検出器105の情報を流用すればよい。S611は得られた視点位置から視差量を算出し、所定の視差画像を生成する。視差画像の生成はCG（コンピュータグラフィックス）で簡単に生成できる。また、実写では複数枚の視差画像を準備し、選択することで視差画像を生成できる。S612は上述した視差画像の描画ステップである。尚、運動視差表示を行わない或いはできないときは、S611のステップを省けばよい。
（６）その他のイベント操作：
上述のフローチャートの説明になかったが、以下の行程を加えてもよい。

・ウインドウがアクティブでないか、又は３D表示オブジェクトが存在しない時は、省電化のために、視点検出機能と追従機能を停止する。

・３D表示オブジェクトをドラッグするときは、その位置に応じてバリアの発生制御を行う。

・３D表示オブジェクトをドラッグする場合は２次元表示とする。

・ウインドウをドラッグする場合は運動視差表示を行わない。

・ウインドウに表示されている立体オブジェクトをポインタやアイコン等を用いて、観察者の任意の位置に回転・移動してもよい。

＜第７の実施形態＞
第７の実施形態では、２D/3D混在表示で部分的に表示輝度を制御するシステムについて述べる。
（１）透過型表示装置の場合：
図２６は画像表示装置に液晶表示等の透過型パネルを用いたときで、バックライトの光量を制御して表示装置全体の輝度調整を行う場合のシステム構成図である。701はスイッチングバリアで、3次元表示オブジェクトが存在する部分のみ開口制御を行う。702は液晶等の透過型パネルであり、上述で説明した２D/3D混在表示と同様の画像制御を行う。703はバックライトであり、領域毎に発光強度を制御できる。703はLEDをマトリックス上に並べた構造でも良いし、線状光源アレイでもよい。703aはバリア701の開口制御領域に対応した発光領域で、他の発光領域よりもバリアで落ちた分だけ強く発光している。710はバックライト703の領域発光を制御するバックライト制御系である。このように、必要な場所にだけバリアを発生させ、発光制御することでバックライトの省電力化になる。
（２）自発光型表示装置の場合：
図２７は画像表示装置にPDP等の自発光型パネルを用いたときで、パネル自体の輝度調整を行う場合のシステム構成図である。図２６との差異のみについて説明する。705はPDP等の自発光型表示装置である。705aはバリア701の開口制御領域に対応した表示領域で、他の表示領域よりもバリアで落ちた分だけ高輝度で表示している。領域毎の輝度制御は画像表示系120で行う。このように、必要な場所にだけバリアを発生させ、開口に対応する部分のみ高輝度に表示することで自発光型表示装置の省電力化になる。

スイッチングバリアでのシステム構成 スイッチング動作A、スイッチング動作B 開口率の説明図 スイッチングバリアの構成 簡略化したスイッチングバリアの構成 簡略化したスイッチングバリアのドライバ バリアと視差画像の書き換えタイミング バリアの位相を半ピッチ早めた例 簡略したスイッチングバリアのタイミング 2次元画像と3次元画像の切り替え 駆動回路 制御系のブロック図 左右追従の説明図 2次元表示から3次元表示に切り替えたときのバリア制御 3次元表示から2次元表示に切り替えたときのバリア制御 制御系のブロック図 制御系のブロック図 コンピュータシステムの説明図 システムの機能ブロック図 ２次元表示のみのＧＵＩ画面（第6の実施形態） 複数ウインドウで２次元表示のみのＧＵＩ画面 ２Ｄ／３Ｄ混在表示のＧＵＩ画面 複数ウインドウで２Ｄ／３Ｄ混在表示のＧＵＩ画面 システムのフローチャート 3次元表示のフロー バックライトの発光制御 自発光型表示装置の輝度制御 電子式パララックスバリア方式の基本構成図（従来例） 電子式パララックスバリア方式の表示部構成図（従来例） ２Ｄ／３Ｄ混在表示の説明図（従来例） 電子式パララックスバリア方式のシャッタアレイの動作の例（従来例）

Claims (28)

1. 左右の視差画像を短冊状に分割し、交互に短冊状の画像を並べたストライプ視差画像を表示する画像表示手段と、ストライプ視差画像に対応してパララックスバリアによって観察者に立体像を観察させる立体表示手段と、そのパララックスバリアの発生と消滅を電子的に制御が可能なスイッチングバリアによるバリア発生制御手段と、そのスイッチングバリアのバリア発生制御手段と同期してストライプ視差画像の左右視差画像の入れ替えを行って2フィールドで1フレームの立体表示を行う立体表示装置において、
   該スイッチングバリアの半ピッチを透過と遮光を制御する複数のシャッタで構成したことを特徴とする立体表示装置。
2. 請求項1の装置において、Eは観察者の眼間距離、Lは視差画像を表示する表示装置の画像ピッチ、Gは視差画像を表示する表示装置の画素サイズ、Sはスイッチングバリアの開口幅としたとき、
   

   

   なる関係の開口幅でスイッチングバリアのシャッタを構成したことを特徴とする立体表示装置。
3. 請求項２において、スイッチングバリアの開口率を２５％、画像表示装置の開口率を50％としたことを特徴とする立体表示装置。
4. 請求項1の装置において、ストライプ視差画像の左右視差画像の入れ替えを行う際に、スイッチングバリアは全て遮光制御することを特徴とする立体表示装置。
5. 請求項１の装置で画像表示装置に液晶表示装置を用いる構成において、ストライプ視差画像の左右視差画像の入れ替えを行う際に、液晶表示装置のバックライトを消灯することを特徴とする立体表示装置。
6. 請求項1の装置において、ストライプ視差画像を視差のない2次元画像で表示し、スイッチングバリアを全て透過制御することを特徴とする立体表示装置。
7. 請求項６の装置で、2次元画像の表示の際には、スイッチングバリアの開口率に応じて、表示画像の輝度を調整することを特徴とする立体表示装置。
8. 請求項１の装置において、スイッチングバリアを構成するシャッタは等ピッチで構成され、1ピッチ当りのシャッタ数をｎとしたとき、
   

   

   なる関係で構成したことを特徴とする立体表示装置。
9. 請求項８の装置において、スイッチングバリアと画像表示装置の視差画像は左右方向に同期をとりながら順次切り替え、フィールド間ではスイッチングバリア開口の位相を半ピッチずらすことを特徴とする立体表示装置。
10. 請求８の装置において、スイッチングバリアを駆動する制御回路は、2値を順次送るシフトレジスタと、特定パターンのみ発生するパターンジェネレータから構成されることを特徴とする立体表示装置。
11. 請求項1の装置において、スイッチングバリアを構成するシャッタは異なる2種類のシャッタ幅で構成され、その異なる2種類のシャッタを交互に並べ、幅の狭い方のシャッタは立体表示に用い、
    

    

    なるシャッタ幅で構成したことを特徴とする立体表示装置。
12. 請求項１１の装置において、スイッチングバリアの幅の広いシャッタは3次元表示には常時遮光し、2次元表示には常時透過制御を行うことを特徴とする立体表示装置。
13. 請求項１１の装置において、スイッチングバリアのシャッタを３ブロックに分けて、夫々のブロックごとに透過と遮光の制御を行うことを特徴とする立体表示装置。
14. 請求項８の装置に観察者の視点位置を検出する検出手段とスイッチングバリアを左右及び前後に移動制御する視点追従手段を備えた装置において、
    視点追従開始時に視点位置とスイッチングバリア位置からスイッチングバリア移動が最小となる開口パターンの発生制御を行うことを特徴とする立体表示装置。
15. 請求項１４の装置において、３次元表示から２次元表示に切り替わった際に、スイッチングバリアを所定位置に戻すことを特徴とする立体表示装置。
16. 請求項８の装置に観察者の視点位置を検出する検出手段とスイッチングバリアを前後に移動制御する視点追従手段を備えた装置において、
    左右の視点追従はスイッチングバリアの開口パターンの発生を左右にシフトして左右追従することを特徴とする立体表示装置。
17. 請求項１６において、スイッチングバリアのシャッタ数を整数倍にしたスイッチングバリアを用いて視点追従を行うことを特徴とする立体表示装置。
18. 請求項８の装置に観察者の視点位置を検出する検出手段とスイッチングバリアを前後に移動制御する視点追従手段を備えた装置において、
    左右の視点追従はスイッチングバリアの開口パターンを左右にシフトする制御と、スイッチングバリアを機械的に移動する制御を同時に行って視点追従することを特徴とする立体表示装置。
19. 請求項１８の装置において、スイッチングバリアの機械的移動量は略シャッタ幅以下としたことを特徴とする立体表示装置。
20. 請求項１の表示装置をグラフィカルユーザインターフェースによって、ユーザが操作するコンピュータシステムにおいて、
    表示オブジェクトに応じてスイッチングバリアの開口制御を行うことを特徴とするコンピュータシステム。
21. 請求項２０のコンピュータシステムにおいて、３次元表示オブジェクトの有無を判断する判断手段を備え、３次元表示オブジェクトが無いと判断すると、スイッチングバリアを全て透過制御し、２次元画像を表示して画像輝度を調整することを特徴とするコンピュータシステム。
22. 請求項２０のコンピュータシステムにおいて、３次元表示オブジェクトの有無を判断する判断手段を備え、３次元表示オブジェクトが有ると判断すると、全画面で請求項１の制御を施し、３次元表示オブジェクト領域には視差画像を表示し、３次元表示オブジェクト領域以外では２次元画像を表示することを特徴とするコンピュータシステム。
23. 請求項２０のコンピュータシステムにおいて、３次元表示オブジェクトの有無を判断する判断手段を備え、３次元表示オブジェクトが無いと判断すると、視点検出機能と追従機能を停止することを特徴とするコンピュータシステム。
24. 請求項２０のコンピュータシステムにおいて、３D表示オブジェクトをドラッグするときは、その位置に応じてバリアの発生制御を行うことを特徴とするコンピュータシステム。
25. 請求項２０のコンピュータシステムにおいて、３D表示オブジェクトをドラッグするときは、2次元表示を行うことを特徴とするコンピュータシステム。
26. 請求項１の表示装置をグラフィカルユーザインターフェースによって、ユーザが操作するコンピュータシステムにおいて、スイッチングバリアを部分的に短冊状に発生する手段と、そのバリア発生部分に対応して視差画像表示を行うことを特徴とする立体表示装置画像表示装置。
27. 請求項２６において、視差画像表示部分とそれ以外の表示輝度をバリア開口比に応じて制御したことを特徴とする立体表示装置。
28. 請求項２６で画像表示装置は液晶表示装置で構成される立体表示装置において、そのバックライトは領域毎に発光制御が可能であることを特徴とする立体表示装置。
    

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