JP2006133439A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】 画像を表示していない眼に入る光量が変化しても、画像を明確に視認することが可能なヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】 動画データ保持装置1のメモリには、表示すべき動画の源画像情報が記憶されている。この源画像情報は、画像1枚に対応する分毎に、画質調整量演算部2に送られる。画質調整量演算部2は、外部光測定部3からの信号を受けて、画像データの輝度補正を行う。輝度補正を行われた画像データは、動画データ再生部4に送られて、画像データに変換され、表示部の画像表示装置5に表示される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、頭部に装着して、装着者の眼に画像を表示する機能を有するヘッドマウントディスプレイに関するものである。
近年、液晶パネル(LCD)等の表示デバイス上に表示された映像を、接眼レンズやハーフミラー等を有する光学系を介して拡大した虚像として観察する眼鏡タイプ等、人体に装着して使用されるの映像表示装置が種々提案され、ウエアラブルディスプレイと呼ばれている。そのうち、頭部に装着して使用されるものは、特にヘッドマウントディスプレイと呼ばれている。
ヘッドマウントディスプレイは、多くの場合、頭に巻いた形で頭部に装着する構成とされ、両眼に対応する位置に映像表示系を形成した両眼タイプと左右眼の一方の眼に対応する位置に映像表示系を形成した片眼タイプとがある。このうち、両眼タイプのものは、主として映像を楽しむための目的に使用される。片眼タイプのものは、例えばウエアラブルパソコン等の表示装置等や、作業者に指示を表示する表示装置としての使用方法が期待されている。その例として、特開平8−305298号公報(特許文献1)に記載されるような方式のものが公知となっている。
このようなヘッドマウントディスプレイにおいて、表示部は、眼の前に置いて使用されるが、眼の前に常時あることが望ましい場合(他の作業はしないので、他に邪魔されたくない)もあれば、眼の前にはあってほしくない場合や、一旦眼の前からなくなり再度使用したい等、さまざまな状況が考えられる。そこで、頭部に装着したままの状態で、表示部が眼の前から移動することができるような構造となっていることが好ましい。このようなヘッドマウントディスプレイは、例えば、特開2004−207847号公報(特許文献2)に記載されている。
その概要を図4に示す。ヘッドマウントディスプレイ21は、リアアーム22、ディスプレイアーム23、表示部24、耳当て部25を主要部として構成されている。
表示部24はディスプレイアーム23の先端部に取り付けられており、帯状となったディスプレイアーム23の後部は、リアアーム22中の中空部に収納され、装着者の頭部の形状に合わせて伸縮可能なようになっている。耳当て部25はリアアーム22に固定されて、リアアーム22の弾性付勢力により、装着者の耳を押さえつけるようにされている。
この方式のヘッドマウントディスプレイ21においては、ディスプレイアーム23はリアアーム22の片側にしか収納されておらず、表示部24を左眼の前に配置する場合には図4に示されたような姿勢で使用し(実線がディスプレイアーム23と表示部24が収納位置にある場合を示し、2点鎖線が表示部24を装着者の眼前に位置させて画像を観察する場合を示す)、表示部24を右眼の前に配置する場合は、図4に示された姿勢から180°回転させ、上下左右を反対にした姿勢で使用する。
特開平8−305298号公報 特開2004−207847号公報
このような、片目タイプのヘッドマウントディスプレイにおいて、画像を表示しようとするとき、画像が表示されていない他の眼に入る光量が問題となる。則ち、表示画面の輝度を一定に保った場合、他の眼に入る光量が多い場合(周囲が明るい場合)には、人間の眼の視覚特性により画像が暗く見え、逆に他の眼に入る光量が少ない場合(周囲が暗い場合)には、人間の眼の視覚特性により画像が明るくまぶしく見え、どちらの場合も画像が見にくいという問題点がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、画像を表示していない眼に入る光量が変化しても、画像を明確に視認することが可能なヘッドマウントディスプレイを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための第1の手段は、装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサを有し、前記光量センサで測定された光量と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ(請求項1)である。
本明細書及び特許請求の範囲でいう「視覚特性」とは、実際に撮像素子で撮像され源画像データとして記録されている画素の輝度データと、その輝度データを有する画素を表示したときに、実際の人間の眼が感じる輝度との関係をいい、一般的に、画像を表示する眼とは逆の眼に入る光量、さらにこれに加えて、源画像情報の平均輝度によっても変化するものである。
単純に考えると、源画素データの輝度データに表示部が装着されていない側の眼に入る光量(ほとんどの場合外光の光量)に比例するファクタを掛けて、その値の輝度が画像の輝度となるように表示させれば、表示部が装着されていない側の眼に入る光量が多いときには画像が明るくなり、反対に、表示部が装着されていない側の眼に入る光量が少ないときには画像が暗くなって、前述の問題は解決されるように考えられる。
しかし、視覚特性は、同じ画像を明るい場所で見た場合には、暗い部分がより暗く見え、暗い場所でみた場合には、明るい部分がより明るく見えるという性質を有しているので、単純に画像の輝度を、表示部が装着されていない側の眼に入る光量に比例させて変化させるのでは、不十分である。
本発明においては、このような人間の眼の視覚特性を考慮して源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定めて、この関係に基づいて決定された輝度を有する画像を表示部に表示できるので、表示部が装着されていない側の眼に入る光量が変化した場合でも、明瞭に視認できる画像を表示することができる。
前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、前記視覚特性として複数のものを用意し、前記光量センサで測定された光量の段階に応じて、使用する前記視覚特性を選択する機能を有することを特徴とするもの(請求項2)。
本手段においては、前記光量センサで測定された光量に応じて段階を定め、その段階に応じて使用する視覚特性を変えているので、視覚特性を光量センサで測定された光量の関数として表す必要が無くなり、補正が簡単になる。
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段であって、1画面に相当する源画像情報の各画素の輝度の平均値を算出し、算出された平均値と、前記光量センサで測定された光量との関係に基づいて、前記視覚特性を決定する機能を有することを特徴とするもの(請求項3)である。
表示される画像一枚の平均的な輝度が、画像によって変化するような場合には、画像の見え方は、前記光量センサで測定される光量のみでなく、画面1枚ごとの平均的な輝度によっても左右される。本手段においては、1画面に相当する源画像情報の各画素の輝度の平均値を算出し、算出された平均値と、前記光量センサで測定された光量との関係に基づいて、前記視覚特性を決定する機能を有するので、このような場合においても、明確な画像を視認することができる。
前記課題を解決するための第4の手段は、装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記所定数毎に先読みした前記所定数だけの画面の源画像情報の輝度を平均した平均輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ(請求項4)である。
本手段の基本的な機能は、前記第1の手段と同じであるが、本手段においては、画面1枚毎に輝度補正処理を行うのではなく、表示する画像の画面の枚数を所定枚数毎にまとめ、ひとまとまりの画像の最初の画像が表示される前に、そのひとまとまりの画像の源画像情報を先読みする。そして、これらの所定枚数の画面の源画像情報について輝度の平均値をとって平均輝度情報を形成する。そして、光量センサで測定された光量と、この平均輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う。
前記第1の手段においては、画像一枚ごとに補正がかかるので、一連の画像(特に動画像)をみる場合にかえって不自然に見える場合があるが、本手段においては、補正値は所定枚数毎に計算しており、所定枚数の画像内では同じ補正値が使用されるので、このような不自然さを解消できる。
前記課題を解決するための第5の手段は、装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記先読みした所定数だけの画面の源画像情報の輝度を移動平均した平均輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ(請求項5)である。
前記第4の手段においては、先読みしたひとまとまりの画像の画面の源画像情報について輝度の平均値をとって平均輝度情報を形成し、そのひとまとまりの画面の源画像情報について輝度の平均値をとって平均輝度情報を形成し、これを輝度補正に使用していた。しかし、この方法では、ひとまとまりの画面の源画像情報毎に平均輝度情報が変化するので、ひとまとまり毎の画面の境目において、平均輝度情報がステップ状に変化し、不自然に見えることがある。
これに対し、本手段においては、源画像情報の輝度の移動平均をとって、1枚の画像毎に変化する移動平均値を、それに対応する画面(通常、移動平均をとる最後の画面)の画像の輝度補正に使用しているので、補正が滑らかに行われ、違和感を感じなくなる。
前記課題を解決するための第6の手段は、装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記先読みした画面の源画像情報の輝度を指数平滑した指数平滑輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ(請求項6)である。
本手段においては、前記第5の手段において使用していた移動平均の代わりに、指数平滑を使用している。よって、前記第5の手段と同様の作用効果が得られる。
前記課題を解決するための第7の手段は、前記第4の手段から第6の手段のいずれかであって、前記視覚特性として複数のものを用意し、前記光量センサで測定された光量の段階に応じて、使用する前記視覚特性を選択する機能を有することを特徴とするもの(請求項7)である。
本手段は、前記第4の手段から第6の手段のいずれかと前記第2の手段とを組み合わせたもので、両者が有する作用効果を奏する。
本発明によれば、画像を表示していない眼に入る光量が変化しても、画像を明確に視認することが可能なヘッドマウントディスプレイを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。ヘッドマウントディスプレイ本体部の構成は図4に示した従来のものと同様のものでよく、かつ、本発明の主要部と直接関係がないので、その説明を省略する。
図1は、本発明の実施の形態であるヘッドマウントディスプレイの画像表示制御部を示すブロック図である。動画データ保持装置1のメモリ(不図示)には、表示すべき動画の源画像情報が記憶されている。この源画像情報は、画面1枚に対応する分毎に、画質調整量演算部2に送られる。画質調整量演算部2は、外部光測定部3からの信号を受けて、後に示すような画像データの輝度補正を行う。輝度補正を行われた画像データは、動画データ再生部4に送られて、画像データに変換され、表示部の画像表示装置5に表示される。
ここに、外部光測定装置は、例えば図4の表示部24の背面側(眼に対面する方向と反対側)に設けられ、外光の光量を測定する。外光の光量は、画像表示に使用されていない側の眼に入る光量に等しいと考えられるので、これにより、画像表示に使用されていない側の眼に入る光量を測定することができる。
以下、画質調整量演算部2の動作の例を説明する。動画データ保持装置1から送られてきた一枚の画面に相当する画像の各画素の位置を(x,y)で示し、それに対応する源画像情報の輝度をI(x,y)で示す。そして、外部光測定部3の出力をφとする。
画質調整量演算部2は、源画像情報の輝度Iを外部光測定部3の出力φに応じて補正するための関数f(I,φ)を有している。この関数f(I,φ)が視覚特性に相当する。この関数の出力Iは、
I=f(I,φ) …(1)
で示され、源画像情報の輝度Iが、測定された光量φに応じて(1)式により、各画素毎に補正される。則ち、各画素ごとの輝度は、
I(x,y)=f{I(x,y),φ} …(2)
となる。そして、画質調整量演算部2から動画データ再生部に送られる画像データにおける輝度データはI(x,y)に変換されている。
関数f(I,φ)は、関数形として持つこともでき、光量φを量子化して、量子化された段階毎に、ルックアップデーブルの形で持つようにしてもよい。又、関数形が複雑になる場合には、光量φを量子化して、量子化された段階毎に、異なる関数形としてもよい。
関数f(I,φ)は、光量センサで測定された光量が表示装置を使用していない眼に入った状態で画像を見るとき、その画像が自然に見えるように補正するような関数形をしており、光量センサや、画像を撮影したときの撮像装置のセンサの特性、及び人間の眼の特性を考慮して、当業者が適宜決定することができるものであるが、一般的にいって以下の性質を持つ。
(a)光量φが多いとき、同じIに対してIを大きくし、光量φが少ないとき、同じIに対してIを小さくする。
(b)光量φが多いとき、I/Iを、小さいIに対して、大きいIに対するよりも大きくする。光量φが少ないとき、I/Iを、大きいIに対して、小さいIに対するよりも小さくする。
この様子を図2に示す。図2(a)は、光量φが標準の状態の時のIとIの関係を示すグラフであるとする。この状態から光量φが多くなったとき、全てのIに対して、同じ倍率でIを大きくしたのが図2(b)の破線で示すグラフである。このようにすると、原画像の暗い部分が相対的により暗く視認されるようになり、見づらくなるので、実際の特性は、図2(b)の実線で示すように、Iの小さい部分での倍率をより大きくし、この部分でのIの値が相対的に大きくなるようにしている。
又、図2(a)に示す標準の状態から、光量φが少なくなったとき、全てのIに対して、同じ倍率でIを小さくしたのが図2(c)の破線で示すグラフである。このようにすると、原画像の明るい部分が相対的により明るく視認されるようになり、まぶしくて見づらくなるので、実際の特性は、図2(c)の実線で示すように、Iの大きい部分での倍率をより小さくし、この部分でのIの値が相対的に小さくなるようにしている。
以上は、源画像情報の輝度Iと、測定された光量φに基づいて補正関数f(I,φ)を求め、それにより実際に表示される画像の輝度を求める方法であったが、視認される画像の画質が、測定された光量φと源画像情報全体の輝度との相対関係によって決まる場合がある。このような場合には、補正関数f(I,φ)の代わりに、源画像情報の輝度I、測定された光量φ、画像1枚中における源画像情報の画素毎の輝度の平均値Aの関数である補正関数g(I,φ,A)を用いて上述のような補正計算を行うようにするとよい。この場合には、補正関数g(I,φ,A)が視覚特性に相当する。則ち、画像1枚中における源画像情報の画素毎の輝度の平均値Aを、
Figure 2006133439
として求め(mは1画面中の画素数である)、各画素毎の輝度を、
I(x,y)=g{I(x,y),φ,A} …(4)
とし、画質調整量演算部2から動画データ再生部に送られる画像データにおける輝度データをI(x,y)に変換する。
この場合には、φを量子化し、量子化されたφの段階ごとにテーブルを持ったり、関数形を別にすることもできる。又、Aについても量子化し、量子化されたAの段階ごとにテーブルを持ったり、関数形を別にすることもできる。φとAとの量子化を組み合わせて使用してもよい。
図3は、本発明の別の実施の形態であるヘッドマウントディスプレイの画像表示制御部を示すブロック図である。図3において、図1に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略することがある。
図3に示すブロック図は、動画データ分析部6を有する点が、図1に示すブロック図と異なっているのみである。従って、動画データ分析部6と関係のない部分の作動は、図1に示した実施の形態と同じである。この実施の形態においては、源画像情報の輝度の補正は、各画面毎に行うのではなく、所定枚数の画像内においては補正値を一定に保ち、所定枚数の画像毎に新しい補正値を計算して、それに基づいて補正を行うようにしている。
則ち、動画データ分析部6は、所定枚数の画面毎に、次に表示される所定枚数の源画像情報を動画データ保持装置1から予め読み出し(先読みと称している)、その輝度データを画素毎に平均化を行う。画像の画面の枚数は、例えば数分間分の画面枚数とする。この画面枚数をnとするとき、輝度の平均値A’は
Figure 2006133439
で求まる(mは1画面中の画素数である)。画質調整量演算部2は、このA’を前述の(4)式におけるAの代わりに使用して、図1に示した実施の形態と同様の方法で、各画素毎の輝度を求める。
この場合、(5)式の計算はn枚の画面毎に行われるので、このn枚の画面については、(4)式におけるAに相当するA’の値は同一となり、画像1枚ごとに異なった補正値で補正が行われてかえって不自然に見えることが防止できる。
この場合も、φを量子化し、量子化されたφの段階ごとにテーブルを持ったり、関数形を別にすることもできる。又、A’についても量子化し、量子化されたA’の段階ごとにテーブルを持ったり、関数形を別にすることもできる。φとA’との量子化を組み合わせて使用してもよい。
以上のような動画解析部6の動作では、n枚の画面の画像データのブロックごとに輝度の平均値A’が算出され、そのn枚画面の画像データの輝度補正に使用される。しかしながら、この方法によると、あるn枚画面の画像データと、次のn枚画面の画像データの間で、輝度の平均値A’が急激に変化し、その結果、n枚の画面毎に補正値が異なって、不自然に見えることがある。これに対応するためには、n枚の画面のブロックごとの輝度の平均値を求める代わりに、n枚の画面の画像データの輝度の移動平均値を求め、それを使用するのが有効である。
すなわち、ある画面の画像の輝度補正を行うために使用する前記A’として、その画面を含め、それ以前(その画像より後に表示されるもの)のn枚の画面の画像の輝度を先読みし、その平均値を使用する。これにより、輝度の平均値が急激に変化することが無くなり、画像が不自然に見えることが無くなる。
又、移動平均の代わりに、輝度の指数平滑値を用いてもよい。すなわち、所定番目の画面(k番目とする)の画像における輝度の指数平滑値A”(k)は、
Figure 2006133439
で求められる。α(0<α<1)は指数平滑定数である。このようにしても、移動平均をとったときと同様な効果が得られ、かつ、先読みする画像の画面の枚数は1枚でよいので、処理が簡単になる。
本発明の実施の形態であるヘッドマウントディスプレイの画像表示制御部を示すブロック図である。 源画像情報の画素の輝度情報Iと、補正後に出力される画素の輝度情報との補正関係を示す図である。 本発明の別の実施の形態であるヘッドマウントディスプレイの画像表示制御部を示すブロック図である。 公知のヘッドマウントディスプレイの構造を示す図である。
符号の説明
1…動画データ保持装置、2…画質調整量演算部、3…外部光測定部、4…動画データ再生部、5…画像表示装置、6…動画データ分析部

Claims (7)

  1. 装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサを有し、前記光量センサで測定された光量と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記視覚特性として複数のものを用意し、前記光量センサで測定された光量の段階に応じて、使用する前記視覚特性を選択する機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  3. 請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイであって、1画面に相当する源画像情報の各画素の輝度の平均値を算出し、算出された平均値と、前記光量センサで測定された光量との関係に基づいて、前記視覚特性を決定する機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  4. 装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記所定数毎に先読みした前記所定数だけの画面の源画像情報の輝度を平均した平均輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  5. 装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記先読みした所定数だけの画面の源画像情報の輝度を移動平均した平均輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  6. 装着者の片方の眼に、源画像情報に対応する画像を表示する表示部を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記片方の眼とは逆の眼に入射する光量を測定する光量センサと、所定数の画面の源画像情報を先読みする手段を有し、前記光量センサで測定された光量と、前記先読みした画面の源画像情報の輝度を指数平滑した指数平滑輝度情報と、予め定められた視覚特性とから、前記源画像情報が有する画素ごとの輝度情報と、実際に表示する画像の輝度との関係を1画面毎に定め、定められた関係に従って、源画像情報の輝度情報を補正して、補正結果に基づいて画像表示を行う機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  7. 請求項4から請求項6のうちいずれか1項に記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記視覚特性として複数のものを用意し、前記光量センサで測定された光量の段階に応じて、使用する前記視覚特性を選択する機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
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