JP2007536576A - 立体テレビジョン信号処理方法、伝送システムおよびビユーア拡張装置 - Google Patents

Abstract

本発明は空間的光変調器とカラーホイールを使用して立体映像テレビジョンまたはプロジェクタを形成するテレビジョンまたはプロジェクタの低コストの拡張方法を提供する。それはカラーホイールに付加された偏光材料を使用し、立体映像ディスプレイの左眼と右眼の観察のシーケンスを同期するためにカラーホイールのカラーセグメントの同期を使用する。カラーホイール上の受動的偏光材料（直線および／または円形偏光）を使用することにより、受動的偏光眼鏡が使用されることができる。典型的なカラーホイールはビデオフレーム速度の多数倍の速度で回転するためフリッカーのない立体映像ディスプレイが実現される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２つのビデオ流を標準的なビデオの単一流に組合わせるために使用される方法に関する。特に、本発明は、標準的な２つのビデオ流を組合わせて標準的な単一のビデオ流を占有させ、種々の方法で観察者の体験を強化させる手段を提供する方法に関する。

この出願は、２００４年５月７日に出願された米国特許出願１０／８４０６５８号（発明の名称：立体テレビジョン信号処理方法、送信システムおよび観察強化）の継続出願であり、その明細書の全てはここで参考文献とされる。
この出願は、２００３年５月７日に出願された米国特許出願６０／４６８２６０号（発明の名称：立体３ＤＴＶシステム：エンド・ツー・エンド方法）の優先権を有し、その明細書の全てはここで参考文献とされる。

ＤＭＤ（デジタルマイクロミラー装置）のような単一チップの空間的光変調器に基づいたＴＶまたはプロジェクタは、典型的に非常に高速のインターリーブノシーケンスでスクリーン上に赤、緑、青の原色を生成するカラーホイールを使用する。カラーホイールはモータに取付けられたカラーのアーク状セグメントを含む光学・機械装置であり、それは特定された速度、典型的にはビデオフレーム速度の多数倍の速度で回転する。白色光がカラーホイールに照準され、それは赤、緑、青の光を濾光して通過させる。それらのカラーの光はＤＭＤチップ上に投影され、そのＤＭＤチップは各カラーに対する輝度に基づいて各画素の強度を変調してスクリーン上に表示させる。典型的なカラーホイールの回転速度は各フレーム（またはフィールド）の速度の４乃至６倍であり、そのため観察者はカラーシーケンスを観察することはできないで、脳がこれらのサブフレームを単一のフルカラー画像として集積する。単一の空間的光変調器と単一の白色光源をカラーホイールと組合わせて使用することによりテレビジョンまたはプロジェクタの全体のコストは減少される。

典型的なカラーホイールはまた多数のＲＧＢ（赤、緑、青）セグメントまたはＲＧＢグループを有しており、使用される異なったサブフレーム速度に対する対応を簡単にすることができる。
テレビジョンで立体映像を表示する種々の手段については種々の従来技術が知られており、その中にはフィールド順次シャッター方式、二重投影方法、レンチキュラその他の光学的方法、電子的に制御された液晶偏光フィルタを使用する交叉偏光方法等の方法が含まれている。

これらの方法は、コスト或いは“シャッター”効果のような種々のの制約があるが、本発明は特定のテレビジョン装置およびプロジェクタの既存の能力を利用して良好な品質の立体映像のディスプレイを提供する。

現時点ではＤＭＤのような空間的光変調器に基づいたテレビジョン装置およびプロジェクタは他のテレビジョン技術の装置よりも長い動作寿命を有しており、本発明者は、ＤＭＤは新しいテレビジョンの事実上の標準方式となり、本発明によって立体的な“３次元能力”を与えることができると期待している。

本発明は、ＤＭＤのような空間的光変調器に基づいたテレビジョンのカラーホイールに偏光材料の層を付加し、ビデオフレーム速度よりも速い速度で左眼と右眼の迅速なインターリーブを行うように動作するサブフレームを使用することによって、単一のスクリーンからなる立体的な３次元ディスプレイを生成する。カラーホイールと共同する空間的光変調器は、各フレームの原色サブフレームのみならず、スクリーン上に表示される左眼と右眼のサブフレームをインターリーブするためのシャッターを生成する。それ故、カラーホイールはこの発明ではカラー／偏光ホイールと考えることができる。

カラーホイールのカラーセグメントの同期は立体的ディスプレイの左眼と右眼の観察のシーケンスを同期させるために使用される。受動的な偏光材料（直線偏光および／または円偏光）がカラーホイールに層として付加されてスクリーン上の偏光された原色サブフレームを生成する。

受動的な偏光眼鏡がこのスクリーンを観察する観察者に装着され、偏光フィルタを使用して偏光された光を分離してそれぞれの眼が左眼と右眼の観察する情景を見ることができる。
典型的なカラーホイールはビデオフレーム当たり多数回回転し、多数のＲＧＢ（赤、緑、青）セグメントまたはＲＧＢグループを有しており、それ故フリッカーのない立体表示が実現できる。

本発明は、従来技術の既存の素子を利用し、これらの既存の素子を拡張して立体的な３次元ディスプレイを生成する。

前述した要求は本発明によって大部分満足され、１特徴ではいくつかの実施形態で装置が提供される。
したがって、詳細な説明により本発明をもっとよく理解し、その技術に対する本発明の影響をより良好に認識できるように本発明の実施形態が概括的に説明される。もちろん、以下説明するような特許請求の範囲の主題を形成する付加的な実施形態も存在する。

この観点で、本発明の１以上の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、この明細書に記載されている構造の詳細や以下の説明および添付図面に示されているコンポーネントの配置に限定されないことを理解すべきである。本発明はここに記載されたものに付加された実施形態で、および種々の方法で実用化され、実施されることができる。この明細書で使用されている文章および用語ならびに要約は説明のためのものであり、技術的範囲を限定するものではないことを理解すべきである。

したがって、当業者は、この開示に基づいた概念が、本発明のいくつかの目的を実行するために他の構造、方法およびシステムの設計のベースに容易に利用されることができることを認識すべきである。それ故、そのような等価な構造は本発明の精神および技術的範囲を逸脱しない限り特許請求の範囲に含まれるべきものである。

本発明をさらによく理解するために、例示として添付図面を参照にして以下詳細に説明する。
サブフレームとして図２のａ乃至ｃに示されているようにスクリーン上に別々に赤、緑、青の原色を生成するようにカラーホイールを使用するテレビジョンまたはプロジェクタに基づいた単一チップ空間的光変調器（ＤＭＤ：デジタルマイクロミラー装置、テキサスインスツルメント社によるＤＬＰ技術）は、非常に高速のサブフレームインターリーブを生成する。

ＤＭＤは本発明に対する１例として使用されているが、ＧＬＶ（格子光バルブ）のような他の技術が空間的光変調器の代りに使用されることも可能である。

ＤＭＤは、サブフレームの各画素が２つの状態、“オン”および“オフ”を有する関連するミラーにより生成されるように使用される装置である。“オン”および“オフ”の時間はＤＭＤのサポート回路により生成されるパルス幅変調によって制御され、それによって画素の強度、すなわち輝度は、ビデオの各フレーム内のその関連する原色のカラーに対する全てのサブフレームにわたる平均された“オン”時間に比例している。

図１に示されているカラーホイールは光学機械的装置であり、モータに取付けられた複数の原色のカラーのアーク状のセグメントを含みフレーム速度の多数倍の速度で回転する。白色光がカラーホイールに指向されると赤、緑、青の光が濾光されて通過される。それらのカラー光はその後ＤＭＤチップ上に投影されて各カラーの輝度に基づいて各画素に対して強度変調が行なわれ、図２のｄのようにスクリーン上に結合されたフルカラーのフレームを生成するためには、ビデオのフレーム（図２のａ乃至ｃ）当たり３つのサブフレームが必要である。

観察者にサブフレームのカラーシーケンスが見えることを阻止するために、カラーホイールはフレーム速度の多数倍で、典型的には４乃至６倍の速度で回転される。カラーホイールはまた、典型的には毎秒３０または６０フレームの変化するフレーム速度に適合し、その一方で一定の回転速度を維持し、また回転速度を減少させるために、多数の、典型的には２またはそれ以上の偶数のＲＧＢグループを有している。

それ故、３０ｆｐｓのビデオを生成するためにテレビジョンベースのＤＭＤでは、
(30fps)×( 3RGB Arcs) × (カラーホイール当たり2RGBグループ）×(4回転）
＝毎秒720 サブフレーム
立体用では、ＲＧＢグループは左眼と右眼の割当てのために偶数に分割され、それにより上記の計算から毎秒３６０サブフレームが各眼に対して与えられる。換言すれば、１２０のフルカラーＲＧＢフレームが各眼に対して与えられる。

図３は６個のアーク状サブフレームから形成された偏光層を示しており、また、各アーク状セグメントの偏光方向を示すために分解図で示されている。これらの偏光アーク状セグメントはカラーホイールのカラーサブフレームと一致した形状および寸法を有している。３個の隣接した偏光材料のアーク状セグメントは左眼の観察に対するものであり、次の３個の隣接した偏光材料のアーク状セグメントは交叉偏光された方向で見た右眼の観察に対するものである。

全ての偏光アーク状セグメントは結合されて偏光材料の単一の層を形成している。アーク状セグメントは回転軸を中心として対称に配置され、ホイールが回転して光が各隣接するアーク状セグメントを通過するとき、同じ偏光方向がそれぞれ左眼および右眼の観察に対する３つの偏光アーク状セグメントのそれぞれに対して存在するように図３で陰線の方向で示されるように整列されている。

各眼に対する偏光方向は交叉偏光である必要がある。偏光材料が直線偏光されている本発明の１実施形態では、第２の偏光方向は第１の偏光方向に対して垂直である。偏光材料が円偏光されている本発明の別の実施形態では、第２の偏光方向は第１の偏光方向に対して反対の方向である。

図３の偏光層は図１のカラーホイール層と結合されて各層のアーク状セグメントが積層されてそれにより２つの積層されたカラー／偏光ホイールが生成される。図４に示されているように、隣接するＲＧＢアーク状セグメントの一つのＲＧＢグループは左眼の観察のための偏光方向で整列され、第２のＲＧＢグループは右眼の観察のための偏光方向で整列される。

本発明で説明したカラー／偏光ホイールはＤＭＤと共同してスクリーン上の原色映像を生成するためのシャッターとなり、同時にスクリーン上のこれらのカラーの偏光光を生成するためのシャッターとなる。
それ故偏光された原色サブフレームはフレーム速度の多数倍でスクリーン上に生成される。

以下の表は、ビデオの単一フレーム中に４回回転したときの６セグメントのカラーホイールについての、したがって２４サブフレームについてのカラー／偏光ホイールを通過する濾光された光のシーケンスの典型的な１例を示している。この例はテレビジョンまたはプロジェクタベースのＤＭＤの典型的な速度である。

１） 第１回転 赤 セグメントＲ１ 図１と図２のａ 左眼 偏光
２） 第１回転 緑 セグメントＧ１ 図１と図２のｂ 左眼 偏光
３） 第１回転 青 セグメントＢ１ 図１と図２のｃ 左眼 偏光
４） 第１回転 赤 セグメントＲ２ 図１と図２のａ 右眼 偏光
５） 第１回転 緑 セグメントＧ２ 図１と図２のｂ 右眼 偏光
６） 第１回転 青 セグメントＢ２ 図１と図２のｃ 右眼 偏光
７） 第２回転 赤 セグメントＲ１ 図１と図２のａ 左眼 偏光
８） 第２回転 緑 セグメントＧ１ 図１と図２のｂ 左眼 偏光
９） 第２回転 青 セグメントＢ１ 図１と図２のｃ 左眼 偏光
１０）第２回転 赤 セグメントＲ２ 図１と図２のａ 右眼 偏光
１１）第１回転 緑 セグメントＧ２ 図１と図２のｂ 右眼 偏光
１２）第１回転 青 セグメントＢ２ 図１と図２のｃ 右眼 偏光
１３）第３回転 赤 セグメントＲ１ 図１と図２のａ 左眼 偏光
１４）第３回転 緑 セグメントＧ１ 図１と図２のｂ 左眼 偏光
１５）第３回転 青 セグメントＢ１ 図１と図２のｃ 左眼 偏光
１６）第３回転 赤 セグメントＲ２ 図１と図２のａ 右眼 偏光
１７）第３回転 緑 セグメントＧ２ 図１と図２のｂ 右眼 偏光
１８）第３回転 青 セグメントＢ２ 図１と図２のｃ 右眼 偏光
１９）第４回転 赤 セグメントＲ１ 図１と図２のａ 左眼 偏光
２０）第４回転 緑 セグメントＧ１ 図１と図２のｂ 左眼 偏光
２１）第４回転 青 セグメントＢ１ 図１と図２のｃ 左眼 偏光
２２）第４回転 赤 セグメントＲ２ 図１と図２のａ 右眼 偏光
２３）第４回転 緑 セグメントＧ２ 図１と図２のｂ 右眼 偏光
２４）第４回転 青 セグメントＢ２ 図１と図２のｃ 右眼 偏光
この表に示された例のカラーホイールはビデオのフレーム当たり４回回転し、カラーホイールは２つのＲＧＢグループから構成されているから、各眼に対して結果的に生成されるフレーム速度は、毎秒３０フレームのビデオ入力フレーム速度であると仮定すると、毎秒１２０フレームである。

この多サブフレーム生成はＤＭＤによりすでに行なわれており、通常の“２次元”ビデオに対するチップをサポートする。本発明はこの既存のサブフレームインターリーブ原理を使用して、シャッター眼鏡を必要としない立体“３次元”を生成する。受動的な偏光眼鏡だけしか必要とされない。

ＲＧＢカラーシーケンスの生成はＤＭＤサポート回路を使用しているＤＭＤと同期される。この同期はカラーホイールの回転をサブフレームと同期させ、関連するカラーセグメントが濾光されるべき白色光のビームを横切るとき、各原色に対してＤＭＤに生じさせ、最終的に入来しているビデオ信号に同期される。

ＤＭＤサポート回路は典型的に、関連するメモリバッファ中にあるビデオの各フルフレームから必要な多数のサブフレームを生成する。
本発明の１実施形態では、このメモリバッファは大きさが２倍にされ、その容量はフレームの左眼と右眼の立体的フレーム対のためのビデオの２つのフレームに適合できるようにされ、各交互のＲＧＢグループを読取るときに切換えられる。メモリは入力データバスが２倍のデータ速度を有する場合にＦＩＦＯ配置で負荷される必要がある。

本発明の別の実施形態では、ビデオの２つのフレームを保持するために充分のメモリ容量がある場合に、ＤＭＤに送られるパルス幅変調信号は各関連するカラーに対する各サブフレーム横切って均等に広がる代りに、左眼と右眼のサブフレームに対して別々のグループで割当てられる。この技術は各カラーのビット深さの１つの最小桁ビットを失う。典型的なＤＭＤは画素当たりカラー当たり１０ビットを有する容量を有しており、それ故これは９ビットになる。これはＤＭＤサポート回路中のファームウエアにより行うことができる。

本発明の別の実施形態では、ＤＭＤのサポート回路はメモリ中により高い解像度の映像フレームを記憶することができ、それは左眼と右眼のフレームの立体対からなる２つのもっと小さい（低い解像度の）フレーム間で空間的に多重化される。ＤＭＤに対する入力は左眼と右眼の映像からなる低い解像度のサブフレームにより与えられ、さらに高い解像度が可能なメモリの利点が得られることを除けば本発明と調和しており、また立体対は対として維持され、単一のタイルされたフレームが立体対を保持する。この拡張された実施形態はまた、移送または記憶のために単一のビデオ流として符号化される単一の高い解像度のタイルされたフレームを可能にする利点を有している。

本発明の別の実施形態では、２組の同一のＤＭＤサポート回路があり、それぞれ自分の関連するメモリバッファを備えている。その１つの組は左眼の観察に専用であり、他の１つの組は右眼の観察に専用である。これら２組のサポート回路はその後単一のＤＭＤ装置に多重化され、互いにロックされる必要のあるいる立体映像流に同期される。

このＤＭＤベースの立体ディスプレイの光路は、典型的に“光パイプ”に集束された白色光のビームとしてスタートし、それは回転するカラー／偏光ホイールを照射し、そのホイールはそこを通過する光の原色カラーを濾光し、偏光方向を規定する。この光はＤＭＤの表面に入射し、ＤＭＤの表面はパルス幅変調により制御される振動ミラーのアレイによってカバーされている。そのＤＭＤから反射された光は一連のレンズを通過して映像を拡大してスクリーンの表面で必要とされる所望の大きさにする。

スクリーンは、後方投影型であるか前方投影型であるかにより、透過または入射する光の偏光特性を変更させない材料で形成される必要がある。

スクリーンは通常のテレビジョンとして観察され、“立体３次元”モードが可能であるときには、観察者は１対の交叉偏光された受動眼鏡を装着する必要があり、それによって各眼は、カラーホイールにより発生された偏光と一致したそれぞれ左眼と右眼の映像を観察する。

本発明は既存の特定のテレビジョンまたはプロジェクタの能力を利用して低コストで良好な品質の立体３次元ディスプレイを生成することができる。

本発明の多くの特徴および利点は詳細な説明から明らかであり、したがって、特許請求の範囲により本発明の精神および技術的範囲に含まれる本発明の特徴および利点の全てをカバーすることが意図されている。さらに、当業者は多くの変形、変更を容易に行うことが可能であるから、本発明を図示され、例示された構造および動作に正確に限定することを望むものではなく、適切な偏光および均等な構成は本発明の技術的範囲に含まれるであろう。

２個の赤セグメントと、２個の緑セグメントと、２個の青セグメントからなる６セグメント（すなわち２ＲＧＴＢグループ）のカラーホイールを示す図。 白色光がカラーホイールの赤セグメントと、緑セグメントと、青セグメントとを通過するときスクリーン上に生成される赤、緑、青の映像と、赤、緑、青の映像がスクリーン上で急速な連続した発生により観察者がフルカラーの映像としてこれらの集積された映像を観察できるスクリーン上で観察者が観察する映像との図。 カラーホイールのカラーセグメントに一致する形状および寸法の６個のセグメントで形成された層を示す図。 カラーホイール層が偏光層と結合されて２つの積層されて生成されたカラー／偏光ホイールを示す図。

Claims (15)

1. ＤＭＤ（デジタルマイクロミラー装置）のような単一の空間的光変調器を使用するテレビジョン装置またはプロジェクタの回転するカラーホイールを使用して立体的３次元テレビジョン映像を生成する方法。
2. 前記カラーホイールのカラーセグメントに付加する層として偏光材料を組合わせる請求項１記載の方法。
3. 前記偏光材料は通過する光の直線偏光または円偏光フィルタとして使用される請求項２記載の方法。
4. 前記カラーホイールのカラーセグメントの単一の層は、偏光材料の単一層と積層されてカラーと偏光との二重層ホイールとして形成されている請求項２記載の方法。
5. 偏光材料は、前記カラーホイールの各カラーセグメントと重ねられてそれと形状の一致しているセグメントとして生成されている請求項２記載の方法。
6. カラーホイールの、通常赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂである３つの隣接するセグメントをＲＧＢグループとして、カラーホイールは偶数個のＲＧＢグループから構成され、第１のＲＧＢグループ上に重ねられた偏光層は左眼の観察に対して割当てられ、次のＲＧＢグループ上に重ねられた偏光層は右眼の観察に対して割当てられ、カラーホイールが２よりも多くのＲＧＢグループから構成されている場合には全てのＲＧＢグループがカバーされるまで偏光層は左眼と右眼の観察の割当ての間で切換えられる請求項５記載の方法。
7. 偏光の方向は各ＲＧＢグループの期間中維持され、それによりカラー兼偏光ホイールが回転されているとき１つのＲＧＢグループ内の各セグメントを通過する光は同じ偏光方向を有している請求項６記載の方法。
8. 左眼の観察に対する偏光材料は１つの方向の直線偏光であり、右眼の観察に対する偏光材料はそれと交叉する偏光またはそれに対して垂直方向の直線偏光であり、光源は偏光されていない請求項６記載の方法。
9. 左眼の観察に対する偏光材料は１つの方向に円偏光されており、右眼の観察に対する偏光材料は交叉する偏光または反対方向の円偏光であり、光源は最初は直線偏光である請求項６記載の方法。
10. 原色のカラー映像をスクリーン上に生成するシャッターとなり、スクリーン上にこれらのカラーの偏光された光を生成するシャッターとなっているカラー兼偏光ホイールをシャッターとして使用する方法。
11. 空間的光変調器のサポート回路を使用してサブフレームとして左眼および右眼のデジタル映像を受取る請求項１０記載の方法。
12. カラー映像はサブフレームがカラーがインターリーブされ、サブフレームの偏光方向がインターリーブされてスクリーン上に生成される請求項１１記載の方法。
13. 投影される光の偏光の性質を変化させないように構成されている単一のスクリーン上へ互いに交叉偏光された２つの異なる映像を投影して表示する方法。
14. 観察者は受動的な交叉偏光眼鏡を装着して生成された立体映像を観察する請求項１３記載の方法。
15. 赤Ｒ、緑Ｇ、青ＢよりなるＲＧＢグループまたはシーケンスが白色光Ｗのセグメントを含むＲＧＢＷグループまたはシーケンスによって置換され、カラーホイールの交互の白色セグメントが交互の偏光方向の偏光材料と重ねられている白色セグメントを含む白色光と両立させて表示する方法。

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