JP2009080144A - 立体映像表示装置および立体映像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視域が広くかつ視差数が多くても、観察位置によらず左右眼に輝度差が生じない立体映像表示装置および立体映像表示方法を提供することを可能にする。
【解決手段】画素が縦方向および横方向にマトリクス状に配列された要素画像表示部１０と、要素画像表示部に対向して設置され、縦方向に延びる直線状光学的開口部が横方向に配列される光線制御素子２０と、各光学的開口部に対応する各要素画像において、要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジを、要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定する輝度補正処理部と、を備えている。
【選択図】図８

Description

本発明は、立体映像表示装置および立体映像表示方法に関する。

動画表示が可能な立体視画像表示装置、所謂３次元ディスプレイには、種々の方式が知られている。近年、特にフラットパネルタイプで且つ専用の眼鏡等を必要としない方式の要望が高くなっている。このタイプの立体動画表示装置のうち、ホログラフィの原理を利用する方式はフルカラー動画の実現が難しいが、直視型或いは投射型の液晶表示装置やプラズマ表示装置などのような画素位置が固定されている表示パネル（表示装置）の直前に表示パネルからの光線を制御して観察者に向ける光線制御素子を設置する方式は比較的容易に実現できる。

光線制御素子は、一般的にはパララクスバリア或いは視差バリアとも称せられ、光線制御素子上の同一位置でも角度により異なる画像が見えるように光線を制御している。具体的には、左右視差（水平視差）のみを与える場合には、スリット或いはレンチキュラーシート（シリンドリカルレンズアレイ）が用いられ、上下視差（垂直視差）も含める場合には、ピンホールアレイ或いはレンズアレイが用いられる。視差バリアを用いる方式にも、さらに２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式の超多眼条件）、インテグラルフォトグラフィー（以下、ＩＰとも云う）に分類される。これらの基本的な原理は、１００年程度前に発明され立体写真に用いられてきたものと実質上同一である。

このうちＩＰ方式は、視点位置の自由度が高く、楽に立体視できるという特徴がある。水平視差のみで垂直視差のない１次元ＩＰ方式では、非特許文献１に記載されているように、解像度の高い表示装置の実現も比較的容易である。これに対し、２眼方式や多眼方式では、立体視できる視点位置の範囲、すなわち視域が狭く、見にくいという問題があるが、立体画像表示装置としての構成としては最も単純であり、表示画像も簡単に作成できる。

このようなスリットアレイやレンチキュラーシートを用いた直視型裸眼立体映像表示装置においては、液晶パネルなどの要素画像表示部の視野角特性と、レンズへの入射角およびレンズ収差により、中央の視差ほど輝度が高くなっているため、正面以外では左右眼に輝度差が出てしまう。２眼方式においては視域が画面正面に限定されるためこの問題は発生しないが、視域が広く視差数の多いＩＰ方式や多眼方式においてこの問題が発生する。
ＳＩＤ０４ Ｄｉｇｅｓｔ １４３８ （２００４）

上述のように、視域が広く視差数の多い従来の立体映像表示装置にあっては、画面正面以外から観察した場合に左右眼において輝度差が発生するという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、視域が広くかつ視差数が多くても、観察位置によらず左右眼に輝度差が生じない立体映像表示装置および立体映像表示方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による立体映像表示装置は、画素が縦方向および横方向にマトリクス状に配列された要素画像表示部と、前記要素画像表示部に対向して設置され、縦方向に延びる直線状光学的開口部が横方向に配列される光線制御素子と、前記各光学的開口部に対応する各要素画像に対して、前記要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジを、前記要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定する輝度補正処理部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による立体映像表示方法は、画素が縦方向および横方向にマトリクス状に配列された要素画像表示部と、前記要素画像表示部に対向して設置され、縦方向に延びる直線状光学的開口部が横方向に配列される光線制御素子と、を備えている立体映像表示装置の立体映像表示方法において、
前記各光学的開口部に対応する各要素画像に対して、前記要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジを、前記要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定するステップを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、視域が広くかつ視差数が多くても、観察位置によらず左右眼に輝度差が生じない立体映像表示装置および立体映像表示方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による立体映像表示装置を図１に示す。図１は、本実施形態による立体映像表示装置１の左右方向の断面図である。要素画像表示部１０は液晶パネルであり、２枚のガラス基板１１ａ、１１ｂの間に画素面があり、ガラス基板１１ａ、１１ｂの外側には偏光板１２ａ、１２ｂが設けられている。液晶パネル１０の画素は、左右方向に３つの色成分（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の色成分）を持つサブ画素に分かれているものとする。光線制御素子２０はレンチキュラーシートである。レンチキュラーシート２０の１つのレンズに対応する画素群が１つの要素画像１５であり、この要素画像１５は、図１において６個のサブ画素列である。要素画像１５からの光線は、レンチキュラーシート２０のレンズを通して６方向に射出される。各方向の光は、ある程度の広がりを持ち、各画素に同一の明るさの画像を表示した場合、その角度に対する輝度分布（以下輝度プロファイルと称する）は、図１に示すような正規分布的な形状となる。これらの各方向の光線のうちいずれかが右眼、左眼に入射し、観察者は左右眼で異なる映像を見ることにより立体映像として認識する。

立体映像表示装置の視差方向ごとの輝度プロファイルの例を、視差数が９の場合の９方向の光線について図２、図３に示す。図２および図３において、横軸は角度を示し、縦軸は輝度を示している。図２に示す理想的な場合のように、各視差に相当する輝度プロファイルが一致していれば問題ないが、実際は図３に示す場合のように、中央の視差番号（要素画像の中央の画素からの光線）ほど輝度が高く、中央から外れた視差番号（要素画像の境界に近い画素からの光線）ほど輝度が低い傾向になる。これは、液晶パネルなどの要素画像表示部１０の視野角特性や、レンズ入射角の違いや収差が原因であり、視域角が広く視差数が多いほど顕著となる。観察者が画面の正面から見ている場合は、例えば、左右眼に１０４、１０６の光線が入射するため輝度差はないが、正面以外では例えば左右眼に１０２、１０４の光線が入射し輝度差が発生する。左右眼の輝度差は、立体像の認識において違和感をもたらす場合がある。なお、図２および図３において、θ_Ｒは右側の視域境界角度を示し、θ_Ｌは左側の視域境界角度を示している。

本実施形態による立体映像表示装置の要素画像表示部（液晶パネル）の輝度分布の例を図４に示す。図４において、横軸は角度、縦軸は輝度を表している。符号１５１は立体表示用の理想的な輝度分布を示し、視域角の範囲（右側の視域境界角度θ_Ｒと、左側の視域境界角度θ_Ｌとの間の範囲の角度）において一定となるが、このような輝度分布は実現困難である。符号１５２は、立体表示に適した輝度分布の一例であり、角度依存性はあるが、左右眼の位置でほぼ輝度差がないような分布である。このような輝度分布は、指向性切り替えバックライトを備えて輝度分布が時間平均される液晶パネルにおいて、対称性を考慮した設計を行えば、ある程度の特性のものは実現可能であるが、十分な特性を得ることは困難である。符号１５３は、標準的な液晶パネルの輝度分布である。符号１５４は、本実施形態による補正処理を行った場合の、要素画像中央部の画素の輝度分布である。本実施形態による補正処理を行った場合の、要素画像境界部の画素の輝度分布は符号１５３に示す分布となり、中央部と境界部の間の画素は、輝度分布１５４と輝度分布１５３との中間に段階的に変化するように設定される。

本実施形態による立体映像表示装置および表示方法の輝度補償処理の処理手順を図５乃至図６に示し、ブロック図を図７に示す。図５は、コンピュータグラフィクス（ＣＧ）のリアルタイム処理を含む立体表示方法の輝度補償処理を示している。まず予め、輝度の補正値の調整を行い（ステップＳ１）、輝度補償テーブルに格納しておく（ステップＳ２）。次に、立体オブジェクトデータから多視点画像を生成する段階（ステップＳ３）で、視点画像ごとに、輝度補償テーブルに従って画像の明るさのレンジを変化させ、インターリーブ状に並べ替え処理を行って要素画像アレイに変換する（ステップＳ４）。そして、要素画像アレイに変換された画像データを要素画像表示部１０に表示する（ステップＳ５）。輝度補償テーブルの補正係数の調整は、ソフトウェアのコントロールパネル画面やハードウェアの調整つまみなどで行ってもよい。

図６は、既存の多視点画像を基に立体映像を表示する場合の輝度補償処理を示すフローチャートである。この場合も、予め、輝度の補正値の調整を行い（ステップＳ１１）、輝度補償テーブルに格納しておく（ステップＳ１２）。次に、立体オブジェクトデータに基づいて、多視点画像を生成する（ステップＳ１３）。その後、各視点画像に対し輝度補償テーブルに基づいてフィルタ処理を行って画像の明るさのレンジを変化させ、インターリーブ状に並べ替え処理を行って要素画像アレイに変換する（ステップＳ１４）。そして、要素画像アレイに変換された画像データを要素画像表示部１０に表示する（ステップＳ１５）。図６に示す輝度補償処理は、実写画像や、すでに生成され保存されているＣＧ画像から立体映像を表示する場合に適している。

図７は、本実施形態による立体映像表示装置の輝度補正処理部の構成を示すブロック図であり、オブジェクトデータなど立体情報を含むデータを読み出すデータ入力部６１、データを基に多視点画像を生成する多視点画像生成部６３、多視点画像をインターリーブ状に並べ替える並べ替え処理部６４、および並べ替えにより生成された要素画像アレイを表示する要素画像表示部６５を備えている。補正値調整部６２は、図５に示す輝度補償処理を行う場合は、多視点画像生成部６３に接続され、図６に示す輝度補償処理を行う場合は、並べ替え処理部６４に接続される
次に、本実施形態による立体映像表示装置の視差番号ごとの輝度・色度補償テーブルの一例を図８に示す。中央の視差番号５に対する補正係数が最も小さく、両端の視差番号１，９に対する補正係数が最も大きくなるように設定されている。すなわち、要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジが、要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定され、かつ、要素画像の中央から要素画像の境界に向けて段階的に減少するように設定されている。明るさのレベルに補正係数を掛けることで、レンズ越しに観察される輝度プロファイルのピーク輝度は小さくなる。この補償テーブルをソフトウェア等により調整する手段を設ければ、明るさのレンジの調整が可能である。補正係数を色成分ごとに独立に設定すれば、輝度差に加え色度差の補償も可能である。

次に、本実施形態による立体映像表示装置のレンズ番号ごとの輝度・色度補償テーブルの一例を図９に示す。この例においては、図８に示す例の視差番号ごとの補償に加え、レンズ番号ごとの補償を行っている。これにより、画角に依存して観察者に認識される画面内の輝度分布（画面両端ほど暗く見える）を解消できる。すなわち、要素画像表示部１０の中央における各要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジは、要素画像表示部１０の左右端における各要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定される。この補償テーブルをソフトウェア等により調整する手段を設ければ、明るさのレンジの調整が可能である。補正係数を色成分ごとに独立に設定すれば、輝度差に加え色度差の補償も可能である。

次に、１次元ＩＰ方式や多眼方式による立体映像表示について図１０乃至図１３を用いて説明する。

図１０は、立体映像表示装置の全体を概略的に示す斜視図である。要素画像表示部１０は、前述のような開口部形状を有するサブ画素がマトリクス状に配列されたモザイクカラーフィルター配列の高精細液晶パネルモジュールである。カラーフィルター配列は、縦ストライプ、横ストライプなどであってもよい。要素画像表示部は、サブ画素開口部の形状およびカラー配列が前述の条件を満たすものであれば、プラズマ表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、電界放出型表示パネルなどであってもよく、種類は問わない。光線制御素子２０が、要素画像表示部１０に対向して設けられる。想定される観察者の位置は、視距離上の位置４４の近傍でかつ視域幅Ｗの範囲であり、水平画角４１、垂直画角４２の範囲で、光線制御素子２０の前面及び背面の近傍に立体映像を観察できる。視域幅Ｗは、右側の視域境界角度θ_Ｒと左側の視域境界角度θ_Ｌに対応する。

図１１（ａ）は、光線制御素子２０としてのレンチキュラーシート３３４の斜視図であり、図１１（ｂ）は、光線制御素子２０としてのスリットアレイ３３３の斜視図である。水平ピッチＰｓは、要素画像表示部の画素行方向に一致する方向のピッチである。レンズやスリットの延びる方向は、必ずしも垂直方向（縦方向、画素列方向）と同じでなくてもよく、斜め方向であってもよい。

図１２（ａ）、１２（ｂ）、１２（ｃ）は、図１０に示した立体映像表示装置の表示部を基準にして垂直面内及び水平面内における光線再生範囲を概略的に示す展開図である。図１２（ａ）は要素画像表示部１０および光線制御素子２０の正面図、図１２（ｂ）は立体映像表示装置の画像配置を示す平面図、図１２（ｃ）は立体映像表示装置の側面図を示す。図１０および図１１に示すように、立体映像表示装置は、液晶表示パネルなどの要素画像表示部１０及び光学的開口を有する光線制御素子２０を備えている。

図１２（ａ）、１２（ｂ）、１２（ｃ）において、光線制御素子２０と視距離面４３との間の視距離Ｌ、光線制御素子２０の水平ピッチＰｓ、光線制御素子２０と画素面とのギャップｄが定められれば、要素画像の水平ピッチＰｅが視距離面４３上の視点からアパーチャ（またはレンズ主点）中心を表示画面上に投影した間隔により決定される。符号４６は、視点位置と各アパーチャ中心とを結ぶ線を示し、視域幅Ｗは表示装置の表示面上で要素画像同士が重なり合わないという条件から決定される。平行光線の組を持つ条件の１次元ＩＰ方式の場合は、要素画像の水平ピッチの平均値が画素の水平ピッチの整数倍よりわずかに大きく、かつ光線制御素子２０の水平ピッチが画素の水平ピッチの整数倍に等しい。多眼方式の場合は、要素画像の水平ピッチが画素の水平ピッチの整数倍に等しく、かつ光線制御素子２０の水平ピッチが画素の水平ピッチの整数倍よりわずかに小さい。

図１３は、本実施形態による立体映像表示装置の一部分の構成を概略的に示す斜視図である。液晶パネルなどの平面状の要素画像表示部の前面に、シリンドリカルレンズアレイ（レンチキュラーシート）２０１が配置されている場合を示している。図１３に示されるように表示装置の表示面には、縦横比が３：１のサブ画素３１が横方向及び縦方向に夫々直線状にマトリクス状に配置され、各画素３１は、行方向および列方向に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）が交互に並ぶように配列されている。この色配列は、一般にモザイク配列と呼ばれる。サブ画素３１の開口部形状は、図１３に示す形状であるとする。９列３行のサブ画素３１で１立体表示時画素３２（黒枠で示されている）が構成される。このような表示部の構造では、立体表示時画素が２７サブ画素なので、水平方向に９視差を与える立体画像表示（立体映像表示）が可能となる。

以上の方法により、視域が広く視差数の多い立体映像表示装置において、いかなる観察位置からも左右眼の輝度差が解消され見やすさが向上する。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態による立体映像表示装置の左右方向の断面図。 立体映像表示装置における理想的な視差方向ごとの輝度プロファイルの例を示す図。 従来の立体映像表示装置における実際の視差方向ごとの輝度プロファイルの例を示す図。 一実施形態の立体映像表示装置における要素画像表示部の輝度分布を示す図。 一実施形態の立体映像表示装置における輝度補償処理手順の一例を示すフローチャート。 一実施形態の立体映像表示装置における輝度補償処理手順の他の例を示すフローチャート。 一実施形態の立体映像表示装置における輝度補償処理部の構成を示すブロック図。 一実施形態の立体映像表示装置における視差番号ごとの輝度・色度補償テーブルの一例を示す図。 一実施形態の立体映像表示装置におけるレンズ番号ごとの輝度・色度補償テーブルの一例を示す図。 立体映像表示装置の全体構成を概略的に示す斜視図。 立体映像表示装置に用いられる光線制御素子を概略的に示す斜視図である。 立体映像表示装置の全体構成を概略的に示す展開図。 立体映像表示装置の一部の構成を概略的に示す斜視図。

符号の説明

１０ 要素画像表示部
１１ａ、１１ｂ ガラス基板
１２ａ、１２ｂ 偏光板
１５ 要素画像
２０ 光線制御素子
３１ サブ画素
３２ 立体映像表示時の実効画素
３４ サブ画素の開口部
４１ 水平方向の視角
４２ 垂直方向の視角
４３ 視距離面
４４ 観察者の想定位置
４６ 視点とアパーチャ中心（レンズ主点）を結ぶ線
２０１ レンチキュラーシートの一部
３３３ スリット
３３４ レンチキュラーシート

Claims (6)

1. 画素が縦方向および横方向にマトリクス状に配列された要素画像表示部と、
   前記要素画像表示部に対向して設置され、縦方向に延びる直線状光学的開口部が横方向に配列される光線制御素子と、
   前記各光学的開口部に対応する各要素画像に対して、前記要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジを、前記要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定する輝度補正処理部と、
   を備えたことを特徴とする立体映像表示装置。
2. 前記明るさのレンジは、前記要素画像の境界から前記要素画像の中央に向けて段階的に減少することを特徴とする請求項１記載の立体映像表示装置。
3. 前記要素画像表示部の中央における前記要素画像のそれぞれの中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジは、前記要素画像表示部の左右端における前記要素画像のそれぞれの中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定されることを特徴とする請求項１記載の立体映像表示装置。
4. 前記明るさのレンジを調整する調整部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の立体画像表示装置。
5. 前記明るさのレンジの増減が色成分の画素ごとに異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の立体画像表示装置。
6. 画素が縦方向および横方向にマトリクス状に配列された要素画像表示部と、
   前記要素画像表示部に対向して設置され、縦方向に延びる直線状光学的開口部が横方向に配列される光線制御素子と、
   を備えている立体映像表示装置の立体映像表示方法において、
   前記各光学的開口部に対応する各要素画像に対して、前記要素画像の中央に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジを、前記要素画像の境界に位置する画素に表示される画像の明るさのレンジより小さく設定するステップを備えたことを特徴とする表示方法。

Images