JP3229866B2 - 多視点3次元映像表示システム - Google Patents
多視点3次元映像表示システムInfo
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Description
る2チャンネルの多視点(Multiview)映像を空間的に
統合することにより、各チャンネル内の多視点映像の数
を足した数だけの多視点映像を表示することができる、
眼鏡が不要な投射式多視点3次元映像表示システム(Pr
ojection Type Multiview 3-Dimensional Imaging Syst
em)及びこれの具現のための投射光学系の構造及び投射
レンズの規格に関するものである。
なり与えられた視域(Viewing Zone)内でのみ見ること
ができるため、この視域を形成させる光学的機構が必要
である。前記光学的な機構により形成される視域は、映
像表示素子の前面で一定距離離れた地域に分布されてい
るか、又は前半部の一定地域にのみ分布されている二つ
の場合があるが、後者は投射式3次元映像表示方式の場
合に主に該当し、前者は接触式の場合に主に該当する。
示素子による視域を光学的な方法により空間的に重ね合
わせることが可能である。視域の形態は多視点映像を表
示する方式に応じて異なる。3次元映像の形成のために
映像表示素子に表示される映像は、同一の物体を互いに
異なる方向から眺める2台以上のカメラで撮像された映
像を時間分割して秒当り必要フレーム率(Frame Rate)
で順次的に表示するものとか、各カメラの映像から表示
素子の一つの垂直画素線(Vertical Pixel Line)の位
置に対応する画素線を取って順次的に配列しておくもの
である。前者は時間分割方式(Time Division Multiple
xing)といい、後者は空間分割方式(Spatial Division
Multiplexing)という。
素子は各視点別映像の解像度(Resolution)のような解
像度を有し、多視点映像の数、Nでフリッカリング(Fl
ickering チラチラ)することなく、各視点映像を表示
するために必要な秒当りフレームの数をかけたフレーム
率で動作が可能でなければならない。例えば、8視点の
映像をフリッカリングすることなく表示する場合、一般
的なTVの画面明るさでは秒当り少なくとも30フレー
ム率で映像を表示しなければならないので、秒当り24
0フレーム率で動作する映像表示素子が必要である。
示する場合には、映像表示素子が多視点映像の数Nに各
視点映像の解像度(NTSC TV解像度を基準)をか
けただけの解像度を有しなければならないが、Nが4人
以上である場合を満足する画素を有する映像表示素子は
求め難い。ゆえに、各視点映像の解像度を視点映像数に
比例して低めて表示することが唯一の方法である。現在
時間分割方式を適用することができる映像表示素子とし
てはCRT、DMD(Digital Micromirror Device)及
びFerroelectric LCDがあるが、解像度や使用者の利
用側面でCRTが最もよい特性を有している。
能な多視点映像の数は28であるが、これは商用化され
ておらず、商用化されているものは最大8視点映像をN
TSC TVの解像度で表示することができる。この視
点数を超える視点数の映像を表示するためには、根本的
に高速応答特性を有する新たな表示素子の開発が必要で
あるが、これは、空間分割方式で要求する高解像度(Hi
gh Resolution)の平板表示素子(Flat Display Devic
e)を開発するより更にたくさんの時間と予算が所要さ
れる。この問題を解決したい。
うな根本的な問題解決の代わりに、現在使用可能な映像
表示素子を利用してこの映像表示素子の表示可能な視点
映像数より大きい数の多視点映像を表示することができ
る方法中の一として、多数のチャンネルでそれぞれ異な
る方向の多視点映像を表示する多視点映像チャンネルを
空間的に一つにして組み合わせる方式を提案する。
使用した二つの時間分割多視点映像をそれぞれチャンネ
ル化し、各チャンネルによる視域(Viewing Zone)が空
間的に一つの連続視域によるように組み合わせるように
することによって、各チャンネルによる表示可能な多視
点映像数の2倍となる多視点映像を表示することができ
る3次元多視点映像表示システム及び投射用対物レンズ
(Projection Objective)の構造に関するものである。
を詳細に説明することにする。眼鏡が必要でない投射式
多視点3次元映像表示システム及びこれの具現のための
投射レンズの規格を開示する。
基づいた投射式多視点3次元映像表示システムの動作原
理を示す平面図及び側面図である。映像表示素子(1)
に表示された映像(2)は、投射レンズ(Projection O
bjective)(4)及び前記投射レンズ(4)の出力開口
(Exit Pupil)に位置したLCDのような電子光学的シ
ャッター(Electro-Optical Shutter)(5)を通じて
映像投射スクリーン(3)に投射される。電子光学的シ
ャッター(5)は、多視点映像数と同一数の帯型シャッ
ター(Strip Type Shutter)で構成され、各帯型シャッ
ターは自らに対応する視点の映像が表示素子(1)上に
示されるときだけ透明(Transparent)になり、他の視
点映像が表示されるときには不透明(Opaque)になるシ
ャッターの開閉(ON/OFF)動作を行い、この動作
は、表示素子(1)上の多視点映像表示順序と同期され
ている。
ターは、投射レンズ(4)の出力開口を多視点映像の数
と同じだけ一定率に分割している。映像投射スクリーン
(Image Projection Screen)(3)は、視域を形成す
る光学機構の役割もする。映像投射スクリーン(3)
は、電子光学的シャッター(5)の映像を空間に形成さ
せ、これが視域(6a〜6n)の役割を行うようにす
る。映像投射スクリーン(3)がホログラフィックスク
リーンである場合は、電子光学的シャッター(5)の映
像を一定間隔で空間に分布させて複数個の視域(6a〜
6n)を作ることができる。
ッターにより分割されている。映像表示素子(1)に表
示される多視点映像は、多視点カメラ(7)又はコンピ
ュータ(8)により作られ、信号変換器(Signal Conve
rter)(9)により時間分割されることになる。電子光
学的シャッター(5)は、信号変換器(9)により多視
点映像の表示順序と同期され制御されるシャッター駆動
器(Shutter Driver)(10)により駆動される。
ッター(5)の形態を図示する図面である。電子光学的
シャッター(5)は多視点映像の数、Nと同じ数の帯型
シャッター(11)で構成されており、各帯型シャッタ
ーは最小間隔(12)に分割されている。
示素子をダイクロイックビーム分割器(Dichroic Beam
Splitter)で一つにまとめて一つの投射レンズを通じて
映像投射スクリーンに投射することによって、天然色を
表現することができる、一つの投射レンズを使用する多
視点3次元映像表示システムである〔「Color in Elect
ronic Disply」, Ed.s H. Widdel and D. L. Post, Ple
num Press, New York,1992〕。映像投射部(18)は、
三原色映像表示素子(13)及び上記表示素子の映像を
一つに結合するダイクロイックビーム分割器(15)で
構成されている。
緑色(13b)及び青色(13c)表示素子は、ダイク
ロイックビーム分割器(15)の三面に位置し、三原色
表示素子のそれぞれに表示された色相別映像(14a、
14b、14c)は、ダイクロイックビーム分割器(1
5)により一つの映像に統合され、ダイクロイックビー
ム分割器(15)で映像表示素子(13)が置かれてい
ない他の一面を通じてその前に置かれた投射レンズ(1
6)及びその投射レンズ(16)の出力開口に置かれた
電子光学的シャッター(17)を通じてスクリーン
(3)に投射される〔Jung-Young Son, Victor G. Koma
r, You-Seek Chun, Sergei Sabo, Victor Mayorov, L.
Balasny, S. Belyaev, Mihail Semin, M. Krutik, and
Hyung-Wook Jeon, 「A Multiview 3 Dimensional Image
ing System With Full Color Capabilities,」SPIE Pro
c. of Stereoscopic Displays and Applications VIII
in Electronic Imaging '98, San Jose, USA. pp. (Ja
n. 24-30, 1998). 3295A-31〕。
システムは、映像投射スクリーン及び映像投射部を含
み、前記映像投射部は、時間分割方式により2チャンネ
ルの多視点映像をそれぞれ発生させる二つの映像投射部
(18a、18b)と、前記2チャンネルの多視点映像
を反射するための二つの反射面(19a、19b)を有
する一つの2面フォルドミラー(19)、多数の帯型シ
ャッター(20)とで構成され、前記時間分割された多
視点映像を各視点に該当する映像毎にそれぞれの帯型シ
ャッターで透過させる一つの電子光学的シャッター、及
び前記電子光学的シャッターを透過した映像を前記映像
投射スクリーンに投射させる一つの投射レンズが順に配
列され、前記映像投射部の映像を前記映像投射スクリー
ンに投射する。
り発生される2チャンネルの多視点映像は、前記2面フ
ォルドミラー(19)の二つの反射面〔図4(a)及び
(b)参照〕で各々反射され、それぞれのチャンネルに
対応する視域が重複されることなく一つの視域内で並列
配置されることによって、各チャンネル内の多視点映像
の数を足しただけの多視点映像を表示することができる
ようになる。前記2面フォルドミラーは、その二つの反
射面が交わる境界線が前記電子光学的シャッター(2
0)の中心線(21b)と向かい合って対称に位置し、
前記電子光学的シャッターを左右に折半し、前記2面フ
ォルドミラーの折曲げ角は左右に折半された前記電子光
学的シャッターの各部分が前記フォルドミラーのそれぞ
れの反射面から反射された映像だけを透過させる角度を
有するのが望ましい。
の映像投射部それぞれで発生される時間分割映像の数の
うちで大きい方の数の2倍の帯型シャッターで構成さ
れ、前記電子光学的シャッターの中心線(21b)に対
して互いに対称の前記帯型シャッターは開閉(ON/O
FF)が互いに同期され同時に行われ、前記電子光学的
シャッターの帯型シャッターの開閉(ON/OFF)順
序は、内側から外側、又は外側から内側に順次的に行わ
れるのが望ましい。
ネル多視点3次元映像システムを図示した図面である。
図4に図示されたとおり、二つの映像投射部(18a、
18b)を2面フォルドミラー(Two Fold Mirror)
(19)−『前面2面フォルドミラー(19)は二つの
反射面(19a、19b)を含み、前記二つの反射面を
外側に一定角度で折り曲げられている』−の左右側にそ
れぞれ配置し、右側映像投射部(18a)の映像は、2
面フォルドミラー(19)の右側反射面(19a)で反
射され、左側映像投射部(18b)の映像は、2面フォ
ルドミラー(19)の左側反射面(19b)で反射さ
れ、液晶のような電子光学的シャッター(20)及び投
射レンズ(25)を介して映像投射スクリーン(3)に
投射される。
ンズ(25)の入力開口(EntrancePupil)に位置し、
右側及び左側映像投射部(18a、18b)でそれぞれ
投射される時間分割映像の数のうちで大きな方の数の2
倍に該当するほど帯型シャッター(23)で構成されて
いるが、必要に応じて帯型シャッターの一部だけ動作さ
せて各映像投射部から発生される多視点映像の中で一部
だけを投射されることもできる。図4a、b及び図5
a、bに示すように、2面フォルドミラー(19)の曲
げられた境界面(21a)が電子光学的シャッター(2
0)の中央にある二つの帯型シャッター(23a、23
b)の境界線(21b)、すなわち、電子光学的シャッ
ター(20)の中心線(21b)と向かい合って対称に
置かれており、電子光学的シャッター(20)を左右に
分けている。
(Folding Angle)(22)は、2面フォルドミラー
(19)の曲げられた折曲げ線(21a)の左側にある
電子光学的シャッター(20b)が左側映像投射部(1
8b)からの映像だけを投射し、右側にある電子光学的
シャッター(20b)が右側映像投射部(18a)から
の映像だけを透過させるような角度を有する。投射レン
ズ(25)は、この投射レンズ(25)の入力開口に置
かれた電子光学的シャッター(20)の像(Image)が
自らの出力開口(24)に生ずるようにし、映像投射ス
クリーン(3)による出力開口(24)の像、すなわ
ち、視域が電子光沢的シャッター(20)により開閉さ
れるようにする。出力開口(24)に生成される電子光
学的シャッター(20)の像は収差(Aberration)を最
小化するために、その大きさが電子光学的シャッター
(20)の大きさとほぼ同一となっている。
投射スクリーン(3)により増幅され、視域内の帯型シ
ャッター像が互いに重複されるとか歪曲される(Distor
ted)ようになる。左・右側の電子光学的シャッター
(20a、20b)は、図1に図示されたように、映像
投射スクリーンにより一つの視域を形成することになる
ため、左・右側の映像投射部(18a、18b)の映像
を空間的に一つの視域内で並列配置するのと同様な役割
をする。すなわち、時間分割された二つの映像チャンネ
ルが空間的に隣り合って配列された電子光学的シャッタ
ーにより一つの映像投射チャンネル内で並列配置され
る。これは時間分割及び空間分割方式を併せた一種の時
空分割(Spatiotemporal Multiplexing)方式多視点3
次元映像表示と言える。
示する図面である。電子光学的シャッター(20)は図
5aに図示されたように、投射レンズ(25)の出力開
口(24)の形態及び大きさと同一の円形とすることも
でき、図5bで図示された如く水平方向の大きさが出力
開口(24)の直径と同じで上下方向は短くなった陸上
トラック(Field Track)のような形態とすることもで
き、又は必要に応じて投射レンズ(25)の出力開口
(24)の大きさを超えない範囲内で多数の形態を有す
ることができる。
ャッター(23)の動作順序を図示する図面である。帯
型シャッター(23)の動作順序は電子光学的シャッタ
ー(20)の中心線(21b)を中心に対称な左右側電
子光学的シャッター(20a、20b)の帯型シャッタ
ーが(A1,A2)→(B1,B2)→(C1,C2)
→ … →(M1,M2)順にONとなり、引き返して始
めの順序をそのまま繰返すか、(M1,M2)→(L
1,L2)→(K1,K2)→ … →(A1,A2)順
のように外側から内側に順次的にONとなり、再び繰り
返される二つの順序がある。各帯型シャッター対(Pai
r)(A1,A2)…(M1,M2)は互いに同期化さ
れ、ON/OFFが同時に行われることが原則であり、
(A1,B1,C1 … M1),(A2,B2,C2
… M2)の順、又はこの逆順に多視点映像の連続性が
なければならない。そうでない場合は、3次元映像の視
聴が不可能であるか隣りの視点映像と像が重複してしま
うといった問題が生ずる。
視点3次元映像表示システム構造を使用して実際の映像
システムを設計するための仕様(Specification)を、
映像投射スクリーンの焦点距離(Focal Length)がそれ
ぞれ1.4m及び2.0mである場合を仮定してまとめ
た。
1.4mである場合の仕様に符合する映像投射部を光学
設計プログラムであるDEMOS〔M. A. Gan, D. D. Z
hdanov, V. V. Novoselskiy, S. I. Ustinov, A. O. Fe
dorov, and I. S. Potyemin,「DEMOS: State of the ar
t Application Software for Design, Evaluation and
Modeling of Optical Systems」, Optical Engineerin
g, vol. 31, N4, pp.696-700, (1992)〕を使用して設計
した設計値である。前記設計値は色相収差(Chromatic
Aberration)、非点収差(Astigmatism)、曲率収差(F
ield of Curvature)、出力開口に形成される帯型シャ
ッター映像の歪(Distortion)等において、補償を考慮
した最適値である。
である場合は、表2のうち単にダイクロイック分割器で
2面フォルドミラーまでの距離が125mmから116mm
に減り、投射レンズの表面から映像投射スクリーンまで
の距離が1,780mmから2,632mmに増加すること
になる。その他の値は表2にある焦点距離が1.4mで
ある場合と同一である。一般的な映像投射のための投射
レンズは一つの映像投射から映像を映像投射スクリーン
に正確に投射するため、〔U.S. 特許No. 400139, 「Col
or Corrected Projection Lens」参照〕、本発明の2チ
ャンネル多視点3次元映像システムでは使用することが
できない。
像投射部の光線追跡(Ray Tracing)を図示する図面で
ある。映像投射部の一つの映像表示素子の映像表示面
(Image Display Surface)(26)の左側(27)、
中央(28)及び右側(29)からの光線(Ray)はダ
イクロイックビーム分割器(15)を介して、向かい合
う2面フォルドミラーの中で一つのフォルドミラー(1
9a)により反射され、電子光学的シャッター(20)
の右側部分(20a)を通過して、7個のレンズで組合
わせられた投射レンズ(25)を通過して、映像投射ス
クリーンの対応される位置に集められることになる。電
子光学的シャッター(20)の右側部分(20a)に対
応される出力開口(24)の位置は、光線(31)と投
射レンズ(25)の中心を介する光線(30)の延長線
が交わる地点(33)で電子光学的シャッター(20)
に平行に延びた線が光線(32)の延長線と合う点(3
4)との間に与えられる。
口で左側、右側及び中央の映像表示面で放射(emittin
g)される光線により形成される帯型シャッターの映像
を示した図面である。それぞれの位置に対応する帯型シ
ャッターの映像表示面の左側及び右側端、そして中央で
反射される光線により形成される3個の映像はほぼ誤差
なしに整合(Match)されることが判る。本発明の投射
レンズは色相に伴う幾何学的収差が垂直面(Meridional
Section)及び水平線(Sagittal Section)の全般に亙
って2.5mm以下となり、設計による映像視聴距離であ
る4.9m〜7m間には人の目の解像度以下となるた
め、この収差による映像歪(Image Blur)は人の目に認
知されない。
可能な映像表示素子で表示される2つの視分割多視点映
像をそれぞれチャンネル化して、各チャンネルによる視
域が空間的に一つの連続視域になるように合わせるよう
にすることによって、各チャンネルにより表示可能な多
視点映像数の2倍となる多視点映像を表示することがで
きる3次元多視点映像方式及びこれを具現するための投
射用対物レンズが具現される。
像投射スクリーンでホログラフィックスクリーンを使用
することによって、複数個の視域を形成することもでき
る。本発明の映像表示システムにて使用される映像投射
部は図3に図示されたようなダイクロイックビーム分割
器を利用した天然色映像投射部を使用して構成したが、
この他に任意の時間分割映像投射部を使用することがで
きる。
図示されたが、本発明の本質及び範囲を外れることな
く、形態及び微細な部分に関する変化が可能であるとい
うことが当業者に理解できるであろう。
示システムの動作原理を示した図面である。
表示システムを示した図面である。
元映像表示システムを示した図面であり、4bは部分拡
大図である。
示した図面である。
シャッターの動作順序を示した図面である。
線追跡を示した図面である。
ターの形態を図示した図面である。
Claims (7)
- 【請求項1】 無眼鏡式投射式多視点3次元映像表示シ
ステムにおいて、 映像投射スクリーン及び映像投射部を含み、前記映像投
射部は、時間分割方式により2チャンネルの多視点映像
をそれぞれ発生させる二つの映像投射部と、前記2チャ
ンネルの多視点映像を反射するための二つの反射面を有
する一つの2面フォルドミラーと、多数の帯型シャッタ
ーとで構成され、前記時間分割された多視点映像を各視
点に該当する映像毎にそれぞれの帯型シャッターで透過
させる電子光学的シャッター、及び前記電子光学的シャ
ッターを透過した映像を前記映像投射スクリーンに投射
させる一つの投射レンズが順に配列され、前記映像投射
部の映像を前記映像投射スクリーンに投射し、 前記二つの映像投射部で時間分割方式により発生される
2チャンネルの多視点映像を前記2面フォルドミラーの
二つの反射面で各々反射させることによって、それぞれ
のチャンネルに対応する視域が重複されることなく空間
的に一つの連続視域に合わせる時空分割方式により多視
点映像を表示することができる投射式多視点3次元映像
表示システム。 - 【請求項2】 前記2面フォルドミラーは、その二つの
反射面が交わる境界線が前記電子光学的シャッターの中
心線と向かい合って対称に位置して前記電子光学的シャ
ッターを左右に折半しており、前記2面フォルドミラー
の折曲げ角は左右に折半された前記電子光学的シャッタ
ーの各部分が前記2面フォルドミラーのそれぞれの面か
ら反射された映像だけを透過させる角度を有する請求項
1に記載の投射式多視点3次元映像表示システム。 - 【請求項3】 前記電子光学的シャッターを構成する帯
型シャッターの数は、前記二つの映像投射部それぞれで
発生される時間分割映像の数のうちで大きな方の数の2
倍である請求項1又は2に記載の投射式多視点3次元映
像表示システム。 - 【請求項4】 前記電子光学的シャッターを構成する帯
型シャッターの数は、前記二つの映像投射部それぞれで
発生される時間分割映像の数のうちで大きな方の数の2
倍であり、前記電子光学的シャッターの中心線に対して
互いに対称の前記帯型シャッターは、開閉(ON/OF
F)が互いに同期され同時に行われ、前記電子光学的シ
ャッターの帯型シャッターの開閉(ON/OFF)の順
序は、内側から外側、又は外側から内側に順次的に行わ
れる請求項2に記載の投射式多視点3次元映像表示シス
テム。 - 【請求項5】 前記二つの映像投射部それぞれは、赤
色、青色、及び緑色の映像をそれぞれ表示する三つの映
像表示素子及び前記三つの映像を一つにまとめるダイク
ロイックビーム分割器(Dichroic Beam Splitter)を含
み、天然色の映像を表示することができる請求項1、2
又は4のいずれか1項に記載の投射式多視点3次元映像
表示システム。 - 【請求項6】 前記映像投射スクリーンは、複数個の視
域を形成することができるホログラフィックスクリーン
である請求項1、2又は4のいずれか1項に記載の投射
式多視点3次元映像表示システム。 - 【請求項7】 下記の表のような特性を有する投射レン
ズ。 【表1】
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