JP3431549B2 - 三次元表示方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高解像度の表示を
可能とする三次元表示方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気的に書き換え可能で、少ない
情報量にて動画の立体表示を可能とする装置として、図
６に示す液晶シャッタ眼鏡方式がよく知られている。以
下、この液晶シャッタ眼鏡方式の原理について説明す
る。この液晶シャッタ眼鏡方式では、三次元物体６０１
を異なる方向から撮影した映像（視差像）をカメラ（６
０２，６０３）により撮像し、カメラ（６０２，６０
３）により撮影された映像を、映像信号変換装置６０４
を通して合成し、合成した１つの映像信号を二次元表示
装置（例えば、ＣＲＴ表示装置）６０５に入力する。観
察者６０７は、液晶シャッタ眼鏡６０６をかけて二次元
表示装置６０５の映像を観察する。液晶シャッタ眼鏡６
０６では、二次元表示装置６０５がカメラ６０３の映像
を表示している時に、液晶シャッタ眼鏡６０６は左側が
非透過状態、右側が透過状態とし、また、二次元表示装
置６０５がカメラ６０２の映像を表示している時に、液
晶シャッタ眼鏡６０６は左側が透過状態、右側が非透過
状態とする。前記動作を高速で切り替えると、眼の残像
効果により両眼に視差像が見えるように感じる。したが
って、両眼視差による立体視が可能となる。しかしなが
ら、図６に示す液晶シャッタ眼鏡方式は、液晶シャッタ
眼鏡６０６が必須であるため、テレビ会議のような場合
には、非常に不自然であるという問題点があった。ま
た、立体視の生理的要因の中で、両眼視差、輻輳と、ピ
ント調節との間に大きな矛盾が生じる。即ち、図６に示
す液晶シャッタ眼鏡方式では、両眼視差と輻輳はほぼ満
足できるが、ピント面が表示面にあるため、この矛盾に
より、眼精疲労などを生じるという問題点があった。こ
のような両眼視差、輻輳と、ピント調節との間の矛盾を
解消するために、図７の（ａ）（ｂ）に示すように、観
察者の前に二次元表示装置を多数枚表示することにより
三次元物体を表示する体積型方式も提案されている。こ
の体積型方式では、図７（ｂ）に示すように、三次元物
体７０１を観察者から見て奥行き方向に標本化して二次
元像の集まり７０２とし、この二次元像の集まり７０２
を、図７（ａ）に示す体積型三次元表示装置７０３を用
いて、例えば、時分割で再び奥行き方向に配置して三次
元の再現像７０４を再構成する。この体積型方式では、
再現する三次元物体７０１の奥行き位置が実際に像を表
示する面に近くて、かつその面に挟まれているため、図
６に示す液晶シャッタ眼鏡方式と異なり、両眼視差、輻
輳と、ピント調節との間の矛盾を抑制することができ
る。しかしながら、この体積型方式では、奥行き方向に
位置が離散的であるため、その中間位置の物体や奥行き
方向に大きく変化している三次元物体を再現するのが困
難であるという問題点があった。このような問題を解決
するために、図８に示す三次元立体表示装置が考えられ
た。

【０００３】この三次元表示装置の原理は、まず、図に
示すように、観察者８０１の前面に複数の面、例えば、
像面（８０２，８０３）（像面８０２が像面８０３より
観察者８０１に近い）を設定し、次に、観察者８０１に
提示したい三次元物体を、観察者８０１の両眼の視線方
向から、前記の像面（８０２，８０３）へ射影した二次
元像を生成し、この二次元像（８０４，８０５）を、各
々像面８０２と像面８０３のそれぞれに、観察者８０１
の右眼と左眼とを結ぶ線上の中心点から見て重なるよう
に表示する。この方法における重要な要点は、前記構成
を有する装置上で、二次元像（８０４，８０５）の各々
の輝度を、観察者８０１から見た総体的な輝度を一定に
保ちつつ、三次元物体８０６の奥行き位置に対応して変
えることである。例えば、三次元物体８０６が像面８０
２上にある場合には、この上の二次元像８０４の輝度を
三次元物体８０６の輝度に等しくし、像面８０３上の二
次元像８０５の輝度はゼロとする。なお、ここでは、白
黒図像面であるため、分かりやすいように、以下の図像
面では輝度の高い方を濃く示してある。同様に、例え
ば、三次元物体が観察者８０１より少し遠ざかって像面
８０２より像面８０３側に少し寄った位置にある場合に
は、像面８０２の二次元像の輝度を少し下げ、像面８０
３の二次元像の輝度を少し上げる。さらに、例えば、三
次元物体が観察者８０１よりさらに遠ざかって像面８０
２より像面８０３側にさらに寄った位置にある場合に
は、像面８０２の二次元像の輝度をさらに下げ、像面８
０３の二次元像の輝度をさらに上げる。遂に、例えば、
三次元物体が像面８０３上にある場合には、像面８０２
の二次元像の輝度を三次元物体の輝度に等しくし、像面
８０２の二次元像のの輝度はゼロとする。このように表
示することにより、観察者８０１の生理的あるいは心理
的要因あるいは錯覚により、表示しているのが二次元像
（８０４，８０５）であっても、観察者８０１にはあた
かも像面（８０２，８０３）の中間に三次元像８０６が
位置しているように感じられる。

【０００４】なお、前記説明においては、例えば、三次
元物体全体の奥行き位置を、例えば、像面（８０２，８
０３）に表示した二次元像を用いて表現する方法につい
て主に述べたが、この方法は、例えば、三次元物体自体
が有する奥行きを表現する方法としても使用できる。三
次元物体自体が有する奥行きを表現する場合における重
要な要点は、表示する二次元の各々の部位の輝度を、観
察者から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物
体の各部位が有する奥行き位置に対応して変えることで
ある。その変え方の例を、例えば、表示像面を２像面用
いる場合を例として図８（ｂ）を用いて説明する。例え
ば、三次元物体としてケーキを例に取ると、上に立てた
ロウソクを除き、ケーキ（三次元物体）の上像面及び下
像面は、例えば、ほぼ平坦であり、かつその側像面は、
円柱状であり、ロウソクは、例えば、上像面の円周近傍
に配置する。この場合の２Ｄ化像では、上像面及び下像
面においては、上方の方が奥に位置し、かつその側像面
では真ん中が手前で端に行くに従って奥に位置し、さら
に隠れている上方の真ん中は奥に位置することとなる。
この場合、上像面及び下像面における輝度変化は、観察
者８１１に近い像面に表示される二次元像８１２では、
図８（ｂ）に示すように、観察者８１１に近い部位が輝
度が高く、かつ遠い部位が輝度が低くなるようにその奥
行き位置に対応して徐々に変化させる。また、観察者に
遠い像面に表示される二次元像８１３では、観察者に近
い部位が輝度が低く、かつ遠い部位が輝度が高くなるよ
うにその奥行き位置に対応して徐々に変化させる。同様
に、円柱部分の輝度変化もその奥行き位置に対応して、
観察者８１１に近い像面に表示される二次元像８１２で
は、図８（ｂ）に示すように、観察者８１１に近い部位
が輝度が高く、かつ遠い部位が輝度が低くなるようにそ
の奥行き位置に対応して徐々に変化させる。また、観察
者に遠い像面に表示される二次元像８１３では、観察者
に近い部位が輝度が低く、かつ遠い部位が輝度が高くな
るようにその奥行き位置に対応して徐々に変化させる。
このように表示することにより、表示しているのが二次
元像であっても、観察者８１１にはあたかも上像面、下
像面がほぼ平らな円柱状のケーキがあるように感じられ
る。なお、この例では、上像面、下像面がほぼ平らな円
柱状の三次元物体を例としたが、他の形状の三次元物体
であっても同様なことが可能であることは明らかであ
る。

【０００５】この方法では、実際に像を表示する像面
が、その錯覚位置を挟んで少なくとも２つ以上存在する
ため、眼鏡を必要とせず、従来法にあった両眼視差、輻
輳と、ピント調節との間の矛盾を大きく抑制でき、眼精
疲労などを抑制できると考えられる。

【０００６】また、ピント調整自体は、観察者が２つ以
上の像面を同時に見ることになるため、双方の二次元像
を最もぼけさせずに見ることができる位置に定位される
ことになり、従来法の欠点を大きく改善できる。この場
合、複数の二次元像を表示する複数の像面の奥行き距離
は、観察者から見て表示対象物体の奥行き位置にピント
を合わせた方が、前記複数の像面にピントを合わせるよ
り画像のぼけが少ない範囲とする。またこの方法は、体
積法と異なり、像面の中間位置に存在する物体も観察者
に対しては三次元的に見えるため、従来の書割り的な立
体感ではない利点を有する。さらに、複数の像面の間に
ある物体も表現できることから、三次元表示を行う場合
のデータ量を大きく減らせる利点も有する。またこの方
法では、像の輝度の変化のみによる人の生理的あるいは
心理的要因あるいは錯覚を利用しているため、光源とし
て特にレーザーなどのコヒーレント光源を必要とせず、
かつカラー化も容易である利点を有し、機械的駆動部を
含まないため、軽量化、信頼性の向上などに適している
利点を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図８に示
す方法では、観察者８０１（８１１）の両眼の中心から
二次元像８０４（８１２）と二次元像８０５（８１３）
とが重なり合う構成となっているため、観察者８０１に
はそれぞれの像が左右方向にずれた二重像になってしま
うために像がぼやけてしまい、解像度の高い立体像の表
現が困難であった。

【０００８】即ち、前後に複数の像面を重ね合わせ、そ
の像面に表示する像の輝度を変化させることによって三
次元立体像を表現する場合に、図５に示すように、従
来、観察者５０２の両眼の中心点から前後の画像５０
６，５０７の像がそれぞれ重なり合うようにすることに
より、両眼それぞれに観察される像のずれによる二重像
が両眼とも同じ大きさになる。更に両眼ともこの両眼の
中心点から大きくずれているため、この方法では像の左
右方向のエッジの部分のずれが両眼ともに大きくなり、
立体視においても、この二重像によりぼやけた像として
観察されることになる。

【０００９】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、眼鏡を用いずに立体視の
生理的要因間での矛盾を抑制することが可能で、かつ解
像度の高い立体像の表現を可能とする三次元表示方法を
提供することを目的とするものである。本発明の前記並
びにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び
添付図面によって明らかになるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。即ち、本発明は、奥行き位置の異
なる複数の表示面にそれぞれに二次元像を表示し、その
二次元像に観察者から見て異なった奥行き位置にある複
数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向
から射影した二次元像を生成し、生成された二次元像の
各表示面ごとにそれぞれの奥行き位置に応じた輝度比を
付けることにより三次元立体像を生成する三次元表示方
法において、前記観察者の両眼中心点から左目或いは右
目を結ぶ線上で、前後の二次元像を重ね合わせ、両眼の
位置における２重像のズレの大きさが異なることを特徴
とする。

【００１１】また、本発明は、上記両眼の中心点から左
目或いは右目を結ぶ線上の点は、２重像のズレの大きさ
が視力に相当する視角以内になるように前後の二次元像
を重ね合わせる点とすることを特徴とする。

【００１２】また、本発明は、上記両眼の中心点から左
目或いは右目を結ぶ線上の点は、２重像のズレの大きさ
が視力に相当する視角に一致するように前後の二次元像
を重ね合わせる点とすることを特徴とする。

【００１３】また、本発明は、上記両眼の中心点から左
目或いは右目を結ぶ線上の点は、左目或いは右目から一
致するように前後の二次元像を重ね合わせる点とするこ
とを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成について、実
施の形態とともに説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１の概念を
示す図である。前後に複数の像面を重ね合わせ、その像
面に表示する像の輝度を変化させることによって三次元
立体像を表現する場合に、本実施の形態では、図１(ａ)
に示すように、観察者１０１から見て像面１０２と像面
１０３とは、観察者１０１の両眼の中心点から例えば、
左目までの間の任意の点から重なり合う構成としてい
る。重なりの点を両眼の中心点から左にずらすことによ
り、左目ではずれが小さい二重像となることから解像度
の高い像を観察することができる。

【００１５】本発明での「ずれ」とは、観察者のどちら
か一方の目から見て、前後の像が完全に重なって見える
位置から左右あるいは上下に移動したときに、前後の像
がシフトして見え前後の像の位置が一致していないこと
を指すこととする。また、ここでの両眼の中心点から左
目間の位置とは、目の機構として視力に相応する視角の
範囲内の違いは認識できないことから、左目から視力に
相応する視角の範囲の外側までは含むものとする。視力
に相応する視角とは、例えば視力１．０の観察者の場合
で角度一分程度である。

【００１６】この場合に右目では重なりの点を両眼の中
心点にした従来の場合よりもずれが大きくなり二重像は
大きくなる。しかし、両眼立体視においては、左目でず
れの少ない二重像を、右目でずれの大きい二重像を同時
に観察した場合には二重像の大きな右目の像は抑制さ
れ、二重像の小さい左目の像に近い像を観察することが
できる。従って、重ね合わせの点を両眼の中心点と左目
との間にすることによって、左目に右目よりも二重像の
小さな解像度の高い像が観察されることから、両眼立体
視にて、重ね合わせの点を両眼の中心点としたときより
も解像度の高い立体像を観察者１０１は観察することが
できる。

【００１７】また、同様に、図１(ｂ)に示すように、観
察者１１１から見て像面１１２と像面１１３とを、観察
者１１１の両眼の中心点から例えば、右目までの間の任
意の点から重なり合う構成として、重なりの点を両眼の
中心点から右にずらすことにより、右目ではずれが小さ
い二重像となることから解像度の高い像を観察者１１１
は観察することができる。

【００１８】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形
態２の概念を示す図である。本実施の形態では、図２
(ａ)に示すように、観察者２０１から見て像面２０２と
像面２０３とは、観察者２０１の両眼の中心点から例え
ば、左目から視力に相応する視角の範囲以内の位置の点
から重なり合う構成としている。この範囲内の点から像
を重ねることによって、左目は視力に相応する視角以下
のものは判別不可能なことから二重像を認識することが
なく、二重像がない像と同様に観察することとなる。こ
こでの左目から視力に相応する視角の範囲以内の位置の
点とは、目の機構として視力に相応する視角の範囲内の
違いは認識できないことから、左目から視力に相応する
視角の範囲の外側までは含むものとする。視力に相応す
る視角とは、例えば視力１．０の観察者の場合で角度一
分程度である。このように観察者の視力によって重ね合
わせの位置は異なる。

【００１９】この場合に右目では重なりの点を両眼の中
心点にした従来の場合よりもずれが大きくなり二重像は
大きくなる。しかし、両眼立体視においては、左目でず
れの少ない二重像を、右目でずれの大きい二重像を同時
に観察した場合には二重像の大きな右目の像は抑制さ
れ、二重像の小さい左目の像に近い像を観察することが
できる。従って、重ね合わせの点を左目から視力に相応
する視角の範囲以内の位置の点にすることによって、左
目に右目よりも二重像の小さな解像度の高い像が観察さ
れることから、両眼立体視にて、重ね合わせの点を両眼
の中心点としたときよりも解像度の高い立体像を観察者
２０１は観察することができる。

【００２０】この方法では、観察者の左目から視力に相
応する視角の範囲以内の位置の点で像を重ねることによ
り、左目に観察される像は二重像として認識されず解像
度の高い像となり、両眼立体視では実施の形態１の方法
よりも二重像によるずれが小さく観察され、解像度の高
い立体像を観察することができる。

【００２１】また、同様に、図２(ｂ)に示すように、観
察者２１１から見て像面２１２と像面２１３とを、観察
者２１１の両眼の中心点から例えば、右目までの間の任
意の点から重なり合う構成として、重なりの点を両眼の
中心点から右にずらすことにより、右目ではずれが小さ
い二重像となることから解像度の高い像を観察者２１１
は観察することができる。

【００２２】（実施の形態３）図３は本発明の実施の形
態３の概念を示す図である。本実施の形態では、図３
(ａ)に示すように、観察者３０１から見て像面３０２と
像面３０３とは、観察者３０１の左目から視力に相応す
る視角の位置の点から重なり合う構成としている。この
位置から像を重ねることによって、左目は視力に相応す
る視角以下のものは判別不可能なことから二重像を認識
することがなく、二重像がない像と同様に観察すること
となる。ここでの左目から視力に相応する視角の範囲以
内の位置の点とは、目の機構として視力に相応する視角
の範囲内の違いは認識できないことから、左目から視力
に相応する視角の範囲の外側までは含むものとする。視
力に相応する視角とは、例えば視力１．０の観察者の場
合で角度一分程度である。このように観察者の視力によ
って重ね合わせの位置は異なる。

【００２３】この場合に右目では重なりの点を両眼の中
心点にした従来の場合よりもずれが大きくなり二重像は
大きくなる。しかし、両眼立体視においては、左目でず
れの少ない二重像を、右目でずれの大きい二重像を同時
に観察した場合には二重像の大きな右目の像は抑制さ
れ、二重像の小さい左目の像に近い像を観察することが
できる。従って、重ね合わせの点を左目から視力に相応
する視角の位置の点にすることによって、左目に右目よ
りも二重像の小さな解像度の高い像が観察されることか
ら、両眼立体視にて、重ね合わせの点を両眼の中心点と
したときよりも解像度の高い立体像を観察者３０１は観
察することができる。

【００２４】この方法では、観察者の左目から視力に相
応する視角の位置の点で像を重ねることにより、左目に
観察される像は二重像として認識されず解像度の高い像
となり、右目に観察される像の二重像も実施の形態２の
範囲内で最小となることから、両眼立体視では実施の形
態２の方法よりも二重像によるずれが小さく観察され、
解像度の高い立体像を観察することができる。

【００２５】また、同様に、図３(ｂ)に示すように、観
察者３１１から見て像面３１２と像面３１３とを、観察
者３１１の両眼の中心点から例えば、右目までの間の任
意の点から重なり合う構成として、重なりの点を両眼の
中心点から右にずらすことにより、右目ではずれが小さ
い二重像となることから解像度の高い像を観察者３１１
は観察することができる。

【００２６】（実施の形態４）図４は本発明の実施の形
態４の概念を示す図である。本実施の形態では、図４
(ａ)に示すように、観察者４０１から見て像面４０２と
像面４０３とは、観察者４０１の左目からから重なり合
う構成としている。左目の位置に像をずらして重ねるこ
とによって、左目はずれが完全になくなることから、二
重像が全くない像を観察することとなる。この場合に右
目では重なりの点を両眼の中心点にした従来の場合より
もずれが大きくなり二重像は大きくなる。しかし、両眼
立体視においては、左目で全くずれのない像を、右目で
ずれの大きい二重像を同時に観察した場合には二重像の
大きな右目の像は抑制され、二重像の全くない左目の像
を観察することができる。この重ね合わせの場合には、
観察者４０１が観察できる片眼での二重像は最小(完全
になくなる)となる。従って、重ね合わせの点を左目の
位置にすることによって、左目でずれの全くない像、右
目でずれの大きい二重像の小さな解像度の高い像が観察
されることから、両眼立体視にて、重ね合わせの点を両
眼の中心点としたときよりも解像度の高い立体像を観察
者４０１は観察することができる。

【００２７】この方法では、観察者の左目の点で像を重
ねることにより、左目に観察される像は二重像のない完
全に重なった像を観察できるので、両眼立体視では実施
の形態２の方法よりも二重像によるずれが小さく観察さ
れ、解像度の高い立体像を観察することができる。

【００２８】また、同様に、図４(ｂ)に示すように、観
察者４１１から見て像面４１２と像面４１３とを、観察
者４１１の両眼の中心点から例えば、右目の点から重な
り合う構成とすることにより、右目ではずれが完全にな
い像となることから解像度の高い像を観察者４１１は観
察することができる。

【００２９】なお、実施の形態４では両眼の二重像のず
れの大きさの差が大きくなることから、両眼の視力に大
きな差がある観察者が、視力の弱い目で解像度の高くな
る像を担当する場合には不向きであるが、その場合に
は、実施の形態１，２の両眼の二重像のずれが小さい点
での適用や、実施の形態３の適用によって、解像度の高
い立体視を実現できる。

【００３０】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明
は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要
旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは
勿論である。

【００３１】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明によれば、眼鏡を用いずに立
体視の生理的要因間での矛盾を抑制することが可能であ
るという効果がある。更に本発明によれば、重なりの点
を両眼の中心点からずらすことにより、一方の目ではず
れが小さい二重像となることから解像度の高い像を観察
者は観察することができるという効果がある。また本発
明によれば、観察者の一方の目の点で像を重ねることに
より、一方の目に観察される像は二重像のない完全に重
なった像を観察できるので、解像度の高い立体像を観察
することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１である三次元表示方法の
概念を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態２である三次元表示方法の
概念を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態３である三次元表示方法の
概念を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態４である三次元表示方法の
概念を示す図である。

【図５】従来の三次元表示方法の問題点を示す図であ
る。

【図６】従来の三次元表示方法の概略構成を示す図であ
る。

【図７】従来の三次元表示方法の概略構成を示す図であ
る。

【図８】従来の三次元表示方法の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】 １０１，１１１，２０１，２１１，３０１，３１１，４
０１，４１１，５０２，６０７，８０１，８１１…観察
者、１０２，１０３，１１２，１１３，２０２，２０
３，２１２，２１３，３０２，３０３，３１２，３１
３，４０２，４０３，４１２，４１３，５０６，５０
７，８０２，８０３…像面、６０１，７０１…三次元物
体、６０２，６０３…カメラ、６０４…映像信号変換装
置、６０５…二次元表示装置、６０６…液晶シャッター
眼鏡、７０２…奥行き標本化像の集まり、７０３…体積
型三次元表示装置、７０４…三次元再現像、８０４，８
０５，８１２，８１３…二次元像、８０６，８１５…三
次元像。

フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−261832（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 13/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 奥行き位置の異なる複数の表示面にそれ
   ぞれに二次元像を表示し、その二次元像に観察者から見
   て異なった奥行き位置にある複数の表示面に対して、表
   示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を
   生成し、生成された二次元像の各表示面ごとにそれぞれ
   の奥行き位置に応じた輝度比を付けることにより三次元
   立体像を生成する三次元表示方法において、 前記観察者の両眼中心点から左目或いは右目を結ぶ線上
   で、前後の二次元像を重ね合わせ、両眼の位置における
   ２重像のズレの大きさが異なることを特徴とする三次元
   表示方法。
2. 【請求項２】 上記両眼の中心点から左目或いは右目を
   結ぶ線上の点は、２重像のズレの大きさが視力に相当す
   る視角以内になるように前後の二次元像を重ね合わせる
   点とすることを特徴とする請求項１に記載の三次元表示
   方法。
3. 【請求項３】 上記両眼の中心点から左目或いは右目を
   結ぶ線上の点は、２重像のズレの大きさが視力に相当す
   る視角に一致するように前後の二次元像を重ね合わせる
   点とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
   の三次元表示方法。
4. 【請求項４】 上記両眼の中心点から左目或いは右目を
   結ぶ線上の点は、左目或いは右目から一致するように前
   後の二次元像を重ね合わせる点とすることを特徴とする
   請求項１又は請求項２に記載の三次元表示方法。