JP4717320B2 - ３次元ディスプレイのための計算時間削減 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、再構成可能な３次元ディスプレイに関し、詳細には、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）を使用するディスプレイに関する。本発明は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）を生成するのに必要とされる計算時間を最小限に抑える手段を提供する。
【０００２】
対話型設計、医療イメージング、サイエンティフィックビジュアリゼーションなどの応用分野で使用するために、再構成可能な３次元ディスプレイを作製することに著しい関心がある。いくつかの応用分野の場合、いかなる特別なメガネも用いることなく複数の観賞者がディスプレイを見ることができ、画像が可能な限り多くの３次元デプスキュー（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｅｐｔｈ ｃｕｅ）を含むことが望ましい。これらの属性を有する表示方法は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）と、レンチキュラレンズシートまたはマイクロレンズアレイを組み込む自動立体映像システムを含む。一般にこれらの方法は、各ピクセル（画素）の振幅および／または位相を使用して必要とされるピクセル値を符号化する、液晶ディスプレイなど２次元ピクセル化ディスプレイデバイス（透過型または反射型）を利用する。ピクセル値は、デバイスが適切に照明され、適切な再生光学系が使用されているとき、シミュレーションされた物体の３次元画像が得られるように算出される。別法として、液晶ディスプレイは、音響光学変調器など非ピクセル化空間光変調器で置き換えることができる。この構成では、空間光変調器（ＳＬＭ）内の小さな領域が、液晶ディスプレイ内の個々のピクセルと同じ機能を実行する。
【０００３】
コンピュータ技術と光変調技法の進歩にもかかわらず、リアルタイムに近く、再構成可能で高品質な３次元画像を生成することは、引き続き主要な技術課題を呈している。たとえば、３次元画像用の再構成可能なディスプレイデバイスは依然として複雑であり、ＣＧＨの場合には計算が激しく、基礎となるコンピュータシステムに大量の処理要求を課す。
【０００４】
ＣＧＨに基づくディスプレイシステムの場合、必要とされる構成画素すなわちピクセルの数で表したディスプレイデバイスの複雑度は、必要とされる画像サイズと視角（画像が観賞者に見える角度）の両方によって決定される。特に、大きな視角を必要とする傾向のあるマルチビューワシステムの場合、これによって多数のピクセルが必要となり（たとえば、ワークステーション応用例について１０^１２ピクセル）、したがって非常に複雑なディスプレイデバイスとなる。計算機合成ホログラムを表示することの点から、そのような多数のピクセルをリアルタイムで、あるいはさらに対話速度でピクセル値を計算することは、データをディスプレイに転送する方法のように、やはり主要な課題である。
【０００５】
コンピュータ技術の前述の進歩に平行して、実行可能な再構成可能の３次元ディスプレイを作製する試みにおいてディスプレイシステムの完全システム要件を削減するためにいくつかの技法が開発されている。
【０００６】
ディスプレイシステムの要件を削減するための１つの従来技法は、システム内に移動可能な射出瞳を組み込むことである。射出瞳は、光学系を介して様々にたどることができる光線すべてが通過しなければならない領域であり、光学分野で働く当業者にはよく知られている概念である。従来の光学系では、一般に射出瞳が物理的開口、または物理的開口の像となろう。
【０００７】
Ａ．Ｓｃｈｗａｒｔｚｅの「Ｈｅａｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ」、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９８５年は、観賞者に２つの２次元パースペクティブを提供する立体ディスプレイシステムについて述べている。このシステムは、２つのＣＲＴ投影モジュールを、単純な頭部位置センサおよび電気機械制御式の移動可能な射出瞳と共に使用する。観賞者の頭部を追跡して、適切なビュー用の射出瞳が確実に正しい目の上に位置するようにする。このシステムは、観察者の行う横移動に対応し、特別なメガネを使用することなく使用者が立体表現を見ることを可能にする。
【０００８】
このシステムは、ディスプレイに対して観察者の横位置を感知するため、観察者の位置に従って異なる立体ビューを生成し、かつ表示することが可能であり、したがって実物の物体を見回す効果が生じる。したがって、このシステムは、可能な視角すべてについて画像を同時に生成することを必要とされず、観察者の特定の横位置に対応する画像だけ生成するため、完全システム要件が削減される。したがって、システムの計算要件もまた削減される。
【０００９】
Ｆｕｋａｙａ等の［「Ｅｙｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｎ．Ｆｕｋａｙａ、Ｔ．Ｈｏｎｄａ、Ｋ．Ｍａｅｎｏ、Ｋ．Ｓａｔｏ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＯＳ Ｔｏｐｉｃａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ、１９９７年］は、眼球位置追跡を組み込む電子ホログラフィックディスプレイシステムについて述べている。
【００１０】
Ｆｕｋａｙａ等によって提案されたシステムでは、２つの小さなＬＣＤが計算機合成ホログラムを表示する。各液晶ディスプレイからの３次元画像は小さいため、小さい射出瞳を有するだけである（視野が小さい）。ＬＣＤは、それらの射出瞳が観察者の目のそれぞれと一致するように互いに対して位置決めされる。走査鏡を使用し、横移動中に射出瞳が確実に観察者の目に従うようにする。計算されたＣＧＨは、ディスプレイ変調器がサポートできるよりはるかに多数のピクセルを含み、観察者によって必要とされるこのデータの本質的にその部分だけが、観察者の頭部の位置によって指図され、変調器に置かれる。ＣＧＨの一部だけ表示することにより、この場合も完全システム要件が削減される。
【００１１】
これら両ディスプレイのために基礎となる処理システムにかかる計算負荷は比較的低いが、どちらの技法にもいくつか固有の欠点がある。
【００１２】
第１に、前述のシステムでは共に、射出瞳が機械的手段によって走査されて観賞者の位置に従う。したがって、ディスプレイシステムの複雑度が従来のＣＲＴまたはＬＣＤディスプレイより増す。さらに、追跡制御システムのために、落ち着かない時間のずれが導入される可能性がある。
【００１３】
第２に、上記システム用の射出瞳の形状とサイズが限定され、射出瞳の横位置だけ制御が可能である。さらに、述べたように、ディスプレイが１人の観察者に制限され、拡大された射出瞳（視野）を生成して複数の観賞者の要求を満たす、または観賞者が急速に頭部を移動させたとき画像が現れる際の遅れを削減することができない。
【００１４】
これら２つの技法は、本質的にピクセル数の少ないディスプレイデバイス（計算要件が比較的小さい）を使用し、機械的走査によって視野を増大させる。本発明は、上記の欠点のない大きな視野を有するピクセル数の多いディスプレイを使用することに関する。通常、そのようなディスプレイは、計算要件が大きいであろう。本発明の目的は、これらの要件を著しく削減することを可能にすることである。
【００１５】
そのような３Ｄディスプレイにおける射出瞳の重要性を明瞭化するために、以下のように類推する。不透明な遮蔽物内の窓から短い距離だけ奥にある物体を見ているものとする。そこから物体を見ることができる位置の範囲（たとえば、その側部を見回すため）は、窓のサイズによって限定される。考察中のディスプレイシステムでは、射出瞳がこの類推における「窓」を規定し、ディスプレイによって得られる画像が「物体」である。先に述べた２つのディスプレイシステムを解釈すると、「窓」すなわち射出瞳が移動して、常に観察者および「物体」すなわち画像と一直線になることになる。
【００１６】
所与の観察者位置について、観察者に近いほど（観察者の物体ビューを切り落とすことなく）「窓」をより小さくすることができる。本発明は、そのような小さな適応可能な「窓」を介してのみ見ることができる画像をディスプレイが生成できるようにすることに等しいと考えることができる。広範な観賞位置から画像を見ることができる「大きな窓」（システム内の光学系によって決まる）を「射出瞳」と呼ぶことが適切なように、発明者等は、「有効射出瞳」という用語を導入し、追加の小さな適応可能な「窓」を表す。本発明は、小さな有効射出瞳を観賞者に近接して位置決めできるようにする。有効射出瞳は「移動」して観賞者に従い、それにより、射出瞳が可能にするであろう同じ範囲の観賞位置から画像を見ることができる。これはディスプレイピクセル値を適切に算出することによって達成される。観賞者の眼球位置は、何らかの形態の頭部追跡デバイスを使用して取得する必要がある。
【００１７】
上記の有効射出瞳のサイズが小さくなるにつれて、ディスプレイ内のピクセル値を算出するのに必要とされる計算時間が削減されることを示すことにする。
【００１８】
先の例の移動可能な射出瞳と異なり、有効射出瞳の位置決めは、本発明のシステム内で移動する部品を必要とせず、コストを削減し、かつ信頼性を増す可能性がある。さらに本発明のシステムは、有効射出瞳を任意の形状とすること、また３次元すべてに任意で位置決めすることを可能にし、使いやすさを改善する。本システムによって複数の観賞者もまた要求が満たされる。
【００１９】
さらに、本発明は、画像に変化がないとき、有効射出瞳または本システムの視野を拡大することを可能にする。これは、使用者が急速に頭部を移動させたとき発生する可能性のある、画像が現れる際の遅れをなくすことができる可能性がある。
【００２０】
本発明によれば、３次元画像を生成するための装置が、
ある範囲の観賞位置から見ることが可能な３次元画像を生成することが可能なディスプレイ手段と、
少なくとも１人の観察者について情報を取得するための監視手段と、
監視手段に応答してディスプレイ手段を制御する制御手段とを具備し、
ディスプレイ手段が、制御手段によって制御される複数のアドレス可能な小区域を含み、それにより、少なくとも１つの決定された観賞位置について完全な画像を生成することが優先されることを特徴とする。
【００２１】
本装置は、少なくとも１つの決定された観賞位置で少なくとも１人の観察者が見ることのできるそのような画像の一部だけを優先することによって実行可能なディスプレイを提供する。これは、ディスプレイ手段内のピクセル値を計算するのに必要とされる時間を削減することを可能にし、したがって、画像をより高い頻度で更新することを可能にする。可動部品を導入しないため、本装置は依然としてコストに対して効果的であり、信頼性が高められる。
【００２２】
ディスプレイ手段内の貢献領域を識別するために、観賞者の目の眼球位置と瞳孔サイズを制御手段が必要とする。眼球位置は監視手段によって取得するべきである。瞳孔サイズは、監視手段によって取得することも、直径４ｍｍなど典型値であると仮定することもできる。
【００２３】
２人以上の観察者の観賞位置を決定することができ、決定された観賞位置のそれぞれについて完全な画像を生成することを優先することができることが好ましい。したがって、本装置によって複数の観察者の要求が満たされる。
【００２４】
好ましい一実施形態では、制御手段が、ディスプレイ手段のアドレス可能な小区域を含み少なくとも１つの観賞位置について形成される画像に貢献する少なくとも１つの貢献領域を識別し、前記少なくとも１つの貢献領域についてディスプレイ手段のピクセル値を算出することを優先する。観察者が見る画像の一部は、貢献領域内の別個の領域によって生成することができ、一方、複数の観賞者のためにディスプレイ手段内の別個の貢献領域を構想することができる。
【００２５】
他の好ましい一実施形態では、制御手段が、少なくとも１つの前記貢献領域の中央を実質的に含むディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する。これは、画像が中央から構築されるように見える点で有利である。
【００２６】
他の一実施形態では、本装置が、少なくとも１人の観察者のディスプレイ手段内における凝視（ｏｃｕｌａｒ ｆｉｘａｔｉｏｎ）位置を決定するための手段をさらに含む。この実施形態では、制御手段が、少なくとも１人の観察者の凝視位置で実質的に画像に貢献するディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する。
【００２７】
本明細書では、ディスプレイ手段内の凝視位置を、画像上の観察者の固定点と定義する。画像上の観察者の固定点を監視する技法は、一般に視線追跡として知られ、観察者の目の窩の位置を検出することに等しい。画像上の観察者の固定点に関する情報は、関心のある点から画像を構築させるために使用することが有利である。
【００２８】
他の好ましい一実施形態では、制御手段が、変化している画像の一部に実質的に対応するディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する。この手法は、観察者と表示されている画像との間の対話速度を増す。一般に本装置の有用性は、変化している画像の一部に優先して応じることによって高められる。
【００２９】
他の一実施形態では、制御手段が、少なくとも１つの観賞位置について形成される画像に貢献するようにディスプレイ手段の小区域が光を導き入れなければならない角度範囲を決定し、前記角度範囲内に光を導き入れることが優先されるようにディスプレイ手段のピクセル値が算出される。
【００３０】
他の好ましい一実施形態では、本装置の有効射出瞳が少なくとも１人の観賞者について最適化されるように、制御手段がディスプレイ手段を制御する。
【００３１】
本装置の有効射出瞳は、ピクセル値を算出する際に考慮される光線すべてが通過する領域である。本装置は、観察者の瞳孔がディスプレイ装置の有効射出瞳内に位置する場合に、画像の劣化が知覚されないという事実を利用する。
【００３２】
画像を算出／表示するのに必要な時間は、本装置の有効射出瞳を観察者の目の瞳孔と一致するように最適化することによって最小限に抑えることができることが有利である。本装置は、有効射出瞳を任意の形状とサイズとすること、また３次元すべてに任意で位置決めすることを可能にする。したがって、本装置は高い度合いの融通性を呈し、有効射出瞳の形状、サイズ、位置を調整することを可能にする。
【００３３】
完全な画像を見ることが可能な有効射出瞳は、画像が実質的に変化していない間に拡大することができる。これにより観察者は、画像再生時にいかなる遅延も知覚することなしに頭部を急速に移動させることができる。
【００３４】
ディスプレイ手段は、空間光変調器（ＳＬＭ）手段を含むことができ、制御手段は、空間光変調器手段の小区域内で必要とされる変調を算出するために使用することができる。
【００３５】
他の好ましい一実施形態では、監視手段が、少なくとも１人の観察者の目に関する情報を収集し、制御手段は、前記情報を使用して本装置の有効射出瞳を少なくとも１人の観察者の目に合致するように適応させる。
【００３６】
特定の一実施形態では、ディスプレイ手段のアドレス可能な小区域が計算機合成ホログラムを表示する。
【００３７】
本発明の第２の態様によれば、再構成可能な３次元画像を表示するのに必要な時間を最小限に抑える方法が、
ある範囲の観賞位置から見ることが可能な３次元画像を生成することが可能な、複数のアドレス可能な小区域を含むディスプレイ手段と、
少なくとも１人の観察者の観賞位置を決定するための監視手段と、
監視手段に応答してディスプレイ手段を制御する制御手段とを使用し、
少なくとも１人の観察者の観賞位置を決定するステップと、ディスプレイ手段内のアドレス可能な小区域の制御を優先順位付けし、少なくとも１つの決定された観賞位置について完全な画像を生成するステップとを特徴とする。
【００３８】
２人以上の観察者の観賞位置を決定することができ、ディスプレイ手段内のアドレス可能な小区域の制御を優先順位付けし、２つ以上の決定された観賞位置について完全な画像を生成することができることが好ましい。
【００３９】
好ましい一実施形態では、ディスプレイ手段のアドレス可能な小区域を含み少なくとも１つの観賞位置について形成される画像に貢献する少なくとも１つの貢献領域を識別し、少なくとも１つの前記貢献領域を実質的に含むディスプレイ手段内の小区域について、ピクセル値を算出することを優先する。
【００４０】
他の好ましい一実施形態では、少なくとも１つの前記貢献領域の中央を実質的に含むディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する。
【００４１】
他の一実施形態では、本方法が、少なくとも１人の観察者の表示手段内における凝視位置を決定するステップと、少なくとも１人の観察者の凝視位置で実質的に画像に貢献するディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先するステップとをさらに含む。
【００４２】
他の一実施形態では、変化している画像の一部に実質的に対応するディスプレイ手段の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する。
【００４３】
他の一実施形態では、本方法が、少なくとも１つの観賞位置について形成される画像に実質的に貢献するようにディスプレイ手段の小区域が光を導き入れなければならない角度範囲を決定するステップと、実質的に前記角度範囲内に光を導き入れることが優先されるようにディスプレイ手段のピクセル値を算出するステップとをさらに含む。
【００４４】
他の一実施形態では、本方法が、本装置の有効射出瞳が少なくとも１人の観賞者について最適化されるようにディスプレイ手段を制御するステップをさらに含む。
【００４５】
画像が実質的に変化していない間に、完全な画像を見ることが可能な有効射出瞳を拡大するステップを組み込むことができることが好ましい。
【００４６】
一実施形態では、ディスプレイ手段が空間光変調器（ＳＬＭ）手段を含み、制御手段が、空間光変調器手段の小区域内で必要とされる変調を算出する。
【００４７】
他の好ましい一実施形態では、監視手段が、少なくとも１人の観察者の目に関する情報を収集し、制御手段は、前記情報を使用して本装置の有効射出瞳を少なくとも１人の観察者の目に合致するように適応させる。
【００４８】
特定の一実施形態では、ディスプレイ手段のアドレス可能な小区域が計算機合成ホログラムを表示する。
【００４９】
次に、添付の図面を参照しながら例示によってのみ本発明について述べる。
【００５０】
従来の自動立体映像およびホログラフィ３次元ディスプレイは、観賞者がいてもいなくてもあらゆる可能な観賞位置にビューを同時に提供するため、１人の観賞者が必要とするよりはるかに多くの情報を含む。そのようなディスプレイは非常に多数のピクセルを有し、それらの値を算出するために使用される計算システムに著しい要求を課す。
【００５１】
したがって、そのような再構成可能な３次元ディスプレイに対する完全システム要件は、観賞者の目の位置に関する知識を利用することにより、特定の観賞者に３次元画像を提供するのに必要とされるディスプレイデバイス内のピクセル値だけを算出することによって削減することができる。この知識は、先に示した頭部／眼球追跡システムを使用して得ることができる。
【００５２】
本発明は、ディスプレイシステムの有効射出瞳を最適化することを可能にするために、観賞者の目の位置に関する知識を使用する。本システムは、観賞者の瞳孔と一致するようにディスプレイの有効射出瞳の形状、サイズ、位置を同時に制御する。しかし、電気機械式手段を使用して観賞者の目に従うように射出瞳を移動させるいくつかのディスプレイシステムと異なり、本発明は、ディスプレイデバイス内の適切なピクセル透過値を算出してシステムの有効射出瞳を制御することに純粋に依拠する。
【００５３】
本システム内には可動部品が導入されず、コスト効果的な解決策を提供し、信頼性を維持する。さらに、本システムの有効射出瞳は、ディスプレイピクセル値を再計算することによって「移動可能」であるため、ディスプレイシステム内に克服する機械的慣性がない。したがって、本システムは、観賞者の移動と一致して、ディスプレイの有効射出瞳が横方向にも垂直方向にも迅速に位置を変えることを可能にする。
【００５４】
本ディスプレイシステムは、高い度合いの融通性を呈し、システムの有効射出瞳の形状、サイズ、位置を変えることによってリアルタイムで同時に複数の観賞者の要求を満たすように構成される。
【００５５】
本システムの有効射出瞳を制御する概念は本発明を説明する簡潔な方法を提供するが、本発明を実際に実施することができる手段は、ディスプレイ内の貢献領域と、それらの領域が光を与える必要がある角度とを識別することを必要とすることになる。したがって、以下の考察では、この視点から本発明について述べる。
【００５６】
本発明は、所与の観賞者位置について、「貢献領域」として知られるディスプレイの小領域だけが、見える画像に光を与えることを利用する。この領域内のピクセルの算出および占有だけにより、ピクセルすべてが占有されているかのように同質の３次元画像を観賞者に提供する。観賞者の２つの目、または追加の複数の観賞者の目を考慮するために、複数の「貢献領域」を使用することができよう。
【００５７】
以下の考察の目的のために、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）ベースのシステムの点からディスプレイについて述べるが、原理は他のディスプレイシステムにも適用可能である。さらに、２次元ピクセル化液晶ディスプレイ（透過型または反射型）によるディスプレイデバイスの説明は例示的なものであり、限定するものではない。たとえば、液晶ディスプレイは、音響光学変調器など非ピクセル化空間光変調器で置き換えることができる。この構成では、空間光変調器（ＳＬＭ）内の小さな領域が、液晶ディスプレイ内の個々のピクセルと同じ機能を実行する。
【００５８】
明瞭化するために、以下の実施形態について１人の観賞者の点から述べたが、実際には、この技法が複数の観賞者を伴う３次元ディスプレイに適用可能である。
【００５９】
図１を参照すると、光がＣＧＨ（１）および再生光学系（２）を通過して３次元画像（３）を形成する。眼球監視手段（９）によって決定されたこの光の小部分だけが観賞者の瞳孔（４）を通過することになる。この光は貢献領域（５）から発生し、制御手段（８）内で、最初に貢献領域内のこれらのピクセルを算出することが優先されることになる。
【００６０】
監視手段（９）は、ＣＧＨ（１）に対して観賞者の位置を監視し、位置データ（たとえば、ｘ、ｙ、ｚ軸内の観賞者の座標）を制御手段（８）に送る。監視手段（９）はまた、観賞者の目の位置および瞳孔サイズに関する補足情報を得るために使用することができる。さらに、ＣＧＨ（１）によって生成された画像上の観賞者の固定点もまた、監視手段（９）によって決定することができる。これは、観賞者の目の窩の位置を検出することに等しい。本明細書では、観賞者の固定点を凝視点とも呼ぶ。
【００６１】
上述した補足情報は制御手段（８）に通信され、制御手段（８）によって最適な貢献領域を決定するために使用される。
【００６２】
制御手段（８）は、監視手段（９）からの位置データを、ディスプレイシステムに関するパラメータ（たとえば、ディスプレイ要素またはシステム内の光学構成部品のサイズおよび構成）と共に使用して、ＣＧＨ（１）のためのピクセル値を算出する。制御手段（８）は、ＣＧＨ（１）のためのピクセル値を算定するために計算手段を含むことができる。
【００６３】
制御手段（８）によって算出されたピクセル値は、ＣＧＨ（１）が適切に照明されたときリレー光学系（２）によって３次元画像（３）が生成されるように、ＣＧＨ（１）内の各ピクセルの振幅および／または位相を支配する。
【００６４】
上記システムの計算要件は、画像を観賞者に提供するためには貢献領域内のピクセルのみを計算することが必要であるため、削減される。しかし、画像の品質は、３次元ディスプレイ内のピクセルすべてが占有されているかのように同じままとなる。貢献領域内のピクセル数が全ディスプレイ内のピクセル数に満たないため、画像を算出／表示するのに必要とされる時間は、それに対応して削減される。
【００６５】
上記の計算上の節約は、他のシステムパラメータに対して相殺して、他のシステム機能を改善する、たとえば、表示された画像をより速い速度で更新することを可能にし、それによって観賞者とディスプレイシステムの間の対話を向上させることができる。
【００６６】
貢献領域（５）内のピクセル値の算出は、貢献領域（５）内の最も重要なピクセルが最初に算出されるようにさらに優先順位付けすることができる。これは、観賞者に許容可能な画像を提供するのにかかる時間を削減する。最も重要なピクセルを識別するために２つの手法が提案されている。
【００６７】
第１に、貢献領域（５）の中央（６）内のピクセルを最初に計算することができる。これは、貢献領域の中央（６）から画像を構築させる。
【００６８】
別法として、観賞者の目の位置に関する知識に加えて、画像上の観賞者の凝視点もまた測定することができる。これは一般に視線追跡と呼ばれ、観賞者の目の窩の位置を検出することに等しい。したがって、画像（７）上の観賞者の固定点に対応するピクセルを算出することを優先することができる。これは、貢献領域（５）内の関心のある点（７）から画像を構築させる。
【００６９】
貢献領域外のピクセルの算出は、画像が変化していないとき実行し、可能な観賞位置の範囲を効果的に「充たし」、したがって、画像が現れる際の遅れを伴わずに急速な頭部のまたは観賞者の動作を可能にすることが念頭に置かれている。
【００７０】
第２レベルの計算上の節約もまた提案されており、やはりピクセルすべてが占有されているかのように同質の３次元画像を観賞者に提供する。これは、貢献領域内のピクセルが光を導き入れることが必要な限定された角度範囲を考慮することによって達成される。図２は、これらの制限された角度範囲を、再生光学系および３次元画像、また最後に観賞者の目の瞳孔を介して、ＣＧＨからの光線をトレースすることによってどのように識別することができるかを示す。
【００７１】
図２は、ＣＧＨベースのディスプレイシステムの概略横断面図を示す。光は、ＣＧＨ（２０）、再生光学系（２１）を通過し、焦点面（２２）の周りで３次元画像を形成する。一般に３次元画像は、菱形形状（３次元で多面体）のボリューム（２３）内に含まれることになる。瞳孔を有する目を示す（２４）。貢献領域（２５）から生じる光だけが瞳孔に達する。貢献領域の末端部は、画像と瞳孔の末端部を通過する光線（２６）の交点によって規定される。ＣＧＨ内の単一のピクセル（２７）から生じる光（２８）の、限定された、角を形成する円錐形だけが瞳孔に達することがわかる。ＣＧＨベースのディスプレイの他の特徴は観賞領域であり、その境界を破線（２９）によって示す。これは、画像全体を見るために目が位置する必要のある領域である。
【００７２】
計算上の節約を達成するために本方法をどのように使用することができるかを示すために、「コヒーレントレイトレース」法を使用してＣＧＨの設計を考察する。
【００７３】
所望の３次元物体は、数学的に、おそらくは計算機援用設計ソフトウェアを用いて規定されるはずである。その表面は、いくつかの点で均一にサンプルされるはずである。光線は、これらの点の１つ１つからＣＧＨのあらゆるピクセルにトレースされるはずである。各ＣＧＨピクセルの必要とされる透過は、これらの光線すべてのコヒーレント加算から算出される。
【００７４】
観賞者の目の位置と瞳孔サイズが既知である場合には、瞳孔に外挿できるであろう光線だけトレースする必要があるはずである。これは、トレースする必要のある光線の数を削減することを可能にし、したがって計算時間を節約する。
【００７５】
観賞者の目の位置だけが既知である場合には、瞳孔サイズについて何らかの理解しやすい値を、たとえば、直径４ｍｍと仮定することができる。ＣＧＨ算出の際に瞳孔サイズにより大きい値を使用することにより、システムは目の位置の測定誤差により寛容になるが、計算時間の増加という代価を払う。
【００７６】
経験則の公式を導出して、期待される計算上の節約を推定することができる。すなわち、
目が観賞領域（２９）内にある場合は、瞳孔に達する３次元画像からの光線すべてが、画像ボリューム内の焦点面を通過する、または瞳孔に外挿できるであろうことを示すことができる。したがって、良好な近似にとって、焦点面全体を充たす点からなる画像について最大数のレイトレースが必要となる。
【００７７】
再生光学系の焦点面内の点がＣＧＨからの平行ビームから生じるとき、この画像を使用することは非常に好都合である。図３は、この現象を示す。先のように、光線は、ＣＧＨ（３０）から再生光学系（３１）を介して観賞者の瞳孔（３３）へとトレースすることができる。焦点面（３２）内の同じ点（３４）を通過する光線は、ＣＧＨの小領域（３６）にわたって同じ角度でＣＧＨと交差することを示すことができる。したがって、焦点面内の各点は、ＣＧＨと再生光学系の間の領域内で異なる角度で平行ビーム（３５）に対応する。特定の角度で光を与えるＣＧＨ上の面積（したがって、その中のＣＧＨピクセルの数）は、瞳孔の面積に比例し、光学系からのＣＧＨの距離から独立しているが、その位置が変わることになる。この面積は、考慮される光線の「角度」すべてについてほぼ同じである。焦点面は完全に充たされるため、この面積に等しいＣＧＨの面積がこれらの角度すべてに光を導き入れると言うことができる。
【００７８】
したがって、その面積全体にわたってすべての角度に光を導き入れるように設計されたＣＧＨをベースラインとして使用して、単純な幾何学的論証により、「トレース」の数の削減Ｒが
【数１】

であることが示され、瞳孔がレンズにほぼ平行であることが仮定される。
【００７９】
視野±１５°、瞳孔直径４ｍｍ、ｄ＝ｅ＝ｆ＝１ｍを有する５０×５０ｃｍ画像のＣＧＨベース３次元ディスプレイの場合には、１０^４分の１程度に減少したトレースが必要となろう。目の位置が近似でわかるだけの場合には、節約がより少なくなるが、依然として有用である。たとえば、目の位置が上記の距離で直径１０ｃｍの円形領域内であるとわかるだけの場合には、トレース数の削減は、約３０分の１となるはずである。
【００８０】
計算節約はまた、他のＣＧＨ設計法で達成することができる。たとえば、回折特有の方法（Ｍ．Ｌｕｃｅｎｔｅ、「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｐａｔｉａｌ ｓｕｂｓａｍｐｌｉｎｇ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．６、１９９６年６月）。この場合、各ホーゲル（ホログラフィ要素）内に符号化されるフリンジの帯域幅（空間周波数の範囲）は、各ホーゲルが所与の観賞者の位置について光を導き入れることを必要とされる限定された角度範囲によって決定されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ディスプレイの小さな領域だけが、観賞者の目に達する３次元画像にどのように光を与えるかを示す、再構成可能な３次元ディスプレイシステムの概略図である。
【図２】 ＣＧＨ内の各ピクセルが観賞者の目に達する光を送り込む限定された角度範囲を決定するために、レイトレーシングをどのように使用することができるかを示す、ＣＧＨディスプレイの概略横断面図である。
【図３】 ＣＧＨから生じる平行ビームが、再生光学系の焦点面内の点をどのように発生させるかを示す、ＣＧＨディスプレイの概略横断面図である。

Claims (26)

1. ３次元画像（３）を生成するための装置であって、
   ある範囲の観賞位置から見ることが可能な３次元画像（３）を生成するように構成されたディスプレイ手段（１）であって、前記３次元画像（３）に対応するピクセル値を割り当てられた複数のアドレス可能な小区域を含むディスプレイ手段（１）と、
   少なくとも１人の観察者の観賞位置を決定するための監視手段（９）と、
   前記監視手段（９）に応答して前記ディスプレイ手段（１）を制御する制御手段（８）であって、該制御手段（８）は、前記複数のアドレス可能な小区域のいずれが前記観賞位置から見ることが可能な画素を含むかに従って、ピクセル値の算出を優先するように構成される
   ことを特徴とする装置。
2. ２人以上の観察者の観賞位置が決定され、該決定された観賞位置のそれぞれについてのピクセル値の算出が優先される請求項１に記載の装置。
3. 前記制御手段（８）が、前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域を含み、前記３次元画像（３）に貢献する少なくとも１つの貢献領域を識別することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記制御手段（８）が、少なくとも１つの貢献領域の中央を実質的に含む前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する請求項３に記載の装置。
5. 前記ディスプレイ手段（１）内における凝視位置（７）を決定するための手段をさらに含み、
   前記制御手段（８）は、前記凝視位置で実質的に３次元画像（３）に貢献する、前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する請求項１に記載の装置。
6. 前記制御手段（８）が、変化している３次元画像（３）の一部に実質的に対応する前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先する請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記制御手段（８）が、前記観賞位置について形成される３次元画像（３）に貢献するように前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域が光を導き入れる角度範囲を決定し、前記角度範囲内に光を実質的に導き入れるように前記ピクセル値を算出することが優先される請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記制御手段（８）が、少なくとも１人の前記観察者について本装置の有効射出瞳が最適化されるように前記ディスプレイ手段（１）を制御する請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記３次元画像（３）を見ることが可能な有効射出瞳が、前記３次元画像（３）が実質的に変化していない間に拡大される請求項８に記載の装置。
10. 前記ディスプレイ手段（１）が空間光変調器（ＳＬＭ）手段を含む請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記制御手段（８）が、前記空間光変調器手段の前記複数のアドレス可能な小区域のための変調を算出する請求項１０に記載の装置。
12. 前記監視手段（９）が、前記少なくとも１人の観察者の目に関する情報を収集し、前記情報が前記制御手段（８）によって使用され、本装置の有効射出瞳を前記少なくとも１人の観察者の目に合致するように適応させる請求項８から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域が計算機合成ホログラムを表示する請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
14. 複数のアドレス可能な小区域を含むディスプレイ手段（１）に、ある範囲の観賞位置から見ることが可能な３次元画像を生成するために必要な時間を最小限に抑える方法であって、該方法は、
    監視手段（９）を用いて、少なくとも一人の観察者の観賞位置を決定するステップと、
    前記観賞位置から見ることが可能な３次元画像（３）を生成するように構成された複数のアドレス可能な小区域を識別するステップと、
    前記複数のアドレス可能な小区域のピクセル値を算出するステップと、を含み、
    前記複数のアドレス可能な小区域のピクセル値を算出するステップでは、前記３次元画像を生成する、前記ディスプレイ手段（１）内の前記複数のアドレス可能な小区域の識別に応じて、前記複数のアドレス可能な小区域のピクセル値の算出が優先される
    ことを特徴とする方法。
15. ２人以上の観察者の観賞位置を決定するステップと、
    前記２つ以上の決定された観賞位置から見ることが可能な３次元画像を生成する前記ディスプレイ手段（１）内の前記複数のアドレス可能な小区域のピクセル値の算出を優先するステップと、
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記３次元画像（３）に貢献する、前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域を含む少なくとも一つの貢献領域を識別するステップと、
    少なくとも一つの貢献領域のピクセル値の算出を優先するステップと、
    をさらに含む、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つの貢献領域の中央を実質的に含む前記ディスプレイ手段（１）の前記複数の小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することが優先される請求項１６に記載の方法。
18. 前記表示手段（１）内における凝視位置（７）を決定するステップと、
    前記少なくとも１人の観察者の凝視位置で実質的に前記３次元画像（３）の生成に貢献する前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することを優先するステップとをさらに含む請求項１４に記載の方法。
19. 変化している前記３次元画像（３）の一部に実質的に対応する前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域のそれぞれについて、ピクセル値を算出することが優先される請求項１４から１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記観賞位置について形成される前記３次元画像（３）に実質的に貢献するように前記ディスプレイ手段（１）の前記複数のアドレス可能な小区域が光を導き入れる角度範囲を決定するステップと、
    実質的に前記角度範囲内に光を導き入れることによって、ピクセル値の算出を優先するステップと
    をさらに含む請求項１４から１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記ディスプレイ手段（１）の有効射出瞳が前記少なくとも１人の観察者について最適化されるように前記ディスプレイ手段（１）を制御するステップをさらに含む請求項１４から２０のいずれかに記載の方法。
22. ３次元画像が実質的に変化していない間に、３次元画像を見ることが可能な有効射出瞳を拡大するステップをさらに含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記ディスプレイ手段（１）が空間光変調器（ＳＬＭ）手段を含む請求項１４から２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記制御手段（８）が、前記空間光変調器手段の前記複数のアドレス可能な小区域のための変調を算出する請求項２３に記載の方法。
25. 前記監視手段（９）が、前記少なくとも１人の観察者の目に関する情報を収集し、前記情報が前記制御手段（８）によって使用され、有効射出瞳を前記少なくとも１人の観察者の目に合致するように適応させる請求項２１から２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記ディスプレイ手段（１）の前記アドレス可能な小区域が計算機合成ホログラムを表示する請求項１４から２５のいずれかに記載の方法。

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