JP6326678B2 - 自動立体視システム - Google Patents

Description

本発明は立体画像の表示に関し、テレビ放送、コンピューティング、制御システム及び管理システム、ＣＡＤ、ゲーム技術において、複数の訓練用シミュレータの開発用に、航空電子工学及び計器製造において、科学、教育、医学、等において、任意の数の自由に間隔を空けて位置する観察者のための３Ｄにおける静的および動的処理の視覚的表現およびソリッドモデリング用に、使用され得る。

３Ｄ画像の生成は、今だに重大な問題である。異なる複数の色の複数の光フィルタを備える眼鏡によって見られることになるステレオペアを作る複数の追加的（補足的）な色の中の２色による複数の画像−視点を使用した立体画像を取得する段階に存在するカラーアナグリフ方式が知られている。そのような眼鏡を通して複数のステレオペアを見る場合、それぞれの目はそれ自身の視点／画像のみを認知する。さらに、両眼の視点のずれが影響することにより、３Ｄ画像が生成される。この方法の開発は、眼鏡の使用の必要性に関わる使用者の不快さによって、および複数の色収差のために制限される。

１９０８年にＧａｂｒｉｅｌ Ｌｉｐｐｍａｎｎは、規則的に間隔を空けた複数のマイクロレンズから成る複数のレリーフ光学板（ｒｅｌｉｅｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｌａｔｅ）を使用した３Ｄ画像の記録および再構成の技術を提案し、３次元グラフィックスのマルチコンポーネントアプローチの発展をもたらした。Ｌｉｐｐｍａｎｎのアイデアは、ラスタ型として、Ｍａｕｒｉｃｅ Ｂｏｎｎｅｔにより発展を遂げた。このアプローチの更なる発展は、特別に分離用に準備されたステレオペアを用いた複数の立体画像を得るべく、レンズレリーフまたはアレイ構造の複数のバリエーションを備えた技術的解決法から成る。その準備は、画像およびラスタが光線の屈折に対して整列している場合、両方の視点がそれぞれの目に別々に復元される、いわゆるＬｉｐｐｍａｎｎ−Ｂｏｎｎｅｔステレオグラム、ような、ステレオペアの複数の視点のグラフィックの変換から成る。

１９９９年２月２５日出願の、「Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｖｉｅｗｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する特許出願ＷＯ９９／０９７５０、ＩＰＣ ７ Ｇ ０２ Ｂ ２７／２２、Ｈ ０４ Ｎ １３／００に記載の技術的解決法が知られている。この解決法は、Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｂｏｎｎｅｔ法による初期のステレオペアの準備から成る。この解決法は、左目及び右目用に、ステレオペアの複数の視点が反転された垂直方向のストライプと、それらのシーケンスの順番を保ちながら―圧縮されたストライプ画像上に配置される場合、両方の視点を別々に復元する、レンチキュラーラスタの複数のレンズ要素の数に等しい数で―交互配置されることにある。この立体視システムの実装は、準備された画像の複数のストライプに対するレンチキュラーラスタの光学素子の正確な配置を必要とする。

２００１年５月２７日登録の、「Ｖｉｓｕａｌ Ｉｍａｇｅ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｅ」と題するロシア特許第２１６８１９２号、ＩＰＣ ７ Ｇ ０２ Ｂ ２７／２２、Ｈ ０４ Ｎ １３／００に記載の自動立体視システムが知られている。この技術的解決法は、各ピクセルが別個の光学素子の光軸上に配置されるように、別々の複数のマイクログラフィック要素−複数の（画像の）ピクセルのフィールドに渡って、配置された可変的な焦点距離を有する別個の複数の光学素子から成るアレイマスクの使用に基づく。別個の複数の光学素子の焦点距離の外部制御は、対応する複数のピクセルの視覚の奥行きの違いをシミュレートする、すなわち全体として画像の立体効果を示すこと、を可能にする。この技術的解決法は、複数の要素の数、および単一構成へのそれらの統合に関して複雑で厄介な方法である。技術的複雑さは装置の信頼性を低下させ、必然的にそのコストを大きくするであろう。

上記の複数の技術的解決法の実装の主な問題は、視覚化面上で、特別に準備された画像の複数の要素に対する複数の光学素子の正確な配置の固有の要件である。そのような複数のシステムの実用は、光学要素／グラフィック要素の相互のドリフト（ずれ）を除外する画像の複数のピクセルに対してそれらの光学素子を強固に固定することにより提供される。従って、そのような複数の解決法は、実際には複数の２Ｄ−３Ｄ変換器の非実装性を除外する。

現在、複数のビデオ製品の主な製造業者らおよび消費者らは、視覚化の２Ｄ−フォーマットを使用するので、互換の可能性、および３Ｄ−フォーマットへの変換のための、複数の２Ｄ−リソースの使用は不可欠な技術的問題である。

１９８６年２月２５日出願の米国特許第４７２９０１７号、ＩＰＣ Ｈ ０４ Ｎ １３／００に記載の自動立体視システムの技術的解決法が知られている。この技術的解決法は、複数のピクセルに分割される特別に準備された画像を有する表示視覚化面を備える。光学アレイの複数の要素は画像の複数のピクセルに対して配置され、自律的なアレイ板に組み合わされる。アレイ板を通して視覚化の表面上の画像を見る場合、立体画像が見える。従って、取り外し可能なアレイ板は画像の２Ｄ／３Ｄ−変換を提供する。しかしながら、画像の複数のピクセルに対して、ディスプレイ上にアレイ板の位置を実際的に維持することは、複数の特別な装置によって解決される複雑な光学的−機械的問題であり、そうでなければ、板を通して投影されたグラフィックスの収差、および立体効果の損失は避けられない。

２００４年１２月３０日登録の、「Ｃｏｎｖｅｒｔｉｂｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ」と題する米国特許第２００４２６３９７０号、ＩＰＣ Ｇ０２Ｎ ２７／２２に記載の自動立体視システムの技術的解決法が知られている。このシステムは平坦なパネルディスプレイ−Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｂｏｎｎｅｔ法による分離用に準備されたステレオペアの１つのピクセル画像がある視覚化面、および視覚化面に対し面平行に配置されたレンチキュラーラスタの形態の取り外し可能なスクリーンを含む。自動立体視システムは、視覚化面上の準備された画像に対する取り外し可能なスクリーン／その複数の光学素子の位置の調節（シフト／回転）を行う手段（取り外し可能なスクリーンの機械的なずれのための装置と共に、ディスプレイスクリーン上の方向付けられたスリットラスタの形態の光学テストパターン）を備える。このシステムの明らかな欠点は、時間を必要とし、結果的にビデオ情報の避けられない損失をもたらす、取り外し可能なスクリーンの位置の調節のために、観察者の複数の特別な行動によって引き起こされる不快さである。さらに、正確な調節（水平方向および垂直方向）に用いられるハードウェアのアプリケーションは、知られている技術的解決法を使用する場合、著しく製品のコストを増加させる。

「Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ "ＳｔｅｒｅｏＳｔｅｐ−Ｅｃｌｉｐｓｅ Ｍｅｔｈｏｄ"」と題するウクライナ特許第１４８８５Ｕ号、ＩＰＣ Ｇ ０２ Ｂ ２７／２２、 Ｈ ０４Ｎ １３／００に記載の自動立体視システムの技術的解決法が知られている。この方法は、アナグリフの形態の、分離用に準備されたステレオペアを有する視覚化面と、視覚化面の前に配置されたラスタ光学構造を有する取り外し可能なスクリーンと、を含む。取り外し可能なスクリーンは、光線を拡散する共通の焦点面の対向する両側に配置された２つのラスタから成る。それぞれのラスタは、軸方向に配置された複数のペアの形態で表面上に隙間なく取り付けられた複数のレンズ要素から成り、各ペアはアナグリフフィルタを備える。既知の技術的解決法において、アナグリフィックに準備されたステレオペアの分離は、視覚化面に対する正確な配置を必要としないデュアルラスタ構造によって成される。これはアナグリフ技術の質を安定した立体効果に与え、さらに、デュアルラスタ光学構造は自動的に立体画像を調節しうるので、観察者のための２Ｄ／３Ｄ変換は、取り外し可能なスクリーンの位置の正確な調節の工程を除いて、結局視覚化面への取り外し可能なスクリーンの取り付けのみとなる。さらに、形成の複数の特性によるステレオペアのアナグリフィック表示は、立体画像の各ラスタの表現の高い品質、および、続いて立体画像の高い精度、解像度、およびコントラストを与える全視覚化面上の各視点の配置を提供する。しかしながら、ステレオペアのアナグリフィック表示の同一の複数の特性のために、既知の技術的解決法に従って得られる立体画像に対しては、複数の色収差が一般的である。これは、自動立体視システムの既知の技術的解決法の著しい欠点である。

２００７年１月２４日出願のウクライナ特許第２２９２７Ｕ号、ＩＰＣ Ｇ ０２ Ｂ ２７／２２、 Ｈ ０４ Ｎ １３／００（最も近い類似文献）に記載の自動立体視＜＜ステレオステップエクリプス法＞＞が知られている。この方法は、分離用に準備された画像を有する視覚化面と、視覚化面の前に配置された取り外し可能なスクリーンと、を備える。視覚化面は、光線を拡散する共通の焦点面の対向する両側上に配置された２つのラスタを含有し、各ラスタは、軸方向に配置された複数のペアの形態で隙間なく表面上に配置された複数のレンズ要素から成り、さらに、画像は、ヒトの眼の生理学的に調節された感度以上の周波数で入れ替わる（画像のブリンキングを排除するように）ｍ個の視点のシーケンスから成り、各ペアはｍ個のエクリプスシャッタによって提供され、ｍ個のエクリプスシャッタの各々は、それぞれ対応する視点のシーケンスと同期して開く。既知の技術的解決法の本質は、画像の複数の視点の分離用にエクリプス法が用いられ、この解決法の実装のために、複数のレンズ要素の各ペアに対して、ｍ個のエクリプスシャッタ（画像の視点の数に従って）が必要とされ、ｍ個のエクリプスシャッタの各々が連続的に、各視点を開け、残りの視点は黒いままにする、ということにある。さらに、複数の視点の開きをそれらの周波数に同期させることは、その方法の実装の付帯条件である。その周波数は、観察者の目の、複数の画像の変化率に比べより低い感度よりも少なくなるべきではない。統合画像のマルチコンポーネントキャリアとしてのデュアルラスタ構造は、視覚化面に沿った可能性のあるシフトに対する正確な配置を必要としない。これは、システムの２Ｄ互換性を提供し、立体効果の再生の安定した品質において高額となる、スクリーンの正確な調節の必要性を排除する。エクリプス法は、各視点の連続的な使用を視覚化面上のその配置と共に提案する。それにより、画像の完全性、明瞭さ、およびコントラストが、画像の全色の再生と共に提供される。同時に、直接スクリーンを見ることに比較されてもよい安定した品質で、多数の観察者に立体効果の再生が提供される。さらに、観察者のための２Ｄユニットから３Ｄユニットへの全ての必要な変換は、取り外し可能なスクリーンの視覚化面への接続（取り付け）に限定される。その際、ビデオコンテンツは構成されたフォーマット、すなわち、ヒトの眼の生理学的に調節された感度以上の周波数で入れ替わる複数の視点のシーケンスの形態、でブロードキャストされる。しかしながら、２Ｄ視覚化面に対する、デュアルラスタスクリーンの遠い配置の知覚性は、既知の技術的解決法においては考慮に入れられず、これは結果として立体画像の質の低下をまねく。デュアルラスタスクリーンと視覚化面−ディスプレイ２Ｄ−スクリーンとの間の距離は、ラスタ光学構造の複数の光学的特徴、および立体画像を形成する視点の数に依存する。これらのパラメータに関係なく、Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｂｏｎｎｅｔステレオグラムにおける各視点の間隔が密な複数のストライプは、それらのグラフィックスの複数部分、および間隔が密な複数の視点のグラフィックスの複数部分を含んでよく、それらのグラフィックスの一部を失う。距離に関連付けられる可能性のある欠陥は両方とも、結果的に立体効果の低下をまねく。この状況は、視覚化面、および単一の強固に固定された構成の形態のデュアルラスタスクリーンを作る場合に特に考慮に入れられるべきである。

本発明の目的は、高品質の立体知覚および２Ｄ互換性を提供する快適な自動立体視システムを作製することである。

本発明によると、分離用に準備された画像を有する視覚化面であり、画像はｍ個の視点のシーケンスから成り、各視点はヒトの眼の生理学的に調節された感度以上の周波数で入れ替わる視覚化面と、視覚化面の前に配置され、光線を拡散する共通の焦点面に対して対向する両側に配置された２つのラスタから成るデュアルラスタスクリーンであり、各ラスタは複数のレンズ要素から成り、複数のレンズ要素は表面上に複数の同軸のペアの形態で連続して配置され、さらに、各ペアにはｍ個のエクリプスシャッタが設けられ、ｍ個のエクリプスシャッタの各々はクレームされた技術的解決法に従って、複数の視点のシーケンスに同期して開くデュアルラスタスクリーンと、を備え、デュアルラスタスクリーンは、デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面へのラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈと等しい距離を置いて視覚化面の前に配置される、自動立体視システムが提供される。

本発明の本質は、自動立体視システムの光学構造の複数のパラメータ間の相互関係の考慮に基づき、ラスタスクリーンと視覚化面との間のこれらのパラメータに関連付けられる距離が決定され、この結果として、距離のばらつきに関連付けられる可能性のある全ての欠陥の排除が提供され、従って、高い品質の立体画像が確実に提供されることにある。

デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面へのラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影が、ラスタ単位ｈと等しいという条件が満たされる場合、デュアルラスタスクリーンと視覚化面との間の距離ｄは自動的にｄ＝ｆ（ｈ，ｍ）と決定される。その距離において、自動立体視システムの光学構造の複数のパラメータは、Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｂｏｎｎｅｔステレオグラムにおける各視点の隣接する複数のストライプがそれらのグラフィックスの交差する複数部分を含みうるか、またはそれらのグラフィックスの一部を失いうる場合、立体効果の低下を排除する。

従って、クレームされた技術的解決法の全ての数の本質的な特徴が、提示された問題を解決する。それが立体知覚および２Ｄ互換性の高い品質を提供する快適な自動立体視システムの開発である。

対応するＩＰＣおよびＵＤＣによる特許の科学的および技術的文献における高度な検索の結果、完全にまたは部分的にクレームされた対象と一致し、かつ問題の解決を可能にする全ての数の本質的な特徴は、複数の技術的解決法の何れの中にも見つけられなかった。

従って、クレームされた技術的解決法は「新規性」の基準を満たす。

クレームされた技術的解決法の１セットの特徴は、先行技術に従わない。従って、クレームされた技術的解決法は「進歩性」の基準を満たす。

自動立体視システムを示す（全体図）。 デュアルラスタスクリーンの構成（複数のレンチキュラーラスタの変形）、（ａ）組立体としてのデュアルラスタ構成、（ｂ）デュアルラスタスクリーンの複数の構成要素、を示す。 デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面への、ラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈと等しい、自動立体視システムの光学構造を示す。 デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面への、ラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈよりも小さい、自動立体視システムの光学構造を示す。 デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面への、ラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈよりも大きい、自動立体視システムの光学構造を示す。

クレームされた自動立体視システムは、特定の実施形態の複数の例によってサポートされる、エンジニアリングエージェンシ「ＡＮＴＥＮＮＥＴ」におけるモデル試験及び実験室試験を経た。

自動立体視システムは、分離用に準備された画像を有する視覚化面（１）と、視覚化面（１）の前に配置されたラスタ光学システムを有するスクリーン（２）と、を含む。 スクリーン（２）は、光線を拡散する共通の焦点面（５）に対して対向する両側に配置された２つのラスタ（３）、（４）から成る。２つのラスタ（３）、（４）のそれぞれは、表面上に連続して配置され、かつ共通の光軸を有する１つのペアのレンズ要素を形成する複数のレンズ要素（６）から成る。ｍ個の視点のシーケンスのフレームの変化の周波数は、ヒトの眼の生理学的に調節された感度（１２Ｈｚ）以上である。同軸の複数のレンズ要素の各ペアは、マトリックスへと組み合わされたｍ個のエクリプスシャッタによって提供され、シーケンスと、自身の動作の、フレームおよび視点の変化との同期と、を提供する電子回路（７）によって制御される。複数のエクリプスシャッタのマトリックスはデュアルラスタシステムの共通の焦点面（５）内に配置される。各視点の焦点合わせおよび方向付けは、光学ラスタシステムによって成し遂げられ、一方でエクリプスシャッタは、対応する複数の視点が、ラスタシステムの対応する複数部分内に現われると定められる。複数のエクリプスシャッタのマトリックスの制御は、任意の既知の方法によって実行される。例えば、複数の液晶要素のマトリックスが複数のエクリプスシャッタのマトリックスとして使用される場合、制御は電圧の印加によって実行される。

自動立体視システムは以下のように動作する。フレーム−視点の変化と同期するモニタリング信号は、同軸の複数のレンズ要素の各ペアにおける選択された複数のエクリプスシャッタの透明モードを同時にアクティブにする。この場合、非選択の複数の要素は透明ではない。複数の透明のシャッタを通して、オブジェクトラスタの対応する複数のレンズ要素からの、画像の焦点を合わされた複数の断片は、オキュラーラスタの複数のレンズ要素によって復元され、観察者のために単一の視野−対応する（右または左）目に方向付けられた視点の現在の全画面画像へと組み合わされる。次のモニタリング信号は、エクリプスシャッタ（グループの数は視点の数に依存する）の別の選択されたグループに対して透明モードを同時にアクティブにし、全ての他のエクリプスシャッタは不透明になる／のままである。この場合、複数のフレーム−複数の視点の変化の周波数に対する要件が満たされれば、全体画像は、観察者の第２の目のために生成される。従って、立体画像のステレオペアが生成され、観察者にはフレームの中で３Ｄ画像が見える。

関数ｄ＝ｆ（ｈ，ｍ）であるようなラスタスクリーンと視覚化面との間の距離ｄは、例えば、複数のレンチキュラが複数のラスタとして用いられる場合は、複数の特定のレンズに従って幾何光学に基づき計算される。 ｄ＝（０．０２５４／２ｌ）［（ｍ−ｎ＋１）／（ｎ−１）］ ここでｌはラスタの１インチ当たりのレンズの数、 ｍは視点の数、 ｎはラスタ材料の屈折係数、である。

視覚化面の側から、デュアルラスタ板は、この距離を決定する調整リテーナによって提供される。調整リテーナは、定められた厚さの板の形態の、デュアルラスタ用の補強リブを含む、これと同一の材料の複数の局所リテーナの形態の、任意の光学的にニュートラルな材料から作られてよい。

この結果により、自動立体視システムの光学構造は、デュアルラスタの共通の焦点面から視覚化面へのラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈと等しく、その結果、安定した高品質の立体画像が提供される、複数のパラメータの相互関係を有する。

Claims (1)

1. 分離用に準備された画像が提供される視覚化面であり、前記画像はｍ個の視点のシーケンスから成り、前記視点の各々は、所定の周波数で入れ替わる視覚化面と、
   前記視覚化面の前に配置され、光線を拡散する共通の焦点面に対して対向する両側に配置された２つのラスタから成るデュアルラスタスクリーンであり、各ラスタは複数のレンズ要素から成り、前記複数のレンズ要素は表面上に連続して配置され複数の同軸のペアを形成し、さらに、前記ペアの各々にはｍ個のエクリプスシャッタが設けられ、前記ｍ個のエクリプスシャッタの各々は、複数の前記視点のシーケンスに同期して開くデュアルラスタスクリーンと、
   を備え、
   前記デュアルラスタスクリーンは、前記２つのラスタの前記共通の焦点面から前記視覚化面へのラスタ単位の一部ｈ_ｍ＝ｈ／ｍの光学投影がラスタ単位ｈと等しい距離を置いて前記視覚化面の前に配置される
   自動立体視システム。

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