KR100930431B1 - 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템, 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법, 및 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

다평면 입체 디스플레이 시스템(10) 및 방법은 복수의 이미지 심도에 대응하는 복수의 개별 광학 소자(36-40)를 포함하는 다표면 광학 디바이스(32)를 이용하여 입체 3차원 이미지(34 및 56)를 생성한다. 이미지 프로젝터(20)는 각각의 광학 소자(36-40) 상에 이미지(24-30, 44-50)를 선택적으로 투사하여 다표면 광학 디바이스(32)에서 보이는 입체 3차원 이미지(34)를 생성한다. 심리적 시각 큐가 3차원 이미지(34)의 생성 동안 부가되고 3차원 이미지를 볼 때 심도 인식을 향상시킨다. 부유 이미지 생성기(54)가 향상된 심도를 갖는 3차원 이미지를 투사하여 공간에서 부유하는 것처럼 보이는 제2 입체 3차원 이미지(56)를 생성할 수 있다.
입체 디스플레이 시스템, 안티-에일리어싱, 광학 소자, 복셀, 3차원 이미지

Description

입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템, 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법, 및 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템{MULTI-PLANAR VOLUMETRIC DISPLAY SYSTEM AND METHOD OF OPERATION USING PSYCHOLOGICAL VISION CUES}
본 발명은 3차원(3D) 이미지화에 관한 것으로, 특히, 공간에서 입체 3차원 이미지를 생성하기 위해 3D 안티-에일리어싱(anti-aliasing)을 사용하는 다평면(multi-planar) 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
3차원(3D) 이미지가 생성되어 공간에 나타나 보일 수 있다는 것은 공지되어 있다. 전형적으로, 고글 및/또는 헬멧과 같은 특수 아이웨어(eyewear)가 사용되지만, 이러한 아이웨어는 방해가 될 수 있다. 또한, 이러한 아이웨어는, 눈의 악세사리로서의 본래 성질에 의해, 실제 3D 이미지를 보는 감지력을 떨어뜨린다. 또한, 이러한 아이웨어의 사용은 이미지를 보는 시간을 제한함으로써 경감되는 눈의 피로를 초래할 수 있고, 이러한 아이웨어는 보통 부피가 크고 착용하기가 불편하다.
그러므로, 이러한 아이웨어를 사용한다는 단점없이 입체 3D 이미지 및 디스플레이를 생성할 필요가 있다.
다른 입체 시스템은 예를 들어, 자기 발광 입체 소자, 즉 복셀(voxel)을 사용하여 이러한 입체 3D 이미지를 생성한다. 이러한 시스템의 예를 제공하기 전에, 3D 데이터 구성요소(여기서는 "트라이델(tridel)"이라 함)로부터 오용되는 단어 "복셀"을 구별하는 것은 중요하다. 복셀은 3D 데이터 디스플레이에서 광의 실제 빛나는 포인트이고 2D 디스플레이에서 픽셀과 유사하다. 그러나, 트라이델은 이론적인(abstract) 3D 데이터 형태이다. 특히, 복셀은 정수(i, j, k)인 위치를 갖고 컬러 및 밝기의 특성만 갖는 반면, 트라이델은 가상 이미지 공간에서 부유 포인트 위치 (x, y, z)에서 정의된 일단의 파라미터에 의해 특징지워진다. 따라서, 가장 일반적인 관념으로, 트라이델은 임의의 수의 애플리케이션-특정 데이터 형태를 포함하는 3D 데이터 형태이다. 예를 들어, 트라이델이 3D의 다각형 정점을 정의하는데 사용되면, 이 이론적인 3D 데이터 형태의 데이터 파라미터는 컬러 (R, G, B) 및 불투명도(opacity) (A)이다. 또다른 예로서, 트라이델이 의료 컴퓨티드 x-선 단층 촬영("CT") 스캐너(medical computed x-ray tomography scanner)에 의해 형성된 이미지의 데이터 구성요소를 나타내면, 데이터 파라미터가 x-선 불투명도이다. 또다른 예에서, 트라이델이 열핵 플라즈마를 나타내면, 데이터 파라미터는 플라즈마 밀도, 온도, 및 플라즈마 성분의 평균 레이트일 수 있다.
상기로부터, 이미지, 즉 2D 또는 3D를 생성하기 위하여, 각각의 트라이델은 수학적으로 픽셀 또는 복셀로 처리되어야 한다는 것을 이해할 것이다. 이 처리는 회전, 스케일링, 스트레칭 또는 압축, 원근, 투사 및 뷰 포인트 변환을 포함하는 기하학적 변환을 포함할 수 있고, 이들은 모두 트라이델의 x, y, z 좌표 상에서 움직인다. 또한, 픽셀 또는 복셀의 컬러 및 밝기를 결정하는 처리에서, 트라이델은 하나의 복셀의 공간 내에 많이 있을 때 함께 평균되거나 2개의 트라이델의 공간 내 의 많은 픽셀이 있을 때 이들 사이에 삽입될 수 있다. 트라이델과 복셀 사이의 구분은 트라이델의 심도 좌표를 MOE 디바이스(32) 내의 복셀 심도 좌표내로 매핑하기 위하여 이하에서 설명되는 심도 변환을 고려하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 기술에서 알려진 다른 입체 디스플레이 시스템의 예로 돌아가, 입체 이미지 시스템의 일례는 칼리프 마운틴 뷰의 3D TECHNOLOGY LABORATORIES의 시스템이며, 여기에서 희토 불순물 이온으로 도핑된 고체 유리 또는 플라스틱 볼륨에 적외선 레이저 빔의 교차점이 이러한 복셀계 이미지를 생성한다. 그러나, 2개의 비가시 적외선 레이저 빔으로부터 가시광을 생성하는 비선형 효과는 약 1 %의 매우 낮은 효과를 가지고, 이는 대형 디스플레이에서 밝은 이미지를 생성하기 위하여 강한 레이저를 필요로 하게 된다. 이러한 강한 레이저는 눈에 위험을 줄 가능성이 있어서 디스플레이 주위의 중요한 보호 엔클로우저(enclosure)가 요구된다. 또한, 스캐닝된 레이저는 일반적으로 해상도가 낮아 복셀 카운트가 낮고, 입체 메카니즘의 고체 특성으로 매우 무거운 대형 시스템이 된다.
메사츄세츠주의 캠브릿지의 Actuality Systems, Inc.사에서 제조한 또 하나의 입체 디스플레이 시스템은 고속 스핀 투사 스크린상에 고속 스핀 다면 미러로부터 반사되는 레이저 다이오드의 선형 어레이를 사용한다. 그러나, 크기가 비교적 큰 이러한 고속 스핀 부품들은 진동과 어떤 경우에는 중대한 고장을 피하도록 주의깊게 균형이 맞아야 한다. 부가적으로, 디스플레이내의 복셀의 크기, 형태, 및 배향은 그 위치에 의존하여, 위치 의존 디스플레이 해상도를 야기시킨다.
또 하나의 입체 디스플레이 시스템은 플로리다주 멜보른의 Neos Technologies, Inc.사에 의해 제공되고, 이는 고속 스핀 나선 투사 스크린상에 레이저 빔을 음향 광학적으로 주사한다. 이러한 대형 스핀 부품은 디스플레이 움직임과 독립적으로 주의깊게 유지되는 균형을 필요로 한다. 레이저 스캐너 시스템은 불충분한 해상도 및 낮은 레이트를 가져 복셀의 수를 강력하게 제한한다. 부가적으로, 디스플레이내의 복셀의 크기, 형태, 및 배향은 그 위치에 의존하여, 위치 의존 디스플레이 해상도를 야기시킨다. 결국에는, 디스플레이의 극적으로 비선형인 성질은 다른 2차원 이미지를 계산하는 처리 요구를 상당히 증가시킨다.
각 눈에 약간 다른 장면의 투사 시야를 제공하는 스테레오스코픽 디스플레이와 같은 다른 타입의 3D 이미징 시스템이 공지되어 있다. 뇌는 다음에 분리된 이미지를 단일 3D 이미지로 융합한다. 어떤 시스템은 단지 단일 시점을 제공하고 특별한 아이웨어를 요구하거나, 또는 아이웨어를 제거하기 위해 헤드트랙킹을 수행할 수 있지만 3D 이미지는 오직 하나의 뷰어에 의해서만 보여질 수 있다. 다르게는, 디스플레이는 멀티뷰 오토 스테레오스코픽 디스플레이와 같은, 그 시점에 적당한 각 존내의 이미지를 서로 다른 각도의 다수의 뷰잉 존에 제공할 수 있다. 사용자의 눈은 3D 이미지를 보기 위한 떨어져 있지만 인접한 뷰잉 존을 갖고, 뷰잉 존은 뷰어가 디스플레이에 대하여 이동함에 따라 혼란스런 거슬림을 방지하기 위해 매우 좁아야 한다. 어떤 시스템은 단지 수평 패럴랙스/룩어라운드 (parallax/ lookaround)를 갖는다. 또한, 심도-촛점 수렴 불일치는 보는 시간을 강력히 제한하는 눈의 긴장을 빨리 줄 수 있다. 부가적으로, 스테레오 스코픽 디스플레이는 제한된 시야를 갖고 가상 실제 및/또는 포스 피드백 인터페이스(force feedback interface)와 같은 직접 상호작용 기술로 실감나게 사용될 수 없다.
헤드 장착식 디스플레이(HMD)는 전형적으로 가상 실제 응용에 이용될 수 있는데, 여기서, 한 쌍의 비디오 디스플레이는 각 눈에 적당한 투사 시야를 나타낸다. 단일 HMD는 한 번에 한 사람에 의해서만 사용될 수 있고, 각 눈에 제한된 시야를 제공한다. 헤드트랙킹은 패럴랙스를 제공하는데 사용되어야 한다.
다른 디스플레이 시스템은 이미지가 홀로그래픽 그레이팅이라고 공지된 매우 미세한 라인의 패턴을 갖는 코히어런트 레이저 광의 상호작용을 통해 생성되는 홀로그래픽 디스플레이를 포함한다. 이 그레이팅은 표시되는 물체의 위치로부터 나오는 것으로 보이도록 입사광의 방향 및 세기를 변경한다. 그러나, 전형적인 광학 홀로그램은 방대한 양의 정보를 포함하여, 고속으로 홀로그래픽을 업데이트하는 것은 계산 집약적이다. 비교적 큰 크기와 충분한 시야를 갖는 홀로그래픽 디스플레이의 경우에, 픽셀 카운트는 일반적으로 2억 5천만보다 크다.
따라서, 처리 시스템에 대해 계산적으로 허용가능한 요구를 갖고 시야 및 구현을 개선한 고품질 입체 3D 이미지화가 필요하다.
또한, 3차원 이미지화에서, 불연속 복셀의 사용은 예를 들어, 입체 3D 이미지에서의 불연속 심도들 간의 전이의 특징에 대해, 픽셀화에 기인하여 이미지의 일부가 들쭉날쭉하게 되어(jaged) 나타나게 한다. 입체 3D 이미지의 부분들 간의 전이를 부드럽게 하는 방법이 필요하다.
입체 3차원 이미지를 생성하는 다평면 입체 디스플레이(MVD) 시스템 및 동작 방법이 개시된다. MVD 시스템은 어레이로 배열된 다수의 개별 광학 소자를 포함하는 다표면 광학 디바이스; 다표면 광학 디바이스의 각각의 광학 소자상에 이미지 세트를 선택적으로 투사하여 다표면 광학 디바이스에서 보이는 제1 입체 3차원 이미지를 생성하기 위한 이미지 프로젝터; 및 다표면 광학 디바이스로부터 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 다표면 광학 디바이스로부터 떨어진 위치에서 공간에서 부유하는 것으로 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 부유 이미지 생성기를 포함한다.
다표면 광학 디바이스의 다수의 개별 광학 소자 각각은 제어가능한 가변 반투명을 갖는 액정 소자를 포함한다. 광학 소자 제어기는 또한 액정 소자의 반투명을 제어하기 위해 제공되어, 단일 액정 소자는 이미지 프로젝터로부터 이미지 세트중 각각의 이미지를 받아 디스플레이하기 위해 불투명 광 산란 상태를 갖도록 제어되고, 나머지 액정 소자들은 불투명 액정 소자상에 표시된 이미지의 관찰을 가능하게 하도록 실질적으로 투명하도록 제어된다.
광학 소자 제어기는 다수의 이미지화 사이클 동안 고속으로 액정 소자를 통해 래스터하여, 특정한 이미지화 사이클 동안에 불투명 광산란 상태가 되도록 그로부터 하나의 액정 소자를 선택하고, 불투명 광 산란 상태가 이미지 세트를 연속적으로 받고 3차원 심도를 갖는 입체 3차원 이미지를 생성하기 위한 액정 소자를 통해 이동하게 한다.
이미지 프로젝터는 사람이 감지할 수 있는 이미지 플리커를 방지하기 위해 35㎐ 보다 큰 레이트로 다표면 광학 디바이스내에 전체적인 제1 입체 3차원 이미지 를 생성하기 위해 이미지 세트를 다표면 광학 디바이스내로 투사한다. 예를 들어, 볼륨 레이트는 약 40㎐일 수 있다. 한 실시예에서, 예를 들어, 약 50개의 광학 소자가 약 40㎐의 볼륨 레이트로 사용된다면, 이미지 프로젝터는 이미지 세트 각각을 약 2㎑의 레이트로 각각의 광학 소자 상으로 투사한다.
이미지 프로젝터는 이미지 세트를 출력하기 위한 투사 렌즈를 포함한다. 프로젝터는 또한 투사 렌즈로부터의 이미지 세트의 투사의 해상도 및 심도를 제어하기 위해 각각의 광학 소자 상에 이미지 세트 각각을 집속하기 위한 적응 광학 집속 시스템(adaptive optical focus system)을 포함한다. 다르게는, 또는 또한, 이미지 프로젝터는 이미지 세트를 다수 컬러로 발생하고 투사하기 위해 적색, 녹색, 및 청색광을 각각 투사하기 위한 다수의 레이저 광원을 포함한다.
또한, 3D 안티-에일리어싱 방법이 다표면 광학 디바이스내의 광학 소자들 간의 전이시 투사된 이미지의 부분을 부드럽게 하는데 시용된다. 안티-에일리어싱은 광학 소자들간의 전이시 복셀의 디스플레이를 조정하여, 복셀의 컬러값이 광학 소자들로부터의 복셀의 거리의 함수로서 수정되어, 입체 3차원 이미지의 부분들 간에 전이가 부드러워진다.
도 1은 개시된 다평면 입체 디스플레이 시스템을 도시한 도면.
도 2는 투명 상태를 갖는 광학 소자 기초 액정을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 광학 소자를 산란 불투명 상태로 도시한 도면.
도 4-7은 입체 3D 이미지를 형성하기 위해 다중 광학 소자상의 이미지의 연 속적인 디스플레이를 도시한 도면.
도 8은 막 광 변조기를 도시한 도면.
도 9는 이미지 프로젝터에서 사용된 적응 광학 사스템을 도시한 도면.
도 10은 다중 광학 소자 시스템에 관련하여 도 9의 적응 광학 시스템을 도시한 도면.
도 11은 강유전성 액정(FLC) 공간 광 변조기(SLM)의 픽셀의 측단면도.
도 12 내지 14는 도 11의 FLC SLM의 축의 각도 배향을 도시한 도면.
도 15는 다평면 데이터 세트를 생성하기 위한 방법의 플로우 차트
도 16은 복수의 광학 소자내의 복셀의 3D 안티-에일리어싱을 도시한 도면.
도 17은 3D 안티-에일리어싱이 없는 경우의 복셀 디스플레이를 도시한 도면.
도 18은 3D 안티-에일리어싱이 있는 경우의 복셀 디스플레이를 도시한 도면.
도 19는 3D 안티-에일리어싱이 있는 경우와 없는 경우의 겉보기 심도를 비교한 그래프.
도 20은 3D 안티-에일리어싱을 구현하는 방법의 플로우차트.
도 21 및 도 22는 안티-에일리어싱이 없는 경우의 반투명 전방 물체를 갖는 3D 이미지의 발생을 도시한 도면.
도 23 및 도 24는 안티-에일리어싱이 있는 경우의 반투명 전방 물체를 갖는 3D 이미지의 발생을 도시한 도면.
도 1을 참조하면, 본래 입체인 3차원(3D) 이미지를 생성하는 다평면 입체 디 스플레이 시스템(10)이 제공되고, 즉, 3D 이미지는 3D 공간의 뚜렷하고 제한된 볼륨을 차지하여, 이미지가 나타나는 위치에 존재한다. 그러므로, 이러한 3D 이미지는 스테레오그래픽 방법에 의해서와 같은 시각의 광학적 환상으로 인해 3D로 감지되는 이미지과는 반대로, 진정한 3D이다.
시스템(10)에 의해 발생되는 3D 이미지는 매우 높은 해상도를 가질 수 있고, 넓은 범위의 컬러로 디스플레이될 수 있어, 실제 물체를 보는 것과 관련된 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 3D 이미지는 수평 및 수직 이동 패럴랙스 또는 룩어라운드를 가지어, 뷰어(12)가 시각적 큐를 더 수신하도록 움직이게 하여 3D 이미지의 3D 겉보기를 유지한다.
또한, 뷰어(12)는 이러한 아이웨어가 지장을 주고 눈의 피로등을 야기시키기 때문에 유리한 3D 이미지를 보기 위해 스테레오그래픽 바이저 또는 안경과 같은 어떤 특별한 아이웨어를 착용할 필요가 없다. 더구나, 3D 이미지는 소정의 디스플레이 구성에서 360˚와 동일한 수평 시야로, 수평 및 수직으로 연속 시야를 가진다. 부가적으로, 뷰어는 3D 감지의 손실없이, MVD 시스템(10)으로부터 어떤 임의의 시야 거리에 있을 수 있다.
다평면 입체 디스플레이 시스템(10)은 시스템(10)에 결합될 수 있거나 또는 예를 들어, 원격 위치로부터 통신 채널을 통해 시스템(10)과 동작 접속되고 통상의 원거리 통신 링크 또는 인터넷과 같은 임의의 네트워크를 통해 접속될 수 있는 컴퓨터와 같이, 그래픽 데이터 소스(16)로부터 3D 그래픽 데이터를 수신하기 위한 인터페이스(14)를 포함한다. 인터페이스(14)는 캘리포나아주의 산타 클라라의 INTEL 사로부터 얻을 수 있는 PCI 버스, 또는 가속식 그래픽 포트(AGP) 인터페이스일 수 있다. 다른 인터페이스로는 IEEE 1014 규격으로 표준화된 VME 백플레인 상호접속 버스 시스템, Small Computer System Interface(SCSI), Indusrty Standard Aichitecture(ISA) 인터페이스 뿐만 아니라, Apple Macintosh 컴퓨터 및 다른 시스템에서 사용되는 누버스(NuBus) 고성능 확장 버스 시스템, 확장된 ISA(EISA) 인터페이스, 유니버셜 시리얼 버스(USB) 인터페이스, 개방 또는 전용 인터페이스 뿐만 아니라, 컴퓨터에서 고속 통신 및 등시적 실시간 데이터 서비스를 제공하는 IEEE 1394 규격으로 표준화된 FireWire 버스 인터페이스가 있다.
인터페이스(14)는 큰 고속 이미지 버퍼를 포함하는, 다평면 입체 디스플레이(MVD)에 3D 그래픽 데이터를 통과시킨다. 입체 3D 이미지으로 보여지는 3차원 이미지는 MVD 제어기(18)에 의해 3D 이미지를 통해 변화하는 심도로 일련의 2차원 이미지 슬라이스로 변환된다. 이미지 슬라이스에 대응하는 프레임 데이터는 다음에 MVD 제어기(18)의 고속 이미지 버퍼로부터 이미지 프로젝터(20)로 신속히 출력된다.
MVD 제어기(18) 및 인터페이스(14)는 캘리포니아주의 마운틴 뷰의 SILICON GRAPHICS사로부터 상용화된 OCTANE 그래픽 워크스테이션과 같은 컴퓨터로 구현될 수 있다. 예를 들어, 195㎒ 명령 축약형 컴퓨팅(RISC) 마이크로프로세서를 사용하는 퍼스널 컴퓨터(PC)와 같은 다른 범용 컴퓨터 기초 시스템이 또한 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 MVD 시스템(10) 및 그것의 부품들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 특정한 구현 및 실현에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
그래픽 데이터 소스(16)는 선택적으로 인터페이스(14)와 같은 입/출력(I/O) 디바이스를 통해 컴퓨터의 MVD 제어기(18)에 적당한 포맷으로 3D 이미지 데이터를 제공하기 위해 응용 프로그램 인터페이스(API) 및 디바이스 구동기를 동작시키는 컴퓨터의 그래픽 응용 프로그램일 수 있다. MVD 제어기(18)는 예를 들어 퍼스널 컴퓨터에서 구현되고 특정화된 데이터 프로세싱용 확장 카드를 선택적으로 사용하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어일 수 있다.
예를 들어, MVD 제어기(18)내의 확장 카드는 그래픽 데이터 소스(16)로부터의 3D 데이터 세트를 슬라이스(24-30)에 대응하는 다평면 데이터 세트를 형성하는 일련의 2차원 이미지 슬라이스로 변환하기 위한 그래픽 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 그러므로 3D 이미지(34)은 수술 시뮬레이션, 항공 교통 제어 또는 군사적 명령 및 제어와 같은 실제 세계 응용을 위한 실시간 또는 거의 실시간 업데이트 레이트로 발생된다. 이러한 확장 카드는 또한 3D 데이터 세트를 조작하기 위한 기하학적 엔진 및 3D 이미지의 텍스처 매핑을 행하는 텍스처 메모리를 포함할 수 있다.
이미지 프로젝터(20)에 이미지 데이터를 전송하기 전에, MVD 제어기(18) 및 택일적으로 그래픽 데이터 소스(16)는 3D 이미지(34)에서 디스플레이될 모양을 부드럽게 하기 위해, 그리고 z축에 수직인 x-y 평면에 정렬된 광학 소자(36-42)를 갖는 MOE 디바이스(32)의 본래 불연속 복셀 구조에 의해 야기되는 디스플레이 픽셀화로 인해, 예를 들어 z 방향을 따르는 평행 평면들 간의 심도의 들쭉날쭉하게 된 라인을 피하기 위해, 이미지 데이터에 대해 3D 안티-에일리어싱을 수행할 수 있다. 이미지 슬라이스(36-42)에 대응하는 데이터가 발생됨에 따라, 이미지 소자는 평면 전이, 즉 예를 들어 광학 소자(36-38)인 광학 소자들 간의 전이의 에지에 근접하게 나타날 수 있다. 특정한 이미지 소자에서의 갑작스런 전이를 피하기 위해, 슬라이스(24, 26)는 이미지(44-46) 각각이 특정한 이미지 소자를 포함하여, 이미지 소자가 전이를 부드럽게 하고 3D 이미지(34)이 보다 연속적으로 보이도록 하는, 광학 소자(36-38)에 의해 형성된 양 평면들간에 공유된다. 각각의 연속적인 광학 소자상의 이미지 소자의 휘도는 이미지 데이터내의 이미지 소자의 위치에 따라 변화된다.
그래픽 데이터 소스(16) 및 MVD 제어기(18)는 또한 이미지 발생을 위해 MVD 제어기(18)로의 이미지 데이터의 전달율을 최대화하기 위해 인터페이스(14)를 통한 제로 런 엔코딩을 수행할 수 있다. 델타(Δ) 압축 뿐만 아니라 이동 이미지 엑스퍼트 그룹(MPEG) 데이터 통신 표준과 같은, 이미지 데이터를 전달하기 위한 다른 기술이 이용될 수 있음을 이해하여야 한다.
3D 이미지는 40㎐의 레이트로 업데이트된 50 SVGA 정도의 해상도 이미지를 포함하여, 2 GB/sec 보다 큰 원(raw) 데이터 레이트가 디스플레이되게 한다. 이러한 원 데이터 레이트는 제로를 전송하지 않음으로써 상당히 감소될 수 있다. 입체 3D 이미지는 전형적으로 물체의 내부에 연관된 많은 수의 제로, 전방 물체에 의해 차단되는 배경 물체 및 주변 빈 공간에 의해 나타내어진다. 그래픽 데이터 소스(16)는 제로의 런이 제로-런 플래그(ZRF) 또는 제로-런 코드 및 이에 따르고 관련된 런 길이로 표현된다. 그러므로, 제로의 카운트는 제로를 보내지 않고 디스 플레이용으로 보내질 수 있다. MVD 제어기(18)내의 3D 데이터 이미지 버퍼는 모든 제로를 저장하도록 초기화될 수 있고, 다음에 이미지 데이터가 이미지 버퍼내에 저장됨에 따라, ZRF 플래그의 방향은 MVD 제어기(18)이 제로의 런 길이와 동일한 데이터 위치 및 픽셀의 수만큼 버퍼에서 앞서 점프하게 한다. 3D 데이터 이미지 버퍼는 2차원 이미지를 생성하기 위해 SLM을 동작시키기 위한 SLM 구동기를 포함할 수 있는 이미지 프로젝터(20)에 출력될 3D 데이터를 포함한다.
이미지 프로젝터(20)는 MOE 디바이스(32)의 공간에 나타나도록 뷰어(12)에게 보이는 제1 입체 3차원 이미지(34)을 생성하기 위한 선택적인 이미지화를 위해 다중 광학 소자(MOE) 디바이스(32)에 고 프레임 레이트로 그리고 시계열 방식으로 3D 이미지의 2차원 슬라이스(24-30)를 투사하기 위한 관련된 광학계(22)를 갖는다. MOE 디바이스(32)는 MVD 제어기(18)의 제어하에서, 각 프레임 레이트 사이클 동안에 각각의 슬라이스를 수신하고 표시하는 하나의 광학 소자로, 표시된 2차원 이미지(44-50)로서 슬라이스(24-30) 각각을 선택적으로 수신하는 복수의 광학 소자(36-42)를 포함한다. MVD 제어기(18)에 의해 발생된 심도 슬라이스의 수는 광학 소자(36-42)의 수와 동일하고, 즉, 각각의 광학 소자는 발생되어 디스플레이될 입체 3D 이미지의 심도 해상도의 단위를 나타낸다.
광학 소자(36-42)는 이러한 조성을 위해 본 기술에 공지된 수정된 켄트 상태(Kent State)를 이용하는 콜레스테릭 텍스처와 같이, 예를 들어, 네마틱, 강유전성, 또는 콜레스테릭 물질, 또는 다른 폴리머 안정화된 물질로 이루어진 액정 디스플레이일 수 있다.
표시된 이미지의 세트로서, MOE 디바이스의 광학 소자(36-42)에 의한 슬라이스(24-30)의 각각의 전체적인 디스플레이는 아래에 기술되는 바와 같이, 충분히 높은 프레임 레이트로, 뷰어(12)가 직접 보는, 그리고 스테레오그래픽 헤드셋없이, 그리고, 개별적인 2차원 이미지(44-50) 대신에, 연속적인 입체 3D 이미지(34)을 감지하도록 약 35㎐보다 높은 레이트를 차지한다. 따라서, 도 1의 도시에서, 이미지(44-50)은 구(sphere)의 단면일 수 있고, 이렇게 발생된 3D 이미지(34)은 MOE 디바이스(32)를 형성하는 광학 소자(36-42)의 중간에 배치된 뷰어(12)에게 구로 나타나게 된다.
다른 실시예에서, 이미지(44-50)은 구 아래의 캡션으로서의 2D 텍스트, 또는 구상의 2D 텍스트와 같이, 혼합된 2D 및 3D 겉보기를 갖는 전체 이미지를 디스플레이하도록 발생될 수 있다. 한가지 응용은 가상 플랫 스크린 디스플레이로서 2D 스크린 겉보기를 갖고, 가상 플랫 스크린 디스플레이 상에 나타나는 구와 같은 3D 이미지를 갖는 MICROSOFT WINDOWS 95와 같이, 뷰어(12)가 GUI를 보게 하기 위해 2D 및 3D의 둘다의 특성을 갖는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)일 수 있다.
제1 입체 3D 이미지(34)는 배향(orientation) 범위 내에서 볼 수 있다. 또한, 제1 입체 3D 이미지(34)로부터의 광(52)은 실제(real) 이미지 프로젝터(54)에 의해 더욱 처리되어, MOE 디바이스(32)로부터 공간적으로 거리를 두고 부유하는 제1 입체 3D 이미지(34)와 거의 동일한 이미지인 것처럼 관측자(12)에게 보여지는 제2 입체 3D 이미지(56)를 생성한다. 실제 이미지 프로젝터(54), 또는 대안적으로 부유 이미지 프로젝터는 MOE 디바이스(32)로부터 방출된 광(52)을 집광하여 자유 공간 내로 3D 이미지(34)를 다시 이미지화하기 위한 한 세트의 광학기기 및/또는 미러일 수 있다. 실제 이미지 프로젝터(54)는 MOE 디바이스(32)의 광학축 상에 위치된 신호 관측 존을 생성하기 위해 종래의 구형 또는 파라볼릭 미러를 포함하는 고선명 입체 디스플레이(HDVD)일 수 있다.
예를 들어, 실제 이미지 프로젝터 시스템은 Prince의 미합중국 특허 제5,552,934호 및 Crabtree, IV의 미합중국 특허 제5,572,375호에 개시된 디바이스일 수 있으며, 이들 각각의 특허는 본 명세서에서 참고로 사용되었다. 선택적인 실시예에 있어서, 홀로그래픽 광학 디바이스는, 부유 이미지(56)을 생성하기 위한 종래의 구형 또는 파라볼릭 미러와 동일한 기능을 갖고 있지만, 하나의 관측 존이 광학 축과 정렬된 중심 영역 내에 있고 다른 관측 존들이 광학 축의 다른 측면 상에 있는 복수의 관측 존을 갖고 있는 실제 이미지 프로젝터(54)에 의해 사용될 수 있으므로, 복수의 3D 부유 이미지(56)는 복수의 관측자에 의해 관측될 수 있다.
다른 선택적인 실시예에 있어서, 실제 이미지 프로젝터(54)는 홀로그래픽 광학 소자(HOE), 즉 기존의 물체의 기록된 이미지를 보여주지 않는 종래 의미의 홀로그램을 포함할 수 있다. 그 대신에, HOE는 입사된 광을 수광하여, 반사하고, 다시 새로운 방향으로 향하게 하는 렌즈 및/또는 미러와 같은 종래의 광학 소자로서 작용한다. 유리 또는 플라스틱과 같은 종래의 광학 소자에 비해, HOE는 매우 경량이고, 재생 비용이 저렴하며, 종래의 광학기기에서는 이용할 수 없는 독특한 광학 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, HOE는 선정된 광학 축과 다른 각도에서 동일한 물체의 복수의 이미지를 생성할 수 있으므로, 비교적 작은 HOE를 사용하는 디스플 레이의 시야는 종래의 광학 디바이스에 요구되었던 광학 크기를 증가시키지 않고도 극적으로 증가될 수 있다. 따라서, 실제 이미지 프로젝터(54)로서 최소한 하나의 HOE를 사용하면, MVD 시스템(10)은 비교적 콤팩트한 시스템에 360° 시야를 제공하도록 제조될 수 있다. 또한, 레이저 광원을 사용하는 이미지 프로젝터(20)의 경우, HOE는 HOE의 파장 선택성으로 인해 상기 레이저 광원과 고성능으로 특별히 호환할 수 있다.
입체 3D 이미지(34, 56) 중의 하나가 볼륨과 심도, 선택적으로 컬러까지 갖는 것으로 관측자(12)에게 보이기 때문에, 다평면의 입체 디스플레이 시스템(10)은 외과수술을 가르치기 위한 택틸(tactile) 애니메이션에 대해 후술되는 예와 같이, 가상의 실체성 및 햅틱(haptic)/택틸 응용분야에 적용될 수 있다. 실제 이미지 프로젝터(54)는 부유 3D 이미지(56)이 가상의 상호작용을 바로 수용할 수 있게 한다. MVD 시스템(10)은 이미지(34, 56) 중의 한 이미지를 조작하려고 하는 관측자(12)에 대응하여 관측자(12)로부터 손의 움직임을 받아들이기 위한 사용자 피드백 디바이스(58)를 포함할 수 있다. 이러한 손의 움직임은 관측자(12)의 움직임에 응답하는 것처럼 보이도록 이미지(34, 56) 중의 하나 또는 둘다를 변경시키기 위해 MVD 제어기(18)에 대한 인터페이스(14)로 전달되는 제어 신호로서 사용자 피드백 디바이스(58)에 의해 번역될 수 있다. 대안적으로, 사용자 피드백 디바이스(58)는 3D 그래픽 프로세서를 포함할 수 있는 그래픽 데이터 소스(16)에 효과적으로 접속되어, 이미지(34, 56) 중의 하나 또는 둘다를 변경시킬 수 있다.
복수의 새로운 상호작용 기술은 실제 이미지 프로젝터(54)를 사용하는 MVD(10)의 성능을 개선시킨다. 예를 들어, 미합중국 매사추세츠주 캠브리지에 있는 SENSIBLE DEVICE, INC.에 의해 개발된 포스 피드백 인터페이스는 MVD 시스템(10)이 3D 이미지(34, 56)을 실제로 느껴서 손으로 조작하는 능력을 제공할 수 있게 하는 강력한 가능성 있는 기술이다. 적절한 프로그래밍으로, 뷰어(12)는 본 출원의 양수인인 DIMENSIONAL MEDIA ASSOCIATES의 상품인 디지털 클레이(DIGITAL CLAY)이라고 하는 시스템을 사용하여 이미지가 마치 찰흙인 것처럼 3차원 이미지를 조각할 수 있다.
포스 피드백 인터페이스를 구비한 MVD 시스템(10)의 다른 응용 부분은 사용자가 3차원 가상 해부도를 보고 지각할 수 있는 외과용 시뮬레이터 및 트레이너이고, 외과의사로서의 증명서를 얻기 위해, 혁신적인 새로운 절차를 실습하기 위해, 심지어는, 예를 들어 인터넷 통신 프로토콜을 사용하여 인터넷을 통해 원격 외과수술을 실행하기 위해, 가상의 심장 고동 및 사용자에 의한 가상의 찌르는 행위에 대한 반응과 같은 애니메이션을 포함한다.
이리하여, 택틸 효과는 MVD 시스템(10)에 의해 발생된 3D 이미지를 대상으로 작업하는 사용자의 시뮬레이션 및 실시간 시뮬레이션을 제공하기 위해 애니메이션과 결합될 수 있다. 예를 들어, 뷰어(12)는 의학생을 가르치는 외과의사일 수 있는데, 여기에서 외과의사가 제1의 3D 이미지(23)를 가상적인 실체성으로 관측하여 조작하면, 학생들은 제1의 3D 이미지(34) 내의 변화에 응답하는 실제 이미지 프로젝터(54)로 인해 대응적으로 조작하여 변형된 제2의 3D 이미지(56)를 관측한다. 그 다음, 학생들은 3D 이미지(34, 56)와 같은 이미지 애니메이션에 의해 고동치는 심장일 수도 있는 심장의 이미지과 같은 이미지(34)의 조작을 개별적으로 시작할 수 있다. 그 다음, 외과 교수는 심장 수술의 시뮬레이션과 같은 이미지가 마치 실제인것 처럼 이미지 조작을 실행하는 학생들을 관찰하여 등급을 매길 수 있다.
MOE 디바이스
상술된 실시예에 있어서, MOE 디바이스(32)는 유리, 플라스틱, 액체, 또는 공기 스페이서에 의해 분리된 광학 소자(36-42)와 같은, 유리로 구성된 단일 픽셀 액정 디스플레이(LCD)의 스택으로 구성된다. 대안적으로, 광학 소자들(36-42)은 그런 경량의 구조 같은 다양한 이점들을 가진 플라스틱 또는 다른 물질들로 구성될 수도 있다. 유리, 플라스틱, 그리고/또는 에어 스페이서들은 내부 인터페이스들에서 반사들을 제거하기 위하여 광학적으로 연속적인 구성에 있어서 유리 LCD들과 결합되어 있을 수도 있다. LCD들과 스페이서들의 표면들은 광학적 접촉, 인덱스 매칭 플루이드(index matching fluid), 또는 광학적 시멘트(cement)들 중의 어느 하나에 의해서 광학적으로 결합되어 있을 수도 있다. 대안적으로, 스페이서들은 물, 광물성 기름(mineral oil), 또는 인덱스 매칭 플루이드와 같은 액체로 대체될 수도 있다. 그런 액체들은 MOE 디바이스(32)를 식히는 외부 냉각 디바이스를 통해서 순환되어 질 수 있다. 또한 그런 리퀴드 스페이싱된(liquid-spaced) MOE 디바이스들(32)은 전체의 무게를 줄이기 위해서 비어있는 체로 운송될 수도 있고 장치될 수도 있다. 그리고 스페이싱 액체(spacing liquid)는 장치 후에 더해질 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 광학 소자들(36-42)은 평면이고, 직사각형이다. 그러 나, 대안적으로 곡선일 수도 있거나 원통형 같은 어떤 형태일 수도 있다. 예를 들면, 원통형 LCD 디스플레이들은 압출 성형과 같은 다른 기술들에 의해서 제조될 수도 있으며, 서로에 포개질 수도 있다. 광학 소자들(36-42) 사이에 이격 거리는 상수일 수도 있으며, 또는 대체 실시예들에 있어서 광학 소자들(36-42)의 수를 증가시키지 않고 MOE 디바이스(32)의 심도가 크게 증가되어질 정도의 변수일 수도 있다. 예를 들면, 뷰어(12)의 눈들은 증가된 관찰 거리를 가지고 심도 감도를 잃어버리기 때문에, 뷰어(12)로부터 더 멀리 위치를 잡은 광학 소자들은 한층 더 떨어져서 이격될 수도 있다. 대수적인 간격은 광학 소자들(36-42)사이에 간격이 뷰어(12)로부터 거리를 가지고 선형적으로 증가되게 수행될 수도 있다.
광학 소자(36-42)는 예를 들면 MVD 제어기의 MOE 디바이스 드라이버에 의해서 전자적으로 빠르게 스위칭될 수 있는 속성을 가지거나, 도 2에서 보여지는 것과 같이 뚜렷하고, 크게 투명한 상태와 도 3에서 보여지는 것과 같이 불투명하고, 크게 산란된 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 속성을 가진 액정 형태로 구성되어 있다. 예를 들어 설명되고 있는 광학 소자(36)의 단면을 가진 도 2 및 도 3을 참조하면, 액정 분자들(60-64)은 유리, 플라스틱, 또는 에어 스페이서들일 수도 있는 기판들(66-68) 사이에서 떠돌아다닐 수도 있으며, 또한 기판들(66-68) 각각에 적용된 투명한 도전층들(70,71)을 가질 수도 있다.
도전층들(70, 71)은 탁월한 투명도와 낮은 저항을 가지고 있지만, 유리 또는 플라스틱 기판들(66-68)의 굴절률과 비교하여 상대적으로 더 큰 굴절률을 가진 ITO(indium tin oxide)의 스퍼터링되거나 또는 증착된 얇은 필름으로 구성되어 있 을 수도 있다. 이들 물질들 사이에서 굴절률의 차이는 인터페이스들에 반사를 가져올 수도 있다. 그런 이유에서 AR (anti-reflection)물질의 부가적인 코팅들 또는 층들이 원하지 않는 반사들 같은 반사된 빛의 양을 줄이기 위해 도전층들(70, 71)과 기판들(66-68)사이에 임의로 배치될 수도 있다. 예를 들면, 전형적인 빛의 파장의 1/4 (76nm)의 광학적 두께를 가지거나, 약 1.8의 굴절률을 가진 AR층은 기판-도전층의 인터페이스에서의 반사를 매우 낮은 단계로 감소시킨다.
AR 코팅들을 사용함에 의해서, 이격 물질은 광학 소자들(36-42) 사이가 공기 또는 진공으로 남겨지도록 제거될 수도 있으며, 그리하여 MOE 디바이스(32) 전체의 무게를 줄이게 된다. 그런 AR 코팅들은 진공 증착되어진, 또는 증착된, 또는 스퍼터링된 유전체들 일 수도 있다. 대안적으로, AR 코팅들은 SOL-GEL을 가진 스핀 코팅, 디프(dip) 코팅, 또는 요철(menisus) 코팅에 의해서 응용될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 그런 도전층들(70,71)을 사용하면서, 예를 들면 MVD 제어기(18)로부터 전압원(72)이 광학 소자(36)의 기판들(66-68) 사이에 전기장(74)을 생성한다. 그리고 이런 광학 소자(36)의 기판들(66-68)들은 산란이 거의 없거나 전무한 광학 소자(36)를 통해서 액정분자들(60-64)이 광(76)을 일렬로 하거나 보내도록 한다. 또 광학 소자(36)는 충분히 투명하다.
도 3을 참조하면, 예를 들면 전압(72)의 제거는 MVD 제어기(18)에 의해서 제어된 빠르게 스위칭될 수 있는 스위치(78)를 개방시킴과 같이, 도전층들(70,71) 사이에 회로를 개방시킴에 의해서 발생할 수도 있다. 그런 전압(72)의 제거 중에, 액정 분자들(60-64)은 임의로 방향을 향하게 되고, 그래서 빛(76)은 산란된 빛(80)을 생성하기 위해 임의로 산란된다. 이런 배열에서, 광학 소자(36)는 불투명하게 보이며, 그래서 투사 스크린으로서 이미지 프로젝터(20)에 의해 거기서 초점이 맞추어진 이미지(44)을 받거나 디스플레이할 수도 있다.
대체 실시예에 있어서, 도 2-3을 참조하면, 예를 든 광학 소자(36)는 도 2에서 보여진 투명 상태에서 제 1 기판(66)에 근접한 도전층(70)을 접지에 연결시키고, 반면 제 2 기판(68)에 근접한 도전층(71)을 약 50V-약250V의 범위 내에서의 전압과 같은 전압 공급 디바이스에 연결시킴으로써 활성화 될 수도 있다. 광학 소자(36)가 도 3과 같이 산란되고, 불투명한 상태가 된 채로 스위칭되기 위해, 전압 인가가 역이 된다. 즉 도전층(71)이 약 1ms - 약 5ms 같은 미리 결정된 지연을 위해 접지되며, 그 다음에 도전층(70)은 전압 공급 디바이스에 연결된다. 그 과정은 광학 소자(36)를 투명 상태로 회복시키기 위해 다시 역으로 된다. 따라서, 평균 직류(DC) 전류 또는 전압은 광학 소자(36)에 인가되지 않으며, 상수의 인가된 전압을 가짐에 의해서 실패로 이끌 수도 있다. 또한 광학 소자들에게 열을 발생시키거나 필요 전력을 증가시키는 연속 교류(AC) 전류 또는 전압도 없다.
작동에 있어, MOE 디바이스들(32)의 광학 소자들(36-42)중의 단 하나가 주어진 시간에 산란되고 불투명한 상태에서 산란되고 있는 평면과 표면을 형성하고 있다. 이미지 프로젝터(20)가 프로젝션 사이클을 통하여 사이클당 하나의 슬라이스가 방출되도록 고속으로 슬라이스들(24-30)을 투사함에 따라, 산란 평면은 MOE 디바이스(32)의 심도를 통하여 신속하게 래스터되어서 효과적으로 가변적인 심도 프로젝션 스크린을 형성하고, 반면에 나머지 투명 광학 소자들은 뷰어(12)가 수신된 이미지 슬라이스(24-30)로부터 표시된 이미지를 볼 수 있게 한다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 연속된 프레임 데이터가 MVD 제어기(18)로부터 이미지 프로젝터(20)로 공급되어 그로부터 이미지(82-88)를 생성함에 따라, MVD 제어기(18)는 광학 소자(36-42)의 스위칭을 동기화하여 광학 소자(36)가 도 4에서와 같이 이미지(82)가 그 위에 방출됨에 따라 불투명해지고, 광학 소자(38)은 도 5에서와 같이 이미지(84)가 그 위에 방출됨에 따라 불투명해지고, 광학 소자(40)는 도 6에서와 같이 이미지(86)가 그 위에 방출됨에 따라 불투명해지고, 광학 소자(42)는 도 7에서와 같이 이미지(88)가 그 위에 방출됨에 따라 불투명해진다. MVD 제어기(18)은 지연을 이미지 프로젝터로의 각 프레임 데이터의 세트의 공급 단계 사이에 개입시킬 수 있으며, 주어진 광학 소자가 불투명하게 되도록 유발하여 이미지 프로젝터(20)가 지연 동안에 프레임 데이터의 세트들로부터 각각 해당 이미지(82-88)를 생성하기에 충분한 시간을 가진다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 하나의 광학 소자는 불투명하고 그 위에 해당 이미지를 디스플레이하지만, 나머지 광학 소자들은 투명해서, 예를 들어 적어도 광학 소자(38)을 통하여 광학 소자(36) 상의 도 4의 이미지(82)를 볼 수 있으며, 유사하게 적어도 도 5의 광학 소자(40)을 통하여 이미지(84)를 볼 수 있으며, 이미지(86)는 적어도 광학 소자(42)를 통하여 볼 수 있다. 이미지(82-88)은 비교적 고속으로 불투명 투명 상태로 스위칭되는 광학 소자(36-42) 상에 이미지 프로젝터(20)에 의해 고속으로 디스플레이되기 때문에, 이미지들(82-88)은 단일의 입체 3D 이미지(34)를 형성한다.
플리커가 인지되지 않는 연속적인 입체 3D 이미지(34)를 형성하기 위해, 각 광학 소자(36-42)는 해당 이미지를 수신하고 35㎐ 보다 큰 프레임 레이트로 불투명 상태로 스위칭될 것이다. 따라서, 전체 3D 이미지를 리프레시 및/또는 갱신하기 위해, 이미지 프로젝터(20)의 프레임 레이트는 대략 N × 35㎐ 보다 커질 것이다. 40㎐의 개별 광학 소자 프레임 레이트를 갖는 MOE 디바이스(32)를 형성하는 50개의 LCD 부품의 스택에 대하여, 이미지 프로젝터(20)의 총 프레임 레이트는 대략 50 × 40㎐ = 2㎑ 보다 크게 될 것이다. MVD 시스템(10)에 의한 고성능 및/또는 고품질 입체 3D 이미징은 이미지 프로젝터가 15㎑ 정도의 더 큰 프레임 레이트를 요구할 것이다.
한 실시예에서, 도 4 내지 도 7의 이미지(82-84)는 순차적으로 표시되는데, 그러한 순차적 프레임 정렬은 볼륨 주기 당 한번 심도의 범위를 갱신하여 MOE 디바이스(32) 내의 광학 소자(36-42)의 전체 부피를 갱신한다. 그러한 순차적 프레임 정렬은 스틸 이미지(82-88)에 대한 약 32㎐ 및 움직임을 표시하는 이미지(82-88)에 대한 45㎐의 프레임 디스플레이 레이트 같은 최저의 프레임 레이트 조건에서도 충분할 것이다. 대체 실시예에서, 반-임의적 평면 정렬(semi-random plane ordering)은 이미지 지터를 낮추고 모션 아티팩트(motion artifacts)를 감소시키기 위해 실행될 것이고, 비록 각 광학 소자가 여전히 볼륨 피리어드 당 한번만 갱신될지라도 심도의 범위는 더 높은 주파수에서 갱신된다. 그러한 반-임의적 평면 정렬은 짝수 평면에 이미지들이 조사되고 다음으로 홀수 번호 평면에 조사되는 다평면 인터레이싱을 포함하여, 이미지 프로젝터(20)의 프레임 레이트를 증가시키지 않고도 인지된 볼륨 레이트를 증가시킨다.
MOE 디바이스(32)는 충실도가 높은 3차원 이미지를 제공하기 위해 이미지 프로젝터(20) 내에 본래 발생된 이미지 해상도를 유지한다. 액정 패널(36-42)은 투명도가 높고 클리어하고 투명한 상태에서 헤이즈(haze)가 없으며, 분명한 투명 상태에서 불투명 산란 상태 간에 신속하게 스위칭할 수 있어서, 이미지 프로젝터(20)로부터의 광 및 이미지가 효율적 및 충분하게 산란된다.
다른 실시예에서, MOE 디바이스(32)는 경량이 되도록 제조될 수 있다. 액정 패널(36-42)은 한 쌍의 유리 기판으로 구성될 수 있는데, 그 내부 표면은 투명 도전층(70, 71)으로 코팅되고, 그 위에 절연층으로 코팅된다. 폴리머 배향층은 절연층 상에 최적으로 배치될 수 있다. 주어진 액정 패널의 기판들 사이에, 액정 구성물의 얇은 층이 약 10-20 마이크론 두께로 배치된다.
패널의 대부분의 부피 및 무게는 유기 기판과 관계가 있는데, 이것은 패널의 횡단 사이즈 및 개수가 증가함에 따라 잠재적으로 매우 무거운 MOE 디바이스(32)의 원인이 된다. 액정 패널(36-42)을 플라스틱 기판으로 구성하는 것이 무게의 증가에 대한 한 해법이다. 다른 방법은 매우 얇은 플라스틱 기판 상에서 롤투롤(roll-to-roll) 프로세스에 의해 MOE 디바이스(32)의 광학 소자를 생성하는 프로세싱 방법을 사용하는 것을 포함한다.
MOE 디바이스(32)에 대하여 그러한 비교적 경량의 컴포넌트를 사용함으로써, MOE 디바이스(32)가 동작 중이 아닐때에는 접을수도 있어서, MVD 시스템(10)이 휴대 가능하게 한다. 또한, 광학 소자(36-42)는 스핀 또는 디프 코팅에 의해 유기적 으로 입혀진 ITO 층과 같은 액정 기술에 부가적으로 또는 액정 기술을 대신하여 다른 무기성 재료를 포함할 수 있다.
고속 프레임 레이트 이미지 프로젝터
MVD 시스템(10)에 의해 발생된 3차원 이미지(34, 56)의 최대 해상도 및 컬러 심도는 고속 프레임 레이트 이미지 프로젝터(20)의 해상도 및 컬러 심도에 의해 직접 결정된다. MOE 디바이스(32)의 역할은 일차적으로 이미지 프로젝터(20)로부터의 일련의 2차원 이미지를 3D 입체 이미지로 변환시키는 것이다.
한 실시예에서, 이미지 프로젝터(20)는 쇼트 아크(short arc)를 사용한 아크 램프 광원을 포함한다. 램프로부터의 광은 컬러 분리 광학기구에 의해 적색, 녹색 및 청색 요소들로 분리되고, 3개의 개별 공간 광 변조기(SLM)를 조사하도록 사용된다. SLM에 의한 변조 후에, 3개의 컬러 채널들은 단일의 빔으로 재결합되고 초점 렌즈 같은 광학기구(22)로부터 MOE 디바이스(32) 내로 투사되어서, 슬라이스(24-30)로부터의 각 해당 2차원 이미지가 광학 소자(36-42) 중에 해당하는 하나 상에 표시된다.
다른 실시예에서, 이미지 프로젝터(20)는 아크 램프 및 컬러 분리 광학기구를 대신하는 고출력 고체 레이저를 포함한다. 레이저 광원은 향상된 효율, 고 지향성 빔, 및 단일 파장 동작을 포함하는 복수의 장점을 갖는다. 부가적으로, 레이저 광원은 고 포화, 선명 컬러들을 생성한다.
또 다른 실시예에서, 고속 동작이 성취되도록 제공된 SLM을 이행하기 위해 다른 기술들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 고속 액정 디바이스, 마이크로-전기 기계적(MEM) 디바이스에 기초한 변조기, 또는 다른 광 변조 방법들이 그러한 고속 프레임 레이트 이미징을 제공하기 위해 사용될 수도 있다.
예를 들어, SILICON LIGHT MACHINES사(캘리포니아주 서니베일 소재)의 디지털 광 프로세싱(DLP) 기술, BOULDER NONLINEAR SYSTEMS사(콜로라도주 볼더 소재)의 아날로그 강유전성 LCD 디바이스가 이미지 프로젝터(20)에 의해 출력을 위한 이미지를 변조하기 위해 사용될 수 있다. 또한, SLM은 강유전성 액정(FLC) 디바이스일 수 있으며, FLC SLM의 편광 바이어싱이 이행될 수 있다.
MVD 시스템(10)에서 초고해상도 이미지를 얻기 위해, 적당한 심도에서 각각의 대응하는 이미지를 광학 소자에 디스플레이하기 위해서는, 이미지(44 내지 50)를 MOE 디바이스(32)의 각각의 대응하는 광학 소자에 적절하고 급속도로 재집속시켜야 한다. 이러한 재집속 요건을 만족시키기 위해, 적응력있는 광학 시스템이 사용되는 데, 이러한 광학 시스템은 인터넷 상에서 http://guernsey.et.tudleft.nl/focus/index.html 사이트로 이용가능한 G. Vdovin의 "Fast focusing of imaging optics using micromachined adaptive mirrors"에 기재된 고속 집속 디바이스와 같이 공지된 디바이스일 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 막 광 변조기(MLM)(90)는 탄력있는 박막(92)으로서 제어가능한 반사 및 집속 특성을 갖는 미러로서 동작한다. 막(92)은 플라스틱, 니트로셀룰로즈, "MYLAR", 또는 긴장 상태에서 알루미늄과 같은 반사제로 코팅되는 도전성 반사층으로 피복된 금속막으로 구성된다. 전극 및/또는 압전기 액추에이터(94)는 실질적으로는 막(92)에 인접하여 위치한다. 전극(94)은 평평하거나 또는 막(92)의 표면 에 대하여 실질적으로 2차원적으로 확장하기 위해 평평하다. 막(92)은 실질적으로는 타원형의 마운팅 링, 원형의 링과 같은 마운팅 구조(96)에 의해 실질적으로는 전극(94)에 인접하여 탑재된다.
전극(94)은 전압원(98)으로부터 대략 1,000 volts 정도의 고전압일 수 있다. 이 전압은 막(92)을 당김 및/또는 반발시키기 위해 소정의 범위 내에서 변할 수 있다. 접지(100)에 접속됨으로써 접지 전위로 될 수 있는 막(92)은 정전기에 의해 편향되거나 파라볼라 형상과 같은 곡선 형상으로 변형된다. 이런 상태로 변형되면 막(92)은 촛점 길이를 갖는 집속 광학 디바이스로서 동작하게 됨으로써 전극 전압을 변화시킴으로써 투사 거리가 고속으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 막(92)의 곡선면은 곡선 막(92)의 곡률 반경의 반과 동일한 촛점 길이를 가질 수 있고, 곡률 반경은 막(92) 상에서의 텐션, 막(92) 재료의 물리적인 특성, 막(92)과 전극(94)의 분리, 및 전극(94)에 인가되는 전압에 의해 결정된다.
일실시예에서, 막(92)은 항상 전극(94) 쪽으로 편향된다. 대안적으로, 전극(94)으로부터 막(92)의 반대쪽 상에 투명한 도전층을 갖는 윈도우를 위치시킨 다음, 고정 전압을 윈도우에 인가함으로써 막(92)이 양방향 다시 말해서, 전극(94)으로부터 떨어지거나 전극(94) 쪽으로 편향됨으로써, 이미지 촛점의 범주가 더 넓어진다. 1976년 Martin Yellin에 의해 SPIE CONFERENCE PROCEEDINGS, vol. 75, pp.97-102에 상기 막(92)의 변동을 여러 방향으로 제어하는 기술에 대해 개시되어 있다.
MLM(90)의 편향의 광학적 효과는 투사 광학 디바이스(22)에 의해 확대되고, 물체면으로부터 투사된 이미지가 높은 재집속 레이트로 이미지 프로젝터(20)로부터 가변거리를 두고 집속되도록 야기된다. 또한, MLM(90)은 전촛점 범위에 걸쳐 거의 일정한 이미지 배율을 유지할 수 있다.
도 9를 참조하면, MLM(90)은 적응형 광학 시스템에 일원으로 되어 예를 들면, 투사 광학 디바이스(22)에 대한 이미지를 집속하기 위해 1/4 파장판(104)과 빔스플리터(106)에 인접하게 된다. 물체 또는 물체면(112)으로부터의 이미지(110)는 편광기(108)를 통해 빔스플리터(106)에 의해 수평 편광된 다음, 그 후부터 1/4 파장판(104)을 통과하여 반사 및 집속을 위해 막(92)으로 원편광된 광으로 입사된다. 반사후, 이렇게 집속 이미지(114)는 1/4 파장판(104)을 통과하여 입사광(110)의 방향으로 90°편광된 광(114)으로 된다. 그 다음 빔스플리터(106)는 광(114)을 투사 광학 디바이스(22) 쪽으로 반사하여 물체 이미지를 형성하게 된다. 이 1/4 파장판(104) 및 편광기(108)를 MLM(90)과 함께 사용함으로써, 적응형 광학 시스템을 상대적으로 소형으로 접을 수 있어, 축을 벗어나거나 투사 렌즈(22)에서 거리를 두고 MLM(90)을 탑재하는 것을 피할 수 있다.
이미지가 투사 광학 디바이스(22)로부터 정상 투사면(116)에 정상 거리 FN으로 집속될 수 있고, 이 이미지는 최소 투사면(118)으로부터 최소 거리 FMIN 내지 최대 거리 FMAX사이에서 투사 광학 디바이스(22)로부터 최대 투사면(120)으로 고해상도의 이미지를 유지한 채 높은 비율로 재집속될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, MLM(90), 1/4 파장판(104), 및 편광기(108)를 갖는 적응 광학 시스템을 포함하는 이미지 프로젝터(20)는 3D 이미지의 2D 슬라이스 를 선택적으로 급속도로 투사할 수 있으므로, 2D 슬라이스가 적어도 하나의 광학 소자 상에 고도의 집속 정확도를 갖고 집속될 수 있으므로 2D 슬라이스가 MOE 디바이스(32)의 광학 소자(36 내지 42) 사이의 스페이서(122)에 입사되지 않게 된다.
다른 실시예로서, 도 9 내지 10을 참조하면, 이미지 프로젝터(20)는 물체 면(112)으로부터 광(110)을 변조하기 위해 복수의 픽셀(126)을 갖는 SLM(124)을 포함할 수 있다. 스위칭가능한 반파장판을 사용하여 SLM(124)의 전면 및 후면 기판 상에 90°정도 배향이 다른 배향층을 생성함으로써 스위칭가능한 반파장판이 형성된다. TN SLM의 액정이 각 면 상의 배향층에 정렬한 다음, 두개 기판 사이에 부드럽게 결합하여 반주기로 된 헬릭스를 형성하게 된다. 헬릭스 피치가 광 파장에 접근하여 선택된다면 나선은 반파장판으로서 동작하고 90°정도 편광하여 입사광을 회전한다. TN SLM에 충분한 전계를 가하면 두개 기판 사이의 대부분의 액정 재료를 기판에 수직한 지점으로 재배향시켜, 헬릭스를 되감고 반파장판을 파괴시킴으로써 입사광의 편광 회전을 무시한다. TN 액정 재료가 본래 편광이 부족하면 TN SLM으로 하여금 인가된 전압의 부호에 둔감하도록 하고, 인가된 어떤 전압도 파장판 동작에서 동일한 감소를 가져오므로써 TN SLM이 인가된 전압의 크기 함수인 지연을 갖는 파장판으로서 동작한다.
대안적으로 도 1에 도시된 바와 같이, SLM(124)은 실리콘 기판(130)과 같은 반도체 기판 위에 위치된 FLC재(128)를 갖는 각각의 픽셀(126)과, 이들 사이에 위치된 전극(132)을 갖는 복수의 픽셀(126)로 구성된 강유전성 액정(FLC)계 디바이스일 수 있다. 전극(132)은 알루미늄으로 구성될 수 있다. 투명 도전체(134)는 FLC 재(128) 위에 위치하고 2.5 V 동작 전압과 같은 전압원에 접속된다. 예를 들어 유리로 구성된 커버 슬라이드(136)는 투명 도전체(134) 위에 위치한다.
이러한 픽셀(126)들로 구성된 FLC SLMs은 트위스트 네마틱(TN) SLM과 유사한 방법으로 동작하고, 여기서 전극(128)과 도전체(134)사이에 전계를 인가하면 입사광의 편광을 회전시키게 된다. 회전 정도는 인가된 전압에 비례하고, 0°내지 90°사이에서 변한다. 편광기(108)와 같은 외부 편광기와 조합하여, SLM(124)을 편광 회전시키면 입사광을 강도 변조시킨다.
TN SLM와는 달리, FLC SLM은 고유의 편광을 가져, FLC SLM이 바람직한 두께를 갖게 하여 인가된 전압과 관계없는 지연을 갖는 파장판을 형성한다. FLC SLM은 인가된 전압의 배율과 부호 둘다의 함수인 배향을 갖는 파장판으로서 동작한다.
도 11의 FLC SLM(124)의 픽셀(126)의 경우, FLC SLM(124)의 반파장판(a half waveplate)은 수평 기준축에 대해 약 22.5°의 무전력 배향(an unpowered orientation)을 갖도록 구현하면 입사광 편광이 45°회전하게 된다. 전력이 공급되면, 투명 도전체(134)는 2.5V로 바이어스되며, 이 전압은 픽셀(126)의 전극(132)의 전압 범위의 절반에 해당한다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, FLC SLM(124)의 픽셀(126)에 의해 형성된 반파장판의 주축(principle axis)의 배향은 0 V, 2.5 V 및 5 V 각각에서 각각 0°, 45°및 90°편광을 갖는 것으로 도시되어 있다.
TN SLM 및 FLC SLM은 모두 DC(direct current) 평형되어 정확한 동작을 유지하게 된다. 연속적인 DC 전계를 픽셀(126)에 인가하면 불순물 이온 폭격(impurity ion bambardment)에 의해 기판상의 배향층이 파괴되어 픽셀(126)이 손상을 입게 된다. 이러한 손상을 예방하기 위해, 주기적으로 또한/또는 불규칙적으로 전계의 부호를 반전시키게 되는데, TN SLM에 대해서는 약 100Hz 정도의 주파수로, FLC SLM에 대해서는 약 1Hz의 주파수로 이루어진다. TN SLM은 전계의 부호에 대한 감도가 낮아서 전계가 반전되어도 그를 통과하는 이미지는 일정한 외관을 유지하게 된다. 그러나, FLC SLM은 전계의 부호에 민감하기 때문에, 계조 반전이 발생되며, 이 계조 반전이란 SLM이 DC 평형을 이룰 때 이미지의 흑색 영역이 백색으로 변하고 백색 영역이 흑색으로 변하는 것을 말한다.
SLM(124)의 DC 평형 동안의 계조 반전을 방지하기 위하여, 입사광의 편광을 바이어스하게 되면, 픽셀(126)에 전계를 인가하여 생기는 포지티브 및 네거티브 이미지는 동일한 외관을 갖게 된다. SLM(124) 및/또는 개개의 픽셀(126)은 입사광(110)을 수광하도록 SLM(124)의 전방에 위치한 정적 반파장판(138)을 갖는다. 파장판(138)은 입사광의 편광을 22.5°회전시키도록 배향되며, 그 결과 전극(132)에 0 V 나 5 V 중 어느 하나를 인가할 때 계조는 최대 밝기를 가지며, 전극(132)에 2.5V가 인가될 때 최소 밝기를 갖게 된다. 다른 실시예에서는, 파장판(138)을 포함시킴으로써 최대 휘도가 감소되는 것을 막기 위하여, 정적 배향이 45°인 FLC 물질(128)을 사용함으로써, 편광 바이어스된 FLC SLM(124)의 최대 휘도가 파장판(138)이 없는 비바이어스된 SLM의 최대 휘도와 같게 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 이미지 프로젝터(20)의 다른 실시예에서는, 물체면(112)에 착색 레이저 및/또는 고체 상태 발색 레이저 등의 레이저를 사용할 수도 있다. 이러한 레이저는 예를 들면 청색 및 녹색 고체 상태 레이저 등이 있으며, 현재 이들은 CD ROM이나 레이저 비디오 시스템 등의 다른 정보 기억 및 검색 기술 분야에서 활용 중에 있다.
이미지 프로젝터(20)의 다른 실시예에서는, 헤드-업 디스플레이에 적응형 광학을 사용하여 심도가 고정된 것이 아니라 뷰어(12)쪽으로 또는 그로부터 멀리 이동될 수 있는 3D 이미지를 생성하게 된다. MOE 디바이스(32)를 사용하지 않는 경우, 2D 이미지 슬라이스(24-30)가 뷰어(12)의 눈에 직접 투사되어 정확한 심도에 나타나게 된다. 이러한 슬라이스(24-30)를 뷰어(12)에 신속하게 표시해줌으로써, 뷰어(12)는 3D 이미지를 보게 되는 것이다. MVD 시스템(10)의 이 실시예에서는, 이미지 프로젝터(20) 및 다른 구성 요소의 적응 광학 디바이스는 기존의 헬멧-탑재 디스플레이용 헤드-업 디스플레이, 또는 차량의 계기판 탑재 시스템에 내장되도록 아주 콤팩트하다.
다른 실시예에서는, 슬라이스(24-30)가 발생되어 투사됨으로써 몇가지의 이미지(44-50)이 하나 이상의 광학 소자(36-42)에 각각 표시되며, 단일 광학 소자에 대응하는 단일 심도가 아니라 MOE 디바이스(32)에서 어떤 범위의 심도에 걸쳐 이미지를 표시함으로써 심도를 오버샘플링하게 된다. 예를 들면, MOE 디바이스(32)가 이미지 슬라이스(24-30)의 수보다 많은 광학 소자(36-42)의 평면을 가지는 경우가 더 유리하며, 따라서 이미지(44-50)의 수는 이미지 슬라이스(24-30)의 수보다 많게 된다. 예를 들어, 슬라이스(24)는 광학 소자(36-38) 모두에 이미지(44-46)로서 각각 표시된다. 이러한 오버샘플링은 광학 소자(36-42)의 수 또는 이미지 프로젝터(20)의 프레임 레이트를 증가시키지 않고 보다 더 연속적인 외관을 갖는 3D 이미지(34)를 생성한다. 이러한 오버샘플링은 예를 들면 복수의 광학 소자를 불투명 상태에 있도록 스위칭하여 각각의 복수의 프로젝션 사이클 동안 단일 투사 슬라이스를 각각의 불투명인 복수의 광학 소자에서 받도록 함으로써 행해질 수 있다.
다표면 데이터 세트로 부터 3D 이미지의 생성
3D 이미지(34)을 형성하기 위해 2D 이미지(44-50)의 세트로 표시될 2D 이미지 슬라이스(24-30)의 세트를 생성하기 위하여, 그래픽 데이터 소스(16)로 부터 MVD 제어기에 의해 수신된 3D 이미지 데이터에서 다표면 데이터 세트가 생성된다. 슬라이스(24-30)의 각각은 MOE 디바이스(32)내에서 적절한 심도로 표시된다; 즉, 슬라이스(24-30)는 광학 소자(24-42)중의 특정한 것 위에 선택적으로 투사된다. 3D 이미지(34)의 슬라이스(24-30)들이 충분히 가까워지면, 이미지(34)은 연속적인 3D 이미지으로 나타난다. 또한, 3D 이미지(34)의 연속적인 겉보기를 향상하기 위하여 본원에 설명된 선택적 다표면 안티-에일리어싱이 사용될 수 있다.
MVD 시스템에 의해 다표면 데이터 세트(MPD)을 연산하는 방법이 실행된다. 특히, MVD 제어기(18)는 그래픽 컴퓨터일 수도 있는 그래픽 데이터 소스(16)의 프레임 버퍼의 심도 (또는 z) 버퍼 및 컬러 버퍼로부터 정보를 조합하는 것과 같은 방법을 실행한다. 또한, 상기 방법은 고정된 심도 동작 및 안티-에일리어싱을 포함한다.
도 15를 참조하면, 상기 방법은 표시될 이미지를 선택 및/또는 조작하기 위 하여 선택적 사용자 피드백 디바이스(58) 또는 GUI와 같은 MVD 시스템(10)을 동작시키는 사용자(12)와의 상호작용에 대해 단계(140)에서 응답한다. 그러한 동작 및/또는 상호적으로 MVD 시스템(10)은 예를 들면, MVD 제어기(18)의 메모리일 수도 있는 프레임 버퍼내에 저장된 이미지 데이터로부터 단계(142)에서 렌더링 이미지를 실행한다. 상기 프레임 버퍼는 컬러 버퍼 및 심도 버퍼와 같은 서브-버퍼들을 포함한다. 일반적인 렌더링 과정에서, 그래픽 컴퓨터는 심도 버퍼내의 동일한 (x,y) 위치에서 각 화소의 컬러 및 심도를 연산한다. 새로운 화소의 심도가 이전에 연산된 화소의 심도이하일 경우, 상기 새로운 화소는 뷰어에게 보다 가깝게 되어, 각각 컬러 버퍼 및 심도 버퍼 모두에서 이전 화소의 컬러 및 심도가 새로운 화소의 컬러 및 심도로 바뀌어 진다. 한 장면내의 모든 물체가 이미지 형성을 위해 데이터 세트로 렌더링되면, 상기 방법은 단계(144-152)를 계속 진행한다. 선택적으로 또는 부가적으로 프레임 버퍼내에 렌더링된 이미지는 3D 이미지를 입체 3D 이미지(34)으로 생성하기 위한 도입부로서 2D 컴퓨터 스크린상의 3D 이미지으로 뷰어에게 표시될 수 있고, 그 결과 뷰어(12)에게 3D 이미지(34)으로 생성될 이미지를 선택하도록 한다.
MPD 연산에 대한 상기 방법을 실행하는데 있어서, 컬러 버퍼로부터의 데이터가 단계(144)에서 판독되고, 심도 버퍼로부터의 데이터가 단계(146)에서 판독된다. 예를 들면, 프레임 버퍼는 원하는 크기의 이미지 슬라이스(24-30)로서 광학 소자(36-42)의 화소 크기에 의해 결정될 수 있는 x-축 및 y-축내에 동일한 수의 화소를 가질 수 있다. 단위 크기당 화소수가 프레임 버퍼와 이미지 슬라이스(24-30) 사이에서 동일하지 않다면, 컬러 및 심도 버퍼내의 데이터는 이미지 슬라이스(24-30)의 희망하는 화소 크기를 갖는 MVD 시스템(10)과 동일한 해상도를 갖도록 단계(140)에서 스케일된다. MVD 제어기(18)는 상술한 바와 같이 스케일된 데이터일 수 있는 컬러 및 심도 버퍼의 데이터로 부터 생성된 최종 MPD를 저장하기 위한 메모리내의 출력 버퍼를 포함한다.
상기 출력 버퍼는 슬라이스(24-30)에 의해 투사될 이미지(44-50)과 동일한 해상도 및 컬러 심도를 갖는 2D 이미지에 대응하는 데이터 세트를 저장한다. 바람직한 실시예에서, 이미지(44-50)의 수는 MOE 디바이스(32)의 광학 소자(36-42)에 의해 형성된 평면의 수와 동일하다. MPD 연산이 완료되고 단계(150)에서 2D 이미지의 화소가 출력 버퍼내에서 분류된 후, 출력 버퍼는 MVD 이미지 버퍼로 이동되고, 이는 이미지 프로젝터(20)내의 메모리에서 지속될 수 있으며, 이로부터 상술한 바와 같이 뷰어(12)에게 보여질 3D 이미지(34)을 형성하기 위하여 상기 2D 이미지가 이미지 슬라이스(24-30)로 전환된다. 그 후, 상기 방법은 3D 이미지(34)의 생성과 동시에, 예를 들면, 단계(140)으로 되돌아 가서 새로운 입력을 처리하고, 그때부터, 예를 들면, 활동적인 3D 이미지를 생성하기 위해 3D 이미지(34)을 갱신 또는 변화시킨다.
MVD 시스템(10)은 2가지 모드, 즉, 가변 심도 모드 및 고정 심도 모드로 동작한다. 가변 심도 모드에서, MVD 시스템(10)에 의해 입체 3D 이미지를 생성하기 이전에 개별적인 2D 스크린상에 3D 이미지의 맨 끝 심도 값에 대응하는 최대 심도값 Zmax 및 최소 심도값 Zmin을 결정하기 위하여 단계(146)에 포함된 MPD 연산에 앞서 심도 버퍼가 테스트된다. 고정 심도 모드에서, Zmax 및 Zmin는, MVD 시스템(10)에 의해 생성된 3D 이미지(42)의 각각 후면 및 전면 한계를 나타내기 위하여 애플리케이션 시작 동안 또는 상호작용 중에 뷰어(12)에 의해 할당된 값이다. 가변 모드 심볼은 2D 스크린상에 보이는 모든 물체로 하여금 상기 물체를 갖는 장면의 상호적인 조작으로 인한 이미지 심도의 변화나 심도의 범위에 관계없이 MOE 디바이스(32)에 표시되도록 한다.
여기 설명된 MPD 방법에 따라 Zmax 및 Zmin 의 값을 사용하여 심도 버퍼(depth buffer) 내의 심도 값은 단계(148)에서 오프셋 되고 스케일될 수 있어서 Zmin 의 심도를 갖는 픽셀은 스케일된 심도 0 을 갖고 Zmax 의 심도를 갖는 픽셀은 MOE 디바이스(32)의 광학 소자 (36-42)의 평면 개수와 동일한 스케일된 심도를 갖게 된다. 단계(150)에서 스케일된 심도를 갖는 그런 픽셀들은 스케일된 심도 값 di 의 정수 부분 [di]를 검사하고 컬러 버퍼로부터의 컬러 값을 동일한 (x,y) 좌표에서 적합한 MPD 슬라이스(24-30)로 할당함으로써 그후 소트되고 출력 버퍼에 저장된다. 이 컬러 값은 관련된 픽셀 또는 복셀의 밝기를 나타낼 수 있다.
상기에 기초하여, MOE 디바이스(32)의 광학 소자(36-42)의 선택된 서브셋을 이용하여 동일한 효과가 달성될 수 있다는 것은 본 기술의 숙련된 자에게 분명한 것이다. 그러나, 바람직한 실시예에서, MOE 디바이스(32)의 모든 광학 소자(36-42)가 활용된다.
상술된 바와 같이, 복셀과 트라이델 사이의 구분을 고려할 때, 디스플레이 내의 가상 공간으로부터 그 복셀 심도 좌표로의 트라이델의 심도를 매핑하는 처리 는 실제로 두 단계로 발생한다. 제1 단계는 다평면 디스플레이 내에서 트라이델의 가상 심도 좌표(z)의 실제 심도 좌표(z′)로의 변환을 수반한다. 제2 단계는 트라이델의 연속 z′ 값이 특정한 디스플레이 복셀(k)의 불연속 심도 좌표 k로 변환하도록 수반한다. 그 이유는 이하에서 명백해질 것이다.
z에서 z′로의 변환은 MVD 제어기(18) 또는 그래픽 데이터 소스(16)에서 수행될 수 있다. 이 변환은 다소 독립적으로 디스플레이되기 때문에 소프트웨어(애플리캐이션, API, 또는 디바이스 드라이버) 또는 MVD 제어기(18)내의 그래픽 카드 하드웨어에 의해 바람직하게 수행된다. 유사하게 z′에서 k로의 변환이 MVD 제어기(18) 또는 그래픽 데이터 소스(16)에서 수행될 수 있다. 그러나, 이 변환은 디스플레이의 특정한 파리마터에 의존하기 때문에 종종 MVD 제어기(18)에서나, 하드웨어 또는 펌웨어에 의해 수행될 것이다.
그러나, 다평면 프레임 버퍼가 그래픽 데이터 소스(16)의 그래픽 카드 상에 실제 있는 시스템에서, z′에서 k로의 변환은 그래픽 카드 하드웨어에서 수행되어야 한다. 이 경우에, 그래픽 카드는 MVD 제어기(18)를 z′에서 k 매핑 특성으로서 문의할 수 있어야 하므로 이들은 트라이델에서 복셀로의 처리 동안 이용될 수 있다.
그래픽 데이터 소스(16) 내의 가상 심도 좌표는 입체 디스플레이의 물리적 심도 보다 훨씬 깊은 범위를 잠재적으로 가질 수 있다. 예를 들어, 집과 거리의 장면이 50 미터의 가상 심도 범위를 가질 수 있고, 반면에 MOE 디바이스(32)는 물리적으로 0.3 미터 심도만 가질 수 있다. 또한, 트라이델의 가상 심도 z에서 물리 적 심도 z′의 매핑은 단일값이 제공된다면 임의의 함수의 형식을 취할 수 있다. 예를 들어, 상술된 가변의 심도 모드에서, 가장 간단한 매핑은 전체 가상 심도 범위 DV를 스케일 하여 DD/DV와 동일한 일정한 스케일 파라미터를 갖는 MOE 디바이스(32)의 심도 DD 내에서 선형으로 일치시킨다. 유사하게, 상술한 고정 심도 모드에서, 가상 공간의 처음 0.3 미터는 1의 일정한 스케일로 디스플레이하도록 매핑될 수 있다. DD 보다 큰 심도를 갖는 장면의 부분이 디스플레이되지 않거나, 디스플레이의 가장 깊은 면 상에 2d 배경으로서 그려질 수 있다.
또다른 유용한 매핑은 비선형이고 낮은 심도 값에 대하여 높은 해상도 및 더 높은 심도 값에서 감소된 해상도를 제공하는 것이다. 예를 들어, 제곱근 함수는 z가 증가함에 따라 감소하는 해상도를 가져 0 근처에서 최고 해상도가 제공된다. DV 및 DD에 대한 선행 값을 이용하는 예에서 O에서 50 미터의 범위에서 z에 대하여 아래 매핑을 이용한다:
Figure 112004006936866-pct00001
일반적으로 임의의 단일 값 함수는 z에서 z′로의 맵에 이용될 수 있고 어떻게 특정한 이미지 또는 애플리케이션에 대하여 가장 적합한 z에서 z′로의 맵을 만들 것인지를 결정하는 것은 프로그래머나 뷰어에게 남겨질 것이다.
MOE 디바이스(32) 내에 이미지를생성하기 위하여 트라이델의 요구되는 물리적 심도 z′로부터 불연속 복셀 심도 k를 계산하기 위한 방법이 요구된다. MOE 디 바이스(32)는 0과 DD 사이의 물리적 심도의 범위를 차지하는 많은 광학 소자 또는 이미지 평면(NPlanes)으로 구성된다. 가장 간단한 경우에서 평면은 Δ=DD/(NPlanes-1) 량만큼 동일한 간격을 유지할 수 있다. 이는 z′와 k 사이의 관계를 간단하고, 선형이고, k=z′/Δ와 동일하게 한다. 그러나, 면 상의 공간을 뷰어로부터 심도의 증가에 따라 증가시키는 것이 때때로 바람직할 것이다. 이 경우에 z′와 k 사이의 관계는 비선형적이 된다. 예를 들어, 면 k와 k+1 사이의 공간이 아래와 같이 주어진다:
Figure 112004006936866-pct00002
그리고 디스플레이의 전체 심도는 아래와 같고
Figure 112004006936866-pct00003
면 k의 물리적 심도 z′는 아래와 같다.
Figure 112004006936866-pct00004
상기 식은 k에 대하여 다음과 같이 될 수 있다.
Figure 112004006936866-pct00005
음의 근은 음의 값이고 명확하게 비물리적 해이기 때문에 점검에 의해 상기 식의 양의 근이 물리적 심도 z′로부터 복셀 심도 k를 계산하는데 이용되는 것임을 결정할 수 있다. 복셀 데이터가 디스플레이로 전송되는 것과 같이 복셀 심도는 상 기 식으로부터 "활동 중에(on the fly)" 계산될 수 있지만, z′와 k 모두의 범위가 MOE 디바이스(32)의 설계로부터 알려지기 때문에 사전 계산된 룩업 테이블을 이용하는 것이 보다 효과적이다.
일반적으로 상기 식은 결과로서 정수값을 나타내지 않는다는 것이 주지된다. 이는 다평면 안티-에일리어싱이 가상 심도 z에서 트라이델과 관련된 심도 k에서 복셀의 밝기가 얼마나 2개의 인접한 디스플레이 복셀 중에서 분할될 수 있는지를 결정하도록 작용하기 때문에 허용될 수 있다. k의 정수부가 트라이델의 밝기가 지정되는 평면 쌍을 결정하고 k의 소수부가 밝기가 얼마나 두 평면 사이에 할당되는지를 결정하는 것을 상기하자. 예를 들어, (i, j)에서 트라이델이 5.34와 같은 값을 가지면, 트라이델의 밝기의 34 %가 (i, j, 6)에서 복셀 상에 발견될 것이고 (i, j, 5)에서 복셀 상에 발견될 것이다.
개시된 MPD 방법을 활용하면 MVD 시스템(10)에 의해 발생된 입체 3D 이미지(34)는 불완전할 수 있다. 즉, 2D 컴퓨터 스크린 상에서 상응하는 3D 이미지를 보는 뷰어의 시선을 따라 볼 때 물체나 영역이 보이지 않는다면 그곳의 물체 또는 영역은 완전히 제거된다. MVD 시스템(10)에 의해 발생된 입체 디스플레이에서 도 1 의 뷰어(12)가 이전에 감추어졌던 물체를 볼 수 있도록 하는 보는 각도로 움직일 수 있도록 하여 이미지를 한바퀴 둘러볼 수 있고, 따라서 이런 MVD 시스템(10)은 종래의 3D 이미지를 2D 이미지로 표시하는 방법에 비해 이점을 갖는다.
대안 실시예에서 MPD 방법은 여기 설명한 대로 스케일된 심도 값의 분수값, 즉 di-[di] 를 사용하여 안티-에일리어싱을 구현하여서 픽셀들의 컬러 값의 분수값을 슬라이스(24-30) 집합 중에서 두개의 인접한 MVD 이미지 슬라이스에게 할당한다. 예를 들어, 스케일된 심도 값이 5.5 이고 각각의 슬라이스가 불연속적인 심도값에 상응한다면 픽셀 밝기의 절반은 슬라이스 5 및 슬라이스 6 의 각각에 할당된다. 대안으로 스케일된 심도가 5.25 이면 슬라이스 5 가 "더 가까워진" 스케일된 심도가기 때문에 컬러값의 75 % 가 슬라이스 5 에 할당되고 컬러값의 25 % 가 슬라이스 6 에 할당된다.
서로 다른 시각화 작업에 대해서 서로 다른 정도의 안티-에일리어싱이 적절할 것이다. 안티-에일리어싱의 정도는 한 극단값으로부터 가변될 수 있다. 즉, 컬러값을 배정하기 위한 분수 심도 값을 모든 분수 심도 값을 사용하는 또다른 극단값까지 무시하는 것이다. 또는 안티-에일리어싱의 정도는 그런 극단값 사이의 임의의 값이 되도록 가변될 수 있다. 그런 가변 안티-에일리어싱은 스케일된 심도의 분수 값을 안티-에일리어싱 파라미터로 곱하고 그후 귀결값을 안티-에일리어싱 파라미터의 절반 값으로 음으로 오프세팅하여 수행될 수 있다. 최종 컬러 값은 음으로 오프셋된 값을 0 과 1 사이와 같이 지정된 범위 내에 있도록 고정하거나 클램핑함으로써 결정될 수 있다. 1 인 안티-에일리어싱 파라미터는 안티-에일리어싱이 완전히 구현된 것이고, 무한인 안티-에일리어싱 파라미터는 안티-에일리어싱이 없는 것이다. 1 보다 작은 안티-에일리어싱 파라미터가 또한 구현될 수 있다.
심도 버퍼 값을 스케일할 때 렌더링 및 이미지화를 지원하는 그래피 하드웨어에 대한 개방 그래픽 라이브러리(OpenGL) 다표면 소프트웨어 인터페이스에서 특 정되었듯이 원근 프로젝션이 사용될 수 있다. 이 원근 프로젝션을 하게 되면 심도 버퍼에서 비선형 값이 귀결된다. 3D 이미지(34)의 가상 심도 및 시각 심도 사이의 정확한 관계를 이루기 위해 MVD 제어기(18)는 단계(148)에서 스케일된 심도를 산출할 때에 그런 비선형성을 고려한다. 대안으로 오소그래픽(orthographic) 프로젝션이 단계(148)에서 심도 버퍼 값을 스케일하기 위해 사용될 수 있다.
3차원에서 물체 또는 장면을 인지하는 인간의 시력에 기여하는 많은 인자가 있다는 것을 본 기술 분야의 숙련된 자라면 이해할 것이다. 이들 인자 중에서 물리적 시각 큐와 심리적 시각 큐가 있다. 예로서, 물리적 시각 큐는 다음의 물리적인 영향을 야기하지만 이에 한정되지 않는다.
장면의 3차원성은 약간 다른 이미지가 각각의 눈에 제공된다는 사실과 연관된다. 이 쌍안경 효과(binocular effect) 또는 소위 입체영상(stereopsis)은 뇌에 의해 3차원성을 보여지는 것에 부가하도록 처리되는 중요한 물리적 큐이다. 또한, 실제 3차원 장면을 볼 때, 뷰어의 눈은 그들의 촛점을 그들이 3차원 장면내에서 다른 심도에 집중하도록 변화하여야 한다. 때때로 눈 원근조절(accommodation)로서 칭하는, 눈의 초점에서 이 차이는, 뇌가 3차원 장면이 보여진다고 결론짓도록 하는 또다른 물리적 시각 큐이다. 밀접하게 연관된 물리적 큐는 시각상의 수렴이고, 이는 양 눈이 동일한 지점 상에 향하여 집중됨을 의미한다. 실제 3차원 장면을 보는 것에서, 시각상의 수렴의 량은 3차원 장면 내의 다른 심도 상의 눈 초점에 따라 다양하다. 이는 보여지는 장면이 3차원이라는 또다른 큐를 뇌에 제공한다.
물리적 큐의 또다른 예는 실제 실제 3차원 장면이 3차원 장면의 다른 부분을 보는 관찰자의 움직임을 요구하는 사실로부터 야기된다. 이 소위 "이미지 룩어라운드" 또는 움직임 패럴랙스는 또한 보여진 장면이 실제 3차원이라는 인식을 뇌에 부가하는 실제 3차원 장면과 연관되는 또다른 물리적 큐이다.
물리적 시각 큐는, 상기 효과에 의해 예시된 바와 같이, 이들이 공간의 볼륨을 생성하고 차지하기 때문에 여기에 개시된 입체 3차원 이미지에서 고유하게 제시된다. 이들 물리적 큐는 3차원으로 나타나는 이미지로부터 이러한 이미지를 구별할 수 있지만, 사실 텔레비전 화면 또는 컴퓨터 모니터와 같은 2차원 디스플레이 상에 주어진다.
이들의 본성에 의해, 여기에 개시된 입체 3차원 이미지 디스플레이는 측정할 수 있으나 미세한 심도를 갖는 이미지를 생성한다. 이 심도는 거기에 포함된 복수의 광학 소자(36-42)의 번호 및 간격을 포함하는 MOE 디바이스(32)의 기하학을 변화시킴으로써 조정할 수 있지만, MOE(32)에 의해 상생된 입체 이미지의 인지된 심도는 실질적인 고려에 의해 반드시 한정된다.
실제 3차원 장면을 볼 때 뇌에 제공되는 물리적 시각 큐에 부가하여, 또는 하나 이상의 심리적 큐의 이용에 의해 2차원 이미지 내의 심도의 묘사 또는 3차원성을 생성하고 강조하는 것이 가능하다는 것이 본 분야에서 공지되어 있다. 예로서, 또한 심리적 시각 큐가 적합한 쉐이딩 및 또는 섀도우(shading and/or shadowing)을 갖는 장면에 그 장면의 물체에 겉보기 심도를 렌더링함으로써 제공되어, 장면에 전체적으로 3차원 겉보기를 부여할 수 있다.
일반적인 심리적 시각 큐는 강제 원근법의 사용이다. 현행의 2D 모니터에 서, 원근법이 뷰어로부터 먼 물체가 더 작게 보이고, 평행선이 수렴되어 보이도록 심도감을 형성하는 3D 데이터의 시각화로 계산을 요구하도록 형성된다. 개시된 MVD 시스템(10)에서, 3D 이미지(34)가 계산을 요구하는 원근법으로 전술된 심도감을 생성하도록 형성되어, 3D 이미지(34)의 심도가 향상된다.
또한, 뷰어로부터 물체의 겉보기 거리에 따라 해상도가 감소되는 표면 텍스처를 가지도록 장면내에 물체를 렌더링함으로써 장면에 3차원 겉보기가 제공될 수 있다. 이는 장면 내에서 겉보기 심도가 증가함에 따라 증가하는 표면의 겉보기에 "희미함(fuzziness)"을 제공한다. 먼 물체와 관련된 헤이즈의 정도를 증가시키거나 겉보기 거리의 증가에 따라 청색을 향하여 먼 물체의 컬러를 시프트시킴으로써 풍경과 같은 장면이 렌더링 동안 주변 효과의 부가가 심리적 시각 큐에 밀접하게 연관된다. 또한 장면에 3차원 겉보기 심도를 부여하는 다른 심리적 시각 큐는 거리에 따라 또는 이러한 물체의 촛점을 잃음에 따라 인식되는 물체의 밝기를 감소시키는 것이다.
또다른 심리적 시각 큐는 차단(occlusion)의 사용인데, 이는 보다 먼 물체의 부분이 전방의 물체에 의해 불명료해질 수 있다는 것을 의미한다. 이미지의 전방 부분은 이미지의 배경 부분으로부터 광이 차단될 수 없기 때문에 입체 디스플레이는 3D 이미지에서 실제 심리적 차단을 제공할 수 없다. 따라서, 3D 이미지의 전방 및 배경 부분이 완전히 형성된다면, 배경 부분은 전방을 통해 보여지고, 전방 부분이 고형체 보다는 반투명체로 보일 것이다. 그러나, 그렇지 않다면 전방 이미지에 의해 가려지는 배경 이미지의 부분을 형성하지 않음으로써 준차단(quasi- occlusion) 효과가 형성될 수 있다. 따라서, 적어도 선택된 뷰잉 축에 대하여 각을 이루는 범위 내에서 이 기술에 의해 겉보기 차단 효과를 얻을 수 있다.
심리적 시각 큐의 이용이 2차원 그림 등에 3차원 특성을 부여하기를 원하는 화가 및 예술가에게는 잘 알려져 있지만, 여기에 개시된 임체 3차원 디스플레이에 의해 고유하게 제공되는 물리적 큐와 결합되는 경우에, 이러한 심리적 시각 큐가 겉보기 심도가 때때로 큰 인자에 의해 MOE 디바이스(32)의 물리적 심도를 초과할 수 있는 3D 이미지를 제공하는 것을 발견하였다.
예를 들어, 3D 박스의 내부의 이미지는 여기에 기시된 시스템에 의해 3D 입체 이미지로 주어질 수 있다. 박스를 기하학적으로 정확한 방식으로 주어짐으로써, 박스의 내부가 디스플레이의 심도(즉, MOE 디바이스(32)의 심도) 보다 깊지 않게 보일 것이다. 그러나, 입체 이미지를 형성하기 전에 3D 박스의 렌더링 동안 강제 원근법을 이용함으로써, 이미지의 더 깊은 부분이 감소된 스케일로 주어지므로, 3D 박스가 그렇지 않으면 3차원 이미지로 보이는 것 보다 상당히 깊게 보이도록 형성할 수 있다.
또다른 예로서, 입체 디스플레이 내의 거리 내로 후퇴하는 길의 이미지는, 렌더링 처리 동안 저역 통과 필터링에 의해 구현되기 때문에, 디스플레이의 물리적 심도와 강제 원근법 및 거리에 따른 이미지 해상도의 감소의 사용의 결합을 통해 현저하게 보다 사실적으로 보이게 할 수 있다.
상기로부터 분명하듯이, 입체 3D 이미지를 형성하기 위하여 장면의 투사 전에 장면의 렌더링 동안 다른 것은 물론, 하나 이상의 전술된 심리적 시각 큐를 부 가하는 것이 바람직할 수 있다.
MVD 시스템의 구현에서, 심리적 시각 큐는 MVD 시스템(10)내의 렌더링 처리 동안 3D Studio Max, SoftImage, and Lightwave와 같은 상업적으로 이용가능한 소프트웨어 애플리케이션을 이용함으로써 부가될 수 있다. 이들 소프트웨어 애플리케이션은 그래픽 데이터 소스(16) 또는 MVD 제어기(18)에 상주하거나, MVD 제어기(18)의 기능적 부분인 별도의 스탠드얼론 프로세서에 포함될 수 있다. 예를 들어, 촛점의 짧은 심도에 기인하는 배경 흐림(blur)이 촛점의 포인트 주위에서 선회하는 카메라로 생성되도록 각각이 렌더링되는 장면의 많은 렌더링과 함께 구성됨으로써 부가될 수 있는 심리적 시각 큐이다.
또한 헤이즈, 심도를 갖는 광의 청색 시프트, 심도를 갖는 밝기의 어두움(dimming), 촛점의 심도(즉, 주변 심리적 큐)의 심리적 시각 큐가 그래픽 데이터 소스(16) 또는 MVD 제어기(18)의 입력 프로세서 또는 MVD 제어기(18)의 부분인 별도의 프로세서에 의해 실시간으로 부가될 수 있다. 특히, 디스플레이 프레임 버퍼에 전송된 이미지 데이터가 다른 심도의 이미지가 분리된 저장 영역에 있는 방식으로 저장 될 수 있다. 이는 심도 의존 이미지 처리가 수행되어 주변 큐를 도입하는 것을 가능하게 한다. 예들 들어, 더 깊은 이미지의 대조를 감소시킴으로써 헤이즈가 부가될 수 있다. 청색 시프트는 청색을 행해 더 깊은 이미지의 컬러 밸런스를 시프트함으로써 부가될 수 있다. 어두움(dimming)은 더 깊은 이미지의 밝기를 감소시킴으로써 부가될 수 있다. 촛점 심도의 흐림(blur)은 증가하는 세기의 가우시안 흐림 필터(Gaussian blur filter)에 촛점 심도의 일측 상의 증가하는 거리의 이미지를 적용함으로써 부가될 수 있다.
물리적 및/또는 심리적 심도 큐는 예를 들어 종종 공간에서 부유를 나타내기 위하여 투사되는 2D 이미지를 향상하는데 관한 미국 특허 제5,886,818호에서 개시된 바와 같이, 2D 이미지의 디스플레이가 "3D" 겉보기를 나타내도록 강조함으로써 부가될 수 있다. 그러나, 기존에는 상술된 바에 한정되는 것은 아니지만 물리적 및 심리적 심도 큐가 여기에 개시된 시스템 및 기술에 의해 형성된 입체 3D 이미지의 3D 겉보기를 크게 향상시킬 수 있다는 것이 인식되지 못했다. 따라서, 입체 2D 이미지가 이들 시스템 및 기술에 의해 형성된다는 사실에도 불구하고, 이미지 렌더링 처리 동안 물리적 및/또는 심리적 심도 큐의 3D 이미지기 부가되어, 그렇지 않으면 이러한 큐가 없는 경우가 되는 것 보다 훨씬 실질적으로 3차원으로써 인식되는 3D 입체 이미지를 형성한다.
또다른 실시예에서, 단일 광학 소자에 상응하는 단일 심도 대신에 MOE 디바이스(32)의 어느 범위를 갖는 심도에 대해서 디스플레이함으로써 그 심도를 오버샘플링하기 위해 이미지 (44-50) 중 몇몇이 광학 소자 (36-42) 중 하나 이상에서 개별적으로 디스플레이되도록 슬라이스(24-30)가 생성되고 투사된다. 예를들어 MOE 디바이스(32)가 이미지 슬라이스(24-30)의 개수보다 더 많은 광학 소자 (36-42)의 평면들을 갖는다면 오버샘플링이 유리할 수 있고, 따라서 이미지 (44-50) 의 개수는 이미지 슬라이스 (24-30) 의 개수보다 크게 된다. 예를 들어 슬라이스(24)가 개별적으로 양쪽의 광학 소자(36-38) 상에서 이미지(44-46)로서 표시된다. 이런 오버샘플링은 광학 소자 (36-42) 의 개수 또는 이미지 프로젝터의 프레임 레이트를 증가시키지 않고서 더 연속적인 겉보기 3D 이미지(34)를 생성한다. 이런 오버샘플링은 예를 들어 개별 다중 프로젝션 사이클 동안에 한번 프로젝트된 슬라이스를 개별적으로 불투명한 광학 소자 상으로 수신하도록 복수의 광학 소자들을 불투명 상태에 있도록 스위칭함으로써 실행될 수 있다.
MVD 시스템의 대안 실시예
한 대안 실시예에서 MOE 디바이스(32)는 10 개의 액정 패널 (36-42)을 포함하고 그 길이가 5.5 인치(14cm)이고 폭이 5.25(13.3cm)이고 심도가 2 인치(4.8cm)인 디멘젼을 갖는다. 이미지 프로젝터(20)는 적색, 녹색, 청색광을 생성하기 위해 한 쌍의 이온 레이저를 사용하는 음향-광 레이저 빔 스캐너를 포함하는데, 이 광들은 변조되었고 그후 고주파 음파에 의해 스캔된다. 레이저 스캐너는 200×200 포인트의 해상도로 초당 166,000 포인트를 벡터 스캐닝할 수 있다. 40 Hz로 작동하는 10 개의 평면 MOE 디바이스와 결합되었을 때, MVD 시스템(10)은 총 400,000 개의 복셀, 즉 3D 이미지 소자들을 구비한 3D 이미지를 생성할 수 있다. 24 비트의 RGB 해상도를 갖는 컬러 심도가 1 Hz 의 이미지 업데이트 레이트로 획득된다. 실제 이미지 프로젝터(54)를 쓰면 100° × 45°의 필드 각도가 획득될 수 있다.
또 다른 대안 실시예에서 MOE 디바이스(32)는 12 개의 액정 패널 (36-42) 을 포함하고 길이가 6인치(15.2cm) 이고 폭이 6인치(15.2cm)이고 심도가 3인치(7.7cm)인 디멘젼을 갖는다. 이미지 프로젝터(20)는 한 쌍의 텍사스 인스트루먼트 DLP 비디오 프로젝터를 포함하는 데, 이는 180 Hz의 프레임 레이트로 계조 이미지를 생성하기 위해 필드 순차 컬러 모드에서 작동하도록 디자인되었다. 두개의 프로젝터를 인터레이스함으로써 효율적인 단일 프로젝터가 360 Hz의 프레임 레이트로 형성되어 30 Hz 의 레이트로 12 개의 입체 평면 이미지를 생성한다. 획득되는 횡방향 해상도는 640 ×480 포인트이다. 30 zHz 로 작동하는 12 개의 평면 MOE 디바이스(32)와 결합되었을 때 MVD 시스템(10)은 총 3,686,400 개의 복셀을 구비한 그레이 3D 이미지를 생성한다. 8 비트 그레이 스케일 해상도를 갖는 컬러 심도가 10 Hz의 이미지 업데이트 비율로 획득된다. 실제 이미지 프로젝터(54)를 사용하면 100° × 45°의 필드 각도가 획득될 수 있다.
추가의 대안 실시예에서 MOE 디바이스(32)는 50 개의 액정 패널 (36-42)을 포함하고 길이가 15인치(38.1cm) 이고 폭이 13인치(33.0cm) 이고 심도가 10인치(25.4cm)인 디멘젼을 갖는다. 이미지 프로젝터(20)는 보울더 비선형 시스템사에서 구득가능한 고속 아날로그 강자성 LCD 를 포함한다. 이 LCD 는 10 kHz 의 매우 빠른 프레임 레이트를 나타낸다. 획득 가능한 횡방향 해상도는 512 ×512 포인트이다. 40 zHz 로 작동하는 50 개의 평면 MOE 디바이스(32)와 결합되었을 때 MVD 시스템(10)은 총 13,107,200 개의 복셀을 구비한 그레이 3D 이미지를 생성한다. 24 비트의 RGB 해상도를 갖는 컬러 심도가 10 Hz의 이미지 업데이트 레이트로 획득된다. 실제 이미지 프로젝터 (54)를 사용하면 100° × 45° 의 필드 각도가 획득될 수 있다. 그런 해상도와 40 Hz의 인터페이스되지 않은 볼륨 레이트에 따라서 MVD 시스템(10)은 대각선 방향으로 20 인치(50.8cm)의 크기를 갖는 종래의 모니터와 동등한 디스플레이 능력을 갖는다.
다른 실시예에서, 광학 소자들(36-42)은 1280×1024의 횡측 해상도와 256 면 의 심도 해상도를 가질 수 있다. 시스템은, 37.5Hz의 레이트로 갱신된 완성된 볼륨에 의해 교체되는 면들이 총 75Hz의 레이트로 기입되는, 심도 인터레이스 모드에서 동작 가능하게 될 것이다. 이러한 인터레이싱은 이미지 프로젝터(20)의 프레임 레이트를 증가시키지 않고도 보다 높은 감지 볼륨 레이트를 제공한다.
또 다른 실시예에서, MOE 디바이스(32)는 상당히 큰 심도 분해능을 위한 500 면들과, 이십억 복셀 이상의 복셀 계수가 되는, 2048×2048 픽셀의 횡측 분해능을 포함한다. 이러한 구성에서 MOE 디바이스(32)의 크기는 길이 33 인치(84 cm)×폭 25 인치(64cm)×심도 25 인치(64cm)로, 42 인치(104cm)의 대각선을 갖는 종래의 디스플레이와 동일하다. 본 실시예에서의 이미지 프로젝터(20)는, 20 kHz의 프레임 레이트를 제공하는, SILICON LIGHT MACHINES의 Grationg Light Value 기술을 포함한다.
가상 상호작용 애플리케이션
동력 피드백 인터페이스와 같은 사용자 피드백 디바이스(58)를 통합한 MVD 시스템(10)의 다른 실시예들은 뷰어(12)가 3D 이미지들(34, 56)을 표시하고 있는 위치에서 3D 이미지들(34, 56)을 감지하여 직접 접촉하여 느낄 수 있도록 한다. MVD 시스템(10)은 고 해상도의 3D 이미지들(34, 56)을 발생시킬 수 있고, 이러한 가상 상호작용은 적절한 동력 피드백 디바이스를 이용하여 MVD 시스템(10)에서 수행되어 고 해상도의 표면 텍스처와 매우 단단한 표면들, 즉 뷰어(12)에 의해 표면 부분의 가상 현실 움직임에 비추어 저항 및/또는 낮은 컴플라이언스를 갖도록 나타내는 표면들을 생성한다.
따라서, 사용자 피드백 디바이스(58)는 고 해상도 위치 인코더와 고주파수 피드백 루프를 포함하여 뷰어(12)의 동력 피드백 인식뿐만 아니라, 변화에 의한 뷰어(12)의 손의 움직임을 3D 이미지들(34, 56)에 일치시킨다. 바람직하게는, 사용자 피드백 디바이스(58)는, 감소된 질량과 벌크(bulk) 및 관련된 구성 요소들의 무게와 관성이 뷰어(12)의 움직임을 방해하는 것을 최소화하기 위해, 동력-피드백-유도-글로브와 같은 경량의 컴팩트한 가상 현실 구성 요소를 포함한다.
이러한 사용자 피드백 디바이스는 경량의 탄소 혼합물을 포함하여 뷰어(12)에 의해 쓰여지는 임의의 사용가능한 구성 요소의 무게를 상당히 감소시킬 수 있다. 더욱이, 매우 콤팩트하고 고 해상도의 섬유 광학계, 또는 용량성 위치 인코더가, 손이나 머리 방위와 같은 뷰어(12)의 일부 위치를 결정하기 위하여 종래에 공지되어 있는 부피가 큰 광학 위치 인코더 대신 사용될 수 있다.
뷰어(12)가 사용가능한 구성 요소는 사용자 피드백 디바이스(58)를 제어하기 위한 삽입형 프로세스 시스템을 포함하므로, MVD 제어기(18) 및/또는 인터페이스(14)의 프로세싱 오버헤드가 경감되게 된다. 유일한 작업이 인터페이스를 실행하는 것인 삽입형 프로세서를 사용함으로써, 전체 MVD 시스템(10)에 대한 피드백 레이트는 100 kHz 이상이 될 수 있다. 매우 높은 해상도를 갖는 인코더가 결합될 때, MVD 시스템은 극도로 높은 충실도의 동력 피드백 인터페이스를 갖는다.
이러한 입체용 3D 이미지들(34, 56)을 디스플레이할 수 있는 MVD 시스템(10)에 의한 가상 상호작용 기술들을 이용하여, 3D GUI가 뷰어(12)가 3D 데이터에 액세스하여 직접 조작할 수 있도록 수행된다. 데이터 글로브, 비디오 제스쳐 인식 디 바이스, 및 MassachusettS, Cambridge의 MIT MEDIA LAB으로부터 입수가능한 FISH SENSOR 시스템과 같은 공지된 인터페이스 디바이스들은 예를 들면, 3D 그래픽 및 컴퓨터 지원 디자인(CAD) 시스템에서, 직접 3D 데이터를 조작가능하게 하는데 사용된다.
이러한 3D 이미지 및 데이터 조작을 위해서, MVD 시스템(10)은, 또한, 뷰어(12)가 소정 공간 내에서 자신의 손을 움직이는 것과 동일한 방식으로 이미지(34) 주위의 디스플레이 볼륨 내의 어느 곳이든 3D 커서를 이동하는 3D 포인팅 디바이스뿐만 아니라, Massachusetts, Lowell의 Spacetec, Inc.로부터 입수가능한 SPACE BALL과 같은 3D 마우스 디바이스를 통합할 수 있다. 다른 방법으로는, 사용자 피드백 디바이스(58)를 통해, MVD 시스템(10)은 뷰어(12)의 손의 움직임을 3D 커서로 해석할 수 있다.
일 실시예에서, 사용자 피드백 디바이스(58)는 뷰어(12)의 손의 위치와 방위를 감지하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 뷰어(12)는 POLYHEMUS, INC.로부터 입수가능한 마그네틱 센서와 같은 위치 센서 및/또는 가상 현실 데이터 글로브 내에 통합된 위치 센서와 같은 다른 형태의 센서들을 보유 또는 이용할 수 있다. 다른 방법으로, 손의 위치는 컴퓨터 이미지 프로세싱 및 MIT MEDIA LAB에서 개발된 센서와 같은 무선주파수 센서의 이용에 의해 3D 이미지(34)의 디스플레이 볼륨 내에서 감지된다. 강제 작업을 피하기 위해, 사용자 피드백 디바이스(58)는 개인용 컴퓨터의 2D 스크린 상에 2D 커서의 위치를 제어하기 위해 데스크탑의 평평한 표면 상에서의 종래의 2D 마우스의 2D 움직임과 동일한 방식으로, 표시된 3D 이미지(34)로부터 물리적으로 분리된 상당히 작은 감지 공간 내에서 뷰어(12)의 손 또는 손가락의 움직임을 감지할 수 있다.
MVD 시스템의 장점
MVD 시스템(10)을 이용하면, 3D 이미지들(34, 56)이 발생되어 뷰어(12)에 의한 자연스런 관측이 제공되는데, 즉 3D 이미지들(34, 56)은 사실상 눈의 부담을 최소화하고 작업 부담없이 연장된 시간 주기 동안 관측가능하게 하는, 실물의 관측과 관련된 모든 심도 큐들을 갖는다.
MVD 시스템(10)은, 본 기술 분야에 공지되어 있는 많은 입체 디스플레이들에 대한 적어도 하나의 크기 치수인, 예를 들어, 3,000,000 이상의 복셀 크기를 제공하는 MVD 디바이스(32)에 의해 고 해상도/복셀 계수를 제공한다. 또한, 2D 이미지들(44-50)로서 이미지 슬라이스들(24-30)을 표시하는데 적합한 직사각형 단면을 갖는 MOE 디바이스(32)와 같이, 3D 이미지(34)을 디스플레이하기 위한 직선 기하학을 적절히 이용함으로써, MVD 시스템(10)은, 추가의 변환 소프트웨어를 필요로하지 않고도 컴퓨터 성능과 디스플레이 업데이터 레이트를 용이하게 최대화할 수 있는, 다양한 공지의 그래픽 컴퓨터 및 그래픽 응용 프로그램의 내부 좌표 시스템과 일치하는 좌표 시스템을 이용한다. 또한, 바람직한 실시예에서, MOE(32)의 이미지 복셀은 형태, 크기 및 방위에 있어서 동일 및 일정하므로, 3D 이미지(34)에서의 이미지 왜곡을 제거할 수 있다.
본 기술 분야에 공지되어 있는 멀티뷰 오토 스테레오스코픽 디스플레이와는 달리, MVD 시스템(10)은 광범위한 시계에 수직 및 수평 패럴랙스를 제공하는데, 이 는 3D 이미지가 단지 일차원이 아닌 다차원의 시야에 의해 주위를 살필 수 있게 한다. 또한, 멀티뷰 오토 스테레오스코픽 디스플레이와는 달리, MVD 시스템(10)의 시계는 모든 방향으로 연속되는데, 즉 뷰어(12)가 MOE 디바이스(32)에 대하여 이동할 때, 3D 이미지(34) 내에서 당황스런 점프가 존재하지 않는다.
게다가, MOE 디바이스(32)내의 광학 소자들(36-42)의 정적(static) 구조로 인하여, 전체 MOE 디바이스(32)의 밸런스의 손실에 관해, MOE 디바이스(32)의 이미지 왜곡, 디스플레이 진동, 및 심지어 치명적인 기계적 결함을 초래하는 구동부(moving parts)가 없다.
MVD 시스템(10)은 차단, 즉, 후방 물체들에 의해 방사되는 빛의 전방 물체들에 의한 차단을 피할 수 있다. 계산적인 차단이라 불리는 제한된 형식의 차단은 이미지 구성 및 디스플레이의 비율을 개선하기 위해 특정 관점을 선택하고, 상기 관점에서 보이지 않는 표면을 도시하지 않음에 의해 산출될 수 있다. 그러나, 뷰어(12)가 전방 물체들을 살펴보려 할때, 도시되지 않은 후방 물체들은 보이지 않는다. 하나의 실시예에서, MVD 시스템(10)은 후방 빛을 흡수하여 차단 상태를 생성하는 스캐터링(scattering)상태내에서 다른 광학 소자들과 함께 이미지를 표시하는 스캐터링 광학 소자를 산재(散在)시킴에 의해 차단의 부족을 보상한다. 게스트-호스트 폴리머-분산 액정은 광학 소자들(36-42)에 사용되고, 여기서 염료는 액정 분자들과 혼합되며, 인가된 전압에 의해 물질의 컬러를 변하게 한다.
실제 이미지 프로젝터(54)의 사용은 MOE 디바이스(32)까지 확장하는 공간을 요구하므로, MVD 시스템(10)은 또한 MVD 시스템(10)의 주위 조명에 기인하는 콘트 래스트 열화가 거의 없고, 이것은 MOE 디바이스(32)에 도달하는 주위 조명의 양을 줄이고, 이로 인해 콘트래스트 열화를 방지한다.
대안으로서, 콘트래스트 열화는 주위 조명에 비례해서 이미지 프로젝터(20)로부터의 조명을 증가시키거나, 관측 가능한 레벨로 이미지 밝기를 감소시키기 위해 MOE 디바이스(32)주위에 흡수 플라스틱 엔클로우져(enclosure)를 설치하여 감소 시킬 수 있다. 주위의 빛들은 흡수 엔클로우져를 두번 통과하여 뷰어(12)에 도달하여야 하고, 한번은 안쪽 방향으로 그리고 MOE 디바이스(32)의 광학 소자들(36-42)를 산재 시킨후에 통과한다. 반대로, 이미지(44-50)을 형성하는 이미지 프로젝터(20)로부터의 빛은 뷰어(12)의 방향으로만 흡수 엔클로우져를 통과하고, 따라서 조명 손실이 감소하고, 이것은 주위 빛에 기인하는 손실의 평방근의 함수이다.
주위 빛의 영향을 감소시키는 대안적인 실시예는 적색, 녹색, 청색의 3개의 좁은 스펙트럼의 대역 패스들을 가진 엔클로우져 또는 상기와 같은 주위 빛의 효과를 감소시키는데 상당히 효과적인 밴드 외부 빛을 흡수하는 고 흡수재의 사용이다. 레이저 광원으로부터의 협 대역 광이 주위 조명으로부터의 광 대역 광이 대부분 흡수되는 동안 MOE 디바이스(32)로부터 스캐터링 후에 감쇄 되지 않고 통과하므로, 주위 빛을 고려한 효과적인 동작은 이미지 프로젝터(20)내에서 레이저 광원을 사용함에 의해 얻어진다.
MOE 디바이스내의 안티-에일리어싱
다른 대안적인 실시예에서, 여기에 기술된 바와 같이 도 16을 참조하면, 이미지 데이터를 이미지 프로젝터(20) 다음에 MOE 디바이스(32)의 광학 소자들(160- 168)로 전송하기 전에, MVD 제어기(18) 또는 대안적으로 그래픽 데이터 소스(16)는 광학 소자(160-168)상의 3D 이미지(34)내에 표시될 형상들을 평탄화하기 위해 이미지 데이터상에서 3D 안티-에일리어싱을 수행한다. 3D 안티-에일리어싱을 사용하여, 시스템(10)은 x-y 평면에서 z축까지 배열된 광학 소자(160-168)를 가진 MOE 디바이스(32)의 고유한 불연속 복셀에 기인하는 픽셀화를 표시함에 의해, 예컨데 z 축 방향을 따라 평행 평면들(162-164)간의 톱니 모양의 선들 또는 불완전한 영역들을 이미지화 하는 것을 방지한다.
이미지 슬라이스에 대응하는 데이터가 생성됨에 따라, 이미지 소자(170)는 평면 변환의 모서리, 즉, 광학 소자들 사이, 예컨데, 광학 소자들(162-164)사이에 나타난다. 단지 도시를 위한 목적으로, 도 16-18에 도시된 광학 소자(160-168) 및 복셀(170)의 구성이 개시된 안티-에일리어싱 시스템 및 방법을 보다 명확하게 기술하고 도시하기 위해 과장하여 표현되었고, 광학 소자들(160-168)은 그들사이에 비교적 적은 공간을 가짐을 알 수 있다.
특정 이미지 소자(170) 및 복셀 및/또는 이미지 소자(170)으로 구성된 3D 이미지에서 돌발적인 변화를 방지하기 위해, 프로젝터(20)으로부터 광학 소자들(162-164)상에 비추어지고, 여기에 기술된 양쪽 슬라이스들은 광학 소자들(162-164)상의 각각의 이미지들(172-174)이 각자 이미지 소자(170)또는 일부분 또는 파생물을 포함하도록 형성되고, 따라서 이미지 소자(170)는 광학 소자(162-164)에 의해 형성된 양쪽 평면들간에 공유되며, 이것은 변화를 부드럽게 하며, 도 1의 3D 이미지(34)이 더욱 연속적으로 보이게 한다. 연속적인 광학 소자들(162-164)상의 이미지 소자들(172-174)의 밝기는 이미지 데이터내의 이미지 소자들(172-174)의 위치에 따라 변화한다.
도 16을 참조하면, 광학 소자들(160-168)의 번호 N은 평면 LCD 표면들이고, 또한 P1, P2, P3, ...PN 으로 분류되고, MOE 디바이스(32)의 폭인 거리 D에 이른다. 따라서, 각각의 광학 소자들(160-168)은 DN-D1=D 가 되도록 공통 기준점으로부터 z축을 따라서, 거리 D1, D2, D3,...DN 을 두고 위치한다. 예컨데, 공통 기준점은 z 축을 따라서 프로젝터(20)에 인접한 광학 소자(160)이고, 따라서, D1=0 및 DN=D 가 된다. 대안으로서, 광학 소자들(160-168)의 거리는 프로젝터(20)의 렌즈(22)를 통해 측정되고, 광학 소자(160) 및 렌즈(22)로부터의 오프셋 거리 DOFFSET 는 광학 소자(160)로부터 상대 거리를 얻기 위해 렌즈(22)로부터 광학 소자들(160-168)의 절대 거리 D1, D2, D3, ...DN 에서 감산된다. 따라서, D1=DOFFSET이 된다. 광학 소자(160-168)는 또한 일정 간격으로 배치될 수 있고, 또는 그 대안으로 광학 소자(160-168) 간의 간격은 변할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 렌즈(22)에서 또는 광학 소자(160)에서의 기준점으로부터 z-축을 따라 각 복셀(170)의 심도 값이 측정되며, 이 심도 값은 컬러 버퍼에 저장된 관련 컬러 값과 함께 심도 버퍼에 저장된다. 예컨대, 심도 값 Dv가 복셀(170)과 관련된다.
안티-에일리어싱을 실시하기 위하여, 따라서 광학 소자들(162-164) 사이에 놓여 있는 복셀(170)의 외관을 평활화하기 위하여, 심도 값(Dv)과 광학 소자(162- 164) 사이의 간격(DA, DB)이 각각 결정되며, 이 간격은 안티-에일리어싱 파라미터를 생성하는 데 사용된다. 그 다음, 안티-에일리어싱 파라미터는 광학 소자(162-164) 상에 2개의 복셀(172-174)을 각각 생성하는 데 사용되며, 대응하는 복셀(170)의 컬러 값은 안티-에일리어싱 파라미터에 의해 수정되어 2개의 복셀(172-174)에 대한 각각의 컬러 값이 생성된다.
도 17은 안티-에일리어싱을 사용하지 않은 복셀 디스플레이를 나타낸다. 도 17에 도시된 바와 같이, 광학 소자(162) 상의 복셀(176-178) 및 광학 소자(164) 상의 복셀(180-184)은 복셀(178-180)에 의해 정의된 경계부에 예리한 전이를 형성한다. 광학 소자들(162-164) 사이의 간격이 큰 경우, 표시된 복셀(176-184)의 조합에 의해 현저하게 불균일하거나 파손된 이미지(34)의 외관이 형성될 수 있다. 예컨대, 복셀(178-180)은 예컨대 복셀(178)이 광학 소자(162) 상에 있지는 않지만 더 가깝고, 복셀(180)이 광학 소자(162) 상에 있지는 않지만 더 가깝도록 광학 소자들(162-164) 사이의 간격을 가질 수 있다. 그 다음, 이러한 중간 심도 값은 복셀(178-180)을 표시하기 위하여 광학 소자(162-164)의 불연속 심도 값(D2, D3)으로 각각 변환될 수 있다. 또한, 도 17에서 복셀(178-180)의 컬러 값은 변하지 않으며, 따라서 복셀(178-180)의 컬러의 세기는 다른 광학 경로에 대해 불규칙해질 수 있다. 전이 복셀들(178-180)은 이들의 중간 심도로 인하여 생략될 수 있으나, 복셀들(176, 182-184)로 구성된 3D 이미지(34)은 구멍 또는 파열부를 갖는 것으로 나타날 수 있다.
안티-에일리어싱을 사용하는 경우, 도 18에 도시된 바와 같이, 양 전이 복셀(178-180)은 새로운 복셀(178A-178B, 180A-180B)을 생성하는 데 사용될 수 있는데, 복셀(178A-180A)은 광학 소자(162) 상에 표시되고 복셀(178B-180B)은 광학 소자(164) 상에 표시된다. 또한, 도 18에 도시된 바와 같이, 복셀(176, 182-184)의 컬러 값은 변하지 않는 반면, 안티-에일리어싱을 실시함으로써 새로운 복셀의 컬러 값은 새로운 복셀(178A-178B, 180A-180B)의 각각이 조정된 컬러를 가져 다른 심도를 가로지르는 x-y 평면에서의 이미지 전이를 부드럽게 할 수 있도록 수정될 수 있다. 따라서, 도 19에 도시된 바와 같이, 복셀(176-184)은 도 17에서 이미지화를 위한 곡선(176)을 따라 또렷한 심도에서 급격한 전이를 갖는 반면, 도 18에서 복셀(176, 178A-178B, 180A-180B, 182-184)은 곡선(188)을 따라 또렷한 심도에서 비교적 더 평탄한 전이를 갖는다. 단지 설명의 목적에서 곡선(186-188)은 명확한 도시를 위하여 도 18에서 중첩되어 있지 않지만 도 18에서 복셀(176, 182-184)의 또렷한 심도는 안티-에일리어싱의 유무에 관계 없이 동일하다는 것을 이해해야 한다.
도 19에서, 도 18의 복셀(178A-178B)은 복셀(178A-178B)의 심도들의 중간이며 도 17에서 복셀(178)의 초기 심도에 대응하는 또렷한 심도(178C)로 광학 소자(162-164)를 가로질러 광학 소자(162) 위는 아니지만 이에 더 가깝게 이미지를 형성한다. 마찬가지로, 도 18의 복셀(180A-180B)은 복셀(180A-180B)의 심도들의 중간이며 도 17에서 복셀(180)의 초기 심도에 대응하는 또렷한 심도(180C)로 광학 소자(162-164)를 가로질러 광학 소자(164) 위는 아니지만 이에 더 가깝게 이미지를 형성한다.
안티-에일리어싱은 가장 가까운 2개의 인접 광학 소자에 한정되는 것이 아닌 대신에 복셀(178-180)은 각각의 복수의 광학 소자(160-168) 상의 복수의 대응 복셀을 생성하고 예컨대 도 19의 곡선(188)보다 더 평탄할 수 있는 심도 전이 곡선을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 안티-에일리어싱에 의한 심도 전이 곡선(188)은 시그모이드 또는 탄젠트 함수에 근사될 수 있다.
도 16을 참조하면, 복셀(170)에 대한 안티-에일리어싱을 실시하기 위하여, 적어도 하나의 광학 소자로부터 복셀(170)의 거리의 함수인 적어도 하나의 심도 조정값(λ)이 생성된다. 일 실시예에서, 각각의 광학 소자(162-164)로부터의 거리(DA, DB)의 축척 값의 함수인 조정값(λ,μ)이 생성될 수 있다. 이 조정값(λ, μ)은 복셀(170)과 관련된 컬러 값(Cv)을 수정하는 데 사용되어 새로 생성되는 복셀(172-174)과 관련된 새로운 컬러 값(CA, CB)을 각각 생성하는데, 복셀(172-174)은 복셀(170)의 x-y 위치와 동일한 광학 소자(162-164) 상의 각각의 x-y 위치를 갖는다.
복셀의 컬러 값은 적어도 표시될 복셀의 밝기를 특정할 수 있다. 또한, 복셀(170)은 컬러화된 복셀의 밝기를 특정하는 적어도 하나의 스컬러량을 포함하는 일련의 파라미터와 관련될 수 있다. 따라서, 컬러 값과 조정값의 승산을 통해 컬러 값의 수정이 이루어질 수 있게 된다. 예컨대, 컬러 값 Cv=12 휘도 단위이고 조정값 λ=.5인 경우, 수정 컬러 값 CA는 Cvλ=(12 밝기 단위)×(.5)=6 밝기 단위인 것으로 결정된다.
일 실시예에서, 거리 Dv는 1 내지 N의 심도 값이 되도록 비율이 정해지며, 여기서 N은 광학 소자(160-168)의 번호이고, 각각의 정수값(1 내지 N)은 예를 들어, 도 16에 도시된 라벨 P1, P2, P3,...PN의 지수로서, 광학소자(160-168) 중 특정 한 소자에 대응하고 있다. 조정값 λ, μ는 스케일된 심도값으로부터 결정된다. 만일, 광학소자(160-168)가 거리 D를 따라 일정한 간격(spacing) S로 균일하게 이격되어 있다면:
Figure 112004006936866-pct00006
따라서, 복셀(170)의 스케일된 거리는 하기의 수학식 2가 된다.
Figure 112004006936866-pct00007
여기서, Dv는 렌즈(22)나 다른 기준점으로부터 측정된 절대거리이다. 예를 들어, 렌즈(22)가 z축 배향이라면, 광학 소자(160)는 거리 D1 = DOFFSET에 있을 수도 있다.
DSCALED는 1 ≤ DSCALED ≤N 이 되도록 하는 실수값이므로, 0과 1 사이의 범위에 있는 DSCALED의 분수부는 광학 소자(162-164)의 상대적 거리를 나타낸다. z축을 따라 어느 측면상에 복셀(voxel;170)을 바운딩하고 있는 광학 소자(162-164)의 경우, 광학 소자(162-164)의 지수는 각각 하기의 수학식 3 및 수학식 4이며, 여기서 [X]는 변수 X의 값에 대한 플로어(floor) 혹은 정수 함수이다. 즉, 최대 정수가 X 미만 이 되도록 하는 함수이다.
Figure 112007060027590-pct00050
Figure 112004006936866-pct00009
DSCALED의 분수부는 하기의 수학식 5이므로,
Figure 112004006936866-pct00010
Figure 112004006936866-pct00011
복셀(172,174)과 관련된 각각의 휘도를 나타내는 컬러값 CA, CB는 각각 수학식 7 및 수학식 8로 할당된다.
Figure 112004006936866-pct00012
Figure 112004006936866-pct00013
여기서, 부호 ":="는 새로운 값의 할당을 나타낸다.
예를 들어, 렌즈(22)로부터는 심도 Dv = 9.2 유닛을 갖는 복셀(170)의 경우, 오프셋 DOFFSET = 3.0 유닛을 가지며, MOE 디바이스(32)는 수학식 1에서 처럼 N = 5, D = 20, 간격 S = 5 유닛이며, 수학식 2에 따라 DSCALED = 2.24가 되며, 20 유닛의 길이로 연장하는 5개의 균일하게 이격된 광학 소자를 구비한다. 복셀(170)은 수학식 3 및 수학식 4에서 처럼 지수 [DSCALE] = 2이고, [DSCALE] + 1 = 3을 갖는 광학 소자들 사이에 위치하므로, 도 16에서 라벨 P2와 P3을 갖는 광학 소자(162-164)는 새로운 복셀(172-174)이 복셀(170)에 대응하여 디스플레이됨에 따라 광학 소자로서 식별된다.
본 실시예에서, 수학식 5 및 수학식 6으로부터, 스케일된 심도의 분수값은 λ = .24이고, μ=.76이다. 따라서, (1-λ) = .76이고, (1-μ) = .24이며, 수학식 7 및 수학식 8로부터, 복셀(172)의 컬러값은 오리지널 복셀(170) 휘도의 CA = .76, Cv = 76%이고, 복셀(174)의 컬러값은 오리지널 복셀(170) 휘도의 CB = .24, Cv = 24%이다. 따라서, 복셀(170)은 광학 소자(164)보다는 광학 소자(162)에 가깝기 때문에, 대응하는 새로운 복셀(172-174)은 분포된 휘도를 갖게 되며, 따라서, 밀접한 광학 소자(162)는 2개의 복셀(172-174) 사이에서 대부분의 컬러를 디스플레이하게 되며, 멀리 있는 광학 소자(164)는 적지만 제로는 아닌 양이 복셀(170)에서 광학 소자(162-164)간의 3D 입체 이미지의 전이로 나타나도록 하는데 기여한다.
광학 소자(160-168)상에서 심도 값이 정확한 복셀(170)의 경우, 안티-에일리어싱은 요구되지 않는다. 따라서, 수학식 2 내지 수학식 4는 정수값으로 변화되고, 수학식 5 및 수학식 6은 조정값 λ로 귀착되고, μ는 각각 0과 1 또는 각각 1과 0이 되므로, 컬러값에 대한 조정은 전혀 수행되지 않는다. 불필요한 계산을 피 하기 위해, MVD 제어기(18)는 수학식 2에서의 계산이 정수로 되는지를 소정의 에러 허용 한계인 1퍼센트의 범위내에서 체크할 수도 있으며, 만일 그렇다면, 복셀(170)은 광학 소자(160-168)중 하나에 정확하게 있는 것으로 판정되거나 간주되게 된다. 안티-에일리어싱 절차는 현재 처리중인 복셀(170)에 대해 종결되고, 그 절차는 3D 이미지(34)의 다른 복셀을 처리하기 위해 계속될 수도 있다.
수학식 1 내지 수학식 8을 이용한 본 실시예에서는, MOE 디바이스(32)의 일정한 간격 및 다른 특성이 공지되고, 복셀(170)의 거리 DV 및 MOE 디바이스 특성이 수학식 3 및 수학식 4에 의해, 어떤 광학 소자가 복셀(170)의 경계를 정할 것인지를 결정하기 때문에, 가장 가까운 인접 광학 소자에 대한 탐색이 필요치 않다.
다른 대안적인 실시예에서는, 일정한 간격, 또는 가변 및/또는 일정치 않은 간격을 갖는 MOE 디바이스(32)의 광학 소자(160 내지 168)의 경우, 수학식 7 및 수학식 8과 관련하여 후술하는 수학식 9 내지 수학식 13을 이용하여 안티-에일리어싱을 행할 수 있다. 예를 들면, 프로젝터(20) 및 렌즈(22)로부터 MOE 디바이스의 가변 간격 및/또는 가변 오프셋을 갖는 MOE 디바이스의 경우, 광학 소자(160 내지 168)의 간격 및 구성의 변형중에 온-더 플라이 방식으로 안티-에일리어싱법을 행할 수 있다. 대안적인 실시예에서는, 광학 소자(160 내지 168)의 거리/심도가 변할 수 있기 때문에, 안티-에일리어싱법은, 수학식 9와 같은 거리/심도 값 DNEAR1 및 DNEAR2를 갖는 2개의 인접 광학 소자에 대해 광학 소자(160 내지 168) 각각의 심도값을 탐색함으로써, 현재 처리중인 복셀(170)의 경계를 정하는 적어도 2개의 광학 소 자를 결정한다.
Figure 112004006936866-pct00014
변수값 DNEAR1 및 DNEAR2는 광학 소자(160 내지 168)로부터 관련 광학 소자를 특정하는 정수 인덱스일 수 있다. 예를 들면, 도 16에서, DNEAR1=2 및 DNEAR2=3이고, Z축을 따라 복셀(170)의 경계를 정하는 광학 소자(162 내지 164)에 대응한다.
심도 조정 값, λ, μ는 다음과 같이 결정된다.
Figure 112004006936866-pct00015
Figure 112004006936866-pct00016
여기서,
Figure 112004006936866-pct00017
는 값 또는 변수 X의 절대값 또는 크기 함수이다.
수학식 10 및 수학식 11로부터의 심도 조정값은 모두 다음의 수학식 12 및 수학식 13을 만족시키는 양의 실수이다.
Figure 112004006936866-pct00018
Figure 112004006936866-pct00019
그리고, 심도 조정값은 광학 소자간의 불일정 및/또는 가변 거리를 스케일링한 다음, 수학식 7 및 수학식 8에서 조정된 컬러 값에 대응하여 복셀(172 내지 174)을 생성한다. 수학식 10 및 수학식 11에 도시된 바와 같이, 심도 조정값 λ, μ는 광학 소자(162 내지 164)와 관련된 복셀(172 내지 174)의 심도 범위 내의 복셀(170)의 심도의 보간에 기초한다.
일정한 간격을 갖는 상기한 예에서는, DV=9.2 유닛, DNEAR1=D2=8 유닛 및 DNEAR2=D3=13유닛을 이용하여 수학식 9 내지 수학식 13이 적용된다.
Figure 112004006936866-pct00020
이는 수학식 1 내지 수학식 8을 이용한 조정값과 일치한다. 대안적인 실시예는, MOE 디바이스(32) 및 광학 소자(160 내지 168)의 크기 및 공간 특성이 변하면 유용하나, 새로운 복셀(172 내지 174)을 생성하는 적당한 인접한 광학 소자(162 내지 164)를 결정하기 위한 탐색이 요구된다.
도 20은, 복셀(170) 등의 디스플레이될 현재의 복셀의 경우, 단계(190)에서 심도 및 컬러 버퍼로부터 대응하는 심도 값 DV 및 컬러값 CV를 각각 판독하는 3D 안티-에일리어싱을 구현하는 방법의 플로우챠트를 도시한다. 그 다음, 이 방법은, 단계(192)에서 광학 소자들 간의 간격이 일정한지의 여부를 결정할 수 있고, 예를 들면, MVD 제어기(18)의 구성 설정은 일정하거나 일정치 않은 분포를 갖는 광학 소자(160 내지 168), 및/또는 MVD 제어기(18) 및 MOE 디바이스(32)가, 여기서 설명한 바와 같이, 가변 간격 모드에서 동작하는 지를 표시할 수 있다.
간격이 일정하면, 이 방법은 단계(194)에서 심도값 DV를, 수학식 1 및 2를 이용하여, 광학 소자(160 내지 168)의 인덱스 범위 내로 스케일링한 다음, 가장 근접한 광학 소자를 결정하고 단계(196)에서,수학식 3 및 수학식 4를 이용하여, 심도값 DV의 경계를 정한다. 다른 경우, 단계(192)에서 간격이 일정치 않으면, 대안적인 실시예에서는, 단계(194) 없이 단계(196)을 행하여, 즉, 광학 소자(160 내지 168) 각각의 거리/심도 값을 통해 탐색 절차를 이용하여 수학식 9를 만족시키는 광학 소자를 결정할 수 있다. 또 다른 대안적인 방법에서는, MVD 제어기(18) 및 MOE 디바이스(32)의 구성 및 동작 모드에 따라, 단계(192)를 선택적으로 구현하거나 생략할 수 있다.
다음 상기 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같이 구현된 실시예에 따라, 수학식 5 및 수학식 6 또는 수학식 10 및 수학식 11을 이용하여 단계(198)에서 심도 조정 값 λ 및/또는 제2 값 μ를 결정한다. 다음 상기 방법은 수학식 7 및 수학식 8을 이용하여 심도 조정 값 또는 값들을 사용하여 가장 가까운 바운딩 광학 소자 상의 복셀에 대해 단계(200)에서 컬러 값들을 조정한 다음, 상기 방법은 단계(202)에서 조정된 컬러 값을 갖는 가장 가까운 광학 소자 상에 조정된 복셀을 디스플레이한다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 안티-에일리어싱의 중간 정도가 구현될 수 있다. 예를 들어, 조정 값 λ, μ는 복셀(170)의 명도의 절반이 복셀(172-174) 각각에 할당되도록 예를 들어 5의 값으로 고정될 수 있다. 이러한 중간 안티-에일리어 싱은 도 19에서 곡선(189)으로 도시된 바와 같이 중간 천이 곡선에 대응하는 중간 심도(180D)와 같은 겉보기 심도를 발생할 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 안티-에일리어싱의 정도는 하나의 극단, 즉 컬러 값을 할당하기 위해 단편적인 심도 값 λ, μ를 무시하는 극단에서, 모든 단편적인 심도 값 λ, μ를 이용하는 또 다른 극단까지 가변될 수 있거나, 이러한 극단 사이의 임의의 값으로 안티-에일리어싱의 정도가 가변될 수 있다. 이러한 가변적인 안티-에일리어싱은 안티-에일리어싱 파라미터 P에 의해 스케일된 심도의 단편 부분 λ를 분할하고, 이로부터 최종 값을 네가티브하게 오프셋함으로써 수행될 수 있다. 즉, α가 수학식 5 및 수학식 10에서 계산된 후, 가변 값 λVAR이 다음과 같이 계산된다.
Figure 112004006936866-pct00021
0과 1 사이와 같이, 선정된 범위 내에 있도록 네가티브 오프셋 값을 고정 및 클램핑함으로써 최종 컬러 값이 결정될 수 있다. 따라서, 수학식 7 및 수학식 8은 다음과 같이 가변 안티-에일리어싱에 대해 변형된다.
Figure 112004006936866-pct00022
Figure 112004006936866-pct00023
도 20에서 단계(198-202)는 가변 안티-에일리어싱을 제공하기 위해, 수학식 14 내지 수학식 16을 각각 실행할 수 있다.
P=1의 안티-에일리어싱 파라미터는 풀 안티-에일리어싱에 대응하고, 임의의 높은 수의 값으로 계산적으로 구현될 수 있는 무한대인, P→∞의 안티-에일리어싱 파라미터는 어떠한 안티-에일리어싱에도 대응하지 않는다. 1 미만의 안티-에일리어싱 파라미터가 또한 구현될 수 있다. 예를 들어, P=1일 때, 수학식 1 내지 수학식 13에 대해 상기 설명된 바와 같은 안티-에일리어싱이 구현된다.
또 다른 실시예에서, λ=.24의 안티-에일리어싱 및 3의 안티-에일리어싱 파라미터에 대해, 수학식 14에 의해 λVAR=.08이며, 그러므로 수학식 15 및 수학식 16에서와 같이, 복셀(170)의 컬러 값의 CA2=.92CV=92%인 한편, 복셀(170)의 컬러 값의 CB2=.08CV=8%이다. 전술한 많은 예와 비교해 볼 때, 이러한 가변 안티-에일리어싱은 겉보기 심도에서의 복셀(172)의 기여도가 76%에서 92%까지 증가하는 한편, 복셀(174)은 24% 또는 약 1/4에서 10%미만까지 감소된 기여도를 갖는다. 또 다른 예에서, P→∞일 때, 안티-에일리어싱은 제거되어, 수학식 14에 의해 λVAR=0.00이 된다. 그래서, 수학식 15 및 수학식 16에서와 같이, 복셀(170)의 컬러 값의 CA2=1.0CV=100%인 한편, 복셀(170)의 컬러 값의 CB2=0.00CV=0%이다. 따라서, 광학 소자(162-164) 사이에 놓이는 임의의 복셀(170)은 안티-에일리어싱이 없이 보다 가까운 광학 소자(162) 상에 디스플레이되고, 만약 P→∞이면, 기준 지점으로부터 보다 먼 제2 복셀을 발생하지 않고, 그래서 디스플레이하지 않는 단계를 도 20에서의 단계(202)가 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 복셀(174)은 발생되지 않는다.
가변 안티-에일리어싱을 이용하는 또 다른 대안적인 실시예에서, 도 20에서의 상기 방법은 조정된 컬러 값이 선정된 임계값 T보다 클 때에만 신규 복셀을 표시하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면,
Figure 112004006936866-pct00024
Figure 112004006936866-pct00025
이다.
예를 들면, T는 0.5가 될 수 있고, 따라서 약 5% 미만의 컬러 기여도는, 예를 들어 이러한 컬러 값을 갖는 복셀이 불투명한/스케터링 모드로 전환될 때 광학 소자(160-168) 상에 디스플레이되기 때문에 무시할만한 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 전체 3D 이미지에 대해 이와 같이 무시할만한 기여도는 버려지고, 비-기여 복셀은 디스플레이되지 않는데, 이는 디스플레이될 복셀의 수를 감소시키고 3D 이미지의 계산 처리를 개선시킬 수 있다.
부가적인 또다른 실시예에서, MVD 시스템(10)은 3D 이미지(34) 부분들 중 반투명 외양을 갖는 3D 이미지(34)을 발생시킬 수 있다. 즉, MOE 디바이스(32)의 광 학 소자들에 표시된 이미지들(44-50)은 적절한 쉐이딩과 컬러를 가져서 한 이미지의 일부가 반투명하게 나타나는 동시에, 제2 이미지의 또다른 부분이 이 반투명 부분을 통해 볼 수 있도록 나타난다. 이와 같은 반투명 외양은 안티-에일리어싱이 있는 상태로 또는 없이 생성될 수 있다.
3D 이미지(34)을 생성할 때, MVD 시스템(10)에 의해 사용되는 방법은 그래픽 데이터 소스(16)의 프레임 버퍼의 컬러 및 심도(또는 z) 버퍼 등의, 예를 들면 OpenGL 프레임 버퍼 데이터를 사용하여 MPD 계산을 행한다. 심도 버퍼에서의 값은 컬러 버퍼에서의 대응 픽셀의 심도이고, MOE 디바이스(32)내에 표시된, 도 16의 복셀(voxel)(170) 같은 복셀 또는 픽셀의 위치를 결정하는데 사용된다. 이 MPD 계산법은 MOE 디바이스(32)로부터의 입체 이미지(34)의 배경 물체들의 이미지의 부분들이 이와 같은 이미지들이 전방 물체들의 이미지들에 의해 차단된다면 표현되지 않는 것이 바람직한 상황에서 적절하다. 전방 물체들의 이미지들이 반투명하여 차단된 배경 물체에 대응하는 이미지가 보여지도록 하는 MOE 디바이스(32)에서 이미지를 생성하기 위해서, 알파 채널 기법이 사용되고, 여기에서 파라미터 α(알파)는 α의 값에 따라, 전방 및 배경 물체들 모두의 컬러를 조합함으로써 컬러 버퍼내의 픽셀/복셀의 컬러를 결정한다. 총 불투명도는 α= 1에 의해 구해지고, 총 반투명도는 α= 0에 의해 구해진다. 정확하게 보이는 컬러 버퍼로부터의 컬러 이미지들을 생성하기 위해 이와 같은 알파 채널 이미징을 사용하는 동안, 심도 버퍼내의 심도 값들은 변화되지 않고, 따라서 여전히 가장 앞쪽 물체들의 이미지의 심도에 대응한다. 알려져 있는 디스플레이 시스템에서는, 단지 하나의 심도 값을 사용하여 표시될 수 있는 다양한 심도에서의 여러 표면이 있으므로 미변경 심도는 입체 디스플레이 시스템내의 적절한 이미지 표시를 하지 못하게 한다. 이 개시되어 있는 MVD 시스템(10)은 단일 심도 값에 대해 다양한 심도에서의 복수의 표면을 표시할 때 종래기술의 이런 불가능한 점을 회피하는, 예를 들어 반투명 물체 또는 그 일부를 갖는 입체 이미지(34)을 생성한다. 이 개시되어 있는 MVD 시스템(10)은 OpenGL의 부가적인 특성들을 사용하여 MVD 시스템(10)의 모형 공간에 위치한 클립 평면을 발생시키고, 이로써 표현은 예를 들어 마이너스 측에 대향하는 플러스 측과 같은, 각 클립 평면의 소정 측상에서 생성하도록만 된다.
도 21 내지 24에 도시된 바와 같이, 인덱스 1 내지 N으로 번호 붙여질 수 있는 N 평면(204-212)을 갖고 그 사이에 균일한 간격(Δ)를 갖는 MOE 디바이스(32)에 대해, 입체 이미지(34) 등의 장면은 서로를 향하여 대면하고, 거리(Δ)만큼 분리되어 있고, 모형 공간 내의 평면(204-212) 중 소정의 MOE 평면에 중심을 둔 클립 평면으로 N회 렌더링된다. 따라서 N개의 다른 이미지들이 생성되고, 대응 컬러 버퍼는 MVD 제어기(18)에 보내어질 프레임 버퍼로부터 검색된다. MOE 디바이스(32)에서의 표시를 위해 MVD 제어기(18)에 컬러 버퍼를 송출할 때, MVD 시스템(10)이 3D 입체 이미지(34)을 생성하는데 사용되는 MOE 디바이스와 관련된 고유의 알파값을 가지므로, 알파 채널은 턴오프될 것이다.
클립 평면에 의한 렌더링은 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 안티-에일리어싱없이 구현될 수 있고, 여기에서 클립 평면(214-216)은 뷰어(218)에 더 가까이 위치한 이미지 부분들에 대응하여 사용되고, 클립 평면(214-216) 사이의 이미지 부 분들이 제1 평면(206) 상에 표시된 채로, 이미지(34)의 부분들은 클립 평면(214-216)들 사이에 위치한 제1 평면(206) 상에서 생성되고 표시된다. 클립 평면(220-222) 사이의 이미지 부분들이 제2 평면 상에(208) 표시된 채로, 이미지(34)의 새로운 부분들은 뷰어(218)로부터 멀리 있는 제2 평면(208) 상에 표시를 위해 클립 평면(220-222) 사이에서 생성되고 클립 평면(220-222) 사이에 위치된다.
알파 채널을 이용한 위의 방법으로 안티-에일리어싱을 구현하기 위해서, 안티-에일리어싱에 이용된 안개같은 이미징을 구현하는 주변 효과와 같은 OpenGL의 다른 특성이 이용된다. 안개 특성은 각 이미지 물체의 컬러가 안개의 밀도로 결정되는 비율로 안개의 컬러와 안개에 대한 지정된 FAR 및 NEAR 값과 관련된 심도 범위에 대한 모델의 심도와 결합되게 한다.
OpenGL에서 활용가능한 안개 함수는 선형, 지수, 지수 제곱 함수를 포함한다. 개시된 MVD 시스템(10)은 도 23-24에 도시된 선형 안개 함수(224-227)의 수퍼포지션과 같은, 그러한 안개 함수의 결합들 뿐만 아니라 그러한 함수들을 사용할 수 있다. 도 23-24에 도시된 예시적 실시예에서. 선형 안개 함수(224-227)의 결합의 각각은 안개의 가까운 심도에서 블랙 세팅과 대응하는 0의 값으로 시작하고, 가까운 심도 위치로부터 (FAR-NEAR)/2의 거리에서 트루 컬러 세팅에 대응하는 1의 값으로 선형 방식으로 진행한다. 그런다음, 안개 함수는 안개의 먼 심도에서 0으로 떨어진다. 그러한 안개 함수에서, 그리고 이미지(34)가 디스플레이되어 이격된 모델 간격으로, 주어진 MOE 평면에 위치된 중심에서 거리 2Δ로 분리된 클립 평면상태에서, 이미지(34)는 N회 렌더링되며, 각 회에 컬러 버퍼로부터의 데이터가 MOE 디바이스(32)의 대응하는 평면으로 보내진다.
예시적인 실시예에서, 선형 안개 함수의 결합과 그러한 결합을 가진 복셀 이미지 데이터의 처리는 적어도 2개의 렌더링 경로를 가지고, 도 23의 평면(206)과 같은 주어진 광학 소자에 대한 이미지를 합성함으로써 수행된다. 제1 경로 동안, 두 개의 클립 평면은 현재의 광학 소자(206)전의 즉시 렌더링되는 이미지를 가진 광학 소자(204)상에 위치된 제1 클립 평면(228)과 현재의 광학 소자(206)상에 위치된 제2 클립 평면을 가지고 거리 Δ로 분리된다. FAR보다 적은 NEAR를 가진 증가하는 거리를 가진 순선형 안개 함수(224)는 광학 소자(206)에 대한 이미지의 제1 세트로 렌더링되는 전술한 클립 평면으로 사용된다. 제2 경로 동안, 두 클립 평면은 현재의 광학 소자(206)상에 위치된 제1 클립 평면과 현재의 광학 소자(206)후에 즉시 렌더링되는 이미지를 가진 광소자(208)상에 위치된 제2 클립 평면(230)과 현재의 광학 소자(206) 상에 위치된 제2 클립 평면을 가지고, 거리 Δ로 분리된다.
상이한 선형 안개 함수(224-225)로 렌더링되는 이미지의 두 개의 세트는 MVD 시스템(10)으로 함께 부가되어 광학 소자(206)상에 표시된다.
도 23에서 도시된 바와 같이 제1 평면(206)상의 제1 이미지로 렌더링하기 위해, 안개 함수(224-225)는 제1 평면(206)에 대해 중심에 있고, 클립 평면(228-230)으로부터의 이미지와 그들 사이의 심도는 관련된 심도로 안개 함수(224-225)의 대응하는 값으로 변형된 그것들의 대응하는 컬러값을 가진다. 함수(224-225)를 이용한 광학 소자(206) 상의 부가된 이미지를 렌더링한 후에, MVD 시스템(10)은 도 24에 도시된 바와 같이, 제2 평면상의 지속적인 이미지로 렌더링되도록 하고, 안개 함수(226-227)는 제2 평면의 중심으로 이동된다. 클립 평면(232-234)로부터의 이미지와 그것들 사이의 심도는 관련된 심도에서 안개 함수(226)의 대응하는 값에 의해 변경된 그것들의 대응하는 컬러 값을 가진다. MVD 시스템(10)은 안개 함수를 지속적으로 이동하도록 하고 알파 채널 방법을 이용한 각 대표적인 이미지의 컬러 조정에 대한 대응하는 클립 평면으로 진행한다. 대안적인 실시예에서, 안개 함수는 상이한 평면(204-212)에 대해 구현될 수 있는데, 예컨데, 뷰어(218)로부터 거리가 멀어지면서 더 높은 안개 밀도를 가져서 표시된 3D 입체 이미지(34)의 심도 지각 효과를 증가시킨다.
예를 들어, 도 23을 참조하면, D로 표시되며 이미지 각 부분에 대해 각각의 컬러값 Ci를 갖는 심도(238)에서의 이미지(236)에 대해서, 심도 D에서의 포그 함수(224)의 값(240)은 αD이므로, 이미지(236)에 대하여 표시되는 조정된 컬러값은 αDCi이다. 컬러값 Ci는 상술한 수학식 7 및 수학식 8 및/또는 수학식 15 내지 수학식 18에서와 같이 심도 조정된 컬러값일 수 있으므로, 도 20의 단계(200)에서 알파 채널 조정이 선택적으로 구현되어, 상술한 알파 채널 기술을 이용한 안티-에일리어스를 수행할 수 있다.
상기에서는, 신규하고 진보성있는 다평면 입체 디스플레이 시스템(10) 및 동작 방법이 바람직한 실시예를 이용하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변경 및 대체가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 바람직한 실시예는 평판 액정 디스플레이와 같은 평면 광학 소자를 이용하여 기술되었지만, 상술한 것과 같은 방식으로 곡면 광학 소자를 이용하는 것도 고려할 수 있다.
MVD 시스템(10)은 1998년 4월 20일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 가출원 제60/082,442호, 및 미국 특허 제5,090,789호의 분할 특허인 미국 특허 제5,572,375의 일부 연속 출원으로서 1996년 11월 4일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제08/743,483호에 개시되어 있는 디바이스 및 방법을 이용하여 구현될 수 있다. MVD 시스템은 1998년 1월 8일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 09/004,722호에 개시되어 있는 장치 및 방법을 이용하여 구현될 수 있다. 상기의 가출원, 출원 및 특허들 각각은 본 명세서에 참조로서 표시된다. 따라서, 본 발명은 한정이 아닌 설명으로서 기술된다.

Claims (46)

  1. 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템에 있어서,
    (a) 상기 3차원 장면을 통해 변화하는 심도의 일련의 2차원 슬라이스를 나타내는 데이터를 생성하는 제어기;
    (b) 물리적 심도 DD를 갖고 복수의 광학 소자를 구비하는 다표면 광학 디바이스(multi-surface optical device);
    (c) 상기 데이터에 응답하여 상기 다표면 광학 디바이스의 각각의 광학 소자 상에 상기 일련의 2차원 슬라이스를 선택적으로 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스에서 보이는 제1 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 이미지 프로젝터 - 상기 3차원 장면의 가상 심도 DV는 상기 다표면 광학 디바이스의 물리적 심도 DD에 대응하도록 매핑됨 - ; 및
    (d) 상기 다표면 광학 디바이스에 형성된 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스의 외측 공간에서 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 프로젝터
    를 포함하는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3차원 장면의 가상 심도 DV는 상기 다표면 광학 디바이스의 물리적 심도 DD에 선형 관계로 매핑되는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 3차원 장면의 가상 심도 DV는 상기 다표면 광학 디바이스의 상기 물리적 심도 DD에 비선형 관계로 매핑되는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 소자는 심도 축을 따라 동일한 간격으로 배치되는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 소자는 심도 축을 따라 불균일한 간격으로 배치되는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 입체 3차원 이미지 내의 심도는 또한 상기 복수의 광학 소자 중 하나에 대응하도록 매핑되는, 가상 심도 DV를 갖는 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  7. 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템에 있어서,
    (a) 3차원 장면의 선택된 부분을 통해 변화하는 심도의 일련의 2차원 슬라이스를 나타내는 데이터를 생성하는 제어기 - 상기 선택된 부분은 최대 가상 심도값 ZMAX 및 최소 가상 심도값 ZMIN에 대응함 - ;
    (b) 배열된 복수의 광학 소자를 구비하는 다표면 광학 디바이스; 및
    (c) 상기 데이터에 응답하여 상기 다표면 광학 디바이스의 각각의 광학 소자 상으로 상기 일련의 2차원 슬라이스를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스에서 보이는 제1 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 이미지 프로젝터
    를 포함하되,
    상기 최소 심도값 ZMIN과 연관된 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 전방 광학 소자에 투사되고, 상기 최대 심도값 ZMAX와 연관된 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 후방 광학 소자에 투사되며, 나머지 슬라이스는 각각의 광학 소자사이에 투사되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 최대 가상 심도값 ZMAX를 넘어서는 상기 3차원 장면의 부분들은 후방 광학 소자 상에 2차원 이미지로서 디스플레이되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 ZMAX 및 ZMIN의 값은 뷰어에 의해 상호적으로 지정되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 ZMAX 및 ZMIN의 값은 애플리케이션 개시 동안 뷰어에 의해 지정되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 최소 심도값 ZMIN과 연관된 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 최전방 광학 소자 상에 투사되고 상기 최대 심도값 ZMAX와 연관된 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 최후방 광학 소자 상에 투사되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 다표면 광학 디바이스에 형성되는 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스의 외측 위치에서의 공간에서 부유하는 것처럼 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 부유 이미지 생성기(floating image generator)를 더 포함하는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 시스템.
  13. 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 3차원 장면의 선택된 부분을 통해 변화하는 심도의 일련의 2차원 슬라이스를 나타내는 데이터를 생성하는 단계 - 상기 선택된 부분은 최대 심도값 ZMAX 및 최소 심도값 ZMIN에 대응함 - ;
    (b) 다표면 광학 디바이스의 각각의 광학 소자 상에 상기 일련의 2차원 슬라이스를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스에서 보이는 제1 입체 3차원 이미지를 디스플레이하는 단계
    를 포함하되,
    상기 최소 심도값 ZMIN에 대응하는 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 전방 광학 소자에 투사되고, 상기 최대 심도값 ZMAX에서 생성된 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 후방 광학 소자에 투사되며, 나머지 슬라이스는 각각의 광학 소자사이에 투사되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 최대 심도값 ZMAX를 넘어서는 상기 3차원 장면의 부분들은 후방 광학 소자 상에 2차원 이미지로서 투사되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 ZMAX 및 ZMIN의 값은 뷰어에 의해 상호적으로 지정되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 ZMAX 및 ZMIN의 값은 애플리케이션 개시 동안 뷰어에 의해 지정되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 최소 심도값 ZMIN에 대응하는 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 최전방 광학 소자 상에 투사되고 상기 최대 심도값 ZMAX에 대응하는 슬라이스는 상기 다표면 광학 디바이스의 최후방 광학 소자 상에 투사되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 다표면 광학 디바이스로부터 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스의 외측 위치에서의 공간에서 부유하는 것처럼 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  19. 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 심리적 시각 큐(psychological vision cue)를 제공하도록 3차원 장면을 렌더링하고 상기 렌더링된 3차원 장면을 통해 일련의 2차원 슬라이스를 생성하는 제어기;
    (b) 상기 2차원 슬라이스가 투사될 수 있는 광학 디바이스;
    (c) 상기 광학 디바이스 상에 상기 일련의 2차원 슬라이스를 선택적으로 투사하여 제1 입체 3차원 이미지를 생성하는 이미지 프로젝터
    를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 심리적 시각 큐는 상기 제1 입체 3차원 이미지의 겉보기 심도가 상기 광학 디바이스의 물리적 심도를 초과하도록 하는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면에 쉐이딩(shading)을 포함시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면에 새도우를 포함시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 부분을 차단(occluding)함으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  23. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면에 강제 원근법(forced perspective)을 포함시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  24. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 보다 먼 부분의 표면 텍스처의 해상도를 감소시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  25. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 보다 먼 부분의 헤이즈(haziness)를 증가시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  26. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 보다 먼 부분의 컬러를 청색쪽으로 시프트시킴(shifting)으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  27. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 보다 먼 부분의 밝기를 감소시킴으로써 부가되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  28. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 렌더링된 3차원 장면의 보다 먼 부분의 촛점을 감소시킴으로써 제공되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  29. 제19항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 복수의 광학 소자를 포함하는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 광학 소자는 심도 축을 따라 배열되는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  31. 제19항에 있어서, 상기 광학 디바이스로부터 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 광학 디바이스의 외측 위치에서의 공간에서 부유하는 것처럼 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 부유 이미지 생성기를 더 포함하는, 입체 3차원 이미지를 생성하는 시스템.
  32. 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 심리적 시각 큐를 제공하도록 상기 3차원 장면을 렌더링하는 단계;
    (b) 상기 3차원 장면을 통해 2차원 이미지 슬라이스 세트에 대응하는 이미지 데이터를 생성하는 단계;
    (c) 이미지 프로젝터에 상기 3차원 장면의 상기 2차원 슬라이스 세트에 대응하는 상기 이미지 데이터를 제공하는 단계;
    (d) 광학 디바이스 상에 상기 이미지 프로젝터로부터 각각의 상기 2차원 슬라이스를 선택적으로 투사하여 제1 입체 3차원 이미지를 생성하는 단계
    를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 심리적 시각 큐는 상기 제1 입체 3차원 이미지의 겉보기 심도가 상기 광학 디바이스의 물리적 심도를 초과하게 하는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 3차원 장면의 렌더링 동안 쉐이딩을 부가함으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 3차원 장면의 렌더링 동안 새도우를 부가함으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  35. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 3차원 장면의 렌더링 동안 상기 장면의 부분들을 차단함으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  36. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 상기 3차원 장면의 렌더링 동안 강제 원근법을 부가함으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  37. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 렌더링 동안 상기 3차원 장면의 보다 먼 부분의 표면 텍스처의 해상도를 감소시킴으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  38. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 렌더링 동안 상기 3차원 장면의 보다 먼 부분의 헤이즈를 증가시킴으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  39. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 렌더링 동안 상기 3차원 장면의 보다 먼 부분의 컬러를 청색쪽으로 시프트시킴으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  40. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 렌더링 동안 상기 3차원 장면의 보다 먼 부분의 밝기를 감소시킴으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  41. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 심리적 큐는 렌더링 동안 상기 3차원 장면의 보다 먼 부분의 촛점을 감소시킴으로써 제공되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  42. 제32항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 복수의 광학 소자를 포함하는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 복수의 광학 소자는 심도 축을 따라 배열되는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  44. 제32항에 있어서, 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 광학 디바이스의 외측 위치에서의 공간에서 부유하는 것처럼 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 생성하는 부유 이미지 생성기를 더 포함하는, 3차원 장면의 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  45. 복수의 광학 소자를 포함하는 다표면 광학 디바이스를 이용하여 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    (a) 심도 축을 갖는 3차원 장면을 렌더링하는 단계;
    (b) 상기 3차원 장면을 통해 변화하는 심도의 2차원 이미지 슬라이스 세트에 대응하는 데이터를 생성하는 단계 - 각각의 상기 2차원 이미지 슬라이스는 각각이 심도 좌표(z)를 갖는 복수의 트라이델(tridels)에 의해 정의됨 - ;
    (c) 각각의 상기 트라이델의 심도 좌표 z를 상기 다표면 광학 디바이스 내의 대응하는 심도 좌표 z′로 매핑하는 단계;
    (d) 각각의 상기 트라이델의 심도 좌표 z′를 상기 복수의 광학 소자 중 하나에 대응하는 심도 좌표 k를 갖는 적어도 하나의 복셀(voxel)에 매핑하는 단계; 및
    (e) 상기 심도 좌표 k에서의 상기 복셀을 대응하는 광학 소자 상에 선택적으로 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스에서 보이는 제1 입체 3차원 이미지를 생성하는 단계
    를 포함하는, 복수의 광학 소자를 포함하는 다표면 광학 디바이스를 이용하여 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제1 입체 3차원 이미지를 투사하여 상기 다표면 광학 디바이스의 외측 공간에서 보이는 제2 입체 3차원 이미지를 형성하는 단계를 더 포함하는, 복수의 광학 소자를 포함하는 다표면 광학 디바이스를 이용하여 입체 3차원 이미지를 생성하는 방법.
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