TWI430136B - 互動式立體顯示系統以及距離計算方法 - Google Patents

Description

互動式立體顯示系統以及距離計算方法

本發明是有關於一種立體顯示系統(3D display system)，且特別是有關於一種互動式立體顯示系統(interactive 3D display system)。

近年來，隨著顯示技術的不斷進步，使用者對於顯示器之顯示品質(如影像解析度、色彩飽和度等)的要求也越來越高。然而，除了高影像解析度以及高色彩飽和度之外，為了滿足使用者觀看真實影像的需求，亦發展出能夠顯示出立體影像的顯示器。在當前立體顯示技術持續發展的同時，可預見使用者能與立體影像做及時互動將會是下個世代人機互動的趨勢。

當前立體互動式顯示裝置是透過捕捉使用者於三維空間之位置影像以達到面板畫面同步的互動。在實際的操作上，現階段的互動式顯示裝置是藉由於立體顯示器外加裝追蹤裝置(tracking device)以感測使用者之輸入信號，進而能追蹤手指的位置。在習知技術中，追蹤裝置與立體顯示器的相對位置會影響追蹤裝置的感測範圍，故當使用者在某些位置或斜向點擊立體顯示器的立體影像時，追蹤裝置較難偵測使用者的輸入訊號，甚至容易出現誤動作，進而造成互動靈敏度下降。除此之外，額外配置的追蹤裝置亦會增加互動式顯示裝置的體積，而造成空間上的配置 不便。

本發明提供一種互動式立體顯示系統(interactive 3D display system)，其具有良好的互動靈敏度。

本發明提供一種距離計算方法，其適用於互動式立體顯示系統中，以計算出互動元件與立體顯示面板之間之相對位置。

本發明提供一種互動式立體顯示系統，其包括一立體顯示面板、一互動元件(interactive device)以及一影像辨識單元。立體顯示面板具有一內嵌式的光感測陣列(in-cell type optical sensor array)。互動元件包括一投射光源以及一遮罩。遮罩具有一圖案以定義出互動元件所投射出的一影像。影像被內嵌式的光感測陣列擷取，其中圖案包括二彼此交叉的條狀圖案，且影像包括二彼此交叉的條狀影像。另外，影像辨識單元與內嵌式的光感測陣列電性連接，並根據內嵌式的光感測陣列所擷取之影像來計算出互動元件與立體顯示面板之相對位置。而計算互動元件與立體顯示面板之相對位置的方法包括：根據其中一個條狀圖案的長度、其中一個條狀影像的長度、投射光源的發散角以及投射光源的傾斜角度，以計算出互動元件與該立體顯示面板之相對位置。

在本發明之一實施例中，上述之圖案具有二彼此交叉的條狀遮蔽圖案，且這些條狀遮蔽圖案對應到彼此交叉的條狀影像。

在本發明之一實施例中，每一條狀遮蔽圖案的長度實質上相等。

在本發明之一實施例中，每一條狀遮蔽圖案的延伸方向實質上相互垂直。

在本發明之一實施例中，上述之圖案具有二彼此交叉的條狀鏤空區域，且這些條狀鏤空區域對應到彼此交叉的條狀影像。

在本發明之一實施例中，每一條狀鏤空區域的長度實質上相等。

在本發明之一實施例中，每一條狀鏤空區域的延伸方向實質上相互垂直。

在本發明之一實施例中，上述之投射光源包括一發光二極體光源。

除此之外，本發明還提出一種距離計算方法，其適於計算一互動元件到一內嵌式的光感測陣列的最短距離。互動元件包括一投射光源以及一遮罩。遮罩具有一圖案以定義出互動元件所投射出的一影像，而影像被內嵌式的光感測陣列擷取，其中圖案包括二彼此交叉的條狀圖案，而影像包括二彼此交叉的條狀影像。上述之距離計算方法包括：根據其中一個條狀圖案的長度、其中一個條狀影像的長度、投射光源的發散角以及投射光源的傾斜角度，以計算出互動元件與內嵌式的光感測陣列之最短距離。

在本發明之一實施例中，上述之每一條狀圖案的長度為x ，其中一個較長之條狀影像的長度為W _L ，投射光源的發散角為ψ，投射光源的傾斜角度為θ，而互動元件與內 嵌式的光感測陣列之最短距離為h ，且x 、W _L 、ψ、θ、h 滿足下列關係式：

在本發明之一實施例中，0°<θ40°。

在本發明之一實施例中，上述之每一條狀圖案的長度為x ，其中一個較短之條狀影像的長度為W _S ，投射光源的發散角為ψ，投射光源的傾斜角度為θ，而互動元件與內嵌式的光感測陣列之最短距離為h ，且x 、W _S 、ψ、θ、h 滿足下列關係式：W _S =2×(h sec θ×cot ψ+x )

基於上述，本發明之實施例採用內嵌式的光感測陣列並於互動元件上設計條狀圖案，以依據影像圖案之長度對應傾斜角度θ與最短距離h 的變化來計算互動元件與立體顯示面板的相對位置，故能解決習知使用者因斜向點擊立體顯示面板所造成的誤動作，進而提升互動式立體控顯示系統的互動靈敏度。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

【第一實施例】

圖1繪示為本發明第一實施例之互動式立體顯示系統(interactive 3D display system)的示意圖。請參照圖1，本實施例之互動式立體顯示系統1000包括一立體顯示面 板1100、一互動元件(interactive device)1200以及一影像辨識單元1300。立體顯示面板1100具有一內嵌式的光感測陣列(in-cell type optical sensor array)1110，且影像辨識單元1300與內嵌式的光感測陣列1110電性連接。

請繼續參照圖1，互動元件1200包括一投射光源1220以及一遮罩1240，其中投射光源1220包括一發光二極體(light emitting diode,LED)或是其他具有投射性質的光源。遮罩1240具有一圖案1242以定義出互動元件1200所投射出的一影像1232，而影像1232被內嵌式的光感測陣列1110擷取。如圖1所示，圖案1242包括二彼此交叉的條狀圖案1242a、1242b，且影像1232包括二彼此交叉的條狀影像1232a、1232b。

進一步而言，本實施例的條狀圖案1242a、1242b為二彼此交叉的條狀遮蔽圖案，且條狀遮蔽圖案1242a、1242b對應到彼此交叉的條狀影像1232a、1232b。交叉的遮蔽圖案1242a、1242b為一暗區。另外，條狀遮蔽圖案1242a、1242b的長度x 實質上相等，且延伸方向實質上相互垂直。值得一提的是，在其他實施例中，條狀遮蔽圖案1242a、1242b的長度亦可不同且延伸方向不一定要相互垂直。

另一方面，藉由內嵌式的光感測陣列1110擷取上述的影像1232，影像辨識單元1300便能根據內嵌式的光感測陣列1110所擷取的影像1232來計算互動元件1200與立體顯示面板1100之相對位置。在本實施例中，影像辨識單元1300 例如可推算出互動元件1200到內嵌式的光感測陣列1110的最短距離h 。而影像辨識單元1300計算互動元件1200與立體顯示面板1100之相對位置的方法包括：根據條狀圖案1242a或1242b的長度x 、條狀影像1232a或1232b的長度W _S 、W _L 、投射光源的發散角(ψ)以及投射光源1220的傾斜角度θ，以計算出互動元件1200與立體顯示面板1100之相對位置。相關的計算方法將於稍後做更進一步的描述。

圖2繪示為影像1232在立體顯示面板1100上的投影示意圖，其中子部份(a)~(e)分別對應不同位置以及不同傾斜角度θ的互動元件1200。詳細來說，在子部份(a)~(e)中，對應子部分(a)的互動元件1200距離立體顯示面板1100最近，而對應子部分(e)的互動元件1200距離立體顯示面板1100最遠。除此之外，由於互動元件1200的投射光源1220非正向垂直入射至立體顯示面板1100，故長度x 相同的條狀圖案1242a、1242b會對應到不同長度的條狀影像1232a、1232b。

如圖2所示，由於投射光源1220斜向入射的關係，故在子部分(a)~(e)中，條狀影像1232b之長度大於條狀影像1232a之長度。由上述可知，互動元件1200與立體顯示面板1100的距離，以及互動元件1200的傾斜角度θ會影響條狀影像1232a、1232b的長度。因此，藉由感測條狀影像1232a或1232b的長度便能反推互動元件1200與內嵌式 的光感測陣列1110的距離，亦即互動元件1200與立體顯示面板1100的相對位置。

為方便後續說明，在此，將較長之條狀影像1232b的長度定為W _L ，而將較短之條狀影像1232a的長度定為W _S 。另外，在此亦將互動元件1200與內嵌式的光測陣列1110之最短距離定為h 。在本實施例中，0°<θ40°，且x 、W _L 、ψ、θ、h 與x 、W _S 、ψ、θ、h 分別滿足下列關係式：

W _S =2×(h sec θ×cot ψ+x )

由上述關係式可知，條狀影像1232a、1232b的長度W _L 、W _S 對應不同傾斜角度θ以及不同距離h 的變化為線性變化。因此，圖1的影像辨識單元1300便能根據其中一個條狀圖案的長度x 、其中一個條狀影像的長度W _L 或W _S 、投射光源的發散角ψ以及投射光源1220的傾斜角度θ，以計算出互動元件1200與內嵌式的光感測陣列1110之最短距離h 。

圖3繪示為條狀影像之長度與距離h 的實驗模擬圖，其中左邊為不同傾斜角度θ下，長度W _L 與距離h 的關係圖，而右邊為不同傾斜角度θ下，長度W _S 與距離h 關係圖。如圖3所示，長度W _L 、W _S 對應不同傾斜角度θ與不同距離h 的變化可被視為線性變化，故影像辨識單元1300能根據長度W _L 或W _S 的變化而推得對應的距離h 。另外，由於影像辨識單元1300在計算距離h 時，已考慮傾斜角度θ的因素，故不會有習知因斜向點擊所造成的誤動作，進而能夠提升互動式立體顯示系統1000的互動靈敏度。除此 之外，藉由使用內嵌式的光感測陣列1110可以有效降低習知立體顯示裝置中加裝追蹤裝置的體積。另外，由於本實實施例之互動元件1200容易製作，故能降低互動式立體顯示系統1000的製作成本。

【第二實施例】

圖4繪示為本發明第二實施例之圖案與影像的示意圖。圖4的圖案2242與圖1的圖案1242類似，惟二者主要差異之處在於：圖案2242具有二彼此交叉的條狀鏤空區域2242a、2242b，且條狀鏤空區域2242a、2242b對應到彼此交叉的條狀影像2232a、2232b。

另外，條狀鏤空區域2242a、2242b的長度實質上相等，且條狀鏤空區域2242a、2242b的延伸方向實質上相互垂直。上述的圖案2242定義出互動元件所投射出的影像2232，其中交叉的條狀影像2232a、2232b為一亮區。值得一提的是，在其他實施例中，條狀遮蔽圖案2242a、2242b的長度亦可不同且延伸方向不一定要相互垂直。

請同時參照圖1與圖4，與第一實施例類似，影像2232會被內嵌式的光感測陣列1110擷取，以使影像辨識單元1300根據內嵌式的光感測陣列1110所擷取之影像2232來計算出互動元件與立體顯示面板1100之相對位置。

綜上所述，本發明之實施例採用內嵌式的光感測陣列並於互動元件上設計條狀圖案，以依據影像圖案之長度對應傾斜角度θ與最短距離h 的變化來計算互動元件與立體顯示面板的相對位置，故能解決習知使用者因斜向點擊立體顯示面板所造成的誤動作，進而提升互動式立體控顯示 系統的互動靈敏度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1000‧‧‧互動式立體顯示系統

1100‧‧‧立體顯示面板

1110‧‧‧內嵌式的光感測陣列

1200‧‧‧互動元件

1220‧‧‧投射光源

1232‧‧‧影像

1240‧‧‧遮罩

1242‧‧‧圖案

1242a、1242b、2242a、2242b‧‧‧條狀圖案

1232a、1232b、2232a、2232b‧‧‧條狀影像

1300‧‧‧影像辨識單元

h ‧‧‧最短距離

x ‧‧‧長度

θ‧‧‧傾斜角度

圖1繪示為本發明第一實施例之互動式立體顯示系統的示意圖。

圖2繪示為影像在立體顯示面板上的投影示意圖。

圖3繪示為條狀影像之長度與距離h 的實驗模擬圖。

圖4繪示為本發明第二實施例之圖案與影像的示意圖。

1000‧‧‧互動式立體顯示系統

1100‧‧‧立體顯示面板

1110‧‧‧內嵌式的光感測陣列

1200‧‧‧互動元件

1220‧‧‧投射光源

1232‧‧‧影像

1240‧‧‧遮罩

1242‧‧‧圖案

1242a、1242b‧‧‧條狀圖案

1232a、1232b‧‧‧條狀影像

1300‧‧‧影像辨識單元

h ‧‧‧距離

x ‧‧‧長度

θ‧‧‧傾斜角度

Claims (15)

1. 一種互動式立體顯示系統，包括：一立體顯示面板，具有一內嵌式的光感測陣列；一互動元件，包括一投射光源以及一遮罩，該遮罩具有一圖案以定義出該互動元件所投射出的一影像，而該影像被該內嵌式的光感測陣列擷取，其中該圖案包括二彼此交叉的條狀圖案，且該影像包括二彼此交叉的條狀影像；以及一影像辨識單元，與該內嵌式的光感測陣列電性連接，其中該影像辨識單元根據該內嵌式的光感測陣列所擷取之該影像來計算出該互動元件與該立體顯示面板之相對位置，而計算該互動元件與該立體顯示面板之相對位置的方法包括：根據其中一個條狀圖案的長度、其中一個條狀影像的長度、該投射光源的發散角以及該投射光源的傾斜角度，以計算出該互動元件與該立體顯示面板之相對位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之互動式立體顯示系統，其中該圖案具有二彼此交叉的條狀遮蔽圖案，且該些條狀遮蔽圖案對應到該些彼此交叉的條狀影像。
3. 如申請專利範圍第2項所述之互動式立體顯示系統，其中各該條狀遮蔽圖案的長度實質上相等。
4. 如申請專利範圍第2項所述之互動式立體顯示系統，其中各該條狀遮蔽圖案的延伸方向實質上相互垂直。
5. 如申請專利範圍第1項所述之互動式立體顯示系統，其中該圖案具有二彼此交叉的條狀鏤空區域，且該些條狀鏤空區域對應到該些彼此交叉的條狀影像。
6. 如申請專利範圍第5項所述之互動式立體顯示系統，其中各該條狀鏤空區域的長度實質上相等。
7. 如申請專利範圍第5項所述之互動式立體顯示系統，其中各該條狀鏤空區域的延伸方向實質上相互垂直。
8. 如申請專利範圍第1項所述之互動式立體顯示系統，其中該投射光源包括一發光二極體。
9. 一種距離計算方法，適於計算一互動元件到一內嵌式的光感測陣列的最短距離，該互動元件包括一投射光源以及一遮罩，該遮罩具有一圖案以定義出該互動元件所投射出的一影像，而該影像被該內嵌式的光感測陣列擷取，其中該圖案包括二彼此交叉的條狀圖案，而該影像包括二彼此交叉的條狀影像，且該距離計算方法包括：根據其中一個條狀圖案的長度、其中一個條狀影像的長度、該投射光源的發散角以及該投射光源的傾斜角度，以計算出該互動元件與該內嵌式的光感測陣列之最短距離。
10. 如申請專利範圍第9項所述之距離計算方法，其中各該條狀圖案的長度為x ，其中一個較長之條狀影像的長度為W _L ，該投射光源的發散角為ψ，該投射光源的傾斜角度為θ，而該互動元件與該內嵌式的光感測陣列之最短距離為h ，且x 、W _L 、ψ、θ、h 滿足下列關係式：
11. 如申請專利範圍第10項所述之距離計算方法，其中0°<θ40°。
12. 如申請專利範圍第9項所述之距離計算方法，其中各該條狀圖案的長度為x ，其中一個較短之條狀影像的長度為W _S ，該投射光源的發散角為ψ，該投射光源的傾斜角度為θ，而該互動元件與該內嵌式的光感測陣列之最短距離為h ，且x 、W _S 、ψ、θ、h 滿足下列關係式：W _S =2×(h sec θ×cot ψ+x )。
13. 如申請專利範圍第12項所述之距離計算方法，其中0°<θ40°。
14. 如申請專利範圍第1項所述之互動式立體顯示系統，其中計算該互動元件與該立體顯示面板之相對位置的方法包括：根據其中一個條狀圖案的長度，其中單一個條狀影像的長度、該投射光源的發散角以及該投射光源的傾斜角度，以計算出該互動元件與該立體顯示面板之相對位置。
15. 如申請專利範圍第9項所述之距離計算方法，包括：根據其中一個條狀圖案的長度，其中單一個條狀影像的長度、該投射光源的發散角以及該投射光源的傾斜角度，以計算出該互動元件與該立體顯示面板之相對位置。