TWI462568B - 立體顯示器之影像顯示方法 - Google Patents

Description

立體顯示器之影像顯示方法

本發明是有關於一種影像顯示方法，且特別是有關於一種立體顯示器之影像顯示方法。

隨著科技的進步與發達，人們對於物質生活以及精神層面的享受一向都只有增加而從未減少。以精神層面而言，在這科技日新月異的年代，人們希望能夠藉由立體顯示器來實現天馬行空的想像力，以達到身歷其境的效果；因此，如何使立體顯示器呈現立體的圖像或影像，便成為現今立體顯示器技術極欲達到的目標。

在目前的顯示技術而言，立體顯示技術可大致分成觀察者需戴特殊設計眼鏡觀看之戴眼鏡式(stereoscopic)以及直接裸眼觀看之裸眼式(auto-stereoscopic)。其中戴眼鏡式立體顯示技術已經發展成熟，並廣泛用到如軍事模擬或大型娛樂等某些特殊用途上，但戴眼鏡式立體顯示技術因其方便性與舒適性不佳，使得此類技術不易普及。因此，裸眼式立體顯示技術已逐漸發展並成為新潮流。

裸眼式立體顯示技術目前已經發展至多重觀看角度(multi-view)之立體顯示技術。多重觀看角度之立體顯示技術的優點是可以提供觀賞者更大的觀賞空間或觀賞自由度。但是，對於傳統裸眼式立體顯示器來說，觀賞者與立體顯示器之間的觀賞距離必須一開始就抵定，以維持觀賞者所看到的顯示品質。然而，此一限制對觀賞者而言卻造成了很大的不方便。除此之外，傳統裸眼式立體顯示器對於其光學元件與顯示器之間的對位(alignment)要求非常嚴格，對於製作來說，更是一大挑戰。

本發明提供一種立體顯示器之影像顯示方法，可供觀賞者自由調整觀賞距離，並維持良好顯示品質，增加光學元件與顯示器的對位精準之誤差容忍度。

本發明提供一種立體顯示器之影像顯示方法。所述影像顯示方法包括如下步驟。提供一立體顯示器，其可提供一觀賞者有N個觀看視區(multi-view)。其中，立體顯示器包括至少一週期性結構及至少一畫素平面。依據N值，在空間中劃分出N個視區(view zone)。藉由週期性結構，在畫素平面(pixel plane)上形成各視區所對應的投影區域。其中，各投影區域對應畫素平面上至少一子畫素單元。依據各視區所對應的子畫素單元，獲得各視區之影像資訊。合成各視區之影像資訊，以顯示一立體影像畫面。

在本發明之一實施例中，上述之各視區為一維空間之線段或二維空間之平面。

在本發明之一實施例中，上述之週期性結構之週期數為T。在畫素平面上形成各投影區域的步驟中，各視區在畫素平面上形成T個投影區域。

在本發明之一實施例中，上述之影像顯示方法更包括如下步驟。比較各子畫素單元是否對應到兩個以上之視區。

在本發明之一實施例中，若各子畫素單元並未對應到兩個以上之視區，在獲得各視區之影像資訊的步驟中，將各子畫素單元之影像資訊視為對應的視區之影像資訊。

在本發明之一實施例中，若各子畫素單元對應到兩個以上之視區，在獲得各視區之影像資訊的步驟中，各子畫素單元之影像資訊疊加方式為各視區所對應的投影區域之投影量之函數，以獲得各視區之影像資訊。

在本發明之一實施例中，上述之影像顯示方法更包括如下步驟。在週期性結構上定義多個參考點。依據各視區與其對應的參考點，獲得各視區所對應的投影區域在畫素平面上之位置資訊。依據各投影區域之位置資訊，決定各視區所對應的子畫素單元。

在本發明之一實施例中，上述之參考點以一陣列方式沿一第一方向及一第二方向排列。定義參考點的步驟包括如下步驟。依據觀賞者與立體顯示器之距離，調整參考點在第一方向上之間距。依據觀賞者與立體顯示器之距離，調整第二方向與第一方向之夾角。

在本發明之一實施例中，上述之週期性結構包括柱狀透鏡(lenticular lens)、液晶透鏡(liquid crystal lens)、狹縫式光柵(barrier)或稜鏡(prism)。

在本發明之一實施例中，上述之子畫素單元包括紅色子畫素單元、綠色子畫素單元以及藍色子畫素單元。

基於上述，在本發明之範例實施例中，立體顯示器之影像顯示方法能夠針對不同的觀賞距離作顯示內容之調配，以增加使用的便利性及光學元件與顯示器之間的對位精準之誤差容忍度。

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。

在本發明之範例實施例中，立體顯示器之影像顯示方法能夠針對不同的觀賞距離作顯示內容之調配，其調配包括水平方向及垂直方向，以使觀賞距離不再被限制在一特定距離，進而增加立體顯示器使用的便利性。此外，由於顯示內容可調整，因此光學元件與顯示器之間的對位精準度可容忍的誤差較大，可降低製作的困難度及其成本。

圖1為本發明一實施例之立體顯示器之示意圖。請參考圖1，在本實施例中，立體顯示器100包括一液晶顯示器面板110及一光學元件120，其中液晶顯示器面板110包括一畫素平面，而光學元件120例如是一週期性結構。

在本實施例中，立體顯示器100例如為一多重觀看角度(multi-view)之立體顯示器，其可提供一觀賞者有N個觀看角度。對多重觀看角度之立體顯示器100而言，數值N代表有N張圖片的影像資訊作為立體影像畫面內容的來源。

是以，本實施例之影像顯示方法依據該N值，在空間中劃分出N個寬度為W之視區130(view zone)。在此，N值例如是以8為例，如圖1所示。但是，本實施例之視區數目亦可為異於8的數值，而8個視區代表有8張自同一物體取8個不同角度的圖片，以合成該物體之立體影像畫面。

在本實施例中，該等視區係位於一個與立體顯示器100平行之平面上，但本發明不限於此。該等視區之形式，諸如寬度、位置、排列方式及與立體顯示器之距離僅用以例示說明，其排列方式只要連續即可，不限制為一直線或圓弧。每一視區為一維空間之線段或二維空間之平面，在此係以一維空間之線段為例。須特別說明的是，該等視區與立體顯示器之距離D可代表一觀賞者與立體顯示器100之觀賞距離。

圖2為圖1之立體顯示器的結構示意圖。請參考圖1及圖2，在本實施例中，光學元件120可以直接貼合或機械組裝的方式配置於液晶顯示器面板110上，且光學元件120至少在一個方向上具有週期性結構。在此，光學元件120例如是柱狀透鏡(lenticular lens)，但本發明不限於此。在其他實施例中，光學元件120可為液晶透鏡(liquid crystal lens)、狹縫式光柵(barrier)或稜鏡(prism)。

在本實施例中，液晶顯示器面板110包括一基底面板112、下玻璃層114a、上玻璃層114b及一有機材料層116。其中，基底面板112包括一偏光層113及一彩色濾光層111，而下玻璃層114a及上玻璃層114b之間具有一空氣間隙118。

在本實施例中，有機材料層116之材料例如是聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate,PET)。彩色濾光層111包括紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)等顏色的子畫素單元，以作為一畫素平面，提供合成立體影像畫面的影像資訊。在此，每一子畫素單元的寬度為Wp。

以65英吋(65”)的公共資訊顯示器(public information display,PID)為例，其子畫素單元之寬度為0.248毫米(mm)、高度為0.744mm，解析度為1920×1080。因此，在本實施例中，若設計立體顯示器100之中央觀賞距離為3公尺，且預設為8個視區的話，則每一柱狀透鏡的曲率半徑(curvature radius)例如是7mm。

在本實施例中，液晶顯示器面板110之各層厚度及折射率如下表(一)所例示：

須特別說明的是，本實施例之每一視區的寬度必須根據對應的顯示器的架構來計算，惟不論顯示器的架構為何，視區寬度W、觀賞距離D及子畫素單元之寬度Wp符合底下關係式(1)：

W/D=Wp/Dop　關係式(1)

其中，光程(optical distance) Dop代表光束在液晶顯示器面板110內傳遞時的光路徑長(optical path length)。由上述關係式(1)可知，當立體顯示器製作完成後，子畫素單元之寬度Wp及光程Dop即告確定，因此在本實施例之影像顯示方法中，當觀賞者與立體顯示器100之觀賞距離D改變時，視區寬度W亦可隨之改變。換句話說，本實施例之影像顯示方法能夠針對不同的觀賞距離作顯示內容之調配，以增加使用的便利性。

詳細而言，以本實施例之立體顯示器的架構(65”PID)為例，請參照圖1及圖2，假設觀賞者與立體顯示器100之觀賞距離D=2.5米(meters)，且空間中劃分出8個視區的話，考慮液晶顯示器面板110各層狀結構對光程Dop之影響，依據表(一)所例示的各項參數，其計算結果為：

Dop=0188×1.5+4×1.5+4.6×1+6×1.5+0.2×1.33+0.7×1.5=12.01mm

是以，將參數D=2.5m、Dop=12.01mm、Wp=0.248mm代入關係式(1)，可得W=51.58mm。也就是說，在本實施例中，觀賞距離D改變時，視區寬度W亦會隨之改變。

圖3為圖2之立體顯示器的俯視示意圖。請參照圖2及圖3，在本實施例中，光學元件120例如為多個沿x方向排列且週期數為T的柱狀透鏡(即個數為T)所形成，其製作後的間距為p，而貼附於液晶顯示器面板110後與y方向的之夾角為k。

在本實施例之影像顯示方法中，為了維持良好顯示品質，在柱狀透鏡(週期性結構)上定義了多個參考點Pr用以在後續進行演算之用。在本實施例中，參考點Pr以一陣列方式沿一第一方向及一第二方向排列，其中第一方向例如是x方向，而第二方向例如是與y方向之間具有一傾斜之夾角K。此外，本實施例之各參考點Pr在x方向上之間距為P。

一般而言，如果柱狀透鏡製作的完美無缺，且與液晶顯示器面板之貼附角度也精準如設計一般，以及觀賞者的觀賞距離與其雙眼的寬度也和柱狀透鏡之設計所規劃的數值一樣時，則P=p且K=k。然而，因為目前製作及對位的精準度，上述的完美條件將難以達成。再者，觀賞者的所在的位置也可能不是預設的觀賞距離，所以相對應的顯示內容也需要調整。

因此，在本實施例之影像顯示方法中，間距P即為一可調的參數，用以調整x方向之顯示內容，而傾斜角度K亦為一可調的參數，用以調整y方向之顯示內容。須特別說明的是，調整傾斜角度K，即調整該第二方向與該第一方向之夾角。

當觀賞者站定位置後(即觀賞距離D固定)，其可用遙控器或其他任何的輸入方式，調整參數P、K，直到所看到的立體影像畫面滿意為止。換句話說，顯示內容可依據觀賞者與立體顯示器之距離來調整參數P、K，因此觀賞者調整後所得到的參數P、K可視為一個校正後的結果。在之後立體影像播放時，立體顯示器100即根據參數P、K對所欲播放的畫面進行影像處理。

是以，由於顯示內容可作調整，因此光學元件與顯示器之間的對位精準度可容忍的誤差較大，可降低製作的困難度及其成本。

圖4繪示圖1中其中一視區在畫素平面上所對應的位置資訊。請參考圖1及圖4，在本實施例中，以視區VZ1之兩端點V1、V2及參考點Pr1、Pr2為例，經過參考點Pr1傳遞至端點V1的光束可利用光束覓跡原理(ray tracing)及司乃耳定律(Snell’s law)，追蹤出該光束是對應於畫素平面上的哪一個座標點。在圖4中，t為柱狀透鏡在參考點Pr1之切線，而n為柱狀透鏡在參考點Pr1之法線。

具體而言，利用光束覓跡原理及司乃耳定律例如可計算出端點V1相對於參考點Pr1在畫素平面上之座標點為(Px1,Py1)。類似地，利用上述方式，可計算出端點V1相對於參考點Pr2在畫素平面上之座標點為(Px2,Py2)，以及端點V2分別相對於參考點Pr1、Pr2在畫素平面上之座標點為(Px3,Py3)、(Px4,Py4)。

換句話說，在本實施例之影像顯示方法中，依據各視區與其對應的參考點，可獲得各視區所對應的投影區域在畫素平面上之位置資訊。進而，依據各投影區域之位置資訊，決定各視區所對應的子畫素單元。在本實施例中，各視區在畫素平面上所對應的投影區域可能包括一個以上的子畫素單元。

從另一觀點來看，特定的子畫素單元可能只對應到一個視區，此時定義該子畫素單元對於該視區的特定影像畫面之權重(weighting factor)為1。因此，在本實施例中，影像顯示方法更包括比較各子畫素單元是否對應到兩個以上的視區，進而計算特定子畫素單元對於特定視區的特定影像畫面之權重。在本實施例中，空間中被劃分為8個視區，代表有8張自同一物體取8個不同角度的圖片，以合成該物體之立體影像畫面。

圖5A及圖5B繪示合成立體影像畫面前，各子畫素單元在不同角度的圖片中所佔的權重。請參考圖5A及圖5B，在圖5A及圖5B中，圖片I1、I2分別被劃分為多個區塊，每一區塊對應於畫素平面上的多個子畫素單元。若區塊中各子畫素單元並未對應到兩個以上之視區，則各子畫素單元之影像資訊將被視為對應的視區之影像資訊。例如，在圖5A及圖5B中，標示為1的區塊，即代表該區塊的子畫素單元只對應到一個特定的視區。

若各子畫素單元對應到兩個以上之視區，依據各視區所對應的投影區域之投影量，各子畫素單元之影像資訊將被疊加，以獲得各視區之影像資訊。例如，在圖5A及圖5B中，標示為0.1、0.2、0.8及0.9的區塊，即代表該區塊的子畫素單元對應到兩個以上之視區，其中區塊內之表示值即代表該區塊對應的權重。須特別說明的是，在本實施例中，各子畫素單元對應不同的影像畫面所佔的權重例如是和各視區所對應的投影區域之投影量(例如投影面積)比例相關，亦即其權重為投影區域投影量之函數。換句話說，各子畫素單元之影像資訊疊加方式為各視區所對應的投影區域之投影量之函數，以獲得各視區之影像資訊。

應注意的是，圖5A及圖5B僅繪示合成立體影像畫面的其中兩張圖片I1、I2中各區塊的子畫素單元之權重分佈，在本實施例中，合成一個立體影像畫面需要有8張圖片的影像資訊。

因此，在本實施例之影像顯示方法中，藉由調整參數P、K即可達到調整各子畫素單元對於每張圖片的權重，進而改變輸入至各子畫素單元的影像資訊，以達到依據觀賞者與立體顯示器之距離來調整影像內容之目的。

圖6為本發明一實施例之影像顯示方法的步驟流程圖。圖7為圖1之立體顯示器的簡化示意圖。請同時參照圖6及圖7，在本實施例中，柱狀透鏡120的週期數為T，且空間中被劃分為8個視區130，而圖7中僅繪示部分的柱狀透鏡及視區，以簡化圖式。本實施例之影像顯示方法包括如下步驟。

首先，在步驟S600中，提供一立體顯示器100。

接著，在步驟S602中，依據所需要的N值，在空間中劃分出N個視區，其中每個視區有其對應的圖片之影像資訊。由於柱狀透鏡的週期數為T，因此每個視區均在畫素平面111上形成T個投影區域PJ1、PJ2、PJ3、...、PJT(未繪示)。

亦即，在步驟S604中，藉由柱狀透鏡120，在畫素平面111上形成各視區所對應的投影區域。由各視區在畫素平面111上的投影量(例如投影區域所覆蓋的面積)可知，各視區所對應的子畫素單元之數量。進而，依據各視區所對應的子畫素單元之數量(一個或數個)，可得知各子畫素單元之影像資訊為其對應的視區之影像資訊。

因此，在步驟S606中，依據各視區所對應的子畫素單元，獲得各視區之影像資訊。若對應的子畫素單元對應於兩個以上的視區，則將兩個視區對應的影像資訊作疊加。舉例而言，若特定的子畫素單元對應於視區VZ1、VZ2，且視區VZ1、VZ2在該子畫素單元之投影量分別為Pj1、Pj2，對應的圖片之影像資訊分別為i1、i2，則該子畫素單元之影像訊號為f×i1+g×i2，其中f、g為投影量Pj1、Pj2之函數。

最後，在步驟S608中，合成各視區之影像資訊，以顯示一立體影像畫面。

另外，本發明之實施例的影像顯示方法可以由圖1~圖5實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

從另一觀點來看，圖8A及圖8B繪示本發明一實施例之不同觀賞距離的示意圖。請參考圖8，在本實施例中，以光束覓跡原理及司乃耳定律來計算其每個視區對應的子畫素單元，進而決定各子畫素單元給予對應的視區所需之影像資訊。

觀賞者在不同位置時(例如圖8A或圖8B)，其可用遙控器或其他任何的輸入方式，調整參數P、K，直到所看到的立體影像畫面滿意為止。至於調整參數P、K的依據，例如是觀賞者利用其左眼及一確認圖樣(check pattern)進行影像調整。之後，觀賞者再利用其右眼及另一不同的確認圖樣進行影像調整，直到所看到的立體影像畫面滿意為止。

綜上所述，在本發明之範例實施例中，立體顯示器之影像顯示方法能夠針對不同的觀賞距離作顯示內容之調配，以增加使用的便利性及光學元件與顯示器之間的對位精準之誤差容忍度。。

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。

100．．．立體顯示器

110．．．液晶顯示器面板

111．．．彩色濾光層

112．．．基底面板

113．．．偏光層

114a．．．下玻璃層

114b．．．上玻璃層

116．．．有機材料層

118．．．空氣間隙

120．．．光學元件

130、VZ1、VZ2．．．視區

D、D1、D2．．．觀賞距離

O、V1~V8．．．視區之端點

W．．．視區之寬度

Wp．．．子畫素單元的寬度

p．．．柱狀透鏡的間距

P．．．參考點在x方向上之間距

PJ1、PJ2、PJ3．．．投影區域

k．．．柱狀透鏡與y方向的之夾角

K．．．第二方向與y方向之夾角

Pr、Pr1、Pr2．．．參考點

Px1．．．端點相對於參考點在畫素平面上之座標點

I1、I2．．．圖片

S600、S602、S604、S606、S608．．．影像顯示方法的步驟

圖1為本發明一實施例之立體顯示器之示意圖。

圖2為圖1之立體顯示器的結構示意圖。

圖3為圖2之立體顯示器的俯視示意圖。

圖4繪示圖1中其中一視區在畫素平面上所對應的位置資訊。

圖5A及圖5B繪示合成立體影像畫面前，各子畫素單元在不同角度的圖片中所佔的權重。

圖6為本發明一實施例之影像顯示方法的步驟流程圖。

圖7為圖1之立體顯示器的簡化示意圖。

圖8A及圖8B繪示本發明一實施例之不同觀賞距離的示意圖。

S600、S602、S604、S606、S608．．．影像顯示方法之步驟

Claims (7)

1. 一種立體顯示器之影像顯示方法，該影像顯示方法包括：提供一立體顯示器，其中該立體顯示器包括一週期性結構及一畫素平面；在空間中劃分出N個視區(view zone)；藉由該週期性結構，在該畫素平面(pixel plane)上形成各該視區所對應的投影區域，其中各該投影區域對應該畫素平面上至少一子畫素單元；依據各該視區所對應的該子畫素單元，獲得各該視區之影像資訊；依據一觀賞者與該立體顯示器之一觀賞距離調整該畫素平面的一顯示內容；比較各該子畫素單元是否對應到兩個以上之該些視區；以及合成各該視區之影像資訊，以顯示一立體影像畫面，其中，若各該子畫素單元並未對應到兩個以上之該些視區，在獲得各該視區之影像資訊的該步驟中，將各該子畫素單元之影像資訊視為對應的該視區之影像資訊，若各該子畫素單元對應到兩個以上之該些視區，在獲得各該視區之影像資訊的該步驟中，依據各該視區所對應的投影區域之投影量，將各該子畫素單元之影像資訊疊加，獲得各該視區之影像資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示方法，其中 各該視區為一維空間之線段或二維空間之平面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示方法，其中該週期性結構之週期數為T，在該畫素平面上形成各該投影區域的該步驟中，各該視區在該畫素平面上形成T個投影區域。
4. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示方法，更包括：在該週期性結構上定義多個參考點；依據各該視區與其對應的該些參考點，獲得各該視區所對應的投影區域在該畫素平面上之位置資訊；以及依據各該投影區域之位置資訊，決定各該視區所對應的該子畫素單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述之影像顯示方法，其中該些參考點以一陣列方式沿一第一方向及一第二方向排列，定義該些參考點的該步驟包括：依據該觀賞者與該立體顯示器之距離，調整該些參考點在該第一方向上之間距；以及依據該觀賞者與該立體顯示器之距離，調整該第二方向與該第一方向之夾角。
6. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示方法，其中該週期性結構包括柱狀透鏡(lenticular lens)、液晶透鏡(liquid crystal lens)、狹縫式光柵(barrier)或稜鏡(prism)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之影像顯示方法，其中該些子畫素單元包括紅色子畫素單元、綠色子畫素單元以 及藍色子畫素單元。