TWI502269B - 顯示三維影像之方法及裝置 - Google Patents

Description

顯示三維影像之方法及裝置

本發明係關於用於顯示三維影像之一種裝置，以及關於用於校準該裝置之一種方法。

例如在WO 01/88598 A2、WO 2005/117458 A2中揭示用於產生三維影像之方法及系統，該兩案之教示係以引用方式併入。已知的裝置包括將光束投影至一擴散螢幕上的多重光學模組，因此在適當控制下，不同色彩及強度之光束從螢幕之每一點傳播而重建三維光場。在觀看者改變她/他在三維光場中之位置時，經感知的三維影像相應地改變，藉此提供一真正三維、真實生活效果。

但是，在改變一觀看者在三維光場中之位置的程序中，取決於投影機的實體調整、螢幕之擴散角、光學缺陷、失真、幾何或色彩失準及/或投影機之間的亮度/對比度差異，觀看者(觀察者)將感知強度之一波動，即在兩個三維影像之間的轉變處將出現不均勻性，此係先前技術解決方案中的一個一般性問題。在若失準及/或差異達到某一值時，螢幕之發散角(擴散角)將被設定為太高而無法補償強度不均勻性及顯示誤差，藉此觀察者將感知由鄰近三維影像之間的串擾(即鄰近三維影像之光束重疊之處)引起之視覺雜訊。接著對於觀察者而言，經感知的影像將為模糊不清，鄰近視圖將同時存在於三維影像中且裝置將無法顯示具有清晰輪廓之影像。

此外，螢幕擴散特徵係此等系統中之一關鍵因素，且不幸的是，此高斯強度分佈在所有實際擴散器中，甚至在全像擴散螢幕中係固有的。不均勻的總強度或不期望的串擾實際上係不可避免的，因為此等為相衝突的需求；此事實強烈限制此等系統之效能。若未精細地校準該等系統，則可發生嚴重的對準、色散問題，而此等再次引起經感知影像的劣化。

本發明之一目的係提供一種消除先前技術之缺點及基於較不複雜之投影組件實現實際系統的三維光場產生裝置。本發明之另一目的係為本發明裝置提供一種有效的校準方法。

已分別藉由根據請求項1之裝置以及藉由根據請求項3之校準方法達成上文之目的。在附屬請求項中定義較佳實施例。

下文將基於藉由圖式描繪之較佳實施例描述本發明。顯示(尤其係三維顯示)之最終目標係重建來自一真實場景的可見光束，換言之，該目標係將三維光場重建為如同存在於自然景像中。光場係將三維場景考慮為自三維場景點發射或反射之光線集合的三維資訊之最一般表示。使用光束與一參考表面之交叉點及透射角，相對於該表面描述可見光束，在顯示器中該參考表面為螢幕。使用某種參 數化法將該交叉點給定為表面上之一位置，而利用某種角參數化法將方向給定為自表面法線之偏差。

相較於二維，在三維顯示時，存在一額外獨立變體：角度。在二維顯示時，當自不同方向觀看時，理想上在一像素處不存在改變，而在三維時，(來自一像素之光束的)色彩及強度值隨角度而改變。此係三維影像在原理上含有比一類似二維影像更多之資訊的背景，結果影響三維系統中所需之光學及控制配置的複雜度。

一般而言，如圖1A及圖1B中所示，二維影像係自一單一點投影至一擴散表面(具有寬擴散角δ的一螢幕)，此導致不具有角相依性之一均勻光分佈。為了獲得三維影像，必須能夠自表面之相同點產生不同強度/色彩。如圖2A及圖2B中所描繪，為了達成三維成像，可執行自多重點至具有窄擴散特徵之一表面的投影，因此可獲得具有任意角相依性之三維光場。

圖3至圖5B證實在用於產生三維光場13之本發明裝置及方法中使用的基本原理。一觀看者可感知三維光場13中之三維影像，其中觀看者在三維光場13中之位置決定感知到該等三維影像之哪一者。

根據本發明，如在圖3中可見，藉由多重投影機10將二維影像投影至一擴散螢幕12上，其中來自經投影之二維影像之每一者中之像素且由該螢幕透射或反射的光束為三維光場13中的一經感知三維影像諸點之空間位置定址，且其中三維光場13之每個二維視圖係由多重投影機10影像組成。

來自二維影像投影機10之像素的光束並不為實體上分離之螢幕點定址。擴散螢幕12具有一整體均一、光學上連續之結構，即在小於經投影之影像的像素的任何區域處，該擴散螢幕12在光學上相同。

從任何螢幕點看，擴散螢幕12具有等於或大於鄰近投影機10之光學中心11之間之最大角α的一擴散角δ。因此，擴散螢幕12執行一有限(預定)角擴散以消除由於投影機10之間之間隙所致的不均勻性，而不改變被投影至螢幕12上、其後被透射或反射之光束的主方向。因此，擴散角係相對應於投影機之配置或由投影機之配置所決定，且更特定而言從一螢幕點看時，該擴散角係由鄰近投影機之光學中心之間的角度所決定，藉此當一觀看者在三維光場13中之位置改變時，實現三維光場13中三維影像之視圖之間的平滑轉變。

離開螢幕之光束的方向大體上僅由不同螢幕點之相對位置及投影機10之光學中心的位置所決定。投影機10並不與一方向相關聯，且經投影之二維影像之每一者中的光束為執行三維光場重建之所顯示物件點的空間位置定址，且因此經投影之影像並非為最終三維影像之一個二維視圖且其不同於所顯示三維影像之任何二維視圖。

此外，所顯示三維影像及投影機10之影像的態樣及解析度可為不同。因為所得三維影像係由多重投影機10促成，所以與先前技術之解析度相反，甚至可從若干較低解析度投影機10獲得高解析度三維影像。一投影機可僅投影螢幕12之一部分，或可應用鏡子，將光束反射回至經投影之二維影像之螢幕部分而將多重光束投影至相同螢幕區域。

作為一實例，如在一僅水平視差配置的圖5A及圖5B上可見，取決於視點，三維影像之每個二維視圖來自多重投影機10，作為多個螢幕區域上之二維影像片段的一組合。觀看者總是由每一眼睛看見所顯示三維影像之不同二維視圖；該二維視圖係由不同螢幕區域上之多重二維影像組成。當在螢幕前移動時，個別視圖之間的邊界根據觀看者相對投影機10之位置而連續地改變，其中同時轉變係分佈於不同螢幕區域，因此觀看者可(從任何位置)看見用適當透視資訊投影之影像，從而向觀看者提供連續運動視差。因而，在視場中不存在可看見僅來自一單一投影機影像之光束的點，且與多視圖系統相反，在三維影像之離散視圖之間不存在邊界。

自待藉由適當演算法顯示之影像產生由投影機10投影之二維影像。此演算法可為(例如)自既有影像資料切割/產生片段及將該等片段合併成待投影之二維影像。若三維影像係將基於電腦產生之數位資料而顯示，則可藉由適當之投影機10計算及產生每一光束。

由自投影機10之像素投影的所有光束所得之三維光場13係獨立於觀看者之位置，且在三維光場13之每一點處，存在不同光束。此亦適用於一觀看者眼睛之位置的兩個不同點，從而致使能夠感知三維影像，且當觀看者改變其等在三維光場13中之位置時，可決定感知該等三維影像之哪一者，如同在自然景像中一般。

因為人眼係水平地位移且觀看者通常水平地移動，所以水平視差在收集空間資訊中比垂直視差更為重要。此實現顯著簡化以建立僅水平視差系統來作為實際實施例。

較佳地大體上在週期性、光學上等效之密集位置中水平地配置二維影像投影機10，使多重二維影像投影至螢幕12上。

如在引言中所討論，視圖之間的轉變品質係所有三維顯示器中的一般性問題。不均勻性或串擾效果之任何者令人煩惱且高度可見，其在高品質顯示中係無法接受的。另一方面，鄰近投影機10之間的角越小，可顯示越深的三維視圖。將根據以下考量來選擇(調整)通常用半峰全幅(FWHM)值定義之擴散角δ。

若擴散角δ太大，則觀看者感知到由三維影像之鄰近視圖之間的串擾(即，在鄰近二維影像因較寬之角散射而重疊的方向上)引起之視覺雜訊。因此，從任何螢幕點看，擴散螢幕12較佳地具有等於鄰近投影機10之光學中心11之間之最大角α的一擴散角δ。當考慮一給定螢幕點時，顯而易見，最大角α將為與最近兩個投影機10相關的一角。其他投影機對將被看為處在一略小角下。因此，擴散螢幕12之擴散角δ應至少等於此最大角α，以便確保不存在強度波動，即在任何觀看位置處在三維影像中無不均勻性。藉此，視覺上感知到的影像不會因具有不發光部分而有瑕疵，且觀看區域係經連續地覆蓋，即達成一連續運動視差。

在一實際實施例中，密集地堆疊投影機。術語「鄰近」理解為投影機無需實體上鄰近，若從一螢幕點看，該等投影機在光學上似乎在彼此旁邊便足夠。

圖4繪示一觀看者之一眼睛14如何感知到三維光場13中之經投影三維影像。擴散螢幕12將為觀看者之眼睛14轉送螢幕12之片段16上的相關影像。如圖5B中所示，在另一方向上，由於在後面有另一投影機10，在視野中將有另一片段。利用螢幕12之擴散，可進一步確保一光束從所有方向自每一螢幕點到達觀看者之眼睛，此容許觀看者感知角區域內之一連續影像。亦可清楚地看出，與個別觀看方向相關聯之完整視圖並非由一個投影機產生，而是由該等投影機之全部產生。此配置確保若觀看者改變位置，且他的/她的觀看點改變時，則由螢幕12傳送且為眼睛14建立影像的所感知之光束亦連續地改變。以此方式，建立一連續改變之影像。亦可看出，來自不同投影機之光束從個別螢幕點到達觀看者之右眼及左眼。此基本上意謂相同螢幕點可分別朝著不同方向(包含左眼及右眼)透射不同資訊。

亦可看出，在本發明裝置之幫助下，可同樣地顯示在螢幕12之前面及後面的物件。由裝置產生之光束完全如同其等係從待顯示之物件起始一般。在投影角範圍內之所有方向中顯示一逼真影像而不管觀看者之位置。應強調的是裝置亦在完全不存在觀看者之觀看區域中之方向中連續地投影光束。

隨著觀看者在螢幕之前面移動(連續水平視差)，他/她可看見出現/消失的細節，甚至可觀看物件的後面。陰影部及高光部如同在自然場景中般移動。在立體或多視圖三維系統中很難體驗此真實程度。視圖根據視角連續地改變。本發明系統重建三維光場，三維物件之空間位置係固定的，且當一觀看者改變其位置時該等三維物件之空間位置並不改變，如同立體下的觀看者相依視圖。換言之，該系統係與觀看者無關，無特別需要追蹤，無限數量之觀看者可同時看見螢幕且當觀看者站立於視場內之不同位置中時，可看見不同細節。該系統實現遊戲情境中引起增強動機的真實協作用途。

三維影像含有比一類似二維影像更多之資訊，因此在三維系統中，需要更多的像素或更高速度的組件。不具有此能力之系統將損及影像，諸如需要配戴眼鏡，或多視圖影像跳躍，或有限的深度能力。所描述之原理係影像組織之一平行分佈式方式。透過此方法可建立具有比習知顯示面板高出數個數量級之在100M像素範圍內的極高數量之像素的模組化系統。

圖5A及圖5B描繪一較佳實施例，在該較佳實施例中，多重投影機10係經水平配置(在圖5A，僅描繪該等投影機10中的一者)，且擴散螢幕12具有一非對稱擴散特徵。在此背景內容中非對稱意謂應將擴散角δ理解為擴散螢幕之水平擴散角，且螢幕12之垂直擴散角δ_V 係大於其水平擴散角。以此方式，可獨立於三維光場13中觀看者眼睛之高度而達成一連續水平運動視差。大的垂直發散亦有助於補償投影機10之間的垂直偏移。圖5B繪示如何為觀看者眼睛14組成經感知影像；投影機及螢幕片段上之圖案繪示哪個投影機負責哪個片段。如稍後將討論，經感知影像的精確合成需要投影機10係經校準的。

投影機投影二維(合成)影像使該等二維(合成)影像相對應於其等不同的水平位置，在所得之三維光場13中提供水平視差，而每個二維(合成)影像上之視圖相對應於相同的垂直位置，即二維影像並不含有垂直視差資訊。在此情況中，投影至二維(合成)影像之像素的光束僅為所顯示點的水平位置定址，而自所有投影機10的垂直方向上，該等光束定址於螢幕12上的相同高度，該高度係從理想的觀看者視角來看的投影至螢幕表面之點的垂直位置。換言之，在僅水平視差(HOP)系統中，光束為與三維光場相關之點的水平位置定址(僅含有HOP資訊)，垂直方向而言該等光束指向相對應於點的垂直位置在螢幕表面上之投影的相同高度。

本發明之範疇涵蓋其中眾多投影模組(尤其係視訊投影機)係週期性配置於水平方向上、使具有不同水平視差資訊之影像投影至一螢幕的所有配置。螢幕具有大的垂直擴散(幾乎如同一垂直擴散器一般)以提供大的垂直觀看角，同時消除投影機(若配置成若干列)之垂直位置之間的垂直差異，而水平擴散明顯較小以保持水平入射光束之原始方向。

圖6繪示具有一透射擴散螢幕12及呈站立組態以更密集堆疊之緊密型投影機10的本發明裝置之一較佳實施例的一示意圖。本實施例在數位促銷、陳列窗應用方面尤其有利，因為螢幕12可獨立於分離之三維投影單元(即堆疊之投影機10)而懸掛，使之易於安裝、靈活地匹配可用之空間條件。

螢幕12亦可為透明且具有部分擴散之特徵，使入射光之一部分透射而不擴散，且若應用離軸投影(例如將投影單元放置於靠近天花板上或陡峭地面對螢幕而放在地面上)，則甚至可顯著地實現三維陳列窗應用。

如已指示，因為一觀察者之兩個眼睛係在一水平面上，所以人類觀看者自然對水平視圖中之改變更敏感。重要的是應強調，根據本發明之原理可提供垂直視差資訊，但是此相較於僅水平視差(HOP)系統將需要更多的投影機排列群組且將實質上增加裝置成本。

投影機10可為任何可控制投影器件，諸如視訊投影機、資料投影機、視訊投影機光學引擎、RPTV(背面投影電視機)光學引擎、LED投影機、雷射投影機、微型投影機、奈米型投影機或微微型投影機、基於掃描器組件之投影機或基於微型顯示器(諸如DMD、LCOS、OLED或LCD)之投影機。此外，投影機10亦可基於繞射成像，該等投影機10含有實現無透鏡全像投影至螢幕的微型顯示器。即使此等投影機之解析度及亮度因其等尺寸而受損從而使該等投影機之用途被限制為獨立投影單元，但仍需強烈地增大小尺寸投影機片段。然而，本發明之多通道三維投影系統可利用此等新興類別的器件以按一具成本效益之方式來建立高像素計數、適當亮度的系統。

擴散螢幕12較佳地為一全像螢幕、一微透鏡陣列、一結構化體積擴散膜、一雙凸薄片、一復歸反射式螢幕、一折射式或繞射式擴散薄片、菲涅爾(Fresnel)透镜或其等之任一組合或由一物質之層流建立之一表面。

在圖14中描繪之一3DRPTV(背面投影電視機)中使用的一尤其較佳實施例中，螢幕12包括相對於彼此輕微旋轉而對準之一個以上擴散層。在此情況中，若兩個窄角擴散層17、17'相對於彼此旋轉，則所得之擴散角將與旋轉角成比例而變為更寬。在指定容許度內製造具有一準確角的擴散器是極其困難的，因為最終的擴散特徵係高度取決於製造參數。藉由此對準，可實現一連續可調諧擴散器以製成具有可匹配裝置投影機配置之光學需求的精確擴散的一螢幕。

如圖15A及圖15B中所描繪，較佳的是假設螢幕12具有包括一被動擴散層及一主動擴散層18(諸如一可切換LC膜)的一可控制擴散。以此方式，甚至可針對特定應用或操作條件中的改變來調整螢幕12之擴散。藉由動態地改變螢幕12之擴散角，可使顯示器最佳化以用於多種內容。螢幕擴散角係敏感參數。若該擴散角太窄，則在最終三維影像中可能出現由投影機之間之間隙引起的不均勻性，若該擴散角太寬，則其減小顯示器之深度場，但在有限深度之三維影像中，可容許一較寬擴散角。對於顯示二維影像，一全擴散螢幕12(理想上具有一180度擴散角)可增添使來自不同投影機之光束完全混合、消除最終二維影像中殘餘不均勻性的一優點。在校準程序中，以180度反射或分散光的全擴散螢幕提供更多的靈活性來實現基於二維圖案之演算法。

螢幕12較佳為透明且具有使入射光之一部分透射而不擴散的部分擴散特徵。此容許在虛擬實境或擴增實境(VR或AR)系統中使虛擬三維物件與真實場景混合的配置，但此亦為用於一陳列窗應用之一最佳配置，其中觀看者/顧客可經由透明螢幕看見亦與所顯示之三維物件組合的所展示之商品。

螢幕12較佳地進一步包括：

-　將經投影之光束最佳地朝著觀看者典型高度導向的層，諸如轉向膜、柱面菲涅爾透鏡，或

-　阻擋來自除了投影機10之方向之外的其他方向的入射光之層，該等層通常為具有黑色矩陣之雙凸透鏡陣列。在僅水平視差(HOP)系統中將光朝著觀看者典型高度導向的層並不在三維成像中起作用，因為該等層並不發生任何改變，但是水平擴散可藉由將更多光朝著觀看者導向而增加亮度，從而改良系統效率、降低電力消耗。

阻擋來自除了投影機之方向之外的其他方向的光之層亦容許在明亮的白晝環境中的更實際、開放式配置。因為螢幕可消除周圍環境光或散射光而提供類似於僅可在暗室中達成的適當對比度，所以在此等情況中不需要遮光或密閉盒式設計。

可能發生的是，以任何格式為裝置提供之三維資訊並不含有用於驅動所有投影機10所必需之所有資訊，例如在源視圖影像之間的角位移大於鄰近投影機10之間的角時。對於此情況，裝置可包括從輸入至該裝置之影像而自主地計算中間影像的一控制系統。

較佳的是，一高容量完全最佳化之並行處理三維軟體環境控制該裝置之硬體系統。該軟體環境提供用於從自標準三維模型格式起之各種三維資料，透過包裝三維應用程式，再到處置含有三維資訊、額外深度圖或多視圖視訊串流之二維影像集來顯示三維的解決方案。該軟體環境提供一簡單的方法以使寬廣範圍之三維應用程式(亦包含遊戲)即時可視化。該軟體環境管理為三維視覺產生資料的一即時、高度最佳化及分佈式呈現程序。不必以任何方式改變應用程式，三維影像之產生對於基於OpenGL之應用程式完全透明。對於Windows及Linux的32位元及64位元平台的支援確保與既有即時圖形系統之兼容性。

更佳的是，該裝置之控制系統亦包括一輸入器件(諸如一相機、IR感測器或用於輔助使觀看者位置最佳化的其他追蹤器件)以建立在三維物件上呈現具有現實遮陰之環境照明、執行紋理映射或實現與所顯示三維物件之互動的高度現實的三維影像。

精確地對準多通道光學系統是相當困難的。像素精確對準幾乎是不可能的。其將需要大量的機械及無失真光學組件，此導致極高的系統成本，此外該等組件對熱變化或機械運動係敏感的，使得此等系統實際上很難運作。在本發明之系統中，作為一實際優點，吾等使得可使用具有不同亮度、色彩平衡、明顯失真、粗略對準之機械部件的任何種類之投影機(甚至低端組件)，同時仍達成高品質、高解析度之最終三維影像。

根據本發明之原理，投影機10並不指向特定螢幕12的點。投影機10係在無特別定位下而導向至螢幕12，但是可透過一校準程序從與經投影影像中之大量像素有關的所存在之光束集束來選擇及定義一逐像素精確三維光場。

圖6繪示具有一校準器件之本發明裝置之一實施例的一示意圖。該校準器件包括：

-　至少一影像偵測器20，其用於偵測由投影機10投影至擴散螢幕12上之影像，

-　評估構件，其用於評估經偵測之影像，

-　校準資料產生構件，其用於基於評估為投影機10產生校準資料，及

-　修改構件，其用於基於各自校準資料修改投影機10之輸入資料。

在下文中，吾等描述一種用於對投影類型三維顯示系統執行校準的方法及裝置。先前技術之投影校準方法及裝置主要係關於平鋪式(tiled)二維投影配置，其中大尺寸、高解析度影像係由較多平鋪式經投影影像組成，或投影係在除了平面之外的其他者上進行。通常待解決之任務係匹配幾何配置及使亮度與(例如)多種投影機在重疊邊緣區域處的成形陰影混合。此等方法可應用於二維投影中，但是在本發明之方法及裝置中的三維投影中，所有投影機10將其等影像投影於相同螢幕12區域上。幾乎不可能使該等影像分離(尤其係投影於彼此上之黑階)，很難同時校準彼此並列之兩個或兩個以上投影機影像(此在二維中並不成問題)，且可靠地記錄投影於窄角擴散螢幕12上之影像片段是極其困難的，其中每一影像片段位置及相對亮度隨著三維光場13中之角度及影像偵測器位置而改變。為了校準多通道三維投影系統，應設定新穎方法及裝置。

影像偵測器20較佳地為一校準相機。存在兩個可行的校準配置。在多重校準相機位置之情況中，在顯示器之前面(在顯示器之作用三維光場中)進行校準。對每一相機位置之校準將對可用投影機像素之一子集產生校準資料。此配置之優點如下：

-　所有螢幕元件可用於校準─校準相機正在對真實視圖起作用，所有元件的失真將予以校準，

-　該配置可應用於任何種類之顯示器─無必要將相機整合至顯示器中，

-　可對顯示器之最大亮度進行校準。

但是，此配置之缺點為：

-　程序緩慢且並非完全自動，

-　該配置需在黑暗及受控制之環境中實現，

-　存在由於校準相機之定位引起的某種錯誤，當觀看者在螢幕前面移動時該錯誤將導致一「沖洗效應」。

或者，在一單一校準相機配置中，使所有投影機像素從一單一相機位置係可見的。在此情況中，寬擴散角螢幕12w係用作一普通的二維顯示器。此配置之優點如下：

-　無起因於校準相機位置之錯誤，

-　快速的校準程序，

-　校準係在顯示器內部，所以可在幾乎任何類環境中實現校準程序。

但是，此配置之缺點為：

-　相機應內建於顯示器中，

-　該配置可應用於適當亮度之顯示器，其中顯示器之亮度應足以照亮至一額外寬角擴散器(例如：消光白色表面)或足以從一額外寬角擴散器(例如：消光白色表面)反射且仍可在校準相機擷取之影像上看見，

-　螢幕12自身並不會使其失真影響到校準影像(因為該螢幕12被覆蓋)，所以校準並不完全補償螢幕12之失真。

存在實現單一校準相機位置配置之若干方法：

-　用一類似消光白紙之表面覆蓋擴散螢幕12。當校準相機係在顯示器之內部，或實際上在前投影三維電影配置中時，可使用此方法。

-　用另一90度旋轉非對稱擴散螢幕12覆蓋擴散螢幕12。當校準相機係在顯示器之外部時，可使用此方法。

-　用一擴散薄片(白色毛玻璃)替換螢幕12。當校準相機係在顯示器之外部且顯示器之亮度不是非常低時，可使用此方法。

在較小顯示器之情況中，在製造之後實際上僅進行一次校準，因為該等顯示器通常在機械上及電性上係穩定的，其等微小的投影機通常不易發生故障，而大型顯示器在重新定位或投影機替換之後通常必須予以校準。

圖6中之特定實施例包括配置於擴散螢幕12之與投影機10相同之側上的一單一影像偵測器20。影像偵測器20較佳地偵測由該等投影機10之每一者連續投影至擴散螢幕12上的二維測試影像圖案。

或者，校準器件可包括配置於擴散螢幕12之與投影機10相對之側上的多重影像偵測器(未繪示)。在此情況中，影像偵測器偵測由投影機10同時投影至擴散螢幕12上之影像。

校準器件之評估構件較佳地能夠建立經偵測之影像與一理論上無誤差之影像之間的一差異。評估構件、校準資料產生構件及修改構件較佳係實施為運行於裝置之控制系統中的電腦程式模組。

在校準程序中，用影像偵測器20偵測由多重投影機10投影之影像，評估經偵測之影像並且基於該評估為投影機產生校準資料。最後，基於各自校準資料修改投影機之輸入資料。較佳的是週期性執行偵測步驟、評估步驟、校準資料產生步驟及輸入資料修改步驟。

三維顯示校準量測由顯示器發射之光束的物理性質。此方法收集關於投影機10之可定址光束的方向、角度、色彩及強度值的資訊。在幾何校準期間量測方向及角性質；藉由光校準估計色彩及強度值。

使用影像偵測器(例如相機)之幾何校準程序包括以下步驟：

1.首先使用螢幕之實體邊界對準影像偵測器與顯示表面(例如校準螢幕)。亦使用該邊界以使影像偵測器(若在系統中存在一個以上影像偵測器)彼此校準。

2.接下來，在所擷取之相機影像上識別投影機像素。使用一些編碼達成該識別：

a)投影機像素座標之格雷編碼

b)像素之準隨機色彩編碼，其中每一n×m色彩區塊僅存在一個實例。此唯一性確保可在相機影像及投影機影像二者上找出每一區塊。

使用放置成一柵格之點的一影像來進一步精緻化草擬的相機-投影機像素對應性。

3.在組合先前兩個步驟之輸出的下一步驟中，計算自投影機至(校準)螢幕之映射。(若需要，亦計算其逆映射)。

4.在找出由顯示器發射之的光線在螢幕上的準確擊中點之後，使用光學模組之一數學模型估計可定址光束。

儘管由未經校準之投影機所致之誤差可忽略，但可藉由使用顯示器實體寬容度找出更準確的投影參數而進一步精緻化結果。

光校準將取決於觀看方向補償投影機之間的亮度、對比度、伽瑪非線性及色彩差異，且較佳地可按以下步驟執行程序：

1.將影像偵測器、相機定位於某一觀看方向，

2.對於所擷取之相機影像上之片段進行投影機識別及協調，

3.基於影像偵測器量測每一投影機上某些未經校準強度位準，

4.基於影像偵測器量測每一投影機上之色彩平衡，

5.計算每個投影機的最佳/所期望之強度及色彩平衡值，

6.基於所計算/所期望值與實際量測值的比較反覆調整強度及色彩平衡，及

7.對某些觀看位置重複以上步驟。

應用校準以調整多重通道相對彼此的偏離值，但同時執行整體影像幾何失真及強度/色彩均勻性的改良。不只是執行個別投影機影像參數的匹配，而且亦以此方式(通道間及通道內校準)補償投影機之固有限制(諸如中央與隅角之間的不均勻照明)。

在校準方法之一較佳實施例中，用投影機10之每一者將一個二維測試影像圖案連續地投影至覆蓋擴散螢幕12之寬角擴散螢幕12w上。該測試影像圖案實際上在擴散螢幕12w之整個顯示區域上延伸。在偵測步驟期間藉由影像偵測器20相繼地偵測所有經投影之測試影像圖案。在評估步驟中，評估以下的至少一者：該等測試影像圖案係碰巧出現於擴散螢幕12上，該等測試影像圖案具有相同亮度/對比度，該等測試影像圖案具有相同色彩。在校準資料產生步驟中，產生用於補償光學缺陷、失真、幾何或色彩失準及/或投影機10之間的亮度/對比度差異的校準資料。

實際上，一測試影像可為可易於由一圖案辨識軟體識別的一簡單交叉或類似的已知測試圖案。裝置之一控制系統指示投影機將測試影像投影至(例如)一測試柵格上的明確界定之位置。該測試柵格可實體上附接至螢幕12，或該測試柵格可能只是從相機影像計算得出。接著控制系統用影像偵測器20偵測所產生之測試影像。控制系統含有經調適用於評估經偵測之影像的一適當軟體。該軟體亦偵測經投影之測試影像的真正位置及決定該等真正位置與標稱位置之間的差異。基於此等差異，校準軟體為相關投影機產生校準資料。標稱位置係測試影像的理論上正確之投影位置。基於校準資料，控制系統將在投影位置中執行必要的修改，該控制系統將對待即時投影之影像資料執行預矯正。較佳地藉由平移投影機內之二維顯示器上的二維影像而修改投影位置，儘管亦可在機械上調整投影光學器件，但軟體解決方案較佳。可以一類似方式校正定位誤差及成像失真二者。

當因此已獲得校準資料時，控制系統修改輸入至投影機中的資料。此意謂影像資料經受一「逆失真」變換，其消除光學失真。結果，投影機將一附近無失真影像投影至螢幕。較佳的是，為每一投影機儲存校準資料。

對於視訊影像，即時利用相對應之校準資料修改投影機之輸入資料及即時將經修改之影像資料發送至投影機或發送至投影機中之二維顯示器。理論上，亦可在執行實際投影之前預先執行一視訊資料序列之校準，但此將需要儲存大量資料，且因此較不切實際。

在校準方法之一進一步較佳實施例中，在裝置之正常操作期間連續或準連續地執行偵測步驟、評估步驟、校準資料產生步驟及輸入資料修改步驟。在此背景內容中之「連續」意謂藉由偵測實際顯示之影像及實現投影機之輸入的修改而達成一連續校準以便使出現影像與無誤差影像的差異最小化。在此背景內容中之「準連續」意謂以非常短之週期間隔重複執行校準。此等校準圖案可被投影至作用螢幕區域之外(被投影至螢幕框架上之特定區段上)或在非常短之時間內閃爍，該閃爍對觀看者不可見，因而不擾亂正常顯示操作。

若裝置經校準且操作條件不改變，則可移除校準器件。可有利地使用圖6中之實施例以在陳列窗中顯示廣告三維影像。

在一較佳實施例中，校準軟體負責產生所謂之校準資料檔案。該校準資料在即時或離線呈現方法中被軟體環境用於補償所有幾何/影像失真及光/色彩失配。

圖7A及圖7B係用於在三維家庭影院中使用或用於三維顯現的一第三實施例的示意圖。校準器件之投影機10及影像偵測器20係配置於與螢幕12分離之一單一投影單元中。可將該投影單元固定至一天花板且導向至擴散螢幕12，在此實施例中，該擴散螢幕12係與具有透射螢幕之先前實施例相反的一反射式螢幕。

在前投影配置中的反射式擴散螢幕12可為復歸反射式或似鏡反射式表面。反射式螢幕自身可為一金屬化透射擴散螢幕12，或可使用前表面鏡片或復歸反射式薄片作為透射螢幕12的一反射式層。在此情況中，因為雙通路，擴散螢幕12之擴散角係設定為較窄。

當使用一鏡片作為一反射式層時，控制係相同的，但是利用一復歸反射式層時，側向相對幾何導致不同的待投影之二維影像。復歸反射式螢幕12可導致更實際之配置，因為光束朝著投影機往回反射，因此如圖8A中所見，在投影機與螢幕之間出現有用的觀看區域，此更好地匹配室內安裝。如圖8B中所見，可使用彎曲反射式螢幕來最佳化觀看區域。

當與非對稱擴散器組合時，復歸反射式表面可為易於製造為一稜鏡膜的一維復歸反射器結構。圖8C繪示一較佳的復歸反射式螢幕結構，其中非對稱擴散結構在前表面上且一金屬化稜鏡結構一維復歸反射式表面在後側中。

本發明系統的最重要實施例及應用之一係免戴眼鏡(glasses-free)的三維電影院。

圖7C描繪具有根據本發明產生之一反射三維光場的三維電影院。本發明實現一分佈式投影及三維影像產生原理。代替使用一高端(即高解析度、高流明、高成本)投影機，根據本發明之裝置可使用多重低流明、低成本投影機。代替使用一台50000美元的投影機，可使用100台500美元的投影機，此可提供更多像素及流明且可在相同價格下有利地建立具有更高效能的系統。如從上文討論可瞭解，此等三維電影院之顯著優點係不需要三維眼鏡來產生所感知的三維效果。系統可利用具有在一給定範圍內之一預定觀看位置的就座觀看者。可週期性將相同窄角三維或立體內容顯示給每一觀看者而無需組態硬體。可僅藉由改變控制而將多種格式之三維素材靈活地展示給個別固定位置的觀看者或自由移動的觀看者群組。

圖9繪示具有一彎曲螢幕12(其中投影機10係相應地配置於一同心曲線上)之本發明裝置的一類似實施例的一示意圖；該實施例係經最佳化以用於模擬及其他VR應用。可任意地在水準方向上按比例調整HOP裝置(即螢幕12之長度及投影機10之數量)。

藉由沿著螢幕12之上邊緣放置(或在一部分透明螢幕之情況中放置於螢幕12後面)之多重相機而互補的此等配置可有利地使用於遠端臨場系統中來展示遠處人物及周圍環境的高度現實之三維視圖。

圖10A及圖10B係經調適以在一PDA器件中使用之一實施例的示意圖。投影機係嵌入於PDA之外殼中且投影至可折疊透射擴散螢幕12上。圖11係在一迷你膝上型器件中使用且以相同於圖10A及圖10B中之實施例之方式發揮作用以實現投影類型三維電腦螢幕的一進一步實施例的一示意圖。圖12A及圖12B係在一攜帶式DVD播放器中使用之一實施例的示意性三維視圖及側視圖；該實施例具有一反射式擴散螢幕12。圖13A及圖13B係在一行動電話中使用以實現高解析度三維投影行動電話之一實施例的示意性側視圖及三維視圖。

可有利地將本發明裝置之此等緊密尺寸實施例使用於最先進的汽車儀表板中作為三維投影顯示器，以提供專用於駕駛員之觀看區域的高解析度三維影像。

圖16A係裝置之一緊密微微型投影機架構的一示意性橫截面圖；其中藉由一基於LED之燈31經由一分束器32實現照明。由一微型顯示器34產生待投影之二維影像。從燈31行進至微型顯示器34及從微型顯示器34向外行進之光束行進通過透鏡33兩次，藉此使該等光束之效果加倍及導致一更緊密的結構。至擴散螢幕12之聚焦係藉由投影機12之出口處的一物鏡35達成。圖16B係具有圖16A中所描繪之一內部結構的投影機的一實施例之一示意圖。

本發明並不限於所繪示及所揭示之實施例，而其他元件、改良及變動亦在本發明之範疇內。

10．．．投影機

11．．．投影機之光學中心

12．．．擴散螢幕

12w．．．寬擴散角螢幕

13．．．三維光場

14．．．觀看者之眼睛

16．．．螢幕之片段

17、17'．．．窄角擴散層

18．．．主動擴散層

20．．．影像偵測器

31．．．燈

32．．．分束器

33．．．透鏡

34．．．微型顯示器

35．．．物鏡

α．．．鄰近投影機之光學中心之間的最大角

δ．．．擴散角

δ_V ．．．垂直擴散角

圖1A、圖1B及圖2A、圖2B係本發明背後之原理的示意圖；

圖3係本發明裝置之一第一實施例的一示意圖；

圖4係描繪根據圖3之實施例的功能的一示意圖；

圖5A及圖5B係描繪根據圖3之較佳實施例之顯示機構的垂直片段的示意圖；

圖6係具有一校準器件之裝置的一較佳背投影實施例的一示意圖；

圖7A至圖7C係在三維電影院中使用之一前投影實施例的示意圖；

圖8A及圖8B係分別具有一彎曲似鏡反射式螢幕及一復歸反射式螢幕之觀看區域的示意圖；

圖8C係一較佳的復歸反射式螢幕結構；

圖9係具有一彎曲螢幕之本發明裝置的一示意圖；

圖10A及圖10B係在一PDA器件中使用之一第四實施例的示意圖；

圖11係在一迷你膝上型器件中使用之一第五實施例的一示意圖；

圖12A及圖12B係在一攜帶式DVD播放器中使用之一第六實施例的示意圖；

圖13A及圖13B係在一行動電話中使用之一第七實施例的示意圖；

圖14及圖14A係具有一較佳螢幕組態之一3DRPTV器件的示意圖；

圖15A及圖15B繪示具有一可切換式LC膜之一可控制擴散螢幕的操作；

圖16A係用於裝置之一較佳投影機的一示意性橫截面圖；及

圖16B係具有圖16A中所描繪之一內部結構之投影機的一示意圖。

10‧‧‧投影機

12‧‧‧螢幕

14‧‧‧觀看者之眼睛

Claims (8)

1. 一種用於顯示三維影像之裝置，該裝置包括一擴散螢幕(12)及將二維影像投影至該擴散螢幕(12)上之多重投影機(10)，該等二維影像一起產生一三維光場(13)，其中該等三維影像相對應於該三維光場(13)中之各自觀看者位置，該三維光場(13)之二維視圖係由多重投影機(10)促成，且該等觀看者看見不同螢幕(12)區域上之該三維影像內的多重投影機(10)影像的區段，及該擴散螢幕(12)包括一均一光學結構且從任何螢幕點看具有等於或大於鄰近投影機(10)之光學中心(11)之間之最大角(α)的一擴散角(δ)，該擴散螢幕(12)藉此執行一有限的擴散以消除由於鄰近投影機(10)之間之間隙所致的不均勻性及當一觀看者在該三維光場(13)中之位置改變時實現該三維光場(13)中之該等三維影像之間的平滑轉變，該裝置之特徵為該裝置包括從輸入至該裝置之該等影像而自主地計算中間影像的一控制系統，其中輸入影像之數量少於投影機(10)之數量，或輸入之三維資訊並不含有用於驅動所有該等投影機(10)所必需之所有資訊。
2. 如請求項1之裝置，該裝置之特徵為：該控制系統包括一輸入器件，諸如一相機、IR感測器或用於輔助使該等觀看者位置最佳化的其他追蹤器件，以建立在三維物件上呈現環境照明、執行紋理映射、陰影或實現與該等所 顯示三維物件之互動的高度現實的三維影像。
3. 如請求項1或請求項2之裝置，該裝置的特徵為：其係一攜帶式三維器件，較佳為三維行動電話、三維DVD播放器、三維遊戲設備、三維GPS設備或類似器件，該攜帶式三維器件包括：多重投影模組，較佳地包括緊密尺寸微微型投影機(10)的，其中該擴散螢幕(12)係可移動至一最佳投影位置中來顯示三維影像；容許自主操作的一控制系統及電池。
4. 一種用於校準用於顯示三維影像之一裝置的方法，該裝置包括一擴散螢幕(12)及將二維影像投影至該擴散螢幕(12)上之多重投影機(10)，該等二維影像一起產生一三維光場(13)，其中該等三維影像相對應於該三維光場(13)中之各自觀看者位置，該三維光場(13)之二維視圖係由多重投影機(10)促成，且該等觀看者看見不同螢幕(12)區域上之該三維影像內的多重投影機(10)影像的區段，及該擴散螢幕(12)包括一均一光學結構且從任何螢幕點看具有等於或大於鄰近投影機(10)之光學中心(11)之間之最大角(α)的一擴散角(δ)，該擴散螢幕(12)藉此執行一有限的擴散以消除由於鄰近投影機(10)之間之間隙所致的不均勻性及當一觀看者在該三維光場(13)中之位置改變時實現該三維光場(13)中之該等三維影像之間的平滑轉變， 該方法包括以下步驟用至少一影像偵測器(20)偵測由該多重投影機(10)投影之該等影像，評估該等經偵測之影像及基於該評估為該等投影機產生校準資料，且基於該各自校準資料修改該等投影機之輸入資料，該方法的特徵為，當該等三維影像正被顯示時，週期性執行該等偵測步驟、評估步驟、校準資料產生步驟及輸入資料修改步驟。
5. 如請求項4之方法，該方法的特徵為：用該等投影機(10)之每一者連續地將一個二維測試影像圖案投影至替換或覆蓋該螢幕(12)之一寬角擴散螢幕(12w)上，該測試影像圖案在該寬角擴散螢幕(12w)之整個顯示區域上延伸，其中在該偵測步驟期間藉由配置於該擴散螢幕(12)之與該等投影機(10)相同之側上的一單一影像偵測器(20)偵測該等經投影之測試影像圖案的所有者。
6. 如請求項5之方法，該方法之特徵為在該評估步驟中，評估以下的至少一者：該等測試影像圖案係碰巧出現於該擴散螢幕(12)上，該等測試影像圖案具有相同亮度/對比度，該等測試影像圖案具有相同色彩，及在該校準資料產生步驟中，產生用於補償光學缺陷、失真、幾何或色彩失準及/或該等投影機(10)之間的亮度/對比度差異的該校準資料。
7. 如請求項4之方法，該方法的特徵為：在該裝置之正常 操作期間連續或準連續地執行該等偵測步驟、評估步驟、校準資料產生步驟及輸入資料修改步驟。
8. 如請求項4之方法，該方法的特徵為：藉由配置於該擴散螢幕(12)之與用於前投影配置之該等投影機(10)相同之側上的多重影像偵測器偵測該等經投影之影像，或藉由配置於該擴散螢幕(12)之與用於背投影配置之該等投影機(10)相對之側上的多重影像偵測器偵測該等經投影之影像。