專利名稱：3d顯示方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于再現(xiàn)三維圖像的方法。在本發(fā)明的實(shí)施例中，三維圖像適于顯示在自動立體顯示設(shè)備上。
當(dāng)有兩眼的觀看者看物體時，每只眼睛看到稍微不同的視圖。通過稱為“立體視覺”的過程，觀看者的大腦將兩個視圖合成單個三維圖像。
傳統(tǒng)3D影院系統(tǒng)使用結(jié)合了間隔開的兩個相同透鏡的相機(jī)。此間隔可選擇為與觀看者眼睛之間的平均距離匹配，此距離定義為目間距。透鏡之間的分隔距離使得每個透鏡能夠以與看景象的觀看者相同的方式記錄左視圖和右視圖。這在左視圖和右視圖被適當(dāng)?shù)赝队皶r實(shí)現(xiàn)了逼真的3D圖像感覺。
在投影期間，通過被對準(zhǔn)以將左眼視圖和右眼視圖都投影到屏幕上的投影透鏡，左視圖和右視圖被同時投影。
為了觀察3D圖像，需要某種形式的濾光以確保觀看者的左眼只看到左視圖且觀看者的右眼只看到右眼。在傳統(tǒng)3D影院系統(tǒng)中，這通過使用包括電子液晶快門眼鏡的偏振眼鏡或頭戴式裝置而實(shí)現(xiàn)。
偏振眼鏡要求待施加于投影儀的兩個透鏡的偏振濾光器優(yōu)選地以相差90度的對準(zhǔn)。投影儀上的偏振濾光器的對準(zhǔn)與偏振眼鏡中每個透鏡的對準(zhǔn)匹配。這確保了觀看者的每只眼睛看到適當(dāng)?shù)膱D像，讓觀看者的大腦產(chǎn)生單個3D圖像。
代替疊加圖像，3D投影儀內(nèi)的兩組快門以每秒96次往復(fù)切換以將左眼圖像和右眼圖像交替地投影在屏幕上。
快門眼鏡包括獨(dú)立受控的電子液晶快門，每只眼睛一個。所述快門與投影儀同步，使得眼鏡中的左眼快門和右眼快門與投影儀快門一起交替地打開和閉合以確保觀看者的每只眼睛看到適當(dāng)?shù)膱D像，另一方面，讓觀看者的大腦產(chǎn)生單個3D圖像。
視差屏障(parallax barrier)是一種可替選技術(shù)，其不需要觀看者佩戴任何形式的濾光裝置來觀察顯示器上的3D圖像。代替地，視差屏障置于屏幕前方的一距離處，視差屏障包括至少一個窄的豎直開口、狹縫或孔。由于觀看者的目間距，視差屏障代替眼鏡提供濾光效果，使得通過孔看屏幕的觀看者將用每只眼睛看到屏幕的不同部分。
視差屏障顯示器已眾所周知了許多年。1938年授予RadioCorporation of American的美國專利號2,107,464公開了“光柵97…插入于觀看者的眼睛和熒光屏77之間，使得觀看者的右眼可看到以107指示的熒光屏的幾個區(qū)域或基本條紋，且觀看者的左眼將看到概括地以109指示的幾個區(qū)域或基本條紋”。
這突出了支持顯示3D圖像的基本原理的基礎(chǔ)。即，觀察者或觀看者的每只眼睛必須看到稍微不同的透視。使用視差屏障顯示器，觀看者的每只眼睛看到在視差屏障之后的屏幕的不同部分。這類似于觀看者怎樣可以看到前景中的在后物體，例如當(dāng)透過一組欄桿看時，觀看者可看到欄桿后的整個景象，每只眼睛看到景象的不同部分，并且大腦處理該信息以生成完整的景象。
圖2示出了此原理。具有單個孔的視差屏障1設(shè)置在顯示圖像的屏幕2的前方。觀看者的右眼3看到圖像的部分4；且觀看者的左眼5看到圖像的部分6。
因此，在屏幕前方的具有足夠小的孔寬度的視差屏障使得觀看者的每只眼睛看到屏幕的觀看區(qū)域的不同部分。屏幕的觀看區(qū)域由此劃分為分立的區(qū)，其每個由不同的眼睛觀看，因此如果在每個分立的區(qū)中示出不同的透視圖像，則觀看者將看到3D圖像。
然而，不同于傳統(tǒng)2D顯示器—觀看者看到不依賴于位置的相同圖像，當(dāng)觀察位置改變時，3D視差顯示器的觀看者將看到不同的圖像。如果所述圖像被如此地顯示以便對應(yīng)于位于不同觀看區(qū)內(nèi)的每只眼睛，其中每個圖像被選擇為景象的不同透視，則這樣的裝置將足夠作為3D顯示器。只有當(dāng)兩只眼睛都不處于觀看區(qū)之間的邊界時，此方法才為每只眼睛給出不破碎的圖像。當(dāng)觀看者改變位置時—這是很容易發(fā)生的，他或她將觀察到相鄰視圖之間的跳變或不連續(xù)。
這與真實(shí)3D景象形成對比，在真實(shí)3D景象中，當(dāng)觀察者改變其觀看位置時，看到不同角度的景象或觀察到不同的透視?？催\(yùn)動的火車的窗外的乘客可觀察到此效果；前景中的物體比背景中的物體經(jīng)過得快。這公知為運(yùn)動視差或運(yùn)動視覺(kineopsis)并且是重要的深度線索。
同樣也重要的是視網(wǎng)膜外線索，其是關(guān)于眼睛位置和運(yùn)動的信息。轉(zhuǎn)眼運(yùn)動使得兩只眼睛的小凹(fovea)指向附近的物體。小凹是具有最高濃度視錐細(xì)胞的視網(wǎng)膜部分。在沒有任何其它線索的情形下，轉(zhuǎn)眼可以為對到緊鄰目標(biāo)的距離的調(diào)整提供可靠的信息。
傳統(tǒng)視差屏障顯示器使用靜態(tài)屏障或掃描屏障。靜態(tài)屏障更普遍，并且要求屏障后的顯示屏具有高分辨率。掃描屏障具有多個可打開的孔。整組孔劃分為多個子組的孔。一子組的孔中的每個孔同時打開，并且一圖像顯示在該子組中的每個孔后。每個孔在打開時向觀看者呈現(xiàn)景象的一部分。每個子組的孔周期性地打開，使得利用視覺的持久性，觀看者觀察到景象的完整表示。掃描屏障顯示器需要具有高幀速率的顯示屏。
傳統(tǒng)視差顯示器需要切分和復(fù)合多個透視圖。這在觀察位置改變時產(chǎn)生不連續(xù)，且此外僅提供3D景象的近似。
傳統(tǒng)掃描屏障視差顯示器需要與觀看者感知流暢運(yùn)動所需的刷新速率乘以孔的組的數(shù)目的所得相等的刷新速率，其中一組中的所有孔同時打開。因此，3D顯示器所需的刷新速率是大于傳統(tǒng)2D顯示技術(shù)所需的刷新速率的一個因素，并且需要這樣的為了以高刷新速率顯示圖像而優(yōu)化的硬件。
空間復(fù)合3D顯示器使用傳統(tǒng)2D顯示器。將顯示僅2個視圖的一個系統(tǒng)作為實(shí)例來考慮。該系統(tǒng)使用具有1000像素×1000像素的原始分辨率的LCD屏幕。此系統(tǒng)在屏幕上方使用雙凸透鏡(lenticular)片，其中雙凸透鏡(即微型透鏡)具有2個像素的寬度，并且此系統(tǒng)被設(shè)置成使得每個奇數(shù)像素被透射/折射到左邊而每個偶數(shù)像素被透射/折射到右邊。因此，如果觀看者被正確地定位，則他左眼僅看到奇數(shù)像素而右眼僅看到偶數(shù)像素，并因此看到立體圖像。然而，與所感知的總分辨率等同的每只眼睛的圖像分辨率僅為500像素×500像素。
一般而言，3D視差顯示裝置將具有與2D屏幕的原始水平分辨率除以所顯示的視圖的數(shù)目的所得相等的感知水平分辨率。因此通過另一實(shí)例來說明其中每個雙凸透鏡覆蓋5個像素的5視圖系統(tǒng)針對不同的觀察位置顯示5個不同的圖像，但觀看者的每只眼睛僅感知具有200像素×200像素的分辨率的圖像。
上面的兩個實(shí)例犧牲了水平分辨率以實(shí)現(xiàn)立體圖像顯示。此折衷當(dāng)視圖數(shù)目增加時變得愈發(fā)不利，因?yàn)樨Q直分辨率變得遠(yuǎn)高于水平分辨率。對于空間復(fù)合顯示器，視圖數(shù)目與3D圖像分辨率之積等于原始顯示分辨率。
用于視差屏障系統(tǒng)和雙凸透鏡系統(tǒng)的傳統(tǒng)再現(xiàn)算法利用了僅是真實(shí)世界三維圖像的近似的圖像復(fù)合機(jī)制。這些算法基于特定方向所需的視圖；因此，為了感知3D景象的近似而不是對應(yīng)的真實(shí)3D景象的透視和光線方向，這些算法考慮觀看者應(yīng)看到什么。一種物理上更正確的改進(jìn)方法通過考慮穿過孔的光來再現(xiàn)圖像。
傳統(tǒng)再現(xiàn)方法經(jīng)常需要對有限能力的硬件實(shí)施優(yōu)化。硬件在成像帶寬—即可能在屏幕刷新速率和快門切換時間方面可以顯示多少信息—方面受到限制。硬件還在圖像處理方面、即投影和再現(xiàn)方面受到限制。典型地，圖像處理越復(fù)雜，產(chǎn)生每個圖像所花費(fèi)的時間就越長。如果圖像是一幀連續(xù)運(yùn)動圖片，則延長的圖像產(chǎn)生時間降低了幀速率。這負(fù)面地影響了由觀看者感知的連續(xù)運(yùn)動。
當(dāng)未精確地執(zhí)行傳統(tǒng)再現(xiàn)方法時，在3D圖像中經(jīng)常產(chǎn)生不連續(xù)，提供不清晰和混亂的圖像。這在3D顯示器被開發(fā)用于商業(yè)或醫(yī)療成像環(huán)境的情形下顯然是不利的。
使用設(shè)置成通過快門或雙凸鏡片以不同透視捕捉景象的多個相機(jī)位置的傳統(tǒng)方法具有如

圖1中所示的盲區(qū)9，在盲區(qū)9中部分景象未被記錄。示出具有單個孔的視差屏障1與顯示器2隔開一分隔距離。示出五個相機(jī)7a到7e在觀看者平面上。由相機(jī)7捕捉的圖像顯示在顯示器2上。每個相機(jī)7的視場受該系統(tǒng)的幾何所限制。在示出的情況下，每個相機(jī)7a到7e捕捉一部分景象8a到8e，使得所捕捉的視圖可以在視差屏障1中的孔之后并排地顯示在顯示器2上。這導(dǎo)致未被捕捉的景象區(qū)域，或盲區(qū)9。盲區(qū)9總會出現(xiàn)，除非使用無限數(shù)目的相機(jī)，這當(dāng)然是不可能的。
傳統(tǒng)方法針對一組數(shù)目的觀看位置而優(yōu)化再現(xiàn)。這意味著將在所有類型的采樣中出現(xiàn)的不連續(xù)將在從特定觀察位置看到的區(qū)域中積累。顯示器的觀察者將自由移動，所以任何不連續(xù)均勻散開是有利的。
用于視差屏障的傳統(tǒng)再現(xiàn)要求狹縫寬度和快門與顯示器之間的距離針對所需觀看距離而設(shè)定為特定值。這導(dǎo)致系統(tǒng)不靈活，其不能適應(yīng)不同位置的觀察者。此外，根據(jù)等積三角形(equal triangle)，在顯示器上看到的每個條紋將稍微比狹縫寬，條紋寬度是狹縫的v/(v-d)倍。因此，當(dāng)在狹縫后顯示的圖像包括每個有不同的透視圖的多個子條紋的組合時，則ii)對于同一狹縫，每個子條紋針對相機(jī)位置的每個跳變而平移整數(shù)數(shù)目的像素；以及iii)對于同一相機(jī)位置，每個子條紋針對從左向右移動的每個狹縫而平移整數(shù)數(shù)目的像素。
視差屏障顯示器的一個重要問題是其僅產(chǎn)生有限數(shù)目的透視圖。這在觀看者處于視圖之間時導(dǎo)致較低的深度感、跳變運(yùn)動視差和低質(zhì)量圖像。
另一重要問題是有限的視區(qū)或視角。視區(qū)是靜態(tài)的且不能容易地調(diào)整。這帶來的主要問題是多個觀看者不能以正確透視看到同一視圖。
另一問題是為了產(chǎn)生3D效果而犧牲了分辨率和/或色彩。傳統(tǒng)顯示設(shè)備僅允許光在任一時間從屏幕的有限部分發(fā)射，因此降低了顯示器被觀察到的亮度。
傳統(tǒng)時間復(fù)合自動立體顯示器由于所關(guān)聯(lián)的光學(xué)裝置而通常是龐大和笨重的。它們的相對物一空間復(fù)合顯示器，如雙凸鏡和固定的視差屏障，可使用傳統(tǒng)顯示器技術(shù)來制成平板。本發(fā)明允許平板時間復(fù)合顯示器。對于3D顯示器、空間復(fù)合系統(tǒng)和時間復(fù)合系統(tǒng)都普遍的另一問題是它們有限的視角?？蓪⒈景l(fā)明設(shè)置為使得在寬視場范圍內(nèi)提供3D。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了適于與自動立體顯示器一起使用的圖像，所述圖像包括3D景象的視圖，該圖像具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視。
優(yōu)選地，第一觀察距離是孔距離。優(yōu)選地，第二觀察距離是典型的觀看距離。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種產(chǎn)生適于與自動立體顯示器一起使用的圖像的方法，所述方法包括變換3D景象的多個3D坐標(biāo)使得該圖像具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視；以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視。
優(yōu)選地，第一觀察距離是孔距離。優(yōu)選地，第二觀察距離是典型的觀看距離。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法，該圖像數(shù)據(jù)適于與自動立體顯示器一起使用，所述方法包括將表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上以生成多個投影坐標(biāo)；對包括項(xiàng)目坐標(biāo)和投影坐標(biāo)的組中的一個進(jìn)行變換，其中所述變換取決于自動立體顯示器的幾何。
優(yōu)選地，變換的步驟設(shè)置為提供3D景象的再現(xiàn)透視圖的校正透視。
優(yōu)選地，對投影坐標(biāo)執(zhí)行所述變換，其中投影步驟在變換步驟之前。
優(yōu)選地，3D景象存儲在硬件中，并且投影步驟包括利用在觀察位置的虛擬相機(jī)形成景象的投影圖像。可替選地，3D景象存儲在硬件中，并且投影步驟包括利用在孔位置的虛擬相機(jī)形成景象的投影圖像。
可替選地，對項(xiàng)目坐標(biāo)執(zhí)行所述變換，其中投影步驟在變換步驟之后。
優(yōu)選地，投影步驟包括利用在孔位置的虛擬相機(jī)形成景象的投影圖像。
可替選地，投影步驟包括利用在觀察位置的虛擬相機(jī)形成景象的投影圖像。
優(yōu)選地，所述變換實(shí)施位于快門間距的相機(jī)，該相機(jī)具有縮放的截錐和平移的y坐標(biāo)。
優(yōu)選地，所述變換實(shí)施位于觀察距離的相機(jī)，該相機(jī)捕捉具有縮放的x坐標(biāo)的景象。
優(yōu)選地，變換步驟實(shí)施位于快門間距的相機(jī)，該相機(jī)具有非線性縮放的截錐和平移的y坐標(biāo)。
優(yōu)選地，所述變換取決于孔的幾何因素。
優(yōu)選地，孔的幾何因素包括孔寬度；圖像顯示表面與孔之間的分隔距離；以及典型的觀察距離。
優(yōu)選地，圖像數(shù)據(jù)包括圖像片段、3D景象的2D表示或關(guān)于3D景象的2D表示的信息。
優(yōu)選地，圖像數(shù)據(jù)包括一圖像，所述圖像具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種產(chǎn)生圖像片段的方法，該圖像片段適于與具有多個孔的視差屏障3D顯示器一起使用，所述方法包括將3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上；所述方法特征在于對項(xiàng)目坐標(biāo)執(zhí)行變換，該變換由視差屏障3D顯示器的孔幾何來確定。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于產(chǎn)生對應(yīng)于3D景象的圖像片段的方法，圖像片段與自動立體顯示裝置一起使用，自動立體顯示裝置設(shè)置成顯示取決于視角的顯示平面的特定區(qū)域，圖像片段為顯示在顯示平面上而產(chǎn)生，使得當(dāng)被顯示在顯示平面上時，圖像片段的特定區(qū)域被顯示，其中所顯示的圖像片段的特定區(qū)域?qū)?yīng)于3D景象的透視圖。
優(yōu)選地，對應(yīng)于3D景象的透視圖的所顯示的圖像片段的特定區(qū)域與將通過窗口觀察到的區(qū)域基本上相同。
優(yōu)選地，自動立體顯示器如此工作以便顯示取決于視角的圖像的一部分。
優(yōu)選地，所述視角是水平平面上的水平視角。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在計算機(jī)系統(tǒng)中使用的圖形處理設(shè)備，該圖形處理設(shè)備包括裝置，用于將表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上以生成多個投影坐標(biāo)；裝置，用于變換包括項(xiàng)目坐標(biāo)和投影坐標(biāo)的組中的一個，其中所述變換取決于自動立體3D顯示器的幾何。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在計算機(jī)系統(tǒng)中使用的圖形處理設(shè)備，該圖形處理設(shè)備包括投影單元，用于將表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上以生成多個投影坐標(biāo)；變換單元，用于變換包括項(xiàng)目坐標(biāo)和投影坐標(biāo)的組中的一個，其中該變換取決于自動立體3D顯示器的幾何。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在計算機(jī)系統(tǒng)中使用的圖形處理設(shè)備，該圖形處理設(shè)備包括用于產(chǎn)生表示3D景象的圖像的圖像數(shù)據(jù)的裝置，該圖像具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視。
優(yōu)選地，該圖形處理設(shè)備結(jié)合到圖形卡上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于將圖像部分顯示在顯示設(shè)備上的方法，該圖像部分對應(yīng)于根據(jù)任一上述方法產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于將圖像片段顯示在自動立體顯示設(shè)備上的方法，自動立體顯示設(shè)備包括孔陣列和成像部分，圖像片段包括3D景象的透視圖，通過將3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上并變換項(xiàng)目坐標(biāo)來針對特定孔產(chǎn)生所述透視圖；所述方法包括將圖像片段顯示在相鄰于特定孔的位置處的成像部分上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于將多個圖像片段顯示在自動立體顯示設(shè)備上的方法，所述自動立體顯示設(shè)備包括孔陣列和成像部分，每個圖像片段包括3D景象的透視圖，通過將3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)投影到投影平面上并變換項(xiàng)目坐標(biāo)來針對特定孔產(chǎn)生該透視圖；所述方法包括至少在特定孔打開時并且將圖像片段顯示在相鄰于特定孔的位置處的成像部分上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種設(shè)置成顯示圖像部分的顯示設(shè)備，該圖像部分對應(yīng)于根據(jù)任一上述方法產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種設(shè)置成顯示圖像片段的顯示設(shè)備，該顯示設(shè)備包括孔陣列和成像部分，其中圖像片段包括3D景象的透視圖，圖像片段具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視；并且該顯示設(shè)備設(shè)置成將圖像片段顯示在相鄰于特定孔的位置處的成像部分上。
優(yōu)選地，顯示設(shè)備設(shè)置成當(dāng)特定孔打開時并且在相鄰于特定孔的位置處將圖像片段顯示在相鄰于特定孔的位置處的成像部分上。
優(yōu)選地，圖像片段針對特定孔而產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種設(shè)置成顯示圖像片段的顯示設(shè)備，該顯示設(shè)備包括定向?yàn)V光裝置陣列和成像部分，其中圖像片段包括3D景象的透視圖，圖像片段具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視；并且該顯示設(shè)備設(shè)置成將圖像片段顯示在相鄰于特定定向?yàn)V光裝置的位置處的成像部分上。
優(yōu)選地，定向?yàn)V光裝置可操作為讓觀看者或檢測器看到取決于一角度的成像部分的不同區(qū)域，在所述角度觀察到每個定向?yàn)V光裝置。
優(yōu)選地，顯示設(shè)備是自動立體顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括包含數(shù)字微鏡裝置和光楔的2D顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括鐵電液晶顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括定向?yàn)V光裝置陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中定向?yàn)V光裝置陣列可操作為讓觀看者或檢測器看到取決于一角度的成像部分的不同區(qū)域，在所述角度觀察到每個定向?yàn)V光裝置；并且成像部分包括發(fā)光二極管顯示器。
優(yōu)選地，自動立體顯示設(shè)備包括視差屏障顯示器或有源視差屏障顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種自動立體顯示設(shè)備，其使用時間復(fù)合來顯示在多個孔后的多個圖像以便將3D景象呈現(xiàn)給觀察者。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；孔陣列包括多個子組的孔，每個子組的孔包括設(shè)置成同時透明的多個孔；并且當(dāng)孔透明時，圖像顯示在成像部分上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括包含下列裝置的組中的一個包括數(shù)字微鏡裝置和光楔的2D顯示器；鐵電液晶顯示器；以及發(fā)光二極管顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括2D顯示器。
優(yōu)選地，孔陣列置于成像部分的觀察側(cè)。
優(yōu)選地，成像部分包括投影設(shè)備和屏幕。優(yōu)選地，孔陣列置于屏幕的投影側(cè)。優(yōu)選地，屏幕包括豎直漫射器。優(yōu)選地，在豎直方向上所述孔設(shè)置有至少一個孔的最長尺度。優(yōu)選地，投影設(shè)備包括光楔。優(yōu)選地，投影設(shè)備包括至少一個DMD。優(yōu)選地，投影設(shè)備包括多個DMD。
優(yōu)選地，多個DMD中的每個將不同色彩投影到屏幕上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括多個數(shù)字微鏡裝置，每個數(shù)字微鏡裝置設(shè)置成再現(xiàn)不同色彩。
優(yōu)選地，每種不同色彩是紅、綠和藍(lán)中的一個。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括具有彎曲成像表面的2D顯示器。
優(yōu)選地，成像表面是屏幕。優(yōu)選地，孔陣列是平坦的。優(yōu)選地，成像表面是彎曲的，使得中央部分比兩個相對側(cè)中的任一個更遠(yuǎn)離孔陣列。優(yōu)選地，成像表面在第一方向上是彎曲的而在第二方向上是平坦的。優(yōu)選地，第一和第二方向是垂直的。優(yōu)選地，成像部分具有圓柱體的彎曲表面的一部分的形狀。優(yōu)選地，其中圓柱體的旋轉(zhuǎn)對稱軸是豎直的。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；并且成像部分包括具有彎曲成像表面的2D顯示器。
優(yōu)選地，所述圖像如上所述地設(shè)置。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種使用數(shù)學(xué)技術(shù)或處理來根據(jù)3D信息再現(xiàn)圖像的方法，其中所述圖像具有用于顯示在自動立體顯示設(shè)備上的正確透視。
本發(fā)明的實(shí)施例向觀看者提供了一種3D圖像，當(dāng)觀看者位置改變時所述3D圖像基本上沒有不連續(xù)。
本發(fā)明的實(shí)施例向觀看者提供了一種3D圖像，其具有正確的透視，從而向觀看者提供了更大的真實(shí)感，并且允許顯示可由觀看者直觀地理解的具有更大清晰度的復(fù)雜3D信息。
本發(fā)明的實(shí)施例產(chǎn)生了一種用于在自動立體顯示設(shè)備上實(shí)施的精確再現(xiàn)方法，該再現(xiàn)方法提供3D景象的清晰和精確的重建，其中所觀察到的圖像中可感知的不連續(xù)的數(shù)目減少。
本發(fā)明的實(shí)施例產(chǎn)生了一種3D圖像，其可由預(yù)定視場內(nèi)的任何位置處的觀看者觀看。
本發(fā)明的實(shí)施例產(chǎn)生了一種3D圖像，其可由多個觀看者同時觀看，每個觀看者在預(yù)定視場內(nèi)的不同位置處。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種產(chǎn)生3D景象、世界或物體的2D表示的方法。
3D景象、世界或物體優(yōu)選地由計算機(jī)存儲并表示為多個坐標(biāo)或線框模型和紋理圖。典型地，光線追蹤方法用來根據(jù)3D景象、世界或物體生成2D圖像。這是必須的，因?yàn)榈湫偷娘@示裝置如計算機(jī)監(jiān)視器和投影儀只呈現(xiàn)2D圖像。光線追蹤方法可以兩種方式表達(dá)。將“真實(shí)世界”原理應(yīng)用于3D景象，可以想象置于3D世界中的虛擬相機(jī)并想象發(fā)射到相機(jī)的來自3D世界中的每個物體的光線。相機(jī)是虛擬的，所以代替將虛擬檢測器裝置置于相機(jī)的透鏡(例如傳統(tǒng)相機(jī)的CCD)后方，我們可以將投影平面形式的檢測器置于相機(jī)前方。由與投影平面相交的光線產(chǎn)生的圖像就是3D景象、世界或物體的2D圖像。
一個更實(shí)用的解釋是，光線追蹤方法僅是由計算機(jī)執(zhí)行的一系列計算；執(zhí)行將3D景象、世界或物體轉(zhuǎn)化為2D圖像以便顯示的高度復(fù)雜的任務(wù)。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種產(chǎn)生3D景象、世界或物體的圖像的方法，給定一個虛擬相機(jī)的位置，產(chǎn)生具有不同透視的多個2D圖像，每個透視適應(yīng)于自動立體顯示設(shè)備的一部分。這是向觀看者提供水平方向上和豎直方向上的正確3D透視所必需的，使得當(dāng)實(shí)際上只有多個2D圖像顯示時觀看者的大腦被誘使感知到3D。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，執(zhí)行投影步驟或投射步驟；這也可以描述為計算投影的步驟。此計算取決于系統(tǒng)的幾何，例如觀看者可能距顯示設(shè)備有多遠(yuǎn)，或典型的觀看距離。類似地，執(zhí)行變換步驟或轉(zhuǎn)換步驟，其是計算變換的步驟，其也取決于系統(tǒng)的幾何。
一種能夠顯示三維(3D)圖像的顯示設(shè)備基于下面的原理結(jié)合光學(xué)掩模或視差屏障來使用二維(2D)顯示表面，所述光學(xué)掩?；蛞暡钇琳习ㄔ谕该骱筒煌该髦g切換的多個光學(xué)雙穩(wěn)孔。
一種再現(xiàn)方法再現(xiàn)待顯示在顯示設(shè)備上的圖像以便為使用者產(chǎn)生3D圖像。該再現(xiàn)方法特別適合于計算機(jī)生成的(例如動畫或3D游戲)或計算機(jī)處理的(例如醫(yī)療成像或地質(zhì)勘測成像)3D圖像信息。所述再現(xiàn)方法既需要生成3D景象的2D表示或透視圖的投影步驟，也需要在從一觀察距離觀察顯示器時向觀察者提供校正透視的變換步驟。
將詳細(xì)描述所述再現(xiàn)方法的兩個實(shí)施例，它們是快門平面上的相機(jī)和觀看平面上的相機(jī)。本發(fā)明不局限于這兩個實(shí)施例。
本發(fā)明的實(shí)施例的一個特征是使用在孔位置處或觀察位置處的相機(jī)來再現(xiàn)圖像。然后對與投影平面相交的光線執(zhí)行變換以補(bǔ)償失真透視。這些變換取決于視見體積中的物體位置。所變換的圖像顯示在作為3D顯示系統(tǒng)的一部分的視差顯示器的孔之后的屏幕上。
對于x坐標(biāo)，投影x坐標(biāo)(xp)被平移以補(bǔ)償不同的相機(jī)位置。此外處于孔位置的相機(jī)的視角被加寬以便捕捉處于觀察位置相機(jī)的整個截錐。
對于y坐標(biāo)，遇到與x坐標(biāo)類似的問題，即處于孔位置的相機(jī)的截錐不能捕捉處于觀察位置的相機(jī)的整個截錐。為了克服此問題，應(yīng)用了不同的方案平移y方向上的物體坐標(biāo)，并將經(jīng)平移的物體坐標(biāo)投影到投影平面上以生成最終投影坐標(biāo)。
現(xiàn)在將參考附圖通過實(shí)例描述本發(fā)明的一些實(shí)施例，在附圖中圖1圖示了傳統(tǒng)再現(xiàn)方法的一個問題；圖2圖示了支持3D視差屏障顯示器的基本原理；圖3示出了包括投影儀和具有孔陣列的屏幕的基本配置；圖4示出了包括彎曲漫射屏的可替選的基本配置；圖5示出了使用光楔的3D顯示設(shè)備。將在光離開光楔處的漫射屏上看到顯示在投影儀上的圖像；圖6示出了其中圖像和掩模利用場透鏡被放大的可替選配置。場透鏡將漫射器上的圖像聚焦到豎直漫射器上，而快門陣列將作為虛擬圖像出現(xiàn)在透鏡之后；圖7示出了投影儀，快門陣列置于投影儀與楔入口之間。
圖8示出了圖7的系統(tǒng)，在場透鏡與投影儀之間設(shè)置了附加的漫射器。
圖9示出了具有位于窗口或投影平面中心的原點(diǎn)的視圖截錐；圖10A和圖10B分別示出了圖9中所示的裝置的俯視圖和側(cè)視圖；圖11示出了具有法向?qū)ΨQ的視圖截錐的兩個相機(jī)；圖12A和圖12B示出了具有寬的視圖截錐的相機(jī)，該視圖截錐被修剪以便實(shí)現(xiàn)剪切變換；圖13A和圖13B示出了針對x＝0和y＝0平面的簡化投影模型；圖14示出了在負(fù)x方向上平移了距離e的相機(jī)；圖15示出了圖14的可替選實(shí)施例，其中相機(jī)維持在點(diǎn)(0，0，D)并且點(diǎn)(x0，y0，z0)在投影到投影平面上之前平移；圖16示出了怎樣通過虛擬孔捕捉景象。相機(jī)移動直到新的區(qū)可視為止，并將其存儲為整個景象的一部分；圖17示出了當(dāng)相機(jī)移動時投影怎樣改變；圖18示出了具有寬的視場的相機(jī)；圖19示出了平移y怎樣為已移動到立體平面前方的距離S的相機(jī)保持豎直投影；圖20示出了怎樣為位于在x方向上距z軸的距離為e的孔之后的相機(jī)計算投影；圖21示出了平移x怎樣給出正確的投影，如同相機(jī)位于距軸的距離為e的孔處一樣；圖22示出了平移x怎樣為距原點(diǎn)D的相機(jī)、為通過距軸的距離為e的孔觀看的眼睛給出正確的投影；以及圖23示出了沿x平移相機(jī)怎樣為未覆蓋整個景象的截錐給出正確的投影，但給出不正確的像素坐標(biāo)；圖24示出了距投影平面的距離為S并且從z軸偏移距離e的相機(jī)；圖25示出了如圖24中所設(shè)置的相機(jī)和投影平面，以及從投影平面看的子圖像的視圖；圖26示出了平移的物體點(diǎn)和觀察者怎樣看到該點(diǎn)；以及圖27示出了在子幀內(nèi)實(shí)施的子圖像的實(shí)例。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種三維顯示器，其包括顯示器、置于顯示器與觀看者之間的快門以及用于將在顯示器上示出的圖像與快門的位置同步使得觀看者看到三維圖像的控制電子裝置。
首先，我們將討論實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備，主要涉及所需的光學(xué)裝置和投影系統(tǒng)。其次，我們將討論怎樣為在自動立體設(shè)備上顯示而產(chǎn)生圖像，包括兩種實(shí)施本發(fā)明的方法。
三維(3D)連續(xù)運(yùn)動體驗(yàn)通過顯示運(yùn)動景象的每個幀的多個透視而產(chǎn)生，使得對于每個幀，觀看者的每只眼睛看到不同的透視圖像。這可以通過將包括多個快門的光學(xué)掩模置于觀看者與屏幕之間而實(shí)現(xiàn)。掩模的位置將通常靠近屏幕，但這取決于例如快門寬度和快門的數(shù)目等。掩模限制了屏幕的觀看區(qū)域并因此限制了觀看者的每只眼睛所能看到的。使孔足夠窄，使得觀看者的每只眼睛看到屏幕的不同區(qū)域，使得每只眼睛看到的內(nèi)容可以不同。這滿足了3D圖像顯示的關(guān)鍵條件。
膠片、全運(yùn)動視頻或甚至計算機(jī)生成的視頻都包括多個幀。幀是靜止的圖像。通過以足夠高的速度一幀接一幀地顯示，在觀看者的大腦中產(chǎn)生不閃爍的體驗(yàn)。屏幕上的一個圖像被另一圖像取代的速率是圖像刷新速率。圖像刷新速率是由屏幕顯示的每秒的幀數(shù)。
通過在屏幕上連續(xù)地顯示適當(dāng)?shù)膱D像，可以在觀察者的頭腦中產(chǎn)生連續(xù)的運(yùn)動體驗(yàn)。
在最簡單的裝置中，掩模被配置成除了一個透明孔之外是不透明的。觀看者可移動他的或她的頭，并且對于每只眼睛，將通過孔看到圖像的新的、不同的部分出現(xiàn)而其它部分消失。這意味著當(dāng)觀看者移動他的頭時，通過孔看到的圖像連續(xù)改變，讓觀看者能夠環(huán)顧被顯示的物體。然后透明孔與顯示在屏幕上的新圖像同步地被水平平移。這意味著顯示在屏幕上的每個圖像都具有對應(yīng)的孔。如果與屏幕刷新速率同步地打開孔的這個過程執(zhí)行得足夠快，則觀看者將感知到一個3D圖像，因?yàn)樗械目讓⒆鳛橐粋€大的透明孔而出現(xiàn)。該3D圖像將由許多孔組成，每個孔表示整個3D圖像的一部分。這可能導(dǎo)致圖像中的每個孔邊界處的不連續(xù)，使得觀看者將體驗(yàn)圖像自身的不連續(xù)。這些煩擾人的偽像(artifact)可利用合適的再現(xiàn)來去除。
本發(fā)明的基本原理是使可通過投影引擎或某種其它顯示器如自照明顯示器而實(shí)現(xiàn)的屏幕與包括多個光學(xué)雙穩(wěn)孔的光學(xué)掩?；蚩扉T陣列同步。例如，一種設(shè)置可包括投影到漫射屏上的、由諸如DLP技術(shù)(Texasinstruments的DMD)或FLCD(鐵電液晶顯示器)的微顯示器組成的高幀速率投影儀。然而，可以以所需幀速率顯示圖像的任何顯示器、投影或者別的方式是足夠的。例如可以使用有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)或其它自發(fā)射顯示器。所需幀速率將通常為允許通過每個孔看到的圖像無閃爍地出現(xiàn)的速率。盡管這樣的刷新速率通常大于50Hz，但也可以低到25Hz。
存在用于本發(fā)明的實(shí)施例的幾個可能的光學(xué)配置。最簡單的方法在圖3中示出，并且包括具有投影光學(xué)裝置103、漫射屏102和掩?；蚩扉T陣列101的微顯示器。投影儀103和漫射屏102裝置可通過后投影系統(tǒng)或前投影系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
為了增大關(guān)于圖3描述的顯示器的視角或可視區(qū)域，可使用彎曲漫射屏104。這樣的裝置在圖4中示出。相同的標(biāo)號指示相同的部件。快門陣列101保持為平坦的，并且垂直于投影光學(xué)裝置的光軸。在一可替選實(shí)施例中，快門陣列可以是彎曲的。彎曲漫射屏104在不實(shí)施更大的漫射屏的情況下允許寬的視角。
另一可能的設(shè)置使用光楔，該設(shè)置去除了投影光學(xué)裝置所需的物理空間，允許很緊湊的系統(tǒng)(如美國專利6608961中所公開的)。此設(shè)置在圖5中示出，并且具有將圖像投影到光楔110中的具有投影光學(xué)裝置103的投影儀，則圖像出現(xiàn)于光楔上的漫射屏111，所述光楔跟隨有在光楔的漫射屏前方一距離處的掩模101。盡管圖中未示出，具有孔的掩模101可以有利地平行于漫射屏111。
本質(zhì)上，光楔代替了傳統(tǒng)投影光學(xué)裝置，并且提供了平板顯示器，這又允許了平板3D顯示器。
一個可替選配置在圖6中示出。投影儀103將圖像投影到漫射屏102上。場透鏡105將形成在漫射屏102上的圖像聚焦到豎直漫射器、全息漫射器或其它非線性漫射元件115上?？扉T陣列101置于漫射屏102與場透鏡105之間。在此位置，快門陣列101必須足夠靠近場透鏡105，使得不通過場透鏡105形成快門陣列101的實(shí)像。場透鏡105產(chǎn)生快門陣列101的虛像是必需的?？扉T陣列101起到場闌的作用并限制投影設(shè)備的出射光瞳。
在又一可替選配置中，快門陣列101可置于場透鏡105與豎直漫射器、全息漫射器或其它非線性漫射元件115之間。豎直漫射器允許光豎直地漫射，同時保持水平信息。3D原理類似于上述原理；然而顯示器或楔的前部現(xiàn)在是漫射器而不是掩模。通過在系統(tǒng)中引入透鏡，除了較小的圖像和較小的掩模之外，實(shí)現(xiàn)了相同的結(jié)果。
為了減小圖6中所示系統(tǒng)的尺寸，可用光楔110代替場透鏡105，如圖7中所示。此系統(tǒng)包括具有投影光學(xué)裝置103的投影儀、掩?；蚩扉T陣列101以及具有豎直漫射器、全息漫射器或其它非線性漫射元件115的光楔110。然而，為了增大光錐—而這又將增大輸出視角，如圖8中所示，可以在投影光學(xué)裝置與投影儀之間放置中間漫射器。
在上述設(shè)備中，快門陣列101是具有多個鐵電液晶顯示器(FELCD)孔的FELCD。每個FELCD孔包括FELCD單元，該FELCD單元具有兩個透明電極和設(shè)置在它們之間的一層鐵電液晶?？刂苾蓚€透明電極之間的電壓以便確定設(shè)置在兩個透明電極之間的鐵電液晶的偏振狀態(tài)。FELCD孔進(jìn)一步包括置于FELCD單元前方或后方的偏振層以便使得FELCD孔根據(jù)鐵電液晶層的偏振狀態(tài)而阻擋光或使光透射。
在一可替選實(shí)施例中，快門陣列101包括機(jī)械孔裝置。在又一可替選實(shí)施例中，快門陣列101包括微電子機(jī)械(MEM)裝置。
用于自動立體顯示器的再現(xiàn)算法已被詳細(xì)地研究了數(shù)十年。已開發(fā)出復(fù)雜的方法來補(bǔ)償所有自動立體系統(tǒng)中固有的失真，如反混淆(antialiasing)、翹曲等。所有這樣的方法建立于自動立體觀看的基本再現(xiàn)原理之上，所以將首先描述立體視法的基本概念。
可以認(rèn)為3D顯示器是觀察者可通過其看到3D世界的限定區(qū)域，很象真實(shí)世界中的窗口。窗口類比適用于3D。事實(shí)上，可以認(rèn)為窗口是完美的3D顯示器，其中每個點(diǎn)可以在特定方向上發(fā)射唯一的光線。此模型對真實(shí)世界僅部分正確，因?yàn)楣獠粐?yán)格地表現(xiàn)為射線而是具有與其關(guān)聯(lián)的場曲率。然而，為了再現(xiàn)圖像，可以將光安全地視為射線，忽略波前曲率。產(chǎn)生3D顯示器的目的是重建完美的窗口。硬拷貝全息圖已經(jīng)以這樣的質(zhì)量產(chǎn)生，使得觀看者幾乎不能相信它們是3D照片而不是有形的物體。全息圖可以說是起到窗口的作用，將光線和它們的方向映射到來自被重建窗口的對應(yīng)點(diǎn)。因此，以足夠的質(zhì)量，觀看者將不能區(qū)分窗口與3D顯示器。因此，術(shù)語“立體屏幕”可與“窗口”互換，并且兩個涵義通篇使用。
通?？梢詫⒈景l(fā)明的實(shí)施例容易地應(yīng)用于計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，且特別是應(yīng)用于將3D圖像或計算機(jī)生成的世界再現(xiàn)于顯示器上。特別是在計算機(jī)游戲技術(shù)中和在用于攝影或電影的計算機(jī)生成圖像(CGI)中，這樣的再現(xiàn)被很好地精細(xì)化并繼續(xù)發(fā)展。這樣的再現(xiàn)典型地涉及將“虛擬相機(jī)”置于3D環(huán)境中并計算其可看到什么。這樣的計算通常包括將3D世界中的點(diǎn)映射到稱為投影平面的2D區(qū)域，其對應(yīng)于2D顯示器—典型地為監(jiān)視器或類似裝置。
圖9示出了從視場中的物體捕捉光線的相機(jī)11，該視場典型地為棱錐體12。棱錐體12具有矩形的截面。棱錐體12和視場延伸至無限遠(yuǎn)。坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)定義為相機(jī)的光軸13與投影平面14相交的點(diǎn)。光軸13與z軸重合，z軸的正方向朝向相機(jī)。這是計算機(jī)圖形學(xué)文獻(xiàn)中通用的記法，因此這里將使用相同或類似的坐標(biāo)系統(tǒng)和記法。
視圖截錐15定義為位于前剪裁平面與后剪裁平面之間的棱錐體12的部分。前剪裁平面17與相機(jī)之間的物體被相機(jī)所忽略；即被視為是透明的，使得在前剪裁平面的相對側(cè)的體積之中和之后的物體由相機(jī)記錄。在后剪裁平面16的遠(yuǎn)離相機(jī)的一側(cè)的體積中的物體也被相機(jī)忽略，以減少處理設(shè)備如圖形卡所需的計算量。相機(jī)看到的體積是截錐內(nèi)的體積，也可稱為視見體積。這是用來減少所需計算量的實(shí)踐限制。提供前剪裁平面17以防止一個近處的物體占用整個顯示器。前剪裁平面17設(shè)定了朝向相機(jī)的最大距離。
為了使下面的分析簡化，將前剪裁平面17與投影平面14重合。這允許我們忽略前剪裁平面17而僅將物體投影在投影平面14的一個側(cè)面上。
最后，沿y軸的豎直視角定義為z軸與截錐或棱錐體12的一個側(cè)面之間的角度；這是視場θ(theta)。沿x軸的水平視角定義為z軸與截錐或棱錐體12的一個側(cè)面之間的角度。沿x軸的視角也可由圖像或屏幕的縱橫比得出，該縱橫比為投影平面14的垂直于x＝0平面的方向上的寬度除以投影平面14的垂直于y＝0平面的方向上的高度。
圖10A在y＝0平面上示出了圖9中的圖示的俯視圖。圖10B在x＝0平面上示出了圖9中的圖示的側(cè)視圖。前剪裁平面17和投影平面14重合并且示出為與相機(jī)的距離為D。后剪裁平面示出為與相機(jī)的距離為Lfar。投影平面具有x方向上的寬度2w0和y方向上的高度2h0。物體位置(x0，y0，z0)被投影到投影平面14上，投影坐標(biāo)為(xp，yp，zp)。
對于記錄與人眼圖像相同的圖像的相機(jī)，不能簡單地繞著位于顯示平面的中心的軸旋轉(zhuǎn)。這樣的旋轉(zhuǎn)引入不期望的豎直視差并產(chǎn)生所謂梯形失真(keystone distortion)。相機(jī)必須沿著平行于顯示器的線定位，并且不能旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@將引入豎直視差和梯形失真。
正確的相機(jī)運(yùn)動是沿著直的軌跡，其中光軸恒定地垂直于窗口平面。然而，僅這樣做將不能給出正確的透視，如圖11所示。平移相機(jī)11等同于平移物體。如果通過僅平移相機(jī)捕捉到幾個這樣的圖像并將它們顯示在3D顯示器上，當(dāng)頭位置改變時觀看者會看到物體平移。顯然這是在真實(shí)世界中當(dāng)例如通過窗口看時所不會看到的，并因此是錯誤的?？赏ㄟ^考慮實(shí)際聚焦在觀看者眼睛的視網(wǎng)膜上的是什么來解答關(guān)于怎樣正確再現(xiàn)的問題。離軸相機(jī)將僅捕捉通過窗口看到的3D景象的部分。
在視網(wǎng)膜上形成的圖像是具有施加于其的剪切的透視投影。對于相機(jī)，這將等同于將平移透鏡置于相機(jī)入射光瞳的前方。剪切透鏡執(zhí)行平移并確保在膠片平面上形成的圖像被完全照亮。事實(shí)上，由于剪切透鏡的光學(xué)非傍軸特性，使用這些透鏡引入了嚴(yán)重的偏差。這些偏差嚴(yán)重地限制了這樣的方法的實(shí)用性。而且，實(shí)施剪切透鏡的機(jī)械困難是很多的。
一種為標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的方法是使用圖像剪裁。圖12A和圖12B示出了具有寬的視場的相機(jī)設(shè)置。在圖12A中，相機(jī)位于z軸上、位置21；相機(jī)具有寬的視場22，但只有被捕捉圖像的中央部分23將含有關(guān)于感興趣物的3D景象24的信息。通過從視場22剪裁去被捕捉圖像的兩側(cè)，剩余的圖像將是期望的中央3D景象24。
在圖12B中，相機(jī)偏離軸、位于位置25，相機(jī)具有相同的對稱視場22，當(dāng)然視場22的位置不同。示出相機(jī)位置21以供參考。如前所述，相機(jī)捕捉大的區(qū)，該大的區(qū)只有特定部分包含關(guān)于感興趣物的3D景象24的信息。如果我們剪裁圖像使得只有期望區(qū)26呈現(xiàn)，則結(jié)果將等價于使用剪切透鏡的結(jié)果。
此方法的確具有其局限性，因?yàn)閷τ诖蟮囊暯牵?D區(qū)變得很小。當(dāng)相機(jī)遠(yuǎn)離軸而平移時，需要大的視角來捕捉3D窗口，并因此有用的區(qū)成比例地變小。對于計算機(jī)系統(tǒng)，這不是問題，因?yàn)榭梢院唵蔚乜s放有用的區(qū)。對于真實(shí)世界捕捉的圖像，這是一個限制因素。
現(xiàn)在將使用與上面相同的記法和模型—其中相機(jī)朝負(fù)z軸看—來描述在計算機(jī)圖形系統(tǒng)中實(shí)施透視再現(xiàn)所涉及的基本數(shù)學(xué)原理。
圖13A和圖13B示出了針對x＝0和y＝0平面的簡化投影模型，其中前剪裁平面17與投影平面14重合。像素坐標(biāo)(xp，yp，zp)獨(dú)立于投影平面14的位置。圖13示出了可怎樣計算截錐中的物體點(diǎn)(x0，y0，z0)投影在投影平面14上的位置的投影坐標(biāo)(xp，yp，zp)。這等同于尋找向相機(jī)11行進(jìn)的來自點(diǎn)(x0，y0，z0)的光線與投影平面14相交的位置。投影平面14可以與前剪裁平面17在空間上分離。如果前剪裁平面17與投影平面14不重合，則投影平面14可沿著相機(jī)11與前剪裁平面17之間的棱錐體12的任何位置定位。
投影坐標(biāo)是和裝置無關(guān)的，并且在-1到1之間變化，其中0是投影平面的中心。坐標(biāo)-1和1與棱錐體12的相對側(cè)面重合。該與裝置無關(guān)的坐標(biāo)即使投影平面14沿z軸移動到不同位置時也保持恒定。僅當(dāng)以像素數(shù)目來規(guī)定窗口尺寸時，投影平面14上的點(diǎn)才映射到物理顯示裝置上的像素坐標(biāo)。
在圖9中，示出投影平面在前剪裁平面17與后剪裁平面16之間。下面將描述一實(shí)施例，其中前剪裁平面17與投影平面14空間上重合，以簡化數(shù)學(xué)處理。本發(fā)明的實(shí)施例同樣可應(yīng)用于前剪裁平面17與投影平面14不重合的情況。投影平面14是實(shí)現(xiàn)像素坐標(biāo)計算的構(gòu)造，這樣，投影平面14在系統(tǒng)內(nèi)的位置不是關(guān)鍵的。
根據(jù)圖13并使用等積三角形，xp和yp的等式如下xp=Dx0D-z0]]>yp=Dy0D-z0]]>從點(diǎn)(x0，y0，z0)行進(jìn)的光線將與投影平面14相交于投影坐標(biāo)(xp，yp，0)。3D顯示設(shè)備的屏幕2包括多個像素。該屏幕具有沿x方向上的寬度的Nw個像素和沿y方向上的高度的Nh個像素。在圖10中，投影平面或窗口尺寸以w和h來定義。因此縱橫比為
A0=NwNh]]>A0=w0h0=w0Dtan(θ2)]]>像素坐標(biāo)具有在左上角的原點(diǎn)以及如在負(fù)z方向上從相機(jī)位置11觀看的右下像素坐標(biāo)(Nw，Nh)。因此來自物體的光線與窗口相交的位置的像素坐標(biāo)(xpix，ypix)為xpix=(1+xpw0)×Nw]]>xpix=(1+x0(D-z0)A0tan(θ2))×Nw]]>ypix=(1-yph0)×Nh]]>ypix=(1-y0(D-z0)tan(θ2))×Nh]]>利用現(xiàn)在得出的將光線映射到特定像素的等式，我們將著手考察當(dāng)相機(jī)以剪切平移來平移時，這些等式怎樣改變。如上所述，剪切平移要求必須使用不對稱的截錐，其必須與原始的截錐相交于投影平面上恰好相同的坐標(biāo)-1和1。圖14示出了在負(fù)x方向上平移了距離e的相機(jī)，距離e向截錐引入了不對稱并且將原始投影的投影坐標(biāo)xp平移到xp2。使用等積三角形得到xp2-eD=X0-eD-z0]]>xp2=(x0-eD-z0)×D+e]]>因此當(dāng)利用剪切將相機(jī)平移了距離e時，新的投影坐標(biāo)是xp2。在數(shù)學(xué)上，并在忽略了照明效應(yīng)的情況下，平移相機(jī)和平移物體之間的最終結(jié)果沒有差異。最終結(jié)果為對投影坐標(biāo)的計算。
在一可替選實(shí)施例中，相機(jī)保持在點(diǎn)(0，0，D)，且點(diǎn)(x0，y0，z0)在投影到投影平面14上之前被平移，使得投影坐標(biāo)的值與上述相機(jī)被平移到(-e，0，D)時的值xp2相同。物體位置(x0，y0，z0)在投影之前被平移到(x1，y1，z0)。這在圖15中示出，從中我們看到x1=(D-z0)xp2D]]>將上面的xp2代入，得到x1=x0-ez0D]]>此等式給出為了將物體點(diǎn)平移以使得當(dāng)投影時，投影坐標(biāo)與沿x方向?qū)⑾鄼C(jī)平移e時的投影坐標(biāo)相同而所需的新的x坐標(biāo)x1。應(yīng)用此等式與距窗口的距離成比例地平移每個點(diǎn)。因此對于窗口平面上的點(diǎn)，z0＝0，并且平移操作將不引起物體位置的坐標(biāo)的改變?？衫么翱陬惐雀玫乩斫獯私Y(jié)果窗口的玻璃上的斑點(diǎn)不會隨觀察位置變化而移動。然而，我們會預(yù)期斑點(diǎn)后方(或前方)的物體與其距窗口的距離成比例地平移；如上面的平移等式所描述的那樣。
至此我們僅考慮了水平視差系統(tǒng)，并因此投影y坐標(biāo)保持與前面相同。如果我們具有完全的視差系統(tǒng)，其中無論觀看者的取向怎樣都可以觀察到3D(很象玻璃窗口)，則相同的分析將適用于y0。此外，至此所得到的分析已假設(shè)了觀看者將位于與相機(jī)相同的位置。
通常，在3D計算機(jī)圖形環(huán)境中，物體由多邊形構(gòu)建，其中多邊形的每個角稱為頂點(diǎn)(vertex)并定義為由(x，y，z)給出的空間中的位置。頂點(diǎn)存儲在頂點(diǎn)數(shù)組中，矩陣乘法允許通過頂點(diǎn)數(shù)組的簡單的變換例如旋轉(zhuǎn)或平移。然而，在上面的等式中，對于投影坐標(biāo)xp和yp的計算，存在除以z0的運(yùn)算。這是非線性函數(shù)，且不能使用秩為3的矩陣來容易地實(shí)施，因?yàn)榫仃嚦朔ㄊ蔷€性運(yùn)算。為了克服此問題并且允許透視除法，計算機(jī)圖形系統(tǒng)將列空間(range space)增加1，給出了仿射變換，其是秩為4的4×4矩陣。點(diǎn)(x，y，z)變成[x，y，z，w]其中w是常數(shù)，通常設(shè)定為1。
為了實(shí)施等式x1=x0-ez0D]]>使用矩陣記法，實(shí)施了透視矩陣[x1,y1,z1,1]=[x0,y0,z0,1]×10000100-eD0100001]]>透視矩陣將與投影矩陣相乘，投影矩陣施加于圖形管道中的模型變換和照明變換之后。
上面得出的等式忽略了在圖形處理單元的圖形管道中實(shí)施的透視投影。上面的等式是線性等式，且可以使用如在圖形處理單元中常用的矩陣代數(shù)來容易地實(shí)施。該模型假定觀看者的眼睛位置位于放置虛擬相機(jī)的位置。換言之，該模型假定3D顯示器幾何與圖形世界環(huán)境的幾何匹配。對于掃描屏障3D顯示設(shè)備，情況不是這樣。該3D顯示系統(tǒng)需要更復(fù)雜的再現(xiàn)，因?yàn)橛^看者將同時通過若干個孔觀看。
關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的視差屏障系統(tǒng)而描述的兩種公知方法是靜止屏障和掃描屏障，二者都需要切分和復(fù)合多個透視。發(fā)明人相信這是不必要的折衷。然而，在描述用于針對本發(fā)明的掃描視差屏障顯示器再現(xiàn)3D透視的新穎且合適的數(shù)學(xué)描述之前，描述這些先前的方法是有益的。將看到，這些方法不足以全面地描述窗口，因而只提供3D景象的近似。
將描述的第一種公知方法是利用復(fù)合透視的普通再現(xiàn)。這是最常用的方法，并且是至今報道得最多的。在此方法中，以如上面的普通方式捕捉多個透視，然后復(fù)合不同透視的切片，使得通過正確的孔看到每個圖像的一部分。這可以稱為切片和小片(dice)方法。
將描述的第二種公知方法是通過虛擬孔的普通再現(xiàn)方法。此方法需要通過虛擬孔捕捉圖像，并且需要高度優(yōu)化且精確的再現(xiàn)模型。此方法捕捉了如上所述的3D透視，但并非具有覆蓋整個窗口的截錐，虛擬孔將該孔或截錐限制為僅覆蓋所需的孔。然后，通過稍微移動相機(jī)，可以捕捉到通過孔觀看的景象的新的部分。
圖16圖示了虛擬孔方法。虛擬孔陣列27包括12個虛擬孔，并且與投影平面28隔開距離S。相機(jī)平面29與投影平面28隔開距離D，并且包括n個相機(jī)位置。虛擬孔陣列27的孔號6示出為打開，光線從相機(jī)位置1和相機(jī)位置n通過孔號6。虛擬孔陣列27置于距投影平面28的距離S處；處于與物理快門陣列1和屏幕2間距基本上相同的位置。此方法需要限定可允許的觀看盒，其將等于最靠外的相機(jī)位置—在此實(shí)例中為位置1和n-之間的距離。類似地，最佳的觀看距離定義為從立體平面到相機(jī)位置的距離D。
捕捉過程以虛擬孔號1的打開開始。開始于相機(jī)位置1的相機(jī)捕捉通過孔號1可視的景象的第一可視區(qū)。然后相機(jī)移動到位置2，在位置2，景象的第二可視區(qū)通過孔號1可視。景象的每個可視區(qū)優(yōu)選地包括通過窗口可視的總景象的1/Nth。重復(fù)此過程直到相機(jī)到達(dá)觀看盒的末端為止。下一步驟是復(fù)合第一到第N區(qū)。所有被捕捉的區(qū)被并排地復(fù)合以構(gòu)造針對孔號1的一個完整的復(fù)合圖像。當(dāng)與孔號1對應(yīng)的真實(shí)快門1打開時，針對孔號1的復(fù)合圖像顯示在屏幕2上。真實(shí)快門號1是孔陣列1上的尺寸和位置與虛擬孔陣列27中的虛擬孔號1的尺寸和位置對應(yīng)的快門。
對虛擬孔陣列27中的所有孔重復(fù)以上過程。如果足夠精確地執(zhí)行圖像捕捉過程，則在復(fù)合圖像中，所有被捕捉的區(qū)無縫地對準(zhǔn)。然而，在實(shí)踐中，這是難以實(shí)現(xiàn)的，并且被捕捉的區(qū)的縫通常不連續(xù)。
所需的相機(jī)位置的數(shù)目n由虛擬孔陣列中的每個孔的寬度決定?？自秸?，需要越多的相機(jī)位置，因?yàn)橥ㄟ^孔看到的區(qū)成比例的小。
上一過程中存在冗余，因?yàn)橛捎跓o新信息出現(xiàn)在立體窗口中，應(yīng)該可以使相機(jī)掃掠過觀看盒僅一次。實(shí)際上，在實(shí)踐中，對于相機(jī)位置1相機(jī)將捕捉通過孔號1到12看到的所有的區(qū)。然后相機(jī)將移動到相機(jī)位置2并再次通過孔號1到12捕捉景象。最后，當(dāng)已記錄所有相機(jī)位置時，可以將不同的區(qū)復(fù)合以為了在快門陣列1中一適當(dāng)?shù)目扉T打開的情況下的同步顯示產(chǎn)生12個復(fù)合圖像。
上述兩種方法之間的差異是細(xì)微的。事實(shí)上，在某些情形下，這兩種方法可產(chǎn)生相同的結(jié)果。然而，這些方法是考慮問題的兩種基本上不同的方式。典型地用于雙凸鏡顯示器和靜態(tài)視差屏障的第一種方法是顯示器幾何常決定復(fù)合機(jī)制情況下的直接方法。通過連同屏幕尺寸和分辨率一起規(guī)定雙凸鏡或屏障尺寸，復(fù)合準(zhǔn)備就緒。所描述的第二種方法從物理觀點(diǎn)看是更正確的。如果窗口僅通過窄孔可視，則觀看者將看到如相機(jī)所看到的景象。
上述兩種方法是折衷，且它們需要在可以進(jìn)行正確的再現(xiàn)之前獲悉若干參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，快門稱為“掃描裝置”，因?yàn)槠湓谛Ч蠏呙璨煌耐敢暋ｋm然這不類似于物理窗口，但其描述了窗口的功能。然而，更正確的是說快門起到濾光器的作用并將復(fù)雜3D景象過濾為2D景象。當(dāng)窄孔置于窗口之上時，其簡要描述穿過孔的光場。因此理想地，孔將無限小并起到針孔的作用。在此情形下，孔僅表示單個2D像素。相機(jī)僅為針孔本身，且可以因此將孔視為廣角相機(jī)。
放置相機(jī)使得相機(jī)針孔與延長孔的針孔匹配，相機(jī)捕捉通過孔窗口進(jìn)入的整個光場。這重建了通過真實(shí)窗口觀察到的光場，并且因此在本發(fā)明的實(shí)施例中應(yīng)用此原理導(dǎo)致針對掃描視差屏障顯示裝置的正確的透視再現(xiàn)。
發(fā)明人由此創(chuàng)建了使用普通相機(jī)/投影模型來對此進(jìn)行模擬的兩種方法快門平面上的相機(jī)—相機(jī)置于快門平面上，然后對被捕捉的景象執(zhí)行變換，以復(fù)制觀看距離處的豎直方向上的來自狹縫的光場；以及觀看平面上的相機(jī)—相機(jī)置于觀看平面上，然后對被捕捉的景象執(zhí)行變換以復(fù)制在快門平面處在水平方向上來自狹縫的光場。
這兩種方法都在物理上是正確的并且適合于不同的情況。
快門平面上的相機(jī)圖17示出了距立體平面距離D處的原始相機(jī)位置31和相機(jī)移動到立體平面前方距離S處的孔平面。相機(jī)位置31表示在關(guān)于虛擬孔方法的圖16中示出的相機(jī)位置1到n中之一。相機(jī)位置31處的相機(jī)具有投影截錐33。相機(jī)位置32處的相機(jī)具有投影截錐34，其使得物體位置(x0，z0)投影到點(diǎn)(xp2，0)，其對應(yīng)于從點(diǎn)(x0，z0)穿過孔的光線。如果注視孔，則會如所預(yù)期地將投影點(diǎn)感知為來自點(diǎn)(x0，z0)的光線。事實(shí)上，針對投影截錐34的投影是正確的，但坐標(biāo)系統(tǒng)需要校正。視圖截錐已改變，且邊緣-1和1不再處于在相機(jī)位置31時為-1和1的窗口邊緣。因此點(diǎn)(xp2，0)將相關(guān)于新投影截錐34，其中新邊緣1和-1不對應(yīng)于原始截錐33中的相同值。投影點(diǎn)必須相關(guān)于顯示屏幕而限定，因?yàn)檫@是其最終將顯示的地方。我們必須考慮到此坐標(biāo)平移以確保位置34處的相機(jī)的截錐尺寸等于立體窗口的尺寸。
圖18示出了位置32處的相機(jī)，其具有寬的視場和與投影平面14的點(diǎn)-1和1相交的新截錐35。視角—即截錐的y錐—保持恒定。然而，在一可替選實(shí)施例中，縱橫比不改變，且截錐在y方向上的尺寸增大。將仍需要y值的縮放。在優(yōu)選的實(shí)施例中，截錐僅沿x方向縮放并因此改變了縱橫比A=A0×DS]]>A=w0h0×DS=(w0Dtan(θ2))×DS]]>通過應(yīng)用等積三角形，我們得到下面的投影點(diǎn)(xp2，0)的等式xp2=Sx0S-z0]]>觀察者或觀看者將通常使用具有他們的眼光水平、即處于相同高度的顯示器。因此，本發(fā)明的實(shí)施例不處理豎直視差。然而，當(dāng)相機(jī)向前移動時，理想地應(yīng)保持恒定的投影y值也改變。有必要定義最佳觀看距離D。因?yàn)轱@示器僅有水平視差，所以投影y值應(yīng)保持恒定，因?yàn)檫@應(yīng)獨(dú)立于觀看位置，即物體不應(yīng)隨頭運(yùn)動而改變高度。圖19示出了此過程。本發(fā)明的實(shí)施例確保距離yp與投影平面的半寬度(即1)之比等于yp2與新投影平面的半寬度之比。為了實(shí)現(xiàn)此目的，點(diǎn)(y0，z0)必須平移到點(diǎn)(y0′，z0)。根據(jù)等積三角形y0′=(S-z0D-z0)×y0]]>其中yp2由下面的等式給出yp2=(SD-z0)×y0]]>yp2的等式在分母中有z0。此非線性項(xiàng)引起了關(guān)于在例如OpenGL管道中應(yīng)用矩陣變換的問題。仿射變換無法在僅一個頂點(diǎn)坐標(biāo)上容易地實(shí)施z除法。其將如所解釋的那樣通過x和y二者除z。(D-z0)的此新的透視除法必須僅應(yīng)用于y值，導(dǎo)致必須因此以更復(fù)雜的方式來實(shí)施的非線性函數(shù)。這將在后面討論。
根據(jù)y0得到y(tǒng)0′的等式中的上面的項(xiàng)(S-z0)/(D-z0)是縮放系數(shù)。
現(xiàn)在已針對僅沿z軸移動、y值保持恒定的相機(jī)建立了新的投影數(shù)學(xué)。圖20示出了怎樣為位于孔后方的相機(jī)計算投影，所述相機(jī)在x方向上距z軸的距離為e的位置36處。相機(jī)位置36具有新截錐37；示出舊截錐35以供參考。
如圖20中所示，投影點(diǎn)xp2的等式為
xp2-eS=x0-eS-z0]]>xp2=(x0-eS-z0)×S+e]]>假定屏幕尺寸為w且像素分辨率為Nw，投影像素坐標(biāo)xpix的等式可根據(jù)上面的以xp2定義xpix的等式得出xpix=(1+xp2w0)×Nw]]>xpix=(1+xp2A0Dtan(θ2))×Nw]]>類似地，ypix可以以yp2定義ypix=(1-yp2h′)×Nh]]>h′=SD×h0]]>ypix=(1-yp3tan(θ2)S)×Nh]]>像素坐標(biāo)等式如前所述，因?yàn)橥队捌矫妗创翱诔叽纭３趾愣?。雖然y方向上的窗口較小，但ypix的等式通過實(shí)施上述縮放系數(shù)而解決此情況。
圖21示出了平移x怎樣給出正確的投影，如同相機(jī)位于距軸的距離為e的孔處一樣。示出相機(jī)在位置32，示出截錐35和37。
x1=(S-z0S)×xp2]]>x1=x0-ez0S]]>以此方式平移物體坐標(biāo)意味著截錐不必要是大的。在無物體坐標(biāo)平移的情況下，如在圖18中示出的那樣，為了在相機(jī)從位置31前移到位置32時捕捉到整個剪裁平面，必須加寬截錐。在包含大數(shù)目多邊形的3D景象中避免此加寬是有利的，并且減小截錐尺寸顯著地減少了被處理的多邊形的數(shù)目。
最后，像素坐標(biāo)必須以x0和z0計算。通過從上面的等式代入，我們得到下面的x像素坐標(biāo)xpix的等式xpix=(1+S(x0-ez0S)(S-z0)A0Dtan(θ2))×Nw]]>類似地，對于y像素坐標(biāo)ypix，示出為ypix=(1+Sy0(D-z0)Dtan(θ2))×Nh]]>這些變換實(shí)施了位于快門間距處的具有縮放的截錐和平移的y坐標(biāo)的相機(jī)。實(shí)踐中，這些以openGL矩陣形式實(shí)施如下[x1,y1,z1,1]=[x0,y0,z0,1]×SD00001000010000110000100-eS0100001]]>應(yīng)對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，必須以正確的順序應(yīng)用這些矩陣。否則，縮放將同樣應(yīng)用于剪切項(xiàng)，這將引起不正確的透視投影。
在上面的矩陣實(shí)施中看不到透視除法。假定在管道的初始化過程中已經(jīng)設(shè)置了投影矩陣，并且上面的矩陣相乘以剪切定義了原始對稱截錐的原始投影矩陣。
觀看平面上的相機(jī)在前面的部分中，通過將相機(jī)置于孔位置并控制頂點(diǎn)坐標(biāo)以校正豎直透視來執(zhí)行再現(xiàn)變換。然而，如果有可能將相機(jī)保持在觀看距離D，但變換任何物體坐標(biāo)如同相機(jī)位于孔入口一樣，則將有可能使顯示在設(shè)備上的物體超過快門距離，即物體可顯示為具有距離S與D之間的z坐標(biāo)值(快門與觀察者之間的物體)。
圖22示出了第二種再現(xiàn)方法的原理。快門置于期望位置，并且光線從物體點(diǎn)發(fā)出通過孔。投影點(diǎn)xp將被觀看者感知為發(fā)源于點(diǎn)(x0，z0)，如圖22所示。然而，在此情形下，我們將使相機(jī)位置保持為原始位置(0，0，D)。因此x1的等式是x1=E-z0D×xp]]>使用如上面的類似分析，我們得到xp-eS=x0-eS-z0]]>xp=(x0-eS-z0)×S+e]]>x1=(1-z0D)(Sx0S-z0-SeS-z0+e)]]>注意，在上面的等式中將D替換為S表示將相機(jī)移動到孔位置。上面的x1的等式由于出現(xiàn)了x0×z0項(xiàng)而難以以矩陣記法實(shí)施。該等式是非線性的并因此不能在線性系統(tǒng)中實(shí)施。有避開此問題的方法。一種方案是寫一個攔截openGL管道并實(shí)施該等式的包裝器(wrapper)。如果有訪問代碼的權(quán)利，則還可以直接實(shí)施該等式。一種有效的方法是使用頂點(diǎn)著色器(shader)語言并在圖形卡中直接實(shí)施非線性變換。上面的分析僅覆蓋了x方向上的再現(xiàn)，因?yàn)閥再現(xiàn)遵循如上所述的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)。
與上述兩種再現(xiàn)方法都有關(guān)的是至此已假定圖像源具有無限的帶寬，即，已假定每個狹縫具有跨整個立體窗口、即從-1到1顯示的完整的對應(yīng)圖像。不幸的是，這樣的系統(tǒng)難以實(shí)施，因?yàn)楫?dāng)前的顯示裝置帶寬有限。因此在實(shí)踐中不可能制造這樣的具有高狹縫數(shù)目的3D顯示器。對于低狹縫數(shù)目和合理尺寸的屏幕，狹縫尺寸變大，這將限制可允許的深度并引起狹縫邊界處的煩擾人的不連續(xù)。一種方案是犧牲一些帶寬并以較窄的視角為代價減小狹縫寬度。這可通過考慮圖23中所示的系統(tǒng)中的遠(yuǎn)離軸的觀看者而得到最好地理解。在通過遠(yuǎn)離軸的狹縫n看的某個點(diǎn)處，他或她將最終能夠看到由相機(jī)m捕捉到的區(qū)。允許產(chǎn)生較清晰和較深的圖像的較窄狹縫的該方案是將若干子圖像置于較大顯示圖像或幀內(nèi)。圖23示出了此方法。通過沿x軸平移相機(jī)，投影保持正確，然而像素坐標(biāo)是錯誤的。如上所述，通過剪裁圖像，可以實(shí)現(xiàn)不對稱的視圖截錐，其等同于平移像素坐標(biāo)。截錐的不對稱的出現(xiàn)僅為截錐被迫恒定地與1和-1點(diǎn)相交的結(jié)果。位置n和位置m的兩個投影截錐在投影平面14上相交。在此實(shí)例中，相交點(diǎn)將是x＝-0.1。結(jié)果，兩個相機(jī)不僅覆蓋了1和-1之外的區(qū)，還覆蓋了整個立體窗口。它們一起利用了顯示器上可用的所有像素，即位置n的相機(jī)從大約-0.1到-1而位置m的相機(jī)從1到-0.1。投影點(diǎn)xpm預(yù)期為靠近原點(diǎn)。然而，從相機(jī)位置m的截錐，我們看到其靠近-1邊緣。此像素將被遠(yuǎn)離期望位置地映射，且通過平移像素而顧及此情況。下面的分析解釋了允許捕捉若干透視子圖像并將其正確地顯示在單個3D顯示幀內(nèi)的數(shù)學(xué)。
下面的分析與前面很相象，但關(guān)心的是實(shí)現(xiàn)正確的像素映射。如前面所解釋的那樣，水平和豎直分辨率(2Nw，2Nh)描述了視口的尺寸。視口分辨率將對應(yīng)于其上待顯示3D圖像的原始顯示分辨率。在先前的分析中，這是簡單的，因?yàn)槊總€狹縫具有整個對應(yīng)圖像或幀，因此每個圖像的分辨率將是(2Nw，2Nh)。然而，當(dāng)將若干子圖像置于一幀內(nèi)時，關(guān)鍵是確保使用適合于顯示分辨率的正確的視口分辨率。變量φ(phi)描述了每個子圖像的寬度，并且稱為狹縫視角。圖24示出了位于對應(yīng)于狹縫m的位置的相機(jī)，其中子圖像的寬度2w′和縱橫比A′由下面的等式給出 A′=w′h0=w′tan(θ2)×D]]>其中h0是屏幕的原始高度，其始終保持不變。因?yàn)樽訄D像的寬度w′或m處的相機(jī)的視口已知，所以可由下面的等式得到與原始顯示分辨率Nw有關(guān)的子圖像分辨率Nw′。
Nw′=w′w0×Nw=w′tan(θ2)×DA0×Nw]]>圖25示出了新的小截錐38，其中-1和1點(diǎn)分別位于a和b。相機(jī)位于位置40，與孔m一致地距z軸的距離為e并且距投影平面14的距離為S，即處于孔m的位置。針對此配置的新的小截錐38是標(biāo)準(zhǔn)的對稱截錐，并且將稱為a至b截錐38。由此a至b截錐38內(nèi)的像素坐標(biāo)xmpix的等式為xpm=S(x0-e)(S-z0)]]>xmpix=(1+xpmw′)×Nw′=]]>(1+S(x0-e)(S-z0)tan(θ2)×DA′)×Nw′]]>此等式給出a至b截錐38內(nèi)的像素坐標(biāo)。然而，對于待正確地映射于整個幀內(nèi)的像素，必須找到點(diǎn)a，由此給出子圖像41應(yīng)放置的位置的像素索引。像素坐標(biāo)apix由下面的等式給出apix=(1+e-w′w0)×Nw]]>因此整個幀的范圍內(nèi)的點(diǎn)(x0，z0)的像素坐標(biāo)xpix由下面的等式給出xpix=xmpix+apix]]>=(1+S(x0-e)(S-z0)tan(θ2)×DA′)×Nw′+(1+e-w′w0)×Nw]]>其中第一項(xiàng)表示子圖像內(nèi)的投影坐標(biāo)，最后一項(xiàng)表示整個幀內(nèi)的索引a。因此，上面的等式給出整個幀內(nèi)的像素坐標(biāo)。此結(jié)果與先前定義的像素坐標(biāo)的等式相符合，因?yàn)橥队跋袼氐奈恢脙H為孔位置的函數(shù)。實(shí)際上，通過代換，可以示出上面的xpix的等式與在上面的快門平面部分中的相機(jī)中得出的xpix的等式相一致。
不同于前面，上述分析使用對稱的截錐。雖然這可能似乎是理想的，但對于這樣的方法，在計算上沒有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椴粚ΨQ的截錐是線性的剪切，并且可以由圖形卡容易地計算。低帶寬再現(xiàn)方法是理想的原因是因?yàn)槲覀儗⒁暱谙拗频捷^低分辨率，因此計算的像素較少并因此較快地再現(xiàn)。這只不過在由于剪裁而僅有一部分圖像將用于3D透視時避免了計算完全分辨率圖像。
利用觀看平面方法中的相機(jī)，相機(jī)被置于最佳觀看距離D，但物體被平移，如同相機(jī)位于狹縫處一樣。此方法允許捕捉快門平面前方的物體。此部分將結(jié)合相同的方法，但在有限區(qū)范圍內(nèi)，再次引入子圖像的概念以提高效率，并允許用于低帶寬顯示器(可是以有限視角為代價)的深圖像。
圖26示出了與孔m一致地距z軸的距離為e并且距投影平面14的距離為D的位置43處的相機(jī)。圖26還示出了截錐39，同樣其中-1和1點(diǎn)分別位于a和b。截錐39對應(yīng)于子圖像42和位置40處的相機(jī)。根據(jù)圖26，得到點(diǎn)x0及其對應(yīng)的平移點(diǎn)x1(平移的物體坐標(biāo))的等式x1-eD-z0=xp-eD]]>x0-eS-z0=xp-eS]]>注意這里所有的值相對于原點(diǎn)而不是相對于位于e處的相機(jī)的光軸。通過代換上面的等式并求出x1x1=(1-z0D)(Sx0S-z0-SeS-z0)+e]]>此等式適用于所有x值，使得投影對應(yīng)于位于孔(位置40)處的相機(jī)。通過使用與前面相同的分析，可示出截錐39的范圍內(nèi)的像素等式由下面的等式給出xmpix=(1+S(x0-e)(S-z0)tan(θ2)×DA′)×Nw′]]>針對點(diǎn)a的分析如前所述，并由下面的等式給出因此，如所預(yù)期的，整個幀的范圍內(nèi)的像素等式xpix由xmpix+apix給出，這得到下面的等式
apix=(1+e-w′w0)×Nw]]>xpix=(1+S(x0-e)(S-z0)tan(θ2)×DA′)×Nw′+(1+e-w′w0)×Nw]]>此低帶寬或同時的多透視圖像顯示方法得到了與前面非常類似的結(jié)果。
通過說明，現(xiàn)在將描述上面的再現(xiàn)方法的初步實(shí)施。此部分將給出關(guān)于可怎樣在實(shí)踐中實(shí)施低帶寬再現(xiàn)過程的一個實(shí)例。已將該部分包括在內(nèi)以使讀者更好地理解為何這樣的方法是理想的。在該實(shí)例中使用的3D顯示器將具有下列特性·屏幕刷新速率Rf＝200Hz·狹縫數(shù)目Ns＝12將假定人眼的時間帶寬是50Hz。因?yàn)槊總€狹縫必須以此速率更新，所以系統(tǒng)可支持幀數(shù)4，即，可顯示4個不同的獨(dú)立圖像或幀，因?yàn)閹?數(shù)＝200Hz/50Hz＝4如圖27所示，3個孔被同時打開，且位于每個狹縫后的將是對應(yīng)的透視子圖像。如果每個圖像僅有一個狹縫，盡管視角是大的，但狹縫寬度將相應(yīng)的大并且產(chǎn)生不期望的效應(yīng)。在某個點(diǎn)，狹縫將變得如此大以至于不能實(shí)現(xiàn)立體視覺。
在圖27中，以不同尺寸示出獨(dú)立的截錐。與第二子圖像52和第三子圖像53相比，第一子圖像51包含較少的像素。盡管在先前部分中描述的數(shù)學(xué)方法處理了對稱的截錐，但它們可以、并在實(shí)踐中經(jīng)常是不對稱的，如圖27中所示。截錐的形狀取決于許多方面，如所需的視角、顯示尺度等。問題是確保子圖像正確地映射于整個幀內(nèi)。
申請人由此獨(dú)立地公開了這里描述的每個單獨(dú)特征以及兩個或多個這樣的特征的任意組合，所公開的程度為能夠在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的普通知識的啟發(fā)下基于本說明書的整體來執(zhí)行這樣的特征或組合，而無論這樣的特征或特征組合是否解決這里公開的任何問題，并且不對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制。申請人指示本發(fā)明的方面可包括任何這樣的單獨(dú)特征或特征組合。根據(jù)前面的描述，將對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的是，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法，所述圖像數(shù)據(jù)適于與自動立體顯示器一起使用，所述方法包括對表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的項(xiàng)目坐標(biāo)進(jìn)行處理以提供所述圖像數(shù)據(jù)，其中所述處理包括投影步驟和變換步驟，其中所述變換步驟包括計算取決于所述自動立體顯示器的幾何的變換；且所述投影步驟包括計算取決于投影平面的投影。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述變換步驟設(shè)置成提供包括所述3D景象的校正透視圖的圖像數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，當(dāng)對所述投影坐標(biāo)執(zhí)行所述變換步驟時，其中所述投影步驟在所述變換步驟之前。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，當(dāng)對所述項(xiàng)目坐標(biāo)執(zhí)行所述變換步驟時，其中所述投影步驟在所述變換步驟之后。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述3D景象存儲在硬件中，并且所述投影步驟包括利用觀察位置處的虛擬相機(jī)形成所述景象的投影圖像。
6.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述3D景象存儲在硬件中，并且所述投影步驟包括利用孔位置處的虛擬相機(jī)形成所述景象的投影圖像。
7.如權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述變換步驟實(shí)施位于快門間距處的相機(jī)，所述相機(jī)具有縮放的截錐并且捕捉具有平移的y坐標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述變換步驟實(shí)施位于觀察距離處的相機(jī)，所述相機(jī)捕捉具有平移的x坐標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述變換步驟取決于孔的幾何因素。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述孔的所述幾何因素包括孔寬度；圖像顯示表面與所述孔之間的分隔距離；以及典型的觀察距離。
11.如任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述圖像數(shù)據(jù)包括圖像片段、3D景象的2D表示或關(guān)于3D景象的2D表示的信息。
12.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述圖像數(shù)據(jù)包括一圖像，該圖像具有對應(yīng)于第一觀察距離的水平方向上的第一透視以及對應(yīng)于第二觀察距離的豎直方向上的第二透視。
13.一種產(chǎn)生表示圖像片段的圖像數(shù)據(jù)的方法，所述圖像片段適于與自動立體顯示器一起使用，所述方法包括對表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的項(xiàng)目坐標(biāo)進(jìn)行處理以提供所述圖像數(shù)據(jù)，其中所述處理包括投影步驟和變換步驟，其中所述變換步驟包括計算取決于所述自動立體顯示器的幾何的變換；且所述投影步驟包括計算取決于投影平面的投影。
14.一種產(chǎn)生表示對應(yīng)于3D景象的圖像片段的圖像數(shù)據(jù)的方法，所述圖像片段與自動立體顯示裝置一起使用，所述自動立體顯示裝置設(shè)置成顯示取決于視角的顯示平面的特定區(qū)域，所述圖像數(shù)據(jù)被如此設(shè)置，使得當(dāng)所述圖像片段顯示在所述顯示平面上時，所述圖像片段的特定區(qū)域被顯示，其中所顯示的所述圖像片段的所述特定區(qū)域?qū)?yīng)于所述3D景象的透視圖。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中對應(yīng)于所述3D景象的透視圖的所顯示的所述圖像片段的所述特定區(qū)域與將通過窗口觀察到的區(qū)域基本上相同。
16.如任一前述權(quán)利要求的方法，其中所述自動立體顯示器如此工作以便顯示取決于視角的圖像的一部分。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述視角是水平平面上的水平視角。
18.一種在具有自動立體顯示器的計算機(jī)系統(tǒng)中使用的圖形處理設(shè)備，所述圖形處理設(shè)備包括處理裝置，用于計算表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的多個項(xiàng)目坐標(biāo)到投影平面上的投影；以及處理裝置，還用于計算取決于所述自動立體3D顯示器的幾何的變換。
19.一種包括孔陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中所述孔陣列包括多個可切換的孔，所述可切換的孔可以在基本透明狀態(tài)和基本不透明狀態(tài)之間切換；以及所述成像部分包括多個數(shù)字微鏡裝置，每個數(shù)字微鏡裝置設(shè)置成再現(xiàn)不同的色彩。
20.一種包括定向?yàn)V光裝置陣列和成像部分的自動立體顯示設(shè)備，其中所述定向?yàn)V光裝置陣列可操作為讓觀看者或檢測器看到取決于一角度的所述成像部分的不同區(qū)域，在所述角度觀察到每個定向?yàn)V光裝置；以及所述成像部分包括包括以下裝置的組中的一個包括數(shù)字微鏡裝置和光楔的2D顯示器；鐵電液晶顯示器；以及有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求19或20的自動立體顯示設(shè)備，包括視差屏障顯示器或有源視差屏障顯示器。
全文摘要
一種涉及自動立體顯示器領(lǐng)域的方法和設(shè)備。所提供的方法用于產(chǎn)生適于與自動立體顯示器一起使用的圖像或圖像數(shù)據(jù)。該方法包括用于對表示3D景象中的至少一個項(xiàng)目的項(xiàng)目坐標(biāo)進(jìn)行處理以提供圖像或圖像數(shù)據(jù)的變換步驟和投影步驟。該變換步驟包括計算取決于自動立體顯示器的幾何的變換。該投影步驟包括計算取決于在該3D景象中構(gòu)造的投影平面的投影。該設(shè)備包括孔陣列和成像部分，該成像部分包括多個數(shù)字微鏡裝置。
文檔編號G06T15/20GK1977544SQ200580015092
公開日2007年6月6日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者克里斯蒂安·尼古拉·莫勒 申請人:塞特雷德股份公司