用于显示图像的图像显示设备和方法

专利名称：用于显示图像的图像显示设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于显示车载图像的车载图像显示设备和方法。
背景技术：
一种车载图像显示设备被称为平视显示器(HUD)。 HUD使用光学系统反 射由诸如液晶显示器(LCD)和CRT显示器的光源产生的光束，以在诸如挡 风玻璃的反射构件上形成图像，并将反射光束向观察者(驾驶员/操作员) 投射。观察者能够同时看到通过反射构件透射的背景和来自光束发生器(光 源)的光束呈现的图像，该图像叠加于背景上。
希望HUD将作为背景而观察到的周围环境与光束发生器(光源)产生 的图像匹配起来。
为了将图像显示设备应用于车载汽车导航， 一些尝试是要呈现示出了 车辆选路信息等的图像，同时图像与包括道路的背景匹配。例如， 一种这 样的尝试是一种方法，这种方法在道路拐角处改变表示选路信息的箭头形 式(参见JP-A 2006-284458)。另一种尝试是一种方法，这种方法根据车速 改变位于周围环境的空间位置的箭头尺寸(参考JP-A 2006-17626)。
在常规HUD中，来自光束发生器的光束被反射构件反射并被投射到观 察者的眼睛上，被双眼看到。在两只眼睛都观看图像时，由于双目视差的 原因，观察者感知到的图像所在位置(感知位置)与将图像作为虚像而呈 现的位置(虚像位置)是相同的。因此，难以将感知到的位置与远方空间 位置匹配。
另一方面，已经提出了单目HUD，其中来自光束发生器的光束入射到观 察者的单只眼上并被感知。在单目HUD中，图像的感知位置并未固定到虚 像位置，因为没有双目视差。因此，可以将图像定位在任何感知位置，并 可以将图像的感知位置与周围环境的空间位置匹配。
然而，当背景中存在障碍物，例如墙壁或车辆时，图像的感知位置被固定到障碍物的位置，难以将图像的感知位置定位到比障碍物更远处。如 上所述，根据障碍物的存在限制了图像的感知位置，使得难以观看图像。
专利引用1: JP-A 2006-284458 (特开) 专利引用2: JP-A 2006-17626 (特开)

发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种用于显示图像的图像显示设备和方法，所述 设备和方法即使在存在障碍物时也能够向观察者显示更容易看的图像。 技术方案
本发明的一方面在于一种图像显示设备，所述图像显示设备包括图 像产生单元，用于产生具有不同图尺寸的多个图像，从而沿着离开实际位
置的方向依次定位所述多个图像的感知位置；设置于观察者前方的反射构 件；以及投影仪，用于通过所述反射构件将用于形成多个图像的光束透射 到所述观察者的单只眼睛，使得所述多个图像叠加在通过所述反射构件观 察的背景上。
本发明的另一方面在于一种用于显示图像的方法，所述方法包括产
生具有不同图尺寸的多个图像，从而沿着离开实际位置的方向上依次定位
所述多个图像的感知位置；以及产生用于形成所述多个图像的光束，并在 观察者前方设置的反射构件上反射光束，以便将所述光束透射到所述观察 者的单只眼睛上，从而在通过所述反射构件观察的背景上叠加所述多个图 像。
根据本发明，能够提供一种用于显示图像的图像显示设备和方法，所 述设备和方法即使在存在障碍物时也能够向观察者显示更容易看的图像。


图1是示出了根据本发明实施例的图像显示设备的方框图。
图2是用于解释用双眼观看图像的范例的示意图。
图3是用于解释用单眼观看图像的范例的示意图。
图4是分别用于用单眼和双眼观看的试验图像的范例。
5图5是分别用于用单眼和双眼观看的试验图像的另一范例。
图6是示出了用单眼和双眼观看的评价结果的曲线图。
图7是示出了用单眼和双眼观看的评价结果的另一曲线图。
图8是示出了在单眼观看图像时有障碍物的范例的示意图。
图9是用于解释根据实施例显示图像的方法的示意图。
图IO是示出了根据实施例的图像显示设备的实际显示的图像。
图11是用于解释根据实施例显示图像的方法的流程图。
图12是用于解释根据本发明第一变型的图像显示方法范例的示意图。
图13是用于解释根据本发明第一变型的图像显示方法范例的另一示意
图14是用于解释根据第一变型的图像显示方法范例的另一示意图。
图15是示出了根据第二变型行驶车辆的范例的示意图。
图16是示出了根据第二变型由图像显示设备显示的范例的示意图。
图17是示出了根据第二变型行驶车辆的另一范例的示意图。
图18是示出了根据第二变型由图像显示设备显示的另一范例的示意
附图标记说明
1中央处理单元(CPU)
2存储器
3车辆传感器
4投影仪
10图像产生单元
11选路信息产生单元
12位置确定单元
13图像确定单元
14图像信号产生单元
21地图信息存储区
22车辆信息存储区
40光束发生器(光源)41投影透镜
42投影范围控制器
43投影位置控制器
44图像放大镜
45驱动单元
50反射构件(组合器)
51高反射片
具体实施例方式
将参考附图描述本发明的各实施例。要指出的是，在所有附图中为相 同或类似部分和元件使用相同或类似附图标记，并且将省略或简化相同或 类似部分和元件的描述。
通常，如描述半导体器件常规的做法，要认识到，在一幅图和另一幅 图之间，在给定一幅图之内，各图都不是按比例绘制的，尤其是层厚度， 层厚度是为了便于读图而任意绘制的。
在以下描述中，给出了众多具体细节，例如具体信号值等，以提供对 本发明的透彻理解。在其他情况下，以方框图的形式示出了公知的电路， 以便不会使本发明在不必要的细节中混淆不清。
本发明实施例中描述的"图"包括图、符号、和具有代码的字符以及 没有代码的图像。在本发明的实施例中，利用汽车导航中使用的箭头作为 附图范例给出了描述，但附图不限于此，可以使用各种图。
发明模式
作为根据本发明实施例的图像显示设备，将描述一种车载单眼HUD。根 据本发明实施例的图像显示设备包括中央处理单元(era) 1、存储器2、车 辆传感器3、投影仪4和反射构件(组合器)50。
投影仪4将形成投影图像的光束100通过反射构件50投射到观察者101 的单眼102上。投影仪4包括光束发生器(源)40、投影透镜41、投影范 围控制器42、投影位置控制器43、图像放大镜44和驱动单元45。
光束发生器40产生用于形成投影图像的光束100，所述投影图像向观
7察者(驾驶员)呈现行驶信息，例如车速、到目的地的选路信息等。光束
发生器40的范例包括液晶面板、包括微镜的数字微镜装置(DMD)面板和 发光二极管(LED)投影仪。光束发生器40包括用于投射投影图像的光源， 所述光源包括LED或高压汞灯。使用LED作为光源可以减小设备尺寸和功 耗。
投影透镜41投射由光束发生器40产生的光束100以形成投影光。投 影范围控制器42可以是透镜状屏幕或具有受控漫射角的漫射体。透镜状屏 幕例如可以在入射侧具有0.03的数值孔径(NA)，在输出侧具有0. 1的数 值孔径(NA)，但不限于此。投影范围控制器42通过控制光束100的发散 角来控制光束100的范围。优选地，将光束100的水平宽度被控制为不超 过大约6cm。这样能够将光束100仅投射到观察者101的单只眼102上，因 为两眼之间的距离平均为大约6cm。
投影位置控制器43可以是包括可旋转台和镜片的组合的可动镜片。投 影位置控制器43通过调节可动镜片的角度来控制光束100的方向，从而控 制光束100的投射位置。投影位置控制器43连接到驱动单元45。驱动单元 45可以是电动机等。驱动单元45基于来自CPU 1的控制信号驱动投影位置 控制器43。图像放大镜44可以是投影透镜等。图像放大镜44将光束100 形成的投影图像放大到期望尺寸。
反射构件50反射来自图像放大镜44的光束100。反射构件50可以是 具有受控反射率的半透明球面凹面镜，例如挡风玻璃。除了挡风玻璃之外， 反射构件50可以是具有投影透镜和挡风玻璃两者组合效果的构件、具有可 动镜片和投影透镜的效果的可动凹面镜等。通过调节凹面镜的曲率，可以 改变观察者101能够获得的图像视场。如图1所示，反射构件50可以设置 有具有比反射构件50更高反射率的高反射片51。由于反射构件50是半透 明的，因此观察者101可以通过反射构件50看到前方的地形。
在根据本发明实施例的图像显示设备中，由光束发生器40产生以形成 投影图像的光束100通过投影透镜41到达投影范围控制器42，在这里控制 光束100的投影范围。此外，可以由投影位置控制器43控制光束100的投 影位置。由图像放大镜44将光束100形成的投影图像放大到期望尺寸。之 后，光束100被反射构件50反射并入射到观察者101的眼睛上。观察者101可以看到彼此叠加的由反射构件50反射的投影图像和通过 反射构件50透射的背景。CPU 1、存储器2、光束发生器40、投影仪4等 并入车辆的仪表盘中。
如图2所示，光束100形成的投影图像中包括的图(箭头)的图像C1 被作为虚像呈现在离观察位置(实际位置)P0距离L1的位置(虚像位置) Pl处。在来自投影仪4的光束100入射到两眼的情况下，由于双目视差的 原因，观察者101感知到的图像Cl的位置(感知位置)基本与虚像位置Pl 重合。因此，难以感知到图像C1位于空间位置P2处，位置P2离观察位置 P0距离L2，比虚像位置Pl离观察者101更远，使图像C1与背景匹配。
另一方面，利用根据本发明实施例的图像显示设备，如图3所示，来 自投影仪4的光束100入射到单眼102上。这消除了双目视差效应，从而 不会将图像Cl的感知位置固定到虚像位置Pl，而是可以定位在任何空间位 置处。因此可以感知到图像Cl位于希望图像Cl匹配的空间位置P2处。
在这里，可以通过观察者的主观来评估图像的感知位置。利用试验图 像进行了比较单眼观察和双眼观察的试验。在用单眼和双眼观看时，观察 者观察作为正常图像的棋盘式网格图案。另一方面，观察者用其单只眼和 双眼观察以下图像如图4所示的图像，其包括分别位于离观察位置近 (2.5m)和远(5m)的不同位置处的水平条形图案和竖直条形图案，以及 如图5所示的图像，其包括分别离观察位置近(2.5m)和远(5m)的不同 位置的右上条形图案和右下条形图案。观察者然后通过其主观评价是否以 上图像被感知为作为正常图像的相同平面上的单个图案。如下进行评价-当把试验图像评价为"非常好"时(观察到试验图像处于同一平面上，比 正常图像好得多)主观评价值为二 (2);当评价为"好"时(观察到试验 图像处于同一平面上，比正常图像好)，为一(l);当评价为"相同"时(试 验图像与正常图像相同)，为零(0);当评价为"差"时(与正常图像相比， 观察到试验图像的图像处于稍有不同的平面上)，为负一 (-1);当评价为 "非常差"时(与正常图像相比，观察到试验图像的图像处于完全不同的 平面上)，为负二 (-2)。
图6和7分别示出了图4和5中所示的试验图像的评价结果。图6和7 表明，利用双眼观察，感知到图案位于不同平面上，但利用单眼观察，感知到同一平面上的单个图像。
这里，如图8所示，在诸如墙壁或车辆的障碍物104位于离背景上观 察点距离L3的位置P3时，图像Cl的感知位置受到障碍物104的限制，难 以感知到图像Cl位于比障碍物104离观察者的位置P3更远的位置处。
图1中所示的车辆传感器3放置于车辆等前部，获取包括车辆速度和 行驶方向以及前方障碍物的存在的车辆信息。车辆传感器3可以是摄像机、 雷达系统等。CPU 1逻辑上包括图像产生单元10;以及作为模块(逻辑 电路)和硬件资源的图像信号产生单元14。图像产生单元10产生多个不同 图尺寸的图像，使得图像的感知位置在远离观察者位置的方向上是不同的。 图像信号产生单元14产生对应于图像产生单元10产生的输出图像的图像 信号。
图像产生单元10包括选路信息产生单元11、位置确定单元12和图像 确定单元13。选路信息产生单元11从地图信息存储器21读出地图信息， 并识别最终目的地，以产生对应于最终目的地的选路信息。
位置确定单元12从选路信息产生单元11产生的选路信息识别当前位 置，并基于选路信息和当前位置确定要为目前的观察者101指引的临时目 的地。位置确定单元12基于临时目的地确定多个图像中最后图像所在的终 止位置(感知位置)P13是如图9所示沿深度方向上离观察位置P10距离 L13的位置。
位置确定单元12从车辆信息存储区22读出车辆信息，并提取车辆的 速度和行驶方向。位置确定单元12然后基于车辆速度和行驶方向以及当前 位置将多个图像中起始图像所处的起始位置(感知位置)Pll设置成位于在 深度方向上离观察点P10距离Lll的位置。
位置确定单元12将多个图像中连接终止和起始图像的图像的路径位置 P12设置到起始和终止位置Pll和P13之间沿深度方向离观察点P10距离 L12的位置。
如图9所示，图像确定单元13从起始(开始)位置Pll到终止(结束) 位置P13确定依次变小的图尺寸不同的图像，这是由位置确定单元12确定 的，例如，分别为位于起始位置、路径位置和终止位置Pll、 P12和P13的 图像Cll、 C12和C13。此外，图像确定单元13产生包括所确定图像C11、
10C12和C13的输出图像。
图像信号产生单元14基于由图像产生单元10产生的输出图像来输出图像信号。光束发生器40基于图像信号产生用于形成投影图像的光束100。由投影仪4将产生的光束100投射到观察者101的单只眼102上。
如图9所示，当把图像Cll、 C12和C13设计成从起始(开始)位置Pll到终止(结束)位置P13具有递减的不同尺寸时，观察者101感知到小于图像Cll的图像C12和C13位于比图像C11更远处。具体而言，尽管将多个图像Cll、 C12和C13固定在起始位置(虚像位置)Pll，但小图像C12和C13的感知位置P12和P13逐一从起始位置Pll开始远离，而大图像Cll被感知为处于起始位置Pll。通过呈现图尺寸以所述方式依次不同而产生的图像Cll、 C12和C13，观察者能够感知到图像Cll、 C12和C13依次沿深度方向移动，而不受障碍物104存在的限制。图10示出了这样的范例在前方存在障碍物104 (车辆)的情况下，利用根据本发明实施例的图像显示设备呈现图像Cll 、 C12和C13。
图1中所示的存储器2包括用于事先存储地图信息的地图信息存储
区21;以及用于存储车辆传感器3不断获取的车辆信息的车辆信息存储区
22。可以将半导体存储器、磁盘、光盘、磁光盘、磁带等用于存储器2。对于半导体存储器而言，可以使用只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。ROM存储由CPU 1执行的程序(稍后介绍程序的细节)。RAM充当用于存储CPU 1执行程序期间使用的数据的临时数据存储器并被用作工作区域。
接下来，参考图11的流程图对根据本发明实施例的图像显示方法范例给出了描述。
在步骤S101中，选路信息产生单元11从地图信息存储区21中读出地图信息并识别最终目的地。在步骤S102中，选路信息产生单元11产生对应于最终目的地的选路信息。
在步骤S103中，位置确定单元12从选路信息产生单元11产生的选路信息识别出当前位置。在步骤S104中，位置确定单元12然后从选路信息和当前位置确定当前要为观察者101指引的临时目的地。
在步骤S105中，位置确定单元12从临时目的地确定如图9所示的多个图像中的终止图像要位于的终止位置P13。
ii在步骤S106中，位置确定单元12从车辆信息存储区22读出车辆信息，并提取车辆的速度和行驶方向。在步骤S107中，位置确定单元12然后从车辆速度和行驶方向以及当前位置确定起始图像要位于的起始位置Pll。位置确定单元12然后在起始和终止位置Pll和P13之间确定图像要位于的路径位置P12。
在步骤S108中，图像确定单元13确定从如图9所示由位置确定单元12确定的起始位置Pll到终止位置P13依次产生的具有不同图尺寸的起始位置Pll处的图像Cll、路径位置P12处的图像C12和终止位置P13处的图像C13。在步骤S109中，图像确定单元13产生包括所确定的图像C11、 C12和C13的输出图像。
在步骤S110中，图像信号产生单元14基于图像产生单元10产生的输出图像来输出图像信号。光束发生器40基于图像信号产生形成投影图像的光束100。由投影仪4将产生的光束100投射到观察者101的单只眼102上。
根据本发明实施例的图像显示设备和图像显示方法，通过呈现依次以不同图尺寸产生的图像Cll、 C12和C13，即使在存在通过反射构件50观察的背景中存在障碍物104的情况下，也可以由人的视场将图像Cll、 C12和C13的感知位置Pll、 P12和P13定位在障碍物104之外。这样就能够为观察者呈现更容易观看的具有感觉深度的图像。
通过利用具有等价于图11的算法的程序来控制图1中所示的图像显示设备，从而可以执行图11中所示的系列步骤。这些步骤是产生图尺寸依次不同的图像Cll、 C12和C13,使得观察者101看到的多个图像C11、 C12和C13的感知位置Pll、 P12和P13依次位于离开观察者101的位置P10的方向上；产生形成输出图像的光束，并在反射构件50上反射光束100，反射构件50用于将其投射到观察者101的单眼上，使得图像被叠加在通过设置于观察者101前方的反射构件50观察的背景上。
可以将程序存储在根据本发明实施例的图像显示设备的存储器2中。可以将程序存储在计算机可读存储介质中。可以通过从计算机可读存储介质向数据存储器2读取程序来执行根据本发明实施例的方法流程。
在这里，"计算机可读存储介质"表示能够存储程序的任何介质，包括用于计算机的例如外部存储单元、半导体存储器、磁盘、光盘、磁光盘、
12磁带等。更具体而言，"计算机可读存储介质"包括软盘、CD-R0M、 M0盘、盒式磁带、盘式磁带等。例如，可以配置图像显示设备的主体以结合软盘驱动器和光盘驱动器，或从外部连接到其上。从插槽向软盘驱动器中插入软盘，从插槽向光盘驱动器中插入CD-R0M，然后执行给定的读出操作，由此就能够在存储器2上安装这些存储介质中存储的程序了。此外，通过将给定驱动器连接到图像显示设备，例如，还能够将ROM用作用于游戏包等的存储单元，将盒式磁带用作磁带。此外，能够通过诸如因特网的信息处理网络在另 一种程序存储装置中存储程序。
(第一变型)
在本发明的实施例中，对同时呈现具有依次不同尺寸的图像的范例给出了描述。作为本发明实施例的第一变型，将描述这样的范例在时间系列上依次呈现具有依次不同尺寸的图像。
图像产生单元10如图12所示离观察位置P10距离L20的起始位置P20处的第一图像C20。例如，图像C20被感知是位于虚像位置P20处。
如图13所示，图像产生单元10随后在起始位置P20和终止位置P22之间离观察位置10距离L21的路径位置P21处呈现比第一图像C20小的第二图像C21。第二图像C21的虚像位置P20与第一图像C20的虚像位置P20重合。然而，通过在呈现第一图像C20之后依次呈现第二图像C21，可以将第二图像C21的感知位置P21定位(位移)得比第一图像C20的感知位置P20更远。
如图14所示，图像产生单元10然后在离观察位置P10距离L22的终止位置P22处呈现小于第二图像C21的第三图像C22。第二图像C22的虚像位置P20与第一和第二图像C20和C21的虚像位置P20重合。然而，通过在呈现第二图像C21之后依次呈现第三图像C22，可以将第三图像C22的感知位置P22定位(位移)得比第二图像C21的感知位置P21更远。
根据本发明实施例的第一变型，按时间顺序呈现以不同图尺寸产生的多个图像C20、 C21和C22。因此能够不受障碍物104的任何限制设置图像C20、 C21和C22的感知位置P20、 P21和P22。图像C20、 C21和C22的竖直位置可以依次偏移或可以不变。(第二变型)
作为本发明实施例的第二变型，针对图像产生单元10产生具有不同图尺寸和形状(轮廓)的图像的范例给出描述。
图15示出了沿着道路111的路线112行驶的车辆110的范例。在这种情况下，如图16所示，图像产生单元10产生图像C30、 C31和C32，这些图像具有沿着道路lll的缓和曲线依次不同的尺寸和图形状(箭头)。这样能够沿着道路111为观察者101提供稳定的选路指引。此外，即使在前方存在诸如另一辆车的障碍物时，也可以独立于障碍物进行选路指引。
图17示出了到达车辆110的目的地的路径114与行驶方向不一致的范
例。当在开放视野中没有障碍物时，可以由直线表示到达目的地的车辆iio
的路线，但这并不理想。因此，图像产生单元10基于从地图获得的选路信息、车辆信息和车辆110的行驶方向，产生沿着道路113具有不同尺寸和图形状(箭头)的图像C41、 C42和C43。这样提供了观察者101可以容易识别的选路指引。
在接受本公开的教导之后，不脱离其范围，对于本领域的技术人员而言，各种变化都将是可能的。
在本发明实施例的以上描述中，图像显示设备为车载单眼HUD。图像显示设备的应用不限于车辆，显然，可以将图像显示设备应用于轮船、飞机、机床、建筑机械、工业机械等。
以图像Cll、 C12和C13为例描述了本发明的实施例，但呈现的图像速率不受特别限制。仅需要在起始和终止位置呈现两幅图像，在起始和终止位置之间可以呈现四幅或更多图像。
图像产生单元10可以确定障碍物104的存在以及障碍物104的位置和尺寸，并根据障碍物104的情况产生包括多个图像的输出图像。
工业实用性
可以将本发明用于车载图像显示设备和用于显示车载，例如图像平视显示的方法。
权利要求
1、一种图像显示设备，包括图像产生单元，用于产生具有不同图尺寸的多个图像，从而沿着离开实际位置的方向依次定位所述多个图像的感知位置；设置于观察者前方的反射构件；以及投影仪，用于通过所述反射构件将用于形成多个图像的光束投射到所述观察者的单只眼睛上，使得所述多个图像叠加在通过所述反射构件观察的背景上。
2、 根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像产生单元产生所述多 个图像，以便同时呈现所述多个图像。
3、 根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像产生单元产生所述多 个图像，以便按时间顺序依次呈现所述多个图像。
4、 根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像产生单元分别改变所 述图的形状。
5、 根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像产生单元包括-选路信息产生单元，用于从地图信息产生选路信息； 位置确定单元，用于根据所述选路信息确定远离实际位置的起始位置和终止位置；以及图像确定单元，用于确定从所述起始点到终止点的具有不同图尺寸的 所述多个图像。
6、 一种用于显示图像的方法，包括产生具有不同图尺寸的多个图像，从而沿着离开实际位置的方向上依 次定位所述多个图像的感知位置；以及产生用于形成所述多个图像的光束，并在观察者前方设置的反射构件上反射光束，以便将所述光束投射到所述观察者的单只眼睛上，从而在通 过所述反射构件观察的背景上叠加所述多个图像。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中，产生所述多个图像包括产生所 述多个图像，以便按时间顺序依次呈现所述多个图像。
8、 根据权利要求6所述的方法，其中，产生所述多个图像，以便同时呈现所述多个图像。
9、 根据权利要求6所述的方法，其中，产生所述多个图像包括分别改 变所述图的形状。
10、 根据权利要求6所述的方法，其中，产生所述多个图像包括从地图信息产生选路信息；基于所述选路信息确定远离实际位置的起始位置和终止位置；以及 确定从所述起始点向所述终止点具有不同图尺寸的所述多个图像。
全文摘要
一种图像显示设备包括图像产生单元(10)，产生多个具有不同图尺寸的图像，从而沿远离实际位置的方向上依次定位多个图像的感知位置；设置于观察者前方的反射构件；以及投影仪(4)，用于通过反射构件(50)向观察者的单只眼睛上投射用于形成多个图像的光束(100)，使得所述多个图像叠加在通过反射构件观察的背景上。
文档编号G02B27/01GK101681022SQ200980000215
公开日2010年3月24日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年3月28日
发明者佐佐木隆, 堀田始良, 奥村治彦 申请人:株式会社东芝