自动立体系统的制作方法

背景技术：

本发明涉及一种建构用于自动立体显示器的通道掩膜的方法，所述显示器包括由视差滤波装置覆盖的电子控制式屏幕，所述视差滤波装置包含折射介质且被配置成对于观看者的左眼使所述屏幕上的某些区域模糊且对于所述观看者的右眼使所述屏幕上的某些其它区域模糊，所述通道掩模为准许将所述观看者的眼睛的数个预定义观看位置中的一个指派到所述屏幕上的每个点的二维几何物体。

根据体视学的一般原理，空间深度印象是通过将从稍微不同的视角示出同一场景的两个不同图像呈现给观看者的两只眼睛而生成，所述图像表示观看者的左眼与右眼之间的视差。

用于将不同图像呈现给用户的左眼和右眼的常规系统使用头戴耳机或快门眼镜，然而，其对用户的干扰很大。

us8077195b2描述一种系统，其准许“用裸眼”观看自动立体图像，以使得可以例如在计算机监视器等等的屏幕上产生立体图像。为此，左通道和右通道的图像信息(即，既定分别用于用户的左眼和右眼的信息)以区段(即垂直或倾斜条带)形式显示在屏幕上，所述区段交替地属于左通道和右通道，且例如呈柱面透镜的透镜阵列形式的视差滤波装置布置于屏幕前方且相对于屏幕的像素光栅谨慎地定位，以使得从各个屏幕像素发出的光偏转，使得对于观看者的特定位置，每个通道的信息仅能被一只眼睛看到。可以使用头部跟踪或眼部跟踪系统来使屏幕上的图像表示适于观看者的不断改变的位置。在已确定特定观看位置时，建构通道掩模以便将正确通道适当地指派到每个像素。

通道掩模的概念可以扩展到多视图系统，在多视图系统中，可以由一个或多个观看者从数个不同观看位置查看屏幕。接着，通道掩模将界定三个或更多个通道，对于设想的观看方向(即，观看者眼睛的设想位置)中的每一个界定一个通道。

通道掩模可以界定于物体平面(即形成屏幕表面的平面)和视差滤波器的主平面中，所述主平面在某种程度上从物体平面朝向观看者偏移。举例来说，在视差滤波器呈柱面透镜阵列形式的情况下，主平面可以是含有柱面透镜的顶点线的平面。

在观看者以直角查看屏幕的区域时，每个柱面透镜的一半将使来自底层屏幕像素的光朝向用户面部的左侧偏转，且透镜的另一半将使底层像素的光朝向用户面部的右侧偏转。因此，柱面透镜的顶点线与邻近透镜之间的边界线的交替图案将自然地在主平面中界定通道掩模，且可以简单地通过在与屏幕垂直的方向上的正交投影来获得物体平面中的对应通道掩模。

然而，如果在某一偏斜角度下观看屏幕，偏斜角度定义为从观看者到屏幕上的点的视线与此点处的屏幕法线之间的角度，则对于屏幕的此区域，物体平面中的通道掩模将相对于主平面中的通道掩模横向偏移。此偏移的量还将受到光线在每个透镜的顶点处的折射的影响。

因为看屏幕的偏斜角度通常将相对较小，因此可以通过在物体平面与主平面之间界定辅助物体平面来以合理的准确度补偿折射效果，此辅助物体平面的位置是由周围介质(空气)与形成透镜的玻璃的折射率之间的比率确定，使得可以通过主平面中的通道掩模到辅助物体平面上的中心投影来获得物体平面中的通道掩模，其中观看位置为投影中心。

技术实现要素：

本发明的目标为改善自动立体显示器的光学质量。

为了实现此目标，根据本发明，通过跟踪从屏幕上的所选点传播且在视差滤波装置处折射的光线来建构通道掩模。

根据本发明，在主平面中建构通道掩模且接着将中心投影应用于辅助物体平面上的步骤集成到以下单个步骤中：跟踪从屏幕的表面经过视差滤波器的折射介质到给定观看位置的光线，或等效地，向后跟踪从观看位置经过折射介质到屏幕表面上的光线。此准许直接在物体平面中建构通道掩模，然而，仅隐含地界定主平面中的对应通道掩模。

本发明具有以下优势：获得尤其对于大偏斜角度更准确的校正了折射的通道掩模。此准许提供甚至对于较大屏幕尺寸也具有高图像质量的自动立体显示器。此外，此方法准许使系统更容易地适于不同类型的视差滤波装置并且还适于例如具有弯曲屏幕的显示器。

现将结合图式描述本发明的优选实施例，其中：

附图说明

图1为自动立体系统的框图；

图2为屏幕的一部分和叠加的视差滤波装置的示意性透视图；

图3为图示用于与屏幕垂直的观看位置的通道掩模的构造的图；

图4为图示用于具有非零偏斜角度的观看位置的通道掩模的构造的图；

图5为图示用于甚至更大的偏斜角度的通道掩模的构造的图；

图6为图示视差滤波装置的物体平面与主平面中的通道掩模之间的关系的图；

图7为图示用于主平面和物体平面中的多个点的光线跟踪步骤的示意性透视图；

图8为示出用于主平面中的通道掩模的不同建构方法之间的比较的透视图；

图9图示用于具有呈条带阵列形式的视差滤波装置的显示器的光线跟踪过程；

图10图示用于具有可控视差滤波装置的显示器的光线跟踪过程；以及

图11为具有弯曲屏幕的自动立体显示器的示意性顶视平面图。

具体实施方式

图1中所示的系统包括计算机系统10，例如个人计算机，其包含图形卡12，所述图形卡驱动显示器14以便在显示器的屏幕16上显示图像。例如透镜阵列18的视差滤波装置安置于屏幕16前方，且形成眼部跟踪或头部跟踪系统20的部分的视频相机附接到显示器14且与计算机系统10通信。

图形卡12可存取存储于计算机系统10的存储器中的两个纹理图l和r。纹理图l存储左通道的图像信息，即待显示给经由透镜阵列18看屏幕16的用户(未示出)的左眼的图像信息。类似地，纹理图r存储用于用户的右眼的右通道的图像信息。头部跟踪系统20跟踪用户头部的任何移动，且将这些移动发信号通知计算机系统，所述计算机系统将接着使显示在屏幕16上的信息适于用户的已改变的位置。

图2为示出透镜阵列18的一部分和屏幕16的一部分的示意性透视图。屏幕16的表面划分成可个别控制的发光像素22的阵列。在彩色屏幕的情况下，像素22将实际上为基本色彩红色、绿色及蓝色中的子像素。

透镜阵列18由一层玻璃或另一透明折射介质构成，且具有平行与并排安置的大量柱面透镜24。柱面透镜24大致在屏幕的垂直方向上延伸，或可以相对于垂直，且因此相对于屏幕上的像素22的光栅倾斜。在图2中，柱面透镜24还示出为稍微弯曲。此可能归因于制造容差，或可能有意地形成曲率，例如，以便进一步降低由规则透镜光栅叠加在也有规则的像素光栅上而产生的莫尔效应(moireeffect)。柱面透镜24的宽度通常为个别子像素的宽度的整数或分数倍，通常为其宽度的至少三倍。每个柱面透镜具有在图2中示出为虚线的顶点线26。

在图2中已示意性地示出观看者的右眼28和左眼30。两只眼睛28、30之间的中心处的点u标记查看屏幕16的观看者的参考位置。已示出两条光线32、34来代表从屏幕16上的两个相邻像素22发出、通过柱面透镜24中的一个准直且分别向用户的右眼和左眼偏转的光。透镜阵列18的顶表面与屏幕16的表面之间的距离可以等于、小于或甚至大于透镜24的焦距，以使得每只眼睛都将看到对应像素或其部分的放大图像。可由眼睛28例如经由所有柱面透镜24看到的像素22的放大图像填充整个视场，而其它像素保持不可由眼睛看到。另一方面，存在可由另一只眼睛30看到但不可由眼睛28看到的像素。因此，有可能控制像素22，使得不同图像呈现给用户的右眼28与左眼30，以使得用户感知到三维图像。

图3为柱面透镜24中的两个的横截面图。屏幕16的顶表面指定为透镜阵列的物体平面o，且通过透镜24的顶点线26的平面指定为主平面p。在以直角，即从与屏幕垂直的位置观看屏幕16时，从透镜24左半边下方的屏幕的一部分发出的光将朝向观看者的左眼偏转，如由图3中的光线34所代表，而从在透镜24的右半边下方的屏幕16的区域发出的光朝向右眼偏转，以使得其仅可以由用户的右眼看到，如由图3中的光线32所代表。

因此，可以界定通道掩模mo，其将屏幕16的表面划分成仅可由左眼看到(或根本不可看到)的左通道区36和仅可由右眼看到(或根本不可看到)的右通道区38。区36、38之间的第一类型边界对应于透镜24的顶点的位置，且第二类型边界42对应于两个邻近透镜24之间的边界。因此，因为通道掩模由透镜阵列18的几何布置界定，因此考虑主平面中的通道掩模mp是方便的。如在图3中，在以直角查看屏幕16的相干部分时，通道掩模mp与mo重合。

图4图示观看者以某一偏斜角度α看屏幕16的部分的情境。更精确地说，图4示出各自将参考点u(图2)连接到透镜24中的一个的顶点的光线44。在图4中，假定参考点u距主平面p足够远以致光线44实际上并行。

归因于非零偏斜角度α，物体平面中的通道掩模mo从主平面中的通道掩模mp横向偏移。然而，归因于光线根据斯涅尔定律在每个透镜24的顶点处折射的事实，所述偏移得以减轻，其中偏斜角度α作为入射角且出射角为β。在示出的实例中，与环境空气的折射率1相比，假定形成透镜阵列18的折射介质具有折射率2。在此情况下，从斯涅尔定律可得出

sin(α)/sin(β)＝2。

可以通过考虑在物体平面o与主平面p之间的中途的辅助物体平面o'且通过使用中心投影(其中参考点u为中心)将mp投影到辅助物体o'上来近似得出此折射的效果。此导致至少大致上与mo重合的通道掩模mo'。

然而，在偏斜角度α较大时，如在图5中，优选地通过基于斯涅尔定律跟踪光线44来直接建构通道掩模mo。当然，通过跟踪从参考位置u经过每个柱面透镜的顶点的光线，仅获得通道掩模mo的第一类型边界40。然而，可以仅通过取得邻近第一类型边界40之间的中心位置来发现第二类型边界42。

为进行比较，如在图4中，使用到辅助物体平面o'上的中心投影的近似方法的结果已在图5的左侧部分中用短划线图示。可以看出，以此方式获得的通道掩模mo'与通过光线跟踪获得的通道掩模mo之间存在相当大的偏移。

将观察到，实际上不需要主平面p中的通道掩模mp来建构通道掩模mo。尽管如此，通道掩模mo还隐含地界定对应通道掩模mp，如图6中已示出。可以通过将通道掩模mo移动到辅助物体平面o'中且接着从物体平面o'中的通道区的边界到参考点u绘制直线46来“反向地”建构此通道掩模mp。这些线46通过主平面p的点界定通道掩模mp的通道区的边界。因此，通过光线跟踪建构通道掩模mo等效于在相对于透镜阵列18的合适位置(其中通道区边界从柱面透镜的顶点线偏移)界定通道掩模mp且接着使用中心投影来建构通道掩模mo'。

如果柱面透镜24可以按足够准确度被认为是笔直的，则对于每个柱面透镜仅计算折射光线44一次以便建构通道掩模mo即已足够。然而，在透镜的顶点线26弯曲时，如在图2中，优选地跟踪通过沿着顶点线26的若干点的光线带44，如图7中已示出。

图8示出根据本发明，即通过光线跟踪而建构的经校正通道掩模mp与直接通过柱面透镜的顶点线26界定的未经校正通道掩模之间的比较。可以看出，经校正与未经校正的通道掩模之间的偏移可能总计大于个别通道区38的宽度。因此，在如由顶点线26直接界定的未经校正通道掩模将用于借助于到辅助物体平面o'上的中心投影来建构物体平面o中的通道掩模48时，观看者在以此大偏斜角度看屏幕时将察觉到倒置的三维图像。本发明准许甚至对于具有大屏幕的显示器和/或对于短观看距离避免此效果。

本发明不限于使用透镜阵列作为视差滤波装置的系统。图9示出一实例，其中通过由玻璃板52构成的条带阵列50形成视差滤波装置，不透明条带54印刷在玻璃板的顶表面上。对于合适的观看距离，条带54将对于用户的右眼使左通道区中的像素模糊，且对于用户的左眼使右通道区中的像素模糊。在此实例中，玻璃板52通过气隙56(或可能折射率不同于玻璃板的透明层)与屏幕16分开。

在此实施例中，通过条带54的边缘的光线44被跟踪一直到玻璃板52，在玻璃板处，所述光线被折射两次，以便找出物体平面o中的通道掩模mo的通道的边界。

当然，类似于气隙56的气隙也可以存在于柱面透镜18与先前实施例中的屏幕16之间，且由此在光线跟踪过程中还必须考虑到光线44在此气隙的边界处的折射。

以类似方式，本发明可以应对由数个层组成的光学介质的任意堆叠，其中的每一层具有个别厚度和个别折射率，包含层定位在主平面p的观看者侧上的可能性。

图10图示通过可控梯度透镜阵列58形成视差滤波装置的又一实施例。此透镜阵列是通过由在施加电场时折射率改变的材料组成的透明平面平行板60形成。电极62和64的精细图案形成于板60的对置表面上，且在电压施加于电极62中的一个与电极64中的一个对置电极之间时，这些电极之间的材料列将改变其折射率。因此，通过适当地控制施加到电极62、64对的电压，有可能产生板60的折射率梯度。此梯度将引起光线44的折射，如在图10中已示出。

以此方式，有可能产生条带形透镜66的图案，其边界已在图10中由短划线指示。在折射率从边界66朝向透镜的中心增大且接着再次朝向对置边界减小时，效果等效于柱面透镜的效果。唯一的差异为光线44的折射不仅出现在透镜的表面处，而且连续出现于透镜的材料内。尽管如此，仍有可能计算折射且跟踪光线44以便建构通道掩模mo。

此论断对于用于可切换或非可切换透镜阵列(例如，可切换或非可切换各向异性透镜、可切换lcd透镜，及其它透镜)的一定范围的其它方法也成立。

本发明甚至适用于如图11所示具有弯曲屏幕16'和弯曲透镜阵列18'的自动立体显示器。在跟踪光线44时，可以容易地考虑曲率的效果。

在实际实施例中，将在用于计算经过透镜阵列和屏幕的各种点的光线的计算机系统10(图1)中实施光线跟踪软件。在眼部跟踪系统20检测到用户的参考位置u的偏移时，将对于左眼和右眼的两个新观看位置更新所述计算。

在替代实施例中，有可能对于多个不同观看位置执行光线跟踪计算。在此情况下，观看位置可以定义为单个眼睛的位置，而不管此眼睛为用户的左眼还是右眼。接着，仅需要进行一次必需的光线跟踪计算，且根据由头部跟踪系统20提供的信息选择其图像信息被呈现在屏幕上的视图。此实施例还可以用于准许两个或更多个用户同时查看三维场景的多视图系统中。此类型的多视图系统已描述于申请人的同在申请中的欧洲专利申请案ep14200536.2中。

在又一实施例中，还有可能对于光线跟踪进行实际测量而非计算光线。举例来说，两个光学传感器可以布置在图11中的观看者的眼睛28、30的位置中，且接着可以一个接一个地向屏幕16'上的像素供能以看两个传感器中的至少一个是否检测到对应光学信号。接着，取决于两个传感器中的哪一个已接收到信号，可以将已被供能的像素指派到通道区中的一个。

可以对单个观看位置或若干观看位置进行这些测量。

一般来说，通过测量来进行光线跟踪具有以下优势：生产透镜阵列和/或在屏幕上安装透镜阵列时的任何制造容差得以自动地消除。

对单个观看位置的测量通常将不足以得出透镜阵列的确切形状和位置。然而，通过对两个或更多个观看位置进行测量，通常将有可能去除数据中的不明确性，以使得可以从测量结果计算透镜阵列的确切形状和位置。接着，可以通过光线跟踪计算来建构用于尚未测量的其它观看位置的通道掩模。