三维图像显示方法及设备的制作方法

专利名称：三维图像显示方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及3D (三维)图像显示设备的3D图像显示方法以及这 种3D图像显示设备，该3D图像显示设备至少在一个方向产生视 差。
背景技术：
不需要特殊观察眼镜的3D图像显示方法包括立体视图和多视图 两种。在这两种系统中，在显示表面上设置微透镜板(仅在水平方向 具有透镜特性的半圆形透镜阵列)或视差栅栏，并且对于左眼和右眼 独立地呈现包括视差的2D信息。从而，观察者感觉到3D图像。利用立体视图系统，提供两个片段的2D信息，从而观察者从单 一方向上的视点感觉到3D图像。利用多视图系统，例如使用四个片 段的2D信息，从而观察者从三个方向上的视点感觉到3D图像。换 言之，尽管物体的运动并非是连续的，然而物体在与身体运动相反的 方向运动、被称作运动视差的现象被呈现给观察者。集成成像(II)是改善运动视差并显示涉及运动视差的3D图像 的系统。该系统是基于1908年提出的拍摄和再现3D照片的称作集 成照相(IP)的系统(例如，M. G. Lippmann， Comptes Rendus de l，Academie des Sciences, Vol. 146， pp. 446-451 ( 1908) ， IP)。在 该系统中，准备与3D照片的像素相应的透镜阵列，并且在照相时将 胶片放置在阵列的焦距处。当再现时，将照相所用的透镜阵列放置在 胶片上。仅通过颠倒进行方向来再现通过透镜记录的光学信息的过程意味 着其不限制观察位置。此外，如果胶片的分辨率足够，则可按照与全 息摄影相似的方式再现出完美的空间像。从而，II系统是一种理想系
统。II系统的3D图像显示设备采用作为通用平板显示器的液晶显示 器(LCD)来取代胶片。将像素发射出的光的路径加以调整，使光作为光束被投射出去。 随着透镜后面像素数量的增大，或者换言之，视差信息(外观随视角 改变的图像信息)片段数量增大，3D图像显示设备前或后的显示范 围变大。不过，由于透镜间距增大，在不改变LCD的分辨率的条件 下，3D图像的分辨率下降(例如，H. Hoshino， F. Okano， H. Isono 和I. Yuyama， J. Opt. Soc. Am. A.,第15巻，第2059-2065页 (1998) ， NHK)。该II系统的特征在于，在考虑视点图像的精细度下降的同时，将 视差的数量增大到可能的程度。此外，当设计照射系统时，不限制观 察者的位置(即，光聚焦点不必被特别设置在观察者眼睛的位置 处)。这显然使II系统区别于多视图系统，在多视图系统中通过将 视差的数量设定为两个或四个，防止视点图像的精细度下降，并将光 聚焦点设置在与观察者眼睛相应的位置，从而实现3D图像感觉。具体而言，将水平透镜间距或水平透镜间距的整数倍设计成与水 平像素间距的整数倍相匹配。这样就使得透镜投射出的光束基本上彼 此平行，从而光束不会聚集在再现和观察空间中的某一点处。否则， 可采用这样一种方法其中，将光聚焦点设计成超出观察距离。基于 离散抽取出的从实际存在的物体表面发出的光，再现这些光束。从而，如果提供大量视差，则在从观察者位置的周围应当看见的可观察 范围内，观察者能感觉到双目视点图像。此外，可获得连续的运动视 差。实质上，1D-II与多视图系统唯一区别在于因平板(诸如LCD) 的有限数量的像素导致对光束布置的限制。不过，与因强调视点图像 的精细度导致不完全运动视差的多视图系统不同，不具有任何特定光 聚焦点的1D-II系统提供更自然且更不引起疲劳的3D图像，其中双 目视差和运动视差得到很好的平衡。然而，在每种3D图像显示设备的深度方向对显示是有限制的。 首先，在II系统的3D图像显示设备中，在其深度方向显示受到限 制，因为随着观察者远离显示表面，所呈现的视差信息片段之间的距 离变大(例如，H. Hoshino， F. Okano， H. Isono和I. Yuyama， J. Opt. Soc. Am. A.，第15巻，第2059-2065页(1998) ， NHK)。对 于多视图系统而言，如果通过透镜同时观察多个像素，则3D图像可 能被复合。为了避免发生这种情况，应当将显示的深度限制为与II 系统类似的程度。对于立体视图系统来说，限制显示的深度可解决 聚散度调节的非相干性引起的疲劳问题。换言之，无论选择哪种显示 系统，显示范围都被局限为正或负几厘米。为了在有限的显示区域中 呈现出逼真的3D图像，可釆用平面型显示器。与竖立型相比，平面型可缩短从3D图像显示设备到观察者的距 离，而不会使观察者意识到。对于人眼来说，紧邻的10厘米与某一 距离处的10厘米相比，呈现更大的空间效果。更靠近观察者设置的 平面型，能够带来优异的空间效果。此外，被设置成使观察者向下观看的平面型3D图像显示设备， 具有与执行手动劳动的区域相应的显示范围。据报道，当处理物体的 时候，人下意识地会使用自己的身体部分，如手掌，作为参考尺寸。 平均来说，男性的手掌大约为9厘米宽。这表明处于手工劳动范围内 大约IO厘米高的3D图像将带来足够大的空间效果。此外，正如从桌面上的物体可以看到的，浮在基准面之上的物体 或者相对地板区域极高的物体往往会受到限制。此外，与前部相比，人们似乎更关注下侧的突起和凹陷。考虑任 何生物都朝着以更高灵敏度获得对其自身更重要的信息的方向进化。 假设，在人类的历史中，诸如在进行手工时手上的以及可能直接引起 倾斜、失足和其他事故的在脚下的垂直突起和凹陷比水平突起和凹陷 具有更大的意义。由于上述原因，与对水平突起和凹陷的灵敏度相比，人们似乎对 垂直突起和凹陷具有更高的灵敏度，从而可假设平面型装置增大了立 体信息的价值，并改善3D图像的效果。
此外，已经提出了显示诸如字符和图标的2D信息以及3D图像 的平面型或近似平面型3D图像显示设备(例如，专利文献JP2001-331169A)。显示表面被设计成基本水平的3D图像显示设备可显示具有空间 效果的3D图像。该装置最好也能更有效和令人印象深刻地显示2D 信息。发明内容根据本发明一个方面， 一种在至少在一个方向上产生视差的3D 图像显示设备上显示3D图像的方法包括由显示单元以这样的方式 显示被观察者观察为2D内容的2D信息，使得该2D信息的虚显示 表面与实水平面所形成的2D信息角0—2D满足e_d<e—2d《90°，其 中，显示表面被设置成在实空间中与实水平面形成角e一D，其中0°^6_d<90°。根据本发明另一方面， 一种至少在一个方向上产生视差的3D图 像显示设备包括显示表面，被设置成在实空间中与实水平面形成角 e_D，其中o、e—d<90。；和显示单元，以这样的方式显示被观察者观 察为2D内容的2D信息，使得该2D信息的虚显示表面与实水平面 所形成的2D信息角e—2D满足e—d<e—2d^90。。


图1表示根据本发明一个实施例的3D图像显示设备的功能结构；图2表示显示单元的外观； 图3表示显示单元的详细结构； 图4用于说明2D信息与3D图像之间的关系； 图5A表示以这样的方式排列的2D信息，使得其上显示2D信息 的虚平面300平行于显示单元130的显示表面136;图5B表示以这样的方式排列的2D信息，使得其上显示2D信息的虛平面300平行于显示单元130的显示表面136;图6A表示以这样的方式排列的2D信息的一个示例，使得虚平 面300与显示表面136所形成的角(0_a )为90。；图6B表示以这样的方式排列的2D信息的一个示例，使得虛平面 300与显示表面136所形成的角(e一a)为90°;图7A表示以这样的方式排列的2D信息的一个示例，使得虚平 面300与显示表面136所形成的角(e_a)大于90。；图7B表示以这样的方式排列的2D信息的一个示例，使得虛平面 300与显示表面136所形成的角(e一a)大于90。；图8用于说明显示表面136与2D信息210之间的关系；图9用于说明视角(e一v)和屏幕的视在高度与屏幕的实际高度 的比值之间的关系；图IOA用于说明屏幕的视在高度；图IOB用于说明屏幕的视在高度；图ll用于说明显示表面角(e_D)与视角(0_V)之间的关系； 图12用于说明考虑内容的俯角的显示条件； 图13用于说明考虑内容水平面的显示条件； 图14A用于说明在深度方向的限制； 图14B用于说明在深度方向的限制； 图15A用于说明内容水平面与显示区之间的关系； 图15B用于说明内容水平面与显示区之间的关系； 图15C用于说明内容水平面与显示区之间的关系； 图16用于说明针对不同种类的2D信息的2D信息角(e一2D); 图17分别表示图标220和字符222的阴影221和223; 图18用于说明2D信息的显示位置(y坐标)与2D信息角 (e_2D)之间的关系；图19表示以由图18中所示的函数相应于显示位置而确定的2D 信息角(e_2D)显示2D信息210;图20用于说明2D信息的显示位置(y坐标)与2D信息角 (0_2D)之间的关系的另一示例；图21用于说明2D信息的显示位置与2D信息角之间的关系的又 另一示例；图22用于说明2D信息的显示位置(y坐标)与2D信息的高度 h之间的关系；以及图23表示以由图22中所示的函数相应于显示位置而确定的高度 显示2D信息210。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的3D图像显示方法和3D 图像显示设备的示例性实施例。但本发明不应局限于这些实施例。如图1中所示，根据一个实施例的3D图像显示设备10在处于 3D空间中的虚平面上显示2D信息。这里的2D信息是指以2维呈现 的信息，包括例如字符和图标。当显示地像作为3D图像时，例 如，在地像上叠加诸如用于识别地名和建筑物的图标的2D信 息。作为用于在虚平面上显示2D信息的功能的主要部件，3D图像显 示设备10包括存储单元100，处理单元110，输入单元120，以及显 示单元130。输入单元120接收用户输入的各种信息。所接收的信息 被存储在存储单元100中。显示单元130显示3D图像和2D信息。存储单元100中存储将要在显示单元130上显示的2D信息和3D 图像。存储单元100中还存储确定显示2D信息的2D信息角 (0_2D)所需的信息。更具体而言，存储俯角(e_F)，显示角(e_D),内容水平面角(e_c)，视角(e_v)，前端显示极限(Dn)和后端显示极限(Df)。如果2D信息包括任何运动，则表示 用于显示2D信息的位置的显示位置信息也被存储。如果3D信息包 括任何运动和高度改变，则高度被存储。下面，将描述这些信息和角 度。处理单元110控制2D信息的排列，使2D信息在显示单元130
上以使观察者容易识别的角度进行显示。处理单元110包括2D信息 角(e_2D )确定单元112和高度(h )确定单元114。
2D信息角(0一2D)参考存储单元100中存储的信息而确定单元 112确定将要在显示单元130上显示的2D信息的2D信息角 (0_2D) 。 2D信息角(e_2D)确定单元112还确定满足下面将要描 述的显示条件的2D信息角(e一2D)。当存在多于一个的满足显示条 件的2D信息角(e一2D)时，可以将其中任何一个值确定为2D信息 角(e一2D)。当2D信息包括在显示表面上的某些运动时，则2D信 息角(0一2D )确定单元112根据2D信息的显示位置来确定2D信息 角(0一2D)。
高度(h )确定单元114根据2D信息的显示位置来确定2D信息 的高度(h)。类似地，高度(h)确定单元114根据3D信息的显示 位置来确定3D信息的高度(h)。
如图2中所示，显示单元130为平面型，从而显示表面平行于实 际水平面(实空间中的水平面)设置。假设显示单元130的宽度方向 为x方向，而朝向右侧的运动方向为正方向，并且显示单元130的高 度方向为y方向，并且向上的运动为正方向。与显示单元130的表面 垂直的方向为z方向，而朝向显示单元130的前侧，或者换言之，朝 向，见察者的方向为正方向。
可以将显示单元130设置使其显示表面相对于实际水平面朝向观 察者向下稍微倾斜。
如图3中所示，显示单元130包括2D信息显示板132和光学控 制元件134。 2D信息显示板132为液晶显示器(LCD) 。 2D信息显 示板132中的每个像素由涉及R， G和B分量的三个子^^素组成。 更具体而言，2D信息显示板132为用于显示2D信息的WUXGA-LCD。光学控制元件134为微透镜板。
可使用透镜阵列取代微透镜板。微透镜板在垂直方向不具有透镜 的作用，从而不能在该方向呈现视差信息。相反，透镜阵列可在垂直 方向和水平方向呈现视差信息。不过，为了便于说明，此处将讨论仅
在水平方向呈现视差。
如图4中所示，显示单元130的观察者将其上显示的图像看成 3D图像。在三维观看诸如立体物体200的3D图像。另一方面，在 与虚水平面成某一角度(e)的虚平面上呈现出图标210 (为2D信 息)。
将说明其上显示2D信息的虚平面与显示单元130的显示表面之 间的关系。在图5A和5B中，按照这样一种方式来显示2D信息，使 得其上显示2D信息的虚平面300平行于显示单元130的显示表面 136设置。显示表面136平行于x-y平面而排列。
在图5A的示例中，2D信息210平行于显示单元130的x-y平 面，或者换言之，平行于显示表面136。
图5B表示从观察者的眼睛看到的如图5A中所示设置的2D信息 210。由于在许多情况下，诸如字符和图标的2D信息由垂直和平行 分量构成，为方便说明，将2D信息210表示为由垂直和平行分量所 形成的矩形。
当2D信息210被平行于显示表面136设置时，显示表面136和 虛平面300平行延伸，使得2D信息210看似位于显示表面136上。 换言之，观察者的观察方向310与虚平面300所形成的角(e一a)小 于90°。
图6A为从x方向观看时显示单元130的横截面。图6B表示从观 察者的眼睛看，如图6A所示"&置的2D信息210。 2D信息210的左 侧和右侧211和212相对于显示表面136的栅格成某一角度。换言 之，2D信息210的顶侧在z方向升高。从而，与图5B的2D信息 210相比，观察者感觉到图6B的2D信息210具有更大空间效果。
在图7A和7B所示的示例中，左侧211和右侧212相对于显示表 面136的栅格成某一角度。在图6B的示例中，左侧211与右侧212 彼此平行地延伸。另一方面，在图7B的示例中，左侧211与右侧 212彼此成某一角度。这样设置的左侧211和右侧212明显有助于观 察者了解深度信息。从而，图7B中的示例给观察者的印象是，与图6B的示例相比，更朝向观察者地呈现信息。
3D信息显示设备10使用存储在存储单元100中的参数，以图6B 和7B中所示的升高的方式向观察者呈现2D信息。下面描述2D信息 角(0_2D)确定单元112用于确定2D信息角(e_2D)的显示条 件。图8用于说明显示表面136与2D信息210之间的关系。
将显示表面136与实际水平面320所形成的角称作显示表面角 (e一D)。实际水平面320与虚平面300所形成的角称作2D信息角 (e一2D)。下垂到显示表面136的垂线330与观察方向310所形成 的角称作视角(e一V)。从而，产生图6B所示效果的显示条件可以 由下式(1)来表示
e_D<e_2DS90。 (0。《e—D<90°) (1) 为了产生图7B中所示的效果，除条件(1)之外，还应当满足下 式(2)表示的显示条件
e_D+e_v《e—2D (o°<e—v<90°) (2)
下面说明视角(e一v)和视在屏幕高度与实际屏幕高度之比的关 系。图9用于说明视角(e一v)和视在屏幕高度与实际屏幕高度之比
的关系(图9的左轴)。
在图10A中，将视在屏幕高度设定为与实际屏幕高度长度相同。
当将显示表面136放置在垂直于观察方向310的位置时，观察者认为 其具有实际屏幕高度。不过，随着显示表面136与观察方向310所形 成的角度偏离90°越多，感觉屏幕越短。将屏幕表现出的高度称作视 在屏幕高度。
图9中还表示出视角(e一V)与在每个角度观看显示表面136的 观察者的百分比之间的关系(图9的右轴)。从平板方式中显示表面 136平行于实际垂直平面的0°开始，通过每次改变显示表面角 (e一D) 5。直至90°,设置显示表面136，并且测量每个角度处观察者 的姿势。将3D图像显示设备10放置在70厘米高的桌子上。要求观 察者在观察期间坐在椅子上或站立。
在图9中，表示出以每个视角(e_v)观看的人的百分比，与显
示表面角(e—D)无关。视角(e_v)被舍入成5。的最接近倍数。采
用0°到15。之间视角(e一V)的人的百分比相当高。相反，采用20°
视角的人的百分比下降，并且没有人采用25。的视角(e一v)。
将通过用视角(e一v)的余弦函数表示的显示表面的视在屏幕高 度来说明观察者更喜欢15。或更小视角(e_v)的原因。在大约10°的
视角(e一V)处，视在屏幕高度与实际屏幕高度的比值为98%。换言 之，98%的屏幕高度得以保持。另一方面，在18.2。的视角(e_V)
处，该比值下降到95%。此外，在20。的视角(e_v)处，该比值为
94%,在25.8。的视角(e_V)处，下降到90%以下，明显降低视在
屏幕高度。
没有人采取大于25。视角(e一v)的事实可归结于该视在屏幕高 度。当认为平面高度缩短时，观察者会将其姿势改为朝向前侧(头向
前弯)，从而可完全使用屏幕的尺寸极限。因此，当观察2D信息 时，为了使观察者保持自然的姿势，应当满足以下显示条件(3):
0。 < 6—V < 25。 (3)
下面说明基于显示表面角(e_D)与视角(e_v)之间的关系的 显示条件。图ii用于说明显示表面角(e_D)与视角(e一v)之间的 关系。计算显示表面角为(e_D)时采取0°到20。的视角(e_v)的 人的百分比。对于e一v-15。和e一v-20。，当e一D-5。时百分比达到其 峰值。对于e一v-io。，当9一0 = 20°时百分比达到其峰值，而对于e一v =5°，当e—D-25。时百分比达到其峰值。对于e—v-o。，当e一D更接
近45。时百分比增大。
鉴于以上的结果，发现当显示表面角(e一D)较小时，视角
(0_￥)趋于较大。相反，当显示表面角(0_0)较大时，视角 (0_￥)趋于较小。换言之，当显示表面角(0_0)增大、从而显示 表面136面向观察者时，视角(e—V)变小。
不过，当显示表面角(e一D)为0。时并不是这样。在此情况下视 角(e_v)变小。这可能是因为当显示表面角(e_D)为0。时显示表
面136根本没有面对观察者，从而观察者主动直接面向显示表面弯下 头。当e一D^5。时，显示表面稍稍面对观察者。为此，观察者认为显示 器朝向自己显示，感到不必采取改变姿势面对前方显示的动作。此外，当e一D更接近45°时，即使保持笔直的姿势，也能从前侧观看显示。根据这种关系，对假设的视角(e一v)应当由式u)确定适合的显示表面角(e_D):e_D+e—v《e—2D (o。<e_v<25。) (4) 当可获得水平和垂直方向(分别为x和y方向)的视差信息时，在布置2d信息时应当考虑ejv。然而，在诸如1D-ii和多视图型的系统中，其中忽略在垂直方向(y方向)的视差信息，那么即使观察 位置在y方向移动，3D图像也不改变。更具体而言，当通过组合来 自不同方向的图像(不同视点图像)产生3D图像时，在水平和垂直 方向(分别为x和y方向)显示视差信息的系统中，需要通过改变x 坐标和y坐标来获得视点图像。另一方面，在y方向不显示视差信息 的诸如1D-ii和多视图型的系统中，将获得视点图像的位置的y坐标 固定为单一数值，而x坐标是可变的。换言之，当观察3D图像时， 如果从与获得图像时相同的y和z坐标观察，图像呈现出没有任何失 真。不过，如果观察位置在y或z方向偏移，则观察到的3D图像包 括一些失真(T. Saishu等人，SID 04 Digest,第1438-1441页， 2004)。因此，对于在垂直方向不具有视差的系统来说，通过考虑创 建内容时釆用的俯角，可实现图6A和7A中所示的布置。图12用于 说明考虑创建内容时所采用的俯角时的显示条件。俯角是指照相方向 340与显示表面136所形成的角，并且在图12中表示为e一F。如果将仅在一个方向呈现视差信息的3D图像显示设备用作平面 型，则应当使用俯角拍摄图像，如例如专利文献JP2005-117341A所 提出的。此外，最好将e一F设定为50。到60。。利用这样的角度，在 平面型3D显示器上以三维显示立体物体，观察者不会感到物体的侧 面和顶面奇怪。此外，即使观察方向310偏离照相方向340较远，观
察者用该角度感觉出的失真也较小。
照相方向340与显示表面136的垂线330所形成的角度，或者换 言之，偏离照相角(e_s)和俯角(e_F)的关系如式(5)所示
e—s = 90。-e—f (5) 从而，由于e一F为50°到60°，确定e一S介于40°和30°之间。如式 (6)所示确定显示条件
<formula>formula see original document page 16</formula> (6)
偏离照相角(e_s)大于视角(e_v)，从而需要将观察方向3io 设计成使观察者釆取期望的观察位置。
不过， 一旦通过由将角e一s保持在满足式(6)的范围内所拍摄的
图像创建3D图像，则在垂直方向不呈现视差信息的3D图像显示方
法可能包含一些归因于偏移的视角(|e_s-e—v|)的失真，不过可以显
示满足图6B或7B中所示关系的2D信息，与视角(e—V)无关。从 而，可用式(7)来表示使观察者采取期望观察位置的显示条件 e—s0乾2d (7) 在上式中，0一SO是实际水平面320与以照相方向340作为垂线的
照相面对面350所形成的角。该e一so与显示表面角e一D和偏离照相
角9_8的关系如式(8)所示<formula>formula see original document page 16</formula>(8)
根据式(7)所示的显示条件，在确定2D信息角(e_2D)时可
考虑显示表面角(e_D)和偏离照相角(e—s)。
<formula>formula see original document page 16</formula> (9)
式(9)表明，与式(4)相比，当2D信息相对于显示表面所成 角度更大时，可更有效地显示2D信息。
相对于显示表面136成一定角度而呈现的2D信息增大了最大可 显示信息量。大部分为字符的2D信息的形状具有实质含义。从而， 纵横比与正确纵横比存在较大差异的2D信息常常使观察者感到不舒 服。因此， 一旦以某一级别的精细度作为条件，则通过使2D信息的 显示减小到最小尺寸，同时保持2D信息的纵横比不变，确定该位置
的最大可显示信息量。当在相对于以沿观察方向延伸的线为垂线的观察面对面形成某一角度的3D图像显示设备上显示2D信息时，如果考虑与观察面对面 平行的矢量分量，则在垂直方向显示稍微变平。不过，观察者可通过 其立体感觉察觉显示相对于观察面对面成角度，从而其大脑能够将其 校正到适当的纵横比。为此，当两个布置具有相同级别的精细度并且 观察面对面具有相同尺寸时，与图6B的布置相比，图7B的布置中 可携带更大的信息量。随着观察面对面与2D信息210的垂直平面 300所形成的角度增大，该效果得到增强。不过，需要式(10)所表达的条件以防止2D信息朝向观察者倾 斜从而使观察者感到不舒服e_2d，。 (10)如图13中所示，内容水平面360是相对于实际水平面320倾斜 的平面。它是3D空间中显示3D内容的虚水平面。如前所述，当显示表面136面向观察者时，视角(e一v)变大。 换言之，通过使视角(e一v)和偏移照相角(e一s)彼此更加接近， 可在更适当的条件下观看显示。不过，这两个角度之间仍然存在不一致。为了减小这种不一致，使内容水平面360下降到比显示表面136更低的位置，如图13中所 示。可用(11)表示使内容水平面360下降的条件o。《e—c<e_d (11) 这里0一C表示内容水平面角，其由内容水平面360与实际水平面320 形成。可以用(12)来表示内容水平面360的垂线370与沿观察方向 310延伸的直线所形成的内容偏移角(e一VC):e_vc = e—v + (e—d-e—c) (12) 通过相对于显示表面136降低内容水平面360，可使内容偏移角(e_vc)大于视角(e_v)，如(ii)所示。换言之，视角(e_v) 与偏移照相角(e一s)之间不一致。
例如，当e—v-i5。时，通过确定(e_D-e_c) =10°, e_vc变成 25。。换言之，减小了ejv与e—s (3o°《e—s"o。)之间的不一致性。
根据3D图像显示设备上的显示极限来限制内容水平面角
(e_c)。更具体而言，由内容水平面角(e_c)定义的内容水平面
360最好使其整个显示区都处于显示极限内。H. Hoshino， F. Okano, H. Isono和I. Yuyama在J. Opt. Soc. Am. A.， Vol.15,第 2059-2065页(1998) ， NHK中给出了详细内容。
可用(13)表示整个显示区都处于显示极限内这一显示条件
Hxcos(6 —D-e_C)xsin(e —D-e_C)《Df (13) 在该式中，H表示屏幕高度，或者换言之，表示显示表面136在 y轴方向的长度，而Df表示深度的极限。
已经参照图i3说明的与内容水平面角(e一c)有关的显示条件
(13)是使观察者将内容水平面识别为深度极限内的平面的条件，如 图14A中所示。换言之，它是使观察者识别处于显示表面136的顶 端140上的用于内容210的内容水平面的条件。
如果观察者实际上不必识别内容水平面为显示表面136的某一部 分上的平面，如图14B中所示，则使观察者识别内容水平面的范围 可以被限定在Df的范围之内。
例如，当呈现显示表面136的顶端140上所示的山脉或从内容水 平面升高的任何图像时，不必识别内容水平面。
在图14B的示例中，需要识别处于显示表面136的顶端140与底 端138之间的中点处的内容210周围的内容水平面。不过，在更靠近 顶端140的区域中，不必识别内容水平面。在此情形中，式(13)中
的h可以被赋予一个较小的值，从而可将内容水平面角(e一c)设置
得较大。
通过使内容水平面角(e_c)小于显示表面角(e_D)，可更加
有效地利用显示区。图15A到15C用于解释内容水平面与显示区之 间的关系，说明从观察者的眼睛观看时3D图像显示设备10的显 示。从x方向观看时显示单元130的横截面呈现于每幅图的右手侧。
图i5A表示用式(14)表示内容水平面角(e一c)与显示表面角 (e—D)之间的关系的显示。e—c<e—d (14) 确定内容水平面360，使其在底端138处与显示表面136相交。 将内容水平面360设计成在其顶端140侧低于显示表面136，顶端 140侧是距离观察者最远的一侧。利用这种配置，可从前端到后端完 全利用内容水平面360，不受包围显示表面136的框架的影响。图15B表示用式(15)表示内容水平面角(e_c)与显示表面角 (e一D)之间的关系的显示，并且显示表面136与内容水平面360相 一致。e_c = e_D (15)在这种布置中，显示表面136的顶部区域150中3D信息的顶部 与框架接触。从而，不能使用顶部区域150来显示3D信息等。图15C表示内容水平面角(e_c)与显示表面角(0_D)之间具 有(13)所示关系的显示，并且内容水平面360处于显示表面136的 后侧(在z轴的负方向)。在这种布置中，3D信息被隐藏在显示表 面136的底部区域152中的框架下面。从而，不能使用底部区域152 来显示3D信息等。通过按照满足式(14)所示关系的方式设置内容水平面360，如 图15A中所示，可更有效地使用内容水平面360。当满足以上显示条件时，可实现2D信息令人印象深刻且有效的 显示。从观察者的观点看，无论在垂直方向是否可得到视差信息，这 些显示条件都适用。当在垂直方向没有视差信息时，通过假设垂直方 向的观察位置来创建图像。当在垂直方向有视差信息时，也通过假设 主观察方向来创建图像。应当在这些条件下确定角度e一2D,以实现 图6B或7B的布置。在任一种情况下，在确定e一2D时都需要假设观 察方向。当如图16中所示要同时显示不同种类的2D信息时，可根据2D 信息的种类采用不同的2D信息角(0_2Da， 0—2Db)。从而，观察
者可根据2D信息片段如何出现来识别2D信息的种类。不过，应当 注意，这两个2D信息角(0一2D)都必须满足上述显示条件。
此外，可设立一个虚光源，从而可为2D信息的每一片段显示一 个阴影。图17表示具有阴影221和223的图标220和字符222。当 采用不同的2D信息角(e一2D)时，即使片段本身具有相同高度， 2D信息的片段也具有不同高度的阴影。换言之，2D信息的阴影的不 同长度有助于观察者识别2D信息的种类。
下面说明对于2D信息沿y方向移动的情况的显示条件。例如， 当在3D图像显示设备10上实现诸如汽车导航系统的地图显示系统 时，随着运输装置的行进，显示表面136上显示的3D图像和2D信 息从后侧朝向观察者流动。换言之，3D图像和2D信息的显示位置 沿y轴的负方向连续改变。2D信息角(e一2D)确定单元112根据在 y轴负方向的运动按照连续的方式改变2D信息角(0_2D)。
图18说明2D信息的显示位置(y坐标)与2D信息角(0—2D ) 之间的关系。在图19中，以不同的2D信息角(e_2D)显示2D信 息(图标)210的片段，这些不同的2D信息角(9_20)是基于图18 中所示的函数根据其显示位置而确定的。
图18的曲线图中的水平轴表示2D信息的显示位置。水平轴上的 y坐标为标准化值，显示表面136高度的一半，或者换言之，y方向 宽度的一半被设定为1 (y=l)。将显示表面136的中心的y坐标设 定为0。图18的垂直轴表示2D信息角(e一2D)与其最大值的比 值。可任意确定值e一2Dmax。
从后侧朝向前侧移动的2D信息的2D信息角(e一2D)，从 e_2D=6—C开始增加，如图18中所示。当移动到更靠近底端138 时，或者换言之当更靠近观察者时，2D信息210逐渐升高，如图19 中所示。在通过中心位置(y=0)之后，角9_20减小，从而当在显示 表面136的底端138处消失时，可防止2D信息由于框架的影响而受 到遮蔽。从而，2D信息被逐渐向后放，如图19中所示。
使从后向前移动的2D信息210根据显示位置发生这种移动。这
样可减小用于不需要引起注意的信息的区域与投影表面区域的比值， 结果，改善所需信息的显示效率。此外，观察者的注意力自然会被引 到应当被注意的内容。只要2D信息角相应于显示位置被唯一确定，则2D信息的显示 位置和2D信息角的函数就不局限于本实施例中所使用的函数。如果无论是否当在底端138处在前侧消失时2D信息似乎是通过 框架效果被看到的，2D信息都从后向前移动，如图20中所示。在点 7=-0.5周围，角度0一2D达到其最大值，之后，在显示2D信息时其角 度不发生改变。在图21中，描述了通过建立2D信息的显示位置与2D信息角之 间的关系而显示2D信息的另一示例。如图21的示例中所示，在与 参照图18和19所述的2D信息的方向相反的方向，2D信息可以被 抬高。当2D信息的显示位置沿y轴的负方向移动时，高度(h)确定单 元114按照连续的方式改变2D信息的高度。图22用于说明2D信息 的显示位置(y坐标)与2D信息的高度h之间的关系。在图23中， 用根据每个显示位置由图22中函数确定的高度来显示2D信息210。 在另一示例中，也可以根据y方向的运动按照连续方式改变立体物体 的高度。按照与图18的曲线图中的水平轴类似的方式，图22的曲线图中 的水平轴表示2D信息的显示位置。图22的垂直轴表示2D信息的高 度h与最大值hmax的比值，hmax可以被任意地确定。如图23中所示，当2D信息从后向前移动时，2D信息的高度逐 渐增加。在通过显示表面136的中心位置之后，当2D信息更靠近底 端138时，高度逐渐减小，从而防止2D信息通过框架效果被看到。按照与2D信息角相似的方式，根据显示位置来改变高度，从而 可减少投影表面上用于不必引起注意的信息的空间。作为处理高度(h)改变的方法，可改变2D信息的高度，或者可 改变z坐标同时保持2D信息的高度不改变。利用前一种方法，2D信 息看起来仿佛伸长和缩短。利用后一种方法，2D信息看起来仿佛从 内容水平面下面升起。高度(h)确定单元114对3D信息执行相同处理。换言之，3D 信息的高度由某一函数确定，并且根据3D信息的显示位置按照连续 的方式改变。第一实施例根据第一实施例，采用2D-II系统，并且使用透镜阵列。视差的 数量在垂直方向被设定为4个，在水平方向被设定为12个。换言 之，透镜的垂直宽度是子像素的高度的4倍，并且水平宽度是子像素 的水平宽度的12倍。内容水平面360与显示表面136 —致。将观察 距离设定为500毫米。当显示内容的空间频率为320cpr时，前端显 示极限(Dn )为16.9毫米，后端显示极限(Df)为18.1毫米。在这样配置的3D图像显示设备中，确定0一D-O。，并且在其中布 置主要包含字符信息的2D信息。考虑e—vsl0。，将字符和图标设置 成相对3D图像显示设备的显示表面形成15°角度。以这样的方式进 行多视图照相，使得在横截面y-z中，显示表面(x-y平面)与连接 多个照相机位置与3D图像显示设备的显示表面中心的直线所形成的角度e一s-io。。结果，实现如图7B中所示的2D信息的显示。即便对于2D信 息，该技术也能改善显示效果。 第二实施例根据第二实施例，采用1D-II系统，并使用倾斜透镜。倾斜透镜 是微透镜板的透镜的脊与y轴形成某一角度的透镜板。光学控制元件 134的长轴与2D信息显示板132的垂线所形成的角度e满足 0=arctan(l/4)。通过从y轴倾斜透镜，可将垂直方向的分辨率部分切 换成水平方向的分辨率(例如，专利文献JP2005-258421A)。从 而，尽管半圆柱形透镜的水平宽度是子像素的水平宽度的12倍，也 可以将视差的数量设定为16。观察距离为450亳米。当3D图像显示设备上所显示内容的空间频率被设定为320cpr 时，前端显示极限(Dn)为20.0毫米，后端显示极限(Df)为22.0 毫米。3D图像显示设备以设置e一D-20。的方式朝向观察者倾斜。从 而，为了使内容水平面满足显示表面极后端处的显示极限，通过式(14)来计算角度ej::207.0[mm] x cos(20° - 6_C)x sin(20° - 9一C) S 22[mm] 获得满足以上条件的24°角。在这种布置中，为了将俯角设定为60°,以这样的方式进行多视 图照相，使得在横截面y-z中，显示表面(x-y平面)与连接多个照 相机位置和3D图像显示设备的显示表面中心的直线所形成的角度 (e一s)满足9—S = 24° (= (90。 - 0—F) _ (e一D - e—C) = (90。 - 60°) - (30° - 24。》 在这种布置中，以e一2D-70。来配置诸如字符信息和图标信息的 2D信息，使得满足e_2D>(90°_e_S)=66° 由此实现图7B中所示的显示。由于这种配置的3D图像显示设备， 可实现令人印象深刻的2D信息显示。第三实施例根据第三实施例，采用多视图系统，并使用垂直透镜。视差的数量为12个，并且观察距离为500毫米。由于在多视图系统中，光聚 焦点处于观察距离处，确定透镜的水平宽度使其略小于子像素的水平 宽度。采用12个多视图照相机，以便与视差的数量一致。当3D图 像显示设备上所显示内容的空间频率为320cpr时，前端显示极限 (Dn)为16.9毫米，而后端显示极限(Df)为18.1毫米。3D图像 显示设备以角度e一D-25。朝向观察者倾斜。此外，为了使内容水平面 与显示表面极后端处的显示极限相一致，得到满足式(14)的 9_C=20。207.0[mm] x cos(25。 - 6—C)x sin(25° - 6—C)《18.1[mm]在这种布置中，为了将俯角设定为55°,在横截面y-z中，通过 确定显示表面(x-y平面)与连接多个照相机位置与3D图像显示设
备的显示表面中心的直线所形成的偏移照相角(e一s)如下，进行多视图照相e_S = 30° (= (90°-e一F)-(e_D-e—C)=(卯°_55。)_(25°-20°)) 在这种布置中，将e一2D设定为62。，使得将诸如字符信息和图标 信息的2D信息被设置成满足e—2D>(90°_e—S)=60°从而实现图7B中所示的显示。由于这种配置的3D图像显示设 备，可实现令人印象深刻的2D信息显示。此外，基于图18，根据y坐标来改变用于字符和图标的2D信息 角(0_2D),其中将e—2Dmax设定为62。。结果，实现涉及图19中 所示改变的显示。从而，可有效地显示重要信息。第四实施例根据第四实施例，采用多视图系统，并采用倾斜透镜。确定倾斜 透镜为0-arctan(1/4)。由于该透镜，尽管其水平宽度与第三实施例相 同，提供是第三实施例的4/3倍的16个视差。观察距离为450毫 米。由于光聚焦点处于多视图系统中的观察距离处，多视图照相机的 数量与视差的数量一致，为16。当3D图像显示设备上所显示内容的 空间频率为320cpr时，前端显示极限(Dn)为20.0毫米，而后端显 示极限(Df)为22.0毫米。3D图像显示设备以角度9一0=15°朝向观察者倾斜。为了使内容水 平面与显示表面极后端处的显示极限相一致，由式(13)获得 e一C-9。207.0—] x cos(15° - 6—C)x sin(15° - 6—C)《22.0[mm] 在这种布置中，为了将俯角设定为60。，在进行多视图照相时， 将横截面y-z中显示表面(x-y平面)与连接多照相机位置与3D图像显示设备的显示表面中心的直线所形成的偏移照相角(e一s)确定为0 一 S = 24° (= (90° - 6_F) - (9—D - e_C) = (90° _ 60°)- (15° - 9。》 在这种布置中，将e一2D设定为70°,从而将诸如字符信息和图标
信息的2D信息布置成满足6—2D>(90°_e—S)"6。从而实现图7B中所示的显示。由于这种配置的3D图像显示设 备，可实现令人印象深刻的2D信息显示。此外，根据屏幕上的y坐标来改变2D信息。更具体而言，按照 与图18中所示角度0一2D的改变相同的方式改变H。结果，实现涉及 图23中所示改变的显示，并且可有效显示重要信息。已经参照实施例描述了本发明。不过，可为这些实施例增加多种 改变和变型。一种变型为，当预先确定满足上述显示条件的2D信息角 (0—2D)时，3D图像显示设备10可保持该2D信息角(e_2D)， 并使用其显示2D信息。本领域技术人员易于想到其它优点和变型。从而，广义而言，本 发明不限于此处示出和描述的具体细节和代表性实施例。因而，可作 出不背离所附权利要求及其等价物限定的总体发明构思的精神或范围 的多种变型。
权利要求
1.一种在至少在一个方向上产生视差的3D图像显示设备上显示3D图像的方法，包括由显示单元以这样的方式显示被观察者观察为2D内容的2D信息，使得该2D信息的虚显示表面与实水平面所形成的2D信息角θ_2D满足θ_D＜θ_2D≤90°，其中，显示表面被设置成在实空间中与实水平面形成角θ_D，其中0°≤θ_D＜90°。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述显示单元以这样的方 式显示2D信息，使得当显示表面的垂线与在观察者的观察方向延伸 的直线所形成的视角为e—V且0。〈e—V〈90。时，2D信息角e—2D满足6 —D + 6—V26_2D。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，视角e一V满足0°<9_V<25° 。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中所述显示单元以这样的方式显示3D图像，使得实水平面与以在 用于创建3D图像的照相机的照相方向延伸的直线作为垂线的照相面对面所形成的角度e一so满足e—D〈e一so，其中o。<9—so<9o。，以及所述显示单元以这样的方式显示2D信息，使得2D信息角e一2D 满足6一S026 —2D。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述显示单元以这样的方 式显示2D信息，使得实水平面与作为在显示3D图像的虚3D空间中的水平面的内容水平面所形成的角度e一c满足0°<6 —C<6 —D。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述显示单元显示2D信息，使得满足H x cos(e — D - e_C) x sin(e — D - 6—C)《Df ，其中，H为显示表面的高度，Df为深度极限。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述显示单元以不同的 2D信息角9一2D显示不同种类的2D信息。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述显示单元将由预先假 设的光源投射的2D信息的阴影连同该2D信息一起显示。
9. 根据权利要求l所述的方法，其中2D信息角确定单元基于2D信息在显示表面上移动时2D信息的 显示位置来确定针对每个显示位置的2D信息角9一2D;并且所述显示单元在每个显示位置以所述2D信息角确定单元确定的 2D信息角e—2D显示2D信息。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述2D信息角确定单 元基于在显示表面的垂直方向上的所述显示位置来确定2D信息的 2D信息角e—2D。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中第一函数存储单元存储表示2D信息的显示位置与2D信息角 0一2D之间的关系的第一函数；并且所述2D信息角确定单元基于存储在第一函数存储单元中的第一 函数来确定针对每个显示位置的2D信息角0一2D。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述第一函数存储单元存储用于不同种类的2D信息的多个第一 函数；并且所述2D信息角确定单元基于与2D信息的种类相应的第一函数 来确定针对每个显示位置的该种类的2D信息的2D信息角e一2D。
13. 根据权利要求l所述的方法，其中高度确定单元基于2D信息在显示表面上移动时2D信息的显示 位置来确定在每个显示位置处2D信息的高度；并且所述显示单元在每个显示位置以高度确定单元确定的2D信息的高度显示2D信息。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述高度确定单元基于 在显示表面的垂直方向上的所述显示位置来确定2D信息的高度。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中第二函数存储单元存储表示2D信息的显示位置与2D信息的高 度之间的关系的第二函数；并且所述高度确定单元基于存储在第二函数存储单元中的第二函数来 确定在每个显示位置处2D信息的高度。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述第二函数存储单元存储用于不同种类的2D信息的多个第二 函数；并且所述高度确定单元基于与2D信息的种类相应的第二函数来确定 在每个显示位置处对于该种类的2D信息的2D信息的高度。
17. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述高度确定单元基于 3D信息在显示表面上移动时3D信息的显示位置来确定在每个显示 位置处3D信息的高度。
18. —种至少在一个方向上产生视差的3D图像显示设备，包括显示表面，被设置成在实空间中与实水平面形成角6_0，其中和显示单元，以这样的方式显示被观察者观察为2D内容的2D信 息，使得该2D信息的虚显示表面与实水平面所形成的2D信息角 0一2D满足
全文摘要
本申请涉及三维图像显示方法及设备。一种在至少在一个方向上产生视差的3D图像显示设备上显示3D图像的方法包括由显示单元以这样的方式显示被观察者观察为2D内容的2D信息，使得该2D信息的虚显示表面与实水平面所形成的2D信息角θ_2D满足θ_D＜θ_2D≤90°，其中，显示表面被设置成在实空间中与实水平面形成角θ_D，其中0°≤θ_D＜90°。
文档编号H04N13/04GK101155319SQ200710161380
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者土井美和子, 平山雄三, 福岛理恵子 申请人:株式会社东芝