专利名称：可调整立体效果的三维空间图像转换的装置及其方法
技术领域：
本发明是关于一种产生立体三维空间图像效果的装置及方法，特别是关于一种利用人类视差原理，将输入的图像转换成左图像和右图像，而使使用者感觉出立体三维空间图像的装置及方法。
一般熟知的显示装置均为二维空间，而使用者拍摄的图像为三维空间，因此该三维空间图像须先投影至二维空间后才可予以显示。但投影后的图像却只有X轴和Y轴的方向，缺乏代表深度值的Z轴方向，因此人眼无法感觉出三维空间立体感。
通常三维空间立体感是因使用者的左眼和右眼对一物体感觉到不同的距离远近所造成的。为了要在一个二维空间显示装置上营造三维空间的显示效果，最简单的方式就是利用两台摄影机，分别模拟人类的左眼和右眼来拍摄图像。但上述方式的制作成本过高，并不实用。另一种方式是利用一台摄影机拍摄，但电脑程序设计师须自行修改应用程序以产生一左图像和一右图像。而这种制作方式将造成电脑程序设计师很大的工作负担并且无法和既有的系统相容。
由以上的叙述可知，现行应用于三维空间电脑绘图的立体显示的方法和装置并不能符合市场的需要。
本发明的目的是为消除目前在立体三维空间显示的成本过高且无法和既有系统相容的缺点。为了达到上述目的，本发明提出一种可调整立体效果的三维空间图像转换的装置及其方法，以解决上述的缺点，该方法是利用人类的视差原理而让一使用者产生立体图像的感觉，首先输入一个经投影后的二维空间图像；该二维空间图像经计算后，分为一左图像及一右图像；该左图像及右图像再经由一着色机构输出至一显示装置；该左图像及右图像可经由例如一驱动软件产生，而和图像输入的形式无关，因此可和既有的系统相容，而电脑应用程序设计师亦无须增加额外的负担。
本发明亦可以硬件的方式制作，以加速显示的速度。例如，本发明可包括以一数据储存机构储存一输入图像；一左图像产生机构，连接于该数据储存机构，用于产生一左图像；一右图像产生机构，连接于该数据储存机构，用于产生一右图像；及一着色机构，连接于该左图像产生机构及该右图像产生机构，用于将该左图像和该右图像输出至一显示装置。
本发明将依照附图来说明，其中
图1是用于解释因人类双眼的视差造成三维空间立体感的原因；图2是以右眼观察一对象的相对距离的示意图；图3(a)是人眼和对象间的距离和左右图像和对象间偏移量的对应图；图3(b)是人眼和对象间的距离和Z缓冲的对应图；图4是一输入图像对应出左右图像的示意图；图5是根据本发明的一较佳实施例的流程图；图6是根据本发明的一较佳实施例的装置结构图7(a)是改变对象的深度值造成双眼在观察对象时的投影位置改变的示意图；及图7(b)是改变显示平面的位置而造成双眼在观察对象时的投影位置改变的示意图。
图1是用于解释因人类双眼的视差造成三维空间立体感的原因。其中显示平面11是指人眼观察到的图像的投影平面。以摄影机14的观点而言，对象(被拍摄体)12及13均会投影至该显示平面11的位置19，因此人们感觉不出对象12和13在深度上的差别，也就是说缺乏三维空间立体感。而若以人类左眼15的观点而言，对象12的深度在显示平面11之后，因此将投影在平面11的位置17，即显示在平面11的左半部(即和左眼同在摄影机14的左边)。对象13的深度在显示平面11之前，因此将投影在显示平面11的位置17′，即显示平面11的右半部(即在左眼的相反侧)。而若以人类右眼的观点而言，对象12的深度在显示平面11之后，因此将投影在显示平面11的位置18，即显示平面11的右半部(即和右眼同在摄影机的右边)。对象13的深度在显示平面11之前，因此将投影在显示平面11的位置18′，即显示平面11的左半部(即在右眼的相反侧)。由以上的叙述可知，若要表现出对象12及13的三维空间立体感，则必须模拟人类左眼和右眼观察一对象时在显示平面上投影点的位移。以上述的例子而言，就是要求出显示平面的位置17、17′、18及18’和摄影机14在显示平面11的投影点19之间的位移。
图2是以右眼观察一对象的相对距离的示意图。图2仅显示X轴及Z轴(即深度轴)，这是因为左右眼属于横向移动，因此可省略垂直方向的Y轴影响，图2中右眼16的位置和X轴的距离为d，和Z轴的距离为e；而一对象21的位置和X轴的距离为b，和Z轴的距离为a，右眼和对象21的连线在X轴(即显示平面11)的交点为点22，而摄影机14和对象21的连线在X轴的交点为点23。因此求得点22和点23间的距离即可得知右眼16和摄影机14在X轴的投影位移量。由熟知的三角函数计算可得知，点22和Z轴的位移为(a×b)/(b+d)，而点23和Z轴的位移为(b×e+a×d)/(b+d)；因此，点22和点23间的位移为(b×e)/(b+d)。同理，左眼15所感受的立体三维空间位移为-(b×e)(b+d)。
图3(a)是人眼与对象间的距离和左右图像与对象间偏移量的对应图；该距离是经过正交化，即以人眼和一远端切平面(farcllpping plane)的距离为1而以人眼和一近端切平面的距离为0。该远端切平面和近端切平面是指对象在深度上出现的最远和最近的范围，可由程序设计师或使用者自行定义。熟知的Z缓冲以下列方式表示Z_buffer＝(Z-N)×F/Z×(F-N)，其中N为该摄影机14和该近端切平面的距离，F是该摄影机14和该远端切平面的距离，Z是该摄影机14和该对象的距离，依图2的定义，Z可等于b+d，N可等于d，b可等于Z-N。因此，点22和点23间的距离可改写为Z_buffer×e×(F-N)/F。因为(F-N)/F的值趋近于1，所以点22和点23间的距离超近于Z_buffer×e。
图3(b)是人眼和对象间的距离与Z缓冲的对应图，因为点22和点23间的距离和Z_buffer间仅相差一个e常数，因此图3(a)和图3(b)的曲线特性将非常接近。
图4是一输入图像对应出左右图像的示意图；其中左图像42的X座标值为该输入图像41的X座标值加Z_buffer×e，而右图像43的X座标值为该输入图像的X座标值减Z_buffer×e。
图5是根据本发明的一较佳实施例的流程图。其中步骤51为输入一经投影后的二维空间图像。步骤52将该二维空间图像依图4的方法转换成模拟左眼和右眼所见的立体三维空间图像，该转换方式可以一驱动软件或以一硬件实现，步骤53为进入一三维空间着色处理，用于将该左图像42及右图像43输出至一显示装置。
图6是根据本发明的一较佳实施例的装置60的结构图，其是以硬件的方式产生该左图像42及右图像43，该装置包含一数据储存机构61、一左图像产生机构62、一右图像产生机构63及一着色机构64.该数据储存机构61用于储存一输入图像；该数据储存机构61并不限于特定的储存媒体，熟知的DRAM、SRAM、VRAM、暂存器或硬盘等均包含在内，该左图像产生机构62连接于该数据储存机构61，用于产生一左图像，该左图像的X座标是由该输入图像的X座标加(Z_buffer-K)×e，其中K为深度的调整值参数；若K＝0，则为图4所述的型式，该右图像产生机构63连接于该数据储存机构61，用于产生一右图像，该右图像的X座标是由该输入图像的X座标减(Z_buffer-K)×e，该着色机构64连接于该左图像产生机构62及右图像产生机构63，用于将该左图像和右图像输出至本发明的装置60外部的一显示装置65。
图7(a)及(b)为本发明的另一较佳实施例。其中加入一程序设计师或一使用者可自行调整的深度调整值参数K，使投影点22和投影点23间的距离变成(Z_buffer-K)×e，程序设计师或使用者可调整参数K或e，使一对象变远或变近。以图7(a)为例，一对象72相对于左眼和右眼在显于平面11的投影点为75和74，经放大参数e后，其投影在显示平面的投影点为75′及74′。经由投影点75′及投影点74′的聚焦效果，代表使用者感觉该对象是在距离显示平面11更远的位置71。使用者亦可调整参数K，使显示平面11变远或变近。
如图7(b)所示，原先一对象73位于一显示平面11的前方，其中该对象73相对于左眼和右眼在显示平面11的投影点为77和76。经放大参数K后，其在一显示平面11′的投影点变成77′及76′，代表使用者感觉该对象73变远了或显示平面11′变近了。值得注意的是，在调整参数K之前，右眼对对象的投影是在显示平面11的左半部，左眼对对象的投影是在显示平面11的右半部，在调整参数K后，右眼对对象的投影是在显示平面11′的右半部，左眼对对象的投影是在显示平面11′的左半部，通过上述投影所在位置的不同，人眼就会明显感觉到立体三维空间图像的变化。
本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的内容及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰；因此，木发明的保护范围应不限于实施例所公开的，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求范围所涵盖。
权利要求
1.一种可调整立体效果的三维空间图像转换的装置，应用于一具有一显示装置的三维空间电脑绘图处理系统中，是将一经投影后的二维空间图像转换为一三维空间立体图像，包含数据储存机构，用于储存一输入图像；左图像产生机构，连接于该数据储存机构，用于产生一左图像，该左图像的X座标是由该输入图像的X座标加(Z_buffer-K)×e；右图像产生机构，连接于该数据储存机构，用于产生一右图像，该右图像的X座标是由该输入图像的X座标减(Z_buffer-K)×e；及着色机构，连接于该左图像产生机构及该右图像产生机构，用于将该左图像和该右图像输出至该显示装置；其中Z_buffer为Z缓冲，是用于表示该输入图像的深度，K是调整深度值的参数，而e为使用者的双眼间距离的1/2。
2.如权利要求1所述的装置，其中Z缓冲可以下列方式表示Z_buffer＝(Z-N)×F/Z×(F-N)；其中N为拍摄该图像的一摄影机和一近端切平面的距离，Z是该摄影机和一远端切平面的距离，Z为该摄影机和一被拍摄物体的距离；该远端切平面和该近端切平面是指该被拍摄物体在该图像深度上出现的最远和最近的范围。
3.一种可调整立体效果的三维空间图像转换的方法，应用于一具有一显示装置的三维空间电脑绘图处理系统中，是将一经投影后的二维空间图像转换为一三维空间立体图像，包含下列步骤(a)输入一经投影后的二维空间图像；(b)该二维空间图像经计算后，分为一左图像及一右图像；及(c)该左图像及该右图像经由一着色机构输出至该显示装置。
4.如权利要求3所述的方法，其中步骤(b)的左图像的X座标是由该输入图像的X座标加Z_buffer×e，该右图像的X座标是由该输入图像的X座标减Z_buffer×e；其中Z_buffer为Z缓冲，是用于表示该输入图像的深度，而e为使用者的双眼间距离的1/2。
5.如权利要求3所述的方法，其中步骤(b)的左图像的X座标是由该输入图像的X座标加(Z_buffer-K)×e，该右图像的X座标是由该输入图像的X座标减(Z_buffer-K)×e；其中Z_buffer为Z缓冲，是用于表示该输入图像的深度，K是调整深度值的参数，而e为一使用者的双眼间距离的1/2。
6.如权利要求3所述的方法，其中步骤(b)的左图像及右图像是经由一驱动软件所产生。
7.如权利要求3所述的方法，其中Z缓冲可以下列方式表示Z_buffer＝(Z-N)×F/Z×(F-N)；其中N为拍摄该图像的一摄影机和一近端切平面的距离，F是该摄影机和一远端切平面的距离，Z为该摄影机和一被拍摄物体的距离；该远端切平面和该近端切平面是指该被拍摄物体在图像深度上出现的最远和最近的范围。
全文摘要
本发明公开一种可调整立体效果的三维空间图像转换的装置及其方法,其是使用一种简单实用的计算方式,模拟人类双眼的视觉效果而将输入图像分为一左图像及一右图像。经由该左图像和右图像的聚焦效果,一使用者即可感觉出该图像在深度上的改变,而产生立体三维空间图像的效果,本发明另提供多种参数,可方便使用者自行调整图像的深度值或一显示平面的位置等功能。
文档编号G06T15/10GK1369857SQ0110381
公开日2002年9月18日 申请日期2001年2月15日 优先权日2001年2月15日
发明者李润容, 叶国炜 申请人:矽统科技股份有限公司