专利名称：立体三维图像显示方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像显示方法及装置，具体说，涉及一种立体三维图像的显示方法及装置。
从使用者的立场来看，目前用来显示三维的计算机数据的显示器技术可分为两大类(1)透视图法在二维显示屏上以透视图法显示三维图像，及(2)景深显示技术在二维显示器上显示有景深的图像，例如激光全息摄影术(holography)或利用左右眼视角差异及特殊眼镜来产生景深。透视图法的缺点是缺乏真实的景深感，使用者使用鼠标在二维平面上定位容易，但要凭透视图法定深度(即与显示屏垂直的第三维)极困难。于是有各种景深显示技术企图克服此缺点。但是计算机激光全息摄影术需要巨大的计算器能力，技术尚未成熟；而左右眼视角差技术通常需要特殊眼镜，不适合多人多方向观看。此外，所有现存景深显示技术的视角(view angle)都极为有限。
目前已知的立体三维图像显示技术有数种类型。所谓立体三维图像(volumetric 3D image)是三维图像实际上占有的体积，其图像的每一个像素(voxel)在空间中实际所占的位置就是其几何上所应在的位置，每一个像素所发出的光线射向几乎所有方向，并在观察者的眼中形成实象。因此，观察者可以从几乎任何方向观看此立体三维图像，无需借助任何特殊眼镜。多位观察者可以围绕显像空间，从不同方向观看同一立体图像。将投影装置与计算机结合则可用来显示三维的计算机数据或图像，及三维图像的动画。应用范围包括三维医疗图像，立体雷达或声纳显示，及电子游戏显示器等。下面概述其各种类型。
变焦镜(Varifocal Mirror)技术为早期发展的代表。变焦镜系统包含一固定的二维显示器，如阴极射线管，及一面来回移动的镜子。使用者自镜中观看二维显示器的虚像。虚像在镜中的周期性移动形成一显像空间。将一组二维画面按顺序连续显示在二维显示器上，二维画面遂一张接一张地按顺序于显像空间中的不同位置显像。通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张二维画面在人眼中形成一立体三维图像[参阅特劳巴(Traub)1967]。不过由于是观看镜中虚像，此技术的观看角度甚窄。
第二种技术则直接移动或转动一个二维显示器，如一块装满发光二极管矩阵的电路板，然后随电路板移动到不同位置控制发光二极管矩阵图形。由于视觉暂留效果，所有显像于空间中的光点即形成一立体三维图像[伯林(Berlin)1973]。此技术的最主要缺点为高速移动或转动一电子显示器易造成可靠度问题。其解像度也受限于发光二极管的体积。将数据自计算机或其它仪器传送到移动显示器上还存在信号接口的问题。
另一种技术使用一束或一束以上激光束去扫描一个高速移动或转动的屏幕，激光束与屏幕的交会点即是一个不断在空间中快速移动的光点。以计算器程控来调控光点在空间中扫描的路径，利用视觉暂留效果，可以产生立体三维图像[克利夫顿(Clifton)1993；加西亚(Garcia)1989；加西亚和威廉(Garcia and Williams)1991；索尔坦等人(Soltan et al.)1998；巴奇科(Batchko)1992]。此技术的缺点是图像的复杂度受限于激光扫描技术的速度。工业安全因素也限制可用的激光光度。
还有一种技术是使用电子束去扫描一个镀了磷的移动屏幕，即类似一个有移动屏幕的阴极射线管。另一种方法是用两束交会的激光束或电子束去扫描一团对光或电敏感的发光气体或固体[罗卫(Rowe)1977；唐宁等人(Downing et al.)1996；科里瓦(Korevaar)1989]。使用两束頩率不同的激光束交会于光敏气体或固体中的技术简称为“二步能阶”原理(principle of 2-step excitation)，因第一束激光将光敏材料激发到一中间能阶，第二束激光再将材料激发到第二能阶，在第二能阶的光电效应才放出可见光。此类“点扫描”技术与所述激光光点技术有类似的缺点。
另一类技术扬弃所述的“点扫描”方法，采用“整张画面”显示法。所述早期发展的变焦镜技术可视为一例。另一种方法是把许多片穿透式平面显示器(例如液晶显示器)叠在一起，成为一立体显示器。[哈托里(Hattori)1992；萨多维尼克(Sadovinik)1998]但由于平面显示器有一定厚度，在一定空间中能叠入的数量有限，因此这种方法的图像分辨率也有限。另一种方法是使用一弯曲成漩涡形的屏幕，如
图1所示。它以漩涡轴心101为轴线旋转时，漩涡形的屏幕102即可扫过一显示空间103。然后以一投影机将一张张的二维画面投影在扫过该空间的屏幕上[蒙蒂伯勒(Montebello)1969]。不过限于投影机的焦距深(depth of focus)有限，此法能产生的显示空间的深度也有限。另一种机构则使用一扭曲成螺旋状的屏幕，如图2所示。它绕轴线201旋转时，螺旋状的屏幕202即可扫过一显示空间203。然后以一投影机将一张张的二维画面投影在扫过该空间的屏幕上。为克服焦距深的限制，一种方法是用一合成像透镜(anamorphic lens)来匹配螺旋状屏幕的焦距深的巨大差异[莫顿(Morton)1990]。不过合成像透镜制造组合极复杂，且成像品质不如一般投影透镜。另一种方法则是以平行光束将一张张的二维画面直接投影在移动屏幕上[汤普森(Thompson)1996]。因平行光束不受焦距深限制。但要产生平行光束，必须使用激光光为光源，或使用施利伦(Schlieren)投影光学设计。二者能源效率都较低，故商业成本高。
为克服以上各种技术的缺点，本申请案的发明人曾发明了“移动屏幕投影技术”。其基本原理为使用一“图像传递机构”将来自投影机的图像画面传递到移动屏幕上，使屏幕运动时，投影其上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因屏幕运动而改变，其方位则与屏幕的方位保持同步。如此则产生二维画面的投影机可以使用一般投影透镜及光源，不需平行光束，也不需合成像透镜。“移动屏幕投影技术”的内容可见于美国专利第5,754,147号及第5,954,414号[楚奥等人(Tsao et al.)1998；楚奥(Tsao)1999]。本申请案为“移动屏幕投影技术”的进一步改进因此，本发明的目的是提供一种具有简化的运转稳定及顺畅的运动机构的立体三维图像显示方法和装置，以提供更好的立体三维图像品质和有具彩色及灰度(gray scale)的立体三维图像并可以更自然的方式与立体三维图像互动。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，一种立体三维图像显示方法，其特点是它包括(1)使一显像平面绕一轴线旋转，且保持此显像平面面对一固定方向；(2)按顺序在所述显像平面上连续显示一组二维图像画面；(3)使所述显像平面的运动形成一显像空间，所述二维画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张二维画面形成一立体三维图像。
为实现上述目的，根据本发明的另一方面，一种立体三维图像显示方法，其特点是，它包括(1)按顺序连续显示一组二维图像画面；(2)通过一图像传递步骤将所述二维图像画面投影在一往复运动的显像平面上，使投影在显像平面上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因显像平面运动而改变；所述图像传递步骤使用一组绕一轴线公转但不自转的反射镜，其位置按显像平面位置变动而改变；或使用一组包涵一可变焦凹平凸反射镜的投影装置，其焦距按显像平面位置变动而改变；(3)使所述显像平面的运动形成一显像空间，所述二维画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张二维画面形成一立体三维图像。
为实现上述目的，根据本发明的又一方面，一种立体三维图像显示方法，其特点是，它包括(1)按顺序连续显示一组单色二维图像画面；(2)将所述二维图像画面投影在一快速移动的屏幕上；所述屏幕具有彩色像素组图案，前述单色二维图像投影其上，成为彩色二维图像而显示在屏幕上；(3)使所述屏幕的运动形成一显像空间，所述彩色二维图像画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张彩色二维画面形成一彩色立体三维图像。
为实现上述目的，根据本发明的再一方面，一种用立体三维图像来显示具有彩色或灰度的曲面的方法，其特点是，它包括(1)将所述曲面的数据分解为数个次曲面的数据，每一个次曲面各有一不同的颜色或不同的像素密度分布，但形状与原曲面相似；(2)将所述次曲面的数据，用立体三维图像显示在显像空间中，并使所述各次曲面的立体三维图像紧密叠合。
为实现上述目的，根据本发明的另一方面，一种的立体三维图像显示装置，其特点是，它包括(1)一能显示立体三维图像的装置；(2)一凹面镜；以及(3)一三维定位及输入装置。
为实现上述目的，本发明的又一方面，一种与立体三维图像互动的方法，其特点是，它包括(1)使用一立体三维显示器显示一立体三维图像；(2)使用一操纵器供使用者持用；(3)以数字数据定义所述操纵器的虚拟端的几何参数；(4)使用一三维定位及输入装置，实时量测所述操纵器的位置与座向；(5)计算所述虚拟端的位置与座向；(6)将所述虚拟端按其位置与座向，显示于所述立体三维显示器中；(7)以计算器程序处理所述虚拟端的图像与所述立体三维图像的互动。
本发明的产生立体三维图像的方法及装置，为“移动屏幕投影技术”的改进。“移动屏幕投影技术”的基本原理为使用一光学机械的“图像传递机构”，将一组二维画面，依顺序连续投影在一快速移动的屏幕上，使屏幕运动时，投影其上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因屏幕运动而改变。此屏幕在空间中的周期性移动形成一显像空间。被投影的二维画面于是一张接一张地按顺序于显像空间中的不同位置显像。由于视觉暂留效果，所有显像于空间中的一张张二维画面即形成一立体三维图像。观察者可以从几乎任何方向观看此立体三维图像，而无需借助任何特殊眼镜。
本发明的移动屏幕机构为“旋转往复机构”，基本原理为使屏幕绕一轴线公转，但不自转；公转时屏幕的表面保持面对一固定方向，这样，屏幕的旋转运动可涵盖一长方体显像空间，屏幕实质上是在此空间中往返运动。可产生“旋转往复”运动的机构有许多，主要机构为使用一组旋转臂来带动屏幕。
“旋转往复机构”也可用来直接移动一个平面显示器，如一片装满发光二极管矩阵的电路板，或一片高分子发光二极管显示器[organic light emitting display，OLED]，来产生立体三维图像。
本发明的两种“图像传递机构”，其第一种使用一组可移动反射镜，其位置按屏幕位置变动而改变，以补偿投影光程的变化，因此投影在屏幕上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因屏幕运动而改变。反射镜的运动使用所述“旋转往复机构”。第二种使用一可变焦凹平凸反射镜，其焦距按屏幕位置变动而改变，与投影透镜配合使时具有变焦镜头的功能，因此投影在屏幕上的图像画面、其尺寸及聚焦情况可不因屏幕运动而改变。
本发明的显示彩色或灰度图像的彩色投影法，其基本原理是将彩色像素组置于投影屏幕上，而非显示面板上，这样，投影机只需投射单色(白色)光图像。单色二维图像投影到屏幕上后才显示出彩色。另外，利用位于三维曲面的表面以下的多余像素，可增加物体立体三维图像的彩色或灰度。其方法是将欲显示的彩色曲面的数据，分解为数个次曲面的数据。每一个次曲面各为一不同的颜色，但形状与原曲面相似。然后在显像空间中，将各次曲面紧密叠合，即可重现原曲面的彩色。
本发明也提出两种改进的系统人机接口，让使用者能以更自然的方式与立体三维图像互动。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例的立体三维图像显示的方法和装置进行详细说明。
图1为现有的使用一弯曲成漩涡形的屏幕的方法；图2为现有的一种使用一扭曲成螺旋状的屏幕的机构；图3为示出现有的“移动屏幕投影技术”产生立体三维图像的基本概念的示意图；图4是示出滑动曲柄机构移动屏幕的装置的示意图；图5a-5f为本发明的“旋转往复屏幕”的原理与机构之一的示意图；图6a-6c为本发明的“旋转往复屏幕”机构之二的示意图；图7b-7d为本发明中用移动反射镜组作为图像传递机构的原理与三种装置、方法的示意图；图8是用“旋转往复”机构移动反射镜组的装置、方法之一的示意图；图9a-9d是用一组“旋转往复”机构移动反射镜组与屏幕的原理与装置方法之一的示意图。
图10a-10b是用“旋转往复”机构移动反射镜组的装置、方法之二的示意图，该装置和方法用以修正显像空间的形状；图12a-12c是本发明中用变焦镜作为图像传递机构的原理与二种装置方法的示意图；图13是本发明的“旋转往复机构”直接移动一个平面显示器的装置、方法的示意图14是本发明中用具有彩色像素组的屏幕产生彩色图像的方法的示意图。
图16是本发明的显示彩色的“次曲面法”的示意图；图17是本发明的人机系统装置、方法之一的示意图；图18是本发明的人机系统装置、方法之二的示意图。
首先概述广义的“移动屏幕投影技术”的基本概念。如图3所示，其系统包含三个主要部份(1)移动屏幕图像显示屏(简称屏幕)11的周期性运动形成一显像空间12。屏幕基本上有两种运动方式往复式或旋转式。例如一长方形往复式屏幕可形成一长方体状显像空间，旋转式则形成一圆柱状显像空间。屏幕由半透明材料制成，故投影画面在屏幕两面皆可看见。
(2)图像传递机构图像传递机构13的功能为将来自投影机的投影光束14(其内容为一组二维图像画面14a)传递到移动屏幕上，使屏幕运动时，投影其上的图像画面，其尺寸及聚焦情况皆不因屏幕运动而改变，其方位则与屏幕的方位保持同步。箭号17表示投影光束投向屏幕的投射方向。
(3)图像产生及投射装置(简称投影机)投影机15用来产生形成立体三维图像的一张张二维画面14a，并将的投射于屏幕11上。投影机位置固定，其投射出的二维画面则通过图像传递机构13与运动屏幕达成同步。
将一组二维画面，例如一车体的各截面轮廓曲线14a，经过图像传递机构，依顺序连续投影在移动屏幕上，则可使该组二维画面一张接一张地依顺序于显像空间中的不同位置显像16。由于视觉暂留效果，这些显像于空间中的一张张二维画面即在人眼中形成一立体三维图像。观察者可以从几乎任何方向观看此立体三维图像，无需借助任何特殊眼镜。所述三个主要部份，每个部分各有多种可能的装置，因此系统也有多种可能的组合。
移动屏幕有多种可能的装置。为方便叙述起见，往复式移动的定义，包括双向往返运动，也包括周期性单向扫动。双向往返运动，现成的例子可以用滑动曲柄机构，如图4所示。滑动曲柄机构需由曲柄411经连杆412及滑槽(或线性轴承)413，才能将旋转运动变为往复式移动，因此较为复杂。周期性单向扫动，则可以图1与图2所示为例。漩涡形屏幕与螺旋状屏幕则只须简单的旋转运动即可形成往复式移动屏幕，不过整个屏幕只有一小部分面积可用。本申请案提出一新颖的移动屏幕机构，称为“旋转往复机构”。如图5a与5b-5d所示，基本原理为取一平坦屏幕11，使其绕一轴501公转，但不自转；亦即，公转时屏幕的表面保持面对一固定方向(z方向)。如此则屏幕的旋转运动可在z方向涵盖一长方体显像空间12。若观察屏幕与此空间交集的部分，则屏幕实质上是在此空间中往返运动，如侧视图5b-5d三幅连续动作图所示。故称为“旋转往复机构”。此运动方式的优点是以纯旋转机构产生实质的屏幕线性往返运动。机构简单可靠，投影17也较容易。由于屏幕的运动方式，其全长度须大于显像空间12的宽度，才能在任何位置皆涵盖投影光束。
可产生所述“旋转往复”运动的机构自然有许多。图5a示意装置范例之一。主要机构为两对同步旋转的旋转臂510a-510d(图中画成圆盘状)。两对旋转臂可装子一机台上(机台略去未画出)，分别绕其中轴502及503旋转。屏幕11固定于一支持结构520上，支持结构的两端分别装于一支杆522上，支杆则经由转动轴承524与两对旋转臂相联。当两对旋转臂绕其中轴502及503旋转，屏幕支持结构与屏幕随的转动，可在一长方体显像空间12中呈往返运动。每一旋转臂皆可配以适当配重530，以使旋转平衡顺畅。图5f示意保持两对旋转臂同步旋转的机构。左右各一组正时皮带及齿轮系统540使同侧的旋转臂(如510a与510c)保持同步。左右两侧的同步则靠一共轴550。一电动机560可由此共轴带动整个机构。使用“旋转往复机构”时，屏幕装在屏幕支持结构上的角度可视需要决定，如图5e所示，其屏幕坐向与图5a不同。
图6a-6c示意采“旋转往复机构”的移动屏幕的装置范例之二。图6a为机构的剖面示意，图6b为正面示意。主要机构为一旋转臂610。旋转臂装于一机台600上，绕中轴603转动。中轴上有一正时皮带齿轮605。中轴与正时皮带齿轮皆固定于机台，不转动。旋转臂的一端有一突出轴6101，轴上有第二正时皮带齿轮620，可旋转。两正时皮带齿轮620与605的直径/齿数相同，两者间以一正时皮带630相连。屏幕11与支持结构621则固定于第二正时齿轮620上。如此，则当旋转臂旋转时，第二正时齿轮不自转，屏幕的表面保持面对一固定方向。与图5a与5f相同，保持平衡的配重530可置于旋转臂的另一端，旋转臂的运动可由一组正时皮带640及固定在旋转臂上的齿轮6102来传动。此装置范例可有另一变形，即除去正时皮带630，然后在齿轮605与齿轮620的间加一惰齿轮，该惰齿轮的轴立于旋转臂上，其齿各与齿轮605与620相咬合，也能达成相同功能。
“旋转往复机构”也可用来直接移动一个平面显示器，如一片装满发光二极管矩阵的电路板，或一片高分子发光二极管显示器[organic light emitting display，OLED]，来产生立体三维图像。如图13所示范例，平面显示器2001装在支持结构520上，然后以两对旋转臂带动，类似图5a的机构。与旋转往复屏幕一样，平面显示器的全长度也须大于显像空间12的宽度。构成立体三维图像的每张二维画面16必须显示于平面显示器上的不同位置，以对应平面显示器运动到不同的位置，如图13左方所示平面显示器走至不同位置的情形。
如果要使用“二步能阶”原理来产生立体三维图像，则不需实体屏幕。屏幕可以是一平面光束与一团光敏材料的交集平面。此平面光束的頩率可将光敏材料激发到中间能阶。而投影机的投影光须为第二屏頩率，将材料激发到第二能阶，由第二能阶的光电效应遂放出可见光。要使一平面光束在一团光敏材料中往复扫动，可使用扫描镜及抛物面镜等方法，自为娴熟光学机械工艺人士所知，不需细述。
图像传递机构可分为两类。第一类是移动反射镜组。其原理是将一反射镜组置入投影机到移动屏幕的光程中，反射镜组与屏幕同步往复运动，但其速度为屏幕的二分的一，因此补偿了投影机到移动屏幕的光程变化，使投影屏幕上的图像画面，其尺寸及聚焦情况皆不因屏幕运动而改变。图7a示意[Tsao 1999]美国专利5,954,414号中所述的一例。投影机显示器1501所产生的二维图像，由透镜1502投射，经一反射镜组1301与1302反射，投影在移动屏幕11上。显示器与透镜不动。反射镜1301与1302间成90度。投影光程702与屏幕行程701方向平行。屏幕行程在11至11A的间返复，形成长方体显像空间12。反射镜组与屏幕同步往复运动，但其速度及行程为屏幕的二分之一，在1301至1301A(及1302至1302A)的间。因此，由投影机至屏幕的光程保持不变。使用所述图像传递机构，遂可将“整张画面”连续投影于屏幕上来产生立体三维图像。图7b示意装置范例之二，此装置只用一面移动反射镜1300，投影光束到移动反射镜的入射角加反射角成一角度，因此显像空间的两个面呈平行四边形12。又因此一角度的原因，反射镜移动造成的光程差会比反射镜行程的2倍稍大，因此为求最佳效果，应视需要缩减反射镜行程。图7c示意装置范例之三，此装置使用一组位置固定的全反射棱镜1303来缩小投影光束702到移动反射镜的入射角与反射角，因此显像空间可较接近长方体。图7d示意装置范例之四，此装置使用一偏分光棱镜(polarizing beam splitter)1307，可以将投影光束到移动反射镜的入射角与反射角降至0度，因此显像空间可成正长方体。在此装置中，进入偏分光棱镜的投影光束最好是已经过偏光，例如一般以液晶为原理的显示器的图像皆已经过偏光。在此情况下，偏分光棱镜与移动反射镜的间必须使用一四分之一波长波阻器(quarter waveretarder)1305。又应选择投影光束的偏光轴向，使投影光进入偏分光棱镜后，反射至移动反射镜1300。又应选择四分之一波长波阻器的轴向，使投影光往复两次通过四分之一波长波阻器后，偏光轴向转90度，可以通过偏分光棱镜，抵达屏幕。
移动反射镜组的运动可采用与屏幕运动类似的机构，例如类似图4的滑动曲柄机构，或类似图5a的“旋转往复机构”，其构造方法可将所述机构中的屏幕及支持结构改为适当的反射镜组及支持结构即可。例如反射镜组为直角双镜时(图7a所用)，“旋转往复机构”的装置可如图8所示，将双镜置于支持结构520上。
移动反射镜组的运动与屏幕运动的间的同步协调，自然可用各种机构来实现，如用齿轮或正时皮带等，此为娴熟机械工艺人士所知，不需细述。惟反射镜组运动与屏幕运动皆使用“旋转往复机构”时，两者的“旋转往复机构”可以结合并简化。图9a与9b示意一移动反射镜1300与移动屏幕11装在同一组旋转臂上的情形。图9a为剖面示意，图9b为正面示意。图9c示意机构转至最高点，图9d示意机构转至最低点。旋转臂910a与910c与图5a中的旋转臂相似，但其上有一延伸结构包涵一短轴912，短轴上一延伸臂914向旋转臂轴心901方向延伸，延伸臂再有一短轴916，以上皆固定于旋转臂本体。短轴912经轴承(未画出)与屏幕支持结构520两端相联。短轴912至轴心901半径为R，因此当旋转臂旋转时，屏幕往复移动行程为2R，如图9c与9d所示。延伸臂短轴916则以轴承(未画出)与支持结构920两端相联。结构920与结构520类似，惟其上装置反射镜1300。延伸臂短轴916至轴心901半径为1/2R，因此当旋转臂旋转时，反射镜往复移动行程为R，如图9c与9d所示。简言的，使用延伸结构，可使一组旋转臂同时具有两个不同的运动行程，一个用来运动屏幕，一个用来运动反射镜，达到光程补偿的效果。例如，902示意一可用的投影路径，此路径与图7b类似。
在图7b与7c所示的装置方法中，因投影光束到移动反射镜的入射角大于0度，显像空间的两个面呈平行四边形而非正长方形。这是因为反射镜往复移动时，镜面保持平行的结果。如果在反射镜往复移动时，使镜面转动，则可改变投影画面在屏幕上的位置，亦即可以修正显像空间的形状，使的更接近正长方体。图10a示意图7b的装置方法经过此改变后的情形，反射镜由最低点1300A走向最高点时，微微向逆时针方向转动，使反射后的投影路径703与最低点时的投影路径703A不再保持平行，故能修正显像空间的形状。反射镜所需转角则视实际系统光程而定，例如图10a中，若最高点投影路径703与最抵点路径703A的间角度为t，则反射镜由最低点走向最高点需转1/2t。至于转动反射镜的方法，自然也有多种机构可用。图10b示意使用“旋转往复机构”时，转动反射镜的方法，即是使用两组旋转半径不同的旋转臂，一组在前1010a，一组在后1010c。由于前后旋转臂旋转半径不同，反射镜支持结构1020运动时，其前轴1021与后轴1022的间距会有显著变动，应留空间准其游移，如使用一小滑槽1024。
第二类图像传递机构是变焦光件组。其基本原理是使用能快速改变焦距的光件组，来调整投影机投出二维画面的成像距离与放大率，以配合屏幕的远近运动。此类图像传递机构与投影机的图像投射部份实已成不可区分的一体。图11示意[Tsao 1999]美国专利5,954,414号中所述的一例，主要使用一变焦镜头1101，可将投影机显示器1501所产生的二维图像投射到远近运动的屏幕上，并维持放大率不变。实际装置可用一数值控制器1103，依据传感器1104传来的屏幕距离数据，控制变焦镜头的制动器1102。
除变焦镜头外，其它变焦光件亦可应用，或与固定焦距投影镜头配合使用。变焦光件范例的二是发明背景一节中提过的变焦镜(Varifocal Mirror)。变焦镜是一薄膜反射镜，其镜面曲度可以快速改变，成为平面，凹面，或突面镜。其详细构造可参阅[Rawson 1969]。图12a以几何光学示意变焦镜的光学功能。当镜面是平面1203f时，位于O的物体9成虚像9f于O’，OM＝O’M。当镜面成凸面1203x时，Fx为凸面镜的焦点。物体9成虚像9x于X，OM＞XM，像高小于物高。当镜面成凹面1203v时，Fv为凹面镜的焦点，物体9成虚像9v于V，OM＜VM，像高大于物高。由上可知，变焦镜改变镜面曲度可以同时改变成像的距离与大小，且两者相关。利用此功能，变焦镜可与固定焦距镜头合用，达到变焦镜头的效果。图12b示意装置方法之一，主要是将变焦镜1203置入显示面板1501到投影透镜1502的光程中。由于变焦镜是反射式光件，因此需藉一全反射棱镜1 204来安排光程。在此安排下，控制变焦镜曲度即可控制显示面板到投影透镜的光程长度，也控制显示面板相对于投影透镜的大小。因此，当变焦镜成凸面时，显示面板变小且靠近投影透镜，投影成像变远，如位置B。当变焦镜成凹面时，显示面板变大且远离投影透镜，投影成像变近，如位置A，此时成像放大率也变小，但因显示面板变大，结果成像尺寸仍可与位置B相同。凡此光程与光件参数皆可依几何光学计算得到，不需细述。图1示出装置方法之二，主要是将变焦镜1203置入投影透镜1502至移动屏幕11的光程中。在此安排下，由于投影透镜也受变焦镜的作用，所以使用一制动器1200来调节显示面板1501到投影透镜的距离，以增加一可控变量。广义而言，凡可变焦的凹平凸面镜皆可达成以上功能，不必限于变焦镜原本的构造。
图像产生装置原则上可以包括任何图像显示装置，如投影式阴极射线管及投影式液晶显示器等。图像投射装置则包括投影透镜与光源，或其它图像投射装置如激光与激光束扫描装置等。如欲充份利用“整张画面投影”的特点来产生复杂立体三维图像，则图像产生装置必须有高画面再生率(frame refresh rate)及容许高亮度。有数种图像产生装置符合以上要求，包括发光二极管，铁电性液晶(ferroelectric liquid crystal，简称FLC)显示器[参阅克拉克(Clark)1981]，数字微镜显示器(digital micro mirror device，简称DMD)[参阅米格纳蒂(Mignardi)1994]，及薄膜微镜显示器[thin-film micro mirror array，简称TMA][参阅金和赫望(Kim andHwang)1999]等。
以上图像产生装置，除发光二极管与激光外，显示器本身没有颜色。要产生彩色图像，依一般显示器工艺，有两类方法。一是使用三片显示面板，如三片液晶面板，每片分别投以不同颜色的光(如红，绿，蓝三原色)，然后将三个不同颜色的画面投影重叠在一起。另一方法是使用具有彩色像素组(color triads)的显示面板，例如彩色液晶显示器常以一层或数层具有微小彩色滤光片列阵的薄膜，叠在无色的液晶面板上，以产生颜色。二法自为娴熟显示器工艺人士所知，不需细述。惟在液晶面板上制作彩色像素组程序复杂。为达以投影产生立体三维图像的目的，本发明提出一新颖的彩色投影法。其基本原理是将彩色像素组置于投影屏幕上，而非显示面板上，如此则投影机只需投射单色(白色)光图像。单色二维图像投影到屏幕上后，才显示出彩色。如图14所示，屏幕1411可用一半透明材料1452，镀上或贴上一层具有彩色滤光片列阵的薄膜1451(图中所示为重复的红R绿G蓝B条纹)。投影机投射的图像由白色光点1460组成。白色光点落在红条纹上即成红光点1460R；落在绿或蓝条纹上即成绿或蓝光点，即1460G或1460B。另一制作屏幕的方法则是直接用具有彩色像素组图样的半透明材料当作屏幕。此法最重要的是投影机投射的白光图像必须对准正确的彩色像素组，才能在屏幕上重建正确的彩色画面。虽然在“移动屏幕投影技术”中，屏幕不断移动，不过其运动都是周期性可重复的。因此，任何时间屏幕与投影机的相对位置都是可知的。如此，投影机的在屏幕上的投影位置与彩色像素组图样的相对位置也是可知的。只要掌握此相对位置，就可以适当安排投射的白光图像内容，对准正确的彩色像素组，在屏幕上重建正确的彩色画面。
利用立体三维图像的特质，可以一种新的方法在显像空间中组合像素，产生更多的彩色或灰度。根据我们的实验观察，立体三维图像最适合表达三种基本几何形式的空间分布关系稀疏的点集合，曲线(包括直线)，及曲面(包括平面)。在很多情况下，三维物体可以用曲面来显示。因为在空间中显示一三维物体只需用像素表达物体的表面即可，不必理会其内部。例如图15示意在空间中显示一长方体，只需以像素显示其六个表面即可(图中画出三个表面151-153)，其内部的像素皆未用到。此一特质是二维显示器所没有的。此一特点让我们可以利用位于物体的表面以下的多余像素，来增加物体表面的彩色或灰度。其方法是将欲显示的彩色曲面的数据，分解为数个次曲面的数据。每一个次曲面各为一不同的颜色，但形状与原曲面相似。然后在显像空间中，将各次曲面紧密叠合，即可重现原曲面的彩色。此方法特别适于使用彩色像素组的显示器。如图16，左方示意一三维曲面数据21及其表面的一部分数据点22。平面20表示某一瞬间移动屏幕所在位置，其与三维曲面的交集面即是当时应当投影的画面。23为此交集面一小部分的放大图，其上四枚小方点24-27代表曲面的表面，W代表白色。图16右方示意如何在显像空间中用次曲面显示原三维曲面的颜色。首先，将彩色曲面的数据，分解为三个次曲面，如162R，162G，162B所示，分别为红绿蓝三色。然后在显像空间中，将各次曲面紧密叠合162。163为某瞬间屏幕上投影的画面的放大图，其位置对应23所示。像素162B-1，162B-2，162B-3皆为次曲面162B的一部分，其它像素则分属次曲面162R与162G的一部分。三个次曲面色彩相混，重现原曲面的颜色。例如像素162R-1(红)，162G-1(绿)，162B-1(蓝)相混成白色，即对应原数据点24的颜色。
以上所述次曲面显示法，虽然会增加曲面的厚度，但对立体三维图像的视觉效果的负面影响不大。首先，增加的像素是在物体表面的内面。其次，多数情形下，观察者的视线与次曲面叠合的方向相近，在此视角下叠合厚度较不显著。如果只要显示灰度，则各次曲面可同为白色或其它单色，显示面板或屏目也不需彩色像素组。每一次曲面的像素密度分布也随处不同，因此叠合后可显示各处灰度分布不同。
以上使用次曲面显示曲面彩色或灰度的方法，是显示立体三维图像的一种基本方法，因此可应用于任何立体三维图像显示器，不限于本申请案所述的硬件装置。
如果图像产生装置使用三片具有彩色像素组的显示面板，并将三个彩色画面重叠，自然可以有更多彩色。
立体三维图像显示器可以经由附加装置，改进系统人机接口，让使用者以更自然的方式与立体三维图像互动。理想互动方式的一是让使用者以手或手持器具伸入显像空间中，直接指，触，及处理三维图像。图17示意此种“无障碍”系统的装置范例之一。此装置将立体三维显示器1800与一大凹面镜1820结合。立体三维显示器的显像空间1810置于接近凹面镜光轴1821处，焦点f的外。依光学成像原理，显像空间中的立体三维图像会成一实象，浮于接近凹面镜光轴的空中1850。此实象也是立体三维，看起来犹如跳出凹面镜的外。使用者1870可以在手或手指上装上三维定位及输入装置1860，经过计算器1880及程序的计算，即可以手伸入立体三维图像，可直接指，触，及处理三维数据。三维定位及输入装置可以是一三维定位系统，一手持式三次元量具，或力回馈三维输出入装置(force feedback hapticdevice)。
图18示意“无障碍”人机系统的装置方法之二。使用者手持一操纵器1970，此操纵器有一“虚拟端”1971。“虚拟端”并无实体，只以数字数据定义其几何形，并与操纵器的几何参数一体定义，如图标。操纵器连接于定位系统1960上，因此，计算器1980可随时知道操纵器的位置与座向。当定位系统与计算器测得“虚拟端”的任何部份已进入显像空间1912时，计算器程序即根据操纵器的位置与座向，将“虚拟端”进入显像空间的部份处理成图像数据，在显像空间对应的位置显示出来1971a。如此，使用者可藉操纵器的“虚拟端”进入显像空间，犹如用手一般。力回馈三维输出入装置可与所述系统结合，使操纵器成为“虚拟工具”。如图18，操纵器可以是一“虚拟镊子”，有两个施力点1972与1973，使用者可以两手指操作两个施力点施力。“虚拟端”则可定义为镊子的两臂1971，可随使用者施力而移动。使用适当的计算器程序及数字模型，使用者遂可以用此一虚拟镊子“夹起”一虚拟人体组织的表面1990。以上“虚拟端”与“虚拟工具”的方法自然也能用于图17的系统。
权利要求
1.一种立体三维图像显示方法，其特征在于，它包括(1)使一显像平面绕一轴线旋转，且保持此显像平面面对一固定方向；(2)按顺序在所述显像平面上连续显示一组二维图像画面；(3)使所述显像平面的运动形成一显像空间，所述二维画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张二维画面形成一立体三维图像。
2.根据权利要求1所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述显像平面为一主动发光的显示器，如发光二极管矩阵或高分子发光二极管显示器。
3.根据权利要求1所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述显像平面为一屏幕，所述二维画面由投影方式显像于屏幕上。
4.根据权利要求3所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述投影方式还包括一图像传递步骤，此图像传递步骤使投影在屏幕上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因屏幕运动而改变。
5.根据权利要求4所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述投影方式与图像传递步骤使用一组可变焦光件，其焦距按屏幕位置变动而改变；所述变焦光件包括一可变焦透镜或一可变焦凹平凸反射镜。
6.根据权利要求4所述的立体三维图像显示方法，其特征在于图像传递步骤使用一组可移动反射镜，其位置按屏幕位置变动而改变。
7.根据权利要求6所述的立体三维图像显示方法，其特征在于可移动反射镜的移动方式为直线往返运动。
8.根据权利要求6所述的立体三维图像显示方法，其特征在于可移动反射镜的移动方式为绕一轴线旋转，旋转时保持反射镜面对一固定方向。
9.根据权利要求8所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述可移动反射镜的移动方式是使用一组旋转臂机构带动反射镜。
10.根据权利要求6所述的立体三维图像显示方法，其特征在于可移动反射镜的移动方式为绕一轴线旋转，旋转时反射镜面对的方向成周期性变动，以配合屏幕的位置变动。
11.根据权利要求10所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述可移动反射镜的移动方式是使用一组旋转臂机构带动反射镜。
12.根据权利要求6所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述可移动反射镜的移动方式是使用一组旋转臂机构带动反射镜，此组旋转臂机构同时也带动屏幕的运动。
13.一种立体三维图像显示方法，其特征在于，它包括(1)按顺序连续显示一组二维图像画面；(2)通过一图像传递步骤将所述二维图像画面投影在一往复运动的显像平面上，使投影在显像平面上的图像画面、其尺寸及聚焦情况都不因显像平面运动而改变；所述图像传递步骤使用一组绕一轴线公转但不自转的反射镜，其位置按显像平面位置变动而改变；或使用一组包涵一可变焦凹平凸反射镜的投影装置，其焦距按显像平面位置变动而改变；(3)使所述显像平面的运动形成一显像空间，所述二维画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张二维画面形成一立体三维图像。
14.根据权利要求13所述的立体三维图像显示方法，其特征在于所述显像平面包括一投影屏幕或一平面光束与一团光敏材料的交集平面。
15.一种立体三维图像显示方法，其特征在于，它包括(1)按顺序连续显示一组单色二维图像画面；(2)将所述二维图像画面投影在一快速移动的屏幕上；所述屏幕具有彩色像素组图案，前述单色二维图像投影其上，成为彩色二维图像而显示在屏幕上；(3)使所述屏幕的运动形成一显像空间，所述彩色二维图像画面按顺序于显像空间中的不同位置显像，通过视觉暂留效果使所有显像于空间中的一张张彩色二维画面形成一彩色立体三维图像。
16.一种用立体三维图像来显示具有彩色或灰度的曲面的方法，其特征在于，它包括(1)将所述曲面的数据，分解为数个次曲面的数据，每一个次曲面各有一不同的颜色或不同的像素密度分布，但形状与原曲面相似；(2)将所述次曲面的数据，用立体三维图像显示在显像空间中，并使所述各次曲面的立体三维图像紧密叠合。
17.一种的立体三维图像显示装置，其特征在于，它包括(1)一能显示立体三维图像的装置；(2)一凹面镜；以及(3)一三维定位及输入装置。
18.一种与立体三维图像互动的方法，其特征在于，它包括(1)使用一立体三维显示器显示一立体三维图像；(2)使用一操纵器供使用者持用；(3)以数字数据定义所述操纵器的虚拟端的几何参数；(4)使用一三维定位及输入装置，实时量测所述操纵器的位置与座向；(5)计算所述虚拟端的位置与座向；(6)将所述虚拟端按其位置与座向，显示于所述立体三维显示器中；(7)以计算器程序处理所述虚拟端的图像与所述立体三维图像的互动。
全文摘要
一种立体三维图像显示方法及装置是通过一图像传递机构将一组二维画面依次连续投影在一快速移动的屏幕上。旋转往复机构将旋转运动转变成往复移动以移动屏幕。图像传递机构通过旋转往复机构移动一组反射镜和由一变焦镜与投影透镜结合,当共同使屏幕运动时,投影图像的画面、尺寸及聚焦情况都不因屏幕运动而改变。旋转往复机构可直接移动一平面显示器产生立体三维图像。本发明还包括产生彩色与灰度的投影法和新的人机系统。
文档编号H04N13/04GK1366197SQ01101608
公开日2002年8月28日 申请日期2001年1月16日 优先权日2001年1月16日
发明者曹哲之 申请人:亚特科研公司