專利名稱：立體影像顯示器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種立體影像顯示技術，具有追蹤觀察者位置以產生立體影像。
背景技術：
立體顯示器已被預期是下一世代顯示器的主流。目前立體顯示器主要是給予雙眼具有視差的影像為主，其通過視覺的現象產生立體影像的效果。在顯示器上，為了能可分別給雙眼不同視差的影像，其機制可分為時間多工機制與空間多工機制。 空間多工機制的立體顯示器在顯示時，一般需要將解析度平均分配到各個視域，同時顯示多個視域影像。不同視域影像之間有不同的視差，因此左眼與右眼分別接收到不同視域的影像就會產生立體影像的效果。視域的數量愈多，則允許觀察者有較大空間的移動自由度，然而由于一個顯示器的解析度固定之下，要顯示對單一影像的多個視域影像，則對于單一的視域影像，其解析度會降低。因此如此的方式會有視域數與解析度無法兼顧的問題。對于時間多工機制的立體顯示器，其更利用眼睛的視覺暫留的現象，在短時間內，例如在1/60秒內依序分別送出不同視域的影像給左眼與右眼，則也可以有立體影像的效果，且無需降低影像解析度。然而，由于其需要在短時間內送出多個視域影像，因此受限于顯示速度，其需要相當高的頻寬以播放立體影像。 先描述立體影像視覺效應的基本現象。圖1A-1B繪示立體性影像的視覺效應示意圖。參閱圖1A，當左眼100a與右眼100b觀看物件102時，左眼100a與右眼100b的視線104會有視差因此產生立體效果。又由于雙眼的聚焦點(accommodation)與幅奏點(convergence) —致，立體物件清楚顯現。 參閱圖1B，當通過平面的顯示元件106顯示對應兩個眼睛的影像時，左眼100a的視線104a的聚焦點會落在顯示元件106上的一個位置。左眼100b的視線104b的聚焦點會落在顯示元件106上的另一個位置。雖然通過平面圖像的顯示會產生不一致的聚焦點，但是視線104a與104b往后延伸成為視線108，其交會點即是幅奏點，對應實際物件102的幅奏點。因此，通過平面的影像仍可以產生立體效果。然而由于聚焦點與幅奏點不一致，會導致眼睛容易疲勞，不舒服的感覺。 圖2繪示傳統立體顯示器的另一機制示意圖。參閱圖2，在顯示面上顯示物件112的兩個具有視差的影像114a、114b分別供給雙眼100a、100b觀視，由于視差產生物件112的立體視覺。然而其如先前所述，容易產生眼睛疲勞等問題。 圖3繪示傳統立體顯示器的另一機制示意圖。參閱圖3，通過單一個點眼睛能接收多個視域影像，則可以減低由于聚焦點與幅奏點不一致產生的問題。例如左眼100a同時觀視顯示平面上不同視域的兩個視域影像114a、116a，另外右眼100b同時觀視顯示平面上不同視域的兩個視域影像114b、116b。如此，虛擬的實體物件112可以被建立。這種技術需要高視域密度的影像，又稱為超多視域(supper-multi-view, SMV)的顯示技術。
圖4繪示在傳統超多視域顯示(SMV)技術下，視域數的需求與安排示意圖。參閱圖4， 一般眼睛的瞳孔的寬度約為2 4mm，雙眼的距離是約65mm，且一個眼睛要接收至少兩
4個視域的話，視域寬度約需小于2mm，因此總視域數例如約需要32個。如果允許觀察者的頭可以移動，則視域數更需要增加。 傳統技術中，已有多種設計方式被提出。美國專利第6， 932， 476號文件提出利用激光掃描柱狀鏡陣列(Lenticular array)元件，其中每一個柱狀鏡將光線對到一個視域。又利用掃描的同時，通過液晶顯示器(LCD)來顯示影像內容。通過對柱狀鏡陣列元件稍微位移，即可有其他的視域。再利用折光元件將影像光線偏折回到垂直方向的掃描進入液晶顯示器已顯示不同視域的影像。利用此種機制可以達到高密度的視域，并有高密度影像顯示的效果。 美國專利第6，999，071號文件提出利用多個投影機同時投影到柱狀鏡陣列的熒
幕上，增加畫面的總像素。柱狀鏡陣列熒幕上每一個柱狀鏡上匯聚各臺投影機所投射出的
像素，并分配至空間各個角度上，利用柱狀鏡陣列熒幕將影像作水平及垂直擴展。 另外還有其他的立體顯示技術，例如美國專利第7，084，841以及公開文件第
2002/0051118號等都有揭示不同的設計。然而，由于考慮的問題不同而產生個別的優缺點。
發明內容
本發明提供一種立體影像顯示裝置，具有追跡至少一位觀察者的功能。此立體影
像顯示裝置包括偵測運算模塊與顯示單元。偵測運算模塊偵測觀察者的位置，并對應該觀
察者的兩個眼睛以規劃顯示影像對應該兩個眼睛所需要產生的N個視域，且輸出控制資
訊，其中N^4。顯示單元接收該控制資訊，對應N個視域產生N個視域影像。每一個眼睛
接收至少兩個視域影像，且兩個眼睛分別接收不同視域的多個視域影像。 本發明又提供一種立體影像顯示裝置，包括顯示單元，用以顯示多個視域影像。顯
示單元用以顯示多個視域影像。光源模塊用以提供光源給該顯示單元以顯示這些視域影
像。光學模塊可將該顯示單元上不同位置的這些視域影像，投射到不同方向的觀視空間，給
予觀察者的兩個眼睛，其中每一個該眼睛接收這些視域影像數量至少兩個。偵測運算模塊
偵測該觀察者的該兩個眼睛的兩個位置，且處理計算該影像資訊，針對該觀察者的該兩個
眼睛的該兩個位置，控制該顯示單元以顯示這些視域影像。 本發明又提供一種立體影像顯示裝置，包括顯示單元，用以顯示影像資訊，在單位時間內以顯示頻率依序顯示不同視域的多個視域影像。光源模塊同步提供光源給該顯示單元使產生該影像資訊的影像，產生這些視域影像。光遮蔽模塊依頻率使該影像遮蔽或穿透，以時間多工的方式，對觀察者的兩個眼睛分別給予具有不同視差的這些視域影像，且對每一個眼睛在單位時間內提供這些視域影像的至少兩個。偵測運算模塊偵測該觀察者的該兩個眼睛的兩個位置，且處理計算該影像資訊，針對該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置，控制該顯示單元顯示。 本發明又提供一種立體影像顯示方法，包括偵測觀察者的兩個眼睛的兩個位置；根據該兩個位置送出預先排列或是進行分析運算完成排列的多個視域影像；送出這些視域影像至顯示單元進行播出；依照該顯示單元上的多個位置區域，將這些多個視域影像分布于不同方向的觀視空間上。上述的步驟可以循環繼續。 為讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，并配合所附圖，作詳細說明如下。
圖1A-1B繪示立體性影像的視覺效應示意圖。 圖2繪示傳統立體顯示器的另一機制示意圖。 圖3繪示傳統立體顯示器的另一機制示意圖。 圖4繪示在傳統SMV技術下，視域數的需求與安排示意圖。 圖5繪示依據本發明實施例，立體影像顯示裝置結構示意圖。 圖6繪示依據本發明實施例，視域影像的規劃示意圖。 圖7繪示依據本發明另一實施例，視域影像的規劃示意圖。 圖8-9繪示依據本發明實施例，有兩個觀察者的視域的數目規劃示意圖。 附圖標記說明 100a :左眼 100b :右眼 102、112:物件 104、 104a、 104b、 108 :視線 106 :顯示元件 114a、114a、116b、116b :視域影像500顯示單元502光柵陣列504顯示面板506光源模塊508偵測運算模塊510觀視空間 514a :左眼視域影像 514b :右眼視域影像 516 :柱狀鏡陣列片 518a、518b:路徑 520a、520b:區域 600 、700 :觀視空間 602a、702a :左眼位置 602b、702b :右眼位置
具體實施例方式
本發明利用觀察者追跡的方式結合多視域的立體顯示機制，達到新穎的立體影像 顯示技術。立體影像顯示器可以使用空間多工顯示機制與時間多工顯示機制。以下舉一些 實施例做為本發明的描述，但是本發明不僅限于所舉的一些實施例。另所舉的一些實施例 之間也可以做適當結合，以構成變化的實施例。 以空間多工顯示機制為例。圖5繪示依據本發明實施例，立體影像顯示裝置結構 示意圖。參閱圖5，立體影像顯示裝置例如包括顯示單元500與偵測運算模塊508。顯示單
6元500例如包括光柵陣列502，例如是液晶顯示面板。光柵陣列502上面有像素陣列以顯 示圖像，其依照需要的視域影像，以像素陣列顯示。光源模塊506，例如是背光模塊，依照顯 示面板502的顯示方式提供顯示的光源。顯示面板504利用光柵陣列502控制背光開關并 透過柱狀鏡陣列片516控制背光方向，依照預定位置投射到位在觀視空間510的觀察者雙 眼，以觀視具有視差的多個視域影像，且每一個眼睛都能接收到至少兩個以上的視域影像。 于此觀視空間510是預定的空間，而不是一個實體的物件。在觀視空間510的區域520a與 520b的位置是對應雙眼的位置，且會隨雙眼位置的移動而改變，其機制會描述在細部描述。
觀察者的雙眼位置例如是由偵測運算模塊508來偵測觀察者的雙眼位置，以對應 眼睛位置規劃出顯示影像對應雙眼位置所需要產生的N個視域，且輸出控制資訊控制光柵 陣列502與顯示面板504的顯示。其中為了使每一個眼睛都能接收到兩個以上的視域影像， N例如是至少4。也就是說，光柵陣列502所顯示的視域影像數目是至少4個。偵測運算模 塊508隨時追蹤雙眼的位置，以隨時動態調整光柵陣列502與顯示面板504中顯示內容的 位置。 以空間多工顯示機制為例，像素的分配例如是分為左眼視域影像514a與右眼視 域影像514b。于此，左眼與右眼的名詞僅是方便描述，并非絕對限制。左眼視域影像514a 與右眼視域影像514b分別都接收至少兩個視域影像，如此也達到超多視域的效果。顯示單 元500例如是含光柵陣列、柱狀鏡陣列片或是微透鏡陣列片，通過聚焦與偏折來投射多個 視域影像的影像光到觀察者的兩個眼睛。 以柱狀鏡陣列片516為例，例如每一個柱狀鏡對應一個像素的一組視域影像。通 過柱狀鏡的結構，例如將屬于左眼視域影像514a的兩個像素偏折成路徑518a以進入左眼。 又例如將屬于右眼視域影像514b的兩個像素偏折成路徑518b以進入到右眼。
對于立體影像顯示裝置中的偵測運算模塊508，其例如有偵測單元與運算單元。偵 測單元用以找尋觀察者的雙眼位置。運算單元用以運算偵測單元所取得的資訊，通過分析 運算以控制光柵陣列502與顯示面板504，對應雙眼位置顯示具有視差的多個視域影像。
另外偵測單元，例如可以包含影像擷取裝置，取得擷取影像，經運算得到該觀察者 的該兩個眼睛的該兩個位置。又例如其它方式，偵測單元可以包含光線發射裝置，通過反射 光的資訊運算，得到觀察者的該兩個眼睛的兩個位置。更例如，偵測單元可以包含聲波發射 裝置，通過反射聲波的資訊運算，判斷觀察者的兩個眼睛的位置。基本上，觀察者的偵測無 需準確追蹤觀察者的瞳孔，而僅需要辨識出眼睛位置即可。 又依照需要，顯示單元500所產生的N個視域影像，是在觀視空間上是重復循環， 因此觀察者的每一個眼睛隨時都觀察到2個以上的視域，且通過左眼與右眼的視差產生立 體影像的視覺效果。 另外，如果是以時間多工的顯示機制來設計，其原則仍維持。但是由于需要在一個 時間周期內，依序遮擋左眼與右眼是分屬左眼與右眼的視域影像進入對應的左眼與右眼， 光柵陣列502與顯示面板504，在單位時間內，例如1/60秒內，依照顯示頻率依序顯示不同 視域的多個視域影像。另外，光柵陣列502例如采用光遮蔽模塊，依頻率使該影像遮蔽或穿 透，以時間多工的方式，對觀察者的雙眼分別給予具有不同視差的這些視域影像。偵測運算 模塊508偵測觀察者的雙眼位置，且處理計算影像資訊，針對該觀察者的雙眼位置，控制顯 示面板504的顯示內容。
圖6繪示依據本發明實施例，視域影像的規劃示意圖。參閱圖6，以在觀視空間600 上，對于偵測到的左眼位置602a與右眼位置602b的視域分布是以雙眼的約中心位置當作 參考點。 一組視域的數目為N，其至少為四個，且允許雙眼分別接收其中的至少2個視域影 像。對于一個立體影像的一個像素而言，其需要N個視域的像素顯示，以允許產生立體影像 的視覺。于此實施例，例如以雙眼的中心位置為參考點，將N視域影像分為左與右的兩組， 分別有N/2個視域給左眼與右眼觀看。于此實施例，其在中間區域的視域，事實上不會被觀 察到，因此可能造成視域的閑置，沒有有效地利用。 針對圖6的方式，還提出另一種較有效規劃方式。圖7繪示依據本發明另一實施 例，視域影像的規劃示意圖。參閱圖7，由于雙眼的中間區域的影像，實際上并不會進入到 雙眼，因此在維持能使一個眼睛同時觀視多個視域影像的視域影像密度下，規劃更小區域 的左眼區域L與右眼區域R，其如圖7a所示。以N = 12的12個視域為例，將12個視域影 像中的屬于左眼位置702a的12/2個影像傳送至，以左眼位置為中心左右各12/4個視域的 12/2個視域。12個視域影像中屬于給右眼位置702b的12/2個影像傳送至以右眼位置為 中心左右各12/4個視域的12/2個視域。如此的一組視域影像的視域數目降低，因此減少 解析度的犧牲，仍維持一些程度的解析度。 于圖7b，當觀察者移動時，其雙眼位置也移動。因此，視域影像的觀視空間700上 的視域影像也因觀察者移動隨著移動，而左眼位置702a與右眼位置702b都處于不同視域 的影像而產生立體影像的視覺效果。 從顯示方法的觀點來看，例如包括偵測觀察者的兩個眼睛的兩個位置，且根據其 兩個位置送出預先規劃或是進行分析運算完成規劃的多個視域影像。將這些視域影像送至 顯示單元進行播出。依照顯示單元上的多個位置區域，將這些多個視域影像分布于不同方 向的觀視空間上。而上述的步驟可以循環繼續。 上述的描述是以一個觀察者的實施例來描述，然而依相同的方式，也可以適用于 多個觀察者。就一般性而言，視域的數目為N可以依需要追蹤的觀察者的人數做適當的增 加，但是其機制仍相同。圖8-9繪示依據本發明實施例，有兩個觀察者的視域的數目規劃示 意圖。參閱圖8，如果例如有兩個觀察者的兩對眼睛例如有眼睛位置重疊時，依照相同機制， 則視域的數目可以為6個以上，其相對M二3個眼睛，分別具有兩個視域的情形。參閱圖9， 又例如有兩個觀察者位于不重疊位置的情形下，有四個眼睛的位置，則視域的數目例如是8 個或是更多。每一個眼睛至少接收兩個視域影像。當然如果兩觀察者的兩對眼睛都重疊， 而其僅是觀察者觀視高度的差異時，其可維持相同于一個觀察者的規畫。依相同原則，其可 以規劃出給更多觀察者觀視的情形。但是相對而言，影像解析度因此會減少，其可依實際需 求做適當變化。 本發明提出的顯示機制，通過結合多視域的立體顯示(SMV)機制，其不會造成雙 眼的負擔所導致容易疲勞的問題。另外，通過僅偵測雙眼位置，根據雙眼位置規劃多視域影 像，降低輸出超多視域立體影像時所需之頻寬，并降低要達到多視域的立體顯示(SMV)所 需犧牲的解析度。 雖然結合以上優選實施例披露了本發明，然而其并非用以限定本發明，任何本領 域一般技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明 的保護范圍應以附上的權利要求所界定的為準。
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權利要求
一種立體影像顯示裝置，具有追跡至少一觀察者的功能，包括偵測運算模塊，偵測該觀察者的兩個眼睛的兩個位置，以規劃顯示影像對應該兩個位置所需要產生的N個視域，且輸出控制資訊，其中N≥4；以及顯示單元，接收該控制資訊，對應該N個視域顯示N個視域影像，其中該兩個眼睛的每一個接收至少兩個該視域影像，且該兩個眼睛分別的這些視域影像是屬于不同視域。
2. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中觀察者數n，會產生對應2n個眼睛位置，其視域數N與觀察者數n的關系如下n = 1時，產生對應2個眼睛位置，則N > 4 ;n > 2時，且眼睛位置不重復時，產生對應2n個眼睛位置，則N > 4n ;n > 2時，且眼睛位置重復時，依據眼睛位置不重復的數量M，則N > 2M。
3. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中該顯示單元包含影像顯示面板，產生分別給該N個視域影像的多個影像像素陣列；以及視域調控器，用以調控該N個視域影像，以投射到該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置。
4. 如權利要求3所述的立體影像顯示裝置，該視域調控器包含光柵陣列、柱狀鏡陣列片或是微透鏡陣列片，通過聚焦與偏折來投射該N個視域影像的影像光到該觀察者的該兩個眼睛。
5. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中該偵測運算模塊，包含偵測單元，用以找尋該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置；以及運算單元，用以運算該偵測單元所取得的資訊，通過分析運算以控制該顯示單元，對應該兩個位置顯示具有視差的這些視域影像。
6. 如權利要求5所述的立體影像顯示裝置，其中該偵測單元，包含影像擷取裝置，取得擷取影像，經運算得到該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置。
7. 如權利要求5所述的立體影像顯示裝置，其中該偵測單元，包含光線發射裝置，通過反射光的資訊運算，得到該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置。
8. 如權利要求5所述的立體影像顯示裝置，其中該偵測單元，包含聲波發射裝置，通過反射聲波的資訊運算，判斷該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置。
9. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中該顯示單元所產生的該N個視域影像，是在觀視空間上重復循環，使該觀察者的每一個眼睛可觀察至少2個以上的視域。
10. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中該N個視域的空間分布是以該兩個眼睛的中點為參考點，其左右各分布有該N個視域的N/2，分別對應到該兩個眼睛。
11. 如權利要求1所述的立體影像顯示裝置，其中該N個視域的空間分布是將該N個視域均分為兩組，分別有N/2個視域對應到該兩個眼睛。
12. —種立體影像顯示裝置，包括顯示單元，用以顯示多個視域影像；光源模塊，以提供光源給該顯示單元以顯示這些視域影像；光學模塊，可將該顯示單元上不同位置的這些視域影像，投射到不同方向的觀視空間，給予觀察者的兩個眼睛，其中每一個該眼睛接收這些視域影像的至少兩個；以及偵測運算模塊，偵測該觀察者的該兩個眼睛的兩個位置，且處理計算該影像資訊，針對該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置，控制該顯示單元以顯示這些視域影像。
13. 如權利要求12所述的立體影像顯示裝置，其中這些視域影像有N個視域，在該觀視空間中的分布是以該兩個眼睛的中點為參考點，其左右各分布有該N個視域的N/2個，分別對應到該兩個眼睛。
14. 如權利要求12所述的立體影像顯示裝置，其中這些視域影像有N個視域，在該觀視空間中的分布是將該N個視域均分為兩組，分別有N/2個視域對應到該兩個眼睛。
15. —種立體影像顯示裝置，包括顯示單元，用以顯示影像資訊，在單位時間內以顯示頻率依序顯示不同視域的多個視域影像；光源模塊，以同步提供光源給該顯示單元使產生該影像資訊的影像，產生這些視域影像；光遮蔽模塊，依頻率使該影像遮蔽或穿透，以時間多工的方式，對觀察者的兩個眼睛分別給予具有不同視差的這些視域影像，且對該兩個眼睛的每一個在該單位時間內提供這些視域影像的至少兩個；以及偵測運算模塊，偵測該觀察者的該兩個眼睛的兩個位置，且處理計算該影像資訊，針對該觀察者的該兩個眼睛的該兩個位置，控制該顯示單元顯示。
16. 如權利要求15所述的立體影像顯示裝置，其中這些視域影像有N個視域，在該觀視空間中的分布是以該兩個眼睛的中點為參考點，其左右各分布有該N個視域的N/2個，分別對應到該兩個眼睛。
17. 如權利要求15所述的立體影像顯示裝置，其中這些視域影像有N個視域，在該觀視空間中的分布是將該N個視域均分為兩組，分別有N/2個視域對應到該兩個眼睛。
18. —種立體影像顯示方法，包括偵測觀察者的兩個眼睛的兩個位置；根據該兩個位置，送出預先排列或是進行分析運算完成排列的多個視域影像；送出這些視域影像至顯示單元進行播出；依照該顯示單元上的多個位置區域，將這些多個視域影像分布于不同方向的觀視空間上；以及循環重復上述步驟。
19. 如權利要求18所述的立體影像顯示方法，其中該觀察者的每一個該眼睛接收這些視域影像的至少兩個。
全文摘要
立體影像顯示裝置具有追跡至少一位觀察者的功能，包括偵測運算模塊與顯示單元。偵測運算模塊偵測觀察者的位置，并對應該觀察者的兩個眼睛以規劃顯示影像對應該二個眼睛所需要產生的N個視域，且輸出控制資訊，其中N≥4。顯示單元接收該控制資訊，對應N個視域產生N個視域影像。每一個眼睛接收至少兩個視域影像，且兩個眼睛分別接收不同視域的多個視域影像。
文檔編號G02B27/22GK101750746SQ20081018486
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者吳昌碩, 徐維良, 李錕, 楊明潔, 蔡朝旭, 陳武立 申請人:財團法人工業技術研究院