CN106576161A - 可变屏障间距调整 - Google Patents

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Abstract

描述了用于计算具有固定视差屏障间距的多观看方向显示器的良好观看性质所需的非周期性显示像素图案的两种方法。这些方法还可以用于针对具有诸如可重构视差屏障的可重构视差光学器件和固定像素分配的显示器计算最佳屏障间距参数，或者用于计算视差光学器件(例如视差屏障)和像素分配二者都可重构的显示器中的混合***参数。第一方法使用几何分析来计算用于交错的非整数子像素重复单元。在该方法中，交错在由用户的头部相对于显示器的位置确定的点开始。该非整数确保交错图案在必要时***额外的像素以便补偿用户的头部位置。第二方法使用逐像素计算步骤，由每个像素相对于用户眼睛的位置和屏障的最近缝隙确定该像素应当显示左视图信息还是右视图信息。该方法可以针对像素块来进行，但是当基于逐像素进行计算时，性能是最佳的。

Description

可变屏障间距调整
技术领域
本发明涉及一种多观看方向显示器(multiple view directional display)，例如，当用户的头部移动靠近或远离显示器时可以保持3D效果的自动立体(免戴眼镜)3D***。本发明与视差屏障***和柱状透镜***兼容。本发明可以用于其他应用中，例如，以商业“双观看(Dual View)”显示器的方式向多个不同用户显示不同的2D内容。
背景技术
多年来，人们一直在努力创造更好的自动立体3D显示器，而本发明在该领域中取得进一步的进展。自动立体显示器是在不需要用户戴眼镜的情况下给出立体深度的显示器。这是通过向每只眼睛投射不同的图像来实现的。自动立体3D显示器可以通过使用视差光学技术如视差屏障(parallax barrier)或柱状透镜(lenticular lenses)来实现。
用于观看3D图像的视差屏障技术的设计和操作在来自日本德岛大学的文章(“Optimum parameters and viewing areas of stereoscopic full color LED displayusing parallax barrier”，Hirotsugu Yamamoto等人，IEICE trans electron，vol E83-cno 10 Oct 2000)中有详细披露。
图1示出与用于创造3D显示器的图像显示器结合使用的视差屏障技术的基本设计和操作。用于左眼和右眼的图像在该图像显示器的交替像素列上交错。该视差屏障中的狭缝允许观看者从其左眼的位置只看到左图像像素，从其右眼的位置只看到右图像像素。
固定的视差屏障或透镜***具有的缺点是观看者只有在严格的观看区域中才观看到立体图像。在这些区域之外，用于左眼的像素信息可能到达右眼，反之亦然。图2(a)示出用户怎样才能看到正确的图像，并且图2(b)示出用户侧向移动其头部(同时保持到显示器的距离相同)的结果是用户看到幻视(pseudoscopic)图像，其中每只眼睛看到来自错误的像素区域的光。
可以通过跟踪用户眼睛的位置来调整***，以便改变观看区域的大小和位置。这些改进可以通过改变像素值，或者通过改变屏障参数或两者的组合来实现。
机械跟踪涉及相对于像素和屏幕物理地移动视差屏障或光学器件。US6377295和US5083199描述了如何分别利用柱状透镜***和视差屏障***实现这一点。US6377295的作者注意到，机械跟踪具有缺点。向***添加机械元件可能增加总***成本，而对移动部件的依赖将降低***鲁棒性。另一个问题是机械***的跟踪速度可能不够快，以至于不能应对用户位置的快速变化。
例如在EP0860729-B1中讨论的电跟踪可以通过使用由液晶构成的视差屏障，并且对其进行电寻址以便在空间上改变其透射特性来实现。这种屏障具有某些优点：它不包含移动部件，并且可以切换到透射状态以便给出全分辨率2D模式。这种方法不是没有缺点：制作高质量的可切换LC屏障在技术上是非常具有挑战性的。快门必须在小于显示器像素的尺度上可控，这在技术上是复杂的。快门不应包括任何不透明特征，这可能导致底层显示器的云纹(Moire)问题。电子屏障的离散切换导致所得图像的亮度均匀性的问题。
在固定透镜或屏障下跟踪像素值提供优于跟踪屏障设计的一些吸引人的优点。由于不需要跟踪屏障，所以***可以更简单和更便宜--可以使用透明和不透明特征的印刷视差屏障代替昂贵且复杂的光学跟踪***。***的跟踪速度显著取决于图像显示器的速度，但是为视频内容设计的移动显示器已经以快速的帧速率运行。跟踪像素***可以比跟踪屏障型显示器更容易放大到大显示尺寸。
K Akiyama和N Tetsutani在“3-Dimensional Visual Communication”，ITEC'91,1991OTE Annual Convention中披露了早期的跟踪像素3D显示器。在该设计中，柱状透镜片按角度地复用来自显示器上相邻列的像素的光。位置检测器监视用户的位置，使得显示器在用户从最初观看窗口移出时切换在像素列上显示的信息。该***大大增加了头部自由度，但当用户在观看窗口之间切换时引入非常明显的伪影。
US5959664公开了一种改进的***，其中图像显示器包含右眼数据、左眼数据和哪只眼睛都看不到的一些区域。这些冗余区域是非常重要的，因为它们允许观看者朝向或远离显示器移动的容差(Z容差)增加并且允许更平滑的跟踪。代替执行可见的左/右图像数据交换，可以将适当的图像数据加载到观看者还不可见的区域中。当观看者的头部侧向移动时，可以看到正确的观看信息，从而允许平滑跟踪。
即使有了这些进展，当前的头部跟踪3D技术也远非完美。具体来说，针对用户朝向或远离显示器的移动进行的调整仍然是主要未解决的问题。
发明内容
如参考图2所解释的，在保持观看者和显示器之间的间隔相同的同时观看者相对于显示器在横向方向上的移动将使观看者从其感知到3D图像的位置移动到其感知不到3D图像的位置。然而，显示左眼图像或右眼图像的空间区域在垂直于显示器的方向上(该方向将被认为是z方向)也具有有限的范围。因此，传统的自动立体显示器具有设计的观看距离，使得当观看者处于该设计的观看距离时观看者感知到最佳3D效果，而如果观看者移动靠近或远离显示器，3D图像质量下降。当自动立体显示器旨在用于观看者和显示器之间的距离可以变化的情况时，因此期望跟踪观看者朝向或远离显示器的移动(“z跟踪”)，而不是或另外还跟踪观看者相对于显示器的侧向运动。
在使用z跟踪的显示器中，如果确定观看者和显示器之间的距离已经显著变化，则可以改变显示器的最佳观看距离，以便使其等于或基本上等于显示器和观看者之间的当前距离。这使得即使观看者和显示器之间的间隔不保持恒定也确保观看者感知到高质量的3D图像。为了调整视差型3D显示器的最佳观看距离，必须改变屏障间距，或者必须通过重新分配像素值(即重新分配提供给显示器的像素的数据值)来改变显示器像素上的图像的位置(相对于屏障)，或者必须使用某种混合解决方案。在显示器具有固定屏障的情况下，必须通过重新分配像素值来调整最佳观看距离。
本发明人最近开发出适用于高质量z跟踪的新的跟踪***。发明人已经开发出两种用于计算正确显示像素图案的方法，该正确显示像素图案允许将非整数像素交错值映射到整数个像素，以在使用固定屏障间距显示器时获得良好的观看特性。这些方法还可以用于在屏障是可重构的并且像素分配是固定的情况下计算最优屏障间距参数，或者在屏障和像素分配二者都可重构的情况下计算混合***参数。
方法1：使用几何分析来计算用于交错的非整数子像素重复单元。在该方法中，交错在由用户的头部相对于显示器的位置确定的点开始。该非整数确保交错图案在必要时***额外的像素以便补偿用户的头部位置。以前还没有报道使用非整数的交错图案。
方法2：使用逐像素计算步骤，从而由每个像素相对于用户的眼睛和屏障的最近狭缝的位置确定该像素应该显示左视图还是右视图信息。该方法可以针对像素块来进行，但是当基于逐像素计算时，性能是最佳的。
通过小的调整，这些方法还可以用于计算跟踪的屏障***或混合跟踪的像素和屏障***的参数值。
本发明的第一方面提供一种显示多观看图像的方法，包括：针对多观看方向显示器的一组n个像素(n＝1,2,3...)，基于所述显示器和观察者之间的距离，确定从该组像素到所述观察者的光线路径与所述显示器的视差光学器件的交点；从所述光线路径与所述视差光学器件的所述交点确定该组像素应当显示第一图像还是第二图像；以及根据该组像素应当利用与所述第一图像有关的数据还是利用与所述第二图像有关的数据来寻址的确定，向该组像素的每个像素分配数据值。
本发明的第一方面可以例如应用于固定(即，不可重构)视差光学器件，以确定应当显示第一图像的像素并且确定应当显示第二图像的像素(例如，确定应当显示左眼图像的像素并且确定应当显示右眼图像的像素，以向观看者提供3D自动立体图像)。该方面可以用于通过在观看者朝向或远离屏障移动时重新计算哪些像素应当显示左眼图像以及哪些像素应当显示右眼图像并相应地重新寻址图像显示层来实现z跟踪，使得观看者继续看到高质量的3D图像。
本发明的第二方面提供一种显示多观看图像的方法，包括：针对多观看方向显示器的一组n个像素(n＝1,2,3...)，基于所述显示器和观察者之间的距离，确定从该组像素到所述观看者的光线路径与所述显示器的可重构的视差光学器件的交点；从所述光线路径与所述视差光学器件的所述交点确定所述视差光学器件的一个或多个元件的期望位置和尺寸；以及根据所确定的位置和尺寸来寻址所述视差光学器件以限定所述视差光学器件中的一个或多个元件。例如，在该视差光学器件包括视差屏障阵列的情况下，该方法可以包括确定该视差光学器件的一个或多个不透明屏障区域的期望位置和尺寸。该方法通常与上述第一方面互补，但是可以应用于具有可重构的视差光学器件的显示器，以基于显示器和观看者之间的距离确定显示器的视差光学器件的配置。该方面可以用于通过在观看者朝向或远离屏障移动时重构视差光学器件来实现z跟踪，使得观看者继续看到高质量的3D图像。“可重构的”视差光学器件意味着该视差光学器件可以被重构以改变该视差光学器件的元件的位置和/或尺寸。可重构的视差光学器件的一个例子是体现为液晶面板的视差屏障，可以通过适当地寻址该液晶面板来改变视差屏障的不透明和透明区域的位置和/或尺寸。
本发明的第三方面提供一种显示多观看图像的方法，包括：基于观看者到具有图像显示层和视差光学器件的多观看方向显示器的距离，确定所述视差光学器件的元件在所述图像显示层上的投影的宽度；从所述视差光学器件的所述元件在所述图像显示层上的投影的宽度确定像素交错值；以及根据所确定的像素交错值，向像素分配对应于第一图像的数据或对应于第二图像的数据。
本发明的第三方面可以例如应用于固定(即，不可重构)视差光学器件，以基于观看者到显示像素的距离来确定像素交错值，并且寻址图像显示层以获得计算出的像素交错值或与其接近的值。该方面可以用于通过在观看者朝向或远离屏障移动时，重新计算像素交错值并且寻址图像显示层以获得重新计算出的像素交错值或与其接近的值来实现z跟踪，使得观察者继续看到高质量的3D图像。
本发明的第四方面提供一种显示多观看图像的方法，包括：基于期望的像素交错值确定具有图像显示层和可重构的视差光学器件的多观看方向显示器的所述视差光学器件的元件的期望投影；从所述视差光学器件的所述元件的所述期望投影，确定所述元件的期望尺寸；以及寻址所述视差光学器件以获得所述期望尺寸的元件。
第四方面通常与第三方面互补，但是可以应用于具有可重构的视差光学器件的显示器，以基于显示器和观看者之间的距离确定显示器的视差光学器件的配置。该方面可以用于通过在观看者朝向或远离屏障移动时重构视差光学器件来实现z跟踪，使得观看者继续看到高质量的3D图像。
第一或第三方面的方法可以应用于具有任何形式的视差光学器件例如视差屏障狭缝阵列或柱状透镜视差光学器件的多观看方向显示器。第二或第四方面的方法可以应用于具有任何形式的可重构的视差光学器件例如可重构的视差屏障狭缝阵列的多观看方向显示器。
本发明的第五方面提供被配置为执行第一、第二或第三方面的方法的多观看方向显示器。
本发明的第六方面提供一种多观看方向显示器，包括：图像显示面板；视差光学器件；观察者跟踪单元；和控制单元，所述控制单元适于执行第一、第二、第三或第四方面的方法。
本发明的第七方面提供一种多观看方向显示器，包括：图像显示面板；视差光学器件；观察者跟踪单元；以及控制单元，所述控制单元适于向所述图像显示面板的像素分配数据值，以便提供具有非整数像素的重复长度的第一图像和第二图像的交错图案。使用非整数NP交错值使得即使观看者移动远离或靠接近显示器时也可以提供良好的图像质量。
附图说明
[图1a]现有技术，固定视差屏障显示器的平面图
[图1b]现有技术，固定视差屏障显示器的截面图
[图2a]两窗口跟踪***，正确的轴上立体视图
[图2b]两窗口跟踪***，颠倒的离轴伪立体视图
[图3]基于像素的计算
[图4]重复交错图案
[图5a]实施例，z跟踪3D***略图
[图5b]实施例，图像显示器和固定视差屏障
[图5c]实施例，图像显示器和多电极可切换视差屏障
[图5d]实施例，图像显示器和柱状透镜***
[图6a]实施例，包含可单独寻址的电极的视差屏障LCD元件
[图6b]实施例，一侧具有单独电极的视差屏障元件的截面
[图6c]实施例，两个基板上都包含可单独寻址的电极的视差屏障LCD元件
[图6d]实施例，两侧都具有单独电极的视差屏障元件的截面
[图7a]实施例，具有可单独控制的电极的视差屏障基板
[图7b]实施例，具有可单独控制的电极和玻璃上芯片的视差屏障基板
[图8]柱状透镜阵列实施例，NP 6-3***
具体实施方式
跟踪的动机是要知道用户的左眼和右眼的位置。然后该信息可被用于显示图像数据和/或改变***的光学性能，使得每个眼睛被示出不同的图像，并且即使用户相对于显示器移动，用户也体验到立体3D。发明人已经开发出用于计算显示器中的光学元件相对于用户的位置并适当地更新显示***的两种新方法。本发明可以用于计算具有已知配置的视差光学器件的显示器中的一个或多个像素或子像素的像素亲和性(pixel affinity，即，像素或子像素应当显示左眼图像还是右眼图像)，并且在这种情况下，可以通过根据所确定的像素亲和性重新分配像素值来更新显示***。附加地或替代地，本发明可以用于计算显示器中视差光学器件的元件的位置(例如视差屏障狭缝阵列的不透明区域的位置)，其中该视差光学器件可以被重构以跟踪相对于显示器移动的观看者的位置并且/或者计算视差屏障的屏障区域的位置，在这种情况下，可以通过重构视差光学器件来更新显示***。
第一种方法包括跟踪从每个图像像素(或者从像素块)到用户的眼睛中间位置的光线。该光线在某个位置与视差屏障或其他光学元件相交。根据用户和显示器的相对位置以及根据显示器的一个或多个参数如折射率来确定该相交点和屏障上最近的缝隙之间的距离。在一个例子中，显示器的一个或多个参数包括显示器的图像显示层和视差光学器件之间的间隔以及显示器的图像显示层和视差光学器件之间的介质的折射率与显示器和观看者之间的介质的折射率的比率。相交点和最接近的缝隙之间的距离确定该光线以及因此的该像素是由左眼看到还是由右眼看到。
如果该像素将被左眼看到，则其可以被加载适合于左眼的立体图像。如果这些立体图像被预渲染，则该像素可以“查找”适当的图像数据，即，将预渲染的数据值分配给该像素。对右眼数据的处理是相同的。
根据屏障设计，可能存在哪个眼睛都看不到的像素的“冗余”区域。该交错方法使这些区域被加载最适当的图像数据，并且因此允许平滑跟踪。当用户移动时，预加载的数据变得可见，而没有任何图像更新延迟或亮度变化。
通过将几何计算作为GPU加速着色器来运行，可以实时计算大量的像素亲和性。
图3示出如何从几何项导出像素亲和性(即，像素应当显示左眼图像还是右眼图像)。例如，可以基于一方面光线路径(从像素到观看者)和视差光学器件的交点与另一方面视差光学器件的最近狭缝之间的距离来导出像素亲和性。
图3(a)是显示器的正面平面图，图3(b)是显示器的示意性截面图，其示出视差屏障与像素化图像显示层被基板(在该例子中是玻璃基板)分开。
如图3中所示，假定显示器的显示面在x-y平面中，因此z轴垂直于显示器的显示面延伸。为了示例的目的，在图3(a)中x轴被示出为水平延伸，并且在图3(a)中y轴被示出为竖直延伸。观看者被定位成使得其眼睛中间位置到显示器的前脸的距离为Z，并且x坐标由X表示。作为简化，在此假设观看者的眼睛中间位置、图像像素和屏障交点(“屏障交点”是从像素到观看者的眼睛中间位置的光线与屏障的平面相交的点)都在相同的y平面中，并且因此可以省略y坐标项。
在图3(b)中，图像显示层和屏障之间的z方向上的间隔由s表示，并且像素与其对应的屏障交点之间的x方向上的间隔由d表示。
a2＝(X-d)2+Z2≈X2+Z2
b2＝d2+s2
给定Z和X，我们可以计算d。
α2a2d2＝X2b2
d2(α2(X2+Z2)-X)＝X2s2
因此，给定像素坐标(px,py)和用户眼睛中间位置(ex,ey)，可以发现从像素到用户的光线的屏障交点坐标(bx,by)为：
bx＝px+d
其中
得到：
也就是说，可以从用户的眼睛中间位置和该像素的x坐标、观看者和显示器的前脸之间的距离Z以及显示器的固定属性(即，玻璃基板的折射率与显示器和观看者之间的介质(通常为空气)的折射率之间的比率α和玻璃基板的厚度s)确定屏障交点的x坐标。
一旦屏障交点坐标已知，就可以找到与该屏障交点最近的屏障缝隙，并且这确定像素将被观看者的左眼看到还是右眼看到。可以根据下式通过确定Χ来确定到屏障交点的最近屏障缝隙：
如果x小于0.5，则该像素更接近被左眼看到，否则该像素更接近被右眼看到。
然后可以根据该像素更接近被左眼还是右眼看到的确定，将左眼或右眼图像数据分配给该像素。
以上描述涉及计算从单个像素(这可以被认为是一组1个像素，即n＝1)到用户的光线的屏障交点。然而，本发明可以替代地用于计算从一组两个或更多个像素(即，n>1)到用户的光线的屏障交点--这将减少所需的计算，但是以感知到的3D图像质量下降为代价。
上述描述涉及在y坐标相同的假设下计算屏障交点。然而，本发明不需要这一点，并且可以扩展到像素、用户和屏障交点不具有彼此相同的y坐标的情况。
第二种方法涉及计算非完整的交错值，并使用该值来确定显示器上的像素的眼睛亲和性。参考图4，如果δb是视差屏障的间距(“间距”是重复距离，即，屏障的狭缝的宽度和屏障的不透明区域的宽度之和)，则δa，其是视差屏障的间距在显示器的像素的平面上的投影，应当优选地被布置为像素的精确整数重复单元，以给予用户高质量的3D效果。如果3D***被设计为具有NP2交错，则显示器传统上配置为使得当用户处于设计的观看距离时，δa是像素的精确整数重复单元。然而，当观看者在Z向上移动时，原始的交错图案很快不能提供良好质量的3D图像，因为δa和δb之间的关系随着Z改变而改变。(用于交错图案的命名约定基于“Development of Dual View Displays”(Mather，2007)中使用的命名约定。对于NPX-Y***，“X”表示重复单元尺寸，“Y”表示屏障缝隙的宽度。NP1***具有图案LRLR...，其中L是具有左视图数据的像素或子像素，R是具有右视图数据的像素或子像素。NP2***是LLRRLLRR...)
发明人已经认识到，如果交错重复距离被设置为使得
其中“像素间距”是图像显示面板的像素的间距，而如果从显示器上最靠近观看者的位置进行交错填充，则在大得多的观察者和显示器之间的距离范围上，所显示的图像对于观看者是正确的。
量δa取决于观察者和显示器之间的距离Z，使得以这种方式计算n(重复)可能导致非整数结果。然后像素分被配给左眼图像或右眼图像，以便获得等于或接近所确定的n(重复)值的像素重复距离。例如，将像素分配为：LLRRLLLRR而不是LLRRLLRR将导致n(重复)的有效值为9/4，而将像素分配为：LLRRLRR而不是LLRRLLRR将导致n(重复)的有效值为7/4。如所指出的，交错填充的起始点是显示器上最接近观看者的位置(图4中的点A)。
在n(重复)的有效值为9/4的情况下，可以如下计算像素分配：
(9/4)→舍入为2，所以将2个像素显示为L；
(9/4+9/4＝9/2)→舍入为4，所以将另(4-2＝2)个像素显示为R；
(9/4+9/4+9/4＝27/4)→舍入为7，所以将另(7-4＝3)个像素显示为L；
(9/4+9/4+9/4+9/4＝9)，所以将(9-7＝2)个像素显示为R。
可以以类似的方式计算n(重复)的任何其它有效值的像素分配。
交错填充优选地对称地进行，在显示器中的最接近观看者的点(图4中的点A)开始，并且从该起始点沿两个方向水平地向外进行。(这假设该最近点不在显示器的边缘，如果该最近点在显示器的边缘，则交错填充必然只在一个方向上进行，也就是说，交错填充不是对称地进行。
如果用户将相对于显示器侧向移动，则将需要在左眼图像和右眼图像之间重新分配像素，以确保用户继续感知到高质量的3D图像，像素重新分配将保持相同的交错重复来完成，但是在显示器上最接近观看者的新位置的位置处开始填充。
本发明不限于具有视差屏障作为视差光学器件的显示器。第二方法的一个变体可以应用于其中包括柱状透镜阵列的视差光学器件的显示器，例如参见US20120229896(“Lenticular array intended for an autostereoscopic system”)。应当理解，如本文所使用的术语“柱状透镜阵列”旨在包括多面(或“棱镜状的”)柱状透镜元件的阵列以及具有连续弯曲的柱状透镜面的柱状透镜元件的阵列。针对本发明的目的，这种柱状透镜阵列在功能上等同于视差屏障***。例如，由多面柱状透镜元件的阵列形成的视差光学器件，当每个柱状透镜被设计成平行于图像显示面板的宽度等于或基本上等于2X个相邻像素列或子像素列时，以及当柱状透镜阵列的每个面被设计成具有Y个像素或子像素的宽度时，在功能上等同于NPX-Y视差屏障***。(在许多情况下，视差光学器件的间距优选不设置为精确等于2X或两组眼睛(子)像素，而是从该值稍微调整以考虑到视角，例如，当视差光学器件在图像显示平面上方时，视差光学器件的间距优选被设置为略微小于两个眼睛(子)像素)。上述第二种方法可以用于计算这种显示器的交错值和像素亲和性，就好像该视差光学器件是NPX-Y视差屏障***一样。在这种情况下，视差光学器件的间距δb是一个柱状透镜的重复距离(原理是视差屏障的一个“间距”基本上覆盖左眼子像素和右眼子像素的一个完整的组，并且类似地，柱状透镜式视差光学器件的一个“间距”基本上用一个柱状透镜覆盖左眼子像素和右眼子像素的一个完整组)。项δa是柱状透镜式视差光学器件的间距在显示器的像素平面上的投影。因此，可以按照与上文针对视差屏障描述的相同方式将期望的重复距离确定为
图8示出NP6-3***，其中视差光学器件的元件包括多面透镜，该透镜被配置为使得具有3列子像素(或像素)的宽度的第一组子像素(或像素)对于观看者的左眼可见，而不同于第一组的具有3列子像素(或像素)的宽度的第二组子像素(或像素)对于观看者的右眼可见。应当注意，观看者的左[右]眼可见的第一[第二]组子像素(或像素)可以包括3或4个子像素(或像素)，但是观看者的左[右]眼可见的像素化显示器的区域总是具有等于3个子像素(或像素)的宽度。参考图8，假设对于第一给定观察者头部位置，左眼图像被寻址到图8中所示的前6个子像素(或像素)(标记为1至6)，并且右眼图像被寻址到接下来的6个子像素(或像素)。还假定对于该观察者头部位置，子像素(或像素)1是观看者不可见的，子像素(或像素)2的一半是观看者的左眼21可见的，所有子像素(或像素)3是观看者的左眼21可见的，所有子像素(或像素)4是观看者的左眼21可见的，子像素(或像素)5的一半是观看者的左眼21可见的，并且子像素(或像素)6是观看者不可见的。因此，对于该第一给定头部位置，4个子像素(或像素)是观看者可见的(L2、L3、L4和L5)，而观看者的左眼可见的显示器的宽度正好是3个子像素或像素)，该可见宽度等于L2的宽度的一半+L3的宽度+L4的宽度+L5的宽度的一半。通过对称和类似的讨论，观看者的右眼22可见的显示器的宽度正好是3个子像素(或像素)，并且包括第八子像素(或像素)的宽度的一半+第九子像素(或像素)的宽度+第十子像素(或像素)的宽度+第十一子像素(或像素)的宽度的一半。对于不同于第一头部位置的第二给定头部位置，不同的一组子像素(或像素)对于观看者的左眼是可见的，例如，L1的宽度的一半+L2的宽度+L3的宽度+L4的宽度的一半。通过对称性，观看者的右眼可见的显示器的宽度再次恰好为3个子像素(或像素)，并且包括第七子像素(或像素)的宽度的一半+第八子像素(或像素)的宽度+第九子像素(或像素)R9的宽度+第十子像素(或像素)的宽度的一半。在这些头部位置之间是第三头部位置，由此恰好3个子像素(或像素)对于观看者的左眼(L2，L3和L4)可见，并且恰好3个子像素(或像素)对于观看者的右眼可见(第八、第九和第十子像素(或像素))。
上文已经在显示器具有缝隙位置固定的视差屏障或具有柱状透镜元件位置固定的柱状透镜阵列的情况下关于确定向像素分配左眼图像数据还是右眼图像数据描述了第一方法和第二方法。然而，本发明的方法可以附加地或替代地应用于具有可重构的视差光学器件的显示器，例如屏障中的缝隙的位置和/或范围不固定的可重构的视差屏障，以及应用于基于观察者和显示器之间的距离计算用于z跟踪的最佳屏障参数。可以使用独立的电极控制，在显示器上改变屏障和缝隙的宽度和位置，以改进跟踪式3D显示器的性能。方法1可以用于例如基于相对的用户和显示器像素位置来计算每个屏障位置的亲和性(即，特定位置处的屏障是否应该是不透明的)。作为选择，方法2可用于例如随着用户z位置改变而动态地计算视差光学器件的最佳间距和屏障偏移。也就是说，代替保持δb固定，使得δa随着观察者移动而变化，δa将由n(重复)的期望值确定，然后确定给出该δa的δb的值。
使用任一种方法，本发明都提供优于先前跟踪***的许多优点。首要优点是增加了在固定宽度交错***上的z自由度。第二个优点是能够允许以印刷的视差屏障工作的***以低成本实现3D技术。与机械跟踪***相比，缺少移动部件提高了增加鲁棒性和降低复杂性的潜力。改变有效屏障间距调整的能力给出了更好的离轴性质，并且能够动态地调节最佳观看者位置以匹配用户。这允许显示器相对于用户被重新定位，或者甚至瓦片化以给出高质量的多显示***。
实施例：
1、在第一实施例中，跟踪***与照相机和固定视差屏障3D显示器结合使用。这种***在图5a中示出。具有6个子像素重复交错图案、斜率为每行1个像素的倾斜屏障和宽度为3个像素的缝隙的视差***(NP6-3stag1)给出非常好的跟踪性能。这种良好的性能部分是由于最初对用户隐藏并且可以预先加载视图信息的“冗余”子像素。当用户移动并且这些隐藏的子像素被显露时，可以为每只眼睛保持正确的视图信息。图像处理硬件被配置为实现如上所述的方法一和/或方法二。
2、在第二实施例中，跟踪***用于与照相机和可切换视差屏障结合使用。该屏障可以以离散方式切换，如图5c所示，电极用于控制空间透射率。然后可以移动屏障特征以跟踪用户的位置。这种视差屏障可以切换到透射模式，使得在2D中看到基本面板的全分辨率。这种***还可以提供优于固定屏障设计的亮度优点。可以通过改变显示图像，改变显示器上屏障区域和缝隙的宽度(以便调节视差屏障的间距)或通过混合方法来实现Z跟踪。在图6a-d中示出允许改变屏障间距的可能的显示器结构。图6a和6b是允许改变屏障间距的一个显示器的平面图和截面图。该显示器具有图像显示面板，其中在TFT基板和滤色器基板之间设置有可独立寻址的像素，该图像显示面板可以是常规的，并且将不进一步描述。该显示器还具有视差屏障面板，其中可以通过设置在SEG(“分段电极”)基板上的可独立寻址的电极E(1)...E(8)和设置在COM(“共用电极”)基板上的平面电极来寻址设置在SEG基板和COM基板之间的介质(例如，液晶或其他电光材料)的区域，如图6(b)所示。该视差屏障面板和该图像显示面板通过胶合层粘合，并且在该视差屏障面板和该图像显示面板之间还可以设置有偏振器。图6(b)示出该视差屏障面板的电极被寻址为使得介质与电极E(1)、E(2)和E(6)-E(8)相对的区域是不透明的，以限定屏障区域，而介质与电极E(3)-E(5)相对的区域是可透射的，以限定缝隙。图6(c)和图6(d)的显示器通常类似于图6(a)和图6(b)的显示器，除了代替平面电极，可单独寻址的电极E(9)-E(16)设置在COM基板上。COM基板上的电极E(9)-E(16)相对于SEG基板上的电极E(1)-E(8)偏置，这允许更精细地控制屏障区域和缝隙的位置和宽度。(与COM基板上设置有单个连续的平面电极的图6(b)不同，在图6(d)中，COM基板本身没有设置公用电极，而是设置有分段电极E(9)...E(16)。然而，本领域技术人员仍将图6(d)中的COM基板视为公用电极基板，这是TFT显示器中的一般术语)。虽然图6(a-d)示出具有8个和16个电极的视差屏障面板，但是也可以构造具有其它数量的电极的视差屏障。
3、分立的电极需要更复杂的控制电路，包括更多的连接，如图7a。随着电极数量增加，可能需要将控制电路直接置于基板上，如图7b，如目前移动LCD显示控制***所做的那样。
4、在第三实施例中，跟踪***与照相机和可以以连续方式切换的视差屏障一起使用。
5、在第四实施例中，该***与包括柱状透镜或更复杂的透镜元件的透镜***一起使用。在图5b和图8中示出柱状透镜的例子。
6、在第五实施例中，该***与MEMS、光致变色、热敏、双稳态、GRIN透镜或混合***...一起使用。
7、在第六实施例中，该***与代替照相机使用的深度传感器一起使用。
在第一方面的方法中，所述光线路径与所述视差光学器件交点的确定可以基于所述显示器的一个或多个参数以及所述观察者和所述像素组的相对位置。所述显示器的所述一个或多个参数可以包括所述显示器的图像显示层与所述视差光学器件之间的间隔以及所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的介质的折射率与所述显示器和所述观察者之间的介质的折射率之间的比率。
第一方面的方法可以包括根据下式确定所述交点：
其中bx是所述光线路径和所述视差光学器件的所述交点的x坐标，Px是所述像素组的x坐标，ex是所述观察者的眼睛中间位置的x坐标，α是所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的介质的折射率与所述显示器和所述观察者之间的介质的折射率之间的比率，s是所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的间隔，Z是所述显示器和所述观察者之间的距离。
在第一方面的方法中，所述像素组应当利用与所述第一图像有关的数据还是利用与所述第二图像有关的数据来寻址的确定可以基于所述光线路径和所述视差光学器件的所述交点与所述视差光学器件的最近的狭缝之间的距离。例如，其可以包括确定：
并且如果X≥0.5，则确定为所述像素组应当利用与所述第一图像有关的数据来寻址，否则确定为所述像素组应当利用与所述第二图像有关的数据来寻址。
第一方面的方法可以包括将预渲染的数据值分配给所述像素。作为选择，可以为利用与第一图像有关的数据来寻址的那些像素来渲染第一图像数据，并且可以为利用与第二图像有关的数据来寻址的那些像素渲染第二图像数据。
第一方面的方法可以进一步包括从所述光线路径与所述视差光学器件的交点，确定所述视差光学器件中的一个或多个元件的位置和尺寸，例如在视差光学器件包括视差屏障阵列的情况下确定一个或多个不透明屏障区域的位置和尺寸。在该实施例中，通过重新寻址图像显示层和通过重新限定视差光学器件二者来补偿观察者的移动。
在第一或第二方面的方法中，像素组可以包括单个像素，即n＝1。作为选择，像素组可以包括两个或更多个像素，即n>1。
第三方面的方法可以包括确定非整数像素交错值。
第三方面的方法可以包括根据
确定所述像素交错值，其中n(重复)是所述像素交错值，δα是所述视差光学器件的元件在所述图像显示层上的投影的宽度，像素间距是所述显示器的所述图像显示层的像素间距。
在第三方面的方法中，所述像素交错值可以是非整数的。
第三方面的方法可以包括根据
确定所述视差光学器件的所述元件的所述期望投影，其中n(重复)是所述像素交错值，δα是所述视差光学器件的所述元件在所述图像显示层上的投影的宽度，像素间距是所述显示器的所述图像显示层的像素间距。
在第一、第二、第三或第四方面的方法中，所述第一图像可以是右眼图像，并且所述第二图像可以是左眼图像，由此所述多观看图像是自动立体3D图像。作为选择，第一图像和第二图像可以是显示给不同观察者的无关联的图像。
在第三实施例的变型中，计算最佳屏障位置。这等同于以与第三实施例中所述的方式类似的方式确定“屏障交错值”，然后根据该值确定屏障区域是否应当是不透明的。
第五、第六或第七方面的显示器可以包括自动立体显示器。
本发明的第五、第六或第七方面的所述显示器的所述视差光学器件可以是可禁用的。这允许该显示器在常规的2D模式下操作。可禁用的视差光学器件可以例如是在液晶面板中限定的视差屏障狭缝阵列或者诸如液晶透镜阵列的可切换透镜阵列。
工业上的可利用性
该***可用于提供高质量的跟踪式自动立体3D。作为选择，其可以用于向多个观看者显示不同的高质量2D图像。

Claims (23)

1.一种显示多观看图像的方法，包括：
针对多观看方向显示器的一组n个像素(n＝1,2,3...)，基于所述显示器和观察者之间的距离，确定从该组像素到所述观察者的光线路径与所述显示器的视差光学器件的交点；
从所述光线路径与所述视差光学器件的所述交点确定该组像素应当显示第一图像还是第二图像；以及
根据该组像素应当利用与所述第一图像有关的数据还是利用与所述第二图像有关的数据来寻址的确定，向该组像素的每个像素分配数据值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光线路径与所述视差光学器件的交点的确定是基于所述显示器的一个或多个参数以及所述观察者和所述像素组的相对位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述显示器的所述一个或多个参数包括所述显示器的图像显示层与所述视差光学器件之间的间隔以及所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的介质的折射率与所述显示器和所述观察者之间的介质的折射率之间的比率。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括根据下式确定所述交点：
b x = p x + ( e x - p x ) s Z α
其中bx是所述光线路径和所述视差光学器件的所述交点的x坐标，Px是所述像素组的x坐标，ex是所述观察者的眼睛中间位置的x坐标，α是所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的介质的折射率与所述显示器和所述观察者之间的介质的折射率之间的比率，s是所述显示器的所述图像显示层和所述视差光学器件之间的间隔，Z是所述显示器和所述观察者之间的距离。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述像素组应当利用与所述第一图像有关的数据还是利用与所述第二图像有关的数据来寻址的确定，是基于所述光线路径和所述视差光学器件的所述交点与所述视差光学器件的最近的狭缝之间的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述像素组应当利用与所述第一图像有关的数据还是利用与所述第二图像有关的数据来寻址的确定包括确定：
并且如果X≥0.5，则确定为所述像素组应当利用与所述第一图像有关的数据来寻址，否则确定为所述像素组应当利用与所述第二图像有关的数据来寻址。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括将预渲染的数据值分配给所述像素。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括从所述光线路径与所述视差光学器件的交点，确定所述视差光学器件中的一个或多个元件的位置和尺寸。
9.一种显示多观看图像的方法，包括：
针对多观看方向显示器的一组n个像素(n＝1,2,3...)，基于所述显示器和观察者之间的距离，确定从该组像素到所述观看者的光线路径与所述显示器的可重构的视差光学器件的交点；
从所述光线路径与所述视差光学器件的所述交点确定所述视差光学器件的一个或多个元件的期望位置和尺寸；以及
根据所确定的位置和尺寸来寻址所述视差光学器件以限定所述视差光学器件中的一个或多个元件。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中n＝1。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中n>1。
12.一种显示多观看图像的方法，包括：
基于观看者到具有图像显示层和视差光学器件的多观看方向显示器的距离，确定所述视差光学器件的间距在所述图像显示层上的投影的宽度；
从所述视差光学器件的所述间距在所述图像显示层上的投影的宽度确定像素交错值；以及
根据所确定的像素交错值，向像素分配对应于第一图像的数据或对应于第二图像的数据。
13.根据权利要求12所述的方法，包括确定非整数像素交错值。
14.根据权利要求12或13所述的方法，包括根据
确定所述像素交错值，其中n(重复)是所述像素交错值，δα是所述视差光学器件的间距在所述图像显示层上的投影的宽度，像素间距是所述显示器的所述图像显示层的像素间距。
15.一种显示多观看图像的方法，包括：
基于期望的像素交错值，确定具有图像显示层和可重构的视差光学器件的多观看方向显示器的所述视差光学器件的元件的期望投影；
从所述视差光学器件的所述元件的所述期望投影，确定所述元件的期望尺寸；以及
寻址所述视差光学器件以获得所述期望尺寸的元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述像素交错值是非整数的。
17.根据权利要求15或16所述的方法，包括根据
确定所述视差光学器件的所述元件的所述期望投影，其中n(重复)是所述像素交错值，δα是所述视差光学器件的所述元件在所述图像显示层上的投影的宽度，像素间距是所述显示器的所述图像显示层的像素间距。
18.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一图像是右眼图像，并且所述第二图像是左眼图像，由此所述多观看图像是自动立体3D图像。
19.一种多观看方向显示器，其配置为执行如权利要求1至18中任一项所限定的方法。
20.一种多观看方向显示器，包括：图像显示面板；视差光学器件；观察者跟踪单元；和控制单元，所述控制单元适于执行如权利要求1-18中任一项所限定的方法。
21.一种多观看方向显示器，包括：图像显示面板；视差光学器件；观察者跟踪单元；以及控制单元，所述控制单元适于向所述图像显示面板的像素分配数据值，以便提供具有非整数像素的重复长度的第一图像和第二图像的交错图案
22.根据权利要求19、20或21所述的显示器，包括自动立体显示器。
23.根据权利要求19、20、21或22所述的显示器，其中所述视差光学器件是可禁用的。
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