CN1922893A - 在3d图像显示设备中提高图像质量 - Google Patents

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Abstract

一种用于显示三维图像以使根据观看角度显示不同视图的显示设备，该显示设备包括具有用于显示所述图像的多个可分别寻址像素的显示面板。像素被分组以使组中的不同像素对应于该图像的不同视图，组中的各个像素被相对于各自的离散光源放置在适当位置，并且像素可被单独控制以改变各个像素的光学特征从而根据接收到的图像数据生成图像。组中像素大小作为像素相对于各自光源的观看角度的函数而变化，以使不同视图的特征独立于观看角度。

Description

在3D图像显示设备中提高图像质量
本发明涉及显示设备，尤其是适合显示三维或立体图像的显示设备。
三维图像的生成通常需要显示设备能够向该显示设备的用户的左眼和右眼提供不同视图。这可以通过用特殊构造的防护镜向用户的每只眼睛直接提供单独的图像而实现。在一个例子中，显示器以时间顺序方式提供交替的左右视图，通过同步的观看防护镜这些视图被观看者相应的眼睛接纳。
在另一例子中，如US 6,172,807所述，左眼和右眼视图的时间顺序同步是通过采用LCD面板形式的空间调制部件提供的，它用视差交替地阻塞显示器的左眼和右眼视图。为了正确地阻塞左眼和右眼视图，US 807的***必须不断跟踪观众相对于显示设备的位置。
相反，本发明所涉及的显示设备类型，能够根据相对于单一显示面板的观看角度看到一幅图像的不同视图，而不必要求跟踪用户位置。在下文中，一般将这些显示设备称作3D显示设备。
这种3D显示设备的一个已知类型是液晶显示器，在液晶显示器中实现了视差屏蔽方法。图1中示出了这种***。
参见图1，视差屏蔽类型的显示设备100包括提供多个离散光源的背板11。如所示的，可以通过由表面分布着多个缝隙14a到14d的不透明罩或屏蔽层13覆盖的区域光源12(例如荧光面板)形成背板11。每条缝隙14都充当一个线光源。
液晶显示器(LCD)面板15包括多个像素(例如，图1中编号为P1到P10)，根据已知技术它们可由电信号分别寻址以改变它们各自的光传输特征。背板11距离LCD面板15很近，这样每个线光源14对应一个像素组16。例如，图中示为组161的像素P1到P5对应于缝隙14a，示为组162的像素P6到P10对应于缝隙14b，等等。
一个像素组16的每个像素对应于一幅图像的多个可能的视图(V-2，V-1，V0，V1，V2)中的一个视图V，这样就可以通过与该视图对应的像素P1到P5中的一个像素看到各自的线光源14a。每个组16中的像素数决定了所呈现的图像的视图数，在所示装置中为5个。视图数越多，3D效果越逼真，也就提供了更多斜的观看角度。
贯穿本发明书，我们将正在显示的“图像”认为是正在由显示器面板中所有像素生成的整个图像，该图像由特定的观看角度决定的多个“视图”构成。
在这个现有技术的装置中存在两个主要问题。就观众的感知来说，一幅图像的任意给定视图的角度大小是观看角度Φ的函数。如图2中所示，给定视图V0，V1...，V6对于倾斜观看角度(例如，Φ6)比位于更小观看角度(例如，Φ1)的视图相距更紧密。如依据图1中的装置，观看者会感觉到通过像素P3观看到的光源14a的视图的角度大于通过像素P5观看到的光源14a的视图的角度。因而当观看者在视图间移动时会体验到可变量的3D效果，这会降低得到的图像的质量。
观看者会感觉到随着增加倾斜观看角度Φn视图之间递减的角度间距ΔΦn会导致任意给定离散光源14的亮度下降。因此，感觉到的所观看的光源亮度也将是观看角度的函数。当以更大的倾斜角度(例如，Φ6)观看时这会导致亮度降低的图像，并且在观看图像的不同视图时会引起不想要的亮度假象。
本发明的一个目标是消除或减轻随着观看角度Φn的增加视图角度间距ΔΦn的变化。本发明的另一目标是将用于显示三维图像的显示设备(其中，根据观看角度显示图像的不同视图)中不想要的亮度假象降至最小。
根据一个方面，本发明提供了用于显示三维图像以根据观看角度显示不同视图的显示设备，该显示设备包括：
具有用于显示所述图像的多个可分别寻址的像素的显示面板，像素被分组以使组中的不同像素对应于该图像的不同视图，组中的每个像素都被相对于各自的离散光源放置在适当的位置，每个像素都是可分别控制的以改变各个像素的光学特征，从而根据接收到的图像数据生成图像；
其中，组内的像素的大小作为像素相对于各自光源的观看角度的函数而变化。
根据另一方面，本发明提供了用于在显示设备上显示三维图像以根据观看角度显示该图像的不同视图的方法，该方法包括下列步骤：
处理图像数据以为显示面板中的多个可分别寻址像素中的每一个形成像素亮度数据值，像素被分组以使组中的不同像素对应该图像的不同视图，并且组中的每个像素都被相对于各自的离散光源放置在适当的位置，像素亮度数据值都用于控制各自像素的光学特征以生成该图像；
其中，组中的像素大小作为像素相对于各自光源的观看角度的函数而变化。
现在将通过示例并参考附图说明本发明的实施方案，附图中：
图1示出了使用视差屏蔽方法显示三维图像的LCD设备的现有设计的示意剖面图；
图2所示的示意剖面图有助于说明在现有视差屏蔽LCD设备中光源的视图的角宽度随着观看角度的增加而下降；
图3所示的示意图说明了光源的每个视图的角宽度，其由通过其观看该光源的像素的左和右边缘决定；
图4示出了具有变化的像素大小的LCD显示面板设计的示意剖面图；
图5所示的示意剖面图有助于说明合并了图4的显示面板的视差屏蔽LCD设备的几何结构；
图6示出的图表示像素位置和像素大小是视图编码的函数；
图7示出了根据本发明的实施方案的显示设备的示意框图；
图8示出了采用透镜阵列的本发明的实施方案；
图9示出了适用于显示设备的光源的替代形式；
图10示出了传统液晶显示器面板的观看角度属性的图，该图有助于说明根据本发明的显示优化原理。
参见图1，已经说明了现有视差屏蔽类型的三维图像显示设备的基本功能。在图2和3中明确示出了现有技术的3D显示设备，示出了随着观看角度Φn的增加光源的视图V0，V1，...，V6的角度大小ΔΦ下降的效果。
如图3中所示，各个视图V0，V1，...，V6的观察锥体的角度大小ΔΦn随n的增加而变小，其中n是从位于光源14中心的像素P0开始计数的像素编号。在理想的显示设备中，要选择观察锥体的角度大小ΔΦn以使观看者的左眼看到一个视图而右眼看到下一个相邻的视图。例如，假定从70cm的距离观看显示设备。假定左眼和右眼之间的平均距离是6cm，左眼和右眼对成的角度ΔΦeye＝arctan(6/70)＝5度。因此，设计该显示设备使得ΔΦ0＝ΔΦeye＝5度，以便在以正常入射角上观看时，左眼和右眼会分别看到视图V0和V1。这样，能感受到正常的3D图像。
但是，在更斜的角度上，ΔΦn变得越来越比ΔΦeye小，导致视图位于眼睛的观看角度之间。生成这些“冗余”视图的像素得不到有效利用，并且从每个观看者两个视图(每只眼睛一个视图)的最佳条件转为每个观看者3、4、5或更多视图，没有产生自然的图像。在这种情况下，当观看者将他的观看位置从显示器的一边移到另一边时体验到的是变化量的3D效果。
假定光源14是各向同性的发射体，各个视图V0，V1，V2，V3，V4的观察锥体的角度大小ΔΦn随n的增加而变小意味着n个视图中的每一个的亮度都随着n值的增大而降低。对于更斜的视图(例如，V3，V4)观看者将体验到比正交视图V0更低的亮度。这导致了在观察正在显示的图像的不同视图时一些不需要的假象。
本发明对现有的视差屏蔽类型的3D显示设备的问题提供了解决方案，在所提供的解决方案中，实质上是使视图的角度大小相等以独立于观看角度Φn，并且将视图的亮度正常化以独立于观看角度Φn。这些都不需要复杂的亮度补偿设备和/或显示软件来控制由像素显示的视图V的亮度为观看角度Φn的函数就能全部实现。
图4中示出了本发明的显示面板20。在优选配置中，面板20有多个可分别寻址的像素P-7，P-6，...，P21，P22，这些像素被分成组，使得分别在组211和212中的不同像素P-7，...，P7或P8，...，P22对应于图像的不同视图。优选地选择组中像素的大小以使其作为观看角度的函数而变化。在优选配置中，像素大小随着观看角度的增加而增加。
这里所用的术语“像素大小”或“像素的大小”可以对应于线性维度(例如宽和高)的大小或像素的平面维度的大小。
显示面板20可以是任何适当的电光设备，其中可以根据电控制信号改变各个像素P-7，...，P22的光学特征以生成图像。优选地显示面板20是液晶面板。
优选地提供了具有多个离散的光源22a，...，22c的照明源，以便每个像素组21被放在适当位置以接收来自各自对应的一个光源的光。这可以通过图1的区域光源12和屏蔽装置13来实现，但也可以通过以像素线、独立像素或像素块提供光源22的像素化光源来提供。
更进一步，该多个离散光源可以是通过提供一系列高亮度光点的背光和透镜阵列(例如，透镜状板阵列)而提供的虚拟光源。图9中示出了这种装置，其中显示设备80包括LCD面板75、区域光源72和透镜阵列71。透镜阵列将来自区域光源72的光聚焦到恰位于LCD面板的面板之外的多个离散焦点73，以便每个焦点照亮该LCD面板中的多个像素，与结合图1所说明的类似。
在图4所示的优选实施方案中，组211中的像素的中心像素P0被放置在适当位置以对应相对于各自光源22a的零观看角度。优选地选择该组中像素大小以在该中心像素的任何一边上对称地增加，以便距该中心像素(P0)最远的像素(P-7，P7)大于距它最近的像素(P-1，P1)。
在优选配置中，相邻的像素组212，213，...，21n采用彼此相同的像素布局和像素大小变化，以构造一个像素组阵列从而形成显示面板20。
但是，应该理解也可采用其它像素配置，例如像素大小Pn从像素组的一端到另一端递增，并且相邻像素组可以有与其它像素组不同的像素布局。当然这将取决于所要求的由显示器显示的效果以及预期的观看者如何感受该图像。
图5中示出了当前的显示面板20的像素组211的一部分。宽度为w的光源22a对应于组像素P0，...，P7。该组像素相对于该显示面板平面的法线的各个观看角度为Φ0，Φ1，...，Φ7，并且可以通过这组像素观看该光源22a。将会理解只示出了像素组211的大约一半，在像素P0的左边还有另外七个像素以构成像素组211。
显示面板20中的像素的宽度可变，例如P0＜P3＜P6。背板照明源22a和显示面板20之间的最小间距示为h。尽管这些值都可以大幅变化，但在本发明的一个优选显示设备中，h＝2.3毫米，P0＝200微米，w＝50微米。
在优选配置中，选择像素大小P0...P7使其根据下面函数增加：
pn＝0.5h[tan((n+1)Δφeye)-tan((n-1)Δφeye)]
(等式1)
其中ΔΦeye表示观看者的瞳距形成的角度，例如由正常人的平均瞳距决定，通常是6cm。因为，在优选的实际应用中，观看者和显示面板20之间的观看距离d远远大于h(即，d＞＞h)，ΔΦeye近似arctan(s/d)，其中s是平均瞳距。因此，对于特定的观看者，在特定距离d上观看该显示设备，ΔΦeye将是固定的，像素大小Pn是视图数n的函数(等式1)。
根据等式1，由于三角分量，组21中的像素大小Pn随着观看角度的增加而非线性增加，在增长速率上(由dpn/dn或dpn/dΦn决定)也随着观看角度Φn而增加。
由于像素大小随着斜观看角度的增加而变化，距中心像素P0最远的像素变得足够大以使光源22a的不同视图V0，V1，...，V6，V7的观察锥体看起来没有亮度损失。在这个优选配置中，假定光源22a是各向同性的发射体，不同视图的亮度实际上是在所有观看角度Φn上被取准了。如果视图V0的亮度被取准为1，那么各个视图Vn的亮度由下式给出：
(brightness view)n＝Δφn/Δφ0
(等式2)
在根据上述等式1而变化的组21的像素大小中，发现不同视图之间的角度实际上被补偿了，以使Φn＝nΦete并且ΔΦn＝ΔΦeye＝常量(即，与n无关)。这在图5中非常清楚，这样视图间角度Φ1-Φ0＝Φ7-Φ6＝ΔΦeye，尽管Φ7和Φ6是斜的观看角度。
在该优选配置中，通过根据等式1选择组21中的像素大小Pn，该组中像素的位置xn可以由下式确定：
xn＝0.5h[tan(nΔφeye)+tan(n+1)Δφeye)]
(等式3)
ΔΦeye还是由arctan(s/d)给出，并且对于在特定观看距离d上瞳距为s的特定观看者将是固定不变的。
图6中分别以曲线31、32示出了像素位置xn和大小Pn的值为视图编码n(0，1，...，6，7，n)的函数。这是根据观看者瞳距s＝6cm、观看距离d＝70cm、h＝2.3mm、P0＝200微米、w＝50微米的典型配置而绘制的，可以看到，距中心像素最近的像素的大小与中心像素大小基本上相同但随着视图编码n的增加像素大小逐渐显著增加。例如，产生视图15的像素约是中心像素的15倍大。
将会认识到，就各向异性的光源22a来说，可以相应地进行对组21中像素大小Pn的调整以便确定视图V的亮度轮廓为n的函数。
将会理解优选实施方案不限于每个像素组21只有奇数个像素的显示面板，每个像素组有偶数个像素的实施方案也是可能的。事实上，本发明的显示面板对每个像素组可以包括非整数个像素(例如，位于组的边缘的像素被部分遮掩)。在每个像素组有偶数个或非整数个像素的实施方案中，等式1和3需要做一些小小的修改，但在函数形式上与现有等式1和3类似，产生已经说明过的变化的像素大小。因此，为简明起见，这里没有重复相应的等式。
图7示出了用于本发明的显示面板20的显示设备101的示意性示范实施方案。
图像处理器50接收到一个图像信息流，包括多个视图V的每一个视图的亮度像素数据。处理该图像信息并将其以数字形式存储到帧缓冲区51，以便能够在引入了当前显示面板20的显示设备53上再现它。帧缓冲区51包括多个页面58，每页包括各视图V的像素数据。
帧缓冲区51由显示驱动器52访问，显示驱动器52根据帧存储51中所存储的每个值将合适的驱动电压和/或电流信号提供给显示面板20的每个像素。
本发明的显示面板20的特殊优势是仅对传统LCD驱动器装置在硬件形式上做非常小的改动(如果有的话)就能够实现。可以用软件实现图像处理器50的功能，也可将显示驱动器52的功能实现为软件实现。
还要注意到可以用图5所示之外其它形式的3D显示器应用这里所说明的本发明的显示面板20。参见图8，将会注意到本发明还可应用到透镜状3D显示设备200。在这个透镜状显示设备中，液晶显示面板115以与图4中相似的方式包括配置在组1161，1162中的多个大小不同的像素(示为a1-b8)。在LCD阵列115的顶部放置了柱面透镜121、122的透镜阵列120。该透镜阵列可以包括任意一片起伏不平的光学材料，或者是离散的或联结的透镜的阵列，以提供对该LCD面板的像素组的局部聚焦。
在图8所示的配置中，对应于8-视图3D显示器，选择每个透镜部件的宽度为8像素。当然，可以选择每个透镜部件的宽度以根据所要求的角分辨率对应不同数量的不同大小的像素。LCD的像素a1到a8被成像为不同的视图。通过改变结合图4和图5所说明的显示面板20的像素大小，解决了现有透镜状3D显示设备中存在的亮度对角度的依赖问题。
将会认识到本发明不仅可以应用到透射型显示面板，还可以应用到反射型显示面板。在反射型显示面板中，显示面板提供对多个像素中的每个像素的反射率控制，反射率对于像素平面与光源所成角度的依赖性仍存在，并且该依赖性可以通过使用这里所说明的像素大小可变的显示面板20来解决。
上面所说明的本发明对于液晶显示器的优化通常已经有了重要应用。LCD面板的观看角度依赖性已知通常相当差。图10示出了对于没有补偿片的标准的90度扭转向列(TN)透射型LCD，对比度和灰度反转如何依赖于观看角度。水平观看角度被示为在x-轴上距显示器平面的法线-60度到+60度，垂直观看角度被示为在y-轴上距显示器平面的法线-60度到+60度。
在图的下部示出了LCD起偏振器的光轴90、91和液晶导向器的光轴92的方向。
从图10可以看到图像质量强烈依赖于观看角度。对于图10中所示实例，最佳观看角度由从左上角到右下角的曲对角线94所示，对位于线94右上的观看位置发生灰度反转。
通常，对于很多重要的应用，例如电视和计算机监视器，我们认识到将水平观看方向上的性能最大化比将垂直观看方向上的性能最大化更重要。例如，对于电视应用来说，显示设备的多个观看者的眼睛与屏幕都大体相齐(即，在y-轴上变化很小)，但相对于x-轴的水平观看角度则可能变化非常大。类似地，位于计算机监视器前的用户在工作时也是更可能沿着x-轴移动改变头的位置，而不是沿y-轴。
因此，根据常规，将LCD从图10所示的方向逆时针旋转45度，以使它的偏振轴在使用时和显示器的x-轴和y-轴成大约45度角。这样，就为水平观看角度优化了该显示设备的性能，但损害了垂直观看角度的性能。
3D LCD显示器遇到的同样问题是在x和y方向上对观看角度依赖性的优化。
但是，在本发明中，认识到通过使用具有上述可变像素大小的显示面板可以实现对亮度再现的优化。
因此，提供在某一方向上针对垂直观看角度变化对显示面板的内在光学特征进行优化的显示面板更合适。用本文所说明的显示面板20可以适应并优化水平观看角度变化。
因而，在一种优选配置中，在正常使用中，配置上述3D显示设备以使它在每组21中提供不同视图V的像素为与该显示面板20的第一轴的角度的函数，并且定向该显示面板20的偏振部件以使相对于该显示器的第二轴的观看角度依赖性最小，其中该第二轴正交于该第一轴。
在更一般的意义上，该显示面板的内在光学特征使得观看角度依赖性相对于y-轴被降低或基本上最小化，并且当前显示面板20足以基本上消除相对于与y-轴横向的那个轴的观看角度依赖性。更优选地，当前显示面板20足以基本上消除相对于与y-轴正交的轴(即，x-轴)的观看角度依赖性。在最优选的设备中，x-轴被定义为当显示器正常使用时的水平轴，y-轴被定义为当显示器正常使用时的垂直轴。
其它实施方案也在所附权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种用于显示三维图像以使根据观看角度显示不同视图的显示设备，该显示设备包括：
具有用于显示所述图像的多个可分别寻址的像素(P-7，...，P22)的显示面板(20)，像素被分组以使组(21)中的不同像素对应于该图像的不同视图，组中的各个像素被相对于各自的离散光源(22)放置在适当位置，并且各个像素可被单独控制以改变各个像素的光学特征从而根据接收到的图像数据生成图像；
其中组中像素的大小作为像素相对于各自光源的观看角度的函数而变化。
2.权利要求1的显示设备，其中组(21)中像素的大小随观看角度的增大而增大。
3.权利要求1的显示设备，其中组(21)中像素的大小随着观看角度的增大非线性地增大。
4.权利要求2的显示设备，其中组(21)中渐大的像素大小适合独立于观看角度呈现各自光源(22)的视图的角度大小。
5.权利要求2或3的显示设备，其中组(21)中渐大的像素大小适合将由该组各个像素显示的亮度实质上取准以使其独立于观看角度。
6.任何前述权利要求中的显示设备，其中每个像素组(21)包括一个被适当放置以对应零观看角度的中心像素(0，15)。
7.权利要求6的显示设备，其中组(21)中的像素大小在该中心像素(0，15)的任一边增大。
8.权利要求7的显示设备，其中像素大小在该中心像素(0，15)的任一边对称增大。
9.前述任一权利要求中的显示设备，其中组(21)中的像素大小根据下列函数而增大：
0.5h[tan((n+1)Δφeye)-tan((n-1)Δφeye)]
其中n是距该组的中心像素(0，15)的像素位置，h是光源与该像素组的平面的垂直距离，ΔΦeye是左眼和右眼之间的角度间距，其中ΔΦeye近似为arctan(s/d)，其中s是左眼和右眼间的平均瞳距，d是观看者和显示设备之间的观看距离。
10.权利要求1或9的显示设备，还包括用于提供多个所述离散光源(14，22)的背板(11)，该显示面板(20)中的每个像素组(21)都被放置在适当位置以接收来自相应一个离散光源的光。
11.权利要求10的显示设备，其中该背板(11)提供了多个线照明源。
12.权利要求10的显示设备，其中该背板(11)提供了多个点照明源。
13.前述任一权利要求的显示设备，还包括用于控制组中每个像素的所述光学特征的显示驱动器(52)。
14.权利要求11或12的显示设备，其中该显示面板(20)是适合从该背板(11)所在一侧的相对一侧观看的透光型显示面板。
15.权利要求1的显示设备，还包括与该显示面板(20)相邻放置的透镜阵列(120)，该阵列中的每个透镜体(121)聚焦来自该显示面板中所选择的像素的光。
16.权利要求15的显示设备，其中该阵列(120)中的每个透镜体(121)与一个所述像素组(116)相关联。
17.前述任一权利要求的显示设备，其中所述光学特征是光透射特征，并且显示驱动器(52)适合根据要显示的图像控制透过各个像素的光的量。
18.前述任一权利要求的显示设备，其中所述显示面板(20)的内在光学特征被配置为使得相对于y-轴的观看角度依赖性被降低或基本上最小化。
19.引入到一个对象中的权利要求17的显示设备，其中y-轴被定义为当该对象正常使用时的垂直轴。
20.一种用于在显示设备上显示三维图像以使根据观看角度显示不同图像视图的方法，该方法包括以下步骤：
处理图像数据以为显示面板(20)中的多个可分别寻址的像素(P-7，...，P22)的每一个形成像素亮度数据值，像素被分组以使组(21)中的不同像素对应于该图像的不同视图，并且组中的各个像素被相对于各自的离散光源(22)放置在适当位置，该像素亮度数据值各自用于控制各自像素的光学特征以生成图像；
其中组中像素的大小作为像素相对于各自光源的观看角度的函数而变化。
21.权利要求20的方法，其中组(21)中像素的大小通过增加该像素的线性或平面维度的至少之一而被改变。
22.权利要求21的方法，其中选择组(21)中的像素大小以独立于观看角度呈现各自光源(22)的视图的角度大小。
23.权利要求21或22的方法，其中选择组(21)中的像素大小以实际上取准该组中每个像素所显示的亮度使其独立于观看角度。
24.权利要求20的方法，其中所述光学特征是光透射特征并且显示驱动器(52)适合根据要显示的图像控制通过各个像素的光的量。
25.权利要求20到24中任一权利要求的方法，还包括配置该显示面板(20)的内在光学特征以使观看角度依赖性相对于y-轴被降低或基本上最小化的步骤。
26.权利要求25的方法，其中当该显示面板(20)正常使用时y-轴是垂直轴。
27.在此参考附图所描述的装置。
28.在此参考附图所描述的方法。
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