JP6775220B2 - 立体画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体画像表示装置に関する。

運動視差を伴う多視点裸眼立体スクリーンを実現するために、拡散角度の狭い透過型スクリーンを用いて複数の角度から映像を投影する手法が開示されている（非特許文献１）。また、少ない映像ソースとプロジェクタ数で、運動視差を伴う場合でもなめらかな視点切り替えを可能にした表示装置が開示されている（特許文献１）。

なお、運動視差とは、観察者の視点が移動することによって生じる視差のことである。また、多視点裸眼立体とは、異なる視点から裸眼で立体像を観察することである。

特開２０１５−１２１７４８号公報

Andrew Jones, Jonas Unger, Koki Nagano, Jay Busch, Xueming Yu, Hsuan-Yueh Peng, Oleg Alexander, Mark Bolas, Paul Debevec, "An Automultiscopic Projector Array for Interactive Digital Humans. "USC Institute for Creative Technologies

非特許文献１の手法は、視点移動に伴う視点切り替えをなめらかにするために、密な間隔でプロジェクタを設置する必要があり、必要なプロジェクタ数と投影する映像ソースが膨大になるという課題がある。また、特許文献１は、スクリーンの背後にプロジェクタを設置する必要があり、装置全体が大型化し、設置場所が限定されるという課題がある。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、プロジェクタ数を削減でき、設置場所を省スペース化できる立体画像表示装置を提供することを目的とする。

本実施形態の一態様に係る立体画像表示装置は、焦点距離ｆの反射面からほぼaの距離離れた表示装置からの映像光が前記反射面で反射して該反射面からほぼbの距離離れた空間結像アイリス面を作る、(1/a)+(1/b)=1/f、の関係を満たす前記反射面を有する反射スクリーンにおいて、前記映像光（入射光）の反射スクリーンによる反射光の水平方向の明るさが、入射光の正反射方向から外れるに従い、線形または単調に減少する拡散特性を有し、前記拡散特性により、空間結像アイリス面の水平方向光強度も中心付近から外れるに従い、線形または単調に減少するようにし、前記空間結像アイリス面の周辺部の水平方向光強度が減少する位置に、別の表示装置の前記空間結像アイリス面の水平方向光強度の中心付近がくるように、２台以上の表示装置からの前記映像光を重ねて投影し、隣り合う前記表示装置から投影される映像の合成輝度の最小値は、２つ以上の前記表示装置のそれぞれから投影される映像の輝度最大値の平均値よりも高くなるように設定されることを要旨とする。

本発明によれば、表示装置数（プロジェクタ数）を削減でき設置場所を省スペース化できる立体画像表示装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る立体画像表示装置の機能構成例の平面図を示す図である。 なめらかな視点切り替えが可能な２つの空間結像アイリス面における輝度分布の例を示す図である。 なめらかな視点切り替えが不可能な２つの空間結像アイリス面における輝度分布の例を示す図である。 図１に示す立体画像表示装置の反射スクリーンの断面構造例を示す図である。 図４に示す反射スクリーンの輝度分布の例を示す図である。 本発明の変形例に係る立体画像表示装置が備える同期部を示す図である。 本発明の変形例に係る立体画像表示装置の機能構成例の側面図を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以降においてプロジェ
クタは、表示装置と称する。

図１に、実施形態に係る立体画像表示装置１の機能構成例を平面図で示す。

立体画像表示装置１は、反射スクリーン１０と、複数の表示装置２０−１，２０−２，２０−３を備える。なお、図１において、各表示装置２０−１，２０−２，２０−３に映像ソースを供給する映像信号供給部の表記は省略している。

反射スクリーン１０は、視点の移動に伴って表示映像の輝度が滑らかに遷移するスクリーンである。以下の実施形態では、こうした特性を持つスクリーンとして「空間結像アイリス面型スクリーン」を例に説明する。アイリスとは、表示装置の内部に存在する機構であり、カメラの絞りに相当し、光量を調整するものである。空間結像アイリス面型スクリーンはレンズ層を持ち、アイリスを空間に結像した「空間結像アイリス面」を形成する。この空間結像アイリス面は、観察者の視点の移動に伴って投影映像の輝度がなめらかに遷移する特性を持つ。反射スクリーン１０について詳しくは後述する。

複数の表示装置２０−１，２０−２，２０−３は、反射スクリーン１０に映像を投影する。隣り合う表示装置２０−１と２０−２及び２０―１と２０−３は、２つの空間結像アイリス面の一部を重ねて投影する。

表示装置２０―２が投影する空間結像アイリス面４０―２の一部と、表示装置２０−１が投影する空間結像アイリス面４０−１の一部が重なる。また、表示装置２０―２が投影する空間結像アイリス面４０―２の一部と、表示装置２０−３が投影する空間結像アイリス面４０−３の一部が重なる。

本実施形態の立体画像表示装置１によれば、視点移動に伴ってなめらかに輝度が遷移する特性の反射スクリーン１０に、映像ソースをフロントから投影するので、従来（透過型スクリーン＋リアプロジェクタ）の方式よりも、表示装置数を削減でき、設置場所を省スペース化できる効果を奏する。

（立体画像表示装置の構成）
図１を参照して立体画像表示装置１の構成を説明する。図１において、観察者から見た状態での反射スクリーン１０の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向、厚み方向（奥行き方向）をｚ方向とする。ここで、観察者の側を正面側と称する。

この例では、表示装置の数を３つで示す。なお、表示装置の数は、２つ以上有れば良い。以降の説明において、表示装置の位置を特定する必要の無い場合は、「表示装置２０」と表記する。他の参照符号についても同様である。

表示装置２０−１，２０−２，２０−３は、反射スクリーン１０の正面からａの距離にそれぞれ配置する。中央の表示装置２０−２は、反射スクリーン１０に投影物３０−２を投影する。表示装置２０−２の投影光は、反射スクリーン１０によって反射スクリーン１０の表面からｄの距離離れた位置に、空間結像アイリス面４０−２を形成する。

表示装置２０−１は、中央の表示装置２０−２から＋ｘ方向に、所定の間隔を空けて並べて配置する。表示装置２０−１は、反射スクリーン１０に投影物３０−１を投影する。
表示装置２０−１の投影光は、空間結像アイリス面４０−２の−ｘ方向に隣接する空間結像アイリス面４０−１を形成する。

なお、表示装置２０−１は、投影物３０−１の方向に角度を持つように表記しているが、表示装置２０−１から投影する投影光に角度を持たせる必要はない。表示装置２０からの映像投影領域が、反射スクリーン１０の全体を含んでいれば表示装置２０に角度を持たせなくても良い。

表示装置２０−３は、表示装置２０−２を挟んで表示装置２０−１と対称の位置に配置する。表示装置２０−３は、反射スクリーン１０に投影物３０―３を投影する。表示装置２０−３の投影光は、空間結像アイリス面４０−２の＋ｘ側の位置に空間結像アイリス面４０−３を形成する。

各空間結像アイリス面４０−１，４０−２，４０−３が結像されるｚ軸方向の距離ｄ（図１において間隔ｄ）は、反射スクリーン１０の焦点距離をｆ、表示装置２０と反射スクリーン１０の間の距離をａとした場合に、（1/a）＋（1/d）＝1/fの等式を満たす。中央の空間結像アイリス面４０−２のｘ方向の両端部分は、隣のそれぞれの空間結像アイリス面４０−１，４０−３の一部と重なる。

空間結像アイリス面４０−２の＋ｘ方向の端部は、空間結像アイリス面４０−３の−ｘ方向の端部と重なる。また、空間結像アイリス面４０−２の−ｘ方向の端部は、空間結像アイリス面４０−１の＋ｘ方向の端部と重なる。

次に、本実施形態の表示方法について説明する。

（表示方法）
本実施形態の表示方法は、立体画像表示装置１が行う表示方法であって、立体画像表示装置１は、視点の移動に伴う輝度変化が、なめらかに遷移する特性を持つ反射スクリーン１０と、反射スクリーン１０に映像を投影する複数の表示装置２０−１，２０−２，２０−３とを備え、表示方法においては、隣り合う表示装置２０から投影される２つの空間結像アイリス面４０−２と４０−１及び４０−２と４０−３の一部を重ねて投影する。

反射スクリーン１０は、結像する空間結像アイリス面内の輝度分布に１つのピークを持ち、輝度がピークとなる視点（観察者の目）の位置からｘ方向と−ｘ方向のどちらに視点を移動してもなめらかに輝度が減衰するように設計されている。例えば、反射スクリーン１０の正面から投影する表示装置２０−２による空間結像アイリス面４０−２では、投影物３０−２の輝度が、空間結像アイリス面４０−２の中心で最も高く、ｘ方向と−ｘ方向のどちらに視点を移動しても次第に低下する。また、投影物３０−２は、空間結像アイリス面４０−２の±ｘ方向の両外側から外では見えなくなる。

空間結像アイリス面４０−２の−ｘ方向側の空間結像アイリス面４０−１における投影物３０−１の輝度は、投影物３０−２と同様に、空間結像アイリス面４０−1内にひとつのピークを持ち、そのピークとなる視点から±ｘ方向のどちらに視点が移動しても低下する。

また、空間結像アイリス面４０−１から±ｘ方向の両外側に視点が外れると、投影物３０―１は観察されない。したがって、投影物３０−２と投影物３０−１の間隔を広くし、空間結像アイリス面４０が重ならない場合、視点位置に応じて投影物３０−２と投影物３０−１が切り替わり、両方を同時に観察することはできない。

一方、空間結像アイリス面４０−２と空間結像アイリス面４０−１との間隔を狭め、空間結像アイリス面４０−２,４０−１が重なる範囲を設けた場合、この重なる範囲では投影物３０−２と投影物３０−１を同時に見ることができる。つまり、投影物３０−２と投影物３０−１を混合（ブレンド）して見ることになる。

ここで、投影物３０−２に物体を正面から撮影した映像、投影物３０−１に物体を左方向から撮影した映像を投影すると仮定する。つまり、観察者は、中央の空間結像アイリス面４０−２の中心から空間結像アイリス面４０−１に移動しながら反射スクリーン１０を見ると、物体を正面から左方向に回り込むようにして見た物体を知覚することになる。

この際、空間結像アイリス面４０−２内で観察される投影物３０−２と空間結像アイリス面４０−１内で観察される投影物３０−２との視差間隔νを融合限界角度Ａ以下にすることで、２つの空間結像アイリス面４０−２,４０−１が視点移動に応じてなめらかに融合され、投影物３０−２と投影物３０−１の中間視点の映像を再現することができる。これにより、観察者は両眼視差を持った映像を知覚するため、裸眼立体視が可能になる。なお、投影物間の視差間隔νと、反射スクリーン１０から空間結像アイリス面４０までの間隔ｄ、融合限界角度Ａとの関係は次式で表される。

融合限界角度Ａは、隣り合う２つのエッジが分離せずに融合して観察される角度間隔であり、3min(of arc)〜8min(of arc)（参考文献：H. Takada, S. Suyama and M. Date, valuation of the Fusional Limit between the Front and Rear Images in Depth-Fused 3-D Visual Illusion,” IEICE Trans. on Electron., Vol. E89-C, No. 3, pp. 429-433 (2006)）と称される。隣り合う２つの空間結像アイリス面４０で、双方の空間結像アイリス面４０が重なる領域では、２つの空間結像アイリス面４０が同時に観察されるが、空間結像アイリス面４０同士の間隔がこの融合間隔以下であれば、空間結像アイリス面４０がブレンドされ、２つの空間結像アイリス面４０の中間の視点が知覚される。空間結像アイリス面４０−２と空間結像アイリス面４０−３の関係においても同様である。

投影物３０−３を、物体を右方向から撮影した映像とすると、その物体は、空間結像アイリス面４０−２と空間結像アイリス面４０−３とが重なる範囲において、右方向から見た立体映像として知覚される。

この空間結像アイリス面４０−２と空間結像アイリス面４０−３の間における視点移動による映像の切り替わりをなめらかにするためには、空間結像アイリス面４０−２と４０−３が重なる範囲における合成輝度値を、空間結像アイリス面４０−２，４０−３のそれぞれの輝度のピーク値の平均値よりも高くなるように表示装置２０の配置間隔を設定する。つまり、隣り合う表示装置２０から投影される映像の合成輝度の最小値は、２つ以上の表示装置２０のそれぞれから投影される映像の輝度最大値の平均値よりも高くなるように設定される。

図２に、そのような合成輝度値に設定した輝度分布の例を示す。図２の横軸は視点Ｂ［度］、縦軸は相対輝度である。図２において破線は、例えば空間結像アイリス面４０−１の輝度分布である。一点鎖線は、例えば空間結像アイリス面４０−２の輝度分布である。太い実線は、２つの空間結像アイリス面４０−１,４０−２の合成輝度である。

２つの空間結像アイリス面４０−１,４０−２の合成輝度値は、２つの空間結像アイリス面４０−２，４０−１のピーク値（矢印の中心点）の輝度の平均値よりも高くなっている。このような合成輝度値にすることで、観察者は、空間結像アイリス面内の視点の移動でなめらかな輝度変化を知覚することができる。また、空間結像アイリス面４０の輝度分布の裾部分(図２中のα,β)が0とならない場合、ノイズとなり、合成された映像の品質劣化につながる。しかし、合成輝度値がそれぞれピーク値の輝度値の平均よりも高くなるように設定することで、ノイズの影響を相対的に低下させ、映像の品質を向上させることができる。つまり、本実施形態の表示方法によれば、運動視差を伴う多視点裸眼立体投影を、なめらかに行うことができる。これは隣り合う２つの空間結像アイリス面４０の輝度分布におけるピーク値の高さや裾の広がり具合、左右の対称性が異なる場合でも同様である。

図３に比較例の輝度分布の例を示す。図３の横軸と縦軸の関係、及び各特性の関係は、図２と同じである。

図３では、２つの投影物３０−１と３０−２の合成輝度値が、２つの空間結像アイリス面４０−２，４０−１の中間位置の輝度の平均値よりも低くなっている。この場合、中間位置に視点が移動するのに伴い全体の輝度が低下し、隣の視点の輝度も低下するためなめらかな視点補間ができない。

次に、反射スクリーン１０について説明する。

（反射スクリーン）
図４に、反射スクリーン１０の断面構造例を示す。反射スクリーン１０は、保持板１０ａ、反射層１０ｂ、ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃ、及び異方性拡散層１０ｄの層構造である。

保持板１０ａは、反射スクリーン１０の平坦性を維持する基板であり、例えばプラスチック板等で構成される。保持板１０ａの正面側には、反射層１０ｂが形成される。

反射層１０ｂは、例えばアルミニウム、銀、ニッケル等の高反射率の金属で構成される。反射層１０ｂの正面側には、ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃが形成される。

ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃの正面側は平面であり、背面側がフレネルレンズ面を形成し、エポキシアクリルレート等の樹脂で構成される。ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃの正面側には、異方性拡散層１０ｄが形成される。

異方性拡散とは、拡散層により拡散する光りの拡散角度が、拡散層の表面形状と特定の関係にある直交二方向で相異なる特性を有する拡散層のことである。異方性拡散層１０ｄは、拡散角度範囲内での輝度の分布型が例えばガウス分布である。

図５に、反射スクリーン１０の輝度分布の例を示す。図５の横軸は視点Ｂ［度］、縦軸は輝度［cd/m²］である。

視点Ｂ［度］は垂線方向である。0度を中心として±方向の入射角度θの変化に対して、なだらかに輝度が減少する特性を示す。この例では、入射角度θが約7度変化すると輝度が半減する特性を示す。

図４に例示する反射スクリーン１０を用いることで、図２に示す混合した合成輝度値の特性を実現できる。

（変形例１）
図６に、立体画像表示装置１を変形した変形例１の機能構成例の一部を示す。変形例１は、同期部６０を備える。変形例１は、同期部６０を備える点で立体画像表示装置１（図１）と異なる。

同期部６０は、複数の表示装置２０にそれぞれ対応する映像信号の同期を取る。同期部６０には、映像信号供給部５０−１，５０−２，５０−３のそれぞれから映像ソースが供給される。

映像信号供給部５０−１から供給される映像ソースは、表示装置２０−１から反射スクリーン１０に投影される。映像信号供給部５０−２から供給される映像ソースは、表示装置２０−２から反射スクリーン１０に投影される。映像信号供給部５０−３から供給される映像ソースは、表示装置２０−３から反射スクリーン１０に投影される。

映像信号供給部５０から供給される映像ソースを、例えば動画とした場合、同期部６０はそれぞれの映像ソースの同期を取る。同期部６０は、映像ソースが例えばフレームレート60f/sの動画で有る場合、フレームごとに同期を取る。

フレームごとに同期を取ることで、動画であっても上記の知覚効果を得ることが可能である。また、同期部６０、映像信号供給部５０はネットワーク越しに存在してもよく、遠隔地で撮影した立体映像をリアルタイムで配信するシステムとしても機能できる。

（変形例２）
図７に、立体画像表示装置１を変形した変形例２の機能構成例を示す。図７は、立体画像表示装置１を、表示装置２０−１の側から見た側面図である。

変形例２の反射スクリーン１０は、縦拡散の特性を持つ。縦拡散とは、ｙ方向に投影光を拡散させることである。つまり、変形例２の反射スクリーン１０は、縦方向に広い拡散特性を持つ。

縦拡散の特性を持たせることで、空間結像アイリス面４０−３を±ｙ方向に伸ばすことができる。その結果、観察者の視点がｙ方向に移動しても、ｘ軸方向のなめらかな輝度変化を知覚させることができるため、観察者の身長差や縦方向の視聴位置の違いにも対応できる。また、表示装置２０を床や天井に設置し、反射スクリーン１０に対して斜め上や下から投影しても正面位置に空間結像アイリス面４０を形成することができるため、観察範囲に機材を置かない構成や短焦点の表示装置の利用も可能になる。

以上説明したように本実施形態の立体画像表示装置１によれば、フロント投影式であることから従来の透過型スクリーンの背後に表示装置を配置する方式よりも、表示装置数を削減でき、設置場所を省スペース化できる効果を奏する。また、立体画像表示装置１は、視点の移動に伴う輝度変化を、なめらかに知覚させることができる。

また、本実施形態では、特別な映像処理が必要ない。例えばカメラで撮影した映像ソースをそのまま表示装置２０から投影するだけで上記の知覚効果を得ることができる。

なお、上記の説明は、表示装置２０の数を３つで行ったが、表示装置２０は２つ以上で有れば良い。表示装置２０の数が多い程、投影範囲をｘ方向に拡大することができる。また、変形例１と２で説明した例は、それぞれを組み合わせることも可能である。また、立体画像表示装置１の設置を90度回転させる等により縦方向への多視点化も可能である。かつ、上記ではｘ軸方向での例を説明したが、縦拡散を使わない場合、ｙ軸方向にも同様に視点移動をなめらかにする投影が可能である。その場合は、表示装置２０をｘ軸方向とｙ軸方向に設置することで観察者が上下左右に移動してもその視点位置から見た映像を知覚させることができる。

また、上記の説明では反射スクリーン１０は、空間結像アイリス面４０を形成するスクリーンとし、輝度分布がガウス分布となる例で説明したが、輝度分布は線形で有っても良い。要するに、視点移動に伴ってなめらかに輝度が遷移する輝度分布を持つ反射スクリーンであれば代用できる。

このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。

本実施の形態は、設置が容易で輝度も高いため、例えば、屋外用看板、リアルタイムコミュニケーション用の表示板、及びエンターテイメント・アミューズメント用の表記板に適用することができ、コミュケーションの分野で広く利用可能である。

１：立体画像表示装置
１０：反射スクリーン
１０ａ：保持板
１０ｂ：反射層
１０ｃ：ＵＶ重合フレネルレンズ層
１０ｄ：異方性拡散層
２０−１，２０−２，２０−３：表示装置
３０−１，３０−２，３０−３：投影物
４０−１，４０−２，４０−３：空間結像アイリス面
５０−１，５０−２，５０−３：映像信号供給部
６０：同期部
ν：視差間隔
ｄ：間隔（距離）
Ａ：融合限界角度

Claims (3)

1. 焦点距離ｆの反射面からほぼaの距離離れた表示装置からの映像光が前記反射面で反射して該反射面からほぼbの距離離れた空間結像アイリス面を作る、(1/a)+(1/b)=1/f、の関係を満たす前記反射面を有する反射スクリーンにおいて、
   前記映像光（入射光）の反射スクリーンによる反射光の水平方向の明るさが、入射光の正反射方向から外れるに従い、線形または単調に減少する拡散特性を有し、
   前記拡散特性により、空間結像アイリス面の水平方向光強度も中心付近から外れるに従い、線形または単調に減少するようにし、
   前記空間結像アイリス面の周辺部の水平方向光強度が減少する位置に、別の表示装置の前記空間結像アイリス面の水平方向光強度の中心付近がくるように、２台以上の表示装置からの前記映像光を重ねて投影し、
   隣り合う前記表示装置から投影される映像の合成輝度の最小値は、２つ以上の前記表示装置のそれぞれから投影される映像の輝度最大値の平均値よりも高くなるように設定される
   ことを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記反射スクリーンは、縦方向に広い拡散特性を持つことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 複数の前記表示装置にそれぞれ対応する映像信号の同期を取る同期部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体画像表示装置。

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