TWI289684B - A device and a process for lenticular-based autostereoscopic display, and a process for synthesizing the associated autostereoscopic images - Google Patents

Description

1289684 • (案號第094135830號專利案之說明書修正） 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種以柱狀鏡為基礎之自動立體顯示裝 置，其亦包含使用該裝置作自動立體顯示的方法及一種合 成相關自動立體影像之方法。 本發明所屬領域尤指三維彩色電視以及電腦螢幕，例 如，公共資訊或娛樂素材的廣告訊息或資訊的廣播顯示。 【先前技術】 習知不需透鏡的自動立體顯示裝置，係採用視差柵欄 或柱狀鏡技術。通常一個自動立體顯示螢幕包括有： 一個液晶或電漿技術的二維電子螢幕，發射經過編碼 的内容；以及 一個2D —3D轉換螢幕，置於距該螢幕近距離處並於傳 輸模式下操作，其中該螢幕可為視差柵攔或柱狀鏡型 式。 視差柵欄容易製造且製造成本低，但當光子數量太多 時會造成阻礙，尤其是欲對多視角作編碼時。因此，自動 立體螢幕中遮罩部分的傳輸率可能會低於10%，這會導致 光子流與螢幕亮度問題。 採用柱狀鏡網路之自動立體螢幕其光子損耗率低且 傳輸特性趨近於100%，然其製造成本更高並且更難製造。 然而，目前以柱狀鏡為基礎的自動立體彩色螢幕，其 5 1289684 (案號第°94丨35830號專利案之說猶修正） 度損耗係視點數量的函數，整體的解析度係除以 式^題Λ如何在二維度電子絲上，找到—個合適的方 的視點編碼，使得在仍保持RGB(紅綠藍）色彩編碼 .故=、水平及垂直解析度損耗—致。由於人眼型態的緣 必項θ二立體的效應也必須是水平效應’因此立體編碼也 义須是水平式。

土此外，編碼成-個3D像素的三種色彩彼此間距離很 延’係為柱狀鏡間距的兩倍。假使要多視角的話，則所得 的色彩合併在視網膜上的呈像並不佳。 、于 文件W00010332係揭露單行水平編碼方式，Α ^馬也是針對各個連⑽像素（柱狀鏡）的不同色彩色 早仃水平編碼，結果造成了柱狀鏡是垂直的，但解析度損 ，僅在水平軸’這表示每個視點獲得的影像非常不對稱。 牛例來說’當一個解析度為12〇〇*768個像素的2D螢幕， 假設可編碼8個影像，則各個視點的解析度為15〇*768， 這便呈現出一個明顯的整體影像解析度損耗的問題。 文件ΕΡ0791847Β1所揭露的自動立體螢幕，視點的編 碼一般而吕為水平式，但也在螢幕像素中至少有二行曰重 直的。每三個螢幕像素中（垂直向），顏色的編碼二 等於柱狀鏡（水平向）的一倍大小。在水平及垂直的解析度 損耗是均等的。然而，雖然此種編碼適用於大像素間距^ 大像素的色彩單元間距之2D螢幕，像是部份的螢幕， 但可能不適用於單元間距極小甚至重合的電滎榮幕，因為 會導致不同視點的影像彼此間的混合。 … 6 1289684 •(案號第094丨35830號專利案之說囑修正) 【發明内容】 番it月係提出一個以柱狀鏡為基礎的彩色立體顯示裝 目前之裝置有較佳之解析度，並且特別適合視 里Ί的自動立體裝置，—般而言視點數目少於8。 3总& 丁係霄現一自動立體顯示裝置，其包括一矩陣型 :、：彻拟和一置於該顯示螢幕前方的柱狀鏡網路，並且呈 柱狀鏡網ίΓδ亥顯不榮幕之垂直轴為傾斜的柱狀鏡軸，此 >的矩陣型與傻於接收及光學性的處理該顯示螢幕所發射出 數個視^，雜陣f彡像魏碼藉以整合給定場景之複 二其Γ該顯示螢幕包含—螢幕像素矩陣，且每 組織，藉以，且該色彩單元以行跟列方式 、、且成该螢幕内給定色彩（R，V，B)之行。 辛(ρ^Γ隹 1斤21，藉由顯示榮幕⑵發射之影像係由三維像 素（)木所構成’且每個三維像素包含該場景影像僮去 複數個視點Ρ，並日萁桐一从你^ 琢厅、〜像像素之 鄰的列中，佔用3 ρ 在該榮幕的兩個相 州佔用3 xP個色彩單元。 此處之影像場景的表現十分影— 個視點是必要的。一個影像像素相當於:=设數 數視點P〇 像素之複 本發明之顯示裝置，可解決水平及垂直 “ 5)以 體顯 及 示 析度損耗不-致的問題。因此，對於視點值Πί度上解 因素值為2,則水平方向及垂直方向解析度藉由 的。若視點數量增加（例如5或7)，則其水平鯉4為相同 與垂直解析度損耗的比值分別為1.25(视點信斤度損耗 1.75(視點值7) ’這跟採用習知方式設計之自動立5)'、，” 7 1289684 (案號第094丨35830號專利案之說明書修正） 裝置在解析度損耗上有很大不同。 事實上，跟習知設計的編碼技術相較， 部分解輕（partial decoupling)於兩方面被實心月中， 必須在水平維度處理的立體感問題，再者是1〜狼百先是 發明是精確的在柱狀鏡網路編碼軸的兩列上處二:碼，本 本發明顯不裝置之每一三維像素（p3D)佶 . 财—狀2 X P個相鄰色彩單元以及熟〗兩相鄰 色彩單元。 P個相鄰 此三維像素的配置方式可使兩相鄰二 錯式。 —、、隹像素為交 此柱狀網路係由具有柱狀鏡間距以及一個令 的平行圓柱形透鏡組成，因此每個三維 、斜角度 之基本柱狀鏡覆蓋。 ” 、、、、由兩相 此傾斜角α的較佳選擇方式係使其士 彩單元寬度與長度的比值。 为等於該 本發明的一個特別實施例，係每―三 視點係以下列方式編碼·· 素中的每 第一色彩之第一單元置於第一列， 第二色彩之第二單元置於該第一列且對於 個單元的偏移，以及 、μ第一列有 第f色彩之第三單元，置於與該第1相 二 該第三列單元對應於該第一單元有 第二列 移。 扪早兀之水平 最好 本發明之自動立體顯示裝置其視點p的數量 1289684 . (案號第094135830號專利案之說明書修正） 2、4、5或7〇 本發明之自動立體顯示裝置以電漿螢幕為佳，但亦可 是LCD或其他矩陣型式之螢幕。 ~ 此外，一個用於本發明之自動立體顯示裝置之自動立 體顯示方法，包括·· 藉由二維顯示螢幕顯示之影像係對由複數個視點p取 得或蒐集的影像預先編碼，以及 _示影像之接收及光學性處理，係由置於該顯示榮幕 前方之柱狀鏡網路及—個對應於該顯示螢幕之垂直軸 呈傾斜之柱狀鏡軸所致，藉以在遠端產生一三維影 像，對該矩陣型影像編石馬以整合該影像之複數個視點 P， 其特徵在於藉由利用柱狀鏡網路產生之光學處理以處理一 個由三維像素（P3D)組成之編碼影像，每一個三維像素包含 該場景影像像素之複數個視點P，每個三維像素（p3D)在該 螢幕的兩相鄰列中，佔用3χp個色彩單元。” • 此外’本㈣提出—個合成自動立體彩色影像之方 法，用以供給影像内容至本發明之顯示裝置，包括·從一 個預先取得或計算的數位影像之複數個視 像素矩伽-個場景，編碼顯示像素的二成:三 維像素水合組成，且每個三維像素包括該場景影像像素之 複數個視點P’其中每個三維像素在$幕的 中 用3 X P個色彩單元。 η ~ Tm 1289684 - (案號第094135830號專利案之說明書修正） 【實施方式】 請參考圖一以及圖二A〜二D，一個根據本發明之自動 立體顯示裝置實例將首先說明。 自動立體顯示裝置1係包括一電漿螢幕2連結到一個 電子模組3以產生編碼影像，以及以圓柱型透鏡網路型 式，且對應於電漿螢幕之垂直軸呈現平行並傾斜α角的柱 .狀濾光鏡4，該柱狀濾光鏡4係置於電漿螢幕前方之一定 距離，該距離約等於透鏡焦距F1，例如，每一顯示螢幕之 _ 色彩單元寬度為286//m，則其焦距為9mm。 本發明之自動立體顯示裝置1係設計用來在距離螢幕 一定的距離D處，例如兩公尺以上，產生廣告顯示或資訊 訊息，並藉此使觀測者的左右眼〇G、0D可分別接收由柱狀 鏡網路發送妁光學影像Im、In，且由於立體效應，使得觀 測者認為是三維影像。 圓柱形透鏡的焦距f依需要的最佳距離決定。此距離 必須能夠將兩連續色彩單元編碼的兩連續影像以兩眼間平 ® 均距離D或約為65mm的距離分離。該透鏡的焦距可以根據 色彩單元的寬度CCh以及最佳距離Dopt利用下列公式決 定： f = CCh . Dopt / Dy = 9mm 例如，若所需要之最佳距離Dopt係為2公尺，而該寬 度CCh等於286 //m，則其焦距大約為9mm。 1289684 (案號第094135830號專利案之說明書修正） 該柱狀鏡之寬度1尤其與需要的最佳距離有關。事實 亡’當觀測者位於一最佳距離（完美距離）時，由觀測者之 單眼透過兩連續圓柱形透鏡觀測之二維螢幕之兩點距離， 並不完全與圓柱形透鏡軸之水平分離距離相等，其比 係為 Dopt / (Dopt + f)。 每個柱狀鏡單元之寬度1因此可用下列公式決定· cosa . P . CCh . Dopt / (D〇pt+f) 例如’叙5又需要的隶佳距離為2公尺、色彩單元之卞 度CCh以及高度CCv分別為286 // m與808 # m，焦距為^^ 以及視點P數量為4，則該柱狀鏡的寬度i約為丨· 〇?4_。 :請參考圖二A、二B以及二C，該電漿螢幕係由一基 本單元矩陣構成，該矩陣包括列像素（見圖二，L6 )以及 行像素（見圖二，C1-C6)，其中每一行像素包含三行色彩單 元RGB。猎由一個沒有限定例子的方法，每一單元有一古 度CCv以及一寬度CCh。該顧示矩陣之行係連續的紅、綠、 藍色彩單元。 例如’目前市面上販售的Pi〇neer螢幕pj)p5〇MXE1， 其具有768*1280個像素矩陣，且每一單元之高度CCv以及 寬度CCh分別是808//m以及286/zm。 圖一 A為第一實施例，其係為兩個視點之姓構，一 三維像素P3IMM)係由第一底部列的四個連；；色彩單元 (G，B，R，G)構成’且分別被編碼成視點& 1，11 1，〇ι 1以及 1289684 - (案號第094135830號專利案之說明書修正） l·」’在第二頂部列中，兩個色彩單元B，r分別被編碼成視 點Ou以及lu。三維像素有一對應於像素 P3D2(1，1)頭尾反向的結構。每一個三維像素由兩個圓柱形 透鏡LC復蓋’且其透鏡間距1係利用D〇pt/(Dopt+f)這個 比例’使Ι/cosa等於色彩單元寬度與j)〇pt/(Dopt+f)之乘 積的兩倍。解析度的損耗是由於垂直性因素值2以及水平 性因素值1 〇 圖二B係第二實施例，其係為4個視點之結構，每一 壽三維像素於兩列中佔用12個色彩單元，其中8個單元在一 列’而另外4個單元在其相鄰之一列。因此，三維像素 P3D4(1，2)有四個單元在li列，且編碼係根據視點（―丨，〇, 1，2)，而L2列的八個單元之編碼係根據該四個視點做循 環兩次的編碼。每一三維像素由兩個圓柱形透鏡Lc覆蓋， 且其透鏡間距1係利用D〇pt/(Dopt+f)這個比例，使i/cos α等於色彩單元寬度與D〇pt/(Dopt+f)之乘積的4倍。 二維像素之每一視點係由三個非相鄰的單元所編 瞻 碼。因此，影像像素2u係由螢幕L2列C2行的R單元、 L1列C2行的G單元以及L1列C3行的B單元所編妈。 水平相鄰之三維像素係反向交錯幾何結構。4視點結 構之水平解析度損耗是由於垂直性因素值2以及水平性因 素值2 〇 圖二C係第三實施例，其係為5個視點之結構，每一 三維像素於兩列中佔用15個單元，其中1〇個單元在_列， 且對5個單元依照5個視點（_2，―丨，〇，1，2)而依序並循 環兩次編碼，而另外5個單元在其相鄰之一列並依照5個 1289684 (案號第094135830號專利案之說明書修正） 視點編碼。因此，一個沒有限定方法的例子，三維像素 P3D5(1，2)包括在L1列之十個單元連續依照視點（〜2, -〇 1’ 2，-2，-1，〇，1，2)在 B，R，G，B，R，G，B，R，G，B 色彩、編 碼，且在L2列之五個單元連續依照視點(-2，-1，〇，1，幻 在R，G，B，R，G色彩編瑪。 每一三維像素由兩個圓柱形透鏡LC覆蓋，且其透鏡 間距1係利用Dopt/(Dopt+f)這個比例，使l/cos α等於色 _ 彩單元寬度與Dopt/(Dopt+f)之乘積的5倍。 此處之五個視點結構，兩個三維像素使用十個螢幕像 素。解析度損耗是由於垂直性因素值2· 5以及水平性因素 值2 〇 ” 一圖二D係第四實施例，其係為7個視點之結構，每一 三維像素於兩列中佔用21個單元，其中14個單元在一列， 且對7個單元依照7個視點（—3，—2^ 〇，i 2，3)而 依序並循環兩次編碼，而科7鮮元在其相鄰之一列並 依照7個視點編碼。 對d像像素而言，—給定之視點係在三維像素 内’將二色彩單元區分成其中兩個單元在一列，而另一單 0 j 2ι·2 及登暮Ll 4 Γ7汀之G單元、螢幕U列C4行之B單元以 及螢幕L1列C7行之R單元。 像辛二2::二個，5個視點之結構’其相鄰之三維 =為水千讀。在7個視點之 使用則細象素。解析度損耗是由 ^像素5 以及水平性因素值2。 啤％主旦r王u京值 13 1289684 • (案號第094135830號專利案之說明書修正） 圖三係本發明之自動立體影像合成方法之實施例描 述，且這些影像係饋入本發明之自動立體顯示裝置。 初期先考慮一個在複數個視點P内得到數位影像，例 如視點數量4的選擇，即是一個適當的方法實現立體效 應。這些P個數位影像可以從遠端站台或影像庫合成或蒐 • 集，或由視點擷取取得。 • 對於每一視點，這些數位影像（l·，12·.·，Ix，···，Ip) 每一個是由影像像素矩陣構成，且這些影像像素 • (Pi(I，j)，j))包含三個 RGB 色彩資料。 第二階段之合成方法包含為每一視點之影像點（i，j) 藉由產生一個3D像素建立顯示矩陣MC，如圖三之 P3D(i，j)，係影像像素之4個視點之聚合，且係利用本發 明之方法，即水平與垂直之組合編碼方式對 PKi，j)，···，ΡχΟ, j)編碼，以建立三維影像P3D(i，j)。例 如，三維像素之像素影像P2(i，j)促成底部列之G單元以及 頂部列之B及R單元。

® 第三階段中，每一個顯示矩陣MC相當於編碼序列SC 中之一個影像，且存於影像儲存單元US中，該單元係用以 回應本發明之自動立體顯示裝置之處理器發出的需求。 本發明之專利範圍並不侷限於此處所描述之實施 例，凡引用該些實施例所做之均等變化及修正，仍將不失 本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍。尤其本發 明並不單就電漿螢幕之考量，亦可應用於其他具有單元矩 陣結構之螢幕。 並且可思及者，係對於一給定螢幕，採用本發明顯示 14 1289684 - (案號第094135830號專利案之說明書修正） 方法之特定編碼方式與其它先前設計或未來可能發展之像 素編碼方式之組合，每一編碼方式用於螢幕列之給定或變 動區塊。 本發明之合成方法僅實施於顯示螢幕列的部分列，且 其餘列係利用本實現方法外之其他編碼方式。 * 本發明合成方法之列必須根據被觀測之場景來動態 決定。 t【B式簡單說明】 本發明之其他優點及特性於實施例中列舉一種方式描 述，惟其並不侷限於在此所提及的方式，其圖示說明如下： 圖一為本發明之自動立體顯示裝置概略圖。 圖二A、二B、二C及二D為本發明之自動立體顯示裝 置作編碼影像處理之内部結構圖，其視點數量分別為 2、4、5 以及 7 〇 圖二為本發明之合成方法主要圖不。 【主要元件符號說明】 1- 自動顯示裝置 2- 矩陣顯示螢幕 3- 電子模組 4- 柱狀鏡陣列

Claims (1)

1289684 (案號第094135830號專利案之說明書修正） 十、申請專利範圍·· 和自動^體顯示I置⑴’其係包括—矩陣型顯示螢幕 柱狀鏡網路⑷用於接收及光學性的處理該L=(; 所發射出的矩陣型影像，該矩陣' 宗媼旦々课被編碼稭以整合給 其中該顯示榮幕包含-發幕像 :列方式;且該色彩單元以行 行， 1料組成_幕内給定色彩（R，G，B)之 其特徵在於··藉由該顯示螢幕（2)發 一 =二成’且每個三維像素包‘二= 個相鄰的列中在該榮幕的兩 2.如申睛專利範圍第η所述之襄置 在.— 三維像素⑽）佔用兩相鄰 I j徵在於.母一 彩單^以及另—列的P個相鄰個相鄰色 16 1289684 • (案號第094135830號專利案之說明書修正） 狀鏡網路之柱狀鏡間距（1)及傾斜角α係以下列公式決 定·· 1 = cos (2 . P. CCh. Dopt/(Dopt+f) 其中CCh係色彩單元之寬度，Dopt係為需要之最佳距 離，而f係為該柱狀鏡網路之焦距。 6.如申請專利範圍第5項所述之裝置，其特徵在於：該傾 斜角α的選擇方式係使其tana約等於該色彩單元寬度 (CCh)與長度（CCv)的比值。 * 7.如申請專利範圍第1，2，3，4，5或6項所述之裝置， 其特徵在於··每一三維像素中的每一視點係以下列方式 編碼： 第一色彩之第一單元置於第一列， 第二色彩之第二單元置於該第一列且對於該第一列有P 個單元的偏移，以及 第三色彩之第三單元，置於與該第一列相鄰之第二列， _ 該第三列單元對應於該第一單元有一個單元之水平偏 移。 8. 如申請專利範圍第1，2，3，4，5或6項所述之裝置， 其特徵在於：視點P的選擇係2、4、5或7。 9. 如申請專利範圍第1，2，3，4，5或6項所述之裝置， 其特徵在於：該電子顯示螢幕係一電漿螢幕。 10. 如申請專利範圍第第1，2，3，4，5或6項所述之裝 置，其特徵在於：該電子顯示螢幕係一液晶（LCD)螢幕。 —種使用於如申請專利範圍第1項至第10項中任一項 17 1289684 • (案號第094丨35830號專利案之說明書修正） 所述自動立體顯示裝置（1)之自動立體顯示方法，其係 包括： ” 藉由二維顯示螢幕（2)顯示之影像係對由複數個視點p 取得或蒐集的影像預先編碼，以及 該顯示影像之接收及光學性處理，係由置於該顯示螢 幕（2)前方之柱狀鏡網路（4)及一個對應於該顯示'螢幕 之垂直軸呈傾斜之柱狀鏡軸所致，藉以在遠端產生一 三維影像（lm’ In)’對該矩陣型影像編碼以整合該影 _ 像之複數個視點p， ° 其特徵在於：藉由利用柱狀鏡網路（4)產生之#與 以 處理-個，，象素⑽)組成之編，，：：三維 像素包含該場景影像像素之複數個視點p，每個三維 f素（P3D)在該絲的兩相㈣中，化用個色彩 單元n 12 •二種=體彩色影像之合成方法’係用於供給影像 内谷至申^專利範圍第！項至第1G項中往—項所述之顯 Γτ裝置2係:包括：從一個預先取得或收集的數位影像 (口I)之複數，視點Ρ ’每個視點係以影像像素矩陣之型式 場人景’編碼顯示矩帽)的合成⑴）由三維像 ϋ Λ組成，且每個三維像素（P3D)包括該場景影 像像素^數個視點p，其中每個三維像素在螢幕的兩 相鄰列中佔用3 X p個色彩單元。 13.如申請專利範圍第12項所述之合成方法，其特徵在 於.該方法僅實施於顯示榮幕的部分列，其餘列係利用 本實現方法外之其他編碼方式。 18 1289684 ， （案號第094135830號專利案之說明書修正） 14.如申請專利範圍第13項所述之合成方法，其特徵在 於：實施該方法之列係根據被觀測之場景來動態決定。

19 1289684 • (案號第094135830號專利案之說明書修正） 七、 指定代表圖·· (一） 本案指定代表圖為：第（一）圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 卜自動顯示裝置 2-矩陣顯示螢幕 • 3-電子模組 4-柱狀鏡陣列 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：