TWI679451B - 反射式環繞顯示系統 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種具有成本效益的環繞顯示系統，對觀察者提供360度或者小於360度（例如180度和270度等）的全景環繞圖像，環繞圖像包括運動視頻或靜止照片。

Description

反射式環繞顯示系統
本發明關於一種反射式環繞顯示系統，尤其是關於一種使用經過鏡面反轉處理的魚眼圖像作為源圖像，並利用所述源圖像與環繞反射面之間的特定佈置通過光學反射而形成環繞虛像，從而使觀察者獲得虛擬現實體驗的反射式全景環繞顯示系統。
全景環繞顯示系統可以理想地用於各種各樣的應用場合，例如可以被用來擴展計算機系統的屏幕，提供遠距離通信，播放寬屏幕全景電影，以及創建用於模擬、訓練、虛擬旅遊或視頻遊戲的虛擬現實等等。目前現有技術中可供利用的相關解決方案包括有：1）借助於VR HMD（頭戴式可視設備）的虛擬現實系統；2）具有多個平面顯示器的環繞顯示系統；3）使用多台投影儀在房屋內牆或其他表面上投影的全景投影系統；4）屏幕彎曲式電視。對於方案1）來說，觀察者必須穿戴眼罩之類的頭戴式可視設備，無法用裸眼直接體驗虛擬現實，因此用戶體驗不佳。對於方案2）來說，則需要借助於特定供應商的軟體或硬體對全景圖像進行分割，並進一步分別顯示在多個平面LED顯示器上。因此方案2）往往需要許多平面顯示器方才可以產生360度環繞體驗效果，實際上在利用方案2）的許多具體應用中視場角都小於180度。方案3）依賴於將環繞圖像投射在投影屏或牆面上，因而要求特定現場環境（例如房間內部），並且還要求在特定現場安裝或設置投影儀。除此之外，方案3）往往還要求使用軟體和預處理工具進行分割處理，並且根據現場維度來組合所投影的圖像等，因此其應用範圍具有很大侷限性而且成本較高。對於方案4）來說，水平方向的視場角遠遠小於180度，同時還有應用範圍受限和成本較高的問題。
另外，魚眼鏡頭具有短焦距(f =6~16mm)、超大視場的優點(視場角約為180度至270度)，在虛擬實景、球幕電影、遠程視頻會議、管道檢測、醫療內窺檢查、機器人導航等領域得到廣泛的應用。在全景監控方面，魚眼鏡頭相較於多鏡頭式系統還具有結構緊湊、體積較小、不易損壞、技術要求低等特點，所以以魚眼鏡頭為核心的全景監控系統也成為了近年來全景監控研究的熱點之一。然而，魚眼鏡頭所拍攝的圖片存在畸變，不僅人眼觀察的效果差，而且圖像識別效果也很差，使魚眼鏡頭的實用性降低。因此，除了在攝影藝術領域外，魚眼圖像都必須經過校正才能適合人眼觀察或者採用圖像識別技術來擴大魚眼鏡頭的實用性。魚眼圖像校正分為2D和3D校正，2D魚眼圖像校正直接把魚眼圖像中的像素點映射到校正圖像中；3D魚眼圖像校正是魚眼圖像中的像素點投影到空間中再根據校正模型將其映射到校正圖像中。
雖然目前市場上不乏優良的魚眼鏡頭，但對於魚眼圖像的校正卻存在著諸多缺陷。由於魚眼校正的運算量較大，很多軟體方案雖然能夠實現精確的校正，但是一般的處理器校正速度較慢，而較優良的處理器的成本較高，功耗較大，硬體方案能夠快速校正，但是校正缺乏靈活性或系統結構不合理。因此，人們需要一種系統結構簡單、容易升級並且能夠低成本地校正魚眼圖像，以實現虛擬現實、遠程視頻會議和全景監控等各種用途的全景環繞顯示系統。
本發明的目的就是要解決上述現有技術中存在的諸多問題，提供一種具有成本效益、結構簡單且應用廣泛的反射式全景環繞顯示系統。下文的目的是用於簡要概括本發明的技術方案而並非用於限制本發明的範圍。
根據本發明的技術方案，提供一種反射式環繞顯示系統，包括：用於顯示源圖像的平面顯示面板；以及與所述平面顯示面板相對設置，用於反射所述源圖像的環繞反射面，其中，通過所述環繞反射面對所述源圖像進行反射，使得觀察者能夠觀看到與所述源圖像相對應的環繞圖像。優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述環繞圖像為相對於所述觀察者形成在所述環繞反射面之後方的虛像，所述環繞圖像不形成在任何屏幕上。優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述觀察者被所述環繞反射面包圍且位於所述環繞反射面的內周之內，所述觀察者可以是照相機或人裸眼。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述源圖像是經過鏡面反轉處理的魚眼圖像，所述魚眼圖像可以為運動視頻或靜止照片，所述環繞圖像為全景環繞圖像。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述環繞反射面為母線圍繞中心軸線旋轉而成的軸對稱形狀，所述環繞反射面的中心軸線垂直於所述平面顯示面板並穿過所述魚眼圖像的中心。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述環繞反射面的母線為直線或曲線。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述曲線為抛物線或弧線。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述環繞反射面的環繞角度等於或小於360度，所述源圖像的有效圖像區域與所述環繞反射面的環繞角度相對應。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，所述環繞角度為360度、270度、180度或90度。
優選地，在上述根據本發明的技術方案中，以同軸方式佈置一層或多層所述環繞反射面，若所述環繞反射面多於一層，則所述環繞反射面應以透明材料製成，所述源圖像的有效圖像區域與兩層或更多層所述環繞反射面一一對應。
本發明所提供的反射式全景環繞顯示系統，其結構簡單、具有成本效益，能夠顯示360度範圍內（例如180度、270度等）的全景式環繞圖像（動態視頻或靜態照片）並且給觀察者提供身臨其境的虛擬體驗。
本發明的反射式環繞顯示系統可以使用魚眼圖像作為源圖像，尤其是可以使用由市場上常見的360度相機或魚眼相機所拍攝的照片或視頻。
本發明的反射式環繞顯示系統可以反射源圖像並且實時地形成全景式環繞圖像而無需軟體處理。無論源圖像的分辨率如何都可以實時地形成全景式環繞圖像。
本發明的反射式環繞顯示系統可以提供舒適的裸眼虛擬現實體驗，觀察者不需要像傳統的用於虛擬現實的頭戴式設備那樣穿戴特定的眼睛，極大地提高了體驗舒適度。
本發明的反射式環繞顯示系統能夠廣泛地應用於要求環繞顯示系統的各種用途，包括遠程視頻會議和虛擬現實等。
本發明的反射式全景環繞顯示系統能夠以各種各樣的產品和尺寸來使用，例如包括全景環繞顯示器作為桌上型電腦的第二顯示器，作為遠程呈現設備內部的全景環繞顯示裝置，以及使用這種全景環繞顯示裝置的小型影院等。
本發明的特徵、技術效果和其他優點將通過下面結合附圖的進一步說明而變得顯而易見。
下面，結合附圖詳細地說明本發明優選實施例的技術內容、構造特徵以及所達到的技術目的和技術效果。在下文本發明的詳細說明中，提及「一個實施例/變形例」，「某一實施例/變形例」等等，均表示所說明的實施例/變形例可能包括某一特定的特徵、結構或特性，然而未必每個實施例/變形例都需要包括這一特定的特徵、結構或特性。而且，這種用語未必就是指相同實施例。此外，當結合某一實施例/變形例來說明特定的特徵、結構或特性時，在本領域技術人員的理解範圍內應該意識到無論是否明確地加以說明，都會結合/變形例影響到該特徵、結構或特性。
根據本發明的反射式全景環繞顯示系統，在物理結構上必須具備如下兩個部件： （i）平面顯示面板，其顯示圖像源的一側面對著（ii）中的環繞反射面進行安裝（例如放置在某些固件結構上）； （ii）環繞反射面，其內反射面對著（i）中的平面顯示面板進行安裝（例如放置在某些固件結構上）。
圖1顯示了根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統的剖面結構佈置，圖中示出了圓柱狀全景環繞圖3。圖2為圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的環繞反射面的幾何構造示意圖，圖中環繞反射面的母線為直線。圖3為圖1所示的反射式全景環繞顯示系統的俯視圖。
圖1至圖3示出了本發明的基本優選實施例的結構和佈置，其中，平面顯示面板1在面對著環繞反射面2的一側顯示有作為源圖像的魚眼圖像12，該環繞反射面2的形狀為顛倒的截頭圓錐面，其母線22相對於中心旋轉軸21具有恰當的傾斜角度（優選為45度），以便如圖中箭頭所示那樣反射源圖像並且在環繞反射面2的外周形成一層圓柱形的全景環繞圖像3。根據光學反射原理，可知觀察者O所看到的該全景環繞圖像3為虛像，並不形成在任何屏幕上。另外，本領域技術人員不難理解，如圖2所示那樣以直線為母線所形成的截頭圓錐面作為環繞反射面，比起下文圖8、圖9和圖10中的其他變形例，成本更加便宜且容易進行製造。
優選地，如圖3所示，環繞反射面2的中心旋轉軸21與平面顯示面板1的法線11重合，並且通過作為源圖像的魚眼圖像12的中心。參照圖3，在平面顯示面板1上顯示著魚眼圖像12（例如運動視頻或靜態照片），魚眼圖像12的中心和環繞反射面2的中心旋轉軸21重合於X處。
圖4為顯示在圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的平面顯示面板1上的魚眼圖像12的一個例子。圖5示出了在根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統中，觀察者所看到的對應於圖4所示的魚眼圖像的環繞圖像的部分圖像。圖4所示的魚眼圖像是從現實場景的俯視角的位置所拍攝的，圖中的圓形虛線對應於環繞反射面的外周。根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統，其環繞反射面反射該魚眼圖像以形成360度全景（水平方向的視野保持連續）環繞圖像，在此情況下，該環繞圖像就再現了原始現實場景的環繞全景視場。如觀察者所看到那樣該環繞圖像位於環繞反射面的後面，如同人們觀看平面鏡的情形，換言之，該環繞圖像是虛像，並不形成在任何屏幕上。觀察者（例如為裸眼或者照相機）位於環繞反射面的內周之內，為了獲得好的觀賞效果，觀察者的位置應當在環繞反射面的中心軸附近。圖6為顯示在圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的平面顯示面板1上的魚眼圖像12的另一個例子，圖中的圓形虛線對應於環繞反射面的外周。圖7示出了在根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統中，觀察者所看到的對應於圖6所示的魚眼圖像的環繞圖像的部分圖像。
下面，結合附圖進一步說明構成本發明的反射式全景環繞顯示系統的各部件或要素。
平面顯示面板（Flat Display Plane） 適用於本發明的反射式全景環繞顯示系統的平面顯示面板包括但不限於： -LED顯示器； -從視頻或圖像投影儀投影圖像的背投屏幕； -通過在一平面上組合兩個或多個平面面板LED顯示器而形成的裝置；以及 -能夠產生光線充足的圖像（例如公告燈箱）的任何其他平面顯示機構。
環繞反射面（Surrounding Reflective Surface） 該環繞反射面的幾何形狀可以被描述或構造為使一條母線圍繞一中心旋轉軸進行旋轉而形成，在圖2中，該母線優選地為直線22，並且可以特意設置母線與中心旋轉軸21之間的傾斜角為45度，即如圖1所示形成環繞著觀察者O的圓柱形全景環繞圖像。在圖8中，採用曲線22取代圖2中的直線作為母線，並圍繞中心旋轉軸21進行旋轉而形成作為變形例的環繞反射面2。如圖9至圖12中所示的變形例，不同形狀的母線將產生不同形狀的環繞反射面2，不同形狀的環繞反射面2以及環繞反射面2與平面顯示面板1之間的不同佈置，會產生不同幾何形狀的環繞視場效果。
圖9為根據本發明變形例的反射式全景環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了球狀環繞效果。圖10為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了具有更大垂直視場角的球狀環繞效果。圖11為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了錐狀環繞效果。圖12為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了倒錐狀環繞效果。換言之，在圖9中生成球形視場的虛像。在圖10中同樣地生成球形視場的虛像，但是在垂直方向上具有更大的視場角，因此可以理想地用於劇院之類的應用場合。本領域技術人員不難理解，圖9至圖12所示的用於產生不同環繞效果的佈置方式，可以選擇生成魚眼圖像的魚眼鏡頭或軟體的具體參數，以使得觀察者O在觀看虛像時可以獲得最佳的視覺體驗。
圖13為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了環繞反射面的中心軸不垂直於平面顯示面板的佈置情形。雖然在圖13的變形例中採用了圖1中的環繞反射面2的幾何形狀，但是其中心旋轉軸21（以及觀察者O的位置）卻與平面顯示面板1有一傾斜角度θ，這可能是觀察者O躺在傾斜床上的場景，該傾斜床配備有根據本發明的環繞顯示系統。在此情況下，觀察者O仍然會體驗到全景環繞效果，但是在環繞反射面2的外周所形成的全景環繞圖像3的幾何形狀既不是對稱圓柱形也不是圓錐形。進而，在此特定情況下，源圖像也可以不再是常規的魚眼圖像，而是需要根據該傾斜角度進行調整，例如通過軟體來進行調節後的源圖像格式，以便通過反射式環繞顯示系統在環繞視場上恰當地映射出來。
本領域技術人員不難理解，對於特定視覺效果（非通常使用場合）而言，環繞反射面並不限於具有固定母線（定線）的對稱形狀。然而，在通常使用場合下，為了使跨越水平視場具有一致的360度全景環繞視覺效果，應當採用具有固定母線（曲線或直線）的對稱形狀。
源圖像（Source Image） 根據本發明的優選實施例，在對稱幾何構造的環繞反射面的中心旋轉軸垂直於平面顯示面板時，作為源圖像使用的魚眼圖像例如可以是： -使用360度相機（例如Ricoh Theta）拍攝的視頻或圖片； -使用帶有魚眼鏡頭的攝像機或照相機所記錄的視頻或圖片； -使用將平面全景圖像轉換為魚眼圖像的電腦軟體所生成的魚眼圖像。
需要特別說明的是，在根據本發明的反射式全景環繞顯示系統中，為了抵消鏡面反射效應，顯示在平面顯示面板上的魚眼圖像應該是經過鏡面反轉（Mirror-reversal）的圖像。這可以通過圖像播放硬體或軟體的圖像翻轉功能來實現，例如LED TV，桌上型電腦或者媒體投影器，它們顯示、播放或投影圖像到平面顯示面板，以便抵消環繞反射面的鏡面反射效應。
此外，生成魚眼圖像的360相機或軟體可以使用不同種類的魚眼鏡頭或魚眼函數（Function）。然而，為了提供較好的實際視覺效果，可以選擇適合於反射面的特定的魚眼鏡頭或魚眼函數。
環繞角度小於360度（Less-than-360-degree） 本領域技術人員不難理解，可以容易地應用上述反射式全景環繞顯示來實現環繞角度小於360度的全景環繞顯示，從而製作出更加具有成本效益的產品。圖14為根據本發明變形例的反射式全景環繞顯示系統中的非360度環繞反射面的示意圖，圖中示出了180度環繞的例子。在此情況下，使用一個180度環繞反射面2，並且使用較小的平面顯示面板1來顯示一半魚眼圖像即可。圖14的實施例適合於使用16：9的LED顯示器作為平面顯示面板1，這將是一種非常具有成本效益的方式來提供180度全景環繞圖像系統以供個人使用。
多層環繞反射面（Multiple-layer reflective surface） 根據本發明的變形例，還可以使用圍繞同一中心旋轉軸所安裝的兩層或多層環繞反射面（環繞角度小於或等於360度），以生成多於一層的全景環繞圖像，只要環繞反射面的材料是透明即可，例如PVC。在此情況下，作為源圖像的魚眼圖像將相應地由具有同一圓心的多個同心圓環所構成，其中各個圓環狀的魚眼圖像被相應層的環繞反射面進行反射，從而形成在自觀察者不同距離處的兩層或多層虛像，以便構築特殊的3D視覺效果。在進一步的變形例中，基於圖2和圖8，這裡的多層環繞反射面還可以通過多次旋轉並且從中心軸向外螺旋而形成。不言而喻，在此情況下，需要定製源圖像的格式以便匹配這種特殊構造的反射面。
本發明的優點及廣泛應用 根據本發明的反射式環繞顯示系統並不依賴於平面顯示面板或源圖像的分辨率。例如，如果產品使用LED面板顯示器作為平面顯示面板，那麼就可以通過僅僅替換LED面板顯示器來完成分辨率升級，而無需改變環繞反射面，甚至無需改變產品的機殼或夾具，只要使用相同尺寸的LED面板顯示器即可。
本反射式環繞顯示系統通過借助於利用物理反射面的純光學反射來形成全景環繞圖像，無需任何軟體分割和混合處理。
使用者或觀察者不會被可穿戴的設備罩著，視覺體驗更加舒適。
本反射式環繞顯示系統可以抗眩光（因反射面造成的眩光），在大多數情況下對於觀察者而言幾乎是無眩光，這允許獲得全景圖像的清晰視頻或照片。
本反射式環繞顯示系統形成在反射面後面的圖像（虛像）給予觀察者一種空間/深度效應的感覺。
因反射造成的部分極化（Partial Polarization）效應—使觀察者的眼睛感到舒適。
本發明可以被用於各種各樣的產品和尺寸，包括全景環繞顯示器作為桌上型電腦的第二顯示器，作為遠程通訊設施內部的全景視頻會議顯示器，以及使用這種環繞顯示系統的小型影院。本發明甚至還可以作為手機屏幕上方的全景對接適配器，以創建可以經由一些小型攝像機（例如腹腔鏡攝像機）觀察的微型全景圖像。
以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。應當理解，以上的描述意圖在於說明而非限制。例如，上述實施例(和/或其方面)可以彼此組合使用。此外，根據本發明的啟示可以做出很多改型以適於具體的情形或材料而沒有偏離本發明的範圍。通過閱讀上述描述，申請專利範圍和精神內的很多其它的實施例和改型對本領域技術人員是顯而易見的。
1‧‧‧平面顯示面板
11‧‧‧法線
12‧‧‧魚眼圖像
2‧‧‧環繞反射面
21‧‧‧中心旋轉軸
22‧‧‧母線
22‧‧‧直線
22‧‧‧曲線
3‧‧‧全景環繞圖
θ‧‧‧傾斜角度
O‧‧‧觀察者
X‧‧‧魚眼圖像的中心和環繞反射面的中心旋轉軸重合處
本發明的實施例將結合附圖詳細地進行說明，以使其更好地得以理解，附圖中的構成部件並非按比例來繪製。現在將參考附圖通過示例的方式來描述本發明，其中： 圖1顯示了根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統的剖面結構佈置，圖中示出了圓柱狀全景環繞圖。 圖2為圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的環繞反射面的幾何構造示意圖，圖中環繞反射面的母線為直線。 圖3為圖1所示的反射式全景環繞顯示系統的俯視圖。 圖4為顯示在圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的平面顯示面板上的魚眼圖像的一個例子（源圖像來自於https://theta360.com/en/gallery/videos.html）。 圖5示出了在根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統中，觀察者所看到的對應於圖4所示的魚眼圖像的環繞圖像的部分圖像。 圖6為顯示在圖1所示的反射式全景環繞顯示系統中的平面顯示面板上的魚眼圖像的另一個例子（源圖像來自於https://www.youtube.com/watch?v=H6SsB3JYqQg）。 圖7示出了在根據本發明優選實施例的反射式全景環繞顯示系統中，觀察者所看到的對應於圖6所示的魚眼圖像的環繞圖像的部分圖像。 圖8為根據本發明變形例的反射式全景環繞顯示系統中的環繞反射面的幾何構造示意圖，圖中環繞反射面的母線為曲線。 圖9為根據本發明變形例的反射式全景環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了球狀環繞效果。 圖10為根據本發明變形例的反射式全景環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了具有更大垂直視場角的球狀環繞效果。 圖11為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了錐狀環繞效果。 圖12為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了倒錐狀環繞效果。 圖13為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統的局部剖面結構佈置示意圖，圖中示出了環繞反射面的中心旋轉軸不垂直於平面顯示面板的佈置情形。 圖14為根據本發明變形例的反射式環繞顯示系統中的非360度環繞反射面的示意圖，圖中示出了180度環繞的例子。

Claims (9)

  1. 一種反射式環繞顯示系統，包括：用於顯示源圖像的平面顯示面板；以及與所述平面顯示面板相對設置，用於反射所述源圖像的環繞反射面，其中，通過所述環繞反射面對所述源圖像進行反射，使得觀察者能夠觀看到與所述源圖像相對應的環繞圖像；所述環繞圖像為相對於所述觀察者形成在所述環繞反射面之後方的虛像，所述環繞圖像不形成在任何屏幕上；所述觀察者被所述環繞反射面包圍且位於所述環繞反射面的內周之內；其中所述源圖像是魚眼圖像，所述魚眼圖像為運動視頻或靜止照片，所述環繞圖像為全景環繞圖像。
  2. 如請求項1所述之反射式環繞顯示系統，其中所述觀察者是照相機或人裸眼。
  3. 如請求項1所述之反射式環繞顯示系統，其中所述源圖像是經過鏡面反轉處理的魚眼圖像。
  4. 如請求項3所述之反射式環繞顯示系統，其中所述環繞反射面為母線圍繞中心軸線旋轉而成的軸對稱形狀，所述環繞反射面的中心軸線垂直於所述平面顯示面板並穿過所述魚眼圖像的中心。
  5. 如請求項4所述之反射式環繞顯示系統，其中所述環繞反射面的母線為直線或曲線。
  6. 如請求項5所述之反射式環繞顯示系統，其中所述曲線為抛物線或弧線。
  7. 如請求項1至6中任意一項所述之反射式環繞顯示系統，其中所述環繞反射面的環繞角度等於或小於360度，所述源圖像的有效圖像區域與所述環繞反射面的環繞角度相對應。
  8. 如請求項7所述之反射式環繞顯示系統，其中所述環繞反射面的環繞角度的環繞角度為360度、270度、180度或90度。
  9. 如請求項1至6中任意一項所述之反射式環繞顯示系統，其中以同軸方式佈置一層或多層所述環繞反射面，若所述環繞反射面多於一層，則所述環繞反射面由透明材料製成，所述源圖像的有效圖像區域與兩層或更多層所述環繞反射面一一對應。
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