專利名稱：利用單片顯示器件制作的頭盔式立體顯示器的制作方法
利用單片顯示器件制作的頭盔式立體顯示器
立體頭盔顯示器是一種可以帶在頭上觀看立體圖像的立體顯示 裝置，由小尺寸、高分辨率的顯示器件、光學(xué)成像元件、電子驅(qū)動(dòng)電 路和頭盔式外殼組成。電子驅(qū)動(dòng)電路將具有視差的左眼視頻信號(hào)和右 眼視頻信號(hào)分別饋送至兩個(gè)顯示器件，再通過(guò)兩套光學(xué)成像元件將這 兩個(gè)顯示器件顯示的圖像分別傳送到觀察者的左眼和右眼，最終觀察 者在大腦中合成立體圖像。
顯示器件的分辨率一般在600x400至1920x1080之間，顯示器件 可以是液晶顯示器，也可以是LCos顯示器，也有用陰極射線管做顯 示器的。由于顯示器的尺寸很小并且安裝在緊靠觀察者頭部的位置， 為了獲得大的視場(chǎng)和清晰的圖像，需要采用光學(xué)成像裝置將顯示器的 圖像做無(wú)畸變放大并且改變成像位置，有直接采用透鏡成像的，也有 采用凹面鏡成像的，為了減小圖像的畸變，減輕光學(xué)元件的重量，最 近幾年，采用非線性透鏡成像的光學(xué)器件越來(lái)越普遍。
電子驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)十分成熟，可以采用具有視差的雙路視頻信號(hào) 分別驅(qū)動(dòng)兩片顯示器件，也可以采用時(shí)分立體視頻信號(hào)，通過(guò)電路提 取奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)視頻信號(hào)并分別倍頻后傳送到兩片顯示器件。
有些用戶需要做虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示，這可以通過(guò)在頭盔上安裝位置 追蹤器來(lái)實(shí)現(xiàn)，有磁性傳感器位置追蹤器，也有用液體傳感器位置追 蹤器的。這樣的立體頭盔顯示器已經(jīng)有多種產(chǎn)品問(wèn)世，日本、美國(guó)和中國(guó)都先 后生產(chǎn)過(guò)這種立體頭盔顯示器。
由于這種頭盔式立體顯示器采用了兩片顯示器件，其重量和高成 本成為市場(chǎng)推廣的羈絆。是否可以采用單片顯示器完成頭盔式立體圖 像的顯示呢？這樣不僅可以減輕頭盔顯示器的重量，還可以降低頭盔 顯示器的成本，本發(fā)明就是針對(duì)這一問(wèn)題提出的。


圖1是本發(fā)明的基本原理圖。
圖la中的1是單片顯示器，其中表示了單片顯示器顯示的一幅 正常情況下的完整圖像，以往利用單片顯示器件顯示圖像的方式就是 這樣的，圖lb說(shuō)明本發(fā)明利用一個(gè)單片顯示器1顯示分別提供給左
眼和右眼的具有視差的兩幅圖像2和3，其中顯示的左眼圖像為2， 顯示的右眼圖像為3，左眼圖像2和右眼圖像3的圖像編碼方式可以 是多種方式的。圖lc說(shuō)明通過(guò)一套光學(xué)元件，將圖像2轉(zhuǎn)移到左眼 4，而將圖像3轉(zhuǎn)移到右眼5。單片顯示器1可以是垂直放置，左眼 圖和右眼圖在1中是水平排列的，而通過(guò)光學(xué)元件轉(zhuǎn)移到左右眼的圖 像也是水平的；圖ld說(shuō)明單片顯示器也可以水平放置，2和3在1 中是垂直排列的，左眼圖像2的左上角位于單片顯示器顯示正常器圖 像時(shí)的左下角，而右眼圖像3的左上角，位于單片顯示器顯示器正常 圖像時(shí)的右上角，光學(xué)元件將2和3轉(zhuǎn)移到左右眼的圖像是水平的。 4和5表示觀察者的左眼和右眼。
因?yàn)閱纹@示器的顯示比率是4: 3 (1.33)或16: 9 (1.77)，因 此在將其沿著寬邊方向的中點(diǎn)一分為二使用，使其中之一顯示左眼圖像，使其中之二顯示右眼圖像，所顯示的每一幅圖像的比率是3: 2 (1.5)或9: 8 (1.125)，它們接近標(biāo)準(zhǔn)顯示比率，同時(shí)也很容易校 正到標(biāo)準(zhǔn)的顯示比率，而不會(huì)引起圖像的畸變。圖像的編碼格式同所 采用的轉(zhuǎn)移圖像的光學(xué)元件有關(guān)，不同的光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，應(yīng)該對(duì)應(yīng)不
同的圖像編碼格式。如果采用1920x1080的單片顯示器，則分配給左 眼的圖像和右眼圖像的最大分辨率為1080x960，考慮到光學(xué)圖像轉(zhuǎn) 換元件的影響，左眼圖像和右眼圖像的垂直分辨率會(huì)損失一些，電腦 至少也能達(dá)到1080x950，這樣的頭盔式立體顯示器，比當(dāng)今市場(chǎng)上 多數(shù)立體頭盔顯示器的分辨率還是高出許多，但成本卻大大降低了。 圖2是在利用單片顯示器件制作頭盔立體顯示器時(shí)，對(duì)所需要的 立體圖像編碼格式的說(shuō)明。
l是單片顯示器件，可以是液晶顯示器件，也可以是LCos顯示器 件，也可以是陰極射線管顯示器件，當(dāng)然也可以采用DLP顯示器件。 在圖2a中，單片顯示器件是水平使用的，其中2表示在水平使用的 單片顯示器件中，左半部分顯示左眼圖像，該圖像的左上角對(duì)應(yīng)著單 片顯示器顯示屏面的左下角，該圖像的寬邊是單片顯示器件的窄邊； 右半部分顯示右眼圖像，該圖像的左上角，對(duì)應(yīng)著單片顯示器顯示屏 面的右上角，同樣，圖像的寬邊是單片顯示器件的窄邊。
在圖2b中，單片顯示器件仍是水平使用的，其中2表示在水平 使用的單片顯示器件中，左半部分顯示左眼圖像，該圖像的左上角對(duì) 應(yīng)著單片顯示器的寬邊的上方中心點(diǎn)，圖像的寬邊是單片顯示器件的 窄邊；右半部分顯示右眼圖像，該圖像的左上角，對(duì)應(yīng)著單片顯示器的寬邊的下方的中心點(diǎn)，同樣，圖像的寬邊是單片顯示器件的窄邊。 在圖2C中，單片顯示器件是垂直使用的，其中2表示在垂直使 用的單片顯示器件中，上半部分顯示左眼圖像，該圖像的左上角對(duì)應(yīng) 著單片顯示器正常顯示圖像時(shí)的左下角，圖像的寬邊是單片顯示器件 的窄邊；下半部分顯示右眼圖像，該圖像的左上角，對(duì)應(yīng)著單片顯示
器正常顯示圖像時(shí)的下端寬邊的中心點(diǎn)，同樣，圖像的寬邊是單片顯 示器件的窄邊。
在圖2d中，單片顯示器件也是垂直使用的，其中2表示在垂直 使用的單片顯示器件中，上半部分顯示左眼圖像，該圖像的左上角對(duì) 應(yīng)著單片顯示器的左下角，圖像的寬邊是單片顯示器件的窄邊；下半 部分顯示右眼圖像，該圖像的左上角，對(duì)應(yīng)著單片顯示器的下端寬邊 的中心點(diǎn)，同樣，圖像的寬邊是單片顯示器件的窄邊。但2和3是水 平倒置反向的，這從圖2c和圖2d的對(duì)比中可以看出，圖2d的圖像 是圖2c的圖像的鏡像，即水平方向正好相反。
然而，無(wú)論何種利用單片顯示器形成的立體圖像編碼格式，在最 終顯示時(shí)，都要符合圖2e的顯示方式，即2顯示左眼圖像，通過(guò)光 學(xué)器件提供給觀察者的左眼；3顯示右眼圖像，通過(guò)光學(xué)器件提供給 觀察者的右眼。
圖3是如何將單片顯示器件顯示的立體圖像通過(guò)光學(xué)元件顯示 給觀察者的左眼和右眼的。
圖3a中的l是單片顯示器件，在圖3a上，是其寬邊向著觀察者 的方向豎直放置的，我們看到是它的顯示屏面的寬邊上端面。2和3分別表示在1上顯示的左眼的圖和右眼的圖，有方向的箭頭是為了表
示圖2a中的編碼方式，6是兩塊成90度正交的全反射矩形鏡，其兩 個(gè)正交的鏡面同單片顯示器件的顯示平面的交角是士卯度，兩片全 反射鏡的交線同單片顯示器兩個(gè)寬邊的中點(diǎn)連線平行，它可以把2轉(zhuǎn) 移到2a，把3轉(zhuǎn)移到2b，注意圖中表達(dá)左眼圖的2和右眼圖的3， 其箭頭的始端是個(gè)菱形，這是為了表達(dá)它們?cè)趫D2a中單片顯示器件 顯示的左眼圖和右眼圖的上端部分，而在圖3b中，這些箭頭的始端 是圓球型，這是為了表達(dá)它們?cè)趫D2a中單片顯示器件顯示的左眼圖 和右眼圖的下端部分，我們?cè)谙旅娴臄⑹鲋袝?huì)看到，這樣的描述會(huì)有 助于理解本發(fā)明的技術(shù)特征。注意2a和3a之所以畫(huà)在了 6的外側(cè)， 而沒(méi)有按照反射定律畫(huà)在6的內(nèi)側(cè)，完全是為了便于說(shuō)明圖像是如何 被轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，是表示觀察者在視網(wǎng)膜上看到的圖像。
圖3c中的單片顯示器件1的位置為背對(duì)著觀察者，在其上顯示的 左眼圖2和右眼圖3用不同的箭頭表現(xiàn)出來(lái)，6是正交的兩塊全反射 矩形鏡，7和8是另外兩塊全反射矩形鏡，它們同單片顯示器的窄邊 成90度夾角，7和8是正交的，每一片全反射矩形鏡7和8到單片 顯示器件的窄邊邊緣的距離都相等，通過(guò)這兩塊全反射鏡，2a和2b 被轉(zhuǎn)移到12和11，注意這時(shí)的箭頭都是指向紙內(nèi)的，人眼可以看到 的實(shí)際圖像是10和9，觀察者的左眼4和右眼5就可以看到單片顯 示器中顯示的左眼圖像2和右眼圖像3，這時(shí)，由于在單片顯示器上 顯示的左眼圖像和右眼圖像分別被兩片全反射鏡進(jìn)行了在不同正交 空間方向的兩次90度像轉(zhuǎn)移，因此觀察者獲得了符合圖2e的一幅立體圖像。
當(dāng)需要采用大尺寸的單片顯示器顯示立體圖像時(shí)，由于人眼的瞳 孔間距是無(wú)法改變的，又由于人眼匯聚的特殊功能，所以我們必須通 過(guò)同步調(diào)整7和8的交角來(lái)滿足觀察者的雙眼匯聚融像的過(guò)程，達(dá)到 立體成像的目的，這時(shí)7和8的交角將大于卯度。
圖4是描述本發(fā)明的工作原理的一幅立體圖。
l是單片顯示器件，水平放置，按圖中它和觀察者的相對(duì)位置，
它的顯示面水平向下放置在觀察者眼睛的正方，2是單片顯示器中顯 示的左眼圖像，箭頭表示圖像的編碼格式；3是單片顯示器中顯示的
右眼圖像，箭頭表示圖像的編碼格式，圖中共用了四個(gè)不同的箭頭，
以方便表述它們?cè)诮?jīng)過(guò)光學(xué)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換圖像時(shí)的圖像位置，6是兩片 正交的全反射矩形鏡，2a和3a分別表示經(jīng)過(guò)6后，像2和像3的位 置；7和8是另外兩塊全反射矩形鏡，鏡面7同2a構(gòu)成的像平面成 90度夾角，鏡面8同3a構(gòu)成的像平面成卯度夾角；鏡面7和鏡面8 到單片顯示器的距離相等；2b是2經(jīng)過(guò)兩個(gè)鏡面6和7轉(zhuǎn)換得到的 像；3b是3經(jīng)過(guò)兩個(gè)鏡面6和8轉(zhuǎn)換得到的像；14是透鏡，它可以 將2b放大，4是觀察者的左眼，它通過(guò)透鏡14觀察到圖像2; 15也 是透鏡，它可以將3b放大，5是觀察者的右眼，它通過(guò)透鏡15觀察 到圖像3，最終在觀察者大腦中合成一幅立體圖像。
圖5是當(dāng)單片顯示器尺寸較大時(shí)，去掉透鏡的情形。 當(dāng)單片顯示器的尺寸達(dá)到29寸或40寸時(shí)，完全沒(méi)有必要再用透 鏡放大圖像，觀察者就可以看到清晰的立體圖像，問(wèn)題是如何匯聚左眼圖像和右眼圖像，圖5中的16和17表示安裝在觀察者眼前的玻璃， 18表示7和8的調(diào)整角，通過(guò)增大7和8的夾角或交角，可以保證 觀察者獲得理想的匯聚。
圖6是本發(fā)明的圖像驅(qū)動(dòng)電路部分。
20和21是具有一定間距的兩部攝像機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)，它們構(gòu)成 了一部立體攝像機(jī)或立體照相機(jī)，它們被同步器22同步控制，以保 證兩部攝像機(jī)獲得的視頻信號(hào)具有完全一樣的時(shí)基和行場(chǎng)同步信號(hào)， 23和24是立體攝像機(jī)或立體照相機(jī)獲得右眼圖像和左眼圖像，25 和26是圖像處理器，它們把23進(jìn)行逆時(shí)針90度旋轉(zhuǎn)，把24進(jìn)行順 時(shí)針90度旋轉(zhuǎn)，獲得27和28， 29是數(shù)字圖像編輯器，它把27和 28的水平像素?cái)?shù)和垂直像素?cái)?shù)進(jìn)行調(diào)整并合成為30， 30可以具有水 平像素1920，垂直像素1080，也可以是其它分辨率，只要同單片顯 示器的顯示分辨率相匹配就可以了，將30送入單片顯示器中去顯示， 再通過(guò)前面敘述的立體成像原理和方法，就可以顯示立體圖像了。
可以看出，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的立體頭盔，只用一片顯示器就可以 顯示立體圖像，而且光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換期間只是平面全反射鏡，成本低， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，圖像的像移距離小，考慮到視角和視場(chǎng)的變 化，鏡面的尺寸也是十分有限的。為了盡量減少圖像的失真、增加放 大率，可以將14和15制作成非線性透鏡。利用本發(fā)明制作的頭盔式 立體顯示器，因?yàn)闊o(wú)需采用半透鏡進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)移，因此圖像亮度基本 沒(méi)有損失，這也是本發(fā)明的一大特點(diǎn)。
本發(fā)明不僅可以用于頭盔立體圖像的顯示，而且也可以用于其它需要顯示立體圖像的文化、教育或科研領(lǐng)域。它不僅適合于小尺寸單 片顯示器顯示立體圖像，而且也適用于大尺寸的單片顯示器顯示立體 圖像，比如采用17寸高分辨液晶屏或更大尺寸的液晶顯示器顯示立 體圖像，通過(guò)同步調(diào)整7和8的角度，可以使觀察者在觀看大尺寸顯 示屏顯示的立體圖像時(shí)，看到符合人眼匯聚要求的舒適立體圖像，而 不受單片顯示屏顯示尺寸的限制。
權(quán)利要求
1. 一種利用單片顯示器制作的頭盔式立體顯示器，其特征是采用兩部被同步的攝像機(jī)或照相機(jī)拍攝立體圖像，將其中表示左眼的圖像逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，另一幅表示右眼圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，將這兩幅圖像的底邊對(duì)齊并排列在一起，合成為一幅完整圖像，并將這幅圖像在一個(gè)單片顯示器上顯示出來(lái)，自單片顯示器的兩個(gè)寬邊的中點(diǎn)連線處，將單片顯示器的顯示區(qū)域分為相等的兩部分，其中一部分顯示具有視差的左眼圖像，而另一部分顯示具有視差的右眼圖像，左眼圖像和右眼圖像的寬邊是單片顯示器的窄邊，利用一種特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化元件，將單片顯示器中顯示的左眼圖像轉(zhuǎn)換到觀察者的左眼，而將單片顯示器上顯示的右眼圖像轉(zhuǎn)換到觀察者的右眼，從而使觀察者能過(guò)看到立體圖像，這種光學(xué)轉(zhuǎn)換元件由兩組平面全反射矩形鏡組成，其中第1組平面全反射鏡由兩塊矩形正交鏡片組成，其鏡片的交線正對(duì)且平行于單片顯示器顯示面兩個(gè)寬邊的中點(diǎn)的連線，第2組平面全反射鏡也有兩塊矩形全發(fā)射鏡面構(gòu)成，鏡面的法線同顯示器顯示面的法線正交，矩形鏡面的寬邊同單片顯示器的窄邊交角90度，兩片矩形鏡片的交角也是90度，這兩組全反射鏡將單片顯示器上顯示的左眼圖像和右眼圖像分別做了2個(gè)90度的圖像轉(zhuǎn)移后，呈現(xiàn)給觀察者的左眼和右眼，在左眼和右眼前，安置有線性透鏡或非線性透鏡，觀察者通過(guò)這兩個(gè)透鏡看到被放大了的立體圖像，左眼圖像和右眼圖像是這樣被編碼到單片顯示器的顯示屏上的左眼圖像的左上角是單片顯示器顯示正常圖像的左下角，而右眼圖像的左上角是單片顯示器正常顯示圖像的右上角。
2. 權(quán)利要求1中提到的立體圖像的編碼方式，其表示左眼圖像的左 上角可以位于單片顯示器寬邊中點(diǎn)上端點(diǎn)，而表示右眼圖像的左 上角可以位于單片顯示器寬邊中點(diǎn)的下端點(diǎn)。
3. 權(quán)利要求1中提到的單片顯示器，可以是任意尺寸的單片顯示器， 可以用于頭盔立體圖像顯示，也可以用于其它大尺寸的立體圖像 顯示，保證雙眼匯聚是通過(guò)同步調(diào)整7和8的角度實(shí)現(xiàn)的。
4. 權(quán)利要求1中提到的單片顯示器，可以是液晶單片顯示器，可以 是LCos單片顯示器，可以是陰極射線管顯示器，可以是DLP單 片顯示器。
全文摘要
一種利用單片顯示器制作的頭盔式立體顯示器，其特征是自單片顯示器的兩個(gè)寬邊的中點(diǎn)連線處，將單片顯示器的顯示區(qū)域分為相等的兩部分，其中一部分顯示具有視差的左眼圖像，而另一部分顯示具有視差的右眼圖像，左眼圖像和右眼圖像的寬邊是單片顯示器的窄邊，利用一種特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化元件，將單片顯示器中顯示的左眼圖像轉(zhuǎn)換到觀察者的左眼，而將單片顯示器上顯示的右眼圖像轉(zhuǎn)換到觀察者的右眼，從而使觀察者看到立體圖像。
文檔編號(hào)H04N15/00GK101534455SQ20091006854
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者昌 李 申請(qǐng)人:天津三維成像技術(shù)有限公司