專利名稱：多平面立體顯示系統(tǒng)及采用三維去混疊的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維(3D)成像，更具體地說是涉及一種利用3D去混疊方式在空間中產(chǎn)生立體三維圖像的多平面顯示系統(tǒng)。
眾所周知，三維(3D)圖像可以制造出來并且看上去可顯現(xiàn)在空間之中。但一般都需要使用如護(hù)目鏡和/或頭戴物一類的特制眼鏡，而這類特制眼鏡會成為一種累贅。另外，對人眼睛來說這類特制眼鏡必竟是一個(gè)附加物，因此它們會減弱觀看實(shí)際3D圖像的感覺。使用這類特制眼鏡還會造成眼睛疲勞，而只有通過限制觀看圖像的時(shí)間來緩減眼睛疲勞，而且這類特制眼鏡的體積一般比較大，因此戴著會感覺不舒服。
于是，就產(chǎn)生了一種可產(chǎn)生立體3D圖像并可將其顯示出來而無需使用具有上述缺陷的特制眼鏡的需求。
其他立體系統(tǒng)利用例如自發(fā)光立體元素也就是三維像素(voxel)來產(chǎn)生這種立體3D圖像。位于加利福尼亞州山景市的三維技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的(3D Technology Laboratories of Mountain View,California)系統(tǒng)就是一個(gè)例子，在該系統(tǒng)中，紅外激光束在一滲入稀土雜質(zhì)離子的固態(tài)玻璃或塑料體中相互交匯而產(chǎn)生這種以三維象素為基礎(chǔ)的圖像。但是，由兩個(gè)不可見的紅外激光束產(chǎn)生可見光的非線型效應(yīng)使其效率很低僅約為1％，因此要在大型顯示器中產(chǎn)生明亮的圖像就需要大功率的激光。而這種大功率激光對眼睛具有潛在的危害性，因此需要在顯示器周圍安裝一個(gè)很有效果的防護(hù)罩。另外，掃描激光的分辨率一般很低而使得三維象素個(gè)數(shù)較少，而且立體機(jī)制的實(shí)體性質(zhì)使得整個(gè)系統(tǒng)具有很大的重量。
位于馬薩諸塞州劍橋市的阿客里提系統(tǒng)有限公司(ActualitySystems,Inc.of Cambrudge,Massachusetts)的另一個(gè)立體顯示系統(tǒng)采用了一個(gè)激光二極管線性陣列，通過一快速旋轉(zhuǎn)的多面反射鏡將二極管反射到了一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的投影屏上。但是，必須小心地使這種尺寸相對大的快速旋轉(zhuǎn)的部件保持平衡以避免發(fā)生振動和可能是災(zāi)難性的損壞。另外，顯示器中的三維像素的尺寸、形狀和方向都取決于它們的位置，從而導(dǎo)致了依賴于位置的顯示分辨率。
位于佛羅里達(dá)州墨爾本的尼奧斯技術(shù)有限公司(Neos Technologies,Inc.ofMelbourne,Florida)提供了另一種立體顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用聲光方式將激光束掃描到一快速旋轉(zhuǎn)的螺旋狀投影屏幕上。這一龐大的旋轉(zhuǎn)部件需要獨(dú)立于顯示動作而小心翼翼地保持平衡。這種激光儀系統(tǒng)具有低分辨率和低速率的特點(diǎn)，這就大大地限制了三維象素的個(gè)數(shù)。另外，顯示器中的三維像素的尺寸、形狀和方向都取決于它們的位置，從而導(dǎo)致了依賴于位置的顯示分辨率。最后，顯示器的極為顯目的非直線特性大大地增加了計(jì)算不同的二維圖像的處理要求。
還有其他類型的公知的3D成像系統(tǒng)，例如立體顯示器，這種立體顯示器給各個(gè)眼睛提供存在細(xì)微差別的一個(gè)畫面的不同透視圖。然后大腦再將分立的圖像合為一個(gè)單一的3D圖像。一些系統(tǒng)僅提供單一的一個(gè)觀察點(diǎn)且還需要特制的眼睛配戴物，或者可以通過實(shí)施頭部跟蹤來避免使用眼睛配戴物，但那樣3D圖像只能被單個(gè)的一個(gè)觀察者看到。或者，有的顯示器可以為在不同的角度的多個(gè)觀察區(qū)提供在各個(gè)觀察區(qū)的適合于那一觀察點(diǎn)的圖像，例如多觀察點(diǎn)自動立體顯示器就是這樣的。用戶的兩個(gè)眼睛必須處在不同的但又相鄰的觀察區(qū)內(nèi)來觀看3D圖像，而且觀察區(qū)必須非常窄以防止當(dāng)觀察者相對于顯示器移動時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)的跳躍。一些系統(tǒng)只有水平視差/環(huán)視。另外，深度焦點(diǎn)會聚差異很快就會導(dǎo)致眼睛疲勞從而大大地限制了觀察時(shí)間。另外，立體顯示器的視野有一定的限制從而不能實(shí)際用于如虛擬(virtual)現(xiàn)實(shí)和/或力反饋界面(forcefeedback interface)等直接的交互技術(shù)。
頭戴式顯示器(HMD)通常用于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，在該顯示器中一對視頻顯示器為各個(gè)眼睛呈現(xiàn)合適的透視圖。一個(gè)HMD一次只能用于一個(gè)人，且每只眼睛的視野范圍有限。必須采用頭部跟蹤來提供視差。
其他的顯示系統(tǒng)還包含全息顯示器，在該顯示器中相干激光與一組被稱為全息光柵的非常細(xì)的線柵相互作用而生成圖像。光柵改變?nèi)肷涔獾姆较蚝蛷?qiáng)度以使其看起來是來自被顯示物體的位置。但是，一般的光學(xué)全息包含有大量的信息，因此要以高速率更新全息顯示所進(jìn)行的運(yùn)算是巨大的。對于具有較大尺寸和足夠視野范圍的全息顯示器，像素個(gè)數(shù)一般大于2億5千萬。
因此，需要一種其運(yùn)算量可以為處理系統(tǒng)所接受的且具有改善的可視性和可實(shí)施性的高品質(zhì)的立體3D成像技術(shù)。
另外，在三維成像中，離散像素的使用由于象素化使得部分圖像會呈現(xiàn)鋸齒狀，例如在立體3D圖像的不連續(xù)深度間的過渡中就會出現(xiàn)上述情況。因此也需要一種可以柔化立體3D圖像各部分間的過渡過程的方法。
本發(fā)明公開了一種用于產(chǎn)生立體三維圖像的多平面立體顯示系統(tǒng)(MVD)及其操作方法。該MVD系統(tǒng)包含一個(gè)多表面光學(xué)裝置，該裝置又包含排列成陣列形式的多個(gè)分立光學(xué)元件；一用于有選擇地將一組圖像投影在多表面光學(xué)裝置的各個(gè)光學(xué)元件上以生成多表面光學(xué)裝置中第一個(gè)可見的立體三維圖像的圖像投影儀；和一用于利用多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像來產(chǎn)生好象浮在離開多表面光學(xué)裝置的某一位置處的第二個(gè)可見的立體三維圖像的浮動圖像產(chǎn)生器。
多表面光學(xué)裝置中的各個(gè)分立光學(xué)元件的每一個(gè)包含有一個(gè)具有可控變化半透明性的液晶元件。還提供有用于控制液晶元件的半透明度的光學(xué)元件控制器，以控制該液晶元件的半透明性，以使一分立的液晶元件得到控制而具有一種用來接收和顯示來自圖像投影儀的圖像組中的各自圖像的不透明光散射狀態(tài)，而將其余的液晶元件控制成大體上透明的狀態(tài)以允許看到在不透明的液晶元件上所顯示的圖像。
光學(xué)元件控制器在一特定成像周期期間以一高速率掃過液晶元件，以從中選擇一個(gè)液晶元件并使之在一特定成像周期內(nèi)處于不透明光散射狀態(tài)中，且使不透明光散射狀態(tài)移過液晶元件用于連續(xù)接收圖像組而產(chǎn)生出具有三維深度的立體三維圖像。
圖像投影儀將圖像組投影到多表面光學(xué)裝置中以在多表面光學(xué)裝置中以一大于35Hz的可以防止出現(xiàn)人感覺得到的圖像閃爍的頻率形成完整的第一個(gè)立體三維圖像。例如，空間頻率可以為約40Hz。例如在一個(gè)實(shí)施例中，如果采用了約50個(gè)光學(xué)元件且空間頻率為約40Hz，那么圖像投影儀需以2kHz的頻率將各個(gè)圖像組投影到各自的光學(xué)元件上。
圖像投影儀包含一用于輸出圖像組的投影透鏡。該投影儀也包含一用于將各個(gè)圖像組聚焦到各自光學(xué)元件上的以控制來自投影透鏡的圖像組的投影深度及分辨率的自適應(yīng)光學(xué)聚焦系統(tǒng)。另外或此外，圖像投影儀包含多個(gè)激光源以分別用來發(fā)射紅、綠、和藍(lán)色激光，從而可以以多種顏色產(chǎn)生和投影圖像組。
另外，采用一種3D去混疊方法來光滑在多表面光學(xué)裝置中的光學(xué)元件之間過渡區(qū)的投影圖像部分。去混疊對在光學(xué)元件之間過渡區(qū)所顯示的像素進(jìn)行調(diào)整，以便像素的顏色值可作為像素與光學(xué)元件之間距離的函數(shù)來調(diào)整，從而在立體三維圖像部分間產(chǎn)生一光滑的過渡。
附圖的簡要說明

圖1顯示的是這里所公開的多平面立體顯示系統(tǒng)；
圖2顯示了一基于液晶的呈透明態(tài)的光學(xué)元件；圖3顯示的是圖2所示光學(xué)元件處于散射不透明的狀態(tài)中；圖4-7顯示的是形成一立體3D圖像的多個(gè)光學(xué)元件上的圖像連續(xù)顯示；圖8顯示了一薄膜態(tài)的光調(diào)制器；圖9顯示的是一用于圖像投影儀中的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；圖10顯示的是圖9所示自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)與一個(gè)多光學(xué)元件系統(tǒng)相結(jié)合的情況；圖11顯示的是鐵電液晶(FLC)空間光調(diào)制器(SLM)中的一個(gè)像素的側(cè)剖視圖；圖12-14顯示了圖11所示的FLCSLM的座標(biāo)軸的角度取向；圖15顯示了用于產(chǎn)生多平面數(shù)據(jù)組的方法的流程圖；圖16顯示了在多個(gè)光學(xué)元件中的一個(gè)三維象素的3D去混疊處理；圖17表示的是沒有經(jīng)過3D去混疊的三維象素的顯示情況；圖18表示的是經(jīng)過3D去混疊的三維象素的顯示情況；圖19表示的是有和沒有3D去混疊情況下的視深度之間的比較圖；圖20表示的是實(shí)施3D去混疊的方法的流程圖；圖21-22表示的是不進(jìn)行去混疊處理的包含半透明前景物體的3D圖像的產(chǎn)生情況；圖23-34表示的是進(jìn)行了去混疊處理的包含半透明前景物體的3D圖像的產(chǎn)生情況。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1顯示的是一個(gè)多平面立體顯示系統(tǒng)10，該系統(tǒng)可產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上為立體的三維(3D)圖像，即，所產(chǎn)生的3D圖像占據(jù)一個(gè)具體的、有限的3D體積，因此真正存在于圖像出現(xiàn)的位置。因此，這樣的3D圖像是真正的3D圖像，不同于例如立體照相等僅僅是由于視覺所產(chǎn)生的光學(xué)錯(cuò)覺而被認(rèn)為是3D的圖像。
由系統(tǒng)10所產(chǎn)生的3D圖像具有很高的分辨率且能以多種顏色顯示出來，因此具有與觀看真實(shí)物體相關(guān)的特點(diǎn)。例如，這樣的3D圖像可以具有水平向和垂直向的活動視差或環(huán)視性，即觀察者12活動后仍接收到視覺光線而維持3D圖像的3D形象。
另外，觀察者12不必要戴任何例如立體成像面罩或眼鏡等特制的護(hù)目鏡來觀看3D圖像，這一優(yōu)點(diǎn)就避免了戴護(hù)目鏡，護(hù)目鏡對觀察者來說是一個(gè)拖累、還會引起眼睛疲勞等。而且，所述3D圖像在水平方向和垂直方向都具有一個(gè)連續(xù)的觀察視野，在一定情況下可視的水平視野范圍可為3600。另外，觀察者在距離MVD系統(tǒng)10的任意遠(yuǎn)處都不會失去3D感。
多平面立體顯示系統(tǒng)10包含一用于從例如計(jì)算機(jī)等圖像數(shù)據(jù)源16處接收3D圖像數(shù)據(jù)的界面接口14所述計(jì)算機(jī)可以與系統(tǒng)結(jié)合成一體，也可通過通訊接口實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)10的遠(yuǎn)程連接，也可與常規(guī)的遠(yuǎn)程通訊連接器可例如互聯(lián)網(wǎng)(Internet)等任何網(wǎng)絡(luò)相連。界面接口14可以是PCI總線，也可以是加利福尼亞州圣克拉拉市的因特爾公司(INTEL of SantaClara,California)可以提供的加速圖像通道(AGP)。還可使用下述的其他界面接口以IEEE1014標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)的VME后板互連總線系統(tǒng)、小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)、在蘋果馬斯圖克(Apple Macintosh)計(jì)算機(jī)及其他系統(tǒng)中使用的NuBus高性能擴(kuò)展總線系統(tǒng)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造(Industry StandardArchitecture)(ISA)接口、擴(kuò)展ISA(Extended ISA)(EISA)接口、通用系列總線(Universal Serial Bus)(USB)接口以及現(xiàn)已按照IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)制成為標(biāo)準(zhǔn)化的且能提供計(jì)算機(jī)中的高速通訊和同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)的火線(FireWire)總線接口，也可以是其他通用的或?qū)Ｓ媒涌凇?br> 接口14將3D圖形數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉嗥矫媪Ⅲw顯示系統(tǒng)(MVD)控制器18，該控制器包含一級高速的圖像緩沖器。MVD控制器18將可視成為立體3D圖像的三維圖像轉(zhuǎn)換成一系列的取自3D圖像的不同深度的二維圖像片段。然后，對應(yīng)于圖像片段的幀數(shù)據(jù)被快速地從MVD控制器18的高速圖像緩沖器中送到圖像投影儀20。
該MVD控制器18和接口14的功能可在一計(jì)算機(jī)中實(shí)施，例如加利福尼亞州山景市硅圖公司(SILICON GRAPHICS of MountainView,California)可以提供的歐克坦圖形工作站(OCTANE graphicsworkstation)。也可使用其他通用的以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，例如采用195MHz精簡指令集計(jì)算(RISC)微處理器的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)。相應(yīng)地，應(yīng)理解為所公開的MVD系統(tǒng)10及其元件也不限于用特定的硬件和/或軟件來實(shí)施。
圖形數(shù)據(jù)源16可選擇為一個(gè)計(jì)算機(jī)的圖形應(yīng)用程序，所述程序操作一應(yīng)用程序接口(API)及一設(shè)備驅(qū)動器，以便以適當(dāng)?shù)母袷酵ㄟ^諸如接口14等的輸入/輸出(I/O)裝置將3D圖像數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)的MVD控制器18。所述MVD控制器18可以是應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)并選擇使用特定數(shù)據(jù)處理擴(kuò)展卡的硬件和/或軟件。
例如，MVD控制器18中的擴(kuò)展卡可以包含用于將來自圖形數(shù)據(jù)源16的3D數(shù)據(jù)組轉(zhuǎn)換成系列的、形成了對應(yīng)于片段24-30的一個(gè)多平面數(shù)據(jù)組的二維圖像片段的圖形硬件和/或軟件。這樣就以實(shí)時(shí)或近于實(shí)時(shí)的更新速率產(chǎn)生可用于例如外科手術(shù)模擬、空中交通控制、或軍事演習(xí)和控制等真實(shí)場合的3D圖像34。所述的擴(kuò)展卡也可包含一用于操縱3D數(shù)據(jù)組和進(jìn)行3D圖像的結(jié)構(gòu)繪制的結(jié)構(gòu)內(nèi)存的幾何引擎。
在圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像投影儀20之前，MVD控制器18或者是圖形源16可以在圖像數(shù)據(jù)上進(jìn)行3D去混疊處理以便平滑3D圖像34所顯示的特征，從而避免例如在沿Z方向的平行板間的縱深向出現(xiàn)鋸齒狀線，所述鋸齒狀線的出現(xiàn)是由于在垂直于Z軸的x-y平面內(nèi)成行排列的光學(xué)元件36-42所組成的MOE裝置32的內(nèi)在固有的離散三維象素結(jié)構(gòu)而引起的。當(dāng)對應(yīng)于圖像片段24-30的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，在平面過渡的邊緣附近也就是在例如光學(xué)元件36-38的光學(xué)元件之間可能出現(xiàn)圖像元素。為了避免具體圖像元素有一個(gè)突然的過渡，可以產(chǎn)生兩個(gè)片段24、26以使圖像44-46中的各個(gè)圖像都包含有這一具體的圖像元素，這樣這一具體的圖像元素就在由光學(xué)元件36-38所形成的兩個(gè)平面間共享，以此來弱化過渡而使3D圖像34看上去顯得更連續(xù)些。在各個(gè)連續(xù)的光學(xué)元件上的圖像元素的亮度是不同的，其亮度是按照圖像元素在圖像數(shù)據(jù)中的位置而定的。
為了最大限度提高將圖像數(shù)據(jù)傳送到產(chǎn)生圖像的MVD控制器18的速率，圖形數(shù)據(jù)源16和MVD控制器18也可以通過接口14執(zhí)行零運(yùn)行編碼。不言而喻，其他技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)傳送也可以采用，例如采用運(yùn)動圖形專家組(Motion Picture Experts Group)(MPEG)數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)及delta(△)壓縮。
3D圖像可以維持以40Hz的速率更新的50 SVGA量級分辨率的圖像，其結(jié)果是原始數(shù)據(jù)以大于2GB/sec的速率被顯示出來。由于不傳送零數(shù)據(jù)，這種原始數(shù)據(jù)率可以大大地減小。一個(gè)立體三維圖像一般具有大量的代表著物體內(nèi)部、被前景物體遮住的背景物體、及周圍空間的零數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)源16可以對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以便于用一個(gè)零運(yùn)行標(biāo)志(ZRF)或零運(yùn)行碼且在其后跟隨或相關(guān)于一運(yùn)行長度來代表零的運(yùn)行。這樣為了顯示只需傳送零數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)而不需傳送零數(shù)據(jù)了。在MVD控制器18中的3D圖像緩沖器可以進(jìn)行初始化以存儲所有的零數(shù)據(jù)，那么在圖像數(shù)據(jù)在緩沖器中進(jìn)行存儲時(shí)，借助于等于零數(shù)據(jù)的串長度的數(shù)據(jù)位置或像素的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)對ZRF標(biāo)志的檢測，使得MVD控制器18跳到了緩沖器的前面。那么在3D圖像緩沖器就容納了要輸出到圖像投影儀20的3D數(shù)據(jù)，其中可能包含用于使SLM工作以生成二維圖像的SLM驅(qū)動器。
圖像投影儀20包含有用于將3D圖像的二維片段24-30以高幀頻和按時(shí)間順序的方式投射到用于析出圖像的多光學(xué)元件(MOE)裝置32處，以產(chǎn)生在觀察者12看來出現(xiàn)在MOE裝置32所在空間的第一個(gè)立體三維圖像34的相關(guān)光學(xué)元件22。MOE裝置包含多個(gè)光學(xué)元件36-42，該光學(xué)元件在MVD控制器18的控制下有選擇地接收片段24-30中的各個(gè)片段，所接收的片段顯示成了二維圖像44-50，其中一個(gè)光學(xué)元件在每一幀頻周期期間接收和顯示各自的片段。由MVD控制器18產(chǎn)生的片段的深度數(shù)等于光學(xué)元件36-42的數(shù)目，也就是說每個(gè)光學(xué)元件代表著所產(chǎn)生和顯示的立體3D圖像的一個(gè)深度分辨率單位。
光學(xué)元件36-42可以是由例如由向列型、鐵電型、或膽甾醇型材料、或諸如采用本領(lǐng)域中用于這種組份所公知的、已作修改的肯特形態(tài)(KentState)公式的膽甾醇結(jié)構(gòu)的其他穩(wěn)定的高分子材料等所組成的液晶顯示器。
由MOE裝置32的光學(xué)元件36-42將每一片段24-30作為一組顯示圖像所做的全部顯示，是以下述的足夠高幀頻來進(jìn)行的，例如幀頻要大于35Hz以使觀察者12不需要立體成像頭罩而是直接就可看到一個(gè)連續(xù)的立體3D圖像34而不是分立的二維圖像44-50。因此，如圖1所示，圖像44-50可以是一個(gè)球的橫剖面，這樣所產(chǎn)生的3D圖像34對處在組成MOE裝置32的光學(xué)元件36-42中間的觀察者12看來是一個(gè)球體。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖像44-50可以被產(chǎn)生出來用以顯示完整的、具有2D和3D的混和圖像，例如2D文本作為標(biāo)題處在球體的下方或其上方。一種應(yīng)用可以是具有2D和3D圖像特點(diǎn)、以使觀察者12可以看到諸如微軟視窗(MICROSOFT WINDOW)95的圖形用戶界面(GUI)的圖形用戶界面控制板，其中2D屏幕圖形呈現(xiàn)為一種虛擬(virtual)的平面屏幕顯示，而諸如球體的3D圖像則呈現(xiàn)在一種虛擬的平面屏幕顯示之上。
在一定的取向范圍內(nèi)可以看到第一個(gè)立體3D圖像34。另外，來自第一個(gè)立體3D圖像34的光52進(jìn)一步經(jīng)一實(shí)像投影儀54處理后產(chǎn)生了第二個(gè)立體3D圖像56，在觀察者12看來第二個(gè)立體圖像是漂浮在與MOE裝置32有一定距離的空間中的與第一個(gè)立體3D圖像大體相同的圖像。實(shí)像投影儀54或者是浮像投影儀可以由一組用于收集來自MOE裝置32的光52而將3D圖像34再成像到自由空間中的光學(xué)元件和/或鏡組成。實(shí)像投影儀54可以是一個(gè)高清晰度立體顯示器(HDVD)，該高清晰度立體顯示器(HDVD)包含有用以產(chǎn)生一個(gè)位于MOE裝置32的光軸上的可視信號區(qū)的球面或拋物線面鏡。
例如，實(shí)像投射系統(tǒng)可以是下述專利中所描述的裝置授予Prince的第5,552,934號美國專利和授予Crabtree,Ⅳ的第5,572,375號美國專利，這些專利在此作為參考文獻(xiàn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)像投影儀54可以使用全息光學(xué)元件，該全息元件所起作用與產(chǎn)生浮像56的常規(guī)球形或拋物面形鏡所起作用相同，只是可以產(chǎn)生多個(gè)可視區(qū)，例如一個(gè)是在光軸線上的中心區(qū)域處可視區(qū)、以及在光軸兩側(cè)的可視區(qū)，這樣多個(gè)觀察者就可以看到多個(gè)3D浮像。
在另一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)像投影儀54可包含全息光學(xué)元件(HOEs)，也就是常規(guī)意義上的不顯示已存在物體的記錄圖像的全息圖。HOE可以起到諸如透鏡和/鏡子等常規(guī)光學(xué)元件所起的接收、反射、和改變?nèi)肷涔夤饴返淖饔?。與例如玻璃或塑料等常規(guī)光學(xué)元件相比，HOEs具有重量很輕和廉價(jià)再生的特點(diǎn)，還具有常規(guī)光學(xué)元件所不能獲得的獨(dú)特光學(xué)特性。例如，HOE可以從與預(yù)定光軸成不同的角度處對同一物體生成多個(gè)圖像，因此使用一個(gè)相對小的HOE后，不需要象常規(guī)光學(xué)元件所要求的那樣通過增大元件尺寸就可以使顯示的視野得到很大程度的提高。相應(yīng)地，如實(shí)像投影儀54一樣使用至少一個(gè)HOE，就可構(gòu)造出相對緊湊的具有360視野范圍的MVD系統(tǒng)10。另外，對于一個(gè)結(jié)合使用了激光光源的圖像投影儀20來說，由于HOE所具有的波長選擇性使得HOEs特別適合于上述的帶有激光光源的高性能儀器。
既然在觀察者12看來兩個(gè)立體3D圖像34、56都具有一定體積和深度，還可以選擇顏色，那么多平面立體顯示系統(tǒng)10就可用于虛擬事實(shí)和觸覺應(yīng)用中，例如應(yīng)用于下面描述的外科教學(xué)的觸覺動畫的例子中。實(shí)像投影儀54使得浮動的3D圖像56可以直接用于實(shí)際的場合。MVD系統(tǒng)10還可包含一用于接收觀察者12試圖操縱兩個(gè)圖像34、56的手的動作的用戶反饋裝置58。所述的手動作可以由用戶反饋裝置58將其轉(zhuǎn)換成控制信號，該控制信號傳輸?shù)浇涌?4再到MVD控制器18以使圖像34、56中的一個(gè)或兩個(gè)發(fā)生相應(yīng)于觀察者12的動作的改變。或者，也可以將反饋裝置58結(jié)合到包含有3D圖形處理器的圖形數(shù)據(jù)源16處以實(shí)現(xiàn)對圖像34、56中的一個(gè)或兩個(gè)的修改。
許多新的交互技術(shù)可以使采用了實(shí)像投影儀54的MVD10的性能得到提高。例如，由馬薩諸塞州劍橋市的感應(yīng)裝置有限公司(Cambridge,Massachusetts,SENSIBLE DEVICES,INC.)開發(fā)的一種力(force)反饋接口就是一項(xiàng)強(qiáng)有力的使動技術(shù)，該技術(shù)使得MVD系統(tǒng)10具有了可以用手實(shí)際觸摸和操縱3D圖像34、56的能力。如果配以適當(dāng)?shù)某绦?，觀察者12就可以對三維圖像進(jìn)行造型，仿佛圖像是用粘土制成的，方式是使用一個(gè)被稱為數(shù)字粘土的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是本申請受讓人帝曼斯諾梅迪亞聯(lián)合有限公司(DIMENSIONAL MEDIA ASSOCIATES)的商品。
具有力反饋接口的MVD系統(tǒng)10的另一個(gè)應(yīng)用是外科模擬器和訓(xùn)練器，其使用者可以看到和摸到三維的虛擬解剖，包括虛擬心跳和對使用者虛擬刺激作出反應(yīng)的動畫，這一MVD的應(yīng)用可以獲得外科醫(yī)師資格、實(shí)施創(chuàng)新的新方法、或者例如通過利用互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)施遠(yuǎn)程外科手術(shù)。
這樣，觸覺效果和動畫結(jié)合起來可以為利用MVD系統(tǒng)10所產(chǎn)生的3D圖像來工作的使用者提供實(shí)時(shí)的模擬和刺激。例如觀察者12是一個(gè)正在對醫(yī)學(xué)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的外科醫(yī)師，那么只要外科醫(yī)師在一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)中觀察和操縱第一個(gè)3D圖像34，學(xué)生就可通過觀看由于采用了實(shí)像投影儀54而產(chǎn)生的隨著第一個(gè)3D圖像34的改變而發(fā)生相應(yīng)變化的第二個(gè)3D圖像56來學(xué)習(xí)了。學(xué)生也可以輪流單獨(dú)地操縱諸如心臟圖象的圖象34，這樣甚至可以將其動畫成象為3D圖象34,54的心跳。教學(xué)醫(yī)師可以對正在對例如模擬心臟外科的仿佛是真的圖像實(shí)施操作的學(xué)生進(jìn)行觀察和評分。
MOE裝置在一個(gè)圖示實(shí)施例中，MOE裝置32由一組作為光學(xué)元件36-42的由玻璃制成的單個(gè)像素液晶顯示器(LCDs)組成，光學(xué)元件36-42間通過玻璃、塑料、或者空氣間隔區(qū)來彼此分開。光學(xué)元件36-42也可以由塑料或其他具有例如重量輕的構(gòu)造的各種優(yōu)點(diǎn)的材料組成。玻璃、塑料、和/或空氣間隔區(qū)可以和LCDs結(jié)合起來以形成一連續(xù)的光學(xué)構(gòu)型來消除在相互界面處發(fā)生反射。LCDs和間隔器間可通過光學(xué)接觸、折射率匹配流體或光學(xué)膠接劑而連接起來。另外，也可以用例如水、礦物油、或折射率匹配流體等液體來替代間隔器，這些液體可以在一外部冷卻裝置中循環(huán)以使MOE裝置32冷卻。而且在運(yùn)輸和安裝這種具有液體間隔的MOE裝置32的過程中，可以將其中的液體弄空以使總重量減輕，而在安裝好之后再將間隔液體注入。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)元件36-42是平面矩形的，也可以呈現(xiàn)例如圓柱形等曲線的和/或任何其他的形狀?？梢圆捎美鐢D塑等不同的技術(shù)來構(gòu)造圓柱形LCD顯示器，而且圓柱形顯示器還可以彼此套疊。光學(xué)元件36-42間的間隔距離可以是固定的，而在另外的實(shí)施例中也可以是變化的以便于在不增加光學(xué)元件36-42的個(gè)數(shù)的條件下大大增加MOE裝置32的深度。例如，既然隨著觀察距離的增加觀察者12的眼睛就失去了對深度的敏感性，因此離觀察者12越遠(yuǎn)的光學(xué)元件間的距離就可以越大些?？梢詫?shí)施對數(shù)間距，即光學(xué)元件36-42間的距離隨與觀察者12間的距離成線性增加。
組成光學(xué)元件36-42的液晶顯示器具有通過MVD控制器18中的一個(gè)MOE裝置驅(qū)動器以實(shí)現(xiàn)在下述兩個(gè)狀態(tài)間的電子快速切換的特性如圖2所示的清晰、高透明狀態(tài)和如圖3所示的不透明、高分散狀態(tài)。圖2-3所示是光學(xué)元件36的橫剖面圖，其中液晶分子60-64懸浮在可以是玻璃、塑料、或空氣間隔件的基板66-68之間，也可以具有分別施加在基板66-68之上的透明傳導(dǎo)層70、71。
傳導(dǎo)層70、71可以由噴涂或蒸發(fā)的一層氧化銦錫(ITO)薄膜構(gòu)成，該氧化銦錫薄膜具有極好的透光性和低阻抗性，但與玻璃或塑料基板相比該氧化銦錫薄具有相對高的折射率。而這兩種材料折射率的不同使得在二者的界面處產(chǎn)生反射，因此需要在基板66-68上在傳導(dǎo)層70、71和基板66-68之間有選擇地設(shè)置另外的抗反射(AR)材料涂膜或涂層，以減少例如不需要的反射引起的反向光的數(shù)量。例如，采用一光學(xué)厚度為典型波長的四分之一如76nm的、折射率為約1.8的AR層就可將基板-傳導(dǎo)層界面處的反射減少到很低的水平。
由于使用了AR涂層，就可以去掉光學(xué)元件36-42間的間隔材料而在其間留有空氣或真空，這樣便可減少M(fèi)OE裝置32的總重量。這種AR涂層可以是經(jīng)真空淀積、蒸發(fā)或噴涂上去的電介質(zhì)。另外，AR涂層可以是用溶膠-凝膠(SOL-GEL)制成的旋涂層、浸涂層、或是新月形涂層。
參見圖2，在采用這種傳導(dǎo)層70、71的情況下，在兩傳導(dǎo)層之間設(shè)置一例如是引自MVD控制器18的電源72，這樣就在光學(xué)元件36的兩基板66-68之間產(chǎn)生了一個(gè)電場74，該電場使得液晶分子60-64進(jìn)行了排列從而使光76沒有或幾乎沒有散射地通過了光學(xué)元件36，因此光學(xué)元件36大體上是透光的。
參見圖3，可采用例如打開一受MVD控制器18控制的快速切換開關(guān)78而使傳導(dǎo)層70、71間的回路斷開，這相當(dāng)于去掉了電源72。在去掉電源72的情況下，液晶分子60-64發(fā)生自由取向，這樣光76就發(fā)生了任意散射而產(chǎn)生散射光80。在這種構(gòu)型下，光學(xué)元件36似乎是不透明的，因此可以將其作為一個(gè)接收和顯示由投影儀20聚焦在其上的圖像44的投射屏幕。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2-3中所示，光學(xué)元件36可以由下述方式啟動而處于如圖2所示的透明狀態(tài)中使與第一基板66相鄰的傳導(dǎo)層70與地相連，同時(shí)使與第二基板68相鄰的傳導(dǎo)層71與一例如電壓值約為50V-250V的供電電壓相連。而為了使光學(xué)元件36處在如圖3所示的分散、不透明狀態(tài)中，可以將上述的電源反接，也就是在一例如約為1ms-5ms的預(yù)定延遲時(shí)間之后將傳導(dǎo)層71與地相接，然后再將傳導(dǎo)層70接到供電電壓上。再通過反轉(zhuǎn)上述過程還可使光學(xué)元件36再回到透明狀態(tài)中。在光學(xué)元件36中沒有平均直流(DC)或電壓，如具有恒定的外加電壓就會導(dǎo)致故障。也沒有可產(chǎn)熱的且對光學(xué)元件會增加能量需求的連續(xù)的交流電流(AC)或電壓。
在工作過程中，僅有MOE裝置32的光學(xué)元件36-42中的單獨(dú)一個(gè)元件在任何給定的時(shí)間內(nèi)都處在散射的不透明狀態(tài)中而形成一散射平面或表面。當(dāng)圖像投影儀20高速率地在每個(gè)投射周期內(nèi)投射一個(gè)片段的方式投射片段24-30時(shí)，散射平面就在MOE裝置的整個(gè)深度范圍內(nèi)快速放映而形成一個(gè)有效深度可變的投射屏幕，而其余的透明光學(xué)元件可使觀察者12看到從接收到的圖像片段24-30所顯示出來的圖像。
如圖4-7所示，MVD控制器18向圖像投影儀20輸入了連續(xù)的幀數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生了圖像82-88，MVD控制器18與光學(xué)元件36-42的開關(guān)相同步，以便使光學(xué)元件36在向其上發(fā)送如圖4所示的圖像82時(shí)是不透明的；使光學(xué)元件38在向其上發(fā)送如圖5所示的圖像84時(shí)是不透明的；使光學(xué)元件40在向其上發(fā)送如圖6所示的圖像86時(shí)是不透明的；使光學(xué)元件42在向其上發(fā)送如圖7所示的圖像88時(shí)是不透明的。MVD控制器18可以在向圖像投影儀20輸入各組幀數(shù)據(jù)與使某一相應(yīng)光學(xué)元件呈現(xiàn)不透明狀態(tài)之間設(shè)置一個(gè)延遲，以便于圖像投影儀20在所述延遲期間有足夠的時(shí)間對應(yīng)于幀數(shù)據(jù)組1-4分別生成各個(gè)圖像82-88。
參見圖4-7，當(dāng)其中一個(gè)光學(xué)元件是不透明的而分別顯示出其上的圖像時(shí)，剩余的光學(xué)元件卻是透明的，因此在光學(xué)元件36上所呈現(xiàn)的如圖4中所示的圖像82透過例如至少光學(xué)元件38仍是可見的，類似地，至少透過光學(xué)元件40后圖5中所示的圖像84仍是可見的，至少透過光學(xué)元件42后圖像86仍是可見的。由于圖像投影儀20以高頻率將圖像82-88顯示到光學(xué)元件36-42上，相應(yīng)地光學(xué)元件36-42也以一相對高的頻率在不透明和透明兩個(gè)狀態(tài)間切換，因此圖像82-88便形成了一個(gè)單一的立體3D圖像34。
為了形成一個(gè)連續(xù)的沒有可以感覺到的閃爍的立體3D圖像34，每一光學(xué)元件36-42須以一個(gè)大于約35Hz的幀頻來接收各自的圖像并切換到不透明的狀態(tài)。相應(yīng)地，為了刷新和/或更新完整的3D圖像，圖像投影儀20的幀頻也須大于約N×35Hz。對于一個(gè)由50個(gè)LCD元件組成的MOE裝置32來說，如果各個(gè)光學(xué)元件的幀頻為40Hz，那么圖像投影儀20的總的幀頻便須大于約50×40Hz=2kHz。如果要用MVD系統(tǒng)10呈現(xiàn)出高性能和/或高品質(zhì)的立體3D圖像，則圖像投影儀20需要在15kHz量級上具有更高的幀頻。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖4-7中所示的圖像82-84被連續(xù)顯示出來，以這種連續(xù)的幀排序在每個(gè)空間周期內(nèi)對深度范圍更新一次來更新MOE裝置32中的光學(xué)元件36-42的整個(gè)空間。這種連續(xù)的幀排序在最低限度的幀頻條件下可能是足夠的，例如對靜止的圖像82-88是約32Hz的幀頻，對顯示運(yùn)動的圖像82-88是幀頻為約45Hz。在另一個(gè)實(shí)施例中，采用了半隨機(jī)平面排序以減弱圖像抖動和減少動作所顯現(xiàn)的人工跡象，在這一方法中雖然各個(gè)光學(xué)元件在每個(gè)空間周期仍舊是只更新一次，卻以一個(gè)更高的頻率來實(shí)現(xiàn)深度的更新。所述的半隨機(jī)平面排序包含有多平面交錯(cuò)，其中偶數(shù)平面由圖像來照明，然后奇數(shù)平面再被照明，這樣不需提高圖像投影儀20的幀頻便可提高可被感知的空間更新率。
MOE裝置32保持圖像投影儀20產(chǎn)生的圖像分辨率以提供高逼真度的三維圖像。液晶板36-42處在清晰透明狀態(tài)中時(shí)是高度透光的且無暈陰，所述液晶板還能在清晰透明狀態(tài)和不透明散射狀態(tài)之間快速切換，在所述的不透明散射狀態(tài)中來自圖像投影儀20的光和圖像大體上被有效地和大致地散射開了。
在另外的實(shí)施例中，可以制造出重量輕的MOE裝置32。液晶板36-42可以由一組在其內(nèi)表面涂膜的玻璃基板組成，透明的傳導(dǎo)層70、71上涂有一層絕緣層。可在絕緣層上選擇性地設(shè)置一高分子排列層。在某一液晶板的基板之間的液晶成份薄層的厚度設(shè)置為約10-20微米。
液晶板的大部分體積和重量與玻璃基板有關(guān)，隨著液晶板的數(shù)目和橫向尺寸的增加，MOE裝置32的重量就會顯著增加。采用塑料基板來組成液晶板36-42是解決重量增加的一個(gè)辦法。其他的措施包括通過采用輥-輥處理來將塑料基板制得很薄的方法來生產(chǎn)MOE裝置32中的光學(xué)元件，所有的制造工藝要能以連續(xù)的低成本的方法來進(jìn)行。
如果MOE裝置32采用了這種相對輕的組成的話，那么在該裝置不工作時(shí)可以將其折疊起來，這樣就可將MVD系統(tǒng)10制成便攜式的。除了或代替液晶技術(shù)之外，光學(xué)元件36-42也可包含其他無機(jī)材料，例如有機(jī)地采用旋轉(zhuǎn)或浸沉涂布的ITO層。
高幀頻圖像投影儀由MVD系統(tǒng)10產(chǎn)生的三維圖像34、56的最大分辨率和顏色深度都是直接由高幀頻圖像投影儀20的分辨率和顏色深度所決定的。MOE裝置32的作用基本上是將來自圖像投影儀20的二維圖像系列轉(zhuǎn)換成一個(gè)3D立體圖像。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖像投影儀20包含一個(gè)具有短弧的弧燈光源。來自光源的光被分色光學(xué)元件分成紅、綠和藍(lán)成份，用于照明三個(gè)分立的空間光調(diào)制器(SLMs)。經(jīng)SLMs調(diào)制后，三個(gè)顏色通道再合成一單光束并從例如是聚焦透鏡的光學(xué)元件22射出而進(jìn)入MOE裝置32，這樣，來自片段24-30的每個(gè)二維圖像分別在光學(xué)元件36-42其中的一個(gè)上顯示出來。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖像投影儀20以高功率固態(tài)激光器替代了弧光燈泡和分色元件。激光源具有效率高、光束方向性強(qiáng)、單一波長操作等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，激光源可產(chǎn)生高飽合的明亮色彩。
在另外的實(shí)施例中，如果可獲得高速率的工作，那么也可以采用其他不同的技術(shù)來實(shí)施SLM。例如，采用高速液晶裝置，以微電機(jī)裝置為基礎(chǔ)的調(diào)制器或其他的光調(diào)制方法以提供這種高幀頻成像。例如，可采用下述的各種技術(shù)來對圖像投影儀20所輸出的圖像進(jìn)行調(diào)制德克薩斯州達(dá)拉斯市的德克薩斯儀器公司的數(shù)字化光線處理(Dallas,Texas,TEXASINSTRUMENTS,Digital Light Processing)(DLP)技術(shù)；加利福尼亞州薩尼威爾市硅光機(jī)器公司的光柵光線閥值(Sunnyvale,California,SILICONLIGHT MACHINES,Grating Light Valve)(GLV)技術(shù)；科羅拉多州博爾達(dá)市博爾達(dá)非線性系統(tǒng)公司出品的模擬鐵電LCD裝置(Boulder,Colorado,BOULDER NONLINEAR SYSTEMS,AnalogFerroelectric LCD)。SLM也可以是鐵電液晶(FLC)裝置，并可完成FLCSLM的極化偏置。
為了在MVD系統(tǒng)10中獲得極高分辨率的圖像，圖像44-50必須能正確快速地再聚焦到MOE裝置32的各個(gè)相應(yīng)的光學(xué)元件上，這也是為了使各個(gè)圖像能在具有合適深度的光學(xué)元件上顯示出來。為了滿足這種再聚焦的要求，采用了本領(lǐng)域中公知的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)裝置，例如可以是在互聯(lián)網(wǎng)址http://guernsey.et.tudelft.nl/focus/index.html上獲取的的文章“利用小型器具的自適應(yīng)鏡面的圖像光學(xué)聚焦”(focusing of imagingoptics using micromachined adaptive mirrors)中描述的快速聚焦裝置。如圖8中所示，膜狀光調(diào)制器(MLM)90具有一個(gè)薄的彈性膜片92，該彈性膜片具有如鏡子一樣的可控反射和聚焦特性，可以由塑料、硝化棉、“MYLAR”、或者涂有一具有反射特性的傳導(dǎo)反射層的處于拉伸狀態(tài)中的諸如鋁等的金屬膜片構(gòu)成。在大體上臨近膜片92處設(shè)置有一個(gè)電極和/或壓電致動元件94。電極94可以是在相對于膜片92表面的二維空間內(nèi)延伸的扁平形或近似的平面形。膜片92通過一個(gè)例如橢圓形安裝環(huán)或圓形環(huán)的安裝結(jié)構(gòu)96被安裝在大體上臨近電極94處。
電極94能夠被設(shè)置于源自于一個(gè)電源98、例如約1000伏特的高電壓之下。電壓可以在一個(gè)預(yù)定的范圍內(nèi)變化以吸引和/或排斥膜片92?？梢酝ㄟ^將膜片92連接到地100而使之具有地電位，這樣由于靜電吸引就會使模片變形成例如拋物線等曲線形狀。當(dāng)發(fā)生上述變形時(shí)，膜片92就會起到如聚焦光學(xué)元件的作用，且其焦距和投影距離會隨著電極電壓的改變而迅速變化。例如，膜片92彎曲表面的焦距可以等于膜片92曲率半徑的一半，所述的曲率半徑由下述因素決定膜片92的張度、膜片92材料的機(jī)械特性、92與電極94間的距離、以及電極94上的電壓值。
在一個(gè)實(shí)施例中，膜片92總是彎向電極94。另外，在92離開電極94的一側(cè)設(shè)置一個(gè)包含有透明傳導(dǎo)涂層的金屬帶，且使該金屬帶具有一固定的電壓值，這樣，膜片92會在兩個(gè)方向上發(fā)生變形，即膜片92可彎離或彎向電極，因而可使聚焦圖像的范圍擴(kuò)大。在下述例舉的一篇論文中描述了這種變化受控的多方向膜片92在1976年的斯派研討會學(xué)報(bào)的75卷的97-102頁(SPIE CONFERENCEPROCEEDINGS,VOL.75,pp.97-102(1976))上的由馬丁·葉林(MartinYellin)撰寫的論文。
MLM90的形變光學(xué)效果可以被投影光學(xué)元件22放大，使來自目標(biāo)板的被投影的圖像可以以高再聚焦速率聚焦在與圖像投影儀20距離不同的地方。另外，MLM90還能在它的全部聚焦范圍內(nèi)保持近似恒定的放大倍數(shù)。
參見圖9,MLM90可以與一自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)102結(jié)合成一體，例如可以使MLM90臨近于四分之一波片104和分光器106從而將圖像聚焦到投影光學(xué)元件22處。來自目標(biāo)或目標(biāo)板112的圖像110經(jīng)過偏振器108被分光器106水平起偏，再經(jīng)過四分之一波片104后環(huán)形偏振光入射在用于反射和聚焦的膜片92上。經(jīng)反射后聚焦圖像114返回經(jīng)過四分之一波片104，且光114與入射光110間的偏振角為900。分光器106接著使光114反射到投影光學(xué)元件22上以形成目標(biāo)圖像。由于與MLM90一起還采用了四分之一波片104和偏振器108，就使得自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以折疊成一個(gè)相對緊湊的構(gòu)型，這樣就避免了將MLM90進(jìn)行離軸安裝和/或安裝在與投影透鏡22有一定距離的地方。
圖像可以聚焦在一個(gè)距離投影元件22標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)FN處的標(biāo)準(zhǔn)投影板116，并且圖象還可在距最小投影板118的最小距離FMIN至距投影元件22最大投影板120的最大距離FMAX范圍之間高速率地再聚焦，同時(shí)圖象的高分辨率仍得到保持。
如圖10所示，包含帶有MLM90、四分之一波片104、和偏振器108的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的圖像投影儀20可以有選擇地快速地將3D圖像的個(gè)體2D片段投影到個(gè)體光學(xué)元件36-42上去，以便于使2D片段聚焦到至少一個(gè)光學(xué)元件上，這種高準(zhǔn)確性的聚焦就使得2D片段不會入射在MOE裝置32中的光學(xué)元件36-42間的間隔件122上。
參見圖9-10，在另一個(gè)實(shí)施例中，圖像投影儀20可以包含一具有多個(gè)像素126的SLM124，用于調(diào)制來自目標(biāo)板112的光110?？梢允褂门まD(zhuǎn)向列形(TN)SLMs，其中通過在SLM124的前后基板上制造方位角相差900的兩結(jié)合層而形成一個(gè)可切換的半波片。TN SLM的液晶與各表面上的結(jié)合層成列排列，然后光滑地進(jìn)入兩基板之間以形成二分之一螺旋線結(jié)構(gòu)。如果所選擇的螺旋線結(jié)構(gòu)的螺距接近光的波長，則螺旋線結(jié)構(gòu)就可起到了半波片的作用而使入射光旋轉(zhuǎn)900。對TN SLM施加一足夠強(qiáng)度的電場可使處于兩基板之間的液晶材料的松散粒子重新定位成垂直于基板的點(diǎn)，從而解開螺旋結(jié)構(gòu)而損壞掉半波片，這樣就可消除入射光的偏振旋轉(zhuǎn)。TN液晶材料中缺乏固有偏振使得TN SLM對所施加的電壓的方向不敏感，電壓的正負(fù)都對波片有同樣的衰減作用，因此TN SLM相當(dāng)于一個(gè)具有延遲作用的波片，且是所施加電壓的數(shù)值的函數(shù)。
另外，如圖11所示，SLM124可以是由多個(gè)像素126組成的基于鐵電液晶(FLC)的裝置，各個(gè)像素126包含位于例如硅基板130等半導(dǎo)體基板上的FLC材料128，在基板和FLC材料之間設(shè)置有一個(gè)電極132。所述電極可以由鋁組成。在FLC材料128之上置有一透明導(dǎo)體134，且該導(dǎo)體與一例如工作電壓為2.5V的電壓源相連。一個(gè)例如用玻璃組成的滑動蓋板136放置在透明導(dǎo)體134之上。
由這樣的像素126組成的FLC SLMs的工作方式與扭絞向列相(TN)SLMs的工作方式相似，其中例如在電極128和導(dǎo)體134間所施加的電場使得入射光可發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度與所施加的電壓成比例，在00-900之間變化。如與一例如偏振器108等外部偏振器結(jié)合使用，SLM124的偏振旋轉(zhuǎn)就會對入射光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。
與TN SLM不同，F(xiàn)LC SLM具有固有偏振，這使得FLC SLM具有理想厚度以形成一不依賴于所施加的電壓就可產(chǎn)生延遲的波片。這樣FLC SLM就相當(dāng)于一個(gè)具有辨向能力的波片，且隨所施加電壓的數(shù)值和方向變化。
對于圖11中所示的FLC SLM124中的像素126,FLC SLM124半波片不施加電壓時(shí)通常具有一個(gè)大約與一水平參考軸成22.50的方位角，使入射光偏振旋轉(zhuǎn)450。當(dāng)施加電壓時(shí)，透明導(dǎo)體134的偏置為2.5V，這相當(dāng)于像素126的電極132上的電壓范圍的一半。
參見圖12-14，分別顯示的是在0V、2.5V、5V時(shí)，由FLC SLM124中的像素126所形成的半波片的分別具有00、450、900偏振時(shí)的基軸取向。
TN SLMs和FLC SLMs都需要有均衡的直流(DC)才能維持正常的工作。如果對像素126施加連續(xù)的DC電場，就會由于雜質(zhì)離子輻射而損壞基板上的結(jié)合層，進(jìn)而也就損壞了像素126。為了防止發(fā)生這種破壞，該電場被定期性地和/或不規(guī)則地予以變向，其為TN SLMs采用頻率為約100Hz級，而對FLC SLMs采用頻率為約1Hz級。TN SLM對電場方向的敏感性的不足使得通過它的圖像在電場反向時(shí)能夠保持恒定不變。但是FLC SLM通常對電場方向是敏感的，這就會導(dǎo)致發(fā)生灰度倒置，即在SLM處于DC均衡狀態(tài)下的圖像的黑區(qū)變白而白區(qū)變黑。
為了防止在SLM124的DC均衡期間發(fā)生灰度倒置，對入射光的偏振進(jìn)行偏置以使由于施加到像素126上的電場而產(chǎn)生的正負(fù)圖像具有相同的樣子。SLM124和/或單個(gè)的像素126之上設(shè)置有一靜態(tài)的半波片138用以在SLM124之前接收入射光110。將波片138設(shè)置成可以使入射光偏振旋轉(zhuǎn)22.50，從而使所得到的灰度在給電極132施加以0V或5V時(shí)有最大的亮度而在給電極132施加以2.5V時(shí)有最小的亮度。在另外的實(shí)施例中，為了防止由于采用了波片138會使最大亮度降低，可以采用具有450的靜態(tài)取向的FLC材料128，這樣就可使經(jīng)偏振偏置的FLCSLM124的最大亮度和不含有波片138的未經(jīng)偏置的SLM的最大亮度相符。
如上所述，在關(guān)于圖像投影儀20的另外實(shí)施例中，在目標(biāo)板112處可使用諸如有色和/或固態(tài)生色激光等激光器。這種激光例如可以是在例如CDROMs和激光視頻系統(tǒng)等其他信息存儲和恢復(fù)技術(shù)中可獲得的結(jié)合藍(lán)綠固態(tài)激光。
在圖像投影儀20的另一個(gè)實(shí)施例中，自適應(yīng)光學(xué)元件可用在頭上顯示中以產(chǎn)生在深度向不固定而是可以移向或移離觀察者12的3D圖像。如果不使用MOE裝置32，則2D圖像片段24-30被直接投影進(jìn)觀察者12的眼睛中而出現(xiàn)在正確的深度位置處。通過快速顯示所述片段24-30，觀察者12就可感知到一個(gè)3D圖像。在這個(gè)MVD系統(tǒng)10的實(shí)施例中，可以將圖像投影儀20中的自適應(yīng)光學(xué)元件和其他元件做得非常緊湊而使之能結(jié)合到現(xiàn)有的用于頭盔顯示的頭上顯示器中或交通工具的駕駛室中或儀表盤系統(tǒng)中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，片段24-30可被產(chǎn)生和投影出來，以使圖像44-50中的一些圖像分別在一個(gè)以上的光學(xué)元件36-42上得以顯示，從而通過把MOE裝置32中一定深度范圍內(nèi)的各圖像而非相應(yīng)于單個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)單一深度的圖象顯示出來的方式對其深度作過度取樣。例如，如果MOE裝置32具有比圖像片段24-30數(shù)目更多的光學(xué)元件36-42平面，過取樣就更具優(yōu)勢，這樣圖像44-50的數(shù)目就大于圖像片段24-30的數(shù)目。例如，一個(gè)片段24可以作為圖象44-46分別在兩個(gè)光學(xué)元件36-38上顯示出來。這種過取樣可以使所產(chǎn)生的3D圖像34顯得更加連續(xù)，而無需增加光學(xué)元件36-42的個(gè)數(shù)或提高圖像投影儀20的幀頻。過取樣可以這樣來進(jìn)行例如，將多個(gè)光學(xué)元件切換成不透明狀態(tài)，并在各自的多投影周期內(nèi)將一個(gè)單個(gè)的投影片段接收到各自不透明狀態(tài)的多個(gè)光學(xué)元件上。
從多平面數(shù)據(jù)組中制成3D圖像為了制成將顯示為一組2D圖像44-50的2D圖像片段組24-30從而形成3D圖像34，需要將由MVD控制器18從圖形數(shù)據(jù)源16處接收的3D圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成多平面數(shù)據(jù)組。各個(gè)片段24-30在MOE裝置32的合適深度處顯示出來；也就是片段24-30被有選擇地投影到光學(xué)元件36-42中的一個(gè)具體元件上。如果將3D圖像34的片段24-30制作得足夠近，則圖像34看起來就是一個(gè)連續(xù)的3D圖像。這里所述的多平面去混疊技術(shù)可以用以增強(qiáng)3D圖像34的連續(xù)性。
計(jì)算多平面數(shù)據(jù)組(MPD)的方法由MVD系統(tǒng)10來執(zhí)行。具體地說，MVD控制器18執(zhí)行這樣一種方法以將來自顏色緩沖器和圖形數(shù)據(jù)源16的幀緩沖器的深度(或Z)緩沖器的信息相結(jié)合起來，這可以是一個(gè)圖形計(jì)算機(jī)。所述的方法也包含固定深度運(yùn)算和去混疊。
參見圖15，在步驟140中該方法響應(yīng)于操作MVD系統(tǒng)10的使用者12的交互行為，例如可通過一GUI或可選擇的用戶反饋裝置58來選擇和/或操縱要顯示的圖像。根據(jù)這種操作和/或交互行為，MVD系統(tǒng)10執(zhí)行步驟142以根據(jù)存儲在幀緩沖器中的圖像數(shù)據(jù)而生成圖像，其中所述的幀緩沖器可以是MVD控制器18中的一個(gè)存儲器。幀緩沖器可以包含例如顏色和深度緩沖器等子緩沖器。在一般的生成過程中，圖形計(jì)算機(jī)計(jì)算深度緩沖器中的在相同(X,Y)位置處的各個(gè)像素的顏色和深度。如果一個(gè)新像素的深度小于以前計(jì)算出的像素的深度，那么新像素就更接近于觀察者，因此新像素的顏色和深度就分別替代了顏色和深度緩沖器中的舊像素的顏色和深度。一旦一幅畫面中的所有物體都生成了圖像數(shù)據(jù)集，該方法就會反復(fù)執(zhí)行步驟144-152。另外，在幀緩沖器的所生成的圖像可以在一個(gè)2D計(jì)算機(jī)屏幕上以3D圖像的方式顯示給觀察者12以作為生成的立體3D圖像34的前序，這樣就允許觀察者12來選擇以哪個(gè)圖像來生成為3D圖像34。
在執(zhí)行用于MPD計(jì)算的方法中，在步驟144中是從顏色緩沖器中讀取數(shù)據(jù)，在步驟146中是從深度緩沖器中讀取數(shù)據(jù)。例如，幀緩沖器中在X向和Y向的像素的個(gè)數(shù)與所需圖像片段24-30大小相同，這由光學(xué)元件36-42的像素維數(shù)決定。如果幀緩沖器中每維上的像素個(gè)數(shù)和圖像片段24-30中的每維上的像素個(gè)數(shù)不相等，則在步驟148中對顏色和深度緩沖器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定以使之與具有對圖像片段24-30所期望的像素維數(shù)的MVD系統(tǒng)10具有相同的分辨率。MVD控制器18在用于存儲由顏色和深度緩沖器中的已經(jīng)過上述標(biāo)定的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的最終MPD的存儲器中包含有一個(gè)輸出緩沖器。
輸出緩沖器中存儲著一組對應(yīng)于2D圖像的數(shù)據(jù)，所述的2D圖像具有與由片段24-30所投影的圖像44-50相同的分辯率和顏色深度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，圖像44-50的個(gè)數(shù)等于由MOE裝置32中的光學(xué)元件36-42所形成的平面的個(gè)數(shù)。在MPD計(jì)算完成、2D圖像的像素在步驟150中被存儲在輸出緩沖器中之后，輸出緩沖器轉(zhuǎn)變成保持在圖像投影儀20中的一個(gè)存儲器中的MVD圖像緩沖器，經(jīng)圖像投影儀20,2D圖像被轉(zhuǎn)換成了圖像片段24-30，用以形成上述的可由觀察者12看到的3D圖像34。該方法例如在3D圖像34產(chǎn)生的同時(shí)重新返回到步驟140以處理新的輸入并由此更新或改變3D圖像34例如以產(chǎn)生動畫3D圖像。
MVD系統(tǒng)10可以以兩種模式運(yùn)行可變的深度模式和固定的深度模式。在可變的深度模式中，在完成包括有步驟146的MPD計(jì)算之前要對深度緩沖器進(jìn)行檢測，以便確定一個(gè)最大的深度值Zmax和最小的深度值Zmin，它們與在MVD系統(tǒng)10制成3D立體圖像之前出現(xiàn)在一個(gè)獨(dú)立的2D屏幕上的3D圖像的極限深度值相對應(yīng)。在固定深度模式中，觀察者12以交互行為或者是在程序啟動過程中分別指定由MVD系統(tǒng)10所生成的3D圖像的前后邊界來對Zmax和Zmin進(jìn)行賦值?？勺兩疃饶Ｊ娇梢允顾性?D屏幕上可見的物體都顯示在MOE裝置32中，而不管深度范圍也不管由于對包含某物體的畫面進(jìn)行交互操作而造成的圖像深度的改變。
在固定深度模式中，由于某些物體可能處在MOE裝置32的虛擬深度范圍之外，所以在2D屏幕上可見的物體可能在MOE裝置32中就是不可見的。在固定深度模式的另外的實(shí)施例中，相對于觀察者12來說，被確定安置在越過MOE裝置32“背部”或最后的光學(xué)元件位置的圖像像素就可能被取而代之地顯示在最后的光學(xué)元件上。例如，從圖1中所示的觀察者12的角度來看，光學(xué)元件36就是在其上投影有遠(yuǎn)處圖像的最后的光學(xué)元件。在這種模式中，盡管整個(gè)物體景象保持可見，但只有在MOE裝置32產(chǎn)生的立體3D圖像中其深度處在Zmax和Zmin之間的物體才是可見的。
在這里所述的MPD方法中，在深度緩沖器中的深度值可以利用Zmax和Zmin值在步驟148中來進(jìn)行補(bǔ)償和標(biāo)定，以便于使具有Zmin深度的像素的標(biāo)定深度為0，具有Zmax深度的像素的標(biāo)定深度等于MOE裝置32中的光學(xué)元件36-42平面的個(gè)數(shù)。在步驟150中，通過檢測標(biāo)定深度值di的整數(shù)部分[di]和通過顏色緩沖器對在相同(x,y)坐標(biāo)處的適當(dāng)?shù)腗PD片段24-30賦以顏色值的方式而將具有標(biāo)定深度的像素分類存儲在輸出緩沖器中。顏色值指示著相關(guān)像素或三維象素的亮度。
采用已公開的MPD方法，由MVD系統(tǒng)10所產(chǎn)生的立體3D圖像34可能是不完整的，也就是說，如果某些物體或部分從觀察2D計(jì)算機(jī)屏幕上的相應(yīng)的3D圖像的觀察者的觀察角度來看是不可見的話，這些物體或部分就會被完全消除。在由MVD系統(tǒng)10所產(chǎn)生的立體顯示中提供了環(huán)視(look-around)圖像，以允許圖1中的觀察者12可以改變一個(gè)觀察角度以便于看到先前被隱藏著的物體，因此這種MVD系統(tǒng)10比現(xiàn)有的3D圖像的2D顯示更具有優(yōu)勢。
在另外的實(shí)施例中，本MPD方法還可以通過利用標(biāo)定深度值的小數(shù)部分即di-[di]來將像素的顏色值的這一小數(shù)部分賦值給片段組24-30中的兩個(gè)鄰近的MVD圖像片段來實(shí)現(xiàn)這里所述的去混疊。例如，如果一個(gè)標(biāo)定深度值是5.5且各個(gè)片段對應(yīng)于一個(gè)固定的深度值，那么就將像素的一半亮度賦值給片段5和片段6。如果標(biāo)定深度是5.25，那么將就75％的顏色值賦值給片段5，這是由于片段5“更接近”于標(biāo)定深度，而將25％的顏色值賦值給片段6。
不同程度的去混疊適合于不同的顯形任務(wù)。去混疊程度可以從一個(gè)極端，即忽略小數(shù)深度值而進(jìn)行顏色賦值，變化至另一個(gè)利用所有小數(shù)深度值進(jìn)行賦值的另一個(gè)極端，或者去混疊程度可以變化至這些極端之間的任何值?？梢酝ㄟ^用一個(gè)去混疊參數(shù)乘以標(biāo)定深度的小數(shù)部分然后再用去混疊參數(shù)的一半抵消結(jié)果值的方法來實(shí)現(xiàn)這種可變的去混疊。最終的顏色值可以由固定的經(jīng)反向抵消的在一例如0-1之間的預(yù)定范圍之內(nèi)的值來確定。去混疊參數(shù)1對應(yīng)于完全的去混疊，無窮大的去混疊參數(shù)對應(yīng)于不進(jìn)行去混疊。也可以實(shí)施去混疊參數(shù)小于1的情況。
在標(biāo)定深度緩沖器值時(shí)，可以利用開放式圖形庫(Open GraphicsLibrary)(OpenGL)中的用于支持形成和成像操作的圖形硬件的多平臺軟件界面具體包含的透視法投影。這種透視投影會造成深度緩沖器中的非線性值。在3D圖像34的虛擬深度和可視深度之間存在準(zhǔn)確關(guān)系時(shí)，MVD控制器18會在生成標(biāo)定深度的步驟148中考慮到這種非線性。另外也可在步驟148中利用正射投影來標(biāo)定深度緩沖器值。
在現(xiàn)有的2D監(jiān)視器中，在3D數(shù)據(jù)的顯形之中可以計(jì)算產(chǎn)生透視性以創(chuàng)造一種深度感，以便于在觀察者的角度看來物體顯得更小、而平行線呈現(xiàn)為交匯在一起。在公開的MVD系統(tǒng)10中，具有計(jì)算透視性的3D圖像34得以產(chǎn)生，以創(chuàng)造一種前述的深度感，因此3D圖像34的深度被加強(qiáng)了。
在另一個(gè)實(shí)施例中，片段24-30可被產(chǎn)生和投影出來，以使圖像44-50中的一些圖像分別在一個(gè)以上的光學(xué)元件36-42上得以顯示，從而通過把MOE裝置32中一定深度范圍內(nèi)的各圖像而非相應(yīng)于單個(gè)光學(xué)元件的一個(gè)單一深度的圖象顯示出來的方式對其深度作過度取樣。例如，如果MOE裝置32具有比圖像片段24-30數(shù)目更多的光學(xué)元件36-42平面，過取樣就更具優(yōu)勢，這樣圖像44-50的數(shù)目就大于圖像片段24-30的數(shù)目。例如，一個(gè)片段24可以作為圖象44-46在兩個(gè)光學(xué)元件36-38上分別顯示出來。這種過取樣可以使所產(chǎn)生的3D圖像34顯得更加連續(xù)，而無需增加光學(xué)元件36-42的個(gè)數(shù)或提高圖像投影儀20的幀頻。過取樣可以這樣來進(jìn)行例如，將多個(gè)光學(xué)元件切換成不透明狀態(tài)，并在各自的多投影周期內(nèi)將一個(gè)單個(gè)的投影片段接收至各自不透明狀態(tài)的多個(gè)光學(xué)元件上。
MVD系統(tǒng)的其他實(shí)施例在一個(gè)實(shí)施例中，MOE裝置32包含有10個(gè)液晶板36-42，且裝置的尺寸為長5.5英寸(14cm)×寬5.25英寸(13.3cm)×深2英寸(4.8cm)。圖像投影儀20包含一個(gè)聲光激光束掃描儀，它利用一對離子激光器來產(chǎn)生紅、綠和藍(lán)光，經(jīng)調(diào)制后再進(jìn)行高頻聲波掃描。激光掃描儀能夠以200×200個(gè)點(diǎn)的分辨率每秒向量掃描166000個(gè)點(diǎn)。當(dāng)與10個(gè)平面MOE裝置32相結(jié)合以40Hz運(yùn)作時(shí)，MVD系統(tǒng)10就可產(chǎn)生總共包含400,000個(gè)三維象素的3D圖像，即3D圖形元素。如圖像更新率為1Hz，就可獲得24比特RGB分辨率的顏色深度。如使用實(shí)像投影儀54，就可獲得1000×450的視野。
在另一個(gè)實(shí)施例中，MOE裝置32包含有12個(gè)液晶板36-42，且裝置的尺寸為長6英寸(15.2cm)×寬6英寸(15.2cm)×深3英寸(7.7cm)。圖像投影儀20包含一對德克薩斯儀器公司(TEXAS INSTRUMENTS)制造的DLP視頻投影儀，該儀器被設(shè)計(jì)為在以場順序顏色模式下工作，在180Hz的幀頻上產(chǎn)生灰度圖像。通過交錯(cuò)利用兩個(gè)投影儀，一個(gè)幀頻為360Hz的、實(shí)際上單一的投影儀就形成了，它用于以30Hz的頻率來產(chǎn)生12平面立體圖像。其可獲得的橫向分辨率為640×480點(diǎn)。當(dāng)與12平面MOE裝置32相結(jié)合以30Hz運(yùn)作時(shí)，MVD系統(tǒng)10就可產(chǎn)生總共包含3,686,400個(gè)三維象素的灰色3D圖像。如圖像更新率為10Hz，就可獲得8比特灰度分辨率的顏色深度。如使用實(shí)像投影儀54，就可獲得1000×450的視野。
在另一個(gè)實(shí)施例中，MOE裝置32包含有50個(gè)液晶板36-42，且裝置的尺寸為長15英寸(38.1cm)×寬13英寸(33.0cm)×深10英寸(25.4cm)。圖像投影儀20包含一個(gè)可由博爾達(dá)非線性系統(tǒng)公司(BOULDER,NONLINEAR SYSTEMS)提供的高速模擬鐵電LCD，其速度極高，幀頻約為10kHz。其可獲得的橫向分辨率為512×512點(diǎn)。當(dāng)與50平面MOE裝置32相結(jié)合以40Hz運(yùn)作時(shí)，MVD系統(tǒng)10就可產(chǎn)生總共包含13,107,200個(gè)三維象素的3D圖像。如圖像更新率為10Hz，就可獲得24比特RGB分辨率的顏色深度。如使用實(shí)像投影儀54，就可獲得1000×450的視野。具有了這樣的分辨率和40Hz非連接的空間頻率，MVD系統(tǒng)10就具有了相當(dāng)于對角線尺寸為20英寸(50.8cm)的常規(guī)顯示器的顯示能力。
在另一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)元件36-42可能具有1280×1024的橫向分辯率和256平面的深度分辨率。該系統(tǒng)可能以深度交錯(cuò)的模式工作，以這種模式就可以75Hz的頻率對間隔平面進(jìn)行寫操作，而全部空間的更新頻率為37.5Hz。這種交錯(cuò)模式使得在不必要提高圖像投影儀20幀頻的條件下就可提供更高的可感知的空間頻率。
在另一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例中，MOE裝置32包含500個(gè)平面，這就具有了極大的深度分辨率和2048×2048個(gè)像素的橫向分辨率，從而使三維象素的總數(shù)超過了20億。具有這種結(jié)構(gòu)的MOE裝置32的尺寸為長33英寸(84cm)×寬25英寸(64cm)×深5英寸(64cm)，這相當(dāng)于一個(gè)對角尺寸為41英寸(104cm)的常規(guī)顯示器。在這一實(shí)施例中的圖像投影儀20包含硅光機(jī)器有限公司的(SILICON LIGHT MACHINES)光線光柵閥值(Grating Light Valve)技術(shù)，以提供20kHz的幀頻。
虛擬的交互應(yīng)用將用戶反饋裝置58結(jié)合為力反饋接口的MVD系統(tǒng)10的另一實(shí)施例可以使觀察者12看到并能對在3D圖像34、56出現(xiàn)位置處的3D圖像34、56進(jìn)行觸摸和感知。MVD系統(tǒng)10可產(chǎn)生高分辨率的3D圖像34、56，因而在MVD系統(tǒng)10中可形成虛擬的交互行為，其中該系統(tǒng)10采用適當(dāng)?shù)牧Ψ答佈b置以產(chǎn)生高分辨率表面結(jié)構(gòu)和非常硬的表面，即在觀察者12看到部分表面的虛擬的現(xiàn)實(shí)運(yùn)動時(shí)，呈現(xiàn)阻力和/或具有低柔順性的表面。
相應(yīng)地，用戶反饋裝置58包含高分辨率的位置編碼器和一高頻反饋環(huán)，用以將觀察者12手的動作與對3D圖像34、56的修正以及作用在觀察者12上的力反饋感覺相匹配。用戶反饋裝置58最好包含重量輕、緊湊的虛擬現(xiàn)實(shí)元件，例如可引發(fā)力反饋的手套，這樣就可將質(zhì)量、體積、相關(guān)元件的重量和慣性對觀察者12所進(jìn)行的動作的阻礙作用減小到最低程度。
用戶反饋裝置如采用重量輕的碳復(fù)合材料就可大大地降低觀察者12使用的任何可穿戴的元件的重量。而且，可以用非常緊湊和具有高分辨率的光纖或電容位置編碼器代替本領(lǐng)域中公知的龐大的光位置編碼器來確定例如觀察者12手和頭的方位位置。
可穿戴在觀察者12身上的元件包括用以控制用戶反饋裝置58的包埋式處理器系統(tǒng)，以此來緩減MVD控制器18和/或接口界面14的總處理量。通過采用其唯一任務(wù)就是驅(qū)動接口14的包埋式處理器，整個(gè)MVD系統(tǒng)10的反饋率就可大于100kHz。當(dāng)與極高分辯率的編碼器結(jié)合使用時(shí)，MVD系統(tǒng)就包含有極高保真度的力反饋接口界面。
在能夠顯示立體3D圖像34、56的MVD系統(tǒng)10上使用這種虛擬的交互技術(shù)，就可施用一3D GUI以使觀察者12接觸到并直接操縱3D數(shù)據(jù)?？刹捎美鐢?shù)據(jù)手套、視頻體形識別裝置、和可從位于麻薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院梅迪亞實(shí)驗(yàn)室的(MIT MEDIA LAB,Cambridge,Massachusetts)魚感應(yīng)器(FISH SENSOR)等已知的界面裝置來使使用者可在例如3D圖形和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)中直接操縱3D數(shù)據(jù)。
為了操作3D圖像和數(shù)據(jù)，MVD系統(tǒng)10還可結(jié)合一種例如可從位于麻薩諸塞州洛維爾市的空間技術(shù)有限公司獲得的(Spacetec Inc ofLowell,Massachusetts)的太空球(SPACE BALL)的3D鼠標(biāo)裝置，以及一種用來使一3D游標(biāo)以與觀察者12在真實(shí)空間中移動手相同的方式在圖像34的顯示空間中的任何位置移動的3D指示裝置。另外，通過用戶反饋裝置58,MVD系統(tǒng)10可以將觀察者12的手的動作演譯成3D游標(biāo)的移動。
在一個(gè)實(shí)施例中，用戶反饋裝置58可以包含用來感知觀察者12的手的位置和方向的元件。例如，觀察者12可以握著或戴著一個(gè)例如可從博理黑姆斯有限公司(POLYHEMUS,INC.)獲得的磁傳感器等位置傳感器和/或例如結(jié)合在虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套中的位置傳感器等其他類型的傳感器。另外，通過計(jì)算機(jī)圖像處理或?qū)缬陕槭±砉W(xué)院梅迪亞實(shí)驗(yàn)室(MIT MEDIA LAB)開發(fā)的射頻傳感器的使用，就可以在3D圖像34的顯示空間范圍內(nèi)感知到手的位置。為了避免肌肉疲勞，用戶反饋裝置58可以在一個(gè)與所顯示的3D圖像34實(shí)際分離開的一個(gè)很小的感知空間內(nèi)來感知觀察者12手或手指的活動，其方式類似于用于控制個(gè)人計(jì)算機(jī)的2D屏幕上的2D光標(biāo)位置的在一桌面表面上進(jìn)行的對常規(guī)2D鼠標(biāo)操作的2D活動方式。
MVD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)采用MVD系統(tǒng)10，所產(chǎn)生的3D圖像34、56給觀察者12提供了自然的觀察狀態(tài)，也就是說，3D圖像34、56實(shí)質(zhì)上具有與觀察真實(shí)物體有關(guān)聯(lián)的全部深度信號，這樣就可降低眼睛的緊張程度而允許進(jìn)行長時(shí)間觀察也不會感到疲勞。
MVD系統(tǒng)10可以提供高分辨率/三維象素?cái)?shù)，其中MOE裝置32提供的三維象素?cái)?shù)例如大于3,000,000，這比本領(lǐng)域中已知的許多立體顯示至少大一個(gè)數(shù)量級。另外，優(yōu)先使用直線幾何學(xué)來顯示3D圖像34，例如具有適于將圖像片段24-30顯示成2D圖像44-50的矩形橫截面的MOE裝置32,MVD系統(tǒng)10采用了與許多公知的圖形計(jì)算機(jī)和圖形應(yīng)用程序的內(nèi)部坐標(biāo)系相匹配的坐標(biāo)系，這有利于在不需要另外的轉(zhuǎn)換軟件的前提下最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)特性和顯示更新率。另外，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，MOE32的圖像三維象素具有相同和穩(wěn)定的形狀、尺寸、和方位，這樣就可消除3D圖像34中的圖像畸變。
與本領(lǐng)域中公知的投影自動立體熒光顯示器不同，MVD系統(tǒng)10可以為水平和垂直視差提供廣闊的視野范圍，以允許可以在多個(gè)方向而不是僅在一個(gè)方向“環(huán)視”到3D圖像。另外，與投影自動立體熒光顯示器不同，MVD系統(tǒng)10所提供的視野在所有方向都是連續(xù)的，也就是說當(dāng)觀察者12相對于MOE裝置32移動時(shí)在3D圖像34中不會出現(xiàn)紊亂的跳躍。
而且由于MOE裝置32中的光學(xué)元件36-42的靜態(tài)構(gòu)造，沒有什么移動部件會在MOE裝置32失去平衡時(shí)引起圖像變形、顯示顫動、和甚至是MOE裝置32的災(zāi)難性的機(jī)械故障。
MVD系統(tǒng)10還可以避免發(fā)生遮擋情況，也就是，前景中的物體擋住了背景中物體發(fā)出的光。為了提高圖像構(gòu)造和顯示的速率，以通過挑選一特定視點(diǎn)而不繪出從這一視點(diǎn)無法觀察到的表面的方式可制成一種被稱為計(jì)算遮擋的有限形式的遮擋。但是，當(dāng)觀察者12試圖對前景物體環(huán)視時(shí)，也無法看到那些沒有被繪出的背景物體部分了。在一個(gè)實(shí)施例中，MVD系統(tǒng)10將一些顯示圖像的散射光學(xué)元素散布于處在散射狀態(tài)中的光學(xué)元素并以吸收背景光而產(chǎn)生遮擋的方式對遮擋的不足進(jìn)行補(bǔ)償。客主聚合物彌散液晶可以用于光學(xué)元件36-42之中，其中，一種染劑混合于液晶分子中以使其材料顏色可以隨著所施加的電壓發(fā)生改變。
由于MVD系統(tǒng)10的周圍照明使得MVD系統(tǒng)10也幾乎沒有對比度衰減，由于所采用的實(shí)像投影儀54要求外罩延伸到MOE裝置32處，這反過來就減少了到達(dá)MOE裝置32的周圍光的數(shù)量，因此防止了對比度衰減。
另外，也可通過與周圍照明成比例地增加來自圖像投影儀20處的照明、以及通過在MOE裝置32周圍安裝一吸收塑料外殼以使圖像亮度降低到可見水平來減弱對比度衰減。
周圍光必須兩次通過吸收外殼才能到達(dá)觀察者12，一次是在傳輸過程中另一次是在MOE裝置32的光學(xué)元件36-42散射之后。相反，來自圖像投影儀20以形成圖像44-50的光只在傳輸?shù)接^察者12的過程中經(jīng)過吸收外殼，因此照明的損失有所降低，其僅是周圍光所遭到的損失的平方根函數(shù)。
另一個(gè)實(shí)施例中，采用了一個(gè)具有可以使紅、綠和藍(lán)光通過的三個(gè)窄的通頻帶而對通頻帶之外的光具有高吸收性的外殼來減弱周圍光的作用，這一方法對減弱周圍光的作用非常有效。如果圖像投影儀20中采用激光源可以獲得更好的性能，這是由于來自激光源的窄帶光在經(jīng)MOE裝置32散射后仍能沒有減弱地通過，而來自周圍照明的大部分寬帶光就會被吸收掉了。
MOE裝置中的去混疊在另一個(gè)實(shí)施例中，參見圖16及以下的描述，在圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像投影儀20及隨后而到MOE裝置32的光學(xué)元件160-168之前，MVD控制器18或圖形數(shù)據(jù)源16可以對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D去混疊處理以平滑在光學(xué)元件160-168上所顯示的3D圖像34。采用3D去混疊處理后，系統(tǒng)10就可以避免例如在沿Z方向的平行平面162-164之間成像出鋸齒狀線或出現(xiàn)深度上的不完整區(qū)域，這是由于具有平行于x-y平面、且垂直于z軸的光學(xué)元件160-168的MOE裝置32的內(nèi)在固有的三維象素構(gòu)造而引起的顯示象素化。
由于對應(yīng)于圖像片段的數(shù)據(jù)已被產(chǎn)生出來，圖像元素170可能出現(xiàn)在平面過渡的邊緣附近，也就是出現(xiàn)在兩個(gè)例如光學(xué)元件162-164的光學(xué)元件之間。僅是為了說明的目的，圖16-18中所示的光學(xué)元件160-168和三維象素170都被放大了以能更加清晰地描述和說明所公開的去混疊系統(tǒng)和方法，因此實(shí)際上光學(xué)元件160-168之間可以具有相對小的間隔。
為了避免某一具體的圖像元素170以及在至少由三維象素和/或圖像元素170組成的3D圖像中出現(xiàn)突然的過渡，可以生成兩個(gè)這里所述的來自投影儀20而投影在光學(xué)元件162-164上的片段，以便于分別出現(xiàn)在光學(xué)元件162-164上的各個(gè)圖像172-174包含有圖像元素170或其一部分或由此而得的衍生形式，因此圖像元素170就由光學(xué)元件162-164所形成的兩個(gè)平面間共享，以此來弱化過渡而使得圖1中所示的3D圖像34顯得更加連續(xù)。分別在接連的兩個(gè)光學(xué)元件162-164上的圖像元素172-174的亮度按照圖像元素172-174在圖像數(shù)據(jù)中的位置而不同。
參見圖16，光學(xué)元件160-168的數(shù)字N可以是平面LCD的表面，因此可以表示為P1,P2,P3…PN，橫跨距離D表示MOE裝置32的寬度。相應(yīng)地，各個(gè)光學(xué)元件160-168設(shè)置在沿z軸與一共同參考點(diǎn)距離D1,D2,D3…DN處的位置上，以使得DN-D1=D。例如，共同的參考點(diǎn)是沿z軸最靠近投影儀20的光學(xué)元件160，則D1=0、DN=D。另外，也可以從投影儀20的透鏡22處開始測量光學(xué)元件160-168的距離，則從由透鏡22到光學(xué)元件160-168的絕對距離D1,D2,D3…DN中減去一個(gè)從光學(xué)元件160到透鏡22的抵消距離DOFFSET就可得到從光學(xué)元件160起始的相對距離。對應(yīng)地，D1=DOFFSET。光學(xué)元件160-168之間的間隔可以是一個(gè)統(tǒng)一的距離S，也可以具有不同的間隔距離。
如這里所述的一樣，從參考點(diǎn)(或是以透鏡22為參考點(diǎn)或是以光學(xué)元件160為參考點(diǎn))起沿z軸測得各個(gè)三維象素170的深度值，這樣的深度值存儲在一深度緩沖器中，相關(guān)的顏色值存儲在一顏色緩沖器中。例如，深度值DV與三維像素170相關(guān)。
為了實(shí)施去混疊以平滑位于光學(xué)元件162-164之間的像素170的外形，深度值Dv與光學(xué)元件162-164之間的距離DA、DB分別得到確定，利用這樣的距離值來生成去混疊參數(shù)。然后再利用去混疊參數(shù)來分別生成光學(xué)元件162-164上的兩個(gè)三維象素172-174，與三維象素170相應(yīng)的顏色值也分別經(jīng)去混疊參數(shù)調(diào)整后為兩個(gè)三維象素172-174生成各自的顏色值。
圖17顯示的是未經(jīng)去混疊處理的三維象素。如圖17所示，在光學(xué)元件162上的三維象素176-178與在光學(xué)元件164上的三維象素180-184在由三維象素178-180所確定的邊界處形成了一陡然的過渡。如果光學(xué)元件162-164間的距離較大，則由所顯示的三維象素176-184相結(jié)合而形成的圖像34就會具有明顯的鋸齒狀的或斷裂的外形。例如，三維象素178-180可能具有處于光學(xué)元件162-180之間的深度值，例如三維像素178可能更靠近但并不在光學(xué)元件162上，三維像素180也可能更靠近但也不在光學(xué)元件164上。那么為了顯示像素178-180，這種中間深度值可能就被分別轉(zhuǎn)換成了光學(xué)元件162-164的固定的深度值D2、D3。而且圖17中所示的像素178-180的顏色值沒有變化，因此對于這種不同光學(xué)深度，像素178-180的顏色強(qiáng)度就會顯得相似。在另外的實(shí)施例中，也可能忽略掉處于過渡中的像素178-180，這是由于它們具有中間深度，但此時(shí)由像素176和182-184所組成的3D圖像34就可能顯現(xiàn)出孔洞或裂痕。
在采用如圖18所示的去混疊處理的情況下，兩過渡像素178-180可用來生成新的像素178A-178B和180A-180B，其中像素178A-180A顯示在光學(xué)元件162上，像素178B-180B顯示在光學(xué)元件164上。此外，如圖18所示，當(dāng)像素176和182-184的顏色值不改變時(shí)，通過實(shí)施去混疊處理，新像素的顏色值可能發(fā)生改變以使各個(gè)新像素178A-178B和180A-180B具有經(jīng)調(diào)整的顏色以柔化在x-y平面中不同深度的圖像過渡。相應(yīng)地，如圖19所示，在圖17中所示的像素176-184如曲線176所示在明顯的深度向具有一個(gè)突然的過渡時(shí)，圖18中所示的像素176、178A-178B、180A-180B和182-184即按照曲線188在明顯的深度上具有一個(gè)相對平滑的過渡。應(yīng)注意到僅是為了說明的目的，為了清晰地顯示曲線186-188在圖18中就沒有包含曲線186-188，因此應(yīng)理解為在圖18中像素176和182-184的視深度在有和沒有去混疊處理的情況下是相等的。
在圖19中，圖18中的像素178A-178B跨越光學(xué)元件162-164形成了一具有介于像素178A-178B深度之間的深度值178C的圖像，該深度值較靠近于圖17中所示像素178相應(yīng)的的原始深度但并不在光學(xué)元件162上。類似地，圖18中的像素180A-180B跨越光學(xué)元件162-164形成了一具有介于像素180A-180B深度之間的深度值180C的圖像，該深度值較靠近于圖18中所示像素180相應(yīng)的的原始深度但也并不在光學(xué)元件164上。
應(yīng)予明確，去混疊并不限于最靠近的兩個(gè)相鄰的光學(xué)元件，相反可利用像素178-180來生成分別出現(xiàn)在多個(gè)光學(xué)元件160-168上的多個(gè)相應(yīng)的像素，由此可以提供比圖19中所示的曲線188更平滑的深度過渡曲線。例如，去混疊而引起的深度過渡曲線188可以近似于一S形或正切函數(shù)。
參見圖16，為了對三維像素170進(jìn)行去混疊，至少需要生成一個(gè)是至少從一個(gè)光學(xué)元件中三維像素170的距離的函數(shù)的深度調(diào)整值λ。在一個(gè)實(shí)施例中，生成的調(diào)整值λ、μ是起始于各個(gè)光學(xué)元件162-164的距離DA,DB的標(biāo)定值的函數(shù)。調(diào)整值λ、μ然后被用來調(diào)整與像素170相關(guān)的顏色值CV以產(chǎn)生分別與新產(chǎn)生的像素172-174相關(guān)的新的顏色值CA、CB，同時(shí)像素172-174各自具有與三維像素170的x-y位置相同的、在光學(xué)元件162-164上的x-y位置。
一個(gè)三維像素的顏色值至少可以確定將予顯示的該三維像素的亮度。或者，該三維像素170與包含至少一個(gè)用以確定已經(jīng)顏色化的三維像素亮度的標(biāo)量的一組參數(shù)相關(guān)。相應(yīng)地，通過用一個(gè)調(diào)整值乘以顏色值，可以實(shí)現(xiàn)顏色值的改變。例如，對于一個(gè)CV=12亮度單位的顏色值和一個(gè)λ=.5的調(diào)整值而言，改變顏色值CA可確定為CVλ=(12亮度單位)×(.5)=(6亮度單位)。
在一個(gè)實(shí)施例中，距離DV被標(biāo)定為一個(gè)從1到N的深度值，其中N是光學(xué)元件160-168的個(gè)數(shù)，各個(gè)1到N的整數(shù)值對應(yīng)于一個(gè)具體的光學(xué)元件160-168，例如圖16中所示的指數(shù)P1,P2,P3…PN。調(diào)整值λ、μ由標(biāo)定深度值來確定。如果光學(xué)元件160-168沿著距離D具有統(tǒng)一的間隔距離S，則
S=D/N-1 (1)這樣，三維像素170的標(biāo)定距離為DSCALED=(DV-DOFFSET)/S+1 (2)其中DV是從透鏡22或其他參考點(diǎn)測得的絕對距離。例如，透鏡22是z軸的起點(diǎn)，光學(xué)元件160的距離便是D1=DOFFESET。
DSCALED是一個(gè)實(shí)數(shù)值以使1□DSCALED□N,DSCALED的處在0和1之間的小數(shù)部分指示了從光學(xué)元件162-164的相對距離。對于沿z軸并在其兩側(cè)界定三維像素170的光學(xué)元件162-164來說，其指數(shù)分別是[DSCALE]和(3)[DSCALE]+1(4)其中[X]表示一個(gè)數(shù)值或變量X的最低或整數(shù)函數(shù)；也就是一令最大整數(shù)小于X的函數(shù)。
DSCALED的小數(shù)部分是λ=DSCALED-[DSCALED] (5)這樣μ=1-λ (6)分別指示與三維像素172、174相關(guān)的亮度的顏色值CA、CB被賦值如下
CA=CV(1-λ) (7)CB=CVλ=CV(1-μ)(8)其中符號“=”表示對新值進(jìn)行賦值。
例如，對于一個(gè)具有從透鏡22起始的深度DV=9.2單位的三維像素170，抵消距離DOFFSET=3.0單位，MOE裝置32包含5個(gè)間隔相等的共長20單位的光學(xué)元件，則N=5、D=20，那么由等式(1)可得間隔距離S=5單位；由等式(2)可得DSCALED=2.24。這樣由等式(3)-(4)可知像素170位于指數(shù)分別為DSCALED=2和DSCALED=3的光學(xué)元件之間，因此如圖16中所示，相應(yīng)于像素170的要顯示的新的像素172-174將分別在具有標(biāo)號P2和P3的光學(xué)元件162-164上顯示。
在這個(gè)例子中，由等式(5)-(6)可得標(biāo)定深度的小數(shù)值為λ=.24，因此μ=.76。相應(yīng)地，(1-λ)=.76和(1-μ)=.24，再由等式(7)-(8)可得三維像素172的顏色值為CA=.76 CV=76％即為原始三維像素170的亮度的76％，三維像素174的顏色值為CB=.24 CV=24％即為原始三維像素170的亮度的76％。這樣，由于三維像素170離光學(xué)元件162比離光學(xué)元件164“更近”，相應(yīng)的新三維像素172-174具有一種配給亮度，因此較近的光學(xué)元件162顯示兩個(gè)三維像素172-174間的大部分顏色，而較遠(yuǎn)的光學(xué)元件164對3D立體圖像在三維像素170處的在兩光學(xué)元件162-164之間的過渡處的外現(xiàn)的作用小些但也并不是不起作用。
如果三維像素170的深度值就正好在光學(xué)元件160-168上，那么就不需要進(jìn)行去混疊了。相應(yīng)地，由等式(2)-(4)簡化成整數(shù)值，由等式(5)-(6)可得調(diào)整值λ、μ分別為0和1，或者分別為1和0，因此對顏色值就不需進(jìn)行調(diào)整了。為了避免不必要的計(jì)算，MVD控制器18可以檢測等式(2)的計(jì)算結(jié)果在一定的例如1％的容錯(cuò)范圍之內(nèi)是否為一整數(shù)，如果是整數(shù)，則三維像素170就被確定或認(rèn)為正好處在其中的一個(gè)光學(xué)元件160-168上。那么就會終止對正被處理的三維像素170進(jìn)行去混疊處理，而繼續(xù)對3D圖像34中的其他三維象素進(jìn)行處理。
在這個(gè)使用了等式(1)-(8)的實(shí)施例中，由于MOE裝置32中的統(tǒng)一的間隔和其他的特點(diǎn)是已知的，就不必要尋找最靠近的邊界光學(xué)元件了，因?yàn)楦鶕?jù)等式(3)-(4)由三維像素170的距離DV和MOE裝置的特點(diǎn)就確定出了哪些光學(xué)元件形成了三維像素170的邊界。
在另一個(gè)實(shí)施例中，對于具有統(tǒng)一間隔或變化和/或非統(tǒng)一間隔的MOE裝置32中的光學(xué)元件160-168來說，需要利用下述的等式(9)-(13)結(jié)合上述的等式(7)-(8)來實(shí)施去混疊。例如，對于具有可變間隔和/或來自投影儀20和透鏡22的MOE裝置可變補(bǔ)償?shù)腗OE裝置來說，可以在改變光學(xué)元件160-168的間隔和構(gòu)造的過程中飛擊式地實(shí)施去混疊方法。在這一實(shí)施例中，由于光學(xué)元件160-168的距離/深度可能變化，去混疊方法需要確定出至少兩個(gè)以界定正被處理的三維像素170的邊界的光學(xué)元件，方式是通過對各個(gè)光學(xué)元件160-168的深度值進(jìn)行搜索來確定具有距離/深度值和兩個(gè)邊界光學(xué)元件，這樣DNEAR1≤DV≤DNEAR2(9)可變值NEAR1和NEAR2可以是指示光學(xué)元件160-168中的相關(guān)的光學(xué)元件的整數(shù)系數(shù)。例如，在圖16中，NEAR1=2和NEAR2=3，對應(yīng)于沿z軸界定三維像素170邊界的光學(xué)元件162-164。
深度調(diào)整值λ、μ可由下式確定λ=(DV-DNEAR1)/(DNEAR1-DNEAR2)(10)μ=(DV-DNEAR2)/(DNEAR1-DNEAR2)(11)
其中X表示的是數(shù)值或變量X的絕對值或數(shù)值大小的函數(shù)。
由等式(10)-(11)所得的深度調(diào)整值都是正實(shí)數(shù)且滿足0≤λ、μ≤1 (12)λ+μ=1 (13)因此深度調(diào)整值對光學(xué)元件之間的非統(tǒng)一和/或可變距離進(jìn)行標(biāo)定，然后用于等式(7)-(8)中以相應(yīng)的經(jīng)調(diào)整的顏色值的來生成三維像素172-174。如等式(10)-(11)所示，深度調(diào)整值λ、μ基于分別與光學(xué)元件162-164相關(guān)的像素172-174的深度范圍之內(nèi)的三維像素170的深度內(nèi)插。
對于上述的具有統(tǒng)一間隔的那個(gè)例子，將DV=9.2單位、DNEAR1=D2=8單位和DNEAR2=D3=13代入等式(9)-(13)中，也可得λ=(9.2-8)/(8-13)=1.2/5=.24μ=(9.2-13)/(8-13)=3.8/5=.76可見所得結(jié)果與利用等式(1)-(8)所得的調(diào)整值相同。另外的實(shí)施例可用于MOE裝置32和光學(xué)元件160-168的維度和空間特點(diǎn)發(fā)生變化的情況，但是在這種情況下就需要進(jìn)行搜索以確定用以產(chǎn)生新的三維像素172-174的合適的界定光學(xué)元件162-164。
圖20表示的是一種實(shí)施這里所述的3D去混疊的方法流程圖，其中，對于一個(gè)正要被顯示的三維像素例如三維像素170，該方法在步驟190中分別從深度和顏色緩沖器讀出相應(yīng)的深度值DV和顏色值CV。然后該方法在步驟192中確定光學(xué)元件間的間隔是否為一恒定值；例如，MVD控制器18中的某一構(gòu)造設(shè)置可以指示光學(xué)元件160-168是否固定、具有均勻的或非均勻的分布、和/或MVD控制器18和MOE裝置32能如上所述以可變間隔模式工作。
如果間隔是恒定的，則該方法在步驟194中利用等式(1)-(2)對深度值DV進(jìn)行標(biāo)定以使其處在光學(xué)元件160-168的指數(shù)范圍之內(nèi)，接著該方法在步驟196中確定最靠近深度值DV和以深度值DV為邊界的光學(xué)元件，在步驟196中利用了等式(3)-(4)。否則，如果在步驟192中確定間隔不是恒定的，則該方法不執(zhí)行步驟194而執(zhí)行步驟196以確定光學(xué)元件是否滿足等式(9)；也就是對各個(gè)光學(xué)元件160-168的距離/深度值采用一種搜索程序。在另外的方法中，可以有選擇地執(zhí)行步驟192或忽略掉步驟192，這取決于MVD控制器18和MOE裝置32的構(gòu)造和工作模式。
接著該方法在步驟198中利用等式(5)-(6)或等式(10)-(11)來確定一個(gè)深度調(diào)整值λ和/或第二個(gè)調(diào)整值μ，其中利用哪組等式取決于所選擇的實(shí)施例。該方法接著在步驟200中利用等式(7)-(8)和該深度調(diào)整值對在最靠近的邊界光學(xué)元件上的三維像素進(jìn)行顏色值的調(diào)整，該方法在步驟202中將具有調(diào)整后的顏色值的經(jīng)調(diào)整的三維像素顯示在最靠近的邊界光學(xué)元件上。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可以實(shí)施一種中間程度的去混疊。例如，將調(diào)整值λ、μ固定為例如.5的一個(gè)數(shù)值，以將三維像素170的一半亮度賦值給各個(gè)三維像素172-174。這種中間去混疊會產(chǎn)生例如圖19中曲線189所示的對應(yīng)于中間過渡曲線的中間深度180D的視深度。
在其他實(shí)施例中，去混疊的程度可以在一個(gè)極端，即忽略小數(shù)的深度值λ、μ到另一個(gè)極端，即利用所有的小數(shù)深度值λ、μ之間變化，或者去混疊的程度可以變化到這兩個(gè)極端值間的任意值?？梢酝ㄟ^下述方法來完成這種可變化的去混疊用一去混疊參數(shù)P除標(biāo)定深度的小數(shù)部分λ，然后再從1中反向抵消掉所得到的結(jié)果值。也就是，利用等式(5)和(10)計(jì)算出λ后，再計(jì)算可變值λVAR以使λVAR=λ/P(14)最終的顏色值可以通過將反向抵消后的值固定在一個(gè)例如0到1之間的預(yù)定范圍內(nèi)來確定。相應(yīng)地，對于可變?nèi)セ殳B而言可將等式(7)-(8)進(jìn)行調(diào)整以使CA2=CV(1-λVAR) (7)CB2=CVλVAR (8)圖20所示的步驟198-202可分別執(zhí)行等式(14)-(16)以提供可變的去混疊。
P=1的去混疊參數(shù)對應(yīng)于完全地去混疊；無窮大P→∞去混疊參數(shù)，即可以是由任意高的數(shù)值計(jì)算取得的參數(shù)，對應(yīng)于不進(jìn)行去混疊。也可以執(zhí)行小于1的去混疊參數(shù)。例如，當(dāng)P=1時(shí)，執(zhí)行的就是上述的利用等式(1)-(13)進(jìn)行的去混疊。
在另一個(gè)例子中，當(dāng)去混疊值λ=.24、去混疊參數(shù)為3時(shí)，可由等式(14)得λVAR=.08，因此由等式(15)-(16)可得CA2=.92CV=92％即為三維像素170顏色值的92％，而CB2=.08CV=8％即為三維像素170顏色值的8％。與前面的例子相比可見這種可變的去混疊將三維像素172在視深度中的比例由76％增加到了92％，而將三維像素174的比例由24％或四分之一降低到了小于10％。在一個(gè)改進(jìn)的例子中，當(dāng)P→∞時(shí)，就不進(jìn)行去混疊了，由等式(14)也可得λVAR=0.00。這樣由等式(15)-(16)可得CA2=1.0CV=100％即為三維像素170顏色值的100％，而CB2=0.0CV=0％即為三維像素170顏色值的0％。相應(yīng)地，位于光學(xué)元件162-164之間的任何三維像素170都顯示在更靠近的光學(xué)元件162上，而不需進(jìn)行去混疊，因此在圖20所示的步驟202中還包含當(dāng)P→∞時(shí)不產(chǎn)生和顯示離參考點(diǎn)更遠(yuǎn)的第二個(gè)三維像素的步驟。例如，不產(chǎn)生三維像素174。
在另一個(gè)利用可變?nèi)セ殳B的改進(jìn)的實(shí)施例中，圖20中所示的方法只有當(dāng)調(diào)整后的顏色值大于一預(yù)定閥值T時(shí)才顯示新的三維像素。例如如口果CV(1-λVAR)＞T 那么CA2=CV(1-λVAR)(17)否則CA2=0如果CVλVAR＞T那么CB2=CVλVAR(18)否則CB2=0例如，T可能等于.05，因此如對顏色的貢獻(xiàn)小于5％就可忽略不計(jì)，例如，當(dāng)切換成不透明/散射模式時(shí)在光學(xué)元件160-168上就顯示出經(jīng)這種略掉不計(jì)處理后的顏色值的三維像素。相應(yīng)地，這種忽略不計(jì)的貢獻(xiàn)對整體3D圖像的作用也忽略掉了，就不顯示那些沒有貢獻(xiàn)的三維像素了，這樣可減少要顯示的三維像素的個(gè)數(shù)從而改善對3D圖像的運(yùn)算處理。
在另外的實(shí)施例中，MVD系統(tǒng)10可以產(chǎn)生出具有部分半透明的外現(xiàn)的3D圖像34。也就是在MOE裝置32的光學(xué)元件36-42上顯示的圖像44-50具有適度的陰影和顏色，這樣一個(gè)圖像的一部分呈顯得半透明，而通過半透明的部分就可看見第二個(gè)圖像的另一部分了。不論是否經(jīng)過去混疊，這種半透明的外現(xiàn)都可以產(chǎn)生出來。
在生成3D圖像34的過程中，MVD系統(tǒng)10所采用的方法執(zhí)行了利用例如象圖形數(shù)據(jù)源16的幀緩沖器中的顏色和深度(或z)緩沖器一樣的OpenGL幀緩沖器數(shù)據(jù)等的MPD運(yùn)算。在深度緩沖器中的數(shù)值表示的是在顏色緩沖器中的相應(yīng)像素的深度，這一深度值用來確定在MOE裝置32之內(nèi)顯示的、該象素或三維象素的位置，如位于圖16所示的三維象素170處。這種MPD運(yùn)算方法適合于下述情況如果一些背景物體的圖像被前景物體的圖像擋住時(shí)，就不需要生成來自MOE裝置32的立體圖像34中的被擋住的那部分背景物體的圖像的情況。
為了在MOE裝置32中生成由于前景物體是半透明的從而使相應(yīng)的被擋住的背景物體的圖像可見的圖像，就需采用一種α通道技術(shù)，在這種技術(shù)中一個(gè)α參數(shù)通過結(jié)合前景和背景物體的顏色以及α的數(shù)值來確定顏色緩沖器中像素/三維象素的顏色。α=1表示完全不透明，α=0表示完全透明。采用這種α通道成像法來從彩色緩沖器生成似乎正確的彩色圖像時(shí)，深度緩沖器中的深度值保持不變，因此仍對應(yīng)于在前物體的圖像的深度。
在已知的顯示系統(tǒng)中，由于可能會存在有各種深度的、以一個(gè)深度值來顯示的多個(gè)表面，因此這種未作改變的深度就阻礙了圖像在立體顯示系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)仫@示出來，所公開的MVD系統(tǒng)10可生成例如使物體或其中的一部分成為半透明的立體圖像34從而避免現(xiàn)有技術(shù)中的以一個(gè)深度值來顯示多個(gè)深度處的多個(gè)表面的阻礙。所公開的MVD系統(tǒng)10利用了OpenGL的附加特性來產(chǎn)生位于MVD系統(tǒng)10的間隔內(nèi)的夾平面，但只允許在所產(chǎn)生的每一夾平面的預(yù)定的一側(cè)例如與一背側(cè)相對的正側(cè)上進(jìn)行。
對于一個(gè)如圖21-24中所示的MOE裝置32，即包含N個(gè)可用1到N來計(jì)數(shù)的平面204-212、且平面間具有均勻的間隔△的裝置32，一個(gè)例如一立體圖像34的畫面在夾平面相互相對的條件下生成N次、以間隔△相分離、再集中于示范空間中平面204-212的某一給定MOE平面的位置處。這樣，就生成了N個(gè)不同的圖像，從幀緩沖器取出相對應(yīng)的顏色緩沖器而將其送到MVD控制器18。在將該顏色緩沖器送到MVD控制器18以便在MOE裝置32中予以顯示的時(shí)候，α通道即被關(guān)閉，因?yàn)镸VD系統(tǒng)10包含一個(gè)與正在用來生成3D立體圖像34的MOE裝置有關(guān)的內(nèi)在α值。
夾平面成像的例子可以在沒有圖21、22表示的去混疊的情況下來實(shí)施，其中夾平面214-216用來對應(yīng)于位置較靠近觀察者218的圖像部分，在位于夾平面214-216之間的第一平面206上生成并顯示出部分的圖像34，而處在夾平面214-216之間的那部分圖像顯示在第一平面206上。圖像34的新的部分生成于夾平面220-222之間以在離觀察者218較遠(yuǎn)的的第二個(gè)平面208上予以顯示并且定位于該夾平面220-222之間，而處在夾平面220-222之間的圖像部分顯示在了第二個(gè)平面208上。
為了在上述的利用α通道的方法中實(shí)施去混疊處理，需要利用OpenGL的其他特性，例如實(shí)施用于去混疊的霧樣成像的大氣效應(yīng)。該霧氣特性使得各個(gè)成像物體的顏色與霧氣的顏色成比例結(jié)合，所述比例是由霧氣的密度以及與涉及霧氣所確定的遠(yuǎn)近值的深度范圍相關(guān)的模型深度所確定的。
OpenGL中可獲得的氣霧函數(shù)包含線性、指數(shù)、和指數(shù)平方函數(shù)。所公開的MVD系統(tǒng)10可以采用這些函數(shù)以及這種霧氣函數(shù)的結(jié)合，例如圖23-24中所示的疊加的線性霧氣函數(shù)224-227。在圖23-24所示的實(shí)施例中，各個(gè)線性霧氣函數(shù)224-227的結(jié)合都是以對應(yīng)于一黑色設(shè)定的、在霧氣的近深度處的零值為起點(diǎn)，然后以一線性方式上升到1值，并對應(yīng)于一個(gè)真實(shí)顏色設(shè)定、且與近深度位置相距(FAR-NEAR)/2。接著霧氣函數(shù)又在遠(yuǎn)深度處降回至零。具有了這一霧氣函數(shù)以及具有間隔為2△的且其中心位于將予顯示圖像34的示范空間的某一MOE平面上的夾平面，圖像34即可被生成N次，且每一次來自顏色緩沖器的數(shù)據(jù)都被送到了MOE裝置32的相應(yīng)平面上。
在一實(shí)施例中，線性霧氣函數(shù)的結(jié)合以及用這些函數(shù)的結(jié)合對三維象素圖象數(shù)據(jù)的處理通過為某一給定光學(xué)元件，例如圖23中所示的平面206，予以合成圖象的方式至少經(jīng)兩種處理途徑進(jìn)行。在第一個(gè)處理途徑中，兩個(gè)夾平面被分開△的距離，其第一個(gè)夾平面228位于具有在當(dāng)前光學(xué)元件206之前生成的圖像的光學(xué)元件204之上，其第二個(gè)夾平面位于當(dāng)前光學(xué)元件206之上。然后，具有其距離不斷增加、且其NEAR小于FAR的上升線性霧氣函數(shù)224與上述夾平面一起為光學(xué)元件206用于生成第一組圖像。
在第二個(gè)途徑中，兩個(gè)夾平面間被分開△的距離，其第一個(gè)夾平面位于當(dāng)前光學(xué)元件206之上，其第二個(gè)夾平面230位于在當(dāng)前光學(xué)元件206之后將具有生成圖像的光學(xué)元件208之上，且其第二個(gè)夾平面位于該當(dāng)前光學(xué)元件206之上。然后，具有其距離不斷減少的、且其FAR小于NEAR的下降的線性霧氣函數(shù)225與上述夾平面一起為光學(xué)元件206用于生成第二組圖像。
接著MVD系統(tǒng)10將利用不同的線性氣霧函數(shù)224-225所生成的兩組圖像相疊加后顯示在光學(xué)元件206上。
為生成如圖23所示在第一個(gè)平面206上的第一個(gè)圖像，霧氣函數(shù)224-225集中于第一個(gè)平面206，來自夾平面228-230的圖像和它們之間的深度都由有關(guān)深度處的霧氣函數(shù)224-225的相應(yīng)值對其相應(yīng)的顏色值作了調(diào)整。在利用函數(shù)224-225生成光學(xué)元件206上的疊加圖像后，MVD系統(tǒng)10如圖24中所示開始在第二個(gè)平面208處生成連續(xù)的圖像，其霧氣函數(shù)226-227轉(zhuǎn)變?yōu)榧械降诙€(gè)平面208之上。來自夾平面232-234的圖像和它們之間的深度都由有關(guān)深度處的霧氣函數(shù)226的相應(yīng)值對其相應(yīng)的顏色值作了調(diào)整。MVD系統(tǒng)10開始連續(xù)地移動霧氣函數(shù)并利用α通道方法來對相應(yīng)夾平面處的各個(gè)圖像進(jìn)行顏色調(diào)整。在另外的實(shí)施例中，為不同的平面204-212實(shí)施不同的霧氣函數(shù)，以在距離觀察者218更遠(yuǎn)的地方獲得更高的霧氣密度，從而增加所顯示的3D立體圖像34的深度感知效果。
例如，參見圖23，對于在深度238處標(biāo)有D且其各個(gè)部分具有各自的顏色值Ci的圖像236，在深度D處的霧氣函數(shù)224的值240為αD，因此為圖像236所顯示的經(jīng)調(diào)整的顏色值為αDCi。顏色值可以是這里所述的按等式(7)-(8)和/或(15)-(16)經(jīng)深度調(diào)整后的顏色值，這樣α通道的調(diào)整可以有選擇性地在圖20所示的步驟200中實(shí)施以實(shí)現(xiàn)包含有這里所述的α通道技術(shù)的去混疊處理。
通過優(yōu)選實(shí)施例的方式已公開了前述的一種新型的多平面立體顯示系統(tǒng)10及其工作方式。但是，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的前提下還可以進(jìn)行多種變化和替換。例如，雖然優(yōu)選實(shí)施例中討論的是采用如平板液晶顯示器的平面光學(xué)元件，但以前述的方式采用曲面光學(xué)元件也完全在本發(fā)明的預(yù)見之內(nèi)。
MVD系統(tǒng)10的實(shí)施會用到下述專利文獻(xiàn)中所描述的裝置和方法于1998年4月20日申請的申請?zhí)枮?0082442的審查中的美國臨時(shí)專利；也會用到于1996年11月4日申請的申請?zhí)枮?8743483的審查中的美國專利，該專利是第5572375號美國專利的一個(gè)繼續(xù)，也是第5090789號美國專利中的一個(gè)部分。也可利用1998年1月8日申請的申請?zhí)枮?9004722的審查中的美國專利中所述的裝置和方法來實(shí)施MVD系統(tǒng)10。在這里可以合并參考上述的各個(gè)臨時(shí)和非臨時(shí)專利申請和已授權(quán)的專利。相應(yīng)地，本發(fā)明是以例舉而不是限定的方式來描述的。
權(quán)利要求
1．一種用于對顯示在多個(gè)光學(xué)元件上的一個(gè)三維圖像的第一個(gè)三維象素實(shí)施去混疊的方法，其中第一個(gè)三維象素的第一個(gè)三維象素深度值處在對應(yīng)于以第一個(gè)三維象素為邊界的一對光學(xué)元件的一對光學(xué)元件深度值之間，所述方法包含以下步驟從第一個(gè)三維象素的深度值產(chǎn)生一深度調(diào)整值；利用該深度調(diào)整值對與第一個(gè)三維象素相關(guān)的第一個(gè)顏色值進(jìn)行調(diào)整；以及利用該調(diào)整后的顏色值在該對光學(xué)元件中的至少一個(gè)元件上顯示第二個(gè)三維象素。
2．如權(quán)利要求1所述的方法還包含以下步驟對第一個(gè)三維象素深度值進(jìn)行標(biāo)定以使其處在一預(yù)定的與多個(gè)光學(xué)元件有關(guān)的指數(shù)范圍之內(nèi)；其中產(chǎn)生深度調(diào)整值的步驟包含從經(jīng)標(biāo)定的三維象素深度值產(chǎn)生深度調(diào)整值的步驟。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其中產(chǎn)生深度調(diào)整值的步驟包含下述步驟將經(jīng)標(biāo)定的三維象素深度值的小數(shù)部分確定為深度調(diào)整值。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其中調(diào)整第一個(gè)顏色值的步驟包含以下步驟用小數(shù)部分的一個(gè)函數(shù)乘以第一個(gè)顏色值以產(chǎn)生第二個(gè)顏色值來作為調(diào)整后的顏色值，其中第二個(gè)顏色值與第二個(gè)三維象素相關(guān)。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生深度調(diào)整值的步驟包含以下步驟用一去混疊參數(shù)對深度調(diào)整值進(jìn)行修正以控制在三維圖像中的對第一三維象素顯示的去混疊的程度。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)整第一個(gè)顏色值的步驟包含利用深度調(diào)整值從經(jīng)調(diào)整的第一顏色值來產(chǎn)生第二個(gè)和第三個(gè)顏色值的步驟；以及其中顯示第二個(gè)三維象素的步驟包含以下步驟分別利用第二和第三個(gè)顏色值在所述光學(xué)元件對的各自一個(gè)光學(xué)元件上顯示第二個(gè)和第三個(gè)三維象素。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于多個(gè)光學(xué)元件間的間隔是一致的。
8．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于多個(gè)光學(xué)元件間的間隔是不一致的。
9．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于多個(gè)光學(xué)元件間的間隔是可變的。
10．如權(quán)利要求6所述的方法，其中確定光學(xué)元件對的包含以下步驟對與多個(gè)光學(xué)元件相關(guān)的多個(gè)深度值進(jìn)行搜索以確定所述的光學(xué)元件對，其中第一個(gè)三維象素的第一個(gè)三維象素深度值介于與所述光學(xué)元件對相關(guān)的光學(xué)元件對的深度值之間。
11．如權(quán)利要求6所述的方法，其中產(chǎn)生深度調(diào)整值的步驟包含以下步驟從分別與三維象素和所述光學(xué)元件對相關(guān)的第一個(gè)三維象素深度值和光學(xué)元件深度值來產(chǎn)生深度調(diào)整值。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其中產(chǎn)生一深度調(diào)整值λ的步驟包含以下步驟按照下式將第一個(gè)三維象素深度值DV內(nèi)插于光學(xué)元件對的深度值DNEAR1和DNEAR2λ=(DV-DNEAR1)/(DNEAR1-DNEAR2)其中X表示的是數(shù)值或變量X的絕對值或幅值函數(shù)。
13．一種產(chǎn)生立體三維圖像的方法，所述方法包含以下步驟給圖像投影儀提供對應(yīng)于三維圖像中一組二維片段的圖像數(shù)據(jù)；以及有選擇地將來自圖像投影儀的各個(gè)二維片段投影到選自組成多表面光學(xué)裝置的多個(gè)光學(xué)元件的各自光學(xué)元件上，包含以下步驟對在至少一對光學(xué)元件之間過渡的三維象素進(jìn)行去混疊處理以產(chǎn)生具有取自去混疊三維象素的調(diào)整后的顏色值的片段；以及從有選擇地投影在多個(gè)液晶元件上的去混疊片段產(chǎn)生出在多表面光學(xué)裝置中可見的第一個(gè)立體三維圖像。
14．如權(quán)利要求13所述的方法還包含以下步驟將利用一浮動圖像產(chǎn)生器的多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像進(jìn)行投影以產(chǎn)生看起來浮動在離開多表面光學(xué)裝置的某一位置處的空間中的第二個(gè)立體三維圖像。
15．如權(quán)利要求14所述的方法還包含以下步驟將利用一光學(xué)元件控制器的多表面光學(xué)裝置中的各個(gè)個(gè)體光學(xué)元件的半透明度進(jìn)行控制以分別接收和顯示去混疊片段。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其中控制步驟包含以下步驟使一單個(gè)的液晶元件處于不透明光散射狀態(tài)以接收和顯示去混疊片段；以及使其余的液晶元件具有允許圖像組被分別投影的半透明度。
17．一種用于產(chǎn)生立體三維圖像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含一個(gè)包含多個(gè)排列成陣列的個(gè)體光學(xué)元件的多表面光學(xué)裝置；以及一個(gè)圖像投影儀，該投影儀用于對在光學(xué)元件對間過渡的三維象素實(shí)施去混疊以產(chǎn)生具有取自去混疊三維象素的調(diào)整后顏色值的片段，還用于選擇性地將包含去混疊三維象素的一組圖像投影到多表面光學(xué)裝置的各個(gè)光學(xué)元件上以產(chǎn)生多表面光學(xué)裝置中可見的第一個(gè)立體三維圖像。
18．如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)還包含一用于將多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像進(jìn)行投影以產(chǎn)生看上去浮在離開多表面光學(xué)裝置的某一位置處的空間中的第二個(gè)立體三維圖像的浮動圖像產(chǎn)生器。
19．如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于多表面光學(xué)裝置中的各個(gè)個(gè)體光學(xué)元件包含一個(gè)具有可控變化的半透明度的用來接收去混疊圖像的液晶元件。
20．如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)還包含一個(gè)用于控制液晶元件的半透明度的光學(xué)元件控制器，其中使一單個(gè)的液晶元件被控制成具有不透明光散射狀態(tài)以接收和顯示來自圖像投影儀的各自的去混疊圖像組；以及其余的液晶元件被控制成大體上為透明的以允許看見在不透明的液晶元件上所顯示的圖像。
21．一種用于產(chǎn)生立體三維圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個(gè)包含排列成陣列形式的多個(gè)個(gè)體光學(xué)元件的多表面光學(xué)裝置；一個(gè)用于有選擇地將一組圖像投影在多表面光學(xué)裝置的各個(gè)光學(xué)元件上以生成在多表面光學(xué)裝置中可見的第一個(gè)立體三維圖像的圖像投影儀；以及一個(gè)用于將多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像進(jìn)行投影以產(chǎn)生看上去浮在與多表面光學(xué)裝置相離開的某一位置處的空間中的第二個(gè)立體三維圖像的浮動圖像產(chǎn)生器。
22．如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中多表面光學(xué)裝置中的各個(gè)個(gè)體光學(xué)元件包含一個(gè)具有可控變化半透明度的液晶元件。
23．如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)還包含一個(gè)用于控制液晶元件的半透明度的光學(xué)元件控制器，其中一單個(gè)的液晶元件被控制成具有不透明光散射狀態(tài)以接收和顯示來自圖像投影儀的各自的圖像組；以及其余的液晶元件被控制成大體上是透明的以允許看見在不透明的液晶元件上所顯示的圖像。
24．如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)元件控制器在多個(gè)成像周期期間以一高速率掃過液晶元件以從中選擇一個(gè)液晶元件并使之在一特定成像周期內(nèi)處于不透明光散射狀態(tài)中，且光學(xué)元件控制器由此使不透明光散射狀態(tài)移過液晶元件以用于連續(xù)接收圖像組并產(chǎn)生出具有三維深度的立體三維圖像。
25．如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中圖像投影儀將圖像組投影到多表面光學(xué)裝置中以在多表面光學(xué)裝置中以一大于35Hz的、可以防止出現(xiàn)人感覺得到的圖像閃爍的頻率產(chǎn)生完整的第一個(gè)立體三維圖像。
26．如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中多表面光學(xué)裝置包含約50個(gè)光學(xué)元件；以及圖像投影儀以至少2kHz的頻率將各個(gè)圖像組投影到各自的光學(xué)元件上。
27．如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中圖像投影儀包含一用于輸出圖像組的投影透鏡；以及一用于將各個(gè)圖像組聚焦到各自光學(xué)元件上的以控制來自投影透鏡的圖像組的投影深度及分辨率的自適應(yīng)光學(xué)聚焦系統(tǒng)。
28．如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于圖像投影儀包含分別用來發(fā)射紅、綠、和藍(lán)色激光從而可以產(chǎn)生和投影多種顏色圖像組的多個(gè)激光源。
29．一種用于產(chǎn)生處在空間中的立體三維圖像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個(gè)包含多個(gè)具有可控變化半透明度的平面液晶元件的多平面光學(xué)裝置；一個(gè)用于有選擇地將作為三維圖像的二維片段的一組圖像投影到各個(gè)液晶元件上以產(chǎn)生在多表面光學(xué)裝置中可見的第一個(gè)立體三維圖像的圖像投影儀；以及一個(gè)用于將多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像進(jìn)行投影以產(chǎn)生看上去浮在與多表面光學(xué)裝置相離開的某一位置處的空間中的第二個(gè)立體三維圖像的浮動圖像產(chǎn)生器。
30．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)平面液晶元件堆成一線性陣列來形成多表面光學(xué)裝置。
31．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)平面液晶元件具有用于接收和顯示各自圖像的曲線表面。
32．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)還包含一個(gè)用于控制液晶元件的半透明度的光學(xué)元件控制器，其中一單個(gè)的液晶元件被控制成與從圖像投影儀給這一單個(gè)的液晶元件的各自圖像組的輸出相同步以具有不透明光散射狀態(tài)從而接收和顯示來自圖像投影儀的各自的圖像組；以及其余的液晶元件被控制成與各自圖像組的輸出相同步從而大體上是透明的以允許看見在不透明的液晶元件上所顯示的圖像。
33．如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中多平面光學(xué)裝置包含至少50個(gè)平面液晶元件，其各個(gè)液晶元件具有至少512點(diǎn)×512點(diǎn)的橫向分辨率，由此而形成的多平面光學(xué)裝置包含至少1千3百萬個(gè)三維象素。
34．一種用于產(chǎn)生立體三維圖像的方法，該方法包含以下步驟給圖像投影儀提供對應(yīng)于三維圖像的一組二維片段的圖像數(shù)據(jù)；有選擇地將來自圖像投影儀的各個(gè)二維片段投影到選自組成多表面光學(xué)裝置的多個(gè)液晶元件中的各自液晶元件上，以產(chǎn)生在多表面光學(xué)裝置中可見的第一個(gè)立體三維圖像；將利用一浮動圖像產(chǎn)生器的多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像進(jìn)行投影以產(chǎn)生看上去浮在與多表面光學(xué)裝置相離開的某一位置處的空間中的第二個(gè)立體三維圖像。
35．如權(quán)利要求34所述的方法還包含以下步驟對利用一光學(xué)元件控制器的多表面光學(xué)裝置中的各個(gè)個(gè)體光學(xué)元件的半透明度進(jìn)行控制。
36．如權(quán)利要求35所述的方法，其中控制步驟包含以下步驟使一單個(gè)的液晶元件處于不透明光散射狀態(tài)；以及使其余的液晶元件具有一種允許圖像組被分別投影的半透明度。
37．如權(quán)利要求36所述的方法，其中控制步驟包含以下步驟在多個(gè)成像周期期間對液晶元件進(jìn)行快速掃描；從中選出一液晶元件作為單個(gè)在某一特定成像周期內(nèi)的處于不透明光散射狀態(tài)中的液晶元件；使有透明光散射狀態(tài)移過液晶元件；將投影在相應(yīng)的處于不透明光散射狀態(tài)的單個(gè)液晶元件上顯示的各自圖像予以同步；以及利用在各個(gè)處于不透明狀態(tài)的液晶元件上的同步投影圖像來產(chǎn)生具有三維深度的立體三維圖像。
38．如權(quán)利要求34所述的方法，其中選擇投影的步驟包括以下步驟將圖像組投影到多表面光學(xué)裝置中以在多表面光學(xué)裝置中以一大于35Hz的、可以防止出現(xiàn)人感覺得到的圖像閃爍的頻率產(chǎn)生完整的第一個(gè)立體三維圖像。
39．如權(quán)利要求38所述的方法，其中多表面光學(xué)裝置包含約50個(gè)光學(xué)元件；以及選擇投影步驟包含以至少2kHz的頻率將各個(gè)圖像組投影到各自的光學(xué)元件上的投影步驟。
40．如權(quán)利要求34所述的方法，其中選擇投影步驟包含以下步驟分別從多個(gè)激光源發(fā)射紅、綠、和藍(lán)色激光，從而可以在多個(gè)光學(xué)元件上產(chǎn)生和投影多種顏色的圖像組。
全文摘要
一種多平面立體顯示系統(tǒng)(10)及實(shí)施方法利用下述部件來產(chǎn)生立體三維圖像(34和56):一個(gè)包含排列成陣列形式的多個(gè)單獨(dú)的光學(xué)元件(36、38、40和42)的多表面光學(xué)裝置(32);一用于有選擇地將一組圖像投影在多表面光學(xué)裝置的各個(gè)光學(xué)元件(36、38、40和42)上以生成多表面光學(xué)裝置(32)中第一個(gè)可見的立體三維圖像(34)的圖像投影儀(20);和一用于利用多表面光學(xué)裝置中的第一個(gè)立體三維圖像(34)來產(chǎn)生好象浮在與多表面光學(xué)裝置(32)相離的某一位置處的空間中的第二個(gè)可見的立體三維圖像(56)的浮動圖像產(chǎn)生器(54)。去混疊對所顯示的在光學(xué)元件之間過渡的像素(24、26、28和30)進(jìn)行調(diào)整。以便像素(24、26、28和30)的顏色值可作為像素與光學(xué)元件(36、38、40和42)之間距離的函數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。從而在立體三維圖像的部分(44、46、48和50)間產(chǎn)生一平滑的過渡。
文檔編號G06T15/00GK1305619SQ99807391
公開日2001年7月25日 申請日期1999年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月20日
發(fā)明者阿蘭·薩立文 申請人:帝曼斯諾梅迪亞聯(lián)合有限公司