立體圖像顯示系統及其控制方法

2023-05-01 12:15:36 2

專利名稱：立體圖像顯示系統及其控制方法
立體圖像顯示系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及三維(3D)立體顯示技術領域，尤其涉及一種立體圖像顯示系統及其 控制方法。
背景技術：
眾所周知，現實世界是三維立體世界，它為人的雙眼提供了兩幅具有位差的圖像， 映入雙眼後即形成立體視覺所需的視差，然後經視神經中樞的融合反射，以及視覺心理反 應便產生了三維立體感覺。 近年來，隨著高畫質電視技術的發展，人們對於更加真實顯示圖像技術的追求也越 來越高。利用這個三維立體成像的原理，通過顯示屏將兩幅具有位差的左圖像和右圖像分 別呈現給左眼和右眼，即可以獲得3D的感覺。 目前已經出現了立體眼鏡和頭盔顯示屏(HDM:Head Mounted Display)等立體 顯示技術。然而，前述的三維立體顯示技術如配戴立體眼鏡或者頭盔顯示屏等會造成觀察 者眼睛不舒服，影響觀察者的觀看舒適度。因此，一種自動立體顯示(Auto stereoscopic Display)技術即裸眼可視自動立體圖像顯示技術如今成為顯示領域研究的熱點。

發明內容
有鑑於此，本發明的一方面提供了一種立體圖像顯示系統，其包括眼睛跟蹤模塊、 控制模塊、背光模塊以及顯示模塊。其中，眼睛跟蹤模塊用於定位觀察者眼睛當前的三維空 間位置，並且生成左右兩眼的三維空間位置信息；控制模塊用於根據眼睛跟蹤模塊提供的 左右兩眼的三維空間位置信息，同步控制背光模塊和顯示模塊；背光模塊用於在控制模塊 的控制下形成交錯光源，並將交錯光源發射至顯示模塊，以作為顯示模塊的背光源，交錯光 源包括發光區域及無光區域，發光區域與無光區域交錯排列，從發光區域有光線射向顯示 模塊，從無光區域基本沒有光線射向顯示模塊；所述顯示模塊用於在所述控制模塊的控制 下顯示交錯圖像，所述交錯圖像包括黑色區域及圖像區域，黑色區域及圖像區域交錯排列， 光線不能透過黑色區域，但可以透過圖像區域。 本發明的另一方面提供了一種立體圖像顯示系統的控制方法，其包括眼睛跟蹤
模塊對觀察者眼睛當前的三維空間位置進行定位，並且生成左右兩隻眼睛的當前三維空間
位置信息；控制模塊控制可以改變輸出光線方向的顯示裝置，根據從眼睛跟蹤模塊獲取的
兩隻眼睛的當前三維空間位置信息，以時間復用的方式在顯示裝置上輸出圖像，其中，在一
種時刻把含左眼圖像的光線輸出到左眼所在的位置，而不輸出到右眼所在的位置，在另一
種時刻把含右眼圖像的光線輸出到右眼所在的位置，而不輸出到左眼所在的位置。 本發明的立體圖像顯示系統及其控制方法具有跟蹤觀察者眼睛的功能，可以根據
觀察者眼睛的三維空間位置與所要顯示的三維立體圖像進行同步控制，從而將規定的圖像
分別送到預定的眼睛中。因此，可以裸眼觀察立體圖像，不需要另外配戴專門的眼鏡，改善
觀察者的立體圖像視覺體驗。而且，當自動跟蹤觀察者眼睛時，觀察者的眼睛不需要保持在固定的位置，在眼睛位置改變的情況下，根據本發明的立體圖像顯示系統及其控制方法可 以自適應地調整，仍能將規定的圖像分別送到預定的眼睛中，從而相對於現有技術擴大立 體圖像的觀察範圍，給觀察者較好的立體圖像視覺體驗。 其次，本發明的立體圖像顯示系統及其控制方法，對於交錯光源可以用時間復用 的方式生成，實現一部分時間不點亮光源，具有較低的能量損耗。 另外，本發明的立體圖像顯示系統的立體圖像由交錯圖像及交錯光源的共同作 用形成，交錯圖像及交錯光源由控制模塊自動控制，簡單通過控制模式切換即可實現二維 (2D)顯示效果，從而兼容2D/3D的顯示效果，圖像的輸出方式具有很好的靈活性。


圖1為根據本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統模塊示意圖。 圖2a 2d分別為根據本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統在Tl T4四個
時刻的原理示意圖。 圖3為根據本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統的控制方法流程圖。
具體實施方式
為使上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實 施方式做詳細的說明。 圖1為本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統模塊示意圖。如圖1所示，立體 圖像顯示系統1包括背光模塊10、眼睛跟蹤模塊20、控制模塊30以及顯示模塊50。背光模 塊10和顯示模塊50組成可以改變輸出光線方向的顯示裝置。 背光模塊10作為顯示模塊50的背光源，即用於向顯示模塊50的背面發射光線。 背光模塊10進一步包括狹縫光源11、光源導向單元12、光源驅動單元13以及反射模塊14。
狹縫光源11用於產生線光線，該線光線是一種分布在寬度遠小於長度的狹長區 域裡的光線，因狹長區域像一條線，故在本技術領域中稱該光線為"線光線"，本文所稱"線 光線"就是指這種分布在狹長區域裡的光線。配合參考圖2a 2d，狹縫光源11包括條狀光 源111與匯聚透鏡112。在本發明實施方式中，條狀光源111為發光二極體燈條(LED light bar)，匯聚透鏡112為柱狀匯聚透鏡，並且條狀光源111與匯聚透鏡112相互平行設置。在 根據本發明的另一實施方式中，條狀光源也可以由雷射光源來代替。匯聚透鏡112將發光 二極體燈條111發出的多條光線匯聚，匯聚後光線的出射方向可以匯聚在一個較小的範圍 內，以致於狹縫光源11發出的線光線可以較為集中地出射到光源導向單元12上。
光源導向單元12用於改變狹縫光源11出射光線的方向，並將改變後的出射光線 導向反射模塊14上，在反射模塊14形成反光區域。在本發明實施方式中，光源導向單元 12包括具有旋轉軸的伺服(Servo)電機(未圖示)，於旋轉軸上設置有稜鏡柱。稜鏡柱的 光學主軸與伺服電機主軸平行，並且，伺服電機主軸的延長線經過稜鏡柱的光學主軸。在圖 2a-2d所示的實施方式中，稜鏡柱為有正方形截面的四稜柱，其側面具有四個稜鏡面。稜鏡 柱被伺服電機的旋轉軸帶動以14400轉/秒的速度旋轉，不斷改變入射到稜鏡面上的光線 相對於稜鏡面的入射角度，從而改變出射光的方向。隨著旋轉，光線不斷從反射模塊14掃 過。根據本發明，在其他實施方式中，稜鏡柱可以由具有改變光線方向效果的其他稜鏡來實現；當然，在本發明的另一實施方式中，稜鏡柱也可以由反射鏡或其他可以用於改變光線的 傳播方向的光學元件來代替。 狹縫光源11以及光源導向單元12被設置於顯示模塊50與反射模塊14之間，並 且狹縫光源11及光源導向單元位於顯示模塊50的側邊。 反射模塊14可以反射光線，當反射模塊14上一定的區域被光線照射時，該區域反 射光線形成發光區域，而在反射模塊14上其餘未被光線照射的區域無光線反射，形成無光 區域。 光源驅動單元13用於同步地分別驅動狹縫光源11和光源導向單元12，其進一步 包括光源驅動器(未圖示)與電機驅動器(未圖示)。其中，光源驅動器用於驅動狹縫光 源11，以對其進行點亮/熄滅的操作。電機驅動器用於驅動光源導向單元12，在本實施方 式中，電機驅動器驅動光源導向單元12的伺服電機，控制伺服電機的旋轉。在根據本發明 的實施方式中，光源驅動器送出脈寬調製(P麗)的信號，使狹縫光源ll在一些時刻點亮，還 有一些時刻熄滅。光源導向單元12和狹縫光源11在控制模塊30的同步控制下，狹縫光源 11出射方向不變，光源導向單元12不斷改變狹縫光源11的出射方向而使從狹縫光源11射 出的光線經過光源導向單元12的導向後不斷在反射模塊14上移動，其中，在移動到反射模 塊14的一定區域時點亮狹縫光源11，而在該一定區域形成發光區域；在移動到反射模塊14 的另一些區域時熄滅狹縫光源ll，而在該另一些區域形成無光區域，從而通過時間復用的 方法在反射模塊14上形成預定寬度形狀的發光區域與無光區域交錯的交錯光源。
反射模塊14設置於顯示模塊50的背面，反射模塊14將入射至其上的發光區域的 光線發射至顯示模塊50上，從而為顯示模塊50提供背光源。優選地，該反射模塊14為具 有較高光線反射率的全反射膜片，從而可以減小光線在反射過程中的能量損耗。全反射膜 片可以是平面的也可以是非平面的。 繼續參考圖1，眼睛跟蹤模塊20用於跟蹤觀察者的眼睛(包括左眼和右眼兩隻眼 睛)，以定位眼睛當前的三維空間位置，並且生成左右眼的三維空間位置信息並將該三維空 間位置信息傳遞給控制模塊30。其中，眼睛跟蹤模塊20可以採取例如目前已經公知的卡爾 曼濾波技術、粒子濾波技術、紅外感測技術以及一些公知的圖像處理技術等來實現。
控制模塊30接收來自眼睛跟蹤模塊20提供的觀察者當前的左右眼的三維空間位 置信息，同步控制背光模塊10和顯示模塊50。具體地，控制模塊30控制背光模塊10中的 光源驅動單元13，再由光源驅動單元13分別驅動狹縫光源11和光源導向單元12，以實現 在反射模塊14上生成交錯光源。控制模塊30可以由公知的信號處理裝置來實現，例如中 央處理單元(CPU)、數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)等。控制模塊30包括交 錯圖像(Interleaved image)生成模塊31。控制模塊30從圖像源40取得源圖像信息，提 供給交錯圖像生成模塊31。交錯圖像生成模塊31在接收到給左眼或右眼的圖像過程中，能 夠根據眼睛的位置的不同，而在每個源圖像信息上插入黑色的垂直區域，這些黑色區域替 換原來源圖像信息的部分區域，將原來連續的源圖像信息分割為由圖像區域和黑色區域組 成的交錯圖像信號。交錯圖像生成模塊31將生成的交錯圖像信號提供給顯示模塊50。
顯示模塊50用於顯示圖像，在本發明一種具體實施方式
中，是使用一種公知的液 晶顯示屏，如薄膜電晶體液晶顯示屏。當接收到交錯圖像生成模塊31提供的交錯圖像信號 時，顯示模塊50顯示交錯圖像。交錯圖像包括黑色區域及圖像區域，黑色區域及圖像區域交錯排列。按照公知的液晶顯示技術，光線不能透過顯示模塊50上的黑色區域，但光線可
以選擇性地透過顯示模塊50上的圖像區域，該透過的光線進入眼睛即產生可以感知的圖
像。當然，在根據本發明的實施方式中，交錯圖像生成模塊31和控制模塊30可以分開安裝，
也可以把交錯圖像生成模塊31集成在顯示模塊50中，其工作原理均類似。 本發明一種具體實施方式
的立體圖像顯示系統1的控制方法包括圖3所示步驟。
以下對各步驟進行具體說明，在以下說明中，請繼續結合參考圖1 。 在獲取眼睛位置步驟S1中，眼睛跟蹤模塊20自動跟蹤觀察者眼睛，定位觀察者眼 睛當前的三維空間位置，並且生成左右兩眼的三維空間位置信息。 在顯示圖像步驟S2中，控制模塊30從圖像源40取得需要顯示的源圖像信息，同 時根據眼睛跟蹤模塊20提供的觀察者眼睛當前三維空間位置信息來計算出需要生成的背 光源形狀及需要生成的圖像的信息，並同步控制背光模塊10生成交錯光源及控制顯示模 塊50生成相應的交錯圖像。在控制模塊同步控制下，交替地切換交錯光源及交錯圖像，從 而把左眼圖像和右眼圖像分別對應地送到左眼和右眼。在送出左眼圖像的時刻，發光區域 的光線通過交錯圖像的圖像區域進入左眼中，但發光區域的光線被黑色區域阻擋而不能進 入右眼中。在送出右眼圖像的時刻，發光區域的光線通過交錯圖像的圖像區域進入右眼，但 發光區域的光線被黑色區域阻擋而不能進入左眼。兩種時刻不斷輪流出現，用時間復用方 法，在輸出左眼圖像的時刻，把含左眼圖像的光線送到左眼而不送到右眼，並在輸出右眼圖 像的時刻，把含右眼圖像的光線送到右眼而不送到左眼。當兩種時刻的切換速度足夠快時， 由於眼睛的視覺暫留效應，兩隻眼睛分別看到的與該眼睛相對應的圖像經過觀察者的人腦 合成作用，則可持續地感知到對應的合成圖像。 圖2a至2d依次為本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統1在Tl到T4四個時 刻的工作原理示意圖，現在結合參考圖2a至2d，根據本發明一種具體實施方式
詳細說明顯 示圖像步驟S2。按照前述的原理，在控制模塊30的控制下，在T1時刻，在背光模塊14上形 成第一交錯光源141，在顯示模塊50上顯示第一交錯圖像501 ;在T2時刻，在背光模塊14 上形成第二交錯光源142，在顯示模塊50上顯示第二交錯圖像502 ;在T3時刻，在背光模塊 14上形成第三交錯光源143，在顯示模塊50上顯示第三交錯圖像503 ;在T4時刻，在背光 模塊14上形成第四交錯光源144，在顯示模塊50上顯示第四交錯圖像504。
圖2a所示是立體圖像顯示系統l在Tl時刻的原理示意圖，在T1時刻，要把從圖 像源40取得的右眼圖像送給右眼。此時，交錯圖像生成模塊31把取得的右眼圖像的部分 區域替換成根據眼睛三維空間位置信息計算過的黑色區域，沒有被黑色區域替換的區域便 是圖像區域，從而生成第一交錯圖像501的顯示信號。顯示模塊50接收到顯示信號而生 成第一交錯圖像501，第一交錯圖像501包括光線不能透過的間隔排列的黑色區域b0bl、 b2b3、b4b5、……及圖像區域blb2、b3b4、b5b6、……。同時，背光模塊10根據前述的工作 原理，在反射模塊14上生成根據眼睛三維空間位置信息計算過的第一交錯光源141。第一 交錯光源141包括反射有光線的發光區域a0al、a2a3、a4a5、……及無光區域ala2、a3a4、 a5a6、……。如圖所示，顯示模塊50上的附圖標記b0、bl、b2、b3、……指示黑色區域與圖 像區域的交界點，反射模塊14上的附圖標記a0、al、a2、a3、……指示無光區域與發光區域 的交界點；而且，由於控制模塊30的自動計算和控制，左眼、bO及a0三點在一條直線上，右 眼、bl及a0三點在一條直線上；左眼、bl及al三點在一條直線上，右眼、b2及al三點在一條直線上……，依此類推。背光模塊IO提供的第一交錯光源141作為顯示模塊50的背光 源，如前所述，交錯光源的發光區域有光線反射出來，無光區域沒有光線反射出來；並且按 照公知的液晶顯示技術，光線不能透過顯示模塊50上的黑色區域，但光線可以選擇性地透 過顯示模塊50上的圖像區域。 在第一交錯光源141與第一交錯圖像501的共同作用下，按照光線的透射及直線 傳播原理，該發光區域發射的光線可以透過圖像區域進入觀察者的右眼，但由於黑色區域 的阻擋而不能進入觀察者的左眼；而且由於圖像區域恰好處於左眼與無光區域之間，也不 會有光線從無光區域透過圖像區域進入左眼。故，在T1時刻，僅觀察者的右眼看到顯示模 塊50上的第一交錯圖像501，而觀察者的左眼則看不到顯示模塊50上的任何圖像。此時， 右眼僅看到前述取自圖像源的右眼圖像顯示在第一交錯圖像501的圖像區域位置的圖像， 而前述取自圖像源的右眼圖像的原本在第一交錯圖像501的黑色區域位置的圖像，暫時不 送出，等到後面將說明的T 3時刻再送出。 圖2b所示是立體圖像顯示系統1在T2時刻的原理示意圖，在Tl時刻之後的T2 時刻，要把從圖像源40取得的左眼圖像送給左眼。此時，用來顯示的是從圖像源40取得的 左眼圖像，在眼睛三維空間位置不變的情況下，反射模塊14上的第二交錯光源142相對於 Tl時刻位置不變，即第二交錯光源142與第一交錯光源141的位置相同；但是，顯示模塊50 上生成的第二交錯圖像502的顯示位置發生變化。此時，第二交錯圖像502包括黑色區域
blb2、b3b4、b5b6、......及圖像區域b0bl、b2b3、b4b5、......。也就是說，第二交錯圖像502
上圖像區域b 0bl、b2b3、b4b5、……的顯示位置是在T1時刻時顯示黑色區域的位置，第二 交錯圖像502上黑色區域blb2、b3b4、b5b6、……的顯示位置是在Tl時刻時顯示圖像區域 的位置。 與Tl時刻類似，在第二交錯光源142與第二交錯圖像502的共同作用下，按照光 線的透射及直線傳播原理，在T2時刻，僅觀察者的左眼看到顯示模塊50上的第二交錯圖像 502，而觀察者的右眼則看不到顯示模塊50上的任何圖像。此時，左眼僅看到前述取自圖像 源的左眼圖像顯示在第二交錯圖像502的圖像區域位置的圖像，而前述取自圖像源的左眼 圖像的原本在第二交錯圖像502的黑色區域位置的圖像，暫時不送出，等到後面將說明的 T4時刻再送出。 圖2c所示是立體圖像顯示系統1在T3時刻的原理示意圖，在T2時刻之後的T3 時刻，要把從圖像源40取得的右眼圖像在T1時刻未顯示的部分送給右眼。此時，在眼睛三 維空間位置不變的情況下，反射模塊14上的第三交錯光源143相對於T2時刻位置改變；但 是，顯示模塊50上生成的第三交錯圖像503的顯示位置相對於T2時刻沒有變化。此時，第
三交錯光源143包括發光區域ala2、a3a4、a5a6、......及無光區域a0al、a2a3、a4a5、......。
也就是說，第三交錯光源143上發光區域ala2、 a3a4、 a5a6、……的位置是在T2時刻時無 光區域的位置，第三交錯光源143上無光區域aOal、 a2a3、 a4a5、……的位置是在T2時刻 時發光區域的位置。 與前述時刻T1、T2類似，在第三交錯光源143與第三交錯圖像503的共同作用下， 按照光線的透射及直線傳播原理，在T3時刻，僅觀察者的右眼看到顯示模塊50上的第三交 錯圖像503，而觀察者的左眼則看不到顯示模塊50上的任何圖像。其中，在T3時刻右眼看 到的第三交錯圖像503與在Tl時刻右眼看到的第一交錯圖像501的圖像區域顯示位置互
9補。因此，經過Tl和T3時刻，右眼在Tl時刻看到的第一交錯圖像501和在T3時刻看到的 第三交錯圖像503組成一幅完整右眼圖像。從而，實現對右眼圖像的全精度顯示。需要說 明的是，如果T3時刻與Tl時刻相比，觀察者眼睛的三維空間位置變化，則第三交錯圖像503 的圖像區域及黑色區域相對第一交錯圖像501的互補位置可能變化，但由於圖像是以例如 不小於1/120秒的速度(即不小於120赫茲)很快地切換，在很短的時間裡觀察者的位移 是微小的，根據觀察者眼睛的三維空間位置變化調整的這種圖像位置的變化也通常是微小 的，對於肉眼仍可視為互補。從而視為眼睛經過Tl和T3兩個時刻看到一幅全精度的右眼 圖像。 圖2d所示是本發明一種實施方式的立體圖像顯示系統1在T4時刻的原理示意 圖，在T3時刻之後的T4時刻，要把從圖像源40取得的左眼圖像在T2時刻未顯示的部分送 給左眼。此時，在眼睛三維空間位置不變的情況下，反射模塊14上的第四交錯光源144相 對於T3時刻位置不變，即第四交錯光源144與第三交錯光源143的位置相同；但是，顯示模 塊50上生成的第四交錯圖像504的顯示位置發生變化。此時，第四交錯圖像504包括黑色
區域b0bl、b2b3、b4b5、......及圖像區域blb2、b3b4、b5b6、......。也就是說，第四交錯圖
像504上圖像區域blb2、 b3b4、 b5b6、……的顯示位置是在T2及T3時刻時顯示黑色區域 的位置，第四交錯圖像504上黑色區域b0bl、b2b3、b4b5、……的顯示位置是在T2及T3時 刻時顯示圖像區域的位置。 與前述時刻T1、T2、T3類似，在T4時刻，在第四交錯光源144與第四交錯圖像504 的共同作用下，按照光線的透射及直線傳播原理，在T4時刻，僅觀察者的左眼看到顯示模 塊50上的第四交錯圖像504，而觀察者的右眼則看不到顯示模塊50上的任何圖像。其中， 在T4時刻左眼看到的第四交錯圖像504與在T2時刻左眼看到的第二交錯圖像502的圖像 區域的顯示位置互補。因此，經過T2和T4時刻，左眼在T2時刻看到的第二交錯圖像502 和在T4時刻看到的第四交錯圖像504組成一幅完整左眼圖像。從而，實現對左眼圖像的全 精度顯示。同樣地，如果T4時刻與T2時刻相比，觀察者眼睛的三維空間位置變化，則第四 交錯圖像504的圖像區域及黑色區域相對第二交錯圖像502的互補位置可能變化，但由於 圖像是很快地切換，在很短的時間裡觀察者的位移是微小的，根據觀察者眼睛的三維空間 位置變化調整的這種圖像位置的變化也通常是微小的，對於肉眼仍可視為互補。從而視為 眼睛經過T2和T4兩個時刻仍看到一幅全精度的左眼圖像。 綜上所述，右眼經過Tl和T3時刻看到一幅完整右眼圖像，左眼經過T2和T4時刻 看到一幅完整左眼圖像。 在合成圖像步驟S3中，依據公知的視差原理，根據立體視差效果製作的左、右眼 圖像，經過觀察者的人腦合成作用，即可形成有立體效果的立體圖像。也就是說，觀察者經 過T1至T4這四個時刻，即可感知到一幅完整立體圖像。根據本發明，優選顯示模塊顯示圖 像的刷新頻率不低於120赫茲，即Tl至T4這四個時刻中的每一個時刻的時值(所謂時值 定義為兩個時刻之間的時間間隔)相等，且時值不大於1/120秒，觀察者經過不大於1/30 秒(根據(1/120) X4 = 1/30)的時間可以感知到一幅完整立體圖像。由於視覺暫留效應 (通常人眼不能夠感覺到圖像切換之間是否有閃爍則時間間隔必須約大於0. 03秒)，在圖 像快速刷新時，難以察覺到圖像的切換，而感覺到持續顯示的圖像。更優選地，顯示模塊顯 示圖像的刷新頻率不低於240赫茲，即Tl至T4這四個時刻中的每個時刻之間的時值相等，且時值不大於1/240秒，則觀察者經過不大於1/60秒(根據(1/240) X4 = 1/60)的時間 可以感知到一幅完整立體圖像。顯示給觀察者的完整立體圖像的刷新頻率是大於60赫茲， 可以較好地減輕眼睛的視覺閃爍，緩解視覺疲勞。 從以上說明也可以知道，T4時刻與Tl時刻的圖像顯示位置相同，但是圖像分別進 入不同的眼睛；T2時刻與T3時刻的圖像顯示位置相同，但是圖像分別進入不同的眼睛。因 此，根據本發明的另一實施方式，也可以只在兩個時刻不斷循環，而不是在四個時刻不斷循 環。例如，只在前述的T2時刻和T3時刻循環，或者只在前述的T4時刻和Tl時刻循環。則 依據公知的視差原理，每相鄰兩個時刻，可以顯示一幅交錯有黑色區域的立體圖像。當黑色 區域的寬度足夠小時，肉眼難以覺察，但仍可以顯示立體效果的圖像，只是相較於前述的由 四個時刻不斷循環的實施方式觀察者看到的圖像的解析度降低一半。 以上實施方式是以首先在T2時刻相對T1時刻變換交錯圖像的顯示位置為例來進 行說明的。當然，本發明並不限於此，在本發明的另一實施方式中，也可以通過首先變換交 錯光源的位置來實現。例如，在Tl時刻，同步形成的交錯圖像和交錯光源的情況如圖2a所 示，右眼看到顯示模塊50上的第一交錯圖像501 ;在T2時刻，同步形成的交錯圖像和交錯 光源的情況如圖2d所示，左眼看到顯示模塊50上的第四交錯圖像504 ;在T3時刻，同步形 成的交錯圖像與交錯光源如圖2c所示，右眼看到顯示模塊50上與Tl時刻顯示位置互補顯 示的第三交錯圖像503 ;在T4時刻，同步形成的交錯圖像與交錯光源如圖2b所示，則可以 讓左眼看到顯示模塊50上與T2時刻顯示位置互補顯示的第二交錯圖像502。經過Tl T4時刻，通過人腦的合成作用，同樣可以感知到由第一交錯圖像501、第二交錯圖像502、第 三交錯圖像503以及第四交錯圖像504組成的完整圖像的全精度立體圖像。
此外，本發明的立體圖像顯示系統1並不限於先右眼看到顯示模塊50上的交錯圖 像，再左眼交替看到顯示模塊50上的交錯圖像，當然，本發明立體圖像顯示系統也可以先 左眼看到顯示模塊50上的交錯圖像，再右眼交替看到顯示模塊50上的交錯圖像，其工作原 理基本相同，故，在此不再贅述。 在本發明的立體圖像顯示系統1中，眼睛跟蹤模塊20可以自動跟蹤觀察者的眼 睛，當觀察者的位置發生變化時，即觀察者的左右兩眼的三維空間位置發生變化，眼睛跟蹤 模塊20立即生成變化後眼睛當時的三維空間位置信息。控制模塊根據兩眼位置及顯示的 圖像是用於左眼的圖像還是用於右眼的圖像，按照公知的光學及幾何原理進行計算，即可 得到對應每一時刻合適尺寸和位置的交錯圖像和交錯光源，通過控制模塊30對背光模塊 10和顯示模塊50的同步控制，使得形成的相應交錯圖像和交錯光源同步工作，從而實現圖 像的自動立體顯示功能。因此，本發明的立體圖像顯示系統l在一旦眼睛位置變化，則自動 作出響應，調整交錯圖像和交錯光源的尺寸和位置，使左右兩眼的圖像都可以實時分別輸 出到相應的眼睛裡。因此，觀察者的眼睛不需要保持在固定的位置，本發明可以擴大立體圖 像的觀察範圍，給觀察者較好的立體圖像視覺體驗。而且根據本發明，可以裸眼觀察立體圖 像，不需要另外配戴專門的眼鏡，進一步改善觀察者的立體圖像視覺體驗。根據本發明的一 種可選控制方式，當觀察者不需要移動時，可以通過人工設置為"不動"模式，這時，不需要 實時地自動跟蹤眼睛，只需要進行一次性的調校，不需要在輸出每一個圖像的時刻進行計 算調整，從而提高系統的運算暨運行效率。 交錯光源包括多個縱長延伸的條紋，這些條紋的縱長方向優選為顯示模塊50的垂直方向。由於觀察者兩眼連線在通常使用情況下(或者平均情況下)是水平的，本文所述 的顯示模塊50的垂直方向是指通常使用情況下，與觀察者兩眼連線相垂直的方向。當然， 觀察者兩眼連線可以不保持與顯示模塊50的垂直方向相垂直，只要不與顯示模塊50的垂 直方向平行，仍可看到立體圖像。而且，附圖所示顯示模塊的顯示面板是平面狀，但本發明 並不限於平面狀。因應眼睛的實際三維空間位置及顯示面板形狀的不同，交錯光源的條紋 的寬度呈相等大小或不等大小。 另外，由於交錯圖像及交錯光源由控制模塊自動控制，控制模式切換非常容易，本 發明的圖像的輸出方式具有很好的靈活性。本發明的立體圖像顯示系統可以實現二維/三 維(2D/3D)的顯示模式相互切換的功能。在本發明的另一實施方式中，當切換到2D顯示模 式時，控制模塊30背光模塊10中的光源驅動單元13，進一步地為光源驅動單元13中的光 源驅動器，驅動狹縫光源11的發光二極體燈條111為常亮狀態；並且，交錯圖像生成模塊 31在從圖像源40取得的圖像信息上不插入黑色區域。此時，觀察者的左右眼睛在相同的時 刻可以看到顯示模塊50上顯示的相同圖像，該顯示圖像為2D圖像，從而達成2D顯示的效 果。因此，本發明的立體圖像顯示系統l兼容二維和三維兩種圖像的顯示。在二維顯示模 式時，圖像的切換頻率可以降低到不低於60赫茲，觀察者的眼睛仍可以保持較舒適的視覺 效果。 由於本發明的立體圖像顯示系統1在Tl T4時刻，僅需要針對反射模塊14上一 半的區域點亮狹縫光源11中的發光二極體燈條lll，而針對另外一半的區域發光二極體燈 條111熄滅。因此，本發明的立體圖像顯示系統1的光能量損耗大約只有1/2，而傳統的例 如通過光柵(Shutter)實現立體圖像顯示的技術要求背光源常亮，故，相對於傳統的實現 立體圖像顯示的技術來說，本發明的立體圖像顯示系統1的能量損耗較低。
本發明雖然以較佳實施方式公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域 技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的 保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。
1權利要求
一種立體圖像顯示系統，其包括眼睛跟蹤模塊、控制模塊、背光模塊以及顯示模塊，其中，所述眼睛跟蹤模塊用於定位觀察者眼睛當前的三維空間位置，並且生成左右兩眼的三維空間位置信息；所述控制模塊用於根據所述眼睛跟蹤模塊提供的所述左右兩眼的三維空間位置信息，同步控制所述背光模塊和顯示模塊；所述背光模塊用於在所述控制模塊的控制下形成交錯光源，並將所述交錯光源發射至所述顯示模塊，以作為所述顯示模塊的背光源，所述交錯光源包括發光區域及無光區域，發光區域與無光區域交錯排列，從發光區域有光線射向顯示模塊，從無光區域基本沒有光線射向顯示模塊；所述顯示模塊用於在所述控制模塊的控制下顯示交錯圖像，所述交錯圖像包括黑色區域及圖像區域，黑色區域及圖像區域交錯排列，光線不能透過黑色區域，但可以透過圖像區域。
2. 如權利要求1所述的立體圖像顯示系統，其中，所述背光模塊包括狹縫光源、光源導 向單元、光源驅動單元及反射模塊，其中，所述狹縫光源用於向所述光源導向單元發出線光線；所述光源導向單元用於改變所述狹縫光源出射光線的方向並將改變後的出射光線導 向所述反射模塊上；以及所述光源驅動單元分別用於驅動所述狹縫光源和所述光源導向單元。
3. 如權利要求2所述的立體圖像顯示系統，其中，所述狹縫光源包括條狀光源與匯聚 透鏡，並且，條狀光源與匯聚透鏡相互平行設置。
4. 如權利要求3所述的立體圖像顯示系統，其中，所述條狀光源為發光二極體燈條或 雷射光源中的一種。
5. 如權利要求2所述的立體圖像顯示系統，其中，所述光源導向單元包括伺服電機，所 述伺服電機具有旋轉軸，所述旋轉軸上設置有用於改變所述狹縫光源的出射光線的方向的 光學元件。
6. 如權利要求5所述的立體圖像顯示系統，其中，所述光學元件是稜鏡柱或反射鏡，通 過所述伺服電機旋轉軸的旋轉來改變線光線相對於所述稜鏡柱或反射鏡的入射角度從而 改變出射光線的方向。
7. 如權利要求5所述的立體圖像顯示系統，其中，所述光源驅動單元包括光源驅動器 和電機驅動器，所述光源驅動器用於驅動所述狹縫光源，以對其進行點亮/熄滅的操作；以 及所述電機驅動器用於驅動所述伺服電機，使得所述伺服電機上的旋轉軸帶動所述光學 元件旋轉，從而改變從狹縫光源射出的光線相對所述光學元件的入射角度。
8. 如權利要求1至7任意一項所述的立體圖像顯示系統，其中，所述顯示模塊顯示圖像 的刷新頻率不低於240赫茲。
9. 如權利要求2至7任意一項所述的立體圖像顯示系統，其中，所述反射模塊為全反射 膜片。
10. 如權利要求1所述的立體圖像顯示系統，其中，在所述控制模塊同步控制下，所述交錯光源及交錯圖像交替地在至少兩種時刻切換，所述兩種時刻包括在輸出左眼圖像的 時刻，所述發光區域的光線通過交錯圖像的圖像區域進入左眼，但所述發光區域的光線被 所述黑色區域阻擋而不能進入右眼；在輸出右眼圖像的時刻，所述發光區域的光線通過交 錯圖像的圖像區域進入所述右眼，但所述發光區域的光線被所述黑色區域阻擋而不能進入 所述左眼，所述兩種時刻輪流出現。
11. 如權利要求1所述的立體圖像顯示系統，其中，所述交錯光源的發光區域及無光區 域呈間隔排列的縱長延伸的條紋，各條紋的縱長延伸方向為顯示模塊的垂直方向。
12. —種立體圖像顯示系統的控制方法，其包括眼睛跟蹤模塊對觀察者眼睛當前的三維空間位置進行定位，並且生成左右兩隻眼睛的 當前三維空間位置信息；控制模塊控制可以改變輸出光線方向的顯示裝置，根據從眼睛跟蹤模塊獲取的兩隻眼 睛的當前三維空間位置信息，以時間復用的方式在顯示裝置上輸出圖像，其中，在一種時刻 把含左眼圖像的光線輸出到左眼所在的位置，而不輸出到右眼所在的位置，在另一種時刻 把含右眼圖像的光線輸出到右眼所在的位置，而不輸出到左眼所在的位置。
13. 如權利要求12所述的控制方法，其中，所述以時間復用的方式輸出圖像包括 所述控制模塊控制在所述顯示裝置的背光模塊上生成交錯光源，所述交錯光源包括發光區域及無光區域，發光區域及無光區域交錯排列，從發光區域有光線射出到所述顯示裝 置的顯示模塊，從無光區域沒有光線射出到顯示模塊；所述控制模塊控制在顯示模塊上生成交錯圖像，所述交錯圖像包括黑色區域及圖像區 域，黑色區域及圖像區域交錯排列，光線不能透過黑色區域，但可以透過圖像區域；其中，所述控制模塊根據獲取的前述左右兩隻眼睛的當前三維空間位置信息及背光模 塊及顯示模塊的位置計算出交錯光源及交錯圖像的預定尺寸及位置，在所述控制模塊同步 控制下，所述背光模塊和所述顯示模塊分別在預定尺寸及位置生成交錯光源及交錯圖像， 在輸出左眼圖像的時刻，所述發光區域的光線通過交錯圖像的圖像區域進入所述左眼，但 所述發光區域的光線被所述黑色區域阻擋而不能進入右眼；在輸出右眼圖像的時刻，所述 發光區域的光線通過交錯圖像的圖像區域進入所述右眼，但所述發光區域的光線被所述黑 色區域阻擋而不能進入所述左眼。
14. 如權利要求13所述的控制方法，其中，所述輸出左眼圖像的時刻和輸出右眼圖像 的時刻兩種時刻輪流切換。
15. 如權利要求13所述的控制方法，其中，所述控制模塊控制在背光模塊上生成交錯 光源是用時間復用的方式實現，其包括同步控制所述背光模塊的狹縫光源及光源導向單 元，在所述控制模塊同步控制下，狹縫光源出射方向不變，光源導向單元不斷改變狹縫光源 的出射方向而使從所述狹縫光源射出的光線經過光源導向單元的導向後不斷在反射模塊 上移動，其中，在移動到反射模塊的一定區域時點亮所述狹縫光源，而在該一定區域形成發 光區域；在移動到反射模塊的另一些區域時熄滅所述狹縫光源，而在該另一些區域形成無 光區域，從而形成前述的交錯光源。
16. 如權利要求13所述的控制方法，其中，所述控制模塊控制在顯示模塊上生成交錯 圖像的所述步驟包括所述控制模塊從圖像源取得源圖像，把所述源圖像上一定區域替換 成黑色區域。
17. 如權利要求16所述的控制方法，其中，所述輸出左眼圖像的時刻包括第一時刻及 第二時刻，在第二時刻所述交錯圖像的圖像區域的位置基本是第一時刻黑色區域的位置； 所述輸出右眼圖像的時刻包括第三時刻及第四時刻，在第四時刻所述交錯圖像的圖像區域 的位置基本是第三時刻黑色區域的位置。
18. 如權利要求17所述的控制方法，其中，所述以時間復用的方式輸出圖像是按預定 的第一時刻及第二時刻之一個時刻、第三時刻及第四時刻之一個時刻、第一時刻及第二時 刻之另一個時刻再第三時刻及第四時刻之另一個時刻的順序循環切換；或者所述以時間 復用的方式輸出圖像是按第三時刻及第四時刻之一個時刻、第一時刻及第二時刻之一個時 刻、第三時刻及第四時刻之另一個時刻再第一時刻及第二時刻之另一個時刻的順序循環切 換。
19. 如權利要求13所述的控制方法，其中，輸出每一時刻圖像時，如果所述控制模塊在 下一時刻根據獲取的前述左右兩隻眼睛的當前三維空間位置信息相對於輸出前一時刻圖 像時改變，則重新計算交錯光源及交錯圖像的預定尺寸及位置。
20. 如權利要求18所述的控制方法，其中，所述預定時刻的時值不大於1/240秒。
全文摘要
本發明公開了一種立體圖像顯示系統及其控制方法。其中通過設置眼睛跟蹤模塊對觀察者眼睛當前的三維空間位置進行定位，並且生成左右兩隻眼睛的當前三維空間位置信息。控制模塊控制可以改變輸出光線方向的顯示裝置，其以時間復用的方式在顯示裝置上輸出圖像，在一種時刻把含左眼圖像的光線輸出到左眼所在的位置，而不輸出到右眼所在的位置，在另一種時刻把含右眼圖像的光線輸出到右眼所在的位置，而不輸出到左眼所在的位置，從而根據視差原理使人感知到立體圖像。本發明擴大了立體圖像的觀察範圍，給觀察者較好的立體圖像視覺體驗。
文檔編號H04N13/04GK101795420SQ20101014160
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月7日 優先權日2010年4月7日
發明者司秉玉 申請人:崑山龍騰光電有限公司