立體電視信號處理方法、傳輸系統與觀眾增強的製作方法
2023-06-17 19:39:41
專利名稱：立體電視信號處理方法、傳輸系統與觀眾增強的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於將雙視頻流組合為標準單視頻流的方法。更具體而言，本發明涉及組合標準雙視頻流來佔據標準單視頻流的方法，提供了以幾種方式增強觀眾體驗的裝置。
背景技術：
基於例如DMD(數字微鏡設備)的單晶片空間光調製器的電視或放映機典型地使用色輪以非常快交替的順序將紅、綠和藍基色分別呈現到屏幕上。色輪是包含安裝到電機的有色弧段的光學機械組件，其以指定的速度、典型地是視頻幀速率的倍數來旋轉。白光瞄準色輪，色輪使得紅、綠或藍光被濾過。然後，這些顏色被投射到DMD晶片上，DMD晶片基於每種顏色的亮度來調製待顯示在屏幕上的每個像素的強度。典型的色輪對每個視頻幀(或場)旋轉4到6次，因此觀眾不會察覺到顏色先後順序；大腦將這些子幀整合為單個全色圖像。利用單個空間光調製器和單個白光源與色輪相結合降低了電視或放映機的總成本。
典型的色輪還具有多個RGB(紅、綠、藍)段，或RGB組，來簡化所呈現的不同子幀速率。
存在包含了各種在電視上顯示立體圖像的裝置的各種現有技術，包括場順序光閘(shuttering)方法、雙投射方法、雙凸透鏡及其它光學方法、以及利用電子控制液晶偏振濾光器的交叉偏振方法。
儘管這些方法中的許多表現出某種局限，例如成本或「光閘」效果，但本發明利用特定電視和放映機的現有能力來產生優質的立體顯示。
目前，基於例如DMD的空間光調製器的電視與放映機具有比其它電視技術更長的工作壽命，而且本申請的發明人希望DMD將成為新電視的事實標準，這將通過本發明而使它們具有立體「3D能力」。
發明內容
本發明通過將偏振材料層添加到基於例如DMD的空間光調製器的電視的色輪，並利用子幀呈現來以高於視頻幀速率的速率執行快速的「左眼」與「右眼」交替，來產生由單個屏幕構成的立體3D顯示。空間光調製器與色輪相結合不僅為每幀的基色子幀、而且為了使待顯示在屏幕上的「左眼」與「右眼」子幀交替而產生「光閘」。因此，色輪現在可以看作是顏色/偏振輪。
色輪的色段的同步用於使立體顯示的「左眼」與「右眼」視圖序列同步。無源偏振材料(線偏振和/或圓偏振)作為一層添加到色輪，將偏振的基色子幀呈現在屏幕上。
這個屏幕的觀眾佩戴無源偏振眼鏡，該無源偏振眼鏡利用偏振濾光器分隔偏振光，使得左眼和右眼分別看到「左眼」與「右眼」視圖。
典型的色輪每個視頻幀旋轉多次，並具有多個RGB(紅、綠、藍)段或RGB組，由此實現了無閃爍的立體顯示。
本發明利用現有技術並通過增強這些現有元件來產生立體3D顯示。
以上需求很大程度上通過本發明得以滿足的，其中在一方面，提供了在一些實施方式中的裝置。
因此，相當寬泛地概述了本發明的特定實施方式，以便可以更好地理解這裡的其詳細描述，並且以便可以更好地理解目前對本領域的貢獻。當然，還存在以下將描述並構成所附權利要求主題的本發明的其他實施方式。
在這方面，在詳細解釋本發明的至少一種實施方式之前，應當理解本發明在其應用方面不限於以下描述中闡述或附圖中說明的結構細節與部件布置。除了所描述的那些，本發明還有其它實施方式，並能以多種方式實踐與執行。而且，應當理解在此所採用的措辭與術語以及摘要是為了描述，而不應當看作是限制。
如此，本領域技術人員將理解，本公開內容所基於的概念可以容易地用作設計用於執行本發明幾種目的的其它結構、方法與系統的基礎。因此，重要的是，權利要求應視為包括了不背離本發明精神與範圍的等價結構。
為了更好地理解本發明，聯繫附圖參考以下描述，在附圖中，例如圖1示出了由兩個紅色段、兩個綠色段和兩個藍色段(即，兩個RGB組)構成的六段色輪。
圖2示出了當白光通過色輪的紅色段時在屏幕上產生的紅色圖像。
圖3示出了當白光通過色輪的綠色段時在屏幕上產生的綠色圖像。
圖4示出了當白光通過色輪的藍色段時在屏幕上產生的藍色圖像。
圖5示出了觀眾在屏幕上看到了什麼，其中紅色、綠色和藍色圖像在屏幕上快速排序，快到使觀眾把這些圖像整合為一個全色圖像。
圖6示出了由六段組成的偏振層，這六段在形狀與大小上匹配色輪的色段。有三個偏振材料段用於左眼視圖，有三個偏振材料段用於交叉的偏振取向的右眼視圖。
所述段圍繞旋轉軸對稱地對準，使得當輪旋轉且光通過每個段時，對於分別用於左眼視圖與右眼視圖的三個偏振段中的每一個，存在相同的偏振取向。每個段的分解圖指示偏振取向。如果在色輪中有「白色」段，則色輪的每個交替的「白色」段被交替偏振取向的偏振材料覆蓋。
圖7示出了色輪層與偏振層的組合，使得每一層的段被疊加，來產生兩層的「複合式」顏色/偏振輪。一個RGB組與用於左眼視圖的偏振取向對準，而第二個RGB組與用於右眼視圖的偏振取向對準。
具體實施例方式
基於單晶片空間光調製器(例如Texas Instruments的DLP技術的DMD數字微鏡設備)的電視或放映機利用色輪以非常快的子幀交替將紅、綠和藍基色分別呈現到屏幕上作為子幀[圖2、3、4]。
儘管例如GLV(光柵光閥)的其它技術可以代替空間光調製器，但DMD將用作本發明的例子。
DMD是一種子幀的每個像素由具有「開」和「關」兩種狀態的對應的鏡來呈現的設備。「開」和「關」的時間是由DMD支持電路所產生的脈寬調製控制的，由此，像素的強度或亮度與每個視頻幀中所有與該強度或亮度對應的基色的子幀內的平均「開」時間成比例。
色輪[圖1]是包含安裝到電機的多件基色弧段的光學機械組件，其以幀速率的倍數旋轉。白光瞄準色輪，色輪使得紅光、綠光或藍光被濾過。然後，這些顏色被投射到DMD晶片上，DMD晶片基於每種顏色的亮度來調製每個像素的強度並且要求每個視頻幀有三個子幀[圖2、3、4]，以在屏幕上產生組合的全色幀[圖5]。
為了防止觀眾察覺到子幀的顏色先後順序，色輪以幀速率的倍數旋轉、典型地是四到六倍。色輪還具有若干RGB組、典型地是兩個或偶數個，以在維持恆定的旋轉速度的同時適應變化的幀速率、典型地是每秒三十或六十幀，以及降低旋轉速度。
因此，顯示30fps視頻的基於DMD的電視通常產生(30fps)×(3RGB弧)×(每個色輪2個RGB組)×(4轉)＝每秒720個子幀對於立體應用，在「左眼」和「右眼」分配之間平均劃分RGB組，因此根據以上計算，每秒360個子幀將呈現給每隻眼睛。換句話說，120個全色RGB幀將呈現給每隻眼睛。
示出了由六個弧段組成的偏振層，其還在分解圖中示出以指示每個弧段的偏振取向。這些偏振弧段在形狀與大小上與色輪的色段匹配。三個相鄰的偏振材料弧段用於左眼視圖，而另三個相鄰的偏振材料弧段用於交叉的偏振取向的右眼視圖。
所有的偏振弧段組合在一起，產生單個偏振材料層。弧段圍繞旋轉軸對稱地對準，使得當輪旋轉且光通過每個相鄰的弧段時，對於分別用於左眼視圖和右眼視圖的三個偏振弧段中的每一個，存在相同的偏振取向，如[圖6]中陰影線的方向所示。
用於每隻眼睛的偏振取向需要交叉偏振。對於其中偏振材料為線偏振的本發明的一種實施方式，第二取向將與第一取向垂直。對於其中偏振材料為圓偏振的本發明的另一種實施方式，第二取向將是與第一取向相反的方向。
偏振層[圖6]與色輪層[圖1]組合，使得每一層的弧段被疊加，由此產生兩層的「複合式」顏色/偏振輪。如[圖7]所示，相鄰RGB弧段的一個RGB組與用於左眼視圖的偏振取向對準，而第二個RGB組與用於右眼視圖的偏振取向對準。
本發明中所描述的顏色/偏振輪與DMD相結合，成為用於在屏幕上呈現基色圖像的光閘以及用於在屏幕上呈現這些顏色的偏振光的光閘。
因此，偏振的基色子幀以幀速率的倍數呈現在屏幕上。
下面的表格表示當顏色/偏振輪在單個視頻幀期間旋轉四次時，被濾過顏色/偏振輪的光序列的典型例子，並假定色輪有六段，從而產生24個子幀。這個例子是基於DMD的電視或放映機的典型速度1)第一旋轉紅段R1 圖1和2 左眼偏振2)第一旋轉綠段G1 圖1和3 左眼偏振3)第一旋轉藍段B1 圖1和4 左眼偏振4)第一旋轉紅段B2 圖1和2 右眼偏振5)第一旋轉綠段G2 圖1和3 右眼偏振6)第一旋轉藍段B2 圖1和4 右眼偏振7)第二旋轉紅段R1 圖1和2 左眼偏振8)第二旋轉綠段G1 圖1和3 左眼偏振9)第二旋轉藍段B1 圖1和4 左眼偏振10)第二旋轉紅段R2 圖1和2 右眼偏振11)第二旋轉綠段G2 圖1和3 右眼偏振12)第二旋轉藍段B2 圖1和4 右眼偏振13)第三旋轉紅段R1 圖1和2 左眼偏振14)第三旋轉綠段G1 圖1和3 左眼偏振15)第三旋轉藍段B1 圖1和4 左眼偏振16)第三旋轉紅段R2 圖1和2 右眼偏振17)第三旋轉綠段G2 圖1和3 右眼偏振18)第三旋轉藍段B2 圖1和4 右眼偏振19)第四旋轉紅段R1 圖1和2 左眼偏振20)第四旋轉綠段G1 圖1和3 左眼偏振21)第四旋轉藍段B1 圖1和4 左眼偏振22)第四旋轉紅段R2 圖1和2 右眼偏振23)第四旋轉綠段G2 圖1和3 右眼偏振
24)第四旋轉藍段B2 圖1和4 右眼偏振因為這個表格例子中的色輪每個視頻幀旋轉四次，且色輪由兩個RGB組構成，所以，假定視頻輸入幀速率為每秒30幀，則得出每隻眼睛的呈現幀速率是每秒120幀。
此多子幀呈現已經由用於常規「2D」視頻的DMD及支持晶片完成。本發明現在使用這種現有的子幀交替原理來呈現立體「3D」，而不需要光閘眼鏡。僅需要的是無源偏振眼鏡。
RGB顏色序列的呈現利用DMD支持電路與DMD同步。這使得當相關色段經過待被過濾的白光束時，對於每個基色而言，色輪的旋轉與提供到DMD中的子幀同步，並最終與進入的視頻信號同步。
DMD支持電路典型地從駐留在相關存儲緩衝器中的每個完整的視頻幀中產生所需的多個子幀。
在本發明的一種實施方式中，這種存儲緩衝器的大小加倍，使得容量可以使兩個視頻幀適合於「左眼」和「右眼」立體幀對，並且當讀取每個交替的RGB組時是存儲單元切換的(bank switched)。存儲器將需要被加載到輸入數據總線將使數據速率加倍的FIFO裝置中。
在本發明的另一種實施方式中，其中有足夠的存儲器容量來容納兩個視頻幀，發送到DMD的脈寬調製信號按組分別分配給「左眼」和「右眼」子幀，而不是在每種相關顏色的每個子幀之間平均分布。這種技術將丟失每個顏色位深度的一個最低有效位。典型的DMD具有每個像素每種顏色呈現十位的容量，因此這將變成9位。這可以由DMD支持電路中的固件執行。
在本發明的另一種實施方式中，DMD的支持電路可以在存儲器中存儲較高解析度的圖像幀，該較高解析度的圖像幀在由「左眼」和「右眼」幀立體對構成的兩個較小(較低解析度)幀之間被空間復用。然後，除了利用可容納較高解析度的存儲器並且確保立體對作為一對被保持在一起並作為容納該立體對的單個分片的(tiled)幀而被有效地保持之外，按照本發明，至DMD的輸入將被呈現有由「左眼」和「右眼」圖像構成的較低解析度子幀。這種增強的實施方式還具有允許單個較高解析度分片的幀被編碼為單個視頻流以便傳輸或存儲的優點。
在本發明的另一種實施方式中，有兩組完全相同的DMD支持電路，每一組都有其自己對應的存儲緩衝器。一組專門用於「左眼」視圖，而另一組專門用於「右眼」視圖。然後，這兩組支持電路被復用於單個DMD設備並且與需要整合(gen-locked)在一起的進入的立體圖像流同步。
這種基於DMD的立體顯示的光路以白光束開始，典型地集中於「光管道」，「光管道」照射到自轉的顏色/偏振輪上，顏色/偏振輪當光通過時過濾光的基色和偏振取向。現在，光撞擊到DMD的表面上，DMD的表面由脈寬調製器控制的振動鏡陣列所覆蓋。然後，從DMD上反射的光通過一系列透鏡，以將圖像放大到屏幕表面上所需的期望大小。
不管屏幕是「背投」還是「前投」，其都將需要由分別不改變照射通過其或照射到其上面的光的偏振特性的材料製成。
屏幕是作為常規電視觀看的，並且當啟用「立體3D」模式時，觀眾需要佩戴一副無源交叉偏振眼鏡，該眼鏡利用偏振濾光器分離偏振光，使得左眼和右眼分別看到「左眼」和「右眼」視圖，這匹配由色輪產生的偏振。
本發明利用特定電視與放映機的現有能力來以低成本實現優質的立體3D顯示。
本發明的許多特徵與優點是從詳細說明書中顯而易見的，因此，所附權利要求旨在覆蓋落入本發明真正主旨與範圍內的本發明的所有這樣的特徵與優點。此外，由於本領域技術人員將容易想到許多種修改與變化，所以不期望將本發明限定到所例證與描述的確切結構與操作方式，因此，在本發明的範圍之內，所有合適的修改與等同設置都可以採用。
權利要求
1.一種利用使用如DMD的單個空間光調製器的電視或放映機的自轉色輪來產生立體3D電視的方法。
2.如權利要求1所述的方法，通過將偏振材料作為額外的層組合到所述色輪的色段。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述偏振材料被用作通過的光的線偏振或圓偏振濾光器。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述色輪的單個色段層與單個偏振材料層「複合」，產生雙層的顏色/偏振輪。
5.如權利要求2所述的方法，其中所述偏振材料是作為段產生的，所述段疊加並匹配所述色輪的每個色段的形狀。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述色輪的通常是紅、綠和藍的三個相鄰段被視為RGB組，且所述色輪由偶數個RGB組構成。疊加到第一個RGB組上的偏振層被分配給「左眼」視圖，而疊加到下一個RGB組上的偏振層被分配給「右眼」視圖。如果所述色輪由多於兩個RGB組構成，則偏振層將在用於「左眼」和「右眼」視圖的分配之間轉換，直到所有的RGB組都被覆蓋。
7.如權利要求6所述的方法，其中在每個RGB組期間保持偏振取向，使得當所述顏色/偏振輪旋轉時，通過RGB組內每個段的光將具有相同的偏振取向。
8.如權利要求6所述的方法，其中用於所述「左眼」視圖的偏振材料是在一個取向上線偏振的，而用於所述「右眼」視圖的偏振材料是在交叉偏振取向或垂直取向上線偏振的。光源是非偏振的。
9.如權利要求6所述的方法，其中用於所述「左眼」視圖的偏振材料是在一個取向上圓偏振的，而用於所述「右眼」視圖的偏振材料是在交叉偏振取向或相反取向上圓偏振的。光源最初是線偏振的。
10.本發明中的顏色/偏振輪成為用於在屏幕上呈現基色圖像的光閘及用於在屏幕上呈現這些顏色的偏振光的光閘。
11.如權利要求10所述的方法，利用空間光調製器的支持電路來接受「左眼」和「右眼」數位化圖像作為子幀。
12.如權利要求11所述的方法，其中彩色圖像以子幀顏色交替且子幀偏振取向交替的方式呈現到屏幕上。
13.用於在單個顯示表面上將交叉偏振的兩個不同圖像顯示到單個屏幕上的方法，其中所述屏幕不改變投射到其上面的光的偏振特性。
14.如權利要求13所述的方法，關於觀看立體呈現，其中佩戴無源交叉偏振眼鏡的觀眾觀看立體圖像。
15.本發明與包括在本發明的所有其它實施方式中的情形下都指RGB組或序列的「白色」段的色輪的兼容性可以分別用RGBW組或序列代替，其中所述色輪的每個交替的「白色」段被交替偏振取向的偏振材料所覆蓋。
全文摘要
本發明提供了一種通過使用添加到色輪的偏振材料並使用所述色輪的色段的同步以使立體顯示的「左眼」和「右眼」視圖的序列同步，來將使用空間光調製器和色輪的電視或放映機增強為立體電視或放映機的低成本方法。通過在所述色輪上使用無源偏振材料(線偏振和/或圓偏振)，也可以使用無源偏振眼鏡。因為典型的色輪以視頻幀速率的倍數旋轉，因此實現了無閃爍的立體顯示。
文檔編號H04N5/64GK1998246SQ200580018648
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月6日 優先權日2004年5月7日
發明者貝爾尼·巴特勒－史密斯, 史蒂文·施克萊爾 申請人:科巴爾特娛樂有限公司