專利名稱：立體三維圖像顯示方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖像顯示方法及裝置，具體說，涉及一種立體三維圖像的顯示方法及裝置。
從使用者的立場來看，目前用來顯示三維的計算機數據的顯示器技術可分為兩大類(1)透視圖法在二維顯示屏上以透視圖法顯示三維圖像，及(2)景深顯示技術在二維顯示器上顯示有景深的圖像，例如激光全息攝影術(holography)或利用左右眼視角差異及特殊眼鏡來產生景深。透視圖法的缺點是缺乏真實的景深感，使用者使用鼠標在二維平面上定位容易，但要憑透視圖法定深度(即與顯示屏垂直的第三維)極困難。于是有各種景深顯示技術企圖克服此缺點。但是計算機激光全息攝影術需要巨大的計算器能力，技術尚未成熟；而左右眼視角差技術通常需要特殊眼鏡，不適合多人多方向觀看。此外，所有現存景深顯示技術的視角(view angle)都極為有限。
目前已知的立體三維圖像顯示技術有數種類型。所謂立體三維圖像(volumetric 3D image)是三維圖像實際上占有的體積，其圖像的每一個像素(voxel)在空間中實際所占的位置就是其幾何上所應在的位置，每一個像素所發(fā)出的光線射向幾乎所有方向，并在觀察者的眼中形成實象。因此，觀察者可以從幾乎任何方向觀看此立體三維圖像，無需借助任何特殊眼鏡。多位觀察者可以圍繞顯像空間，從不同方向觀看同一立體圖像。將投影裝置與計算機結合則可用來顯示三維的計算機數據或圖像，及三維圖像的動畫。應用范圍包括三維醫(yī)療圖像，立體雷達或聲納顯示，及電子游戲顯示器等。下面概述其各種類型。
變焦鏡(Varifocal Mirror)技術為早期發(fā)展的代表。變焦鏡系統(tǒng)包含一固定的二維顯示器，如陰極射線管，及一面來回移動的鏡子。使用者自鏡中觀看二維顯示器的虛像。虛像在鏡中的周期性移動形成一顯像空間。將一組二維畫面按順序連續(xù)顯示在二維顯示器上，二維畫面遂一張接一張地按順序于顯像空間中的不同位置顯像。通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張二維畫面在人眼中形成一立體三維圖像[參閱特勞巴(Traub)1967]。不過由于是觀看鏡中虛像，此技術的觀看角度甚窄。
第二種技術則直接移動或轉動一個二維顯示器，如一塊裝滿發(fā)光二極管矩陣的電路板，然后隨電路板移動到不同位置控制發(fā)光二極管矩陣圖形。由于視覺暫留效果，所有顯像于空間中的光點即形成一立體三維圖像[伯林(Berlin)1973]。此技術的最主要缺點為高速移動或轉動一電子顯示器易造成可靠度問題。其解像度也受限于發(fā)光二極管的體積。將數據自計算機或其它儀器傳送到移動顯示器上還存在信號接口的問題。
另一種技術使用一束或一束以上激光束去掃描一個高速移動或轉動的屏幕，激光束與屏幕的交會點即是一個不斷在空間中快速移動的光點。以計算器程控來調控光點在空間中掃描的路徑，利用視覺暫留效果，可以產生立體三維圖像[克利夫頓(Clifton)1993；加西亞(Garcia)1989；加西亞和威廉(Garcia and Williams)1991；索爾坦等人(Soltan et al.)1998；巴奇科(Batchko)1992]。此技術的缺點是圖像的復雜度受限于激光掃描技術的速度。工業(yè)安全因素也限制可用的激光光度。
還有一種技術是使用電子束去掃描一個鍍了磷的移動屏幕，即類似一個有移動屏幕的陰極射線管。另一種方法是用兩束交會的激光束或電子束去掃描一團對光或電敏感的發(fā)光氣體或固體[羅衛(wèi)(Rowe)1977；唐寧等人(Downing et al.)1996；科里瓦(Korevaar)1989]。使用兩束頩率不同的激光束交會于光敏氣體或固體中的技術簡稱為“二步能階”原理(principle of 2-step excitation)，因第一束激光將光敏材料激發(fā)到一中間能階，第二束激光再將材料激發(fā)到第二能階，在第二能階的光電效應才放出可見光。此類“點掃描”技術與所述激光光點技術有類似的缺點。
另一類技術揚棄所述的“點掃描”方法，采用“整張畫面”顯示法。所述早期發(fā)展的變焦鏡技術可視為一例。另一種方法是把許多片穿透式平面顯示器(例如液晶顯示器)疊在一起，成為一立體顯示器。[哈托里(Hattori)1992；薩多維尼克(Sadovinik)1998]但由于平面顯示器有一定厚度，在一定空間中能疊入的數量有限，因此這種方法的圖像分辨率也有限。另一種方法是使用一彎曲成漩渦形的屏幕，如

圖1所示。它以漩渦軸心101為軸線旋轉時，漩渦形的屏幕102即可掃過一顯示空間103。然后以一投影機將一張張的二維畫面投影在掃過該空間的屏幕上[蒙蒂伯勒(Montebello)1969]。不過限于投影機的焦距深(depth of focus)有限，此法能產生的顯示空間的深度也有限。另一種機構則使用一扭曲成螺旋狀的屏幕，如圖2所示。它繞軸線201旋轉時，螺旋狀的屏幕202即可掃過一顯示空間203。然后以一投影機將一張張的二維畫面投影在掃過該空間的屏幕上。為克服焦距深的限制，一種方法是用一合成像透鏡(anamorphic lens)來匹配螺旋狀屏幕的焦距深的巨大差異[莫頓(Morton)1990]。不過合成像透鏡制造組合極復雜，且成像品質不如一般投影透鏡。另一種方法則是以平行光束將一張張的二維畫面直接投影在移動屏幕上[湯普森(Thompson)1996]。因平行光束不受焦距深限制。但要產生平行光束，必須使用激光光為光源，或使用施利倫(Schlieren)投影光學設計。二者能源效率都較低，故商業(yè)成本高。
為克服以上各種技術的缺點，本申請案的發(fā)明人曾發(fā)明了“移動屏幕投影技術”。其基本原理為使用一“圖像傳遞機構”將來自投影機的圖像畫面?zhèn)鬟f到移動屏幕上，使屏幕運動時，投影其上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因屏幕運動而改變，其方位則與屏幕的方位保持同步。如此則產生二維畫面的投影機可以使用一般投影透鏡及光源，不需平行光束，也不需合成像透鏡?！耙苿悠聊煌队凹夹g”的內容可見于美國專利第5,754,147號及第5,954,414號[楚奧等人(Tsao et al.)1998；楚奧(Tsao)1999]。本申請案為“移動屏幕投影技術”的進一步改進因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有簡化的運轉穩(wěn)定及順暢的運動機構的立體三維圖像顯示方法和裝置，以提供更好的立體三維圖像品質和有具彩色及灰度(gray scale)的立體三維圖像并可以更自然的方式與立體三維圖像互動。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的一個方面，一種立體三維圖像顯示方法，其特點是它包括(1)使一顯像平面繞一軸線旋轉，且保持此顯像平面面對一固定方向；(2)按順序在所述顯像平面上連續(xù)顯示一組二維圖像畫面；(3)使所述顯像平面的運動形成一顯像空間，所述二維畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張二維畫面形成一立體三維圖像。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的另一方面，一種立體三維圖像顯示方法，其特點是，它包括(1)按順序連續(xù)顯示一組二維圖像畫面；(2)通過一圖像傳遞步驟將所述二維圖像畫面投影在一往復運動的顯像平面上，使投影在顯像平面上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因顯像平面運動而改變；所述圖像傳遞步驟使用一組繞一軸線公轉但不自轉的反射鏡，其位置按顯像平面位置變動而改變；或使用一組包涵一可變焦凹平凸反射鏡的投影裝置，其焦距按顯像平面位置變動而改變；(3)使所述顯像平面的運動形成一顯像空間，所述二維畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張二維畫面形成一立體三維圖像。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的又一方面，一種立體三維圖像顯示方法，其特點是，它包括(1)按順序連續(xù)顯示一組單色二維圖像畫面；(2)將所述二維圖像畫面投影在一快速移動的屏幕上；所述屏幕具有彩色像素組圖案，前述單色二維圖像投影其上，成為彩色二維圖像而顯示在屏幕上；(3)使所述屏幕的運動形成一顯像空間，所述彩色二維圖像畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張彩色二維畫面形成一彩色立體三維圖像。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的再一方面，一種用立體三維圖像來顯示具有彩色或灰度的曲面的方法，其特點是，它包括(1)將所述曲面的數據分解為數個次曲面的數據，每一個次曲面各有一不同的顏色或不同的像素密度分布，但形狀與原曲面相似；(2)將所述次曲面的數據，用立體三維圖像顯示在顯像空間中，并使所述各次曲面的立體三維圖像緊密疊合。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的另一方面，一種的立體三維圖像顯示裝置，其特點是，它包括(1)一能顯示立體三維圖像的裝置；(2)一凹面鏡；以及(3)一三維定位及輸入裝置。
為實現上述目的，本發(fā)明的又一方面，一種與立體三維圖像互動的方法，其特點是，它包括(1)使用一立體三維顯示器顯示一立體三維圖像；(2)使用一操縱器供使用者持用；(3)以數字數據定義所述操縱器的虛擬端的幾何參數；(4)使用一三維定位及輸入裝置，實時量測所述操縱器的位置與座向；(5)計算所述虛擬端的位置與座向；(6)將所述虛擬端按其位置與座向，顯示于所述立體三維顯示器中；(7)以計算器程序處理所述虛擬端的圖像與所述立體三維圖像的互動。
本發(fā)明的產生立體三維圖像的方法及裝置，為“移動屏幕投影技術”的改進?！耙苿悠聊煌队凹夹g”的基本原理為使用一光學機械的“圖像傳遞機構”，將一組二維畫面，依順序連續(xù)投影在一快速移動的屏幕上，使屏幕運動時，投影其上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因屏幕運動而改變。此屏幕在空間中的周期性移動形成一顯像空間。被投影的二維畫面于是一張接一張地按順序于顯像空間中的不同位置顯像。由于視覺暫留效果，所有顯像于空間中的一張張二維畫面即形成一立體三維圖像。觀察者可以從幾乎任何方向觀看此立體三維圖像，而無需借助任何特殊眼鏡。
本發(fā)明的移動屏幕機構為“旋轉往復機構”，基本原理為使屏幕繞一軸線公轉，但不自轉；公轉時屏幕的表面保持面對一固定方向，這樣，屏幕的旋轉運動可涵蓋一長方體顯像空間，屏幕實質上是在此空間中往返運動?？僧a生“旋轉往復”運動的機構有許多，主要機構為使用一組旋轉臂來帶動屏幕。
“旋轉往復機構”也可用來直接移動一個平面顯示器，如一片裝滿發(fā)光二極管矩陣的電路板，或一片高分子發(fā)光二極管顯示器[organic light emitting display，OLED]，來產生立體三維圖像。
本發(fā)明的兩種“圖像傳遞機構”，其第一種使用一組可移動反射鏡，其位置按屏幕位置變動而改變，以補償投影光程的變化，因此投影在屏幕上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因屏幕運動而改變。反射鏡的運動使用所述“旋轉往復機構”。第二種使用一可變焦凹平凸反射鏡，其焦距按屏幕位置變動而改變，與投影透鏡配合使時具有變焦鏡頭的功能，因此投影在屏幕上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況可不因屏幕運動而改變。
本發(fā)明的顯示彩色或灰度圖像的彩色投影法，其基本原理是將彩色像素組置于投影屏幕上，而非顯示面板上，這樣，投影機只需投射單色(白色)光圖像。單色二維圖像投影到屏幕上后才顯示出彩色。另外，利用位于三維曲面的表面以下的多余像素，可增加物體立體三維圖像的彩色或灰度。其方法是將欲顯示的彩色曲面的數據，分解為數個次曲面的數據。每一個次曲面各為一不同的顏色，但形狀與原曲面相似。然后在顯像空間中，將各次曲面緊密疊合，即可重現原曲面的彩色。
本發(fā)明也提出兩種改進的系統(tǒng)人機接口，讓使用者能以更自然的方式與立體三維圖像互動。
為更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，下面將結合附圖對本發(fā)明的較佳實施例的立體三維圖像顯示的方法和裝置進行詳細說明。
圖1為現有的使用一彎曲成漩渦形的屏幕的方法；圖2為現有的一種使用一扭曲成螺旋狀的屏幕的機構；圖3為示出現有的“移動屏幕投影技術”產生立體三維圖像的基本概念的示意圖；圖4是示出滑動曲柄機構移動屏幕的裝置的示意圖；圖5a-5f為本發(fā)明的“旋轉往復屏幕”的原理與機構之一的示意圖；圖6a-6c為本發(fā)明的“旋轉往復屏幕”機構之二的示意圖；圖7b-7d為本發(fā)明中用移動反射鏡組作為圖像傳遞機構的原理與三種裝置、方法的示意圖；圖8是用“旋轉往復”機構移動反射鏡組的裝置、方法之一的示意圖；圖9a-9d是用一組“旋轉往復”機構移動反射鏡組與屏幕的原理與裝置方法之一的示意圖。
圖10a-10b是用“旋轉往復”機構移動反射鏡組的裝置、方法之二的示意圖，該裝置和方法用以修正顯像空間的形狀；圖12a-12c是本發(fā)明中用變焦鏡作為圖像傳遞機構的原理與二種裝置方法的示意圖；圖13是本發(fā)明的“旋轉往復機構”直接移動一個平面顯示器的裝置、方法的示意圖14是本發(fā)明中用具有彩色像素組的屏幕產生彩色圖像的方法的示意圖。
圖16是本發(fā)明的顯示彩色的“次曲面法”的示意圖；圖17是本發(fā)明的人機系統(tǒng)裝置、方法之一的示意圖；圖18是本發(fā)明的人機系統(tǒng)裝置、方法之二的示意圖。
首先概述廣義的“移動屏幕投影技術”的基本概念。如圖3所示，其系統(tǒng)包含三個主要部份(1)移動屏幕圖像顯示屏(簡稱屏幕)11的周期性運動形成一顯像空間12。屏幕基本上有兩種運動方式往復式或旋轉式。例如一長方形往復式屏幕可形成一長方體狀顯像空間，旋轉式則形成一圓柱狀顯像空間。屏幕由半透明材料制成，故投影畫面在屏幕兩面皆可看見。
(2)圖像傳遞機構圖像傳遞機構13的功能為將來自投影機的投影光束14(其內容為一組二維圖像畫面14a)傳遞到移動屏幕上，使屏幕運動時，投影其上的圖像畫面，其尺寸及聚焦情況皆不因屏幕運動而改變，其方位則與屏幕的方位保持同步。箭號17表示投影光束投向屏幕的投射方向。
(3)圖像產生及投射裝置(簡稱投影機)投影機15用來產生形成立體三維圖像的一張張二維畫面14a，并將的投射于屏幕11上。投影機位置固定，其投射出的二維畫面則通過圖像傳遞機構13與運動屏幕達成同步。
將一組二維畫面，例如一車體的各截面輪廓曲線14a，經過圖像傳遞機構，依順序連續(xù)投影在移動屏幕上，則可使該組二維畫面一張接一張地依順序于顯像空間中的不同位置顯像16。由于視覺暫留效果，這些顯像于空間中的一張張二維畫面即在人眼中形成一立體三維圖像。觀察者可以從幾乎任何方向觀看此立體三維圖像，無需借助任何特殊眼鏡。所述三個主要部份，每個部分各有多種可能的裝置，因此系統(tǒng)也有多種可能的組合。
移動屏幕有多種可能的裝置。為方便敘述起見，往復式移動的定義，包括雙向往返運動，也包括周期性單向掃動。雙向往返運動，現成的例子可以用滑動曲柄機構，如圖4所示。滑動曲柄機構需由曲柄411經連桿412及滑槽(或線性軸承)413，才能將旋轉運動變?yōu)橥鶑褪揭苿樱虼溯^為復雜。周期性單向掃動，則可以圖1與圖2所示為例。漩渦形屏幕與螺旋狀屏幕則只須簡單的旋轉運動即可形成往復式移動屏幕，不過整個屏幕只有一小部分面積可用。本申請案提出一新穎的移動屏幕機構，稱為“旋轉往復機構”。如圖5a與5b-5d所示，基本原理為取一平坦屏幕11，使其繞一軸501公轉，但不自轉；亦即，公轉時屏幕的表面保持面對一固定方向(z方向)。如此則屏幕的旋轉運動可在z方向涵蓋一長方體顯像空間12。若觀察屏幕與此空間交集的部分，則屏幕實質上是在此空間中往返運動，如側視圖5b-5d三幅連續(xù)動作圖所示。故稱為“旋轉往復機構”。此運動方式的優(yōu)點是以純旋轉機構產生實質的屏幕線性往返運動。機構簡單可靠，投影17也較容易。由于屏幕的運動方式，其全長度須大于顯像空間12的寬度，才能在任何位置皆涵蓋投影光束。
可產生所述“旋轉往復”運動的機構自然有許多。圖5a示意裝置范例之一。主要機構為兩對同步旋轉的旋轉臂510a-510d(圖中畫成圓盤狀)。兩對旋轉臂可裝子一機臺上(機臺略去未畫出)，分別繞其中軸502及503旋轉。屏幕11固定于一支持結構520上，支持結構的兩端分別裝于一支桿522上，支桿則經由轉動軸承524與兩對旋轉臂相聯。當兩對旋轉臂繞其中軸502及503旋轉，屏幕支持結構與屏幕隨的轉動，可在一長方體顯像空間12中呈往返運動。每一旋轉臂皆可配以適當配重530，以使旋轉平衡順暢。圖5f示意保持兩對旋轉臂同步旋轉的機構。左右各一組正時皮帶及齒輪系統(tǒng)540使同側的旋轉臂(如510a與510c)保持同步。左右兩側的同步則靠一共軸550。一電動機560可由此共軸帶動整個機構。使用“旋轉往復機構”時，屏幕裝在屏幕支持結構上的角度可視需要決定，如圖5e所示，其屏幕坐向與圖5a不同。
圖6a-6c示意采“旋轉往復機構”的移動屏幕的裝置范例之二。圖6a為機構的剖面示意，圖6b為正面示意。主要機構為一旋轉臂610。旋轉臂裝于一機臺600上，繞中軸603轉動。中軸上有一正時皮帶齒輪605。中軸與正時皮帶齒輪皆固定于機臺，不轉動。旋轉臂的一端有一突出軸6101，軸上有第二正時皮帶齒輪620，可旋轉。兩正時皮帶齒輪620與605的直徑/齒數相同，兩者間以一正時皮帶630相連。屏幕11與支持結構621則固定于第二正時齒輪620上。如此，則當旋轉臂旋轉時，第二正時齒輪不自轉，屏幕的表面保持面對一固定方向。與圖5a與5f相同，保持平衡的配重530可置于旋轉臂的另一端，旋轉臂的運動可由一組正時皮帶640及固定在旋轉臂上的齒輪6102來傳動。此裝置范例可有另一變形，即除去正時皮帶630，然后在齒輪605與齒輪620的間加一惰齒輪，該惰齒輪的軸立于旋轉臂上，其齒各與齒輪605與620相咬合，也能達成相同功能。
“旋轉往復機構”也可用來直接移動一個平面顯示器，如一片裝滿發(fā)光二極管矩陣的電路板，或一片高分子發(fā)光二極管顯示器[organic light emitting display，OLED]，來產生立體三維圖像。如圖13所示范例，平面顯示器2001裝在支持結構520上，然后以兩對旋轉臂帶動，類似圖5a的機構。與旋轉往復屏幕一樣，平面顯示器的全長度也須大于顯像空間12的寬度。構成立體三維圖像的每張二維畫面16必須顯示于平面顯示器上的不同位置，以對應平面顯示器運動到不同的位置，如圖13左方所示平面顯示器走至不同位置的情形。
如果要使用“二步能階”原理來產生立體三維圖像，則不需實體屏幕。屏幕可以是一平面光束與一團光敏材料的交集平面。此平面光束的頩率可將光敏材料激發(fā)到中間能階。而投影機的投影光須為第二屏頩率，將材料激發(fā)到第二能階，由第二能階的光電效應遂放出可見光。要使一平面光束在一團光敏材料中往復掃動，可使用掃描鏡及拋物面鏡等方法，自為嫻熟光學機械工藝人士所知，不需細述。
圖像傳遞機構可分為兩類。第一類是移動反射鏡組。其原理是將一反射鏡組置入投影機到移動屏幕的光程中，反射鏡組與屏幕同步往復運動，但其速度為屏幕的二分的一，因此補償了投影機到移動屏幕的光程變化，使投影屏幕上的圖像畫面，其尺寸及聚焦情況皆不因屏幕運動而改變。圖7a示意[Tsao 1999]美國專利5,954,414號中所述的一例。投影機顯示器1501所產生的二維圖像，由透鏡1502投射，經一反射鏡組1301與1302反射，投影在移動屏幕11上。顯示器與透鏡不動。反射鏡1301與1302間成90度。投影光程702與屏幕行程701方向平行。屏幕行程在11至11A的間返復，形成長方體顯像空間12。反射鏡組與屏幕同步往復運動，但其速度及行程為屏幕的二分之一，在1301至1301A(及1302至1302A)的間。因此，由投影機至屏幕的光程保持不變。使用所述圖像傳遞機構，遂可將“整張畫面”連續(xù)投影于屏幕上來產生立體三維圖像。圖7b示意裝置范例之二，此裝置只用一面移動反射鏡1300，投影光束到移動反射鏡的入射角加反射角成一角度，因此顯像空間的兩個面呈平行四邊形12。又因此一角度的原因，反射鏡移動造成的光程差會比反射鏡行程的2倍稍大，因此為求最佳效果，應視需要縮減反射鏡行程。圖7c示意裝置范例之三，此裝置使用一組位置固定的全反射棱鏡1303來縮小投影光束702到移動反射鏡的入射角與反射角，因此顯像空間可較接近長方體。圖7d示意裝置范例之四，此裝置使用一偏分光棱鏡(polarizing beam splitter)1307，可以將投影光束到移動反射鏡的入射角與反射角降至0度，因此顯像空間可成正長方體。在此裝置中，進入偏分光棱鏡的投影光束最好是已經過偏光，例如一般以液晶為原理的顯示器的圖像皆已經過偏光。在此情況下，偏分光棱鏡與移動反射鏡的間必須使用一四分之一波長波阻器(quarter waveretarder)1305。又應選擇投影光束的偏光軸向，使投影光進入偏分光棱鏡后，反射至移動反射鏡1300。又應選擇四分之一波長波阻器的軸向，使投影光往復兩次通過四分之一波長波阻器后，偏光軸向轉90度，可以通過偏分光棱鏡，抵達屏幕。
移動反射鏡組的運動可采用與屏幕運動類似的機構，例如類似圖4的滑動曲柄機構，或類似圖5a的“旋轉往復機構”，其構造方法可將所述機構中的屏幕及支持結構改為適當的反射鏡組及支持結構即可。例如反射鏡組為直角雙鏡時(圖7a所用)，“旋轉往復機構”的裝置可如圖8所示，將雙鏡置于支持結構520上。
移動反射鏡組的運動與屏幕運動的間的同步協調，自然可用各種機構來實現，如用齒輪或正時皮帶等，此為嫻熟機械工藝人士所知，不需細述。惟反射鏡組運動與屏幕運動皆使用“旋轉往復機構”時，兩者的“旋轉往復機構”可以結合并簡化。圖9a與9b示意一移動反射鏡1300與移動屏幕11裝在同一組旋轉臂上的情形。圖9a為剖面示意，圖9b為正面示意。圖9c示意機構轉至最高點，圖9d示意機構轉至最低點。旋轉臂910a與910c與圖5a中的旋轉臂相似，但其上有一延伸結構包涵一短軸912，短軸上一延伸臂914向旋轉臂軸心901方向延伸，延伸臂再有一短軸916，以上皆固定于旋轉臂本體。短軸912經軸承(未畫出)與屏幕支持結構520兩端相聯。短軸912至軸心901半徑為R，因此當旋轉臂旋轉時，屏幕往復移動行程為2R，如圖9c與9d所示。延伸臂短軸916則以軸承(未畫出)與支持結構920兩端相聯。結構920與結構520類似，惟其上裝置反射鏡1300。延伸臂短軸916至軸心901半徑為1/2R，因此當旋轉臂旋轉時，反射鏡往復移動行程為R，如圖9c與9d所示。簡言的，使用延伸結構，可使一組旋轉臂同時具有兩個不同的運動行程，一個用來運動屏幕，一個用來運動反射鏡，達到光程補償的效果。例如，902示意一可用的投影路徑，此路徑與圖7b類似。
在圖7b與7c所示的裝置方法中，因投影光束到移動反射鏡的入射角大于0度，顯像空間的兩個面呈平行四邊形而非正長方形。這是因為反射鏡往復移動時，鏡面保持平行的結果。如果在反射鏡往復移動時，使鏡面轉動，則可改變投影畫面在屏幕上的位置，亦即可以修正顯像空間的形狀，使的更接近正長方體。圖10a示意圖7b的裝置方法經過此改變后的情形，反射鏡由最低點1300A走向最高點時，微微向逆時針方向轉動，使反射后的投影路徑703與最低點時的投影路徑703A不再保持平行，故能修正顯像空間的形狀。反射鏡所需轉角則視實際系統(tǒng)光程而定，例如圖10a中，若最高點投影路徑703與最抵點路徑703A的間角度為t，則反射鏡由最低點走向最高點需轉1/2t。至于轉動反射鏡的方法，自然也有多種機構可用。圖10b示意使用“旋轉往復機構”時，轉動反射鏡的方法，即是使用兩組旋轉半徑不同的旋轉臂，一組在前1010a，一組在后1010c。由于前后旋轉臂旋轉半徑不同，反射鏡支持結構1020運動時，其前軸1021與后軸1022的間距會有顯著變動，應留空間準其游移，如使用一小滑槽1024。
第二類圖像傳遞機構是變焦光件組。其基本原理是使用能快速改變焦距的光件組，來調整投影機投出二維畫面的成像距離與放大率，以配合屏幕的遠近運動。此類圖像傳遞機構與投影機的圖像投射部份實已成不可區(qū)分的一體。圖11示意[Tsao 1999]美國專利5,954,414號中所述的一例，主要使用一變焦鏡頭1101，可將投影機顯示器1501所產生的二維圖像投射到遠近運動的屏幕上，并維持放大率不變。實際裝置可用一數值控制器1103，依據傳感器1104傳來的屏幕距離數據，控制變焦鏡頭的制動器1102。
除變焦鏡頭外，其它變焦光件亦可應用，或與固定焦距投影鏡頭配合使用。變焦光件范例的二是發(fā)明背景一節(jié)中提過的變焦鏡(Varifocal Mirror)。變焦鏡是一薄膜反射鏡，其鏡面曲度可以快速改變，成為平面，凹面，或突面鏡。其詳細構造可參閱[Rawson 1969]。圖12a以幾何光學示意變焦鏡的光學功能。當鏡面是平面1203f時，位于O的物體9成虛像9f于O’，OM＝O’M。當鏡面成凸面1203x時，Fx為凸面鏡的焦點。物體9成虛像9x于X，OM＞XM，像高小于物高。當鏡面成凹面1203v時，Fv為凹面鏡的焦點，物體9成虛像9v于V，OM＜VM，像高大于物高。由上可知，變焦鏡改變鏡面曲度可以同時改變成像的距離與大小，且兩者相關。利用此功能，變焦鏡可與固定焦距鏡頭合用，達到變焦鏡頭的效果。圖12b示意裝置方法之一，主要是將變焦鏡1203置入顯示面板1501到投影透鏡1502的光程中。由于變焦鏡是反射式光件，因此需藉一全反射棱鏡1 204來安排光程。在此安排下，控制變焦鏡曲度即可控制顯示面板到投影透鏡的光程長度，也控制顯示面板相對于投影透鏡的大小。因此，當變焦鏡成凸面時，顯示面板變小且靠近投影透鏡，投影成像變遠，如位置B。當變焦鏡成凹面時，顯示面板變大且遠離投影透鏡，投影成像變近，如位置A，此時成像放大率也變小，但因顯示面板變大，結果成像尺寸仍可與位置B相同。凡此光程與光件參數皆可依幾何光學計算得到，不需細述。圖1示出裝置方法之二，主要是將變焦鏡1203置入投影透鏡1502至移動屏幕11的光程中。在此安排下，由于投影透鏡也受變焦鏡的作用，所以使用一制動器1200來調節(jié)顯示面板1501到投影透鏡的距離，以增加一可控變量。廣義而言，凡可變焦的凹平凸面鏡皆可達成以上功能，不必限于變焦鏡原本的構造。
圖像產生裝置原則上可以包括任何圖像顯示裝置，如投影式陰極射線管及投影式液晶顯示器等。圖像投射裝置則包括投影透鏡與光源，或其它圖像投射裝置如激光與激光束掃描裝置等。如欲充份利用“整張畫面投影”的特點來產生復雜立體三維圖像，則圖像產生裝置必須有高畫面再生率(frame refresh rate)及容許高亮度。有數種圖像產生裝置符合以上要求，包括發(fā)光二極管，鐵電性液晶(ferroelectric liquid crystal，簡稱FLC)顯示器[參閱克拉克(Clark)1981]，數字微鏡顯示器(digital micro mirror device，簡稱DMD)[參閱米格納蒂(Mignardi)1994]，及薄膜微鏡顯示器[thin-film micro mirror array，簡稱TMA][參閱金和赫望(Kim andHwang)1999]等。
以上圖像產生裝置，除發(fā)光二極管與激光外，顯示器本身沒有顏色。要產生彩色圖像，依一般顯示器工藝，有兩類方法。一是使用三片顯示面板，如三片液晶面板，每片分別投以不同顏色的光(如紅，綠，藍三原色)，然后將三個不同顏色的畫面投影重疊在一起。另一方法是使用具有彩色像素組(color triads)的顯示面板，例如彩色液晶顯示器常以一層或數層具有微小彩色濾光片列陣的薄膜，疊在無色的液晶面板上，以產生顏色。二法自為嫻熟顯示器工藝人士所知，不需細述。惟在液晶面板上制作彩色像素組程序復雜。為達以投影產生立體三維圖像的目的，本發(fā)明提出一新穎的彩色投影法。其基本原理是將彩色像素組置于投影屏幕上，而非顯示面板上，如此則投影機只需投射單色(白色)光圖像。單色二維圖像投影到屏幕上后，才顯示出彩色。如圖14所示，屏幕1411可用一半透明材料1452，鍍上或貼上一層具有彩色濾光片列陣的薄膜1451(圖中所示為重復的紅R綠G藍B條紋)。投影機投射的圖像由白色光點1460組成。白色光點落在紅條紋上即成紅光點1460R；落在綠或藍條紋上即成綠或藍光點，即1460G或1460B。另一制作屏幕的方法則是直接用具有彩色像素組圖樣的半透明材料當作屏幕。此法最重要的是投影機投射的白光圖像必須對準正確的彩色像素組，才能在屏幕上重建正確的彩色畫面。雖然在“移動屏幕投影技術”中，屏幕不斷移動，不過其運動都是周期性可重復的。因此，任何時間屏幕與投影機的相對位置都是可知的。如此，投影機的在屏幕上的投影位置與彩色像素組圖樣的相對位置也是可知的。只要掌握此相對位置，就可以適當安排投射的白光圖像內容，對準正確的彩色像素組，在屏幕上重建正確的彩色畫面。
利用立體三維圖像的特質，可以一種新的方法在顯像空間中組合像素，產生更多的彩色或灰度。根據我們的實驗觀察，立體三維圖像最適合表達三種基本幾何形式的空間分布關系稀疏的點集合，曲線(包括直線)，及曲面(包括平面)。在很多情況下，三維物體可以用曲面來顯示。因為在空間中顯示一三維物體只需用像素表達物體的表面即可，不必理會其內部。例如圖15示意在空間中顯示一長方體，只需以像素顯示其六個表面即可(圖中畫出三個表面151-153)，其內部的像素皆未用到。此一特質是二維顯示器所沒有的。此一特點讓我們可以利用位于物體的表面以下的多余像素，來增加物體表面的彩色或灰度。其方法是將欲顯示的彩色曲面的數據，分解為數個次曲面的數據。每一個次曲面各為一不同的顏色，但形狀與原曲面相似。然后在顯像空間中，將各次曲面緊密疊合，即可重現原曲面的彩色。此方法特別適于使用彩色像素組的顯示器。如圖16，左方示意一三維曲面數據21及其表面的一部分數據點22。平面20表示某一瞬間移動屏幕所在位置，其與三維曲面的交集面即是當時應當投影的畫面。23為此交集面一小部分的放大圖，其上四枚小方點24-27代表曲面的表面，W代表白色。圖16右方示意如何在顯像空間中用次曲面顯示原三維曲面的顏色。首先，將彩色曲面的數據，分解為三個次曲面，如162R，162G，162B所示，分別為紅綠藍三色。然后在顯像空間中，將各次曲面緊密疊合162。163為某瞬間屏幕上投影的畫面的放大圖，其位置對應23所示。像素162B-1，162B-2，162B-3皆為次曲面162B的一部分，其它像素則分屬次曲面162R與162G的一部分。三個次曲面色彩相混，重現原曲面的顏色。例如像素162R-1(紅)，162G-1(綠)，162B-1(藍)相混成白色，即對應原數據點24的顏色。
以上所述次曲面顯示法，雖然會增加曲面的厚度，但對立體三維圖像的視覺效果的負面影響不大。首先，增加的像素是在物體表面的內面。其次，多數情形下，觀察者的視線與次曲面疊合的方向相近，在此視角下疊合厚度較不顯著。如果只要顯示灰度，則各次曲面可同為白色或其它單色，顯示面板或屏目也不需彩色像素組。每一次曲面的像素密度分布也隨處不同，因此疊合后可顯示各處灰度分布不同。
以上使用次曲面顯示曲面彩色或灰度的方法，是顯示立體三維圖像的一種基本方法，因此可應用于任何立體三維圖像顯示器，不限于本申請案所述的硬件裝置。
如果圖像產生裝置使用三片具有彩色像素組的顯示面板，并將三個彩色畫面重疊，自然可以有更多彩色。
立體三維圖像顯示器可以經由附加裝置，改進系統(tǒng)人機接口，讓使用者以更自然的方式與立體三維圖像互動。理想互動方式的一是讓使用者以手或手持器具伸入顯像空間中，直接指，觸，及處理三維圖像。圖17示意此種“無障礙”系統(tǒng)的裝置范例之一。此裝置將立體三維顯示器1800與一大凹面鏡1820結合。立體三維顯示器的顯像空間1810置于接近凹面鏡光軸1821處，焦點f的外。依光學成像原理，顯像空間中的立體三維圖像會成一實象，浮于接近凹面鏡光軸的空中1850。此實象也是立體三維，看起來猶如跳出凹面鏡的外。使用者1870可以在手或手指上裝上三維定位及輸入裝置1860，經過計算器1880及程序的計算，即可以手伸入立體三維圖像，可直接指，觸，及處理三維數據。三維定位及輸入裝置可以是一三維定位系統(tǒng)，一手持式三次元量具，或力回饋三維輸出入裝置(force feedback hapticdevice)。
圖18示意“無障礙”人機系統(tǒng)的裝置方法之二。使用者手持一操縱器1970，此操縱器有一“虛擬端”1971?！疤摂M端”并無實體，只以數字數據定義其幾何形，并與操縱器的幾何參數一體定義，如圖標。操縱器連接于定位系統(tǒng)1960上，因此，計算器1980可隨時知道操縱器的位置與座向。當定位系統(tǒng)與計算器測得“虛擬端”的任何部份已進入顯像空間1912時，計算器程序即根據操縱器的位置與座向，將“虛擬端”進入顯像空間的部份處理成圖像數據，在顯像空間對應的位置顯示出來1971a。如此，使用者可藉操縱器的“虛擬端”進入顯像空間，猶如用手一般。力回饋三維輸出入裝置可與所述系統(tǒng)結合，使操縱器成為“虛擬工具”。如圖18，操縱器可以是一“虛擬鑷子”，有兩個施力點1972與1973，使用者可以兩手指操作兩個施力點施力。“虛擬端”則可定義為鑷子的兩臂1971，可隨使用者施力而移動。使用適當的計算器程序及數字模型，使用者遂可以用此一虛擬鑷子“夾起”一虛擬人體組織的表面1990。以上“虛擬端”與“虛擬工具”的方法自然也能用于圖17的系統(tǒng)。
權利要求
1.一種立體三維圖像顯示方法，其特征在于，它包括(1)使一顯像平面繞一軸線旋轉，且保持此顯像平面面對一固定方向；(2)按順序在所述顯像平面上連續(xù)顯示一組二維圖像畫面；(3)使所述顯像平面的運動形成一顯像空間，所述二維畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張二維畫面形成一立體三維圖像。
2.根據權利要求1所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述顯像平面為一主動發(fā)光的顯示器，如發(fā)光二極管矩陣或高分子發(fā)光二極管顯示器。
3.根據權利要求1所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述顯像平面為一屏幕，所述二維畫面由投影方式顯像于屏幕上。
4.根據權利要求3所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述投影方式還包括一圖像傳遞步驟，此圖像傳遞步驟使投影在屏幕上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因屏幕運動而改變。
5.根據權利要求4所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述投影方式與圖像傳遞步驟使用一組可變焦光件，其焦距按屏幕位置變動而改變；所述變焦光件包括一可變焦透鏡或一可變焦凹平凸反射鏡。
6.根據權利要求4所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于圖像傳遞步驟使用一組可移動反射鏡，其位置按屏幕位置變動而改變。
7.根據權利要求6所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于可移動反射鏡的移動方式為直線往返運動。
8.根據權利要求6所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于可移動反射鏡的移動方式為繞一軸線旋轉，旋轉時保持反射鏡面對一固定方向。
9.根據權利要求8所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述可移動反射鏡的移動方式是使用一組旋轉臂機構帶動反射鏡。
10.根據權利要求6所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于可移動反射鏡的移動方式為繞一軸線旋轉，旋轉時反射鏡面對的方向成周期性變動，以配合屏幕的位置變動。
11.根據權利要求10所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述可移動反射鏡的移動方式是使用一組旋轉臂機構帶動反射鏡。
12.根據權利要求6所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述可移動反射鏡的移動方式是使用一組旋轉臂機構帶動反射鏡，此組旋轉臂機構同時也帶動屏幕的運動。
13.一種立體三維圖像顯示方法，其特征在于，它包括(1)按順序連續(xù)顯示一組二維圖像畫面；(2)通過一圖像傳遞步驟將所述二維圖像畫面投影在一往復運動的顯像平面上，使投影在顯像平面上的圖像畫面、其尺寸及聚焦情況都不因顯像平面運動而改變；所述圖像傳遞步驟使用一組繞一軸線公轉但不自轉的反射鏡，其位置按顯像平面位置變動而改變；或使用一組包涵一可變焦凹平凸反射鏡的投影裝置，其焦距按顯像平面位置變動而改變；(3)使所述顯像平面的運動形成一顯像空間，所述二維畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張二維畫面形成一立體三維圖像。
14.根據權利要求13所述的立體三維圖像顯示方法，其特征在于所述顯像平面包括一投影屏幕或一平面光束與一團光敏材料的交集平面。
15.一種立體三維圖像顯示方法，其特征在于，它包括(1)按順序連續(xù)顯示一組單色二維圖像畫面；(2)將所述二維圖像畫面投影在一快速移動的屏幕上；所述屏幕具有彩色像素組圖案，前述單色二維圖像投影其上，成為彩色二維圖像而顯示在屏幕上；(3)使所述屏幕的運動形成一顯像空間，所述彩色二維圖像畫面按順序于顯像空間中的不同位置顯像，通過視覺暫留效果使所有顯像于空間中的一張張彩色二維畫面形成一彩色立體三維圖像。
16.一種用立體三維圖像來顯示具有彩色或灰度的曲面的方法，其特征在于，它包括(1)將所述曲面的數據，分解為數個次曲面的數據，每一個次曲面各有一不同的顏色或不同的像素密度分布，但形狀與原曲面相似；(2)將所述次曲面的數據，用立體三維圖像顯示在顯像空間中，并使所述各次曲面的立體三維圖像緊密疊合。
17.一種的立體三維圖像顯示裝置，其特征在于，它包括(1)一能顯示立體三維圖像的裝置；(2)一凹面鏡；以及(3)一三維定位及輸入裝置。
18.一種與立體三維圖像互動的方法，其特征在于，它包括(1)使用一立體三維顯示器顯示一立體三維圖像；(2)使用一操縱器供使用者持用；(3)以數字數據定義所述操縱器的虛擬端的幾何參數；(4)使用一三維定位及輸入裝置，實時量測所述操縱器的位置與座向；(5)計算所述虛擬端的位置與座向；(6)將所述虛擬端按其位置與座向，顯示于所述立體三維顯示器中；(7)以計算器程序處理所述虛擬端的圖像與所述立體三維圖像的互動。
全文摘要
一種立體三維圖像顯示方法及裝置是通過一圖像傳遞機構將一組二維畫面依次連續(xù)投影在一快速移動的屏幕上。旋轉往復機構將旋轉運動轉變成往復移動以移動屏幕。圖像傳遞機構通過旋轉往復機構移動一組反射鏡和由一變焦鏡與投影透鏡結合,當共同使屏幕運動時,投影圖像的畫面、尺寸及聚焦情況都不因屏幕運動而改變。旋轉往復機構可直接移動一平面顯示器產生立體三維圖像。本發(fā)明還包括產生彩色與灰度的投影法和新的人機系統(tǒng)。
文檔編號H04N13/04GK1366197SQ01101608
公開日2002年8月28日 申請日期2001年1月16日 優(yōu)先權日2001年1月16日
發(fā)明者曹哲之 申請人:亞特科研公司