WO2003012526A1

WO2003012526A1 - Dispositif d'affichage d'images autostereoscopiques en couleurs

Info

Publication number: WO2003012526A1
Application number: PCT/FR2002/002759
Authority: WO
Inventors: Patrick Seugnet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2004-02-02
Also published as: FR2828370A1; FR2828370B1

Abstract

Système de vision stéréoscopique comprenant un écran plat (1), dont les pixels (Pi)des triplets sont orientés horizontalement, et un masque (2) forme de groupes d'éléments d'occultation (Gi, Gj) est placé devant l'écran (1). Chaque groupe est associé a une colonne de triplets (Pi) pour occulter les triplets et n'en visualiser qu'une tranche par la commande de l'élément d'occultation correspondant. Un oculomètre (7) repère la position des yeux (OG, OD) du spectateur (S) par rapport a l'écran (1) et fournit les informations de position (xOG, yOG, xOD, yOD) et un circuit de commande (4) pour commander les éléments d'occultation des tranches de triplets a libérer en fonction de la position instantanée du spectateur (S).

Description

DISPOSITIF D'AFFICHAGE D'IMAGES AUTOSTEREOSCOPIQUES EN COULEURS.

La présente invention concerne un système de vision sté- réoscopique comprenant un écran plat composé de triplets de pixels et un réseau lenticulaire formé de lentilles cylindriques placé devant l'écran, une lentille étant associée chaque fois à une ou plusieurs colonnes de triplets de pixels, pour transmettre une image gauche et une image droite destinées respectivement à l'oeil gauche et à l'œil droit du spectateur.

La vision stéréoscopique ou la perception du relief pour l'être humain résulte de la superposition de deux images différentes re- çues par les yeux du spectateur.

Pour imiter la perception du relief d'une vision naturelle dans le cas d'une image, c'est-à-dire d'une surface plane, il faut créer deux images du même sujet, prises à partir de deux points de vue éloignés sensiblement de l'écartement des yeux d'un spectateur pour afficher ces deux images et permettre leur vision, séparée, chaque fois par l'œil auquel l'image est destinée car pour obtenir la sensation de relief il est nécessaire que chaque œil ait une perception propre.

En d'autres termes, il y a une image pour l'œil droit et une image pour l'œil gauche. Ces deux images doivent être nettement séparées et ne pas se combiner.

Dans certains systèmes de vision stéréoscopique, les deux images sont nettement séparées et ne peuvent être combinées. L'un des systèmes les plus anciens consiste à faire une image dans une couleur et l'autre image dans une autre couleur et d'utiliser des lunettes à verres colorés, qui ne laissent passer que la couleur destinée à l'œil associé à cette couleur.

Il existe également des systèmes de vision stéréoscopique d'images consistant à superposer les deux images et de les regarder à travers un réseau lenticulaire constitué d'une plaque formée de lentilles cy- lindriques verticales.

Ce système utilise les lentilles pour n'autoriser au spectateur qui se trouve dans une position déterminée, précise face à l'image couverte par le réseau lenticulaire, de ne voir avec chaque œil que l'image qui lui est destinée. L'inconvénient d'un tel système surtout pour la transposition à des écrans plats, par exemple de télévision, est la nécessité qu'il y a pour le spectateur de se positionner à un endroit précis devant l'écran. Or si la recherche d'une telle position et le maintien de la tête dans une telle position est possible pendant une durée très courte, par exemple pour voir une image à travers un réseau lenticulaire, surtout parce que l'effet de curiosité reste vif pendant un laps de temps court, cette solution n'est plus envisageable pour une vision stéréoscopique prolongée devant un écran.

Selon le document « 3-D Displays and video tracker ease computer opération. Dr Siegmund Pastoor de l'institut du Henrich-Hertz de Berlin. Europhotonics, octobre/ novembre 99 » Il existe déjà un système permettant de commander le déplacement de l'écran en fonction des mouvements de la tête. La tête ou plus exactement les yeux du spectateur sont repérés par un oculomètre utilisant une lumière infrarouge, c'est-à-dire non perceptible par le spectateur, pour déterminer la position de la tête du spectateur même lorsque celle-ci bouge et asservir la position de l'écran en fonction de la position instantanée de la tête du spectateur. Cette solution envisageable en théorie est d'une mise en œuvre pratique relativement compliquée, limitant son utilisation à des essais de laboratoire mais ne permettant pas la réalisation de ce système pour une diffusion publique.

De plus, cet asservissement associe le mouvement de l'écran aux mouvements de la tête du spectateur ce qui exclut la multiplicité des spectateurs regardant la même scène, par exemple deux ou trois spectateurs qui seraient placés devant l'écran et dont les têtes se déplaceraient avec des mouvements nécessairement différents.

La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et se propose de développer un système de visualisation stéréoscopique d'images affichées sur un écran plat, permettant d'avoir une vision stéréoscopique quelle que soit la position de la tête du spectateur devant l'écran ou les mouvements que peut faire le spectateur pendant qu'il regarde l'écran. A cet effet, l'invention concerne un système du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que

- sur l'écran plat, les pixels des triplets sont orientés horizontalement,

- un masque formé de groupes d'éléments d'occultation est placé devant l'écran, * chaque groupe étant associé à une colonne de triplets pour occulter les triplets et n'en visualiser qu'une tranche par la commande de l'élément d'occultation correspondant, - un oculomètre repérant la position des yeux du spectateur par rapport à l'écran et fournissant les informations de position,

- un circuit de commande recevant les informations de position de l'oculomètre et générant des signaux de commande pour commander les éléments d'occultation des tranches de triplets à libérer en fonction de la position instantanée du spectateur.

Le système de vision stéréoscopique selon l'invention permet d'associer de manière précise et quasi instantanée, les deux images stéréoscopiques exactement aux deux yeux du spectateur, quels que soient les mouvements que celui-ci fait avec la tête.

Ce système peut également être généralisé et permet d'associer les deux images stéréoscopiques à la position de la tête de plusieurs spectateurs placés devant l'écran.

La position de la ou les têtes des spectateurs peut se dé- tecter avec un oculomètre détectant la position de la tête avec une certaine périodicité. Dans le cas de plusieurs spectateurs, le même oculomètre peut fonctionner de manière multiplexée.

Les signaux générés par le circuit de commande sont des signaux de déclenchement ou de commande des éléments d'occultation associés à chaque colonne des pixels sous forme de dispositifs de commutation optique, par exemple des cristaux liquides. Dans le cas d'un seul spectateur, un élément d'occultation est associé à chaque colonne des pixels de l'image gauche ou de l'image droite.

Dans le cas de deux ou plusieurs spectateurs, les éléments d'occultation associés à chaque œil de spectateur sont en principe différents puisque les dispositions angulaires des yeux des spectateurs ne coïncident pas.

Suivant la résolution, c'est-à-dire la largeur des éléments d'occultation, il se peut que, dans certains cas, un même élément d'occultation soit commun aux yeux de deux spectateurs. La commande des éléments d'occultation des groupes du masque se fait de manière simple par les bords de l'écran puisque les éléments d'occultation occupent toute la hauteur de l'écran. Cela permet d'appliquer les techniques de commande déjà utilisées pour les écrans plats. Dans le cas le plus simple et à titre didactique, on a présenté le masque formé par les groupes d'éléments d'occultation comme étant distinct de l'écran plat. En pratique, l'écran plat peut être directement combiné au masque en divisant les pixels en tranches qui se com- mandent séparément les unes des autres. Une tranche de pixel (ou d'une colonne de pixels) correspond alors à un élément d'occultation.

La vision stéréoscopique selon l'invention est intéressante non seulement pour les applications de loisirs telles que la présentation de films ou de reportages mais également pour des applications professionnels comme la conception mécanique ou les centres de navigation aérienne, de manière à bien percevoir la forme d'un objet ou la disposition ou encore la répartition d'objets dans l'espace. La vision en relief permet également d'améliorer l'interface homme/ machine en informatique grâce à la facilité qu'elle offre pour la vision de l'empilage de dossiers ou de documents sur un écran avec une vision en trois dimensions.

La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue globale du principe de la vision stéréoscopique d'image,

- la figure 2 est un schéma d'ensemble du système de vision stéréoscopique selon l'invention,

- la figure 3 est un schéma de détail élémentaire de la figure 2, - la figure 4 est une vue de détail d'une partie d'écran du système de vision stéréoscopique selon l'invention.

Selon la figure 1, le principe de la vision stéréoscopique d'une image sera expliqué de manière générale.

Cette figure est une vue « en plan », c'est-à-dire perpendi- culaire au plan de l'image I, représenté par un trait avec des points ou pixels identifiés par les références PD, PG. Devant cette image I se trouve un réseau R de lentilles L et enfin, devant l'ensemble, se trouve placé le spectateur S représenté par son œil gauche OG et son œil droit OD.

Le principe de la vision stéréoscopique repose sur la récep- tion d'une image différente par l'œil gauche et par l'œil droit. L'image I est préparée pour une vision stéréoscopique et pour cela elle est décomposée en deux images combinées, l'une formée des points image PD destinés à être vus par l'œil droit OD et l'autre par des points images PG destinés à être vus par l'œil gauche OG. Pour permettre cette séparation et n'envoyer à chaque œil que les points image qui lui sont destinés, l'image I est couverte par un réseau R de lentilles L. Ces lentilles sont des lentilles cylindriques schématisées par des sections elliptiques et dont la direction de la génératrice est perpendiculaire au plan de la figure. Ces lentilles sont orientées verticalement.

Grâce à la disposition géométrique du réseau de lentilles devant l'image I, pour une position précise du spectateur S devant l'écran celui-ci percevra l'image en relief puisque dans cette position son œil gauche ne recevra que l'image gauche et son œil droit, que l'image droite.

Dans toute autre position, il y aura chevauchement et le relief sera moins prononcé ou l'image illisible.

Ce principe général de vision stéréoscopique d'une image nécessite donc que le spectateur S se trouve dans une position précise devant l'écran. Toute autre position ne lui permet pas de percevoir réellement la stéréoscopie.

Comme déjà indiqué ci-dessus, l'invention a pour but d'affranchir le spectateur S de cette position précise et de lui permettre de voir une image stéréoscopique quelle que soit sa position devant l'écran, et même s'il change de position, ce qui est prévisible.

La figure 2 montre le principe général du système de vision stéréoscopique selon l'invention.

Ce système est destiné à donner une vision stéréoscopique d'une image affichée sur un écran plat tel qu'un écran vidéo. Cette image peut être fixe ou mobile. Elle est destinée à être regardée par un spectateur S placé devant l'écran dans une position relativement quelconque, éventuellement au milieu de l'écran, mais non nécessairement et à aucun emplacement précis ou fixe. Le spectateur est représenté par son œil gauche OG et son œil droit OD. Le système de vision stéréoscopique se compose d'un écran 1 tel qu'un écran plat sur lequel est affiché l'image. Cet écran est muni d'un masque 2 et devant celui-ci un réseau de lentilles 3. L'écran 1 est mis en œuvre par un circuit de commande 4 par l'intermédiaire d'une commande de pixels 5 et d'une commande de masque 6. Enfin, le système comporte un oculomètre 7.

L'écran 1 est formé par des triplets de pixels comme cela est représenté à titre d'exemple à la figure 4. Ces triplets sont répartis suivant des colonnes verticales de chaque fois trois pixels de couleur, superposés. La figure 2 montre schématiquement deux colonnes de pixels Pi, Pj juxtaposées ou non. Ces pixels ou colonnes de pixels sont couverts, sur leur face avant, du côté du spectateur S, par un masque 2 formé de groupes Gi, Gj d'éléments d'occultation Eil, Ei2, Ei3, Ej l, Ej2, Ej3 associés res- pectivement à la colonne des pixels Pi et à la colonne des pixels Pj. Ces éléments d'occultation sont des bandes verticales, qui peuvent être soit opaques, soit transparentes. Ces éléments d'occultation sont commandés à partir de la commande de masque 6. Cette commande a pour fonction de neutraliser l'un des éléments d'occultation Eil, 2, 3 ou Ej l, 2, 3, c'est- à-dire de le rendre transparent. Les éléments d'occultation sont des dispositifs de commutation optique qui peuvent être réalisés par des cristaux liquides.

Enfin, l'ensemble formé par l'écran et le masque est couvert par un réseau 3 de lentilles. Dans le cas représenté, il y a une seule lentille Li (Lj) par colonne de pixels Pi (Pj). Le nombre de colonnes de pixels associés à une même lentille L du réseau 3 dépend de considérations optiques. En général on utilisera la solution la plus simple associant une lentille à une colonne de pixels mais des solutions optiques plus compliquées sont envisageables.

Dans la mesure où les colonnes de pixels Pi et Pj sont juxtaposées, elles peuvent être associées chacune à une image IMD, IMG pour l'œil droit et l'œil gauche.

Ainsi, à titre d'exemple, sur l'écran 1, les colonnes de pixels d'ordre pair seront par exemple réservées à l'affichage des points images de l'image IMD pour l'œil droit OD et les colonnes de pixels d'ordre impair Pj aux points image de l'image IMG destinée à l'œil gauche OG.

L'oculomètre 7, associé au système, détermine la position des yeux OG, OD du spectateur S en les localisant par exemple dans un système de coordonnées représenté schématiquement par le système ox, oy. Cet oculomètre 7 détermine les coordonnées xOG, yOG de l'œil gauche OG et les coordonnées xOD, yOD de l'œil droit OD. Ces informations sont transmises au circuit de commande 4.

Le circuit de commande 4 traite les informations de position des yeux gauche et droit OG, OD pour déterminer les signaux de commande de masque pour l'organe de commande de masque 6. Ces signaux sont principalement des signaux de commande des éléments d'occultation Eil, 2, 3, Ej l, 2, 3 des groupes Gi, Gj pour permettre aux pixels actifs l'envoi d'un rayon lumineux vers l'œil droit OD et l'œil gauche OG. De manière plus détaillée, selon la figure 2, on suppose que le pixel Pi est un point de l'image IMD qui doit être vu par l'œil droit OD.

Pour cela, tenant compte des caractéristiques optiques de la lentille L placée devant l'écran, le circuit de commande 4 détermine l'élément d'occultation Eix qu'il faut déclencher pour permettre le passage d'un rayon lumineux ROD issu du pixel Pi et qui, ayant traversé la lentille L, atteindra l'œil droit OD sans tomber également sur l'œil OG.

On suppose que le calcul purement algébrique et trigono- métrique effectué par l'organe de commande en fonction de la position de l'œil droit OD et de la position du pixel Pi dans le plan de coordonnées oxy, a déterminé que la partie du pixel Pi située derrière l'élément d'occultation Gi3 était celle qui devait émettre la lumière pour obtenir le rayon ROD. Le signal de commande transmis par l'organe 6 au masque

2 sera un signal de neutralisation de l'élément d'occultation Gi3. Celui-ci deviendra transparent et laissera passer le rayon lumineux ROD qui, après avoir traversé la lentille L, atteindra l'œil OD. Les autres éléments d'occultation Eil, Ei2 resteront occultés. Ils ne permettront pas à la sur- face du pixel Pi située derrière ces éléments d'occultation, d'émettre des rayons lumineux.

Dans les mêmes conditions, pour le pixel Pj supposé faire partie de l'image IMG destinée à l'œil gauche, le circuit de commande 4, tenant compte de la position de l'œil gauche OG dans le système de coor- données oxy et de la position du pixel Pj dans ce même système de coordonnées, le circuit de commande 4 détermine celui des éléments d'occultation Ej l, 2, 3 qu'il faut neutraliser pour que la surface du pixel Pj couverte par cet élément d'occultation Ej2 puisse émettre un rayon lumineux ROG. Ce rayon lumineux, après avoir traversé la lentille L, tombera sur l'œil gauche OG.

La précision de l'occultation, c'est-à-dire la précision avec laquelle on forme les rayons ROD, ROG destinés à chacun des deux yeux OD, OG du spectateur, sans risque qu'un même rayon tombe sur les deux yeux, dépend en grande partie du nombre d'éléments d'occultation utilisé. Lorsque le spectateur S bouge sa tête, le mouvement des yeux OG, OD sera immédiatement détecté par l'oculomètre 7 qui fournira les nouvelles informations de position (xOG, yOG) et (xOD, yOD) au circuit de commande 4. Partant de ces nouvelles informations, le circuit de commande 4 déterminera les éléments d'occultation de chaque groupe d'occulation Gi, Gj de chaque image IMD, IMG qu'il faut neutraliser pour envoyer des rayons lumineux des pixels de chaque image IMD, IMG vers l'œil OD, OG auquel est destinée cette image. Il est évident que l'explication donnée ci-dessus à propos de deux colonnes de pixels Pi, Pj s'applique à l'ensemble des pixels et des groupes d'éléments d'occultation du masque 2 sur toute la largeur de l'écran. II est également à remarquer que la vision stéréoscopique se faisant avec une ligne d'horizon horizontale, les phénomènes d'occultation des pixels seront les mêmes pour une même colonne de triplets de pixels, c'est-à-dire pour tous les triplets de pixels d'une même colonne verticale.

En d'autres termes, tous les pixels de la colonne représen- tée par le pixel Pi seront visibles pour la partie des pixels située derrière l'élément d'occultation Ei3. De même, pour le pixel Pj, tous les autres pixels (ou triplets de pixels de cette même colonne) seront visibles à l'emplacement de l'élément d'occultation Ej2.

La figure 3 montre, d'une façon légèrement différente, l'écran avec son masque et le réseau de lentilles. Cette figure met en évidence l'angle d'inclinaison αj/OG et αe/OD des rayons destinés à l'œil gauche OG et à l'œil doit OD.

La figure 4 montre un détail d'un écran plat d'un système de vision stéréoscopique selon l'invention. Cette figure donne une image de la colonne d'ordre n et de la colonne d'ordre n+1 des triplets de pixels. Elle montre dans la colonne n, deux triplets superposés correspondant au pixel rouge, au pixel vert et au pixel bleu. Ces pixels sont barrés par des éléments d'occultation Gnl, Gn2...Gn8 représentés écartés. En fait, ces éléments d'occultation sont jointifs et lorsque les éléments d'occultation ne sont pas neutralisés, les pixels ne peuvent apparaître au travers de ceux-ci.

Ces éléments d'occultation sont les mêmes sur toute la colonne n. Dans cet exemple, pour la colonne n+1 on a huit éléments d'occultation (Gn+1, l),...(Gn+l,... 8). Ces éléments d'occultation sont verticaux, orthogonaux aux pixels constitués par des surfaces rectangulaires, allongées dans la direction horizontale. Cette direction des pixels (ou des triplets de pixels) est tournée à 90° par rapport à la direction des pixels des écrans plats actuels utilisés en informatique. Ce changement d'orientation est nécessaire car les éléments d'occultation doivent correspondre à la direction neutre de la vision stéréoscopique, c'est-à-dire la direction verticale, perpendiculaire à la direction d'horizon. Les éléments d'occultation sont de préférence des cristaux liquides activés ou neutralisés par une tension de commande appliquée aux deux extrémités de chaque élément d'occultation concerné, c'est-à- dire à l'extrémité verticale supérieure et à l'extrémité verticale inférieure de chaque élément d'occultation au-delà de la partie visible de l'écran.

Ces éléments d'occultation formant le masque sont des cristaux liquides qui peuvent être de même type que ceux de l'écran. On peut également utiliser d'autres commutateurs optiques pour constituer le masque ou les éléments d'occultation, par exemple la technologique LCD ferroélectrique (encore appelée FLC) qui permet également une commutation optique binaire (état transparent/ état optique) très rapide. Ces éléments peuvent être de très petite taille.

L'écran selon l'invention a l'avantage d'être compact et de fonctionner rapidement. II est également possible de combiner le masque et les pixels en décomposant les pixels en bandes correspondant aux bandes qui seraient normalement occultées ou visibles à travers les éléments d'occultation du masque. Dans ce cas, l'ensemble pixels/ éléments d'occultation est remplacé par la subdivision des pixels en tranches com- mandées chacune séparément. Dans ces conditions, au lieu de neutraliser l'un des éléments d'occultation d'une colonne, on commandera le fonctionnement de la tranche de pixels qui correspond à cette tranche de la colonne pour avoir un système équivalent du système décrit ci-dessus. Il est particulièrement intéressant d'effectuer la subdivision des pixels par subdivision, et particulièrement en colonne, de l'électrode commune (contre électrode) aux pixels. Le procédé selon l'invention, tel que décrit ci- dessus, peut s'appliquer aussi bien à des écrans de type transmissif que de type émissif.

Pour réaliser le masquage tel que défini dans le premier mode de réalisation, il faut respecter une précision importante car la taille d'un pixel d'un écran LCD est actuellement de l'ordre de 300 μm. Une telle résolution est pratiquée actuellement pour les petits écrans.

Selon l'invention, le problème technique est plus facile à résoudre puisque le masque ou les éléments d'occultation correspondent à une colonne entière et les connexions pour l'application des signaux de commande se font par les bords, comme déjà indiqué.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S 1°) Système de vision stéréoscopique comprenant un écran plat composé de triplets de pixels et un réseau lenticulaire formé de lentilles cylindriques placé devant l'écran, une lentille étant associée chaque fois à une ou plusieurs colonnes de triplets de pixels, pour transmettre une image gauche et une image droite destinées respectivement à l'œil gauche et à l'œil droit du spectateur, caractérisé en ce que

- sur l'écran plat (1), les pixels (Pi) des triplets sont orientés horizontale- ment,

- un masque (2) formé de groupes d'éléments d'occultation (Gi, Gj) est placé devant l'écran (1),

* chaque groupe étant associé à une colonne de triplets (Pi) pour occulter les triplets et n'en visualiser qu'une tranche par la com- mande de l'élément d'occultation correspondant,

- un oculomètre (7) repérant la position des yeux (OG, OD) du spectateur (S) par rapport à l'écran (1) et fournissant les informations de position (xOG, yOG, xOD, yOD),

- un circuit de commande (4) recevant les informations de position de l'oculomètre (7) et générant des signaux de commande pour commander les éléments d'occultation des tranches de triplets à libérer en fonction de la position instantanée du spectateur (S).

2°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque (2) est formé de dispositifs de commutation optique répartis en groupes de surfaces élémentaires constituant les éléments d'occultation (Gil, 2, 3).

3°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dispositifs de commutation optique sont des cristaux liquides.

4°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque (2) est constitué par le découpage des pixels (Pi) en tranches commandées individuellement et constituant les parties d'un pixel à occulter ou à visualiser. 5°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pixels sont subdivisés par subdivision de l'électrode (contre électrode) commune aux pixels.

6°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la subdivision est fait en colonne.

7°) Système de vision stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'occultation s'étendent sur toute une colonne de pixels et la commande des éléments d'occultation se fait par l'une ou les deux extrémités.