(57)【要約】パーソナル・コンピュータは、1人の操作用に設計されて様々な水平遠近法画像を観察者へレンダリングすることができる水平遠近法ディスプレイに完璧に適している。したがって、本発明は、水平遠近法画像を調節して観察者の位置に合わせることのできるリアルタイム電子ディスプレイを開示する。表示された画像を変更し、水平遠近法画像の眼点のポイントを観察者の眼点と同じ位置に保つことによって、観察者の眼は常に適正な観察位置に置かれて3次元幻影を知覚し、したがって観察者の不快感および歪曲は最小にされる。ディスプレイは、手作業の入力、例えば、コンピュータ・マウス、トラックボール、ジョイスティック、タブレットなどを受け取ることができ、水平遠近法画像を再配置する。ディスプレイは、更に、観察者の観察点のロケーションを自動的に提供する入力デバイスに基づいて、画像を自動的に再配置することができる。2007531951.tif 000003
2007531951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点を投影眼点として使用して、表示された画像を調節することができる、入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスとを含む、水平遠近法表示システム。
【請求項２】
眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、請求項1記載の表示システム。
【請求項３】
眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項1記載の表示システム。
【請求項４】
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスと、
眼点入力デバイスから入力眼点ロケーションを受け取り、入力眼点ロケーションに従って水平遠近法投影画像を計算し、画像をディスプレイへ出力するコンピュータ・システムとを含み、
これにより入力眼点を投影眼点として使用し、表示された画像がリアルタイムで調節される水平遠近法表示システム。
【請求項５】
水平遠近法画像が、平坦な2次元の絵から計算される、請求項4記載の表示システム。
【請求項６】
水平遠近法画像が3次元モデルから計算される、請求項4記載の表示システム。
【請求項７】
眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、請求項4記載の表示システム。
【請求項８】
手作業入力デバイスがコンピュータ周辺機器または無線コンピュータ周辺機器である、請求項7記載の表示システム。
【請求項９】
手作業入力デバイスが、キーボード、スタイラス、キーパッド、コンピュータ・マウス、コンピュータ・トラックボール、タブレット、ポインティング・デバイスからなる群より選択される、請求項7記載の表示システム。
【請求項１０】
眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項4記載の表示システム。
【請求項１１】
自動入力デバイスが、無線周波数追跡デバイス、赤外線追跡デバイス、カメラ追跡デバイスからなる群より選択される、請求項10記載の表示システム。
【請求項１２】
投影眼点と表示面との間の角度が、35度〜55度との間である、請求項10記載の表示システム。
【請求項１３】
表示スクリーンが、CRTディスプレイ、LCDディスプレイ、またはプロジェクタ・ディスプレイである、請求項4記載の表示システム。
【請求項１４】
表示面が実質的に水平である、請求項4記載の表示システム。
【請求項１５】
水平遠近法画像が立体画像である、請求項4記載の表示システム。
【請求項１６】
表示された画像が継続的に更新されてモーション画像を形成する、請求項4記載の表示システム。
【請求項１７】
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスと、
画像コマンドを受け入れる画像入力デバイスと、
入力眼点ロケーションを眼点入力デバイスから受け取るための、および画像コマンドを画像入力デバイスから受け取り、入力眼点ロケーションを投影眼点として使用し、画像コマンドに従って水平遠近法投影画像を計算するための、および画像をディスプレイへ出力するためのコンピュータ・システムとを含む、水平遠近法表示システム。
【請求項１８】
画像コマンドが画像拡大と、画像移動と、画像回転コマンドと、他の所定の画像を表示するコマンドとを含む、請求項17記載の表示システム。
【請求項１９】
眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、請求項17記載の表示システム。
【請求項２０】
眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項17記載の表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、3次元表示システムに関し、更に具体的には、表示された画像を調節して観察者の視覚に合わせることのできる表示システムに関する。
【０００２】
本願は、参照により本明細書に組み入れられる2004年4月5日に出願された米国特許仮出願第60/559,781号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
人間が絵によって意思を伝達することを始めてから、人間は、その住んでいる3次元世界をどのようにして正確に表現するかのジレンマに直面した。彫刻は、3次元物体をうまく表現するために使用されたが、物体間および環境の中の空間関係を伝達するには不十分であった。これを行うため、初期の人間は、周囲で見るものを2次元垂直平面の上に「平らに」しようと試みた（例えば、絵画、図画、壁掛けなど）。人物が直立して木々に囲まれているシーンは、垂直平面の上に比較的うまく描写された。しかし、芸術家が立っている場所から、見渡す限り、大地が地平線まで延びている風景を、どのようにして表現できるのであろうか。
【０００４】
答えは、3次元幻影である。2次元の絵は、3次元の多数のキューを脳へ提供して、3次元画像の幻影を作り出さなければならない。3次元キューのこの効果は、脳が完全にそれに慣らされるという事実によって現実的に達成可能である。3次元の現実世界は、常におよび既に網膜、即ち目の後ろにある凹面で2次元（例えば、高さおよび幅）投影画像へ変換されている。この2次元画像から、脳は、経験および知覚によって奥行き情報を生成し、2つのタイプの奥行きキュー、即ち単眼（1つの眼の知覚）および双眼（2つの眼の知覚）から3次元可視画像を形成する。一般的に、双眼奥行きキューは生得的および生物的であるが、単眼奥行きキューは学習的および環境的である。
【０００５】
主要な双眼奥行きキューは収束および網膜差異である。脳は眼の収束量を測定して、距離の概算を提供する。なぜなら、各々の眼の視線の間の角度は、物体が近くにある場合大きくなるからである。2つの眼の隔離よる網膜像の差異は、奥行きの知覚を作り出すために使用される。その効果は立体視と呼ばれ、各々の眼はシーンの少しだけ異なる眺めを受け取る。脳は、これらの差異を使用して近隣物体間の距離の比率を決定し、異なる眺めを一緒に融合する。
【０００６】
双眼キューは、奥行きの非常に強力な知覚である。しかし、更に、単眼奥行きキューと呼ばれ、1つの眼だけを使用する奥行きキューが存在し、平坦な画像の上に奥行きの印象を作り出す。主要な単眼キューは、重なり、相対サイズ、線形遠近法、および光と影である。物体が部分的に覆われて観察される場合、この妨害パターンがキューとして使用され、物体が遠くにあることを決定する。2つの物体が同じサイズであると分かっており、1つの物体が他の物体よりも小さく現れる場合、この相対サイズ・パターンが使用され、小さい方の物体が遠くにあると想定する。想定サイズのキューは、更に、線形遠近法のキューの基礎を提供し、複数の線が観察者から遠くにあれば、それらの線は接近しているように見える。なぜなら、遠近法画像の平行線は単一の点へ収束するように見えるからである。或る角度から物体上に落ちる光は、物体の形態および奥行きのキューを提供でき得る。物体上の光と陰の分布は、光は上から来るという生物学的に正しい仮定によって提供される強力な奥行き単眼キューである。
【０００７】
遠近法の図画は、相対サイズと共に、多くの場合、平坦な（2次元の）面、例えば、紙またはキャンバスの上で3次元の奥行きおよび空間関係の幻影を達成するために使用される。遠近法によって、3次元物体は2次元平面上に表現されるが、3次元空間にあるように眼を「欺く」。遠近法構成の最初の理論的論文であるDepicturaは、建築家のLeone Battista Albertiによって1400年代の早期に出版された。彼の本の導入以来、「一般的」遠近法の背後にある詳細事項が非常に十分に文書化された。しかし、多数の他のタイプの遠近法が存在する事実は、あまり知られていない。幾つかの例を挙げると、図1で示されるように、軍事1、騎士2、等角3、四角形4、中心遠近法5、および2点遠近法6である。
【０００８】
特に関心対象となるのは、図1の左下に示される中心遠近法5と呼ばれる最も通常タイプの遠近法である。1点遠近法とも呼ばれる中心遠近法は、最も簡単な種類の「真の」遠近法構成であり、多くの場合、美術および製図の初心者クラスで教えられる。図2は、更に、中心遠近法を示す。中心遠近法を使用すると、チェス盤およびチェス駒は3次元物体のように見えるが、それらは2次元の平坦な紙の上に線描されている。中心遠近法は中心消失点21を有し、長方形の物体は、前面が絵の平面と平行であるように置かれる。物体の奥行きは絵の平面と垂直である。平行で後退する全ての辺は中心消失点へ向かって延びる。観察者は真っ直ぐな視界でこの消失点の方を見る。建築家または芸術家が中心遠近法を使用して図画を創作する場合、彼らは単眼観察を使用しなければならない。即ち、図画を創作している芸術家は、図画の表面に対して垂直に、1つだけの眼で見ることによって画像を捕捉する。
【０００９】
中心遠近法画像を含む大多数の画像は、視線に垂直な平面で表示、観察、および捕捉される。90°とは異なる角度で画像を観察することは、画像の歪曲を生じる。これは、観察面が視線と垂直でない場合、正方形が長方形として見えることを意味する。しかしながら、本発明者らが「水平遠近法」と呼ぶ知名度の低い画像が存在する。水平遠近法では、正面から観察される場合の画像は歪曲されて見えるが、正しい観察位置から観察される場合3次元幻影を表示する。水平遠近法では、観察面と視線との間の角度は好ましくは45°であるが、ほとんど任意の角度であってよく、観察面は好ましくは水平であるが（「水平遠近法」の名前は、ここから来ている）、視線が観察面に対して非垂直角を形成するかぎり、任意の面であってよい。
【００１０】
水平遠近法画像は現実感のある3次元幻影を提供するが、主として狭い観察ロケーション（観察者の眼点が画像投影眼点と正確に一致していなければならない）、および2次元画像または3次元モデルを水平遠近法画像の中へ投影する場合の複雑性に起因して、ほとんど知られていない。
【００１１】
水平遠近法画像の生成は、従来の垂直画像よりも、作り出すのに相当多くの技量を必要とする。従来の垂直画像は、観察者またはカメラ・ポイントから直接生成可能である。必要なことは、単に眼を開くかカメラを向けて画像を取得すればよい。更に、垂直画像から3次元奥行きキューを観察する場合の多くの体験を使用して、観察者は、カメラ・ポイントからの逸脱によって生成される著しい歪曲量に耐えることができる。対照的に、水平遠近法画像の作成は多くの操作を必要とする。従来のカメラは、視線に垂直な平面へ画像を投影することによって、水平遠近法画像を生成しないと考えられる。水平線描を行うことは多くの努力を必要とし、非常に時間を消費する。更に、人は水平遠近法画像について体験を制限されているので、投影眼点の点が画像の歪曲を避ける場所に観察者の眼を正確に配置しなければならない。したがって、水平遠近法は、その困難性のために、ほとんど注意されなかった。
【発明の開示】
【００１２】
発明の概要
本発明により、パーソナル・コンピュータが水平遠近法ディスプレイに完璧に適していることが認識される。それはパーソナルであるので、1人の操作のために設計され、コンピュータは、その強力なマイクロプロセッサによって様々な水平遠近法画像を観察者へレンダリングすることができる。
【００１３】
したがって、本発明は、水平遠近法画像を調節して観察者の位置に合わせることのできるリアルタイム電子ディスプレイを開示する。表示された画像を変更して水平遠近法画像の眼点のポイントを観察者の眼点と同じ位置に保つことによって、観察者の眼は常に適正な観察位置に配置されて3次元幻影を知覚し、したがって観察者の不快感および歪曲は最小にされる。ディスプレイは、手作業の入力、例えば、コンピュータ・マウス、トラックボール、ジョイスティック、タブレットなどを受け入れ、水平遠近法画像を再配置することができる。ディスプレイは、更に、観察者の観察点のロケーションを自動的に提供する入力デバイスに基づいて、画像を自動的に再配置することができる。
【００１４】
更に、ディスプレイは2次元画像の投影に限定されず、3次元モデルも投影する。複数の入力も含まれ、1つの入力は画像を適正な視野に保ち、1つの入力は画像を操作、例えば、回転、移動、または拡大する。
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、水平遠近法投影に基づいて3次元幻影を投影することのできる水平遠近法表示システムを開示する。
【００１６】
水平遠近法は、知名度が低い遠近法である。本発明者らは、その機構を説明する本を2つだけ発見した。即ち、Stereoscopic Drawing（（著作権）1990）およびHow to Make Anaglyphs（（著作権）1979、絶版）である。これらの本は、この分かりにくい遠近法を説明しているが、それらの本は遠近法の名前で一致していない。最初の本は、水平遠近法を「自立アナグリフ」と呼び、二番目の本は「ファントグラム」と呼んでいる。他の刊行物は、それを「投影アナグリフ」と呼んでいる（米国特許第5,795,154号, G. M. Woods, Aug. 18, 1998）。名前が一致していないので、本発明者らは自由にそれを「水平遠近法」と呼んだ。通常、中心遠近法では、視線と直角の映像面は更に絵の投影面であって、この平坦な画像へ奥行きの幻影を与えるため奥行きキューが使用される。水平遠近法では、映像面は同じであるが、投影された画像はこの平面にはない。それは、映像面に対して或る角度の平面にある。典型的には、画像は床レベルの面にある。これは、画像が映像面に対して物理的に第3の次元にあることを意味する。したがって、水平遠近法は、水平投影法と呼ぶことができる。
【００１７】
水平遠近法において、目的は、紙から画像を分離し、その画像を、水平遠近法画像を投影する3次元オブジェクトへ融合することである。したがって、水平遠近法画像は、可視画像が融合して、自立型3次元像を形成するように歪曲されなければならない。更に、画像が正しい眼点から観察されることが必須である。そうでなければ、3次元幻影が失われる。高さおよび幅を有し、奥行きの幻影を投影し、したがってオブジェクトが、通常、急激に投影され、画像が層の中にあるように見える中心遠近法画像とは対照的に、水平遠近法画像は、実際の奥行きおよび幅を有し、幻影が画像に高さを与え、したがって、通常、勾配型推移が存在し、画像は連続するように見える。
【００１８】
図3は、中心遠近法と水平遠近法とを区別する重要な特性を比較する。画像Aは中心遠近法の重要な関連特性を示し、画像Bは水平遠近法の重要な関連特性を示す。
【００１９】
言い換えれば、実在の3次元オブジェクト（相互の間に少し間隔を置いて積層された3つのブロック）は、1つの眼を閉じて、垂直線描面32に垂直な視線31に沿って観察している芸術家によって線描された。結果の画像は、垂直に真っ直ぐ、および1つの眼を通して観察される場合、元の画像と同じように見える。
【００２０】
画像Bでは、実在の3次元オブジェクトは、1つの眼を閉じ、水平線描面34に対して45°の視線33に沿って観察している芸術家によって線描された。結果の画像は、水平に45°、および1つの眼を通して観察される場合、元の画像と同じように見える。
【００２１】
図4および図5は、中心遠近法および水平遠近法を使用する場合の可視的な差異を示す。この可視的な差異を体験するため、最初に、1つの開いた眼を通して中心遠近法で線描された図4を見る。通常の線描を行うように、眼と垂直になるように前方で紙を垂直に保つ。中心遠近法は2次元平面の上で3次元オブジェクトの良好な表現を提供することが分かる。
【００２２】
ここで、机を移動して、机の上の面前に紙を平坦に（水平に）置くことによって、水平遠近法を使用して線描された図5を見る。再び、1つだけの眼を通して画像を観察する。これは、眼点と呼ばれる1つの開いた眼を、紙に対して約45°に置く。この角度は、芸術家が線描を作るために使用した角度である。開いた眼とその視線を芸術家と一致させるため、描画へ近づくように眼を下方および前方へ移動し、45°の角度で約6インチだけ外側および下方に来るようにする。これは、最上ブロックおよび中間ブロックが紙の上の開放空間に現れるという理想的観察体験を生じる。
【００２３】
再び、1つの開いた眼が、この正確なロケーションに存在しなければならない理由は、中心遠近法および水平遠近法の双方が、眼点からの視線の角度を定めるだけでなく、眼点から線描までの距離を定めるからである。これは、図4および図5が、線描面に対して、開かれた眼のために理想的なロケーションおよび方向で線描されることを意味する。しかし、眼点の位置および方向からの逸脱が、ほとんど歪曲を作り出さない中心遠近法とは異なって、水平遠近法の線描を観察する場合、1つだけの眼の使用および観察面に対するその眼の位置および方向は、開放空間の3次元水平遠近法幻影を見るために必須である。
【００２４】
図6は、水平遠近法を使用して、紙またはキャンバスの上に簡単な幾何学線描を作る方法を示す建築風の図である。図6は、図5で使用された同じ3つのブロックの側面図である。それは、水平遠近法の実際の機構を示す。オブジェクトを作り上げている各々の点は、点を水平線描面の上に投影することによって線描される。これを示すため、図6は投影線を介して水平線描面の上に線描されているブロックの少数の座標を示す。これらの投影線は、眼点（目盛りに起因して、図6では図示されない）で始まり、オブジェクト上の点63と交差し、投影線が水平線描面62と交差する所まで直線として続く。交差する所は、投影線が紙の上で単一のドット64として物理的に線描される場所である。建築家が、線描面から45°の視線61に沿った眼点まで見えるように、ブロック上の各々および全ての点についてこのプロセスを反復する場合、水平遠近法線描が完成し、図5のように見える。
【００２５】
図6で注意されることは、3つのブロックの1つが水平線描面の下に現れることである。水平遠近法の場合、線描面の下に位置する点も水平線描面の上に線描され、高低線に沿った眼点から見えるようにされる。したがって、最終の線描が観察される場合、オブジェクトは水平線描面の上に現れるだけでなく、その下にも現れる。これは、オブジェクトが紙の中へ後退するような外観を与える。再び図5を見ると、最下部の箱が紙の下、または紙の中にあるように現れ、他の2つの箱は紙の上の開放空間に現れることが分かると考えられる。
【００２６】
水平遠近法画像の生成は、中心遠近法画像よりも作成するのに相当の専門的技術を必要とする。双方の方法は、2次元画像から生じた3次元幻影を観察者に提供しようとするものであるが、中心遠近法画像は観察者またはカメラ・ポイントから3次元風景を直接生成する。対照的に、水平遠近法画像は、正面から眺める場合歪曲されて現れるが、正確なロケーションで眺めた場合水平遠近法が3次元幻影を生成するように、歪曲を正確にレンダリングしなければならない。
【００２７】
本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、表示された画像を調節して幻影観察体験を最大化する手段を観察者に提供することによって、水平遠近法投影観察を促進する。マイクロプロセッサの計算力およびリアルタイム・ディスプレイを使用することによって、本発明の水平遠近法ディスプレイが、投影された画像を再線描することのできるリアルタイム電子ディスプレイ100を水平遠近法画像を調節する観察者の入力デバイス102とともに含み、図7に示される。水平遠近法画像の投影眼点が観察者の眼点と一致するように、画像を再表示することによって、本発明の水平遠近法ディスプレイは、水平遠近法からの3次元幻影をレンダリングする場合の最小歪曲を保証することができる。入力デバイスは手で操作可能であり、観察者は手で自分の眼点ロケーションを入力するか、投影画像眼点を変更して最適の3次元幻影を取得することができる。入力デバイスは、更に、自動的に操作可能であり、ディスプレイは自動的に観察者の眼点を追跡し、それに従って投影画像を調節する。本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、観察者が頭を比較的に固定された位置に保つという制約を除去する。この制約は、例えば、水平遠近法またはホログラム表示のように、正確な眼点ロケーションを受容する場合に多くの困難性を作り出す制約である。
【００２８】
図8に示される水平遠近法ディスプレイシステムは、更に、リアルタイム電子表示デバイス100および計算デバイス110に入力を提供する投影画像入力デバイス112に加えて、計算デバイスが可能である。それは、表示のために投影画像を計算し、観察者の眼点を投影画像眼点と一致させることによって、現実感のある最小歪曲3次元幻影を観察者へ提供するためである。システムは、更に、画像拡大/縮小入力デバイス115、または画像回転入力デバイス117、または画像移動デバイス119を含むことができる。それは観察者が投影画像の眺めを調節できるようにするためである。
【００２９】
入力デバイスは、手作業または自動的に操作可能である。入力デバイスは観察者の眼点の位置および方位を検出し、検出結果に従って画像を計算し、ディスプレイの上に画像投影する。または、入力デバイスは、観察者の頭の位置と方位、および眼球の方位を検出するように作ることができる。入力デバイスは、赤外線検出システムを含んで観察者の頭の位置を検出し、観察者が頭を自由に移動できるようにする。入力デバイスの他の態様は、観察者の眼点ロケーションを検出する三角測量法である。例えば、CCDカメラは、頭を追跡する本発明の目的に適した位置データを提供する。入力デバイスは、例えば、キーボード、マウス、トラックボール、ジョイスティックなどのように、観察者によって手で操作され、水平遠近法ディスプレイ画像の正しい表示を指すことができる。
【００３０】
開示された本発明は、多数の新しいコンピュータ・ハードウェアおよびソフトウェア要素およびプロセスを含み、既存の構成要素と一緒になって、水平遠近法観察シミュレータを作り出す。観察者が、これらの独特の観察シミュレーションを体験するためには、コンピュータ・ハードウェアの観察面が、好ましくは、水平に置かれ、観察者の視線が観察面に対して45°の角度にされる。典型的には、これは、観察者が垂直に立つか座り、観察面が床に対して水平であることを意味する。観察者は45°以外の観察角（例えば、55°、30°など）でハンズオン・シミュレーションを体験できるが、45°は、脳が開放空間画像の中で最大量の空間情報を認識するための最適角であることに注意すべきである。したがって、単純性を目的として、本発明者らは、本明細書の全体で「約45°の角度」を意味するために「45°」を使用する。更に、水平観察面は水平な床と一緒に観察者の体験をシミュレートするので、水平観察面が好ましいが、任意の観察面が類似の3次元幻影体験を提供できると考えられる。水平遠近法幻影は、水平遠近法画像を天井面へ投影することによって天井からぶら下がるように現れることができ、または水平遠近法画像を垂直壁面へ投影することによって壁から浮動するように現れることができる。
【００３１】
観察シミュレーションは、物理観察面の上および下の双方に位置する3次元グラフィックス観察ボリューム内に生成される。数学的には、角度付きカメラ・ポイントのコンピュータ生成x、y、z座標が無限「ピラミッド」の頂点を形成し、ピラミッドの側面は参照/水平面のx、y、z座標を通過する。図9は、この無限ピラミッドを示す。無限ピラミッドは、角度付きカメラ・ポイントから始まり、遠クリップ面95を通って延びる。観察ボリューム96は快適面92によって画定される。快適面92は、観察ボリューム96の最上部にある平面であり、その名前は適切である。なぜなら、ピラミッド内のそのロケーションは、観察者の個人的快適さ、即ち、シミュレーションを観察および対話している間、観察者の眼、頭、身体などが、どのように位置するかを決定するからである。3Dオブジェクト93は、水平面94から水平遠近法で投影される。
【００３２】
観察者が、物理観察デバイスの上で開放空間画像を観察するためには、物理観察デバイスが適切に配置されなければならない。このことは、通常、物理参照面が床に対して水平に置かれることを意味する。床に対する観察デバイスの位置がどのようなものであれ、最適観察を得るためには、参照/水平面が観察者の高低線91に対して約45°でなければならない。
【００３３】
観察者がこのステップを達成する1つの方法は、CRTコンピュータ・モニタを床の上でスタンドの中に配置し、参照/水平面が床に対して水平になるようにすることである。この例はCRT型テレビまたはコンピュータ・モニタを使用するが、観察者の視線に対して約45°の角度の観察面を提供する任意の型の観察デバイス、表示スクリーン、白黒またはカラーのディスプレイ、ルミネッセンス、TFT、燐光性のコンピュータ・プロジェクタ、および一般的な他の画像生成方法であってよい。
【００３４】
ディスプレイは、水平遠近法画像を適切に表示するために観察の眼点を知る必要がある。これを行う1つの方法は、観察者が、物理参照/水平面の中心に対する眼の現実世界x、y、zロケーションおよび高低線情報を水平遠近法ディスプレイに供給することである。例えば、観察者は、参照/水平面の中心を見ながら、物理的な眼が12インチだけ上方へおよび12インチだけ後方へ置かれることを水平遠近法ディスプレイに知らせる。次に、水平遠近法ディスプレイは、コンピュータ生成角度付きカメラ・ポイントを観察者の眼点物理座標および高低線へマップする。他の方法は、観察者が入力デバイス、例えば、マウスを手作業で調節し、水平遠近法ディスプレイが、適切な眼点ロケーションが観察者によって経験されるまで、画像投影眼点を調節することである。他の方法は、赤外線装置またはカメラと共に三角測量を使用して、観察者の眼点ロケーションを自動的に突き止めることである。
【００３５】
図10は、上記のステップで説明した新しいコンピュータ生成および現実の物理要素の全てを含む水平遠近法ディスプレイを示す。それは、更に、現実世界の要素およびそのコンピュータ生成同等物が1：1でマップされ、一緒に共通参照面123を共有することを示す。この水平遠近法ディスプレイの完全な実現は、ハンズオン・ボリューム128内の観察デバイス面の上の開放空間に現れるリアルタイム・コンピュータ生成3次元グラフィックス122、および内部アクセスボリューム127内の観察デバイス面の下に現れる3次元グラフィックス126を生じる。3次元グラフィックス122および126は観察者の視線に対して約45°の方位にある。
【００３６】
本発明は、更に、観察者が3次元表示を動かし、それでも大きな歪曲を受けないことを可能にする。なぜなら、表示は観察者の眼点を追跡することができ、それに従って画像を再表示するからである。このことは、従来の先行技術の3次元画像表示と対比される。従来の3次元表示は、単一の観察点から見えるように投影および計算され、したがって観察者が空間内の意図された観察点から離れるように移動すると、大きな歪曲が生じる。
【００３７】
表示システムは、更に、眼点のロケーションが移動した場合、投影された画像を再計算することができるコンピュータを含むことができる。水平遠近法画像は非常に複雑であり、作成に手間がかかり、または芸術家またはカメラにとって自然とは言えない方法で作成され、仕事にコンピュータ・システムの使用を必要とする。複雑な表面を有するオブジェクトの3次元画像を表示すること、またはアニメーション・シーケンスを作成することは、多大な計算パワーおよび時間を必要とし、したがってコンピュータに非常に適した仕事である。3次元能力エレクトロニクスおよびコンピューティング・ハードウェア・デバイスおよびリアルタイム・コンピュータ生成3次元コンピュータ・グラフィックスは最近著しく進歩し、それと共に、ビジュアル、オーディオ、および触知システムの著しい革新が行われ、現実感およびコンピュータと人間とのより自然なインタフェースを生成する優れたハードウェアおよびソフトウェア製品が生産されるようになった。
【００３８】
本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、娯楽メディア、例えば、テレビ、映画、およびビデオ・ゲームの要求に応じるだけでなく、様々な分野、例えば、教育（3次元構造体の表示）、技術的訓練（3次元機器の表示）からも必要とされる。3次元画像表示への要求は増加している。3次元画像表示は様々な角度から観察可能であり、現実の物体に類似した画像を使用して物体を観察することを可能にする。水平遠近法ディスプレイシステムは、更に、観察者にとってコンピュータ生成現実の代替物となることができる。システムは、オーディオ、ビジュアル、動き、およびユーザからの入力を含んでよく、3次元幻影の完全な体験を作り出す。
【００３９】
水平遠近法システムへの入力は、2次元画像、単一の3次元画像を形成するように組み合わせられる幾つかの画像、または3次元モデルであってよい。3次元画像またはモデルは、2次元画像よりも多くの情報を伝達し、観察者は、観察角を変更することによって、異なる視野から同じオブジェクトを連続的に見た場合の印象を取得する。
【００４０】
水平遠近法ディスプレイは、更に、複数の観察画または「マルチビュー」能力を提供することができる。マルチビューは、同じシミュレーションの複数および/または別々の左眼および右眼観察画を観察者に提供する。マルチビュー能力は、単一眼観察画をビジュアル的および対話的に著しく改善したものである。マルチビュー・モードにおいて、左眼および右眼画像の双方は、観察者の脳によって単一の3次元幻影へ融合される。立体画像に内在する眼の適応と収束との食い違いは、大きな食い違いがあると観察者の眼の疲労を導くが、その問題は、特に動く画像について水平遠近法ディスプレイで低減することができる。なぜなら、表示シーンが変化する場合、観察者の注視点の位置が変化するからである。
【００４１】
マルチビュー・モードにおいて、2つの眼の動作をシミュレートして奥行きの知覚を作り出すことが目的となる。即ち、左眼および右眼は、少し異なる画像を見る。したがって、本発明で使用可能なマルチビュー・デバイスは、アナグリフ法のような眼鏡、特殊偏光眼鏡、またはシャッター眼鏡を有する方法、眼鏡を使用しない方法、例えば、視差実体画、レンチキュラー法、およびミラー法（凹レンズおよび凸レンズ）を含む。
【００４２】
アナグリフ法では、右眼の表示画像および左眼の表示画像は、それぞれ2つの色、例えば、赤および青で重畳して表示され、右眼および左眼の観察画像は、色フィルタを使用して分離される。このようにして、観察者は立体画像を認識できるようになる。画像は水平遠近法の手法を使用して表示され、観察者は或る角度で見下ろすことになる。1眼水平遠近法と同じように、投影された画像の眼点は観察者の眼点と一致しなければならず、したがって観察者の入力デバイスは、観察者が3次元水平遠近法幻影を観察するために必須である。アナグリフ法の早期の時代から、多様な赤/青眼鏡およびディスプレイのような多くの改善が行われ、ますます多くの現実感および快適さを観察者へ生成するようになった。
【００４３】
偏光眼鏡法では、左眼画像および右眼画像は、相互消去偏光フィルタ、例えば、直交線形偏光子、円形偏光子、楕円形偏光子の使用によって分離される。画像は、通常、偏光フィルタを使用してスクリーン上に投影され、観察者は、対応する偏光眼鏡を提供される。左眼および右眼の画像は、同時にスクリーン上に現れるが、左眼の偏光された光のみが眼鏡の左眼レンズを透過し、右眼の偏光された光のみが右眼レンズを透過する。
【００４４】
立体表示の他の方法は、画像シーケンシャル・システムである。そのようなシステムでは、画像は左眼画像と右眼画像を順次に表示されて相互に重畳することはない。観察者のレンズはスクリーンの表示と同期され、左眼は左の画像が表示される場合にのみ見ることができ、右眼は右の画像が表示される場合にのみ見ることができる。眼鏡の閉鎖は機械閉鎖または液晶電子閉鎖によって達成可能である。眼鏡閉鎖法では、右眼および左眼の表示画像がタイムシェアリング方式でCRT上に交互に表示され、右眼および左眼の観察画像はタイムシェアリング・シャッター眼鏡を使用して分離される。タイムシェアリング・シャッター眼鏡は表示画像と同期してタイムシェアリング方式で開放/閉鎖され、したがって観察者は立体画像を認識することができる。
【００４５】
立体画像を表示する他の方法は光学法による。この方法において、右眼および左眼の表示画像は、光学手段、例えば、プリズム、鏡、レンズなどを使用して観察者へ別々に表示され、また観察者の前面で観察画像として重畳表示され、したがって観察者は立体画像を認識することができる。大きな凸レンズおよび凹レンズも使用可能である。その場合、左眼および右眼の画像を投影する2つの画像プロジェクタが、それぞれ観察者の左眼および右眼へ焦点を合わせる。光学法の変形はレンチキュラー法である。この場合、画像は円筒形レンズ要素またはレンズ要素の2次元アレーの上に形成される。
【００４６】
図11は、コンピュータ生成人物の2眼観察画が、どのようにして水平面に投影され、次に立体3D能力観察デバイスの上に表示されるかに焦点を当てた水平遠近法ディスプレイである。図11は1つの完全な表示時間周期を表す。この表示時間周期の間、水平遠近法ディスプレイは2つの異なる眼観察画を生成する必要がある。なぜなら、この例において、立体3D観察デバイスは別々の左眼および右眼観察画を必要とするからである。別々の左眼および右眼観察画よりも多くの観察画を必要とする既存の立体3D観察デバイスが存在する。本明細書で説明される方法は、複数の観察画を生成することができるので、これらのデバイスについても有効である。
【００４７】
図11の左上方のイラストは、最初の（右）眼観察画が生成された後の右眼132の角度付きカメラ・ポイントを示す。一度最初の（右）眼観察画が完了すると、水平遠近法ディスプレイはコンピュータ生成人物の第2の眼（左眼）観察画のレンダリング・プロセスを開始する。図11の左下方のイラストは、この時間が完了した後の、左眼134の角度付きカメラ・ポイントを示す。しかし、レンダリング・プロセスを始める前に、水平遠近法ディスプレイは角度付きカメラ・ポイントへの調節を行う。これは、図11で、2インチだけ増分された左眼のx座標によって示される。右眼のx値と左眼のx＋2”とのこの差は、両眼の間の2インチの分離を提供する。この分離は立体3D観察に必要である。人々の両眼の間の距離は様々であるが、上記の例では、平均の2インチを使用している。観察が、個人的な眼の分離値を水平遠近法ディスプレイへ供給することも可能である。これは、所与の観察者について左眼および右眼のx値を高度に正確にし、それによって立体3D観察の品質を改善すると考えられる。
【００４８】
一度水平遠近法ディスプレイが、2インチまたは観察者から供給された個人的眼分離値だけ、角度付きカメラ・ポイントのx座標を増分すると、第2の（左眼）観察画を表示することによってレンダリングが継続する。
【００４９】
使用される立体3D観察デバイスに依存して、水平遠近法ディスプレイは、次の表示時間周期へ移る必要があるまで、これまで説明したように左眼および右眼画像を表示し続ける。次の表示時間周期へ移る必要が起こる時の例は、子グマが脚または体の一部分を動かす場合である。その場合、新しい位置の子グマを示すため新しい第2のシミュレーション画像が必要であると考えられる。子グマのこの新しいシミュレーション画像は、少し異なるロケーションで、新しい表示時間周期の間にレンダリングされる。表示時間を停止することなく増分することによって複数の画像を生成するこのプロセスは、水平遠近法ディスプレイがリアルタイム・シミュレーションを立体3Dで生成する間継続する。
【００５０】
水平遠近法画像を迅速に表示することによって、動きの3次元幻影を実現することができる。典型的には、眼が動きを知覚するためには1秒当たり30〜60の画像で十分である。立体視の場合、重畳される画像では同じ表示速度が必要であり、時間シーケンシャル法では2倍の速度が必要であると考えられる。
【００５１】
表示速度は、ディスプレイが1つの画像を完全に生成して表示するために使用する1秒当たりの画像数である。これは、画像を1秒に24回表示する映写機と同じである。したがって、プロジェクタによって表示される1つの画像について、1秒の1/24が必要である。しかし、表示時間は可変であってよい。これはビュー・ボリュームの複雑性に依存して、コンピュータが1つだけの表示画像を完了するのに1秒の1/12または1/2が必要であることを意味する。ディスプレイは同じ画像の別々の左眼および右眼観察画を生成しているので、全体の表示時間は1眼画像の表示時間の2倍である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】様々な遠近法線描を示す。
【図２】典型的な中心遠近法線描を示す。
【図３】中心遠近法（画像A）と水平遠近法（画像B）との比較を示す。
【図４】3つの積層ブロックの中心遠近法線描を示す。
【図５】3つの積層ブロックの水平遠近法線描を示す。
【図６】水平遠近法線描を行う方法を示す。
【図７】水平遠近法ディスプレイおよび観察者の入力デバイスを含む本発明の態様を示す。
【図８】水平遠近法ディスプレイ、計算デバイス、および観察者の入力デバイスを含む本発明の他の態様を示す。
【図９】水平面に対する3Dオブジェクトのマッピングを示す。
【図１０】水平遠近法による3Dオブジェクトの投影を示す。
【図１１】水平遠近法のシミュレーション時間を示す。
【図１】
2007531951.tif 000004
【図２】
2007531951.tif 000005
【図３】
2007531951.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年12月22日(2006.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点を投影眼点として使用して、表示された画像を調節することができる、入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスとを含む、水平遠近法表示システム。
【請求項２】
眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、請求項1記載の表示システム。
【請求項３】
眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項1記載の表示システム。
【請求項４】
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスと、
眼点入力デバイスから入力眼点ロケーションを受け取り、入力眼点ロケーションに従って水平遠近法投影画像を計算し、画像をディスプレイへ出力するコンピュータ・システムとを含み、
これにより入力眼点を投影眼点として使用し、表示された画像がリアルタイムで調節される水平遠近法表示システム。
【請求項５】
水平遠近法画像が、平坦な2次元の絵から計算される、請求項4記載の表示システム。
【請求項６】
水平遠近法画像が3次元モデルから計算される、請求項4記載の表示システム。
【請求項７】
眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、請求項4記載の表示システム。
【請求項８】
眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項4記載の表示システム。
【請求項９】
水平遠近法画像が立体画像である、請求項4記載の表示システム。
【請求項１０】
表示された画像が継続的に更新されてモーション画像を形成する、請求項4記載の表示システム。
【請求項１１】
観察者の眼点ロケーションを検出する段階と、
検出された眼点ロケーションを投影眼点として使用して、水平遠近法画像を表示する段階とを含む、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像の表示を含む水平遠近法投影によるリアルタイム3次元画像表示の方法。
【請求項１２】
観察者の眼点ロケーションを検出する段階と、
検出された眼点ロケーションを投影眼点として使用し、水平遠近法画像を計算する段階と、
水平遠近法画像を表示する段階とを含む、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像の表示を含む水平遠近法投影によるリアルタイム3次元画像表示の方法。
【請求項１３】
観察者の眼点ロケーションを検出する段階が手作業でロケーションを手作業入力デバイスにより入力することによる、請求項12記載の方法。
【請求項１４】
観察者の眼点ロケーションの検出が自動入力デバイスにより、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、請求項12記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、3次元表示システムに関し、更に具体的には、表示された画像を調節して観察者の視覚に合わせることのできる表示システムに関する。
【０００２】
本願は、参照により本明細書に組み入れられる2004年4月5日に出願された米国特許仮出願第60/559,781号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
人間が絵によって意思を伝達することを始めてから、人間は、その住んでいる3次元世界をどのようにして正確に表現するかのジレンマに直面した。彫刻は、3次元物体をうまく表現するために使用されたが、物体間及び環境の中の空間関係を伝達するには不十分であった。これを行うため、初期の人間は、周囲で見るものを2次元垂直平面の上に「平らに」しようと試みた（例えば、絵画、図画、壁掛けなど）。人物が直立して木々に囲まれているシーンは、垂直平面の上に比較的うまく描写された。しかし、芸術家が立っている場所から、見渡す限り、大地が地平線まで延びている風景を、どのようにして表現できるのであろうか。
【０００４】
答えは、3次元幻影である。2次元の絵は、3次元の多数のキューを脳へ提供して、3次元画像の幻影を作り出さなければならない。3次元キューのこの効果は、脳が完全にそれに慣らされるという事実によって現実的に達成可能である。3次元の現実世界は、常に及び既に網膜、即ち目の後ろにある凹面で2次元（例えば、高さ及び幅）投影画像へ変換されている。この2次元画像から、脳は、経験及び知覚によって奥行き情報を生成し、2つのタイプの奥行きキュー、即ち単眼（1つの眼の知覚）及び双眼（2つの眼の知覚）から3次元可視画像を形成する。一般的に、双眼奥行きキューは生得的及び生物的であるが、単眼奥行きキューは学習的及び環境的である。
【０００５】
主要な双眼奥行きキューは収束及び網膜差異である。脳は眼の収束量を測定して、距離の概算を提供する。なぜなら、各々の眼の視線の間の角度は、物体が近くにある場合大きくなるからである。2つの眼の隔離よる網膜像の差異は、奥行きの知覚を作り出すために使用される。その効果は立体視と呼ばれ、各々の眼はシーンの少しだけ異なる眺めを受け取る。脳は、これらの差異を使用して近隣物体間の距離の比率を決定し、異なる眺めを一緒に融合する。
【０００６】
双眼キューは、奥行きの非常に強力な知覚である。しかし、更に、単眼奥行きキューと呼ばれ、1つの眼だけを使用する奥行きキューが存在し、平坦な画像の上に奥行きの印象を作り出す。主要な単眼キューは、重なり、相対サイズ、線形遠近法、及び光と影である。物体が部分的に覆われて観察される場合、この妨害パターンがキューとして使用され、物体が遠くにあることを決定する。2つの物体が同じサイズであると分かっており、1つの物体が他の物体よりも小さく現れる場合、この相対サイズ・パターンが使用され、小さい方の物体が遠くにあると想定する。想定サイズのキューは、更に、線形遠近法のキューの基礎を提供し、複数の線が観察者から遠くにあれば、それらの線は接近しているように見える。なぜなら、遠近法画像の平行線は単一の点へ収束するように見えるからである。或る角度から物体上に落ちる光は、物体の形態及び奥行きのキューを提供でき得る。物体上の光と陰の分布は、光は上から来るという生物学的に正しい仮定によって提供される強力な奥行き単眼キューである。
【０００７】
遠近法の図画は、相対サイズと共に、多くの場合、平坦な（2次元の）面、例えば、紙又はキャンバスの上で3次元の奥行き及び空間関係の幻影を達成するために使用される。遠近法によって、3次元物体は2次元平面上に表現されるが、3次元空間にあるように眼を「欺く」。遠近法構成の最初の理論的論文であるDepicturaは、建築家のLeone Battista Albertiによって1400年代の早期に出版された。彼の本の導入以来、「一般的」遠近法の背後にある詳細事項が非常に十分に文書化された。しかし、多数の他のタイプの遠近法が存在する事実は、あまり知られていない。幾つかの例を挙げると、図1で示されるように、軍事1、騎士2、等角3、四角形4、中心遠近法5、及び2点遠近法6である。
【０００８】
特に関心対象となるのは、図1の左下に示される中心遠近法5と呼ばれる最も通常タイプの遠近法である。1点遠近法とも呼ばれる中心遠近法は、最も簡単な種類の「真の」遠近法構成であり、多くの場合、美術及び製図の初心者クラスで教えられる。図2は、更に、中心遠近法を示す。中心遠近法を使用すると、チェス盤及びチェス駒は3次元物体のように見えるが、それらは2次元の平坦な紙の上に線描されている。中心遠近法は中心消失点21を有し、長方形の物体は、前面が絵の平面と平行であるように置かれる。物体の奥行きは絵の平面と垂直である。平行で後退する全ての辺は中心消失点へ向かって延びる。観察者は真っ直ぐな視界でこの消失点の方を見る。建築家又は芸術家が中心遠近法を使用して図画を創作する場合、彼らは単眼観察を使用しなければならない。即ち、図画を創作している芸術家は、図画の表面に対して垂直に、1つだけの眼で見ることによって画像を捕捉する。
【０００９】
中心遠近法画像を含む大多数の画像は、視線に垂直な平面で表示、観察、及び捕捉される。90°とは異なる角度で画像を観察することは、画像の歪曲を生じる。これは、観察面が視線と垂直でない場合、正方形が長方形として見えることを意味する。しかしながら、本発明者らが「水平遠近法」と呼ぶ知名度の低い画像が存在する。水平遠近法では、正面から観察される場合の画像は歪曲されて見えるが、正しい観察位置から観察される場合3次元幻影を表示する。水平遠近法では、観察面と視線との間の角度は好ましくは45°であるが、ほとんど任意の角度であってよく、観察面は好ましくは水平であるが（「水平遠近法」の名前は、ここから来ている）、視線が観察面に対して非垂直角を形成するかぎり、任意の面であってよい。
【００１０】
水平遠近法画像は現実感のある3次元幻影を提供するが、主として狭い観察ロケーション（観察者の眼点が画像投影眼点と正確に一致していなければならない）、及び2次元画像又は3次元モデルを水平遠近法画像の中へ投影する場合の複雑性に起因して、ほとんど知られていない。
【００１１】
水平遠近法画像の生成は、従来の垂直画像よりも、作り出すのに相当多くの技量を必要とする。従来の垂直画像は、観察者又はカメラ・ポイントから直接生成可能である。必要なことは、単に眼を開くかカメラを向けて画像を取得すればよい。更に、垂直画像から3次元奥行きキューを観察する場合の多くの体験を使用して、観察者は、カメラ・ポイントからの逸脱によって生成される著しい歪曲量に耐えることができる。対照的に、水平遠近法画像の作成は多くの操作を必要とする。従来のカメラは、視線に垂直な平面へ画像を投影することによって、水平遠近法画像を生成しないと考えられる。水平線描を行うことは多くの努力を必要とし、非常に時間を消費する。更に、人は水平遠近法画像について体験を制限されているので、投影眼点の点が画像の歪曲を避ける場所に観察者の眼を正確に配置しなければならない。したがって、水平遠近法は、その困難性のために、ほとんど注意されなかった。
【発明の開示】
【００１２】
発明の概要
本発明は、以下を含む。
1. 本発明（１）は、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点を投影眼点として使用して、表示された画像を調節することができる、入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスとを含む、水平遠近法表示システムである。
2. 本発明（２）は、眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、本発明（1）の表示システムである。
3. 本発明（３）は、眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（1）の表示システムである。
4. 本発明（４）は、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスと、
眼点入力デバイスから入力眼点ロケーションを受け取り、入力眼点ロケーションに従って水平遠近法投影画像を計算し、画像をディスプレイへ出力するコンピュータ・システムとを含み、
これにより入力眼点を投影眼点として使用し、表示された画像がリアルタイムで調節される水平遠近法表示システムである。
5. 本発明（５）は、水平遠近法画像が、平坦な2次元の絵から計算される、本発明（4）の表示システムである。
6. 本発明（６）は、水平遠近法画像が3次元モデルから計算される、本発明（4）の表示システムである。
7. 本発明（７）は、眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、本発明（4）の表示システムである。
8. 本発明（８）は、手作業入力デバイスがコンピュータ周辺機器又は無線コンピュータ周辺機器である、本発明（7）の表示システムである。
9. 本発明（９）は、手作業入力デバイスが、キーボード、スタイラス、キーパッド、コンピュータ・マウス、コンピュータ・トラックボール、タブレット、ポインティング・デバイスからなる群より選択される、本発明（7）の表示システムである。
10. 本発明（１０）は、眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（4）の表示システムである。
11. 本発明（１１）は、自動入力デバイスが、無線周波数追跡デバイス、赤外線追跡デバイス、カメラ追跡デバイスからなる群より選択される、本発明（10）の表示システムである。
12. 本発明（１２）は、投影眼点と表示面との間の角度が、35度〜55度との間である、本発明（10）の表示システムである。
13. 本発明（１３）は、表示スクリーンが、CRTディスプレイ、LCDディスプレイ、又はプロジェクタ・ディスプレイである、本発明（4）の表示システムである。
14. 本発明（１４）は、表示面が実質的に水平である、本発明（4）の表示システムである。
15. 本発明（１５）は、水平遠近法画像が立体画像である、本発明（4）の表示システムである。
16. 本発明（１６）は、表示された画像が継続的に更新されてモーション画像を形成する、本発明（4）の表示システムである。
17. 本発明（１７）は、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像を表示するリアルタイム・ディスプレイと、
入力眼点ロケーションを受け取る眼点入力デバイスと、
画像コマンドを受け入れる画像入力デバイスと、
入力眼点ロケーションを眼点入力デバイスから受け取るための、および画像コマンドを画像入力デバイスから受け取り、入力眼点ロケーションを投影眼点として使用し、画像コマンドに従って水平遠近法投影画像を計算するための、および画像をディスプレイへ出力するためのコンピュータ・システムとを含む、水平遠近法表示システムである。
18. 本発明（１８）は、画像コマンドが画像拡大と、画像移動と、画像回転コマンドと、他の所定の画像を表示するコマンドとを含む、本発明（17）の表示システムである。
19.本発明（１９）は、眼点入力デバイスが手作業入力デバイスであり、これにより眼点入力ロケーションが手作業で入力される、本発明（17）の表示システムである。
20. 本発明（２０）は、眼点入力デバイスが自動入力デバイスであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（17）の表示システムである。
21. 本発明（２１）は、
観察者の眼点ロケーションを検出する段階と、
検出された眼点ロケーションを投影眼点として使用して、水平遠近法画像を表示する段階とを含む、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像の表示を含む水平遠近法投影によるリアルタイム3次元画像表示の方法である。
22. 本発明（２２）は、
観察者の眼点ロケーションを検出する段階が手作業でロケーションを手作業入力デバイスにより入力することによる、本発明（21）の方法である。
23. 本発明（２３）は、
観察者の眼点ロケーションの検出が自動入力デバイスにより、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（21）の方法である。
24. 本発明（２４）は、
画像を操作する段階を更に含む、本発明（21）の方法である。
25. 本発明（２５）は、
観察者の眼点ロケーションを検出する段階と、
検出された眼点ロケーションを投影眼点として使用し、水平遠近法画像を計算する段階と、
水平遠近法画像を表示する段階とを含む、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像の表示を含む水平遠近法投影によるリアルタイム3次元画像表示の方法である。
26. 本発明（２６）は、
観察者の眼点ロケーションを検出する段階が手作業でロケーションを手作業入力デバイスにより入力することによる、本発明（25）の方法である。
27. 本発明（２７）は、
観察者の眼点ロケーションの検出が自動入力デバイスにより、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（25）の方法である。
28. 本発明（２８）は、
画像を操作する段階を更に含む、本発明（25）の方法である。
29. 本発明（２９）は、
観察者の眼点ロケーションを検出するために継続的にスキャンする段階と、
検出された眼点ロケーションを投影眼点として使用し、新しい水平遠近法画像を計算する段階と、
新しい画像を表示する段階とを含む、
所定の投影眼点に従って水平遠近法画像の表示を含む水平遠近法投影によるリアルタイム3次元画像表示の方法である。
30. 本発明（３０）は、水平遠近法画像が立体画像である、本発明（29）の方法である。
31. 本発明（３１）は、水平遠近法画像が、平坦な2次元の絵から計算される、本発明（29）の方法である。
32. 本発明（３２）は、水平遠近法画像が3次元モデルから計算される、本発明（29）の方法である。
33. 本発明（３３）は、観察者眼点ロケーションを検出する段階が手作業でロケーションを手作業入力デバイスにより入力することによる、本発明（29）の方法である。
34. 本発明（３４）は、手作業入力デバイスがコンピュータ周辺機器又は無線コンピュータ周辺機器である、本発明（33）の方法である。
35. 本発明（３５）は、手作業入力デバイスが、キーボード、スタイラス、キーパッド、コンピュータ・マウス、コンピュータ・トラックボール、タブレット、ポインティング・デバイスからなる群より選択される、本発明（33）の方法である。
36. 本発明（３６）は、観察者眼点ロケーションの検出が自動入力デバイスによるものであり、これにより自動入力デバイスが眼点ロケーションを観察者から自動的に引き出す、本発明（29）の方法である。
37. 本発明（３７）は、自動入力デバイスが、無線周波数追跡デバイス、赤外線追跡デバイス、カメラ追跡デバイスからなる群より選択される、本発明（26）の方法である。
38. 本発明（３８）は、画像を操作する段階を更に含む、本発明（29）の方法である。
39. 本発明（３９）は、画像操作が表示された画像の変更または新しい画像の生成を含む、本発明（29）の方法である。
40. 本発明（４０）は、表示された画像の変更が画像の移動、拡大または回転を含む、本発明（29）の方法である。
本発明により、パーソナル・コンピュータが水平遠近法ディスプレイに完璧に適していることが認識される。それはパーソナルであるので、1人の操作のために設計され、コンピュータは、その強力なマイクロプロセッサによって様々な水平遠近法画像を観察者へレンダリングすることができる。
【００１３】
したがって、本発明は、水平遠近法画像を調節して観察者の位置に合わせることのできるリアルタイム電子ディスプレイを開示する。表示された画像を変更して水平遠近法画像の眼点のポイントを観察者の眼点と同じ位置に保つことによって、観察者の眼は常に適正な観察位置に配置されて3次元幻影を知覚し、したがって観察者の不快感及び歪曲は最小にされる。ディスプレイは、手作業の入力、例えば、コンピュータ・マウス、トラックボール、ジョイスティック、タブレットなどを受け入れ、水平遠近法画像を再配置することができる。ディスプレイは、更に、観察者の観察点のロケーションを自動的に提供する入力デバイスに基づいて、画像を自動的に再配置することができる。
【００１４】
更に、ディスプレイは2次元画像の投影に限定されず、3次元モデルも投影する。複数の入力も含まれ、1つの入力は画像を適正な視野に保ち、1つの入力は画像を操作、例えば、回転、移動、又は拡大する。
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、水平遠近法投影に基づいて3次元幻影を投影することのできる水平遠近法表示システムを開示する。
【００１６】
水平遠近法は、知名度が低い遠近法である。本発明者らは、その機構を説明する本を2つだけ発見した。即ち、Stereoscopic Drawing（（著作権）1990）及びHow to Make Anaglyphs（（著作権）1979、絶版）である。これらの本は、この分かりにくい遠近法を説明しているが、それらの本は遠近法の名前で一致していない。最初の本は、水平遠近法を「自立アナグリフ」と呼び、二番目の本は「ファントグラム」と呼んでいる。他の刊行物は、それを「投影アナグリフ」と呼んでいる（米国特許第5,795,154号, G. M. Woods, Aug. 18, 1998）。名前が一致していないので、本発明者らは自由にそれを「水平遠近法」と呼んだ。通常、中心遠近法では、視線と直角の映像面は更に絵の投影面であって、この平坦な画像へ奥行きの幻影を与えるため奥行きキューが使用される。水平遠近法では、映像面は同じであるが、投影された画像はこの平面にはない。それは、映像面に対して或る角度の平面にある。典型的には、画像は床レベルの面にある。これは、画像が映像面に対して物理的に第3の次元にあることを意味する。したがって、水平遠近法は、水平投影法と呼ぶことができる。
【００１７】
水平遠近法において、目的は、紙から画像を分離し、その画像を、水平遠近法画像を投影する3次元オブジェクトへ融合することである。したがって、水平遠近法画像は、可視画像が融合して、自立型3次元像を形成するように歪曲されなければならない。更に、画像が正しい眼点から観察されることが必須である。そうでなければ、3次元幻影が失われる。高さ及び幅を有し、奥行きの幻影を投影し、したがってオブジェクトが、通常、急激に投影され、画像が層の中にあるように見える中心遠近法画像とは対照的に、水平遠近法画像は、実際の奥行き及び幅を有し、幻影が画像に高さを与え、したがって、通常、勾配型推移が存在し、画像は連続するように見える。
【００１８】
図3は、中心遠近法と水平遠近法とを区別する重要な特性を比較する。画像Aは中心遠近法の重要な関連特性を示し、画像Bは水平遠近法の重要な関連特性を示す。
【００１９】
言い換えれば、実在の3次元オブジェクト（相互の間に少し間隔を置いて積層された3つのブロック）は、1つの眼を閉じて、垂直線描面32に垂直な視線31に沿って観察している芸術家によって線描された。結果の画像は、垂直に真っ直ぐ、及び1つの眼を通して観察される場合、元の画像と同じように見える。
【００２０】
画像Bでは、実在の3次元オブジェクトは、1つの眼を閉じ、水平線描面34に対して45°の視線33に沿って観察している芸術家によって線描された。結果の画像は、水平に45°、及び1つの眼を通して観察される場合、元の画像と同じように見える。
【００２１】
図4及び図5は、中心遠近法及び水平遠近法を使用する場合の可視的な差異を示す。この可視的な差異を体験するため、最初に、1つの開いた眼を通して中心遠近法で線描された図4を見る。通常の線描を行うように、眼と垂直になるように前方で紙を垂直に保つ。中心遠近法は2次元平面の上で3次元オブジェクトの良好な表現を提供することが分かる。
【００２２】
ここで、机を移動して、机の上の面前に紙を平坦に（水平に）置くことによって、水平遠近法を使用して線描された図5を見る。再び、1つだけの眼を通して画像を観察する。これは、眼点と呼ばれる1つの開いた眼を、紙に対して約45°に置く。この角度は、芸術家が線描を作るために使用した角度である。開いた眼とその視線を芸術家と一致させるため、描画へ近づくように眼を下方及び前方へ移動し、45°の角度で約6インチだけ外側及び下方に来るようにする。これは、最上ブロック及び中間ブロックが紙の上の開放空間に現れるという理想的観察体験を生じる。
【００２３】
再び、1つの開いた眼が、この正確なロケーションに存在しなければならない理由は、中心遠近法及び水平遠近法の双方が、眼点からの視線の角度を定めるだけでなく、眼点から線描までの距離を定めるからである。これは、図4及び図5が、線描面に対して、開かれた眼のために理想的なロケーション及び方向で線描されることを意味する。しかし、眼点の位置及び方向からの逸脱が、ほとんど歪曲を作り出さない中心遠近法とは異なって、水平遠近法の線描を観察する場合、1つだけの眼の使用及び観察面に対するその眼の位置及び方向は、開放空間の3次元水平遠近法幻影を見るために必須である。
【００２４】
図6は、水平遠近法を使用して、紙又はキャンバスの上に簡単な幾何学線描を作る方法を示す建築風の図である。図6は、図5で使用された同じ3つのブロックの側面図である。それは、水平遠近法の実際の機構を示す。オブジェクトを作り上げている各々の点は、点を水平線描面の上に投影することによって線描される。これを示すため、図6は投影線を介して水平線描面の上に線描されているブロックの少数の座標を示す。これらの投影線は、眼点（目盛りに起因して、図6では図示されない）で始まり、オブジェクト上の点63と交差し、投影線が水平線描面62と交差する所まで直線として続く。交差する所は、投影線が紙の上で単一のドット64として物理的に線描される場所である。建築家が、線描面から45°の視線61に沿った眼点まで見えるように、ブロック上の各々及び全ての点についてこのプロセスを反復する場合、水平遠近法線描が完成し、図5のように見える。
【００２５】
図6で注意されることは、3つのブロックの1つが水平線描面の下に現れることである。水平遠近法の場合、線描面の下に位置する点も水平線描面の上に線描され、高低線に沿った眼点から見えるようにされる。したがって、最終の線描が観察される場合、オブジェクトは水平線描面の上に現れるだけでなく、その下にも現れる。これは、オブジェクトが紙の中へ後退するような外観を与える。再び図5を見ると、最下部の箱が紙の下、又は紙の中にあるように現れ、他の2つの箱は紙の上の開放空間に現れることが分かると考えられる。
【００２６】
水平遠近法画像の生成は、中心遠近法画像よりも作成するのに相当の専門的技術を必要とする。双方の方法は、2次元画像から生じた3次元幻影を観察者に提供しようとするものであるが、中心遠近法画像は観察者又はカメラ・ポイントから3次元風景を直接生成する。対照的に、水平遠近法画像は、正面から眺める場合歪曲されて現れるが、正確なロケーションで眺めた場合水平遠近法が3次元幻影を生成するように、歪曲を正確にレンダリングしなければならない。
【００２７】
本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、表示された画像を調節して幻影観察体験を最大化する手段を観察者に提供することによって、水平遠近法投影観察を促進する。マイクロプロセッサの計算力及びリアルタイム・ディスプレイを使用することによって、本発明の水平遠近法ディスプレイが、投影された画像を再線描することのできるリアルタイム電子ディスプレイ100を水平遠近法画像を調節する観察者の入力デバイス102とともに含み、図7に示される。水平遠近法画像の投影眼点が観察者の眼点と一致するように、画像を再表示することによって、本発明の水平遠近法ディスプレイは、水平遠近法からの3次元幻影をレンダリングする場合の最小歪曲を保証することができる。入力デバイスは手で操作可能であり、観察者は手で自分の眼点ロケーションを入力するか、投影画像眼点を変更して最適の3次元幻影を取得することができる。入力デバイスは、更に、自動的に操作可能であり、ディスプレイは自動的に観察者の眼点を追跡し、それに従って投影画像を調節する。本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、観察者が頭を比較的に固定された位置に保つという制約を除去する。この制約は、例えば、水平遠近法又はホログラム表示のように、正確な眼点ロケーションを受容する場合に多くの困難性を作り出す制約である。
【００２８】
図8に示される水平遠近法ディスプレイシステムは、更に、リアルタイム電子表示デバイス100及び計算デバイス110に入力を提供する投影画像入力デバイス112に加えて、計算デバイスが可能である。それは、表示のために投影画像を計算し、観察者の眼点を投影画像眼点と一致させることによって、現実感のある最小歪曲3次元幻影を観察者へ提供するためである。システムは、更に、画像拡大/縮小入力デバイス115、又は画像回転入力デバイス117、又は画像移動デバイス119を含むことができる。それは観察者が投影画像の眺めを調節できるようにするためである。
【００２９】
入力デバイスは、手作業又は自動的に操作可能である。入力デバイスは観察者の眼点の位置及び方位を検出し、検出結果に従って画像を計算し、ディスプレイの上に画像投影する。または、入力デバイスは、観察者の頭の位置と方位、及び眼球の方位を検出するように作ることができる。入力デバイスは、赤外線検出システムを含んで観察者の頭の位置を検出し、観察者が頭を自由に移動できるようにする。入力デバイスの他の態様は、観察者の眼点ロケーションを検出する三角測量法である。例えば、CCDカメラは、頭を追跡する本発明の目的に適した位置データを提供する。入力デバイスは、例えば、キーボード、マウス、トラックボール、ジョイスティックなどのように、観察者によって手で操作され、水平遠近法ディスプレイ画像の正しい表示を指すことができる。
【００３０】
開示された本発明は、多数の新しいコンピュータ・ハードウェア及びソフトウェア要素及びプロセスを含み、既存の構成要素と一緒になって、水平遠近法観察シミュレータを作り出す。観察者が、これらの独特の観察シミュレーションを体験するためには、コンピュータ・ハードウェアの観察面が、好ましくは、水平に置かれ、観察者の視線が観察面に対して45°の角度にされる。典型的には、これは、観察者が垂直に立つか座り、観察面が床に対して水平であることを意味する。観察者は45°以外の観察角（例えば、55°、30°など）でハンズオン・シミュレーションを体験できるが、45°は、脳が開放空間画像の中で最大量の空間情報を認識するための最適角であることに注意すべきである。したがって、単純性を目的として、本発明者らは、本明細書の全体で「約45°の角度」を意味するために「45°」を使用する。更に、水平観察面は水平な床と一緒に観察者の体験をシミュレートするので、水平観察面が好ましいが、任意の観察面が類似の3次元幻影体験を提供できると考えられる。水平遠近法幻影は、水平遠近法画像を天井面へ投影することによって天井からぶら下がるように現れることができ、又は水平遠近法画像を垂直壁面へ投影することによって壁から浮動するように現れることができる。
【００３１】
観察シミュレーションは、物理観察面の上及び下の双方に位置する3次元グラフィックス観察ボリューム内に生成される。数学的には、角度付きカメラ・ポイントのコンピュータ生成x、y、z座標が無限「ピラミッド」の頂点を形成し、ピラミッドの側面は参照/水平面のx、y、z座標を通過する。図9は、この無限ピラミッドを示す。無限ピラミッドは、角度付きカメラ・ポイントから始まり、遠クリップ面95を通って延びる。観察ボリューム96は快適面92によって画定される。快適面92は、観察ボリューム96の最上部にある平面であり、その名前は適切である。なぜなら、ピラミッド内のそのロケーションは、観察者の個人的快適さ、即ち、シミュレーションを観察及び対話している間、観察者の眼、頭、身体などが、どのように位置するかを決定するからである。3Dオブジェクト93は、水平面94から水平遠近法で投影される。
【００３２】
観察者が、物理観察デバイスの上で開放空間画像を観察するためには、物理観察デバイスが適切に配置されなければならない。このことは、通常、物理参照面が床に対して水平に置かれることを意味する。床に対する観察デバイスの位置がどのようなものであれ、最適観察を得るためには、参照/水平面が観察者の高低線91に対して約45°でなければならない。
【００３３】
観察者がこのステップを達成する1つの方法は、CRTコンピュータ・モニタを床の上でスタンドの中に配置し、参照/水平面が床に対して水平になるようにすることである。この例はCRT型テレビ又はコンピュータ・モニタを使用するが、観察者の視線に対して約45°の角度の観察面を提供する任意の型の観察デバイス、表示スクリーン、白黒又はカラーのディスプレイ、ルミネッセンス、TFT、燐光性のコンピュータ・プロジェクタ、及び一般的な他の画像生成方法であってよい。
【００３４】
ディスプレイは、水平遠近法画像を適切に表示するために観察の眼点を知る必要がある。これを行う1つの方法は、観察者が、物理参照/水平面の中心に対する眼の現実世界x、y、zロケーション及び高低線情報を水平遠近法ディスプレイに供給することである。例えば、観察者は、参照/水平面の中心を見ながら、物理的な眼が12インチだけ上方へ及び12インチだけ後方へ置かれることを水平遠近法ディスプレイに知らせる。次に、水平遠近法ディスプレイは、コンピュータ生成角度付きカメラ・ポイントを観察者の眼点物理座標及び高低線へマップする。他の方法は、観察者が入力デバイス、例えば、マウスを手作業で調節し、水平遠近法ディスプレイが、適切な眼点ロケーションが観察者によって経験されるまで、画像投影眼点を調節することである。他の方法は、赤外線装置又はカメラと共に三角測量を使用して、観察者の眼点ロケーションを自動的に突き止めることである。
【００３５】
図10は、上記のステップで説明した新しいコンピュータ生成及び現実の物理要素の全てを含む水平遠近法ディスプレイを示す。それは、更に、現実世界の要素及びそのコンピュータ生成同等物が1：1でマップされ、一緒に共通参照面123を共有することを示す。この水平遠近法ディスプレイの完全な実現は、ハンズオン・ボリューム128内の観察デバイス面の上の開放空間に現れるリアルタイム・コンピュータ生成3次元グラフィックス122、及び内部アクセスボリューム127内の観察デバイス面の下に現れる3次元グラフィックス126を生じる。3次元グラフィックス122及び126は観察者の視線に対して約45°の方位にある。
【００３６】
本発明は、更に、観察者が3次元表示を動かし、それでも大きな歪曲を受けないことを可能にする。なぜなら、表示は観察者の眼点を追跡することができ、それに従って画像を再表示するからである。このことは、従来の先行技術の3次元画像表示と対比される。従来の3次元表示は、単一の観察点から見えるように投影及び計算され、したがって観察者が空間内の意図された観察点から離れるように移動すると、大きな歪曲が生じる。
【００３７】
表示システムは、更に、眼点のロケーションが移動した場合、投影された画像を再計算することができるコンピュータを含むことができる。水平遠近法画像は非常に複雑であり、作成に手間がかかり、又は芸術家又はカメラにとって自然とは言えない方法で作成され、仕事にコンピュータ・システムの使用を必要とする。複雑な表面を有するオブジェクトの3次元画像を表示すること、又はアニメーション・シーケンスを作成することは、多大な計算パワー及び時間を必要とし、したがってコンピュータに非常に適した仕事である。3次元能力エレクトロニクス及びコンピューティング・ハードウェア・デバイス及びリアルタイム・コンピュータ生成3次元コンピュータ・グラフィックスは最近著しく進歩し、それと共に、ビジュアル、オーディオ、及び触知システムの著しい革新が行われ、現実感及びコンピュータと人間とのより自然なインタフェースを生成する優れたハードウェア及びソフトウェア製品が生産されるようになった。
【００３８】
本発明の水平遠近法ディスプレイシステムは、娯楽メディア、例えば、テレビ、映画、及びビデオ・ゲームの要求に応じるだけでなく、様々な分野、例えば、教育（3次元構造体の表示）、技術的訓練（3次元機器の表示）からも必要とされる。3次元画像表示への要求は増加している。3次元画像表示は様々な角度から観察可能であり、現実の物体に類似した画像を使用して物体を観察することを可能にする。水平遠近法ディスプレイシステムは、更に、観察者にとってコンピュータ生成現実の代替物となることができる。システムは、オーディオ、ビジュアル、動き、及びユーザからの入力を含んでよく、3次元幻影の完全な体験を作り出す。
【００３９】
水平遠近法システムへの入力は、2次元画像、単一の3次元画像を形成するように組み合わせられる幾つかの画像、又は3次元モデルであってよい。3次元画像又はモデルは、2次元画像よりも多くの情報を伝達し、観察者は、観察角を変更することによって、異なる視野から同じオブジェクトを連続的に見た場合の印象を取得する。
【００４０】
水平遠近法ディスプレイは、更に、複数の観察画又は「マルチビュー」能力を提供することができる。マルチビューは、同じシミュレーションの複数及び/又は別々の左眼及び右眼観察画を観察者に提供する。マルチビュー能力は、単一眼観察画をビジュアル的及び対話的に著しく改善したものである。マルチビュー・モードにおいて、左眼及び右眼画像の双方は、観察者の脳によって単一の3次元幻影へ融合される。立体画像に内在する眼の適応と収束との食い違いは、大きな食い違いがあると観察者の眼の疲労を導くが、その問題は、特に動く画像について水平遠近法ディスプレイで低減することができる。なぜなら、表示シーンが変化する場合、観察者の注視点の位置が変化するからである。
【００４１】
マルチビュー・モードにおいて、2つの眼の動作をシミュレートして奥行きの知覚を作り出すことが目的となる。即ち、左眼及び右眼は、少し異なる画像を見る。したがって、本発明で使用可能なマルチビュー・デバイスは、アナグリフ法のような眼鏡、特殊偏光眼鏡、又はシャッター眼鏡を有する方法、眼鏡を使用しない方法、例えば、視差実体画、レンチキュラー法、及びミラー法（凹レンズ及び凸レンズ）を含む。
【００４２】
アナグリフ法では、右眼の表示画像及び左眼の表示画像は、それぞれ2つの色、例えば、赤及び青で重畳して表示され、右眼及び左眼の観察画像は、色フィルタを使用して分離される。このようにして、観察者は立体画像を認識できるようになる。画像は水平遠近法の手法を使用して表示され、観察者は或る角度で見下ろすことになる。1眼水平遠近法と同じように、投影された画像の眼点は観察者の眼点と一致しなければならず、したがって観察者の入力デバイスは、観察者が3次元水平遠近法幻影を観察するために必須である。アナグリフ法の早期の時代から、多様な赤/青眼鏡及びディスプレイのような多くの改善が行われ、ますます多くの現実感及び快適さを観察者へ生成するようになった。
【００４３】
偏光眼鏡法では、左眼画像及び右眼画像は、相互消去偏光フィルタ、例えば、直交線形偏光子、円形偏光子、楕円形偏光子の使用によって分離される。画像は、通常、偏光フィルタを使用してスクリーン上に投影され、観察者は、対応する偏光眼鏡を提供される。左眼及び右眼の画像は、同時にスクリーン上に現れるが、左眼の偏光された光のみが眼鏡の左眼レンズを透過し、右眼の偏光された光のみが右眼レンズを透過する。
【００４４】
立体表示の他の方法は、画像シーケンシャル・システムである。そのようなシステムでは、画像は左眼画像と右眼画像を順次に表示されて相互に重畳することはない。観察者のレンズはスクリーンの表示と同期され、左眼は左の画像が表示される場合にのみ見ることができ、右眼は右の画像が表示される場合にのみ見ることができる。眼鏡の閉鎖は機械閉鎖又は液晶電子閉鎖によって達成可能である。眼鏡閉鎖法では、右眼及び左眼の表示画像がタイムシェアリング方式でCRT上に交互に表示され、右眼及び左眼の観察画像はタイムシェアリング・シャッター眼鏡を使用して分離される。タイムシェアリング・シャッター眼鏡は表示画像と同期してタイムシェアリング方式で開放/閉鎖され、したがって観察者は立体画像を認識することができる。
【００４５】
立体画像を表示する他の方法は光学法による。この方法において、右眼及び左眼の表示画像は、光学手段、例えば、プリズム、鏡、レンズなどを使用して観察者へ別々に表示され、また観察者の前面で観察画像として重畳表示され、したがって観察者は立体画像を認識することができる。大きな凸レンズ及び凹レンズも使用可能である。その場合、左眼及び右眼の画像を投影する2つの画像プロジェクタが、それぞれ観察者の左眼及び右眼へ焦点を合わせる。光学法の変形はレンチキュラー法である。この場合、画像は円筒形レンズ要素又はレンズ要素の2次元アレーの上に形成される。
【００４６】
図11は、コンピュータ生成人物の2眼観察画が、どのようにして水平面に投影され、次に立体3D能力観察デバイスの上に表示されるかに焦点を当てた水平遠近法ディスプレイである。図11は1つの完全な表示時間周期を表す。この表示時間周期の間、水平遠近法ディスプレイは2つの異なる眼観察画を生成する必要がある。なぜなら、この例において、立体3D観察デバイスは別々の左眼及び右眼観察画を必要とするからである。別々の左眼及び右眼観察画よりも多くの観察画を必要とする既存の立体3D観察デバイスが存在する。本明細書で説明される方法は、複数の観察画を生成することができるので、これらのデバイスについても有効である。
【００４７】
図11の左上方のイラストは、最初の（右）眼観察画が生成された後の右眼132の角度付きカメラ・ポイントを示す。一度最初の（右）眼観察画が完了すると、水平遠近法ディスプレイはコンピュータ生成人物の第2の眼（左眼）観察画のレンダリング・プロセスを開始する。図11の左下方のイラストは、この時間が完了した後の、左眼134の角度付きカメラ・ポイントを示す。しかし、レンダリング・プロセスを始める前に、水平遠近法ディスプレイは角度付きカメラ・ポイントへの調節を行う。これは、図11で、2インチだけ増分された左眼のx座標によって示される。右眼のx値と左眼のx＋2”とのこの差は、両眼の間の2インチの分離を提供する。この分離は立体3D観察に必要である。人々の両眼の間の距離は様々であるが、上記の例では、平均の2インチを使用している。観察が、個人的な眼の分離値を水平遠近法ディスプレイへ供給することも可能である。これは、所与の観察者について左眼及び右眼のx値を高度に正確にし、それによって立体3D観察の品質を改善すると考えられる。
【００４８】
一度水平遠近法ディスプレイが、2インチ又は観察者から供給された個人的眼分離値だけ、角度付きカメラ・ポイントのx座標を増分すると、第2の（左眼）観察画を表示することによってレンダリングが継続する。
【００４９】
使用される立体3D観察デバイスに依存して、水平遠近法ディスプレイは、次の表示時間周期へ移る必要があるまで、これまで説明したように左眼及び右眼画像を表示し続ける。次の表示時間周期へ移る必要が起こる時の例は、子グマが脚又は体の一部分を動かす場合である。その場合、新しい位置の子グマを示すため新しい第2のシミュレーション画像が必要であると考えられる。子グマのこの新しいシミュレーション画像は、少し異なるロケーションで、新しい表示時間周期の間にレンダリングされる。表示時間を停止することなく増分することによって複数の画像を生成するこのプロセスは、水平遠近法ディスプレイがリアルタイム・シミュレーションを立体3Dで生成する間継続する。
【００５０】
水平遠近法画像を迅速に表示することによって、動きの3次元幻影を実現することができる。典型的には、眼が動きを知覚するためには1秒当たり30〜60の画像で十分である。立体視の場合、重畳される画像では同じ表示速度が必要であり、時間シーケンシャル法では2倍の速度が必要であると考えられる。
【００５１】
表示速度は、ディスプレイが1つの画像を完全に生成して表示するために使用する1秒当たりの画像数である。これは、画像を1秒に24回表示する映写機と同じである。したがって、プロジェクタによって表示される1つの画像について、1秒の1/24が必要である。しかし、表示時間は可変であってよい。これはビュー・ボリュームの複雑性に依存して、コンピュータが1つだけの表示画像を完了するのに1秒の1/12又は1/2が必要であることを意味する。ディスプレイは同じ画像の別々の左眼及び右眼観察画を生成しているので、全体の表示時間は1眼画像の表示時間の2倍である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】様々な遠近法線描を示す。
【図２】典型的な中心遠近法線描を示す。
【図３】中心遠近法（画像A）と水平遠近法（画像B）との比較を示す。
【図４】3つの積層ブロックの中心遠近法線描を示す。
【図５】3つの積層ブロックの水平遠近法線描を示す。
【図６】水平遠近法線描を行う方法を示す。
【図７】水平遠近法ディスプレイ及び観察者の入力デバイスを含む本発明の態様を示す。
【図８】水平遠近法ディスプレイ、計算デバイス、及び観察者の入力デバイスを含む本発明の他の態様を示す。
【図９】水平面に対する3Dオブジェクトのマッピングを示す。
【図１０】水平遠近法による3Dオブジェクトの投影を示す。
【図１１】水平遠近法のシミュレーション時間を示す。