CN103597406A - 显示系统和用于向不平坦表面上投影的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于将可变电子内容（例如视频或数字静态图像）投影到曲面上的系统。所述系统包括壳体、在所述壳体内的反射器和投影仪。所述壳体具有外表面和内部空间。所述外表面的至少一部分是弯曲显示表面，所述弯曲显示表面能够显示投影到其上的电子内容，并且所述外表面的至少一部分具有穿过所述外表面到所述内部空间的孔。所述投影仪位于所述孔的附近，用于穿过所述孔将内容投影到所述反射器。当所述投影仪接收到转换的内容并穿过所述孔将所述转换的内容投影到所述反射器时，所述弯曲显示表面将所述转换的内容无失真地显示给观看者。所述系统还可提供用于在具有与品牌对应的形状的产品容器上显示品牌内容。

Description

显示系统和用于向不平坦表面上投影的方法

背景技术

消费者对购买点处的静态图像内容变得应接不暇。静态图像内容通常推广或提供关于产品的信息以尝试影响消费者的购买决策。然而，确定此类静态图像内容的有效性可能是困难的。因此在向消费者提供广告或其他产品促销内容方面需要新的方式以吸引消费者的注意。一种方法涉及将这些静态表面转换为视频表面并提供视频内容用于广告，从而尝试通过活动型的内容吸引消费者的注意。通常在推广的产品的附近或邻近所述推广的产品的平面屏幕显示装置（例如液晶显示装置）上提供此视频内容。当消费者只是观看潜在购买产品，而未观看显示器时，此类广告的有效性可能有限。因此，需要一种新的方式来在特别是可能与实际产品容器相似的曲面上递送视频内容。

发明内容

符合本发明的一种用于将可变电子内容投影到曲面上的系统包括壳体、所述壳体内的反射器、以及投影仪。所述壳体具有外表面和内部空间。所述外表面的至少一部分是弯曲显示表面，所述弯曲显示表面能够显示投影到其上的可变电子内容，并且所述外表面的至少一部分具有穿过所述外表面到所述内部空间的孔。所述投影仪位于所述孔的附近，用于穿过所述孔将内容投影到所述反射器。或者，所述投影仪可位于所述壳体的内部，在这样的实施例中，不需要孔。当所述投影仪接收到转换的内容并穿过所述孔将所述转换的内容投影到所述反射器时，所述弯曲显示表面将所述转换的内容无失真地显示给观看者。

附图说明

附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在附图中，

图1是用于在曲面上提供可变电子内容的投影系统的分解示意图；

图2是用于投影系统的显示表面的示例性组件的示意图；

图3是示出用于投影系统的壳体的侧视图；

图4是用于投影系统的壳体的侧面剖视图；

图5是用于投影系统的壳体的顶视图；

图6是用于投影系统的壳体的底视图；

图7是用于投影系统的壳体的分解透视图；

图8是用于投影系统的壳体的替代实施例的侧视图；

图9a和图9b是用于实例的光学平台装置构型的示意图；

图10a-10c是用于实例的显示屏幕构型的示意图；

图11是示出用于实例的从投影仪到锥形反射镜到显示屏幕的光线跟踪的示意图；

图12是示出用于实例的瓶形显示器中的投影仪和锥形反射镜构型的示意图；

图13是用于实例的背投膜的表征的曲线图；

图14是用于实例的转向膜透镜的剖视图；

图15是用于实例的转向膜的归一化亮度的曲线图；

图16是用于实例的转向膜的归一化亮度的曲线图；

图17是如实例中所使用的用于转换内容以显示到曲面上的图像重映射算法的流程图；

图18是用于实例的样本输入和输出图像的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例可提供购买点投影显示系统，其意在将静态表面转换为电子显示表面以显示视频或可变电子静态图像。这些表面可包括品牌特定内容在品牌特定形状上的投影。视频或其他电子内容在曲面上，特别是在品牌特定形状上的投影允许有新类型的广告、产品推广和信息递送。

图1是用于在曲面上提供可变电子内容的投影系统10的分解示意图。系统10包括内容源12、控制器14、投影仪16、弯曲显示表面18和锥形反射器20。控制器14从内容源12接收内容并将其提供给投影仪16以经由锥形反射器20投影在显示表面18上。可变电子内容可包括电子视频内容或可变电子（数字）静态图像。

控制器14可用计算机或其他基于处理器的装置来实现，并且内容源12可用存储装置来实现。控制器14可包括与投影仪16的有线或无线连接，并且它可包括与多个投影仪的连接以用于将内容显示在组装到不同的壳体中的许多投影系统上。控制器14可转换待显示的内容，或者接收已经转换的内容。这种转换是弯曲显示表面18所需要的以将转换的内容无失真地显示给观看者，这意味着它就像原始内容预期在平坦显示器上看起来的那样显示电子内容。

锥形反射器20优选具有使得投影的内容均匀地显示在整个显示表面18上的锥角，如由线22和24所表示的。锥形反射器20可用例如反射镜膜来实现，所述反射镜膜层合或以其他方式附着到用于机械支撑的基底，以将反射镜膜保持在期望的构型。或者，反射器可以是可热成形的反射镜。

锥形反射器20可具有完整锥形反射镜以用于将内容投影到完整360°的弯曲显示表面18上（如图所示），或者可具有部分锥形反射镜以用于仅在弯曲显示表面18的一部分上投影和显示内容。任选地，除了径向之外，锥形反射器20可在轴向上弯曲，从而与凸锥或曲边锥相似，并且反射器可任选地为截顶锥。另外，在此实施例中，可使用任何旋转对称的表面来实现反射器。实例提供了用于计算反射器的锥角以便基本上均匀地显示转换内容的方法。尽管弯曲显示表面18被示出为圆柱形表面，但其他类型的弯曲显示表面也是可以的，包括用于显示表面的平坦表面和不平坦表面的组合。另外，多个反射器或反射器系统可任选地与显示表面一起使用。

图2是用于投影系统的弯曲显示表面18的示例性组件的示意图。在此实施例中，显示表面18包括转向膜26、支撑基底28和背投膜（RPF）30。作为RPF30的替代形式，可使用其他膜，例如具有小透镜阵列、双凸透镜（lenticular）阵列、微型菲涅耳透镜阵列或微型菲涅耳双凸透镜阵列的膜。转向膜26从反射器20接收投影的内容并对投影的光重新导向，以按照期望视角提供内容。支撑基底28可用例如透明聚合物膜或玻璃柱体来实现，并为转向膜26和背投膜30提供机械支撑。支撑基底28是可选的，因为对于某些实施例，转向膜和显示表面本身可具有足够的机械支撑。弯曲显示表面18的组件可层合或以其他方式附着在一起。或者，显示表面可为可热成形的屏幕。

弯曲显示表面18可任选地在背投膜30的观看者一侧上包括另一转向膜。可针对弯曲显示表面的期望主视角设计转向膜，例如观看者直视显示表面，仰视显示表面，或者俯视显示表面。另外，转向膜可被设计为使得在偏离期望视角的轴线处，显示表面看起来更暗。

图3-7概念性地示出了用于容纳图1和图2的投影系统的壳体。图3-7分别是带有投影系统的壳体的侧视图、侧面剖视图、顶视图、底视图和分解透视图。如图3-7所示，此实施例中的壳体包括封盖40、与显示表面18对应的弯曲显示表面42、基座44和锥形反射器48。反射器48由环46支撑，所述环具有搁在显示表面42的顶部边缘55上的部分54。封盖40具有底部边缘41，所述底部边缘可适配在环46的边缘47上，并通过摩擦固定就位。封盖40还具有中空空间49。基座44具有顶部环52，并且显示表面42的底部边缘43可适配在环52的边缘53上，并通过摩擦固定就位。如图所示，显示表面42还适配在基座44的顶部上。基座44包括内壁46、外壁51以及介于壁46和51之间的中空空间45。基座44的内壁46形成孔，使得投影仪50可穿过所述孔将内容投影到反射器48，以将所述内容反射并显示在显示表面42上，如图1所示。或者，投影仪可位于壳体的内部，并且在该实施例中不需要孔。壳体的组件连同显示表面可以是可移除的（如图7所示），或者它们可使用例如粘合剂固定在一起。或者，壳体可由一体式外罩形成，并且壳体可形成完整的外罩或部分的外罩。

图8是用于投影系统的壳体的替代实施例的侧视图。在此替代实施例中，投影仪60位于壳体的上方。壳体包括封盖66、与显示表面18对应的弯曲显示表面68、以及基座70。封盖66包括孔78和围绕所述孔的中空空间80。环76可搁在显示表面68的顶部边缘上，并包括下环部分81以适配在显示表面68的内部并通过摩擦将环76固定就位。封盖66也可抵靠环76并通过摩擦固定就位。基座70包括中空空间82（类似于基座44），并且还包括环74。反射器72安装在环74上，并且显示表面68可通过摩擦抵靠环74固定就位。在使用中，投影仪60通过利用反射镜62反射内容来穿过孔78投影内容，如线64所示。反射镜62是可选的，因为对于某些实施例，投影仪可将内容直接投影到壳体中。投影的内容被反射器72反射以由显示表面68显示，如图1所示，不同的是按照反转的构型。此替代实施例可提供用于例如天花板安装型投影仪。

弯曲显示表面可位于壳体中的各种位置处。在图3-8中，示出弯曲显示表面位于封盖与基座之间。然而，弯曲显示表面可位于封盖的位置处或基座下方。另外，基座和封盖的高度可变化，以改变弯曲显示表面的垂直位置。将弯曲显示表面设置在基座与封盖之间提供了用于显示标签或其他静态内容的许多产品容器所使用的位置，这意味着由弯曲显示表面显示的内容在外表面与产品容器相似的壳体上的近似位置将与实际产品容器上的位置相同。

在图3-8中，将用于投影系统的壳体示出为圆柱体仅用于示例性目的。根据例如待显示的内容，壳体可具有各种三维形状。壳体形状可与带壳体的品牌形状对应，因此与具有指示容纳于其内的产品的品牌或型号的形状的实际产品容器相似。对于各种壳体形状，基座和封盖中的中空空间可用于容纳实际产品。例如，中空空间可容纳与壳体所相似的产品容器的品牌形状对应的产品。这样，壳体可看起来就像带有产品的实际产品容器一样，因为将无法穿过中空空间中的产品看见孔。在其他实施例中，壳体不需要具有中空空间，而是相反可通过在其上刷油漆或具有静态内容来模拟产品。

如果壳体与品牌产品容器相似，则可基于品牌形状来选择内容所需的转换类型。控制器可存储与特定品牌形状相关的转换算法，并选择在特定品牌形状上无失真地显示内容所需的算法。作为替代，控制器可将与特定形状相关联的弯曲显示表面数字化，以便针对特定数字化弯曲显示表面选择转换内容的算法。数字化表面可通过例如尺寸、高度和形状的参数来表征。选择的算法可针对弯曲显示表面的特定形状执行内容的像素重映射。内容可被转换并存储以便于稍后显示，或者可根据算法基本上实时地转换。

实例提供了用于实现壳体和投影系统的示例性材料和组件，但也可使用其他类型的材料和组件。另外，实例提供了用于像素重映射以进行图像转换的示例性算法，所述算法可存储在软件或固件中并由控制器执行。或者，所述算法可存储在硬件（例如定制的集成电路芯片）或者硬件和软件的组合中。

实例

为了说明为显示可变电子内容而进行的静态表面到数字曲面的转换，我们下面详细描述向两升（2L）可口可乐汽水瓶（可口可乐公司（Coca-Cola Company））上投影的程序。此实例不是限制性的，而是可广泛适用于多种圆柱形或成型表面。

光学平台装置

光学平台配有Minolta LS-100亮度计（柯尼卡美能达美洲公司（Konica Minolta Sensing Americas,Inc.））、FOSTEC Ace光源（肖特公司（SCHOTT Corporation））和光纤光导。将光导联接到旋转台上的样本夹持器。类似地将亮度计适配到独立的旋转台上。除非另外指明，否则使用约3平方英尺的测试样本。图9示出了使用的两个光学平台装置，其中如图所示，投影屏幕位于光源与检测器之间。图10示出了例如检查的各种显示屏幕构型。使用市售3M MPro160微型投影仪（3M公司）作为显示器的视频源。

光线跟踪

上述图1是投影仪、反射性锥形反射镜以及将转换为数字表面的360°视野标签的建议设计布局。光线跟踪用在设计过程中，并利用MATLAB程序（MathWorks公司）或Excel程序（微软公司）来实现，以跟踪MPro160微型投影仪光路。图11示出了位于坐标(0,0)处的投影仪所使用的参数。我们将所有光线看作源自点光源（坐标(0,0)），所述点光源位于投影仪透镜后面距离P₁（其中P₁=4.3mm）处。距离P₁由投影仪的投射直径的公式来确定，并被定义为零投射直径处的投射距离。

投射直径(mm)=0.50(投射距离)+2.15(MPro160微型投影仪)

从投影仪到反射镜的投射距离是生成与瓶的直径相等的圆形图像的距离。此直径被选择为105mm=2R，其中R是锥形反射镜的基座的半径。

然后我们定义下列参数。

H=从点光源(0,0)到锥形反射镜的基座的垂直距离。

P₂=从投影仪的前面到锥顶的距离。

对于锥的每一不同的底角a₁，以下是固定变量。

a₃=90°-a₁

a₂=90°-a₁

a₅=a₁

M=Rtan(a₁)

F=(R²+M²)^1/2

如图11所示，源自点光源(0,0)的长度Z₁的光线以角度a₆入射在反射镜上。下列参数取决于此光线的方向。

$M^{\′}=\frac{{\mathrm{MR}}^{\′}}{R}$

J'=P₁+P₂+M'

$t_7={\tan }^{-1}\left(\frac{R^{\′}}{J^{\′}}\right)$

a₄=90°-t₇

a₆=a₄-a₁

F'=[(R')²+(M')²]^1/2

G'=F-F'

a₈=180°-a₆-a₃

$H^{\′}=H-\left[\frac{G^{\′}\sin \left(a_6\right)}{\sin \left(a_8\right)}\right]$

$\mathrm{where}\left[\frac{G^{\′}\sin \left(a_6\right)}{\sin \left(a_8\right)}\right]\mathrm{is}\_\mathrm{the}\_\mathrm{screen}\_\mathrm{height}$

Z₁=[(J')²+(R')²]^1/2

$Z_2=\frac{G^{\′}\sin \left(a_3\right)}{\sin \left(a_8\right)}$

Z_total=Z₁+Z₂

实例1：优化反射镜锥角a ₁ 以向瓶标签上投影

图12示出了有关的2L瓶尺寸以及锥底角a₁的优化中所使用的光学配置。要求入射在圆形反射镜上的光线被投影以得到70mm的屏幕高度。在表1的实例中，实例1d所提供的输出数据表明，16°的锥底角近似得到所需投影。

表1：用于70mm屏幕高度显示的锥底角a ₁ 的优化（所有高度均为 mm，投射距离=206mm）。

该使用的计算出的16°锥角通过构造可变锥形反射镜并检查其向显示区域上的投影来确认。入射在标签区域（用于圆柱形显示区域）上的光线在φ₁=44.6°（标签顶部）-55.1°（标签底部）的入射角范围内是这样。

实例2：RPF的表征

可用屏幕材料包括得自3M公司的黑底含珠膜。调节这样的膜中的玻璃珠折射率以控制相对于出射孔的焦点位置。对于具有图9a所示的光学平台装置的图10a所示的投影屏幕构型，获得亮度对入射光角度图线（参见图13）。此图线确认了最大亮度出现在入射角φ₁=0°处。亮度在约φ₁=15°处下降至最大值的50%。在根据实例所表示的实施例设计显示器时，优化图像转向膜以使得它使光以接近0°的值入射到RPF上。

实例3：评估用于瓶形显示器的图像转向膜

实例1表明，16°锥形反射镜使光以约φ₁=45°-55°的角度入射到标签（显示）区域上。然而，图13表明，在这样陡的入射角下从RP输出的亮度非常小（<5%）。

图14示出具有面向RPF的结构化表面的转向膜横截面的示意图。此膜可被优化为根据下面的公式将光以期望角度φ_o朝着RPF导向，其中空气/平表面和小平面（F₂）/空气界面处的折射确定光重新导向的转向效果。转向角随着θ₂和折射率n的增大而增大。

φ_o=sin^-1[n sin{θ₂-sin^-1((1/n)sin(φ₁))}]-θ₂

因此，对于折射率(n)为1.5，出射角φ_o=0°，棱镜角度θ₂=60°的转向膜，可得出39°的预测入射角φ₁。该值φ₁=39°说明，与实例1的投影仪和锥形反射镜装置串联的该图像导向膜将得到合理亮度的显示。为了确认，利用具有图10b所示的显示器构型的图9a所示的光学装置获得亮度对入射光角度图线。图10b的构型使用RI=1.5且棱镜角度θ₁=θ₂=60°的图像导向膜和含珠RPF片。图10b中的构型具有与观看者一侧相背的图像导向膜以及在观看者一侧的含珠RPF，两者均由介于它们之间的玻璃片支撑。最大亮度出现在约φ₁=40°，类似于预测值φ₁=39°。尽管在图14中θ₁=θ₂，对于其他实施例中的转向膜，θ₁无需等于θ₂。

可通过用图15的屏幕亮度曲线比较屏幕顶部和底部的入射角，来估计包括图10b所示的屏幕构型以及MPro160微型投影仪和16°锥形反射镜的建议显示器的相对亮度。

表2：包括MPro160微型投影仪、16°锥形反射镜和图10b的显示屏幕 的显示器的相对亮度。

实例4：优化用于瓶形显示器的图像转向膜以提供均匀图像亮度的显 示。

实例3中所描述的显示器可被调节以在RPF上生成均匀亮度的图像。这种均匀性利用图像导向膜来实现，所述图像导向膜具有梯度棱镜角度以导致来自锥形反射镜的入射光角度的变化。利用实例3中所给出的公式，下面的表表明对于瓶形显示器，RI=1.5且棱镜角度65°-73°的棱镜膜片实现了均匀的亮度。

表3：使用MPro160微型投影仪、16°锥形反射镜以及包括梯度棱镜角 度的图10b所示的梯度棱镜和显示屏幕的显示器的相对亮度。

实例5：确定包括60°棱镜图像转向膜的图10b构型的显示屏幕的最佳 观看方向。

利用图9b所示的光学装置从亮度对入射光角度图线估计实例3中所描述的显示器的最佳观看方向。这里，入射光角度从10°到60°按照5°或10°的增量变化。每次递增，亮度计角度按照5°的增量变化。图15表示这些图线。对于45°的入射光角度，观测到由最大光输出表示的最佳视角在-10°。

实例6：图像导向膜的表征。

图10c示出包括60°图线转向膜、RPF以及在RPF的观看者一侧的60°图像导向膜的显示屏幕。用9英寸×6英寸的屏幕测试样本使用图9b所示的光学平台装置确定此构造的最佳视角。具体地讲，图16表明对于45°的入射光角度，最佳视角为65°-70°。

实例7：2L瓶形显示器的制造。

通过回收利用已有的2L可口可乐汽水瓶（可口可乐公司）来实现显示器制造。将圆柱形标签区域切去并用等外半径的玻璃圆柱体代替。根据实例3的构型通过在接缝处使用3M光学透明粘合剂（3M公司）来为内玻璃表面铺上60°转向膜衬里。通过在接缝处使用3M SCOTCH ATG双面胶带（3M公司）来用含珠RPF覆盖外表面。使用3M SCOTCH-WELD DP-100环氧树脂粘合剂（3M公司）将16°底角锥形反射镜装配到圆柱体的顶部。通过切下圆形的一片增强镜面反射器（ESR）膜产品（3M公司）并使该圆片成形为锥形来制成反射镜。将瓶的下部分隔成两个腔室。外侧腔室容纳液体，而内侧腔室留出经由在瓶底部所钻的孔通向ESR反射镜的光通道，以形成上述孔。如图12所示，将投影仪设置在孔处，距ESR反射镜锥的基座下面210mm处。

实例8：像素重映射

图17所示的框图提供了转换数字图像以按照无失真的方式在实例的瓶形显示器上观看的步骤。在MATLAB程序中执行实现图17所示步骤的算法代码。对于实例中所描述的360°视野瓶形显示器，选择各120°的三个图像区。输入区的数量是任意的。图18中示出了样本输入和输出文件示意图。图18中的顶部视图示出了视野1、视野2和视野3的输入文件。图18中的底部视图示出了视野1、视野2和视野3的输出文件，所述文件被转换为使得当显示在实例中所描述的瓶形显示器的圆柱形显示表面上时，视野看起来未失真。

Claims (20)

1.一种用于将可变电子内容投影到曲面上的系统，包括：

壳体，所述壳体具有外表面和内部空间，其中所述外表面的至少一部分是弯曲显示表面，所述弯曲显示表面能够显示投影到所述弯曲显示表面上的可变电子内容，并且所述外表面的至少一部分具有穿过所述外表面到所述内部空间的孔；

反射器，所述反射器位于所述壳体的所述内部空间内；和

投影仪，所述投影仪位于所述孔的附近，用于穿过所述孔将电子内容投影到所述反射器，

其中当所述投影仪接收到转换的电子内容并穿过所述孔将所述转换的电子内容投影到所述反射器时，所述弯曲显示表面将所述转换的电子内容无失真地显示给观看者。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述弯曲显示表面具有圆柱形形状。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包括锥。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括附接到所述锥的基座的环。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述壳体具有封盖和容纳所述孔的基座，并且其中所述弯曲显示表面位于所述基座与所述封盖之间。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述基座具有作为所述壳体的所述外表面的一部分的外壁、围绕所述孔的内壁以及介于所述外壁与所述内壁之间的中空空间。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述封盖具有内部中空空间。

8.根据权利要求5所述的系统，其中所述封盖能够从所述弯曲显示表面移除，并且所述基座能够从所述弯曲显示表面移除。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述弯曲显示表面包括：

支撑基底；

背投膜；和

转向膜。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述封盖容纳所述孔。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器联接到所述投影仪，用于将所述转换的电子内容提供给所述投影仪。

12.根据权利要求1所述的系统，其中显示在所述弯曲显示表面上的内容与所述壳体的所述外表面的形状有关。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变电子内容包括电子视频内容。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变电子内容包括可变电子静态图像。

15.一种用于将可变电子内容投影到曲面上的方法，包括：

接收与特定产品有关的可变电子内容；

选择与和所述特定产品相关联的容器相似的壳体，其中所述壳体包括外表面和内部空间，其中所述外表面的至少一部分是弯曲显示表面，所述弯曲显示表面能够显示投影到所述弯曲显示表面上的所述可变电子内容，并且所述外表面的至少一部分具有穿过所述外表面到所述内部空间的孔；

基于所述特定产品确定用于所述可变电子内容的转换类型，使得当按照所述转换类型转换的内容穿过所述孔投影到所述弯曲显示表面时，所述弯曲显示表面将所述转换的内容无失真地显示给观看者。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述接收与特定产品有关的可变电子内容的步骤包括接收标识所述特定产品的内容。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述选择与和所述特定产品相关联的容器相似的壳体的步骤包括选择具有介于所述外表面与所述内部空间之间的中空空间的壳体，其中所述中空空间能够容纳所述特定产品。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述选择与和所述特定产品相关联的容器相似的壳体的步骤包括选择容纳反射器的壳体，所述反射器用于将所述转换的内容从所述投影仪向所述弯曲显示表面重新导向。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述接收与特定产品有关的可变电子内容的步骤包括接收电子视频内容。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述接收与特定产品有关的可变电子内容的步骤包括接收可变电子静态图像。

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