CN113409700B - 虚拟窗户 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟窗户。在一示例中，虚拟窗户包含透明的发光二极管(LED)显示面板以及定向背光模块。定向背光模块位于透明的LED。透明的LED显示面板包含多个第一发光二极管用以显示至少一影格。定向背光模块位于透明的LED显示面板的背侧。定向背光模块包含多个第二发光二极管用以形成指向型LED阵列，以产生朝向透明的LED显示面板的准直定向光。在另一示例中，虚拟窗户包含用以显示至少一影格的显示面板，以及位于显示面板的背侧的背光模块。背光模块包含为显示面板提供背光的第一光源，以及用于产生准直定向光的第二光源。

Description

虚拟窗户

技术领域

本揭示文件是关于一种显示技术，特别是关于一种虚拟窗户以及制造虚拟窗户的方法。

背景技术

本文所提供关于背景技术的描述是为了总体呈现本揭示文件的内容。在此背景技术部分所描述的范围内，当前的发明以及一些在申请时可能没有资格被视为现有技术的描述，均未被明确或暗示地承认为反对本发明的现有技术。

人造或虚拟窗户可以藉由在无法使用或不希望使用真实窗户的场所，提供迷人的真实世界风景，从而改善生活和工作环境。举例来说，现有的虚拟窗户是通过在墙壁内嵌入生动的幻灯片背景光的框架而形成的，其位置、大小和取景类似于真实的窗户。虽然可以以相对较低的成本制造现有能够显示高分辨率的图像的人造或虚拟窗户，但是所显示的图像可能缺乏一些重要的特质，以至于上述图像与通过真实世界的窗户观看的风景不同而看起来不太真实。因此，现有的人造窗户无法真正实现所需的正向心理效果。

因此，在本领域中存在解决上述缺陷和不足的需求。

发明内容

本揭示文件提供一种虚拟窗户，其包含透明的LED显示面板以及定向背光模块。透明的LED显示面板具有背侧以及显示侧，且背侧与显示侧互为相反的两侧。透明的LED显示面板包含多个第一发光二极管，上述第一发光二极管用以显示至少一影格(image frame)。定向背光模块位于透明的LED显示面板的背侧。定向背光模块包含多个第二发光二极管，上述第二发光二极管用以形成指向型LED阵列，以产生朝向透明的LED显示面板的一准直定向光。

在一些实施例中，第二发光二极管替透明的LED显示面板显示的该至少一影格模拟一自然光影效果。

在一些实施例中，虚拟窗户更包含光学组件，该光学组件位于透明的LED显示面板的显示侧，用以增加透明的LED显示面板显示的至少一影格的景深感觉。在一实施例中，光学组件为菲涅耳透镜(Fresnel lens)或是超颖透镜(Metalens)。

在一些实施例中，虚拟窗户更包含计算装置，计算装置包含处理器以及储存电脑可执行代码的储存装置，其中当电脑可执行代码经处理器执行时，电脑可执行代码用以分析多个控制因子以决定准直定向光的多个参数，以及控制第二发光二极管以根据准直定向光的参数产生准直定向光。

在一些实施例中，准直定向光的参数包含：准直定向光的准直角度；准直定向光的主方向；准直定向光的辉度；以及准直定向光的色度。

在一些实施例中，准直定向光的主方向包含方位角θ以及一仰角

在一些实施例中，控制因子包含至少以下一者：一日期和时间信息；虚拟窗户的位置信息；虚拟窗户的方位信息；天气信息；以及关联于至少一影格的遮蔽信息(obscurationinformation)。

在一些实施例中，计算装置用以分析至少一影格以及该些控制因子以决定准直定向光的该些参数是藉由：分析该至少一影格或基于天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；回应于决定该至少一影格是晴天天气，分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的一位置计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于日期和时间信息、虚拟窗户的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定该至少一影格是多云天气，藉由分析该至少一影格分类天空状态；基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数(pre-obscuration parameters)；以及基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及天空状态，计算该准直定向光的该些参数。

在一些实施例中，太阳于该至少一影格的该位置是藉由基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息计算太阳的该位置决定。

在一些实施例中，太阳于该至少一影格的该位置是藉由以下操作决定：分析该至少一影格以获取该至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的该位置；以及回应于获取多个饱和白色像素区域，基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的该位置。

本揭示文件提供一种虚拟窗户，其包含显示面板以及背光模块。显示面板具有背侧以及显示侧，且背侧与显示侧互为相反的两侧，显示面板用以显示至少一影格。背光模块位于显示面板的背侧，其包含为显示面板提供背光的第一光源，以及用于产生准直定向光的第二光源。

在一些实施例中，该第二光源替该显示面板显示的该至少一影格模拟一自然光影效果。

在一些实施例中，虚拟窗户，更包含光学组件，光学组件位于显示面板的显示侧，用以增加显示面板显示的至少一影格的景深感觉。在一实施例中，光学组件为菲涅耳透镜或是超颖透镜。

在一些实施例中，第一光源用以提供一偏振光束，且显示面板为不具有后方偏振器的液晶显示面板。

在一些实施例中，显示面板具有一偏振器，且至少一影格的每一帧各自包含第一半帧以及第二半帧，其中：于每一帧各自的第一半帧，第一光源被控制为显示面板提供背光以显示每一帧，且第二光源被关断；以及于每一帧各自的第二半帧，第一光源被关断，且第二光源被控制以产生准直定向光。

在一些实施例中，虚拟窗户更包含计算装置，计算装置包含处理器以及储存电脑可执行代码的储存装置，其中当电脑可执行代码经该处理器执行时，电脑可执行代码用以分析多个控制因子以决定准直定向光的多个参数，以及控制第二发光二极管以根据准直定向光的参数产生准直定向光。

在一些实施例中，准直定向光的参数包含：准直定向光的准直角度；准直定向光的主方向；准直定向光的辉度；以及准直定向光的色度。

在一些实施例中，准直定向光的主方向包含方位角θ以及一仰角

在一些实施例中，控制因子包含至少以下一者：一日期和时间信息；虚拟窗户的位置信息；虚拟窗户的方位信息；天气信息；以及关联于至少一影格的遮蔽信息。

在一些实施例中，计算装置用以分析至少一影格以及该些控制因子以决定准直定向光的该些参数是藉由：分析该至少一影格或基于该天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；回应于决定该至少一影格是晴天天气，分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的位置计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于日期和时间信息、虚拟窗户的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定该至少一影格是多云天气，藉由分析该至少一影格分类天空状态；基于日期和时间信息、虚拟窗户的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数；以及基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及天空状态，计算准直定向光的该些参数。

在一些实施例中，太阳于至少一影格的位置是藉由基于日期和时间信息、虚拟窗户的位置以及方位信息计算太阳的位置决定。

在一些实施例中，太阳于至少一影格的位置是藉由以下操作决定：分析该至少一影格以获取该至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的位置；以及回应于获取多个饱和白色像素区域，基于日期和时间信息、虚拟窗户的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的位置。

本揭示文件提供一种虚拟窗户，其包含显示面板、背光模块以及计算装置。显示面板具有背侧以及显示侧，且背侧与显示侧互为相反的两侧，显示面板用以显示至少一影格，其中至少一影格是藉由远程摄像机即时获取。背光模块位于显示面板的背侧，其包含为显示面板提供背光的第一光源，以及用于产生准直定向光的第二光源。计算装置通讯连接于显示面板、背光模块以及远程摄像机，计算装置包含处理器以及储存电脑可执行代码的储存装置，其中当电脑可执行代码经处理器执行时，用以：自远程摄像机接收至少一影格，以及基于至少一影格产生显示面板的控制数据；自远程摄像机接收多个控制因子，以及决定准直定向光的多个参数；以及基于准直定向光的参数控制第二光源以产生准直定向光。

在一些实施例中，准直定向光的参数包含：准直定向光的准直角度；准直定向光的主方向；准直定向光的辉度；以及准直定向光的色度。在一实施例中，准直定向光的主方向包含方位角θ以及仰角

在一些实施例中，控制因子包含至少以下一者：一日期和时间信息；远程摄像机的位置信息；远程摄像机的方位信息；天气信息；以及关联于至少一影格的遮蔽信息。

在一些实施例中，计算装置用以分析至少一影格以及该些控制因子以决定准直定向光的该些参数是藉由：分析该至少一影格或基于该天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；回应于决定该至少一影格是晴天天气，分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的一位置计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于该日期和时间信息、远程摄像机的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及回应于决定该至少一影格是多云天气，藉由分析该至少一影格分类天空状态；基于该日期和时间信息、远程摄像机的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数；以及基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及该天空状态，计算该准直定向光的该些参数。

在一些实施例中，太阳于至少一影格的位置是藉由基于日期和时间信息、远程摄像机的位置以及方位信息计算太阳的位置决定。

在一些实施例中，太阳于至少一影格的位置是藉由以下操作决定：分析至少一影格以获取至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的该位置；以及回应于获取多个饱和白色像素区域，基于日期和时间信息、远程摄像机的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的位置。

通过配合所附图式对以下较佳实施例的描述，本揭示文件的上述以及其他示例将变得显而易见，在不脱离本揭示文件的新颖性概念的精神和范围的情况下，可以对其进行变化和修改。

附图说明

图1A为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的真实窗户。

图1B为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的虚拟窗户。

图2为根据本揭示文件一些实施例所绘示的一天中不同时间的风景的多个图像帧。

图3为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的一年中不同时间的风景的多个图像帧。

图4A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的虚拟窗户的侧视图。

图4B绘示了如图3所示的透明的LED显示面板和定向背光模块的透视图。

图4C示意性地绘示了如图4A所示的入射定向光以及用于显示虚拟窗户所提供的图像的光线。

图5A为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的以菲涅耳正透镜作为光学组件430的示意图。

图5B为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的以菲涅耳负透镜作为光学组件的示意图。

图6为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的具有透明的LED显示面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。

图7A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的具有透明的LED显示面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。

图7B为图7A所示的一个发光二极管阵列模块的放大图

图8绘示了低深度虚拟窗户的另一实施例，其中定向背光模块包含了定向导光板。

图9A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的用于虚拟窗户的计算装置。

图9B为根据本揭示文件一些实施例所绘示的分析影像播放器以生成准直的定向光的参数的流程图。

图9C绘示了晴天的直射日光情况。

图9D绘示了阴天的漫射阳光情况。

图10A绘示了晴天的分析。

图10B绘示了阴天的分析。

图11A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的虚拟窗户的侧视图。

图11B绘示了图11A所示的LCD面板和定向背光模块的透视图。

图11C为根据本揭示文件一些实施例所绘示的具有LCD面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。

图11D绘示了图11C所示的其中一个LED阵列模块的放大图。

图11E绘示了图11C所示的定向背光模块的第一发光二极管和第二发光二极管的控制信号。

图11F绘示了虚拟窗户的另一实施例。

图12为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的具有额外的透明光学组件的虚拟窗户的侧视图。

图13为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的虚拟窗户。

其中，附图标记：

110:真实窗户

120:墙壁

130:观测者

140:平板显示器

150:物体

150’:虚拟物体

100’:虚拟窗户

160:光学组件

400:虚拟窗户

410:显示面板

412:背侧

414:显示侧

415:第一发光二极管

420:定向背光模块

422,722:背板

425:第二发光二极管

418,626:光线

428,628,728:准直定向光

430:光学组件

440:计算装置

450:观测者

510:菲涅耳正透镜

520:物体

525:虚像

530,650:观测者

Do,Di:距离

F,f:焦距

Ho,Hi:高度

550:菲涅耳负透镜

560:物体

565:虚像

610:显示面板

620:定向背光模块

625:第二发光二极管

660:透镜

720定向背光模块

770:发光二极管阵列模块

774:第二发光二极管

776:微透镜

810:显示面板

820:定向背光模块

822:定向导光板

824:反射板

825:第二发光二极管

900:计算装置

910:处理器

920:存储装置

925:影像播放器

928:设定数据

930:背光驱动电子装置

940:总线

950:显示面板

960:定向背光模块

982:流程

992:太阳

995:窗户

998:云层

1110:LCD面板

1120:定向背光模块

1128:第二发光二极管

1130:光学组件

1140:计算装置

1112:背侧

1114:显示侧

1150:观测者

1100,1100’:虚拟窗户

1122,1162:背板

1125:第一发光二极管

1160,1160’:LED阵列模块

1166:微透镜

1164:第二发光二极管

1162:第二发光二极管

1115:偏振器

CS1:第一控制信号

CS2:第二控制信号

1210:LCD面板

1220:定向背光模块

1230:光学组件

1250:透明光学组件

1224:显示侧

1300:虚拟窗户

1310:远程摄像机

1320:网络

具体实施方式

以下将配合所附图式对本揭示文件的实施例作详细说明，且所附图式中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，不应被解释为仅限于本文在此阐述的实施例。从本揭示文件的说明书和发明的实施方式，本发明的其他实施方式对本领域的技术人员而言将会是显而易见。在所附图式和说明书中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。

在本发明的上下文中以及在使用每个术语的特定上下文中，本说明书中使用的术语通常具有本领域中的一般含义。在下文或说明书的其他段落用于描述本发明的某些术语是为从业人员提供有关本发明描述的额外引导。为方便说明，某些术语可能会以醒目字体或是符号标示，例如使用斜体和或引号。醒目标示的使用不会影响术语的本身的范围和含义；在相同的上下文中，无论是否特别醒目标示，术语的范围和含义都是相同的。应当理解，同一件事可以有多种叙述方式。因此，替代的描叙和同义词可以用于本文所讨论的任何一个或多个术语，且无论是否在本文阐述或讨论该术语也不会使其有任何特殊意义。当提供某些术语的同义词时，一个或多个同义词的使用不会排除其他同义词的使用。在本说明书中任何地方的示例，包括在此讨论的任何术语的示例，仅为示例性，而非用于限制本发明或任何示例性术语的范围和含义。类似地，本发明的实施方式亦不限于说明书中给出的各种实施例。

应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或“连接到”另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件可以也存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。如本文所使用的，“连接”可以指物理及/或电性连接。再者，“电性连接”或“耦合”系可为二元件间存在其它元件。

应当理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用于描述各种元件、部件、区域、层及/或部分，但是这些元件、部件、区域、及/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的“第一元件”、“部件”、“区域”、“层”或“部分”可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不脱离本文的教导。

本揭示文件使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，除非内容清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在包括复数形式，包括“至少一个”。“或”表示“及/或”。如本文所使用的，术语“及/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”及/或“包括”指定所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件的存在及/或部件，但不排除一个或多个其它特征、区域整体、步骤、操作、元件、部件及/或其组合的存在或添加。

此外，诸如“下”或“底部”和“上”或“顶部”的相对术语可在本文中用于描述一个元件与另一元件的关系，如图所示。应当理解，相对术语旨在包括除了图中所示的方位之外的装置的不同方位。例如，如果一个附图中的装置翻转，则被描述为在其他元件的“下”侧的元件将被定向在其他元件的“上”侧。因此，示例性术语“下”可以包括“下”和“上”的取向，取决于附图的特定取向。类似地，如果一个附图中的装置翻转，则被描述为在其它元件“下方”或“下方”的元件将被定向为在其它元件“上方”。因此，示例性术语“下面”或“下面”可以包括上方和下方的取向。

除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。

本文使用的“约”、“近似”、或“实质上”应通常是指在一给定值或范围的正负20％以内，较佳地为正负10％以内，并且更佳地为正负5％内。本文所给定的数值为近似的，若没有明确说明，则可以推断本文所给定的数值亦包含上述“约”、“近似”、或“实质上”的含意。

以下将配合所附图式对本公开的实施例进行说明。根据本揭示文件的目的，如本文具体的实施以及广泛的描述，本揭示文件的一些示例是关于显示面板和使用该显示面板的显示装置。

如上所述，现有的虚拟窗户是通过在墙壁内嵌入生动的幻灯片背景光的框架而形成的，其位置、大小和取景类似于真实的窗户。在这种情况下，与通过真实世界窗户所看到的风景不同，现有的虚拟窗户所显示的图像可以是静止的或固定的。在某些情况下，可以使用平面显示器来替代以提供动态图像。例如，平面显示器上显示的图像可以包括由本地或远程摄像机拍摄的真实室外场景的影片，使人们能够与自然的阳光和天气变化保持连结，并观察到室外活动，例如风中的树木、海洋、动物、人群或是交通等等。然而，由于缺乏了一些重要的特质或因素，简单地使用平板显示器代替玻璃窗户的虚拟窗户看起来并不真实。这些因素的示例可能包含了：(1)当观看者移动头部或观看位置时，图像视角不会随之改变；(2)图像的焦平面会位于窗户的平面，而不是在窗户的后面所观看物体的位置上；(3)各个显示像素可以为可辨别的；(4)显示器的亮度和色温不自然；(5)显示器没有适当明亮的定向光源投射阴影；以及(6)从立体视觉提示中无法感知到景深。值得注意的是，这些感知因素中的每一者所占的比重并非相同。例如，真实感知的最重要因素是头部运动的视差，无可辨别的像素，自然亮度和颜色以及定向光(因素1、3、4和5)。然而，视焦平面和立体视觉提示(因素2和6)仍然很重要，且人类对各个因素之间的不一致非常敏感。

因此，本揭示文件的其中一实施方式是提供一种人造窗，人造窗充分且一致地解决了上述的所有因素以产生高品质的虚拟窗户。根据本揭示文件的一些实施例的人造窗为了可负担性可用以最小化成本，并且为了实用和易于安装的因素而保持薄的外形尺寸。

图1A为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的真实窗户，而图1B为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的虚拟窗户。如图1A所示，真实窗户110位于墙壁120上，且真实窗户110可以为透明的玻璃。当观测者130透过真实窗户110感知由多个物体150组成的室外风景时，真实窗户110前方的观测者130可以在不同位置之间移动(更确切地说，观察者的头部可以在不同位置之间移动)。在这种情况下，观测者130具有由窗户110以及观测者130与窗户110之间距离所提供的有效视野。当观测者130在与窗户110平行的位置之间移动时，观测者所感知的图像会出现偏移。窗户110(或光孔)与观测者130的对准线改变，而使观测者130获得室外风景的新视角。如此一来，之前的室外图像的某些部分现在会被墙壁120遮盖，而之前室外场景中被墙壁120遮盖的某些部分现在则变为可见。值得注意的是，一定数量的室内光线会被窗户110的表面反射。正在被观测的室外物体150与窗户110相距一定距离，且观测者130的眼睛聚焦在窗户110的平面后方。

相较之下，如图1B所示，图1B绘示了虚拟窗户100’，其中窗户110可以被移除而在墙壁120上留下光孔，且平板显示器140可以被置于上述光孔的后方。光孔实质上是墙壁120上的明显的开口，用以容纳所述的虚拟窗户。平板显示器140用以显示对应于多个虚拟物体150’的一图像，使得观测者130在观看图像时可以感知到虚拟物体150’位于对应被感知的位置上。平板显示器140的尺寸会大于光孔，在观测者130与虚拟窗户相距一定距离(例如，一公尺或是更多)的前提下，观测者130可以根据观测者130的站立位置看到不同视角的显示图像。若观测者130紧邻窗户正前方，则观测位置改变时也不会产生视角变化。在某些情况下，前方光学组件160可以置于平板显示器140的前方，并与平板显示器140互相平行。举例来说，如图1B所示，前方光学组件160被嵌入在墙壁120上的光孔中。因此，光孔孔径的大小与前方光学组件160的可用面积相同。在一些实施例中，前方光学组件160可以是一个或多个扁平的(或接近扁平)的光学元件，例如菲涅耳透镜。前方光学组件160的目的是藉由平板显示器140产生没有颗粒感，且理想地处于真实远距的焦点位置的虚拟图像。

为了使虚拟窗户看起来逼真，如图1B所示的平板显示器140必需具有足够高的亮度(例如，2000尼特)，以及包括用于高动态范围成像的规范，因为现实世界的风景可能具有很高的动态范围。最低限度上，平板显示器140应符合高动态范围(HDR)的标准。由于现实世界的风景是由物体反射自然光(例如，太阳光)所产生的，风景图像的颜色和阴影形状应随着一年中的时间及一天中的时间而变化。举例来说，于日落时，阳光中的红色含量较高，而蓝色含量较少，且理所当然地总亮度小于日正当中的时候。理想情况下，人造窗中的平板显示器140上显示的影像风景会随一天的时间变化而改变，以使其显得逼真，并使观测者130与所在环境保持同步。

为了使虚拟窗户显示的图像更加逼真，可以在虚拟窗户中增加定向光和阴影投射作为附加功能。概念上，于虚拟窗户中提供定向光是为了模拟自然光(例如，太阳光)的效果。在真实窗户的情况下，取决于诸如窗户的方向、天气、遮蔽物体，一天和一年中的时间等因素，自然光可能会或不会穿透过真实窗户。相应地，为了使虚拟窗户看起来逼真，虚拟窗户必须具有投射定向光的能力，该定向光用于在适当的情况下，基于上述相同的因素来模拟自然光效果以模拟出真实窗户的风景。

由于太阳的位置在一天之中会随时间改变，所以定向光必须是「定向的」，且定向光必须在其整个范围上都可以被投射到虚拟窗户之外。图2为根据本揭示文件一些实施例所绘示的一天中不同时间的风景的多个图像帧。如图2所示，同一风景的图像包括五个不同的图像帧，且每个图像帧是在同一天的不同时间拍摄的。值得注意的是，当天气晴朗时，有可能在场景中直接看到太阳，如图2的第(4)帧所示。在这种情况下，虚拟窗户应从模拟太阳位置的角度投射高强度且明亮的准直光。换言之，当场景中的天空晴朗时，模拟太阳光通过虚拟窗户所发出的定向光应像真实的太阳光线一样高度准直。如此一来，如同在真实的窗户的场景般，图像帧的一部分可能会因为极亮的模拟太阳光而褪色。即使无法直接透过窗户看到太阳，太阳光仍然可以透射进窗户，并且在房间投射出阴影，如图2的第(3)帧所示。于此情况中，定向光不会进入观测者的眼睛，而是会透射进入房间之中。

如上所述，当天空晴朗时，定向光应为高度准直。然而，定向光的准直度和亮度可能会随着天气和一年中的时间而变化。举例来说，图3为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的一年中不同时间的风景的多个图像帧。如图3所示，同一风景的图像包括五个不同的图像帧，且每个图像帧是于同一年的不同时间在不同的天气和不同程度的多云程度下拍摄的。当天空完全被遮蔽时，例如图3的第(3)帧，虚拟窗户中几乎不需要定向光。另一方面，在部分多云的日子，例如图3的第(4)帧，一些定向光可能会自虚拟窗户投射出，但由于云层会将一些阳光散射，使得该些定向光无法完全准直。

基于上述的论述，由虚拟窗户提供的定向光必须能够在不同的准直度和亮度之间变化，且必须可以被虚拟窗户在其整个范围内投射出。然而，现有的一般显示器在显示图像时不具备提供定向光的功能。因此，为了能够在显示图像的同时提供定向光，虚拟窗户可以包含两个独立的模块，包含用于显示图像的显示模块以及用于提供定向光的定向背光模块。此外，还需要计算装置对正在显示的图像或影像进行智能分析以控制定向背光，使得定向照明处于适当角度，且亮度、颜色、方向性或漫射性与一天中的时间和年份以及位置等影像内容一致。在一些实施例中，理想情况下会即时进行智能分析以限制数据存储的需求，以及保持最大弹性以根据需求改变窗户风景的影像。然而，在一些实施例中，若影像是预先录制的(与即时影像串流相反)，则也可以预先执行智能分析，且每一影像串流中都可以包含分析的数据。在一些实施例中，对于例如由远程摄像机的即时影像串流提供虚拟窗户的图像，则图像本身无需进行智能分析。更确切地说，计算装置会根据摄像机的方向以及摄像机本地的天气状况(多云或晴天)来决定定向照明参数。

图4A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的虚拟窗户的侧视图。如图4A所示，虚拟窗户400包含透明的发光二极管(LED)显示面板410，定向背光模块420，光学组件430和计算装置440。透明的LED显示面板410具有背侧412和显示侧414，且背侧412和显示侧414互为透明的LED显示面板410的相反的两侧，其中观测者450位于LED显示面板410的显示侧414同时透过虚拟窗户400观看风景。透明的LED显示面板410用于显示风景的静止图像(仅由一个图像帧构成)或影像(可包含多个图像帧)。定向背光模块420位于透明的LED显示面板410的背侧412，用于产生朝向透明的LED显示器410的准直定向光，使得准直定向光为透明的LED显示器410所显示的图像或影像模拟出自然光线效果。由于透明的LED显示面板410是透明的，所以准直定向光可以穿过透明的LED显示面板410而被观测者450所感知。光学组件430位于LED显示面板410的透明显示侧414上，以增加透明的LED显示面板410所显示的图像或影像的景深感觉。计算装置440通讯连接到透明的LED显示面板410和定向背光模块420，以分别作为透明的LED显示面板410以及定向背光模块420两者的控制装置。

图4B绘示了如图3所示的透明的LED显示面板410和定向背光模块420的透视图。如图4B所示，透明的LED显示面板410包含排列于像素阵列的多个第一发光二极管(LEDs)415，其中每个第一发光二极管415代表了透明的LED显示面板410上的一个像素。在一些实施例中，第一发光二极管415可以为有机发光二极管(OLEDs)，且透明的LED显示面板410可以是透明的有机发光二极管(TOLED)显示面板。在一些其他实施例中，第一发光二极管可以是无机发光二极管，例如微型发光二极管(micro-LEDs)。相应地，定向背光模块420包含排列于定向LED阵列的背板422上的多个第二发光二极管(LEDs)425。确切地说，第二发光二极管425包含排列于定向LED阵列中的多组发光二极管，使得每组第二发光二极管425覆盖一定范围的模拟光线方向。第一发光二极管415和第二发光二极管425都可以包含不同颜色的发光二极管。举例来说，在一些实施例中，每组第一发光二极管415和第二发光二极管425可以包含多个红色(R)发光二极管，多个绿色(G)发光二极管和多个蓝色(B)发光二极管，使得透明的LED显示面板410可以显示彩色图像，且定向背光模块420可以产生可调整颜色的准直定向光。第二发光二极管425的数量和排列方式可以与第一发光二极管415的数量和排列方式相同或者不同。此外，透明的LED显示面板410可以向后(亦即，朝着背侧412而不是朝着显示侧414)发出部分光线，且室内光线可以穿过透明的LED显示面板410朝着定向背光模块420透射。因此，定向背光模块420的背板422应变黑以吸收反向光，以维持透明的LED显示面板410所显示的图像或影像的对比度。在一些实施例中，背板422可以由印刷电路板(PCB)来实现。此外，透明的LED显示面板410和定向背光模块420皆可以包含图4B中未示出的其他电子组件，例如未于此处详述的像素电路、信号线和控制集成电路(ICs)等。

图4C示意性地绘示了如图4A所示的入射定向光以及用于显示虚拟窗户所提供的图像的光线。如图4C所示，由定向背光模块420产生的准直定向光428可以被定向为朝着或是远离观测者450的眼睛的方向。相较之下，透明的LED显示面板410所发射的光线418用于显示图像或影像，且可以是在观测范围内传播的广角光。若将准直定向光428定向为远离观测者450的眼睛的方向，则透明的LED显示面板410所显示图像的对比度几乎不会受到影响。

如上所述，光学组件430用于增加透明的LED显示面板410所显示的图像或影像的景深感觉。在一些实施例中，光学组件430可以为基本上作为放大镜功能的菲涅耳正透镜(Positive Fresnel lens)。或者，在一些实施例中，光学组件430可以是超颖正透镜(Positive Metalens)，其亦为一种平坦的光学元件。在以下使用菲涅耳正透镜的示例中，也可以使用超颖正透镜，并且类似的焦距、放大倍率、光学品质、离轴性能的考量也同样适用。图5A为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的以菲涅耳正透镜作为光学组件430的示意图。如图5A所示，在物体520(亦即，由透明的LED显示面板410所显示的图像)与观测者530之间设置有焦距为f的菲涅耳正透镜510，且物体520与菲涅耳正透镜510之间的距离为Do。若物体520和菲涅耳透镜510之间的距离Do小于焦距f(亦即，Do<f)，则物体520将会被放大，且虚像525将会出现在物体520的后方，离菲涅尔正透镜510距离Di的感知位置上。距离Do及Di可以透过如下的透镜方程式计算：

类似地，物体520的高度Ho和虚像525的高度Hi可以透过如下的高度方程式计算：

Hi＝Di×Ho/Do  (2)

确切地说，因为物体520和虚像525都位于菲涅耳正透镜510的与观测者530相反的一侧，所以距离Do及Di用负值表示。此外，距离Di的值期望上会相对较大，以使得虚像525被认知在位于离菲涅耳正透镜510更远的位置。因此，距离Do应接近(-f)。在这种情况下，虚像525的高度Hi的值也会增加。

利用菲涅耳正透镜510的放大效果，物体520(亦即，由透明的LED显示面板所显示的图像)可以按比例缩小，使得虚像525对于观测者530来说看起来是自然的大小。若透明的LED显示面板的分辨率足够高，以使观看者不能分辨单个像素，则上述方法便会有效。然而，尽管是在虚像525离得足够远，且达到良好的头部动作视差的情况下使用菲涅耳正透镜510，透明的LED显示面板410的像素的放大率可能会过高，而颗粒感般的像素可能会非常显眼。

菲涅耳透镜的实现有许多具体的考量因素。一个考量因素涉及作为光学组件的菲涅耳透镜的光学品置。鉴于菲涅耳透镜的纤薄的优点，菲涅耳透镜似乎是虚拟窗户的光学组件的最佳选择。然而，菲涅耳透镜也被认为较难应用于成像。虚拟窗户中使用的菲涅耳透镜应具有较高的光学品质，以保持所显示图像的清晰度，菲涅耳透镜的凹槽间距应足够小以避免可见的失真(artifacts)，例如意外的光反射、绕射、可见的菲涅耳绕射区域图案，以及图像模糊或损失对比度。菲涅耳透镜应平整且无黄化(non-yellowing)。目前，大型菲涅耳透镜已经可以被制造出并且用于背投影的电视，一些上述的制造技术亦可应用于此。高品质的菲涅耳透镜可在玻璃上使用丙烯酸的微复制(microreplication)技术制造。

菲涅耳透镜的另一个考虑因素是菲涅耳透镜的焦距：应用上，虚拟窗户的物理深度应足够浅，以使虚拟窗户可以加装或嵌入墙壁内，也就是说虚拟窗户的整体厚度应限制在一定的阈值厚度之内，例如不超过～10公分。为达到此要求，菲涅耳透镜与透明的LED显示面板之间的距离应小于8公分，考量到透明的LED显示面板和菲涅耳透镜的厚度，以及菲涅耳透镜的焦距应稍大。对于如此大光孔的透镜，焦距(以下称为f值)会非常短。例如，焦距约为0.1公尺的1公尺对角线的虚拟窗户的f值为～0.1。虽然焦距f约为0.5的菲涅尔透镜很常见，但f值为～0.1的菲涅尔正透镜却会被认为是非常具有侵略性的。如下表一所示，表一示出了f值、虚像距离以及距离Do为0.1公尺的1公尺对角线的虚拟窗户的放大倍率间的关系。

表一

F值	虚像距离	放大倍率
			0.5	-0.13	0.13
0.4	-0.13	0.13
			0.3	-0.15	0.15
0.2	-0.20	0.20
			0.15	-0.30	0.30
0.14	-0.35	0.35
			0.13	-0.43	0.43
0.12	-0.60	0.60
			0.11	-1.10	1.10
0.105	-2.10	2.10
			0.101	-10.10	10.10

进一步考量关于离轴的表现：对于1公尺对角线的虚拟窗户，在一般观测者与窗户的距离约为0.35公尺的情况下，需要的水平的视角最大约为120度，亦即理想情况下，光学组件应在离轴60度的范围内表现良好。色边纹(color fringing)或散射应该会最少。

另一方面，光学组件可以是菲涅耳负透镜，使其作为凹透镜产生成像。或者，在一些实施例中，光学组件可以是超颖负透镜，其亦为平坦的光学元件。在以下使用菲涅耳负透镜的示例中，也可以使用超颖负透镜，并且类似的焦距、缩小倍率、光学品质、离轴表现方面的考量也同样适用。图5B为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的以菲涅耳负透镜作为光学组件的示意图。如图5B所示，在物体560(亦即，由透明的LED显示面板410显示的图像)与观测者530之间设置有焦距为f的菲涅耳负透镜550，且物体560与菲涅耳负透镜550之间的距离为Do。若物体560和凹透镜550之间的距离Do大于焦距f(亦即，Do>f)，则物体560将会被缩小，且虚像565将出现在物体560和菲涅耳负透镜550之间，且离菲涅耳负透镜550距离Di的感知位置上。计算距离Do和Di可以透过如下所示的透镜方程式计算：

类似地，物体560的高度Ho和虚像565的高度Hi可以透过如下的高度方程式计算：

Hi＝Di×Ho/Do  (4)

确切地说，因为物体560和虚像565都位于菲涅耳负透镜550的与观测者530相反的一侧，所以距离Do及Di用负值表示。此外，距离Do的值期望上会相对较小，但在数值上依然大于f，使得物体560的位置离菲涅耳负透镜550不会太远。因此，距离Do应接近于(-f)。在这种情况下，虚像525的高度Hi的值也会增加。

利用菲涅耳负透镜550作为光学组件的优点在于，透明的LED显示面板所显示的图像会被进一步缩小，使得在靠近虚拟窗户的情况下，各别像素也无法被肉眼分辨。此外，菲涅耳负透镜550可以增加自透明的LED显示面板的光的发散度，并藉此在保持观测视角的同时使用更加准直的背光。虽然菲涅耳负透镜将虚像的有效焦平面移至更靠近观测者530，头部动作的视差效果将胜过焦距对观测者530产生的视觉提示(cue)，且观测者530仍然可以感知到足够逼真的人造窗口景象。

如上所述，当菲涅耳正透镜位于虚像后方足够远，且具有良好的头部动作视差效果的位置时，像素的放大率过大，使得马赛克般的像素非常明显。相较之下，菲涅耳负透镜既可以提供良好的头部动作视差效果，又可以提供肉眼无法辨识的像素，虽然焦平面比期望的要近，但不会干扰虚拟窗户的效果。菲涅耳负透镜使虚拟窗户具有适当小的深度、重量和成本。与菲涅耳正透镜的实施例中所述的原因类似，菲涅耳负透镜将需要精密的设计和制造，甚至可能需要光学镀膜，以避免不良的图像失真和室内光反射。

如图4C所示，定向背光模块420包含多个第二发光二极管425，且该些第二发光二极管425被分为多个组，使得每组的第二发光二极管425覆盖一定范围的模拟光线方向。然而，为了覆盖大范围的模拟光线方向，由于需要大量的第二发光二极管425，定向背光模块420的成本将会非常可观。在这种情况下，第二发光二极管425的数量可以减少，以在合理数量的第二发光二极管425与合理的模拟方向的覆盖范围之间取得平衡。在一些实施例中，可以透过在定向背光模块中提供额外的光学组件来实现上述平衡。举例来说，图6为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的具有透明的LED显示面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。确切地说，对照如图6所示的虚拟窗户与如图4A～4C所示的虚拟窗户，图6的定向背光模块620可以包含位于第二发光二极管625与透明的LED显示面板610之间的额外的光学组件，例如透镜660。附加的透镜660与如图4A所示的光学组件430之间的差异在于，光学组件430位于透明的LED显示面板410与观测者450之间，而图6所示的透镜660位于透明的LED显示面板610和第二发光二极管625之间。换言之，光学组件430是位于透明的LED显示面板410的显示侧414的前光学器具，相较之下，透镜660是位于透明的LED显示面板610的背侧，使得观测者650无法看见透镜660。第二发光二极管625和透镜660的位置可以被分散地放置，使得由第二发光二极管625发出的光线626可以散布在透镜660的整个表面上，然后通过透镜660以在期望的准直方向上成为准直的定向光628。如此一来，第二发光二极管625的数量可以被减少，而可以达成合理数量的第二发光二极管625与合理的模拟方向的覆盖范围之间的平衡。在一些实施例中，透镜660可以是菲涅耳透镜。在一些其他实施例中，透镜660可以是超颖透镜。在这种情况下，定向背光模块620可以位于与透镜660相距大约焦距F的位置处，使得由第二发光二极管625发射并散布在透镜660的整个表面上的光626可以藉由透镜660而准直。由于第二发光二极管625是离散地被放置，因此从透镜660射出的准直定向光628的角度可被有效地量化，且第二发光二极管625的数量应该足够多以避免明显的角度量化失真。

值得注意的是，在图6所示的实施例中，因为使用了透镜660，而需要在透镜660和第二发光二极管625之间产生焦距F的距离，使得虚拟窗户的总深度因此增加。由于菲涅耳透镜的焦距F和其对角线尺寸的数量级相同，因此人造窗的整体尺寸也将增加。在一些实施例中，定向背光模块620的配置可以被进一步地更改以提供低深度的虚拟窗户。举例来说，图7A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的具有透明的LED显示面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。确切来说，与图4A～4C所示的虚拟窗户相较之下，在7A图所示的实施例中，图7A的定向背光模块720可以包含：多个发光二极管阵列模块770以取代第二发光二极管425。图7B为图7A所示的一个发光二极管阵列模块的放大图，其中发光二极管阵列模块770包含排列于背板772上的多个第二发光二极管774以及微透镜776。换言之，每个发光二极管阵列模块770具有各自对应于多个第二发光二极管774的微透镜776。微透镜776的功能与图6所示的透镜660基本相同。然而，多个微透镜776可以代替用于整个定向背光模块的全尺寸的透镜660，组成多个发光二极管阵列模块770。因此，发光二极管阵列模块770可以直接朝向透明的LED显示面板710投射准直的定向光728。在一些实施例中，每一个微透镜776可以为菲涅耳透镜。由于菲涅耳透镜的焦距F和其对角线尺寸的数量级相同，因此微透镜776的尺寸和焦距可以大为下降，从而减少人造窗的总深度。在其他实施例中，透镜776可以是超颖透镜。

图8绘示了低深度虚拟窗户的另一实施例，其中定向背光模块包含了定向导光板。如图8所示，定向背光模块820具有位于定向导光板822的侧边边缘的第二发光二极管825的阵列，以及位于定向导光板背面的反射板824的边缘型定向背光。导光板822和反射板824可以将准直的定向光828直接投射到透明的LED显示面板810。在这种情况下，定向背光模块820不需要额外的光学组件。尽管第二发光二极管825的阵列仍然需要使用多个第二发光二极管来形成二维阵列，第二发光二极管825的总量也可以减少。

如上所述，计算装置440被用于作为透明的LED显示面板410和定向背光模块420的控制装置。图9A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的用于虚拟窗户的计算装置。如图9A所示，计算装置900包含处理器910，存储装置920和连接到定向背光模块960的多个背光驱动电子装置930。连接总线940用以互相连接计算装置900的所有组件以及显示面板950。计算装置900还可以包含其他硬件组件和软件组件(未绘示)，以执行其他相应的功能。在一些实施例中，显示面板950可以为如上所述的透明的LED显示面板，且定向背光模块960可以为如上所述的定向背光模块。存储装置920存储电脑可执行程式代码，且当电脑可执行程式代码被处理器910执行时，计算装置900的操作可以被实现。上述的操作的示例可以包含但不限于，对显示面板所显示的图像或影像的分析；控制显示面板950以显示图像或影像，以及控制定向背光模块960以产生准直的定向光。举例来说，电脑可执行代码可以包含影像播放器925和设定数据928。影像播放器925为用于控制显示面板950和定向背光模块960的软件模块，而设定数据928为存储影像播放器925的数据的数据库模块。在一些实施例中，当影像播放器925被处理器910处执行时，影像播放器925可以对显示面板950所显示的图像帧(或影像帧)进行多个预设的控制因子的分析，以决定准直的定向光的多个参数。具有多个预定的控制因子。在一些实施例中，上述分析可以在显示面板950所显示的影像串流上即时进行。或者，当显示面板950用于显示静止图像或预录的影像时，也可以在实际显示画面之前进行预先分析处理以生成上述的参数，并将其预先存储在设定数据928之中。一旦决定了上述参数，影像播放器925即可透过背光驱动电子装置930，控制定向背光模块960的第二发光二极管基于上述参数产生准直的定向光。

图9B为根据本揭示文件一些实施例所绘示的分析影像播放器以生成准直的定向光的参数的流程图。在一些实施例中，如图9B所示的流程可以由图9A的计算装置900中的影像播放器925执行分析，以控制如图9A所示的定向背光模块960来实现。值得特别注意的是，除非在本揭示文件中另有说明，否则上述方法的流程可以以不同的顺序执行，且不限于如图9B中所示的顺序。

如图9B所示，于流程980，影像播放器925可以从设定数据928中输入控制因子。控制因子的示例可以包含但不限于，日期和时间信息、虚拟窗户的位置信息、显示面板的方向信息、天气信息、与影像图像帧相关联的遮蔽信息。举例来说，日期和时间信息可以包含日期和时区信息。值得注意的是，日期不一定是当前日期，且时区可以与人工窗户所在的实际时区不同，使得计算装置能将影像播放器925同步至所显示的影像的适当时间和日期。位置信息可以包含虚拟窗户的地理位置(纬度和经度)信息或其他位置的表示信息。方向信息可以包含窗户方位(例如，0至360度的方位角)。在一些实施例中，在进行即时分析时，控制因子还可以包含更新的间隔。举例来说，更新的间隔可以是1秒。遮蔽信息关连于显示的影像中，太阳光是否是直接照射还是会被云层遮挡。控制因子的细节将于后述段落进一步说明。

于流程982，影像播放器925也会输入显示面板950所显示的影像。于流程984，影像播放器925等待更新间隔。于流程986，影像播放器925计算太阳的角度、太阳光(或影像中的任何自然光)的亮度和颜色。于流程988，影像播放器925分析影像的多云情况，并将日照条件决定为直射日光情况(当太阳直接于视野中)和漫射日光情况(当太阳没有直接在视野内而只有太阳光)中的一种。举例来说，图9C绘示了直射日光情况下的晴天，其中太阳光直接从太阳992照射进入窗户995。在这种情况下，太阳光基本上是准直的，且太阳光的角度可以根据一年中的时间和日期来计算。因此，阳光非常明亮地照射到房间中并投射阴影，而上述阴影可以藉由增加高照度的准直定向光照射虚拟窗户来模拟。相较之下，图9D绘示了阴天的漫射阳光情况，其中阳光被云层998散射，且投射进窗户的光会以较低的强度和照度照射到较宽的区域。在一些情况下，漫射光的颜色也可能会变淡。虚拟窗户也可以模拟漫射日光的效果。

于流程990，获得以及/或更新准直定向光的参数，并将其用于产生信号以供背光驱动电子装置930控制定向背光模块960。在一些实施例中，上述参数可以包含但不限于，准直定向光的准直度、准直定向光的主方向、准直定向光的亮度以及准直定向光的色度。具体的参数细节将于后述段落进一步详细说明。

在一些实施例中，控制因子可能涉及处理更复杂的多重因素。举例来说，若虚拟窗户连接于网路(例如，物联网类型的装置)，则日期和时间信息可以在网路上存取，且天气信息还可能涉及周期性的存取特定地点的线上的天气数据。或是，可以在深度学习神经网路的图像处理器中使用天气分类的学习模型，而机器学习的图像处理器可以随着时间推断日期和时间信息以及位置信息。

值得注意的是，上述分析可能不总是需要所有的控制因子。举例来说，若影像已经预先进行了处理以产生预先储在设定数据928中的参数，则影像播放器925可能只需要日期和时间信息即可获取预存储在设定数据928中的适当参数。然而，使用多个控制因子可能会大大改善虚拟窗户的逼真程度。

图10A和10B为根据本揭示文件一些实施例所绘示的影像播放器基于天气分析产生准直的定向光的参数的流程图。确切地说，图10A绘示了晴天的分析，图10B绘示了阴天的分析。在一些实施例中，如图10A与10B所示的流程可以由图9A所示的计算装置900中的影像播放器925执行分析，以控制如图9A所示的定向背光模块960来实现。值得特别注意的是，除非在本揭示文件中另有说明，否则上述方法的流程可以以不同的顺序来操作，且不限于如图10A和10B中所示的顺序。

如图10A所示，于流程1010，由天气分类器(weather classifier)或线上的天气信息对图像/影像帧进行分析。于流程1015，判断天气为晴天或是阴天。若天气为晴朗，则于流程1020，判断是否存在直射日光的情况。若否(亦即，观测者无法于视野中直接看到太阳)，则在流程1030，影像播放器925判断是否可以基于控制因子(例如，日期和时间信息以及方向信息)直接计算太阳位置。若太阳位置可以直接被计算出来，则于流程1038，计算太阳的主方向并将其作为准直定向光的参数。在一些实施例中，准直定向光的主方向(亦即，太阳的主方向)可以用方位角θ和仰角

表示。若太阳位置无法被直接计算，则需要于流程1035，执行一额外的流程来进行阴影分析，以推断太阳的主方向。在任一情况下，于流程1038中判断的准直定向光为非直射日光。

回到流程1020，若判断存在直射日光(亦即，太阳在视野中)，则于流程1040，影像播放器925决定是否可以基于控制因子(例如，日期和时间信息以及方向信息)直接计算太阳位置。若太阳位置可以直接被计算出来，则于流程1065，计算太阳的主方向并将其作为准直定向光的参数。另一方面，若无法直接计算出太阳位置，则于流程1045，影像播放器925对图像/影像帧内的饱和白色像素(标示一或多个可能的太阳位置)进行分割。然后，于流程1048，操作具有阈值的眩光过滤器，以透过滤除低于阀值的分割区域来减少太阳位置所在的可能区域。若有多个可能的区域，则仅选择其中一个区域作为太阳位置。于流程1050，影像播放器925决定是否仅剩下一个区域。若还有两个或更多个区域，则于流程1055，影像播放器925基于控制因子(例如，日期和时间信息以及方位信息)，对照预测的太阳位置进一步消除不太可能的位置。若仅剩一个区域，则于流程1060，影像播放器925计算分割区域的中心点，并决定太阳的主方向。最后，于流程1065，将太阳的主方向用作准直定向光的参数。在任一种情况下，准直定向于流程1065中判断的准直定向光为直射日光。

回到流程1015，若天气为多云，则于流程1070，如图10B所示，影像播放器925会先基于多云程度对影像帧的天空状态进行分类。在一些实施例中，天空状态可以被分类为以下状态其中之一：有雾、薄层状云、厚层状云、薄且间隔小的鳞状云，厚且间隔小的鳞状云，薄且间隔大的鳞状云或厚且间隔大的鳞状云。接着，于流程1072，影像播放器925决定是否可以基于控制因子(例如，日期和时间信息以及方向信息)直接计算太阳位置(被遮蔽前)。若可以直接计算被遮蔽前的太阳位置，则于流程1075，影像播放器925不仅会计算太阳的主方向，还会根据天空状态计算光的漫射度和亮度。回到流程1072，若无法直接计算遮蔽前的太阳位置，则需要于流程1078，执行阴影分析以推断太阳的主方向以及色度。于流程1080，影像播放器925判断是否需要定向光。若判断不需要定向光，则于流程1085，将不执行任何操作，并且不提供定向光。若判断仍然需要定向光，则于流程1090，决定准直定向光的参数包含准直度、主方向、亮度以及色度。

一旦决定了准直定向光的参数，影像播放器925就可以对参数进行进一步地转换，以产生用于输出至定向背光模块960的背光驱动电子装置930的控制信号。在一些实施例中，控制信号具有与定向背光模块的第二发光二极管相对应的不同的电流准位的波型。在一些实施例中，可能需要额外的电流限制和温度过热检测的功能，以避免第二发光二极管过度驱动或是过热。

在如上所述的所有实施例中，各个实施例中的虚拟窗户都是使用透明的LED显示面板。在一些实施例中，虚拟窗户也可以使用液晶显示器(LCD)。举例来说，图11A为根据本揭示文件一些实施例所绘示的虚拟窗户的侧视图。如图11A所示，虚拟窗户1100包含LCD面板1110、定向背光模块1120、光学组件1130和计算装置1140。光学组件1130和计算装置1140的功能与图4A所示的光学组件430以及计算装置440相同或相似，在此不再赘述。LCD面板1110是一种显示面板，其具有背侧1112以及与背侧1112相对的显示侧1114，其中观测者1150位于LCD面板1110的显示侧1114，并透过虚拟窗户1100观看风景。定向背光模块1120位于LCD面板1110的背侧1112。确切地说，定向背光模块1120是多功能背光模块，其用于(1)作为LCD面板1110的光源(2)产生朝向LCD面板1110的准直定向光，使得准直定向光为LCD面板1110显示的图像或影像模拟自然光效果。换言之，定向背光模块1120同时提供一般的LCD背光功能和额外的定向背光功能。利用定向背光模块1120提供的LCD背光，LCD面板1110可以显示风景的静止图像(仅由一个图像帧构成)或影像(可以包含多个图像帧)。

值得注意的是，如图11A所示，LCD面板1110用于作为显示面板。然而，可以与定向背光模块1120协同运作的其他类型的显示面板亦可以用来取代LCD面板110。举例来说，显示面板可以是介电湿润(Electrowetting)显示面板、微电机系统(MEMS)显示面板或其他类型的显示面板。

图11B绘示了图11A所示的LCD面板和定向背光模块的透视图。如图11B所示，定向背光模块120包含排列于背板1122上的多个发光二极管。确切地说，定向背光模块120的发光二极管被分为成两组，包含为LCD面板1110提供背光的多个第一发光二极管1125，以及用以产生准直定向光的多个第二发光二极管1128。第一发光二极管1125和第二发光二极管1128交替排列以形成各自的阵列。在一些实施例中，第一发光二极管1125和第二发光二极管1128可以是有机发光二极管(OLEDs)，并且都可以包含不同颜色的发光二极管。在一些实施例中，上述发光二极管可以是无机的微发光二极管(mini-LEDs)或微型发光二极管(micro-LEDs)。举例来说，在一些实施例中，第一发光二极管1125可以包含多个红色(R)发光二极管，多个绿色(G)发光二极管和多个蓝色(B)发光二极管。或者是，第一发光二极管1125可以全部是一种颜色的发光二极管，例如白色(W)或蓝色(B)。在一些实施例中，第二发光二极管425可以包含多个红色(R)发光二极管，多个绿色(G)发光二极管和多个蓝色(B)发光二极管，使得定向背光模块1120可以发出可调整颜色的准直定向光。在一些实施例中，发光二极管也可以被其他类型的光源(例如，激光光源)替代。

图11C为根据本揭示文件一些实施例所绘示的具有LCD面板和定向背光模块的虚拟窗户的侧视图。确切地说，虚拟窗户1100’的构造与图7A所示的构造相似。如图11C所示，图11C中的定向背光模块1120包含第一发光二极管1125和多个LED阵列模块1160。图11D绘示了图11C所示的其中一个LED阵列模块的放大图，其中LED阵列模块1160包含排列于背板1162上的多个第二发光二极管1164和微透镜1166。换言之，每个LED阵列模块1160具有对应于多个第二发光二极管的一个微透镜1166。微透镜1166的功能在于充当第二发光二极管1164和LCD面板1110之间的透镜，使得LED阵列模块1160可以将准直定向光1129直接朝LCD面板1110投射。在一些实施例中，每个微透镜1166可以是菲涅耳透镜。由于菲涅耳透镜的焦距F和其对角线尺寸的数量级相同，因此微透镜1166的尺寸和焦距可以大为下降，从而可以降低人造窗的总深度。

再次参照图11C，LCD面板1110包含偏振器1115，其位于朝向定向背光模块1120的一侧。因为第二发光二极管1128的准直定向光和第一发光二极管1125的背光并非同时被提供，所以需要偏振器1115。确切地说，图11E绘示了图11C所示的定向背光模块的第一发光二极管和第二发光二极管的控制信号。如图11E所示，在相应的图像或影像帧中，该帧包括第一半帧以及第二半帧。于第一半帧中，第一发光二极管1125的第一控制信号CS1为致能(ON)，以控制第一发光二极管1125为LCD面板1115提供背光以显示相应的帧；第二发光二极管1125的第二控制信号CS2为禁能(OFF)，使得第二发光二极管1128被关断。于第二半帧中，第一控制信号CS1为禁能(OFF)，使得第一发光二极管1125被关断；第二控制信号CS2为致能(ON)，以控制第二发光二极管1128产生准直定向光。对于具有120赫兹(Hz)频率的LCD面板1110来说，一帧(显示以及准直定向光关联的组合帧)约为16毫秒(ms)。在这种情况下，图像会显示半帧，亦即8毫秒，接着准直定向光会透射8毫秒。如此一来，第一发光二极管1125和第二发光二极管1128不会同时被导通或关断，且任何时候仅有一组第一发光二极管1125和第二发光二极管1128被导通。因此，当第二发光二极管1128被导通以提供准直定向光时，LCD面板1110处于最高灰阶模式且没有显示出图像帧。换言之，用于显示图像的准直定向光和背光会于半帧中画面交替地产生。

在图11C所示的实施例包含了提供偏振器1115的特征。然而，上述特征需要LCD面板1110仅在占空比的50％中显示图像，这可能会导致对比度的损耗以及定向光的偏振的损耗。此外，如图11E所示的分时多工时序需要可以快速响应的液晶，且具有损失对比度和造成闪烁的风险。在一些实施例中，于定向背光模块1120，透过向后(亦即，朝向定向背光模块1120)移动如图11C所示偏振器1115，使得偏振器1115位于LED阵列的正上方，且第二发光二极管被穿孔，来实现预先偏振第一发光二极管1125，并保持第二发光二极管1128不被偏振。如此一来，第一发光二极管和第二发光二极管可以被同时点亮。无论LCD面板上显示的图像为何，无偏振的第二发光二极管都会部分地朝LCD面板1110透射定向光。这种方法的主要挑战在于要避免一般背光LED的偏振影响而引起对比度损失。在一些实施例中，图11C所示的偏振器1115可以被移除，使得LCD面板1110没有后方偏振器。然而，在这种情况下，定向背光模块1120必须与LCD面板1110距离更远，以达到足够的显示亮度均匀性，因为在没有偏振器的情况下，额外的距离可以使任何不均匀缺陷模糊。为了解决上述缺陷，图11F绘示了虚拟窗户的另一实施例，其中LCD面板1110不具有偏振器。在这种情况下，定向背光模块1120的LED阵列模块1160’所使用的第二发光二极管1162必须是偏振的发光二极管。在一些实施例中，第二发光二极管1162的偏振可以透过将反射型偏振片直接放置于微型发光二极管的上方来实现。在一实施例中，反射型偏振片将具有用于LED阵列模块1160’的定向光的切口，使得上述的定向光不会被偏振，且无论LCD面板灰阶的状态，皆可透射通过LCD面板1110。在这种情况下，当显示背光打开的同时，可以打开定向光，并保持图像的对比度达到定向光准直且不指向观测者的程度。

在上述的实施例中仅提供了一光学组件(如图4A所示的430，或如图11A所示的1130)。然而，在一些实施例中，在显示面板(如图4A所示的透明的LED显示面板410，或如图11A所示的LCD面板1110)的显示侧可以额外增加一个光学组件以产生更自然且立体的视差图像。举例来说，图12为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的具有额外的透明光学组件的虚拟窗户的侧视图。确切地说，图12的虚拟窗户1200类似于图11A所示的实施例，其包含LCD面板1210、定向背光模块1220、光学组件1230和计算装置(未绘示)。差异在于，在LCD面板1210和光学组件1230之间增加了额外的透明光学组件1250。换言之，透明的光学组件1250位于LCD面板1210的显示侧1224。透明的光学组件1250用于作为具有静止图像的固定前景的透明薄片(foreground image transparency)，从而使头部移动造成的透明薄片上的静止图像的偏移，小于显示图像的偏移从而感觉到景深。无论光学组件1250是菲涅耳正透镜或菲涅耳负透镜，上述效果均为有效。透明的光学组件1250提供的静止图像的示例可以是树木、建筑物等预期会一直在前景中出现的图像。虽然图12绘示了将透明的光学组件1250用于使用LCD面板1210的虚拟窗户的实施方式，上述的透明光学组件可以用于如上所述的任何实施例之中。

图13为根据本揭示文件的一些实施例所绘示的虚拟窗户。确切地说，图13所示的虚拟窗户1300类似于图11A所示的虚拟窗户1100，且唯一的差异在于，虚拟窗户1300更包含远程摄像机1310。确切地说，远程摄像机1310经由网络1320通讯连接到计算装置1140，使得远程摄像机1310可以位于远离虚拟窗户1300的远端的位置。在这种情况下，远程摄像机1310可用于即时获取图像或影像(其包含至少一个图像帧)，且计算装置1140可以即时地从远程摄像机1310接收图像或影像，并产生用于LCD面板1100的控制数据，使得LCD面板1100可以即时显示由远程摄像机1310所获得的图像或影像。虚拟窗户1300的其他特征，例如LCD面板1110、定向背光模块1120、光学组件1130和计算装置1140，与第11图所示的实施例相似，在此不再赘述。

在如图13所示的虚拟窗户1300中，LCD面板1100可以即时显示由远程摄像机1310获得的图像或影像。由于远程摄像机1310可以位于远离虚拟窗户的远端位置，因此涉及判断准直定向光的参数的控制因子与远程摄像机1310相关，而不是与虚拟窗户相关。举例来说，可以使用远程摄像机1310的位置信息和方向信息取代虚拟窗户的位置信息和方向信息。类似地，目前使用的天气信息也应与远程摄像机1310的位置相关。

本发明提供的示例性的实施例仅出于说明和描述的目的，并无意穷举本发明或是将本发明限制为本文揭示的精确形式。鉴于本文上述的引导，当可对其作各种的更动与润饰。

实施例的选择和描述是为了解释本发明的原理及其实际应用，以便启发本领域的其他技术人员利用本发明和各种实施例，进行各种适于预期特定用途的修改。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (29)

1.一种虚拟窗户，其特征在于，包含：

一透明的LED显示面板，具有一背侧以及一显示侧，且该背侧与该显示侧互为该透明的LED显示面板的相反的两侧，其中该透明的LED显示面板包含多个第一发光二极管，该些第一发光二极管用以显示至少一影格；

一定向背光模块，位于该透明的LED显示面板的该背侧，其中该定向背光模块包含多个第二发光二极管，该些第二发光二极管用以形成一指向型LED阵列，以产生朝向该透明的LED显示面板的一准直定向光；以及

一计算装置，该计算装置包含一处理器以及储存电脑可执行代码的一储存装置，其中当该电脑可执行代码经该处理器执行时，该电脑可执行代码用以分析多个控制因子以决定该准直定向光的多个参数，以及控制该些第二发光二极管以根据该准直定向光的该些参数产生该准直定向光。

2.如权利要求1所述的虚拟窗户，其特征在于，该些第二发光二极管替该透明的LED显示面板显示的该至少一影格模拟一自然光影效果。

3.如权利要求1所述的虚拟窗户，其特征在于，更包含一光学组件，该光学组件位于该透明的LED显示面板的该显示侧，用以增加该透明的LED显示面板显示的该至少一影格的一景深感觉。

4.如权利要求3所述的虚拟窗户，其特征在于，该光学组件为一菲涅耳透镜或是一超颖透镜。

5.如权利要求1所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该些参数包含：

该准直定向光的一准直角度；

该准直定向光的一主方向；

该准直定向光的辉度；以及

该准直定向光的色度。

6.如权利要求5所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该主方向包含一方位角θ以及一仰角φ。

7.如权利要求1所述的虚拟窗户，其特征在于，该些控制因子包含至少以下一者：

一日期和时间信息；

该虚拟窗户的位置信息；

该虚拟窗户的方位信息；

一天气信息；以及

一遮蔽信息，该遮蔽信息关联于该至少一影格。

8.如权利要求7所述的虚拟窗户，其特征在于，该计算装置用以分析该至少一影格以及该些控制因子以决定该准直定向光的该些参数是藉由：

分析该至少一影格或基于该天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；

回应于决定该至少一影格是晴天天气，

分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；

回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的一位置计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定该至少一影格是多云天气，

藉由分析该至少一影格分类一天空状态；

基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数；以及

基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及该天空状态，计算该准直定向光的该些参数。

9.如权利要求8所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息计算太阳的该位置决定。

10.如权利要求8所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由以下操作决定：

分析该至少一影格以获取该至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；

回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的该位置；以及

回应于获取多个饱和白色像素区域，基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的该位置。

11.一种虚拟窗户，其特征在于，包含：

一显示面板，具有一背侧以及一显示侧，且该背侧与该显示侧互为该显示面板的相反的两侧，该显示面板用以显示至少一影格；

一背光模块，位于该显示面板的该背侧，包含为该显示面板提供背光的一第一光源，以及用于产生一准直定向光的一第二光源；以及

一计算装置，该计算装置包含一处理器以及储存电脑可执行代码的一储存装置，其中当该电脑可执行代码经该处理器执行时，该电脑可执行代码用以分析多个控制因子以决定该准直定向光的多个参数，以及控制该第二光源以根据该准直定向光的该些参数产生该准直定向光。

12.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，该第二光源替该显示面板显示的该至少一影格模拟一自然光影效果。

13.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，更包含一光学组件，该光学组件位于该显示面板的该显示侧，用以增加该显示面板显示的该至少一影格的一景深感觉。

14.如权利要求13所述的虚拟窗户，其特征在于，该光学组件为一菲涅耳透镜或是一超颖透镜。

15.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，该第一光源用以提供一偏振光束，且该显示面板为不具有后方偏振器的一液晶显示面板。

16.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，该显示面板具有一偏振器，且该至少一影格的每一帧各自包含一第一半帧以及一第二半帧，其中：

于每一帧各自的该第一半帧，该第一光源被控制为该显示面板提供背光以显示该每一帧，且该第二光源被关断；以及

于每一帧各自的该第二半帧，该第一光源被关断，且该第二光源被控制以产生该准直定向光。

17.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该些参数包含：

该准直定向光的一准直角度；

该准直定向光的一主方向；

该准直定向光的辉度；以及

该准直定向光的色度。

18.如权利要求17所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该主方向包含一方位角θ以及一仰角φ。

19.如权利要求11所述的虚拟窗户，其特征在于，该些控制因子包含至少以下一者：

一日期和时间信息；

该虚拟窗户的位置信息；

该虚拟窗户的方位信息；

一天气信息；以及

一遮蔽信息，该遮蔽信息关联于该至少一影格。

20.如权利要求19所述的虚拟窗户，其特征在于，该计算装置用以分析该至少一影格以及该些控制因子以决定该准直定向光的该些参数是藉由：

分析该至少一影格或基于该天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；

回应于决定该至少一影格是晴天天气，

分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；

回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的一位置计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定该至少一影格是多云天气，

藉由分析该至少一影格分类一天空状态；

基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数；以及

基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及该天空状态，计算该准直定向光的该些参数。

21.如权利要求20所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息计算太阳的该位置决定。

22.如权利要求20所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由以下操作决定：

分析该至少一影格以获取该至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；

回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的该位置；以及

回应于获取多个饱和白色像素区域，基于该日期和时间信息、该虚拟窗户的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的该位置。

23.一种虚拟窗户，其特征在于，包含：

一显示面板，具有一背侧以及一显示侧，且该背侧与该显示侧互为该显示面板的相反的两侧，该显示面板用以显示至少一影格，其中该至少一影格是藉由一远程摄像机即时获取；

一背光模块，位于该显示面板的该背侧，包含为该显示面板提供背光的一第一光源，以及用于产生一准直定向光的一第二光源；以及

一计算装置，通讯连接于该显示面板、该背光模块以及该远程摄像机，该计算装置包含一处理器以及储存电脑可执行代码的一储存装置，其中当该电脑可执行代码经该处理器执行时，用以：

自该远程摄像机接收该至少一影格，以及基于该至少一影格产生该显示面板的控制数据；

自该远程摄像机接收多个控制因子，以及决定该准直定向光的多个参数；以及

基于该准直定向光的该些参数控制该第二光源，以产生该准直定向光。

24.如权利要求23所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该些参数包含：

该准直定向光的一准直角度；

该准直定向光的一主方向；

该准直定向光的辉度；以及

该准直定向光的色度。

25.如权利要求24所述的虚拟窗户，其特征在于，该准直定向光的该主方向包含一方位角θ以及一仰角φ。

26.如权利要求23所述的虚拟窗户，其特征在于，该些控制因子包含至少以下一者：

一日期和时间信息；

该远程摄像机的位置信息；

该远程摄像机的方位信息；

一天气信息；以及

一遮蔽信息，该遮蔽信息关联于该至少一影格。

27.如权利要求26所述的虚拟窗户，其特征在于，该计算装置用以分析该至少一影格以及该些控制因子以决定该准直定向光的该些参数是藉由：

分析该至少一影格或基于该天气信息，决定该至少一影格是晴天天气或是多云天气；

回应于决定该至少一影格是晴天天气，

分析该至少一影格以决定太阳是否可见于该至少一影格之中；

回应于决定太阳可见于该至少一影格之中，基于太阳于该至少一影格的一位置计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定太阳不可见于该至少一影格之中，基于该日期和时间信息、该远程摄像机的位置以及方位信息或是藉由分析该至少一影格中的阴影，计算该准直定向光的该些参数；以及

回应于决定该至少一影格是多云天气，

藉由分析该至少一影格分类一天空状态；

基于该日期和时间信息、该远程摄像机的位置以及方位信息，或是藉由分析该至少一影格中的阴影计算该准直定向光的预先遮蔽参数；以及

基于该准直定向光的该预先遮蔽参数以及该天空状态，计算该准直定向光的该些参数。

28.如权利要求27所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由基于该日期和时间信息、该远程摄像机的位置以及方位信息计算太阳的该位置决定。

29.如权利要求27所述的虚拟窗户，其特征在于，太阳于该至少一影格的该位置是藉由以下操作决定：

分析该至少一影格以获取该至少一影格内的至少一饱和白色像素区域；

回应于只获取一饱和白色像素区域，决定该饱和白色像素区域为太阳的该位置；以及

回应于获取多个饱和白色像素区域，基于该日期和时间信息、该远程摄像机的位置以及方位信息，选取该些饱和白色像素区域其中之一为太阳的该位置。

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