DE10043305A1

DE10043305A1 - Anordnung zur räumlichen Darstellung für viele Betrachter mit Augenpositionstracking eines ausgewählten Betrachters

Info

Publication number: DE10043305A1
Application number: DE10043305A
Authority: DE
Inventors: Markus Klippstein
Original assignee: 4D Vision GmbH
Current assignee: X3D Technologies GmbH
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-03-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf autostereoskopische Anordnungen für gleichzeitig mehrere Betrachter, bei dem eine räumliche Szene mehrkanalig, d. h. mit mindestens vier Ansichten wiedergegeben wird. Zur Ermöglichung einer räumlichen Wahrnehmung ist ein optisches Bauelement, vorzugsweise ein Filterarray, vorgesehen, welches erfindungsgemäß korrespondierend zur Augenposition eines ausgewählten Betrachters lateral verschoben wird. Dadurch sieht der ausgewählte Betrachter im wesentlichen stets eine bestimmte Auswahl der Ansichten. Weiterhin wird durch die Mehrkanaligkeit der Anordnung die Trägheit der Verschiebeeinrichtung für das optische Bauelement im wesentlichen ausgeglichen, wodurch der ausgewählte Betrachter im wesentlichen zu keiner Zeit ein pseudoskopisches Bild wahrnimmt. Alle übrigen Betrachter sehen bei einer Bewegung des ausgewählten Betrachters ein sich leicht in der Perspektive änderndes Bild. Die Erfindung eignet sich für Anwendungsfälle, bei denen ein besonderer Betrachter (z. B. ein Chirurg) stets ein orthoskopisches 3-D-Bild sehen muß, während weitere Betrachter (z. B. Studenten) den gleichen 3-D-Bildinhalt, jedoch aus sich leicht verändernden Perspektiven, sehen können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf autostereoskopische Anordnungen für gleichzeitig mehrere Betrachter, bei dem eine räumliche Szene mehrkanalig, d. h. mit mindestens vier Ansichten, vorzugsweise Perspektivansichten, wiedergegeben wird. Zur Ermöglichung einer räumlichen Wahrnehmung ist ein optisches Bauelement, vorzugsweise ein Filterarray, vorgesehen, welches erfindungsgemäß korrespondierend zur Augenposition eines ausgewählten Betrachters lateral verschoben wird. Dadurch sieht der ausgewählte Betrachter im wesentlichen stets eine bestimmte Auswahl der Ansichten, z. B. die mittleren Ansichten, d. h. der räumliche Eindruck entsteht vorwiegend für eine gleichbleibende Perspektive. Weiterhin wird durch die Mehrkanaligkeit der Anordnung die Trägheit der Verschiebeeinrichtung für das optische Bauelement im wesentlichen ausgeglichen, wodurch der ausgewählte Betrachter im wesentlichen zu keiner Zeit ein pseudoskopisches Bild wahrnimmt - auch wenn er sich recht rasch bewegt. Alle übrigen Betrachter sehen bei einer Bewegung des ausgewählten Betrachters ein sich leicht in der Perspektive änderndes Bild.

Derartige Anordnungen eignen sich für Anwendungsfälle, bei denen ein besonderer Betrachter (z. B. ein Chirurg) stets ein orthoskopisches 3D-Bild sehen muß, während weitere Betrachter (z. B. Studenten) den gleichen 3D-Bildinhalt, jedoch aus sich leicht verändernden Perspektiven sehen können.

Im Stand der Technik sind einerseits die zweikanaligen Verfahren zur räumlichen Darstellung bekannt. Ein entscheidender Nachteil hierbei ist allerdings, daß im wesentlichen ausschließlich ein einziger Betrachter ein in der Tiefe korrektes, also orthoskopisches Bild sehen kann, während dies für weitere Betrachter nicht gewährleistet werden kann. Zweikanalige Verfahren und Anordnungen erlauben in Ausführungen ohne Augenpositionstracking des Betrachters nahezu keine Bewegung des Betrachters, da die Stereohalbbilder definiert nur aus fest vorgegebenen Richtungen wahrzunehmen sind. In Ausführungen mit Augenpositionstracking des Betrachters wird diesem eine gewisse Bewegungsfreiheit gewährt, wobei allerdings schnelle Bewegungen auf Grund der mechanischen Trägheit insbesondere der Verschiebeeinrichtung für ein benötigtes optisches Bauelement (z. B. ein Prismen- oder Linsenraster) kurzzeitig zu pseudoskopischen Bildwahrnehmungen führen. Dies ist z. B. der Fall bei Anordnungen nach DE 197 36 035, wenn das optische Bauelement (und nicht der Bildinhalt) entsprechend der Position des Betrachters nachgeführt wird. Überdies erlauben Anordnungen dieser Art mit nachgeführten Linsen- oder Prismenrastern nicht, großformatige Bildschirme (z. B. Plasma-Displays mit 50" Bildschirmdiagonale und größer) suffizient als 3D-Bildschirm zu konfektionieren, da dann die Linsen- oder Prismenraster i. d. R. eine solche Masse und damit Trägheit besitzen, daß eine hinreichend flexible Bewegungsfähigkeit der Linsen- bzw. Prismenraster nicht gegeben ist.

Weiterhin sind Anordnungen und Verfahren bekannt, bei denen ohne jedwedes Tracking die darzustellende Szenerie gleichzeitig in mehreren Ansichten, z. B. acht Ansichten, wiedergegeben wird. Optische Bauelemente (z. B. Wellenlängenfilterarrays, Prismen- oder Linsenraster, Barriereschirme) sorgen dafür, daß gleichzeitig mehrere Betrachter aus unterschiedlichen Positionen zumeist ein orthoskopisches 3D-Bild sehen können. Es kommt hierbei allerdings in aller Regel zu sogenannten Panaromasprüngen, bei denen der Übergang von z. B. der/den letzten zur bzw. zu den ersten Ansicht(en) stattfindet. Bei Betrachtungspositionen nahe diesen Panoramasprüngen sieht der entsprechende Betrachter ggf auch ein pseudoskopisches Bild. Durch eine leichte laterale Bewegung kann dieser Mangel allerdings leicht geheilt werden.

Ein recht hochwertiges Beispiel für ein mehrkanaliges System auf Basis von Linsenrastern (Lentikularen) ist in EP 0791847 beschrieben.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine autostereoskopische Darstellung zu ermöglichen, welche für mindestens einen Betrachter stets ein orthoskopisches 3D-Bild aus zumeist der gleichen Perspektive darbietet, während eine Gruppe von weiteren Betrachtern zumeist ein orthoskopisches 3D-Bild sieht, wobei sich die jeweilige Perspektive der verschiedenen Betrachter ändern kann. In einer besonderen Ausgestaltung soll es ermöglicht werden, auch großformatige Bildschirme zur Erfüllung der eben genannten Aufgabe umzurüsten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes, umfassend

- eine Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere einen Flachbildschirm (1), zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen α_ij, die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten A_k (k = 1 . . . n mit n < 3) der Szene/des Gegenstandes repräsentieren, wobei von den Bildelementen Licht in vorzugsweise verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt wird,
- mindestens ein Filterarray (2), das bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters (5) der Bildwiedergabeeinrichtung in einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das Filterarray eine Vielzahl von in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente umfaßt, so daß für das von den Bildelementen α_ij abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden,
- eine Verschiebeeinrichtung (6), die in der Lage ist, das Filterarray (2) - vorzugsweise in horizontaler Richtung - zu bewegen,
- eine Tracking-Einrichtung (7) zur Detektion der Augenposition eines ausgewählten Betrachters (5),
- eine Recheneinrichtung (8), die die Verschiebeeinrichtung (6) in Abhängigkeit der von der Tracking-Einrichtung ermittelten Augenposition des ausgewählten Betrachters (5) betätigt,
- wobei sich bei jeder Position des Filterarrays (2) die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes, in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die jeweils einer Betrachtungsposition entsprechen, kreuzen, wodurch von jeder Betrachtungsposition aus der bzw. die Betrachter mit einem Auge überwiegend Teilinformationen einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Teilinformationen einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1 . . . n) optisch wahrnehmen, wobei insbesondere der ausgewählte Betrachter (5) auf Grund der permanent auf seine Augenposition abgestimmten Position des Filterarrays fast ausschließlich die mittleren der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) sieht und wobei auf Grund der Verwendung von n < 3 Ansichten die Trägheit der Verschiebeeinrichtung derart ausgeglichen wird, daß der ausgewählte Betrachter (5) im wesentlichen zu keiner Zeit ein in der Tiefe verkehrtes Bild wahrnimmt.

Die Erfindung ist mannigfaltig auszugestalten; insbesondere kann das Filterarray (2) auch als ein Linsenrasterschirm, speziell als ein Lentikularschirm oder auch als Barriereschirm ausgebildet sein.

Für die weiteren Ausführungen soll aber insbesondere die Ausgestaltung mit einem Filterarray in Betracht gezogen werden.

Als Bildwiedergabeeinrichtung ist ein Flachbildschirm (1), vorzugsweise ein Farb-LC- Display, mit separat ansteuerbaren Subpixeln vorgesehen. Dabei entspricht jeweils ein Subpixel einem Bildelement α_ij in Spalten i und Zeilen j.

Der Flachbildschirm (1) ist vorzugsweise mit einer Ansteuerschaltung (3) gekoppelt, die auf den Subpixeln Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 bis n) nach der Funktion generiert

wobei

- i dem Index eines Bildelementes α_ij in einer Zeile des Rasters entspricht,
- j dem Index eines Bildelementes α_ij in einer Spalte des Rasters entspricht,
- k der fortlaufenden Nummer der Ansicht A_k (k = 1 . . . n), aus der die Teilinformation stammt, die auf einem bestimmten Bildelement α_ij wiedergegeben werden soll,
- n der Gesamtzahl der jeweils verwendeten Ansichten A_k (k = 1 . . . n),
- c_ij einer wählbaren Koeffizientenmatrix zur Kombination bzw. Mischung der verschiedenen von den Ansichten A_k (k = 1 . . . n) stammenden Teilinformationen auf dem Raster und
- IntegerPart einer Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

Mit anderen Worten: die Indizes i und j bezeichnen die Positionen von Bildelementen α_ij, für die anzugeben ist, aus welcher der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) die darzustellende Teilinformation bezogen werden soll. Dabei steht i für den horizontalen Index (mit Werten von 1 bis zur horizontalen Bildelementauflösung, das ist im Falle der Darstellung der Teilinformationen auf RGB-Subpixeln der dreifache Wert der Pixelauflösung) und j für den vertikalen Index (mit Werten von 1 bis zum Wert der vertikalen Bildelementauflösung).

Soll für eine beliebige, aber feste Anzahl n von Ansichten A_k (k = 1 . . . n), die alle die gleiche Bildauflösung bzw. das gleiche Format besitzen, das auf dem Raster darzustellende, aus Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) zu kombinierende Gesamtbild ermittelt werden, so ist für die Kombinationsvorschrift noch folgendes zu berücksichtigen: die Koeffizientenmatrix c_ij kann als Einträge Werte besitzen, die reellen Zahlen entsprechen.

Dabei sind für i und j natürliche Zahlen größer Null im oben genannten Wertebereich möglich.

Das auf dem Raster dargestellte, aus den verschiedenen Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) kombinierte Gesamtbild wird bei Vorgabe dieser Parameter entsprechend der oben angegebenen Funktion erzeugt, indem alle möglichen Indexpaare i, j durchlaufen werden.

Das Filterarray (2) beinhaltet Filter β_pq, die nach der Funktion in Spalten p und Zeilen q angeordnet sind

mit

- p dem Index eines Filters β_pq in einer Zeile des Arrays,
- q dem Index eines Filters β_pq in einer Spalte des Arrays,
- b einer ganzen Zahl, die für ein Filter β_pq an der Position p,q eine der vorgesehenen Transmissionseigenschaften λ_b festlegt und Werte zwischen 1 und b_max haben kann,
- n_m einem ganzzahligen Wert größer Null, der bevorzugt der Gesamtzahl b_max der Transmissionseigenschaften λ_b entspricht, wobei die Gesamtzahl b_max wiederum bevorzugt der Gesamtzahl n der in dem Kombinationsbild dargestellten Ansichten A_k entsprechen kann,
- d_pq einer wählbaren Koeffizientenmatrix zur Variation der erzeugten Struktur auf dem Filterarray und
- IntegerPart einer Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

Die wählbare Koeffizientenmatrix d_pq kann als Einträge Werte besitzen, die reellen Zahlen entsprechen. Dabei sind für p und q, die (wie bereits dargestellt) Positionen innerhalb des Filterarrays beschreiben, natürliche Zahlen größer Null möglich.

Der Erzeugung des kombinierten Gesamtbildes aus den Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) und der Erzeugung des Maskenbildes, d. h. der Struktur der Filter auf dem Filterarray, liegen demzufolge gleichartige oder zumindest artverwandte Vorschriften zugrunde. Die Filter β_pq als Elemente des Maskenbildes besitzen größenordnungsmäßig eine ähnliche Flächenausdehnung wie die Bildelemente α_ij.

Die Transmissionseigenschaften λ_b für die Filter β_pq entsprechen vorzugsweise Transparenzwellenlängen- bzw. Transparenzwellenlängenbereichen.

Diese Transparenzwellenlängenbereiche werden vorzugsweise so vorgegeben, daß sie jeweils der Transparenz in einem der drei Farbbereiche rot (λ₁), grün (λ₂) oder blau (λ₃) oder der Transparenz im gesamten sichtbaren Spektrum (λ₄) oder der Intransparenz im gesamten sichtbaren Spektrum (λ₅) entsprechen.

Alternativ ist es auch möglich, die Transmissionseigenschaften λ_b als Transparenzwellenlängenbereiche vorzugeben werden, die jeweils der Transparenz in einem der drei Farbbereiche cyan, magenta oder gelb oder der Transparenz im gesamten sichtbaren Spektrum oder der Intransparenz im gesamten sichtbaren Spektrum entsprechen.

In einer besonderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, als Transmissionseigenschaften reine wellenlängenunabhängige Transmissionsgrade vorzugeben, d. h. die Filter wären in diesem Fall Neutralfilter zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität mit jeweils vorgegebenem Transmissionsgrad (z. B. 0%, 25%, 50%, 75% und 100%). Auch Weiterführungen sind denkbar, d. h. das Filterarray (2) enthält sowohl Wellenlängenfilter als auch Neutralfilter.

Zur Detektion der Augenposition eines ausgewählten Betrachters ("Tracking") können vielerlei Anordnungen zum Einsatz kommen. In einer einfachen Ausführung kommt als Tracking-Einrichtung (7) eine schwenkbare Kamera mit einer Recheneinrichtung zum Einsatz. Dabei wird in der Recheneinrichtung (8) das von der Tracking-Einrichtung (7), z. B. der Kamera, gelieferte Signal ausgewertet, indem z. B. die Augen als weiße Flächen mit dunklen Punkten, die den Pupillen entsprechen, gesucht werden. Es ist auch möglich, den ausgewählten Betrachter vorzugsweise zwischen den Augen mit einem speziell gefärbten Punkt oder einem anderen, technisch erkennbaren Merkmal zu markieren, das überdies auch ein leichtes Tracking der Augenposition unterstützt. Der ausgewählte Betrachter (5) kann bei größeren Bildschirmen (z. B. Plasma-Displays mit 50 Zoll Bildschirmdiagonale) auch einfach dadurch gekennzeichnet sein, daß er sich in einem bestimmten Bereich - eben genau dem verfügbaren Tracking-Volumen der Tracking-Einrichtung (7) - aufhält.

Eine Vielzahl von möglichen Augenpositionstrackingapparaten ist in WO 9618925 beschrieben.

Zur Verschiebung des Filterarrays (2) ist eine Verschiebeeinrichtung (6) vorgesehen, die mindestens eine Schiene und mindestens einen Linearmotor, der vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildet ist, umfaßt. Die Verschiebung des Filterarrays (2) geschieht vorzugsweise in horizontaler Richtung - bezogen auf die (gewöhnliche) Blickrichtung eines Betrachters.

Es ist auch möglich, die Verschiebeeinrichtung mit Hilfe von Piezo-Stellern auszubilden.

In Blickrichtung eines Betrachters kann das Filterarray (2) zwischen dem Flachbildschirm (1) und einer diesem nachgeordneten flächigen Beleuchtungsquelle, die weißes Licht ausstrahlt, angeordnet sein.

Vorzugsweise ist das Filterarray (2) in Blickrichtung eines Betrachters vor dem Flachbildschirm (1) angeordnet, dem eine flächige, weißes Licht ausstrahlende Beleuchtungsquelle nachgeordnet sein kann.

Die einzelnen Filter des Filterarrays (2) weisen jeweils einen vieleckigen, bevorzugt rechteckigen Umriß auf.

Der Abstand z zwischen dem Flachbildschirm (1) und dem Filterarray (2) kann z. B. 1 bis 10 mm betragen.

Unter Umständen kann es von Vorteil sein, wenn der Baueinheit aus Flachbildschirm (1) und Filterarray (2) in Blickrichtung eines Betrachters (5) eine Linse, bevorzugt eine Fresnellinse vorgeordnet ist, wodurch je nach Ausbildung der Linse eine reelle und/oder virtuelle Abbildung der räumlichen Darstellung der Szene/des Gegenstandes für den Betrachter entsteht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Filter auf dem Array nicht nur im Hinblick auf die Durchlaßeigenschaften ihrer einzelnen Wellenlängenfilter statisch, sondern weiterhin auch als passive, d. h. ohne jegliche elektrische Energie auskommende Filter ausgebildet. Filterarrays können als dünnwandige Platten oder Folien hergestellt werden, in welche die gewünschte Struktur der einzelnen Filter dauerhaft eingeprägt ist.

In einer besonderen Ausgestaltung wird das Filterarray (2) durch ein LC-Display gebildet, wobei die für eine Verschiebungseinrichtung (6) vorgesehene zugehörige Recheneinrichtung (8) an Stelle einer Verschiebungseinrichtung (6) besagtes LC-Display in Abhängigkeit vom Signal der Tracking-Einrichtung (7) steuert. Die Verschiebungseinrichtung (6) kann dabei entfallen. Die einzelnen Subpixel des LC-Displays wirken hier als Filter, wobei diese separat angesteuert werden. Schwarz geschaltete Subpixel entsprechen z. B. opaken Filtern, während optimal transparent geschaltete, hardwaremäßig z. B. mit einem grünen Filter versehene Subpixel beispielsweise als Grünfilter wirken. Äquivalent zur Verschiebung des Filterarrays wird hier das LC-Display derart angesteuert, daß in Entsprechung zu einer Verschiebung eines statischen Filterarrays die transluzenten Subpixel des LC-Displays bei Bedarf, d. h. bei einer Bewegung des Betrachters, verschoben werden.

Mit anderen Worten: Anstatt ein statisches Filterarray zu verschieben, wird das dem Filterarray entsprechend auf dem LC-Display dargestellte "Filterbild" geeignet verschoben.

Generell betrachtet ist ein Bildelement α_ij eine selbstleuchtende oder beleuchtete Fläche geringer Größe mit einem Flächeninhalt von etwa 10.000 µm² bis zu einigen mm², auf der ein geringer Ausschnitt einer der Ansichten A_k (k = 1 . . . n), im folgenden als Teilinformation einer solchen Ansicht A_k (k = 1 . . . n) bezeichnet, an der Stelle i,j wiedergegeben werden kann. Vorteilhaft kann mit dem Indexpaar i,j auch die Position in der Ansicht A_k bezeichnet sein, von der die Teilinformation stammt, die auf dem Bildelement α_ij wiedergegeben wird - sofern auch die Ansichten A_k (k = 1 . . . n) in Raster aus Zeilen j und Spalten i gegliedert sind.

Von jeder Betrachtungsposition aus nimmt ein Betrachter mit einem Auge überwiegend Bildelemente α_ij einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Bildelemente α_ij ein einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1 . . . n) wahr.

Darunter sind ausdrücklich auch solche Fälle zu verstehen, in denen das von einem Bildelement α_ij kommende Licht nicht vollständig, sondern nur zum Teil in das betreffende Auge des Betrachters gelangt, was beispielhaft bei partieller Abdeckung eines Bildelementes α_ij, etwa durch Anordnungsteile, denkbar ist.

Bevorzugt werden die Ausbreitungsrichtungen durch eine Vielzahl von Filtern β_pq des Filterarrays vorgegeben, wobei jeweils ein Bildelement α_ij mit mehreren zugeordneten Filtern β_pq oder ein Filter β_pq mit mehreren zugeordneten Bildelementen α_ij derart korrespondiert, daß jeweils die Verbindungsgerade zwischen der Flächenmitte des sichtbaren Abschnittes eines Bildelementes α_ij und der Flächenmitte des sichtbaren Abschnittes eines Filters β_pq einer Ausbreitungsrichtung entspricht.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Filter β_pq in Arrays mit Zeilen q und Spalten p angeordnet und eines oder mehrere solcher Arrays dem Raster mit den Bildelementen α_ij, bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters, in einem festen Abstand z vor- und/oder nachgeordnet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes nach der Erfindung mit einem in Blickrichtung eines Betrachters vor einer Bildwiedergabeeinrichtung (Farb-LC-Displays) liegenden Filterarray, das durch eine Verschiebeeinrichtung seitlich bewegt werden kann,

Fig. 2 ein Beispiel für die Struktur der Filter β_pq des Filterarrays unter Einsatz von Wellenlängenfiltern in stark vergrößerter und nicht-maßstäblicher Darstellung, und in

Fig. 3 ein Beispiel für ein Gesamtbild aus den Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 . . . n; n = 8), erzeugt mit den als Bildelementen α_ij genutzten Subpixeln RGB des Farb-LC-Displays, stark vergrößert und nicht-maßstäblich dargestellt.

Das erste Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung zur dreidimensionalen (autostereoskopischen) Darstellung von Szenen und/oder Gegenständen. Mit dieser werden Teilinformationen von verschiedenen Ansichten der Szene oder des Gegenstandes wiedergegeben. Die Ansichten repräsentieren dabei beispielsweise Bildinformationen aus benachbarten Perspektivansichten.

Die Anordnung umfaßt als Bildwiedergabeeinrichtung für die Wiedergabe der Kombination von Teilinformationen der Ansichten Ak (k = 1 . . . n) auf Bildelementen αu ein derzeit handelsüblich verfügbares Farb-LC-Display (1), wie beispielsweise Batron BT63212. Auf diese Weise läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung einfach realisieren. Das schließt jedoch nicht aus, daß für die Bildwiedergabe auch jede andere denkbare Ausführung möglich ist. Insbesondere könnte an Stelle des Farb-LC-Displays auch ein Plasma-Bildschirm, beispielsweise vom Typ Pioneer PDP 502-MXE, zum Einsatz kommen.

In Blickrichtung eines bzw. mehrerer Betrachter(s) ist das Farb-LC-Display (1) als bilddarstellendes Raster in einem vorgegebenen Abstand z hinter einem Filterarray (2) angeordnet. Hinter dem Farb-LC-Display befindet sich eine flächige Beleuchtungsquelle, die mit dem Farb-LC-Display (1) zu einer Baueinheit verbunden ist und zeichnerisch nicht dargestellt ist.

Das bildwiedergebende Farb-LC-Display (1) ist mit einer Ansteuerschaltung (3) verknüpft. Es verfügt über separat ansteuerbare Subpixel der Grundfarben rot (R), grün (G) und blau (B). Zur besseren Unterscheidbarkeit werden nachfolgend die Subpixel des Farb-LC-Displays (1) mit R, G, B bezeichnet; die Wellenlängenfilter der Filterarrays (2) jedoch werden hingegen mit R', G', B', die jeweils eigenen Transparenzwellenlängenbereichen entsprechen, bezeichnet. Die Ansteuerschaltung (3) ist derart ausgebildet, daß auf den einzelnen Subpixeln R, G, B des Displays (1) Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) generiert werden.

Der Abstand z zwischen dem Farb-LC-Display (1) und der Filterarray (2) beträgt beispielhaft 2,3 mm, wobei in diesem Falle Wellenlängenfilter R', G', B' des Filterarrays (2) mit den Subpixeln R, G, B des Farb-LC-Displays (1) so korrespondieren, daß sich die damit festgelegten Ausbreitungsrichtungen des von den Subpixeln R, G, B austretenden und durch die Filter hindurchtretenden Lichtes innerhalb eines Betrachtungsraumes (4), in dem sich ein oder mehrere Beobachter, insbesondere ein ausgewählter Betrachter (5) befinden, in einer Vielzahl von Schnittpunkten treffen. Diese Schnittpunkte der Ausbreitungsrichtungen entsprechen Beobachtungsorten, von denen aus mit einem Augenpaar die Szene bzw. der Gegenstand räumlich wahrgenommen werden kann.

Dabei wurde der Abstand z für die Ausgestaltungsvariante nach Fig. 1 ermittelt aus

Für s_p wurde der mittlere horizontale Abstand der einzelnen Subpixel auf dem in Blickrichtung nachgeordneten Farb-LC-Display (1) mit 99 µm angenommen. Für die mittlere Pupillendistanz p_d wurde 65 mm gesetzt. Als mittlerer Betrachtungsabstand da wurde 1,5 m gewählt. Daraus ergibt sich der auszuführende Abstand z mit 2,3 mm.

Die Ausbreitungsrichtungen sind jeweils durch die Flächenmitten der sichtbaren Abschnitte der betreffenden Filter und Subpixel R, G, B vorgegeben, wobei sich die Strahlengänge nicht nur in einer Ebene, sondern vielfach räumlich verteilt ausbreiten.

Weiterhin ist in Fig. 1 die Verschiebeeinrichtung (6) für das Filterarray (2) schematisch angedeutet. Sie wird in einer beispielhaften Ausgestaltung aus einem Schrittmotor (mit einer entsprechenden Ansteuerung) und Schienen für das Filterarray (2) gebildet. Dabei ist das Filterarray (2) auf einem Träger, z. B. einer Glasscheibe auflaminiert. Diese Glasscheibe mit dem Filterarray (2) wird an ihrer Oberkante bzw. Unterkante in einer Schiene geführt, wobei zusätzliche Mittel zur Verringerung der Reibung (z. B. Rollen) vorgesehen sein können. Die in der Zeichnung nicht dargestellte Tracking-Einrichtung (7) zur Echtzeit-Detektion der Augenposition eines ausgewählten Betrachters (5) liefert über eine Recheneinrichtung (8) Informationen für die Steuerungseinheit der Verschiebeeinrichtung (6). Diese verschiebt das Filterarray (2) nun fortlaufend mit dem Ziel, daß der ausgewählte Betrachter überwiegend stets die gleichen, paarweise verschiedenen Ansichten A_x und A_y aus den Ansichten A_k (k = 1 . . . n) wahrnimmt. Die Trägheit bzw. Hysterese dieses Regelkreises bestehend aus Tracking- (7) und Verschiebeeinrichtung (6) wird nun dadurch ausgeglichen, daß bei zu langsamer Verschiebung bzw. überschwingender Verschiebung des Filterarrays (2) verglichen mit der jeweiligen exakt angestrebten Zielposition die neben den genannten mittleren Ansichten A_x und A_y befindlichen Ansichten immer noch einen korrekten 3D-Eindruck für den ausgewählten Betrachter (5) ergeben. Dies kann insbesondere auch dann von Vorteil sein, wenn großformatige Bildschirme (z. B. ein Plasma-Display des o. g. Typs) als 3D-Bildschirme konfektioniert werden sollen, weil in diesen Fällen die Masse und damit die Trägheit des Filterarrays (2) sowie die Trägheit bzw. Hysterese besagter Regelkreise besonders groß sein kann.

Während der ausgewählte Betrachter (5) dann im wesentlichen immer die genannten Ansichten A_x und A_y sieht, können die anderen Betrachter auch i. d. R. ein orthoskopisches autostereoskopisches 3D-Bild wahrnehmen. Im Falle, daß sich der ausgewählte Betrachter (5) bewegt, ändert sich lediglich die Perspektive der anderen Betrachter. Für den Fall, daß dadurch ein Betrachter in die Übergangszone der Ansichten, den sogenannten Sprungpunkt, bei dem die Periode der horizontal nebeneinander wahrnehmbaren Ansichten neu beginnt, d. h. in den Übergangsbereich der letzten Ansicht A_n zur ersten Ansicht A₁ gelangt, kann ein solcher Betrachter durch eine leichte seitliche Kopfbewegung wieder in einen orthoskopischen Sichtbereich gelangen.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für die Struktur eines Filterarrays β_pq anhand einzelner Filter in einer Draufsicht auf die Displayfläche zum Zweck der Anschaulichkeit stark vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt. Die Teilflächen entsprechen jeweils einem Filter. Wie bereits erwähnt entspricht R' einem Filter, der für rotes Licht transparent ist, G' einem Filter, der für grünes Licht transparent ist und B' einem Filter, der für blaues Licht transparent ist. Mit S sind opake Filter bezeichnet. Diese Filterstruktur läßt sich erzeugen mit dem beispielhaften Filterkombinationsparameter d_pq, der erzeugt wird nach der Vorschrift

Die Filter sind bevorzugt rechteckig ausgebildet und besitzen beispielsweise eine Breite von 99 µm und eine Höhe von 297 µm.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Kombination von Teilinformationen verschiedener Ansichten A_k (k = 1 . . . 8) in einer Draufsicht auf das Raster des Farb-LC-Displays 1, die nach der bereits beschriebenen Funktion erzeugt worden ist

wobei c_ij = -1 = const. für alle Paare (ij) und n = 8 gewählt sind.

Dabei entspricht jede rechteckige Teilfläche einem Subpixel R, G, B. Die innerhalb der Teilflächen angegebenen Ziffern k = 1 . . . 8 geben die jeweilige Ansicht A_k (k = 1 . . . n) an, zu der die auf einem Subpixel bzw. einem Bildelement α_ij angezeigte Teilinformation gehört. So gehört eine auf einem mit k = 1 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation zur Ansicht A₁, eine auf einem mit k = 2 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation zur Ansicht A₂, usw. In dem gewählten Ausführungsbeispiel sind demnach zur räumlichen Darstellung acht Ansichten A₁ bis A₈, vorzugsweise Perspektivansichten, vorgesehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde hier darauf verzichtet, auch die "Black-Matrix" darzustellen, die oftmals technisch bedingt in Farb-LC-Displays eingearbeitet ist.

Das Filterarray (2) ist vorzugsweise als ein statisches, d. h. zeitlich unveränderliches Filterarray, hier z. B. als dünne Folie, und damit als einfaches, passives Element ausgebildet. Als Herstellungsverfahren für derlei Folien kommt insbesondere der Siebdruck in Frage, bei dem auch Filterarrays größerer Abmaße (mehrere Quadratmeter) produziert werden können. Solche Abmaße sind von Vorteil, wenn etwa ein großformatiger Bildschirm, z. B. ein Plasma- Bildschirm mit 50-Zoll Bildschirmdiagonale, zum 3D-Bildschirm veredelt werden soll. Andere Druckverfahren, wie z. B. Thermosublimationsdruck, oder auch Belichtungsverfahren können ebenfalls angewendet werden.

Das Filterarray (2) bewirkt eine Vorgabe der Ausbreitungsrichtungen des von dem Farb-LC- Display (1) abgestrahlten Lichtes in der oben beschriebenen Art und Weise, welche eine realistische, dreidimensionale Wahrnehmung erlaubt.

Aus der Vielzahl von Betrachtungspositionen, die aus der flächenhaften Anordnung der Bildelemente αu und der Filter β_pq resultiert, ergibt sich dann die dreidimensionale Wahrnehmung: beide Augen sehen aus den Betrachtungspositionen Bildelemente α_ij bzw. Teilinformationen überwiegend verschiedener Ansichten A_k (k = 1 . . . n), wobei der Anteil der für jedes Auge wahrnehmbaren Teilinformationen für die dreidimensionale Wahrnehmung ursächlich ist.

Dabei besitzen die für das Auge sichtbaren Lichtstrahlen einen zwar kleinen, jedoch vorhandenen Flächenquerschnitt.

Als Betrachtungsraum ist hier der Bereich zu verstehen, in dem sich die Betrachter aufhalten bzw. bewegen können, wobei sie in Betrachtungsrichtung zum Raster die Szene bzw. den Gegenstand räumlich wahrnehmen. Je nach der Struktur des Maskenbildes und der verwendeten Anzahl n von Ansichten A_k (k = 1 . . . n) sind so Blickwinkel auf das Raster von über 45° möglich, d. h. der Betrachtungsraum kann einen von der Mittelsenkrechten des Rasters ausgehenden Öffnungswinkel von über 45° aufweisen.

Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik viele Vorteile. Insbesondere kann ein ausgewählter Betrachter (5) ohne Hilfsmittel wie Brillen ein korrektes räumliches Bild aus im wesentlichen immer dergleichen Perspektive sehen. Pseudoskopische Erscheinungen können für diesen speziellen Betrachter selbst bei Verwendung sehr großer Bildanzeigegeräte und den damit zusammenhängenden recht groß zu dimensionierenden optischen Baugruppen, die zur räumlichen Wahrnehmung notwendig sind, vermieden werden, während eine Vielzahl anderer Betrachter die gleiche Szene ohne Hilfsmittel ebenfalls räumlich sehen kann.

Eine solche Einrichtung kann insbesondere dazu dienen einer mit einer wichtigen Aufgabe betrauten Person, etwa einem Chirurgen, andauernd die gleiche Perspektive und obendrein immer korrekte räumliche Sichtweise darzubieten, während ein Auditorium auch ein räumliches Bild sehen soll, welches sich aber hinsichtlich der Perspektive leicht ändern kann. Dies könnte z. B. eine Gruppe von Medizinstudenten sein, die einer Operation beiwohnen.

Bezugszeichenliste

1

Flachbildschirm mit Bildelementen a_ij

2

Filterarray mit Filtern β_pq

3

Ansteuerschaltung

4

Betrachtungsraum

5

Betrachter

6

Verschiebeeinrichtung

7

Augenpositions-Tracking-Einrichtung

8

Recheneinrichtung für die Tracking-Einrichtung (

7

)
α_ij

Bildelemente in Zeilen j und Spalten i
β_pq

Filter in Zeilen q und Spalten p
λ_b

Transmissionseigenschaften der Filter
i, p Spalten
j, q Zeilen
z Abstand
R, G, B Subpixel der Grundfarben (rot, grün, blau) als Bildelemente α_ij

R', G', B' Wellenlängenfilter β_pq

der Grundfarben (rot, grün, blau)
S Opakes Filterelement

Claims

1. Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes, umfassend
eine Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere einen Flachbildschirm (1), zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen α_ij, die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten A_k (k = 1 . . . n mit n < 3) der Szene/des Gegenstandes repräsentieren, wobei von den Bildelementen Licht in vorzugsweise verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt wird,
mindestens ein Filterarray (2), das bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters (5) der Bildwiedergabeeinrichtung in einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das Filterarray (2) eine Vielzahl von in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente umfaßt, so daß für das von den Bildelementen α_ij abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden,
eine Verschiebeeinrichtung (6), die in der Lage ist, das Filterarray (2) - vorzugsweise in horizontaler Richtung - zu bewegen,
eine Tracking-Einrichtung (7) zur Detektion der Augenposition eines ausgewählten Betrachters (5),
eine Recheneinrichtung (8), die die Verschiebeeinrichtung (6) in Abhängigkeit der von der Tracking-Einrichtung ermittelten Augenposition des ausgewählten Betrachters (5) betätigt,
wobei sich bei jeder Position des Filterarrays (2) die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes (4), in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die jeweils einer Betrachtungsposition entsprechen, kreuzen, wodurch von jeder Betrachtungsposition aus der bzw. die Betrachter mit einem Auge überwiegend Teilinformationen einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Teilinformationen einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1 . . . n) optisch wahrnehmen, wobei insbesondere der ausgewählte Betrachter (5) auf Grund der permanent auf seine Augenposition abgestimmten Position des Filterarrays fast ausschließlich die mittleren der Ansichten A_k (k = 1 . . . n) sieht und wobei auf Grund der Verwendung von n < 3 Ansichten die Trägheit der Verschiebeeinrichtung derart ausgeglichen wird, daß der ausgewählte Betrachter (5) im wesentlichen zu keiner Zeit ein in der Tiefe verkehrtes Bild wahrnimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildwiedergabeeinrichtung ein Flachbildschirm (1), vorzugsweise ein Farb-LC-Display, mit separat ansteuerbaren Subpixeln vorgesehen ist, wobei jeweils ein Subpixel einem Bildelement α_ij in Spalten i und Zeilen j entspricht, und daß der Flachbildschirm (1) mit einer Ansteuerschaltung gekoppelt ist, die auf den Subpixeln Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 bis n) nach der Funktion generiert
wobei

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterarray Filter β_pq beinhaltet, die nach der Funktion in Spalten p und Zeilen q angeordnet sind
mit

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionseigenschaften λ_b für die Filter β_pq vorzugsweise Transparenzwellenlängen- bzw. Transparenzwellenlängenbereichen entsprechen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Transmissionseigenschaften λ_b Transparenzwellenlängenbereiche vorgegeben werden, die jeweils der Transparenz in einem der drei Farbbereiche rot, grün oder blau oder der Transparenz im gesamten sichtbaren Spektrum oder der Intransparenz im gesamten sichtbaren Spektrum entsprechen.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Transmissionseigenschafien λ_b Transparenzwellenlängenbereiche vorgegeben werden, die jeweils der Transparenz in einem der drei Farbbereiche cyan, magenta oder gelb oder der Transparenz im gesamten sichtbaren Spektrum oder der Intransparenz im gesamten sichtbaren Spektrum entsprechen.

7. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Tracking-Einrichtung (7) eine schwenkbare Kamera mit einer Recheneinrichtung (8) verwendet wird.

8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (6) mindestens eine Schiene und mindestens einen Linearmotor, der vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildet ist, umfaßt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung mindestens einen Piezo-Steller umfaßt.

10. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Blickrichtung eines Betrachters (5) das Filterarray (2) zwischen dem Flachbildschirm (1) und einer diesem nachgeordneten flächigen Beleuchtungsquelle angeordnet ist, die weißes Licht ausstrahlt.

11. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Blickrichtung eines Betrachters das Filterarray (2) vor dem Flachbildschirm (1) angeordnet ist, dem eine flächige, weißes Licht ausstrahlende Beleuchtungsquelle nachgeordnet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Filter des Filterarrays jeweils einen vieleckigen, bevorzugt rechteckigen Umriß aufweisen.

13. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand z zwischen dem Flachbildschirm (1) und dem Filterarray (2) 1 bis 10 mm beträgt.

14. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Baueinheit aus dem Flachbildschirm (1) und dem Filterarray (2) in Blickrichtung eines Betrachters (5) eine Linse, bevorzugt eine Fresnellinse vorgeordnet ist, wodurch je nach Ausbildung der Linse eine reelle und/oder virtuelle Abbildung der räumlichen Darstellung der Szene/des Gegenstandes für den Betrachter entsteht.

15. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterarray (2) als ein Linsenrasterschirm, bevorzugt als ein Lentikularschirm ausgebildet ist.

16. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterarray (2) durch ein LC-Display gebildet wird, wobei die für eine Verschiebungseinrichtung (6) vorgesehene zugehörige Recheneinrichtung (8) an Stelle einer Verschiebungseinrichtung (6) besagtes LC-Display in Abhängigkeit vom Signal der Tracking-Einrichtung (7) steuert.