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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Projektion virtueller stehender
oder bewegter zwei- oder dreidimensionaler Bilder und Raumobjekte
auf eine reale Projektionsfläche gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Einrichtung
zur Projektion virtueller stehender oder bewegter zwei- oder dreidimensionaler
Bilder und Raumobjekte auf eine reale Projektionsfläche
mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 7. Schließlich
ist auch noch ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerdaten für
einen Projektor einer Projektionseinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 13 Gegenstand der Erfindung.
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Es
ist seit langem bekannt, Bilder mit Hilfe von Projektoren auf Projektionsflächen
zu werfen, um auf diese Weise große, flächenfüllende
Bildeindrücke entstehen zu lassen. Dabei ist es auch bekannt,
Abbildungen auf besonders großen Bildflächen mittels
mehrerer Projektoren zu erzeugen, indem die Projektionsbilder der
einzelnen Projektoren überlappend nebeneinander und/oder
auch übereinander angeordnet und so zu einem Gesamtbild
zusammengefügt werden.
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Bei
einfachen geometrischen Anordnungen kann dies so erfolgen, dass
sich jeder der Projektoren mit seiner optischen Achse in einer zu
der Projektionsfläche lotrechten Position befindet, so
dass sich allein aus der lotrechten Position heraus ein Abbild ohne
optische Verzerrungen ergibt.
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Neuerdings
sind aber auch Projektionsanwendungen gefragt, bei denen kompliziertere
Geometrien mit projizierten Bildern versehen werden sollen, die
eine lotrechte Anordnung der Projektoren nicht mehr ermöglichen.
Als Beispiel sei diesbezüglich auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2005 055 990
A1 verwiesen. In dieser Offenlegungsschrift ist ganz allgemein
beschrieben, wie die gesamte Decke eines Einkaufszentrums großflächig
mit einer Projektion virtuell errechneter Bilder versehen werden
soll. Diese Lösung erfordert gemäß der
genannten Druckschrift in einem Ausführungsbeispiel 24 Projektoren,
die Einzelbilder an die Decke des Einkaufszentrums projizieren sollen,
aus denen sich dann das zusammengesetzte Gesamtbild ergibt.
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Es
dürfte allgemein einleuchten, dass bei einem solchen Projekt
die Projektoren nicht mehr so ausgerichtet werden können,
dass ihre optischen Achsen lotrecht auf die Projektionsfläche,
also in diesem Beispiel die Decke des Einkaufszentrums, treffen.
Bereits aus den Abbildungen der genannten Druckschrift lassen sich
hier Winkel entnehmen, die von der Lotrechten abweichen.
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Wird
aber das Bild eines Projektors nicht lotrecht, sondern mit einem
oder mehreren zur Lotrechten abweichenden Winkel(n), d. h. „schräg",
auf eine Projektionsfläche geworfen, so ergeben sich zwangsläufig
optische Verzerrungen. Durch die Winkelverschiebung der Projektionsparallaxen
werden abzubildende Quadrate oder Rechtecke zu gleichschenkligen
Trapezen verzerrt, solange die Abweichung von der Lotrechten nur
eine einzige Raumachse betrifft. Bei einer mehrachsigen Abweichung
entstehen schiefwinklige Trapeze als Projektionsabbild eines in
Wahrheit abzubildenden Rechteckes oder Quadrates.
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Da
aber eine verzerrte Abbildung nicht gewünscht, sondern
vielmehr eine Abbildung mit „normalen", d. h. parallelen
und rechtwinklig zueinander verlaufenden Parallaxen angestrebt ist,
müssen entsprechende Gegenmaßnahmen unternommen
werden. Hierfür ist es bekannt, sog. „Warping"-Einheiten einzusetzen.
Diese sind in entsprechend ausgerüstete Projektoren heutzutage
teilweise integriert, teilweise können sie separat erworben
und zusätzlich in die Projektoransteuerung verschaltet
werden. Unter „Warping" versteht man dabei ein künstliches
Korrigieren der Parallaxen sowie ggf. ein Stauchen oder Dehnen des
Bildfeldes in einer Richtung, um die durch eine Verkippung entstehenden
auseinanderlaufenden Entfernungsmuster zu korrigieren. Weiterhin
können durch „Warping-Einheiten" Einflüsse
ausgeglichen werden, die dadurch entstehen, dass Projektionsflächen
nicht planeben sind, sondern eine von der planebenen Fläche
abweichende Struktur aufweisen.
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Zwangsläufig
werden bei modernen CCD-, DLP oder D-ILA-Chip basierten Projektoren
durch die Warping-Einheiten bestimmte Bereiche des Chips gleichermaßen
ausgeschaltet. Das geschieht dergestalt, dass eine zu der beschriebenen
Verzerrung des Projektionsbildes genau entgegengesetzt wirkende (verzerrte)
Abbildung auf dem Chip generiert werden muß, um im Ergebnis
trotz der schrägwinkligen Projektion ein unver zerrtes d.
h. dem Original entsprechendes Projektionsbild zu erhalten. Teile
des rechtwinkligen Chips (Seitenverhältnis in der Regel
4:3) bleiben insofern zwangsläufig ungenutzt, da das auf dem
Chip zu generierende, der Projektionsgeometrie genau entgegengesetzt
verzerrte Bild nicht mehr rechteckig ist, sondern trapezförmig
oder schiefwinklig trapezförmig und dadurch dreieckige
Bereiche der Chipfläche zwangsläufig ungenutzt
bleiben müssen. Das Projektionsbild verliert dabei erheblich
an Helligkeit, da das auf die ungenutzten (dreieckigen) Bereiche
der Chipoberfläche einfallende Licht der Projektorlampe
absorbiert werden muß, d. h. als wirksame Projektionslichtstärke
nicht mehr zur Verfügung steht. Moderne Projektoren besitzen
dazu in ihrer optischen Einheit eine sogenannte Lichtfalle, um negative
Streulichteinflüsse der zu absorbierenden Flächenanteile
der Chipoberfläche auf solche, die genutzt und projiziert
werden, weitestgehend zu vermeiden. Ferner erfordert das richtige
Einstellen der Parallaxen mittels der genannten Warping-Einheiten bei
installiertem Projektor vor Ort einen hohen Arbeitsaufwand. Schließlich
sind Projektoren mit integrierten Warping-Einheiten deutlich kostspieliger
als solche ohne derartige Einheiten, auch separate Warping-Einheiten
sind in ihrer Anschaffung mit hohen Kosten verbunden.
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Ziel
der Erfindung ist es dementsprechend, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung
anzugeben, bei dem bzw. der virtuell erzeugte Bilder, seien sie
stehend oder bewegt („Filme, Animationen, Standbilder, etc.
"), unter jedenfalls weitgehendem Verzicht auf bekannte Warping-Einheiten
mittels Projektoren auf großflächige Projektionsflächen
geworfen werden können, wenn eine orthogonale Ausrichtung
der optischen Achsen der Projektoren zu der Projektionsfläche
nicht möglich oder nicht gegeben ist. Schließlich soll
auch ein Verfahren angegeben werden, mit dem Ansteuerdaten zur Ansteuerung
ei ner entsprechend weitgehend ohne bekannte Warping-Einheiten auskommenden
Projektionsanlage erzeugt werden können.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit einem Projektionsverfahren gemäß den
Merkmalen des Anspruches 1. Eine Lösung hinsichtlich der
Einrichtung ist in Anspruch 7 charakterisiert. In Anspruch 13 schließlich
ist eine Lösung hinsichtlich der erfindungsgemäßen
Erzeugung von Ansteuerdaten angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen
der jeweiligen Lösungen sind in Bezug auf das Verfahren
in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6, hinsichtlich
der Vorrichtung in den abhängigen Ansprüchen 8
bis 12 angegeben. In Anspruch 14 ist schließlich eine Weiterbildung
des Verfahrens zum Erzeugen von Ansteuerdaten genannt.
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Die
grundlegende Idee, die mit der vorliegenden Erfindung zur Umsetzung
gelangt, besteht darin, durch eine gleichermaßen entgegengesetzt
verzerrte virtuelle Aufnahmeposition bereits bei der Erzeugung der
Bilddaten, die von einem „schräg", also nicht
mit orthogonaler Ausrichtung seiner optischen Achse zu der realen
Projektionsfläche ausgerichteten Projektor auf diese reale
Projektionsfläche projiziert werden, eine gegenläufige
Parallaxenverschiebung zu erzeugen, die bei der Projektion dann
trotz bzw. gerade wegen der gegenläufig „schrägen"
Position des Projektors zu der realen Projektionsfläche
wiederum zu einem Projektionsergebnis mit korrekten bzw. orthogonal
stimmigen Parallaxen führen.
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In
einer einfachsten Variante kann dies z. B. durch eine gegenüber
einer Bildebene um einen an eine entsprechende Verkippung des zugehörigen Projektors
gegenüber der Projektionsfläche angepasst verkippte
virtuelle Orthogonalkamera geschaffen werden. Mit „Bildebene"
ist hierbei eine zweidimensionale Ebene gemeint, innerhalb derer
das aufzunehmende Bild liegt, bzw. auf die es projiziert wird.
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Über
eine solche Vorgehensweise können insbesondere Abstandsverzerrungen
auf der realen Projektionsfläche kompensiert werden, die
sich dadurch ergeben, dass ein Projektor in Richtung einer Achse
zur Projektionsfläche nicht lotrecht angeordnet ist, so
dass lediglich noch ein Geradestellen der in Richtung der zweiten
Achse verschobenen (auseinanderdriftenden) Parallaxen mittels einer
Warping-Einheit erforderlich ist.
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Ferner
können durch diese einfache Variante Seitenverhältnisse
des Projektionsbildes auf der Projektionsfläche abgebildet
werden, die nicht mehr zwingend denen des Projektorchips entsprechen müssen
und dennoch ein unverzerrtes Projektionsbild ergeben. Die weiter
oben beschriebenen Verlustflächen auf dem Projektorchip
werden dabei bereits deutlich minimiert, mit dem Ergebnis einer
deutlich verbesserten Helligkeit des projizierten Bildes.
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Im
Sinne der Erfindung ist ein Projektor gegenüber einer Projektionsfläche
auch dann um einen von 90° verschiedenen Winkel geneigt,
wenn die Projektionsfläche nicht eben, also jedenfalls
in Teilbereichen gekrümmt oder geneigt ist. Selbst wenn
in einigen Bereichen hier die Projektionsstrahlen wie bei lotrechter
Ausrichtung des Projektors auf die Projektionsfläche fallen,
ist anderen, gekrümmten oder geneigten Bereichen dieses
nicht der Fall. Für solche Bereiche kann mittels der Erfindung
ein ansonsten erforderliches Justieren mittels herkömmlicher
Warping-Einheiten jedenfalls weitgehend entfallen.
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Eine
weiter verbesserte Lösung, die in den abhängigen
Ansprüchen 2 hinsichtlich des Projektionsverfahrens, 8
hinsichtlich der Einrichtung bzw. 14 hinsichtlich des Verfahrens
zur Erzeugung von Ansteuerdaten benannt ist, besteht darin, in dem
virtuellen Raum die reale Projektionsfläche durch eine
virtuelle Projektionsfläche nachzubilden und im virtuellen
Raum in geometrischer Position dort, wo im realen Raum der wenigstens
eine Projektor angeordnet ist, die virtuelle Kamera vorzusehen,
die dann zu dem Projektor identische optische Eigenschaften aufweist.
Unter optischen Eigenschaften werden hier insbesondere verstanden
die Abbildungseigenschaften der zugehörigen Linsensysteme
(Brennweite und dgl.) sowie die Kantenlängenverhältnisse
der möglichen Abbildungsfläche (bei CCD-, DLP-
oder D-ILA-Chip Projektoren insbesondere die Kantenlängenverhältnisse
des wirksamen CCD, DLP- oder D-ILA-Chips). Zu den optischen Eigenschaften
zählt dabei natürlich auch, dass es sich bei dieser
virtuellen Kamera um eine perspektivische Kamera handelt, d. h.
um eine solche mit fluchtpunktperspektivischer Aufnahmecharakteristik,
da ja auch der reale Projektor perspektivisch abbildet, allerdings
nicht fluchtpunktperspektivisch, sondern im Gegenteil mit zwangsläufig
auseinanderdriftenden Perspektivlinien.
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Anders
als in dem oben geschilderten Ausgestaltungsfall erzeugt die hier
geschilderte virtuelle Kamera bei der Aufnahme des virtuellen Bildes
nicht nur eine Verzerrung der Abstandslinien, sondern auch eine
Verschiebung der Parallaxen in einer Weise, die sozusagen konträr
zu dem „Abbildungsfehler" des „schräg"
aufgestellten Projektors ist, so dass sich bei einer Wiedergabe
der so verzerrt aufgenommenen Bilder durch den Projektor ein orthogonal
richtig aufgebautes Projektionsbild ergibt. Mit anderen Worten werden
mit einer virtuellen Perspektivkamera, deren geometrische Position
und deren optische Eigenschaften genau denjenigen des realen Projektors entsprechen,
Parallaxenabweichungen virtuell erzeugt, die denen des realen schiefwinkligen
Projektionsabbildes genau entgegengesetzt sind. Dabei ist es auch
denkbar, dass die erforderliche Angleichung der Eigenschaften des
virtuellen Raumes an die des realen Raumes auf rechen- bzw. datentechnische Weise
erfolgt.
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Durch
Projektion des in dieser Weise erfassten Bildes mittels des im realen
Raum entsprechend positionierten Projektors erfolgt zwangsläufig
eine rechnerische Addition (Überlagerung) der gegenläufigen
Parallaxenabweichungen von virtuellem Bild und realem Projektor,
mit dem durchgängigen Ergebnis 0 (Null), was nichts anderes
bedeutet, als eine unverzerrte Projektionsabbildung.
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Das
Verfahren greift auch dann, wenn die reale Projektionsfläche
nicht planeben ist, sondern eine von der planebenen abweichende
beliebige andere Oberflächenstruktur aufweist. In diesem
Fall genügt die Nachbildung der realen Projektionsfläche
im virtuellen Raum als Abbildungsoberfläche des Bildes der
virtuellen Kamera(s). Sämtliche Verzerrungen, die aufgrund
der von der planebenen Ausführung der Projektionsfläche
abweichenden Struktur der Projektionsoberfläche entstehen,
werden bereits im Zuge der Aufnahme durch die virtuelle(n) Kamera(s)
im virtuellen Raum erfaßt und führen bei Projektion
der im realen Raum identisch angeordneten Projektoren auf der realen,
von der planebenen Struktur abweichenden Oberfläche zu
unverzerrten Abbildungsergebnissen.
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Mit
dieser Variante ist es also möglich, bereits im virtuellen
Raum, d. h. im Zuge der innerhalb eines Computersystems rechnerisch
und datentechnisch räumlichen Erfassung des zu projizierenden Bildes
Verhältnisse zu schaffen, die der realen und weiter oben
beschriebenen schiefwinkligen Projektionsverzerrung genau entgegenwirken,
um ein unverzerrtes, den realen Gegebenheiten des abzubildenden
Projektionsgegenstands entsprechendes Abbildungsergebnis zu erhalten.
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Natürlich
können – und dies ist von besonderem Vorteil – bei
einem großflächigeren Projektionsbild, für
dessen Erstellung mehrere Projektoren eingesetzt werden, in einer
der Anzahl der Projektoren entsprechenden Zahl virtuelle Kameras
mit zu den optischen Eigenschaften des jeweils zugeordneten Projektors
identischen optischen Eigenschaften in dem virtuellen Raum in Position(en)
gebracht werden, die den Positionen der realen Projektoren im realen
Raum entsprechen, um das Aufnahmeergebnis einer jeden virtuellen
Kamera dem jeweils zugeordneten Projektor als Projektionsgrundlage
zuzuleiten (vergleiche Ansprüche 5 und 11).
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Es
ist sicherlich einleuchtend, dass für die Bereitstellung
des virtuellen Raumes und die Positionierung virtueller Kameras
darin eine entsprechende Software benötigt wird. Solche
Software ist aber ohne weiteres bekannt und zu haben, die Darstellung virtueller
Räume und auch die Anordnung virtueller Kameras ist heute
z. B. in üblichen CAD- oder Animationssystemen ein gängiges
Ausstattungsmerkmal. Dabei ist es grundsätzlich möglich,
einzelne Komponenten in unterschiedlichen Softwaremodulen und darin
angelegten virtuellen Räumen darzustellen und diese dann
gleichermaßen „übereinanderzulegen". So
kann z. B. die Erzeugung der virtuellen Bilder, z. B. eine Anordnung
mit in einem dreidimensionalen virtuellen Raum sich bewegenden virtuellen
Objekten in einer ersten Software in einem dort gebildeten virtuellen
Raum geschehen, während die Positionierung der Kameras
und die Nachbildung der realen Projektionsfläche in Form
der virtuellen Projektionsfläche in einer zweiten Software
in einem darin generierten virtuellen Raum geschieht. Wichtig ist
dann nur, dass durch geschicktes programmtechnisches oder sonstiges
In- oder Übereinanderfügen dieser mit zwei verschiedenen
Softwaresystemen generierten virtuellen Räume das virtuelle
Bild und die virtuelle Projektionsfläche folgerichtig über einander
gelegt werden. Ebenso gut ist es aber auch denkbar, wegen der Flexibilität
der sich daraus ergebenden Möglichkeiten sogar vorzuziehen,
sämtliche in einem virtuellem Raum durchzuführenden
Schritte und Aktionen in einer einzigen Software und damit in einem
einzigen, in dieser Software generierten virtuellen Raum ablaufen
zu lassen. Hier entfällt dann das Erfordernis, virtuelle
Räume aus zwei getrennten Softwaresystemen übereinander
legen und aneinander anpassen zu müssen. Darüber
hinaus entfallen Beschränkungen, die durch eine nur bedingte Übertragbarkeit
von einem virtuellen Raum aus einer Software in einen anderen virtuellem
Raum einer anderen Software gegeben sind.
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Eine
weitere Verbesserung des Verfahrens in der Variante gemäß Anspruch
2 bzw. der Einrichtung in der Variante gemäß Anspruch
8 ergibt sich, wenn im virtuellem Raum die Darstellung des virtuellen
Bildes beschränkt auf die virtuelle Projektionsfläche
geschieht. Auf diese Weise nimmt die wenigstens eine virtuelle Kamera
das virtuelle Bild konturenscharf auf, ohne dass etwa in einem nachfolgenden Prozess
(Warpingprozess) ein zeit- und kostenintensives „Rand-
bzw. Konturzuschneiden" erforderlich wäre. Diese beschänkte
Darstellung kann z. B. auch durch ein virtuelles Ausblenden von
Bereichen aus dem virtuellen Raum geschehen, in denen sich zwar ein
virtuelles Bild befindet/sich virtuelle Objekte befinden, die aber
durch das Ausblenden von der virtuellen Kamera nicht erfasst werden
können.
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Auch
bei dem Verfahren bzw. bei der Einrichtung gemäß Anspruch
2 bzw. gemäß Anspruch 8 kann, insbesondere um
virtuelle Bewegbilder mit 3D-Optik zu gewinnen, bei der Erzeugung
der virtuellen Bilder eine Orthogonalkamera involviert sein. Um 3D-animierte
Bilder zu erhalten, kann gemäß der vorteilhaften
Weiterbildung, wie sie in den Ansprüchen 4 für
das Verfahren bzw. 10 für die Einrichtung angegeben ist,
zunächst eine Szene aus sich in einem dreidimensionalen
virtuellen Raum bewegenden Objekten mit einer Orthogonalkamera auf
eine zweidimensionale Abbildung reduziert werden, wobei diese Abbildung
auf die virtuelle Projektionsfläche übertragen und
dann in der bereits beschriebenen Weise von der virtuellen Kamera,
insbesondere Perspektivkamera, aufgenommen wird.
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Schließlich
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw.
bei der Einrichtung, wenn mehr als ein Projektor zur Projektion
eines aus einzelnen Projektionsteilen zusammengesetzten Gesamtbildes verwendet
wird, ein ansonsten ebenfalls mit hardwaretechnischen Mitteln, d.
h. mit sog. Edge-Blending Einheiten, durchzuführendes Überblenden überlappender
Helligkeitsbereiche auf eine reine Gestaltung im virtuellen Raum
bzw. anhand der darin mittels der Technik der virtuellen Kameras
aufgenommenen Bilder reduziert werden (vergleiche Ansprüche
6 bzw. 12). Mittels eines einfachen Rechenalgorithmus, in dem z.
B. ausgehend von der Winkelhalbierenden des Überlappungsbereiches
Helligkeitsabstufungen bis hin zum äußeren Rand
des Überlappungsbereiches errechnet und direkt bei der
Aufnahme mit den virtuellen Kameras berücksichtigt werden,
können Überblendungseffekte neutralisiert, d.
h. Helligkeitsverläufe in diesem Bereich so angepasst werden, dass
hier im Gesamtbild keine Helligkeitssprünge mehr erkennbar
sind. Durch diese Maßnahme entfallen also nicht nur die
ansonsten bei herkömmlicher Projektionstechnik erforderlichen
Warping-Einheiten, es können auch die sog. „Edge-Blending-Einheiten" fortgelassen
werden, was zu weiteren Kosteneinsparungen aufgrund der nicht benötigten
Hardware sowie aufgrund der nicht mehr erforderlichen Einrichtungszeit
führt. Insbesondere kann in einer solchen rechnerischen Überblendung
pixelgenau gearbeitet werden, was auch bei vergleichs weise großen
Projektionsvergrößerungen die Wahl kleiner Überlappungsflächen
ermöglicht und so die nutzbare Projektionsfläche
pro Projektor vergrößert.
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Bereits
aus den obigen Beschreibungen dürfte klar einleuchten,
dass mit der erfindungsgemäßen Technik eine im
finanziellen sowie im Arbeitsaufwand deutlich verringerte Möglichkeit
gegeben ist, virtuelle Bilder mittels einer prinzipiell beliebigen
Anzahl von Projektoren auf eine insbesondere großflächige,
reale Projektionsfläche unverzerrt zu projizieren.
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Zwar
kann es erforderlich sein, aufgrund der sicherlich nicht vermeidbaren
Abweichungen der realen Projektorpositionen von der rechnerischen
Auslegung und den damit verbundenen Abweichungen zwischen realer
Projektorposition und virtueller Kameraposition Nachjustierungen
vornehmen zu müssen, allerdings können diese in
einfacher Weise durch Umpositionieren der virtuellen Kameras im
virtuellen Raum der entsprechenden Software geschehen, ohne dass
hierfür in aufwendiger Weise ein Zugriff auf den/die real
aufgestellten Projektor(en) erfolgen muss.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten schematischen
Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine
perspektivische Prinzipskizze des virtuellen Raumes mit darin angeordnetem
virtuellen Objekt und virtueller Orthogonalkamera;
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2 eine
perspektivische Prinzipskizze des virtuellen Raumes mit darin in
geometrischer Position der Position eines realen Projektors in einem realen
Raum entsprechend angeordneter virtueller Perspektivkamera und
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3 eine
perspektivische Prinzipskizze des realen Raumes mit der Projektionsfläche
und darauf unverzerrt abgebildeten Projektionsbild des virtuellen
Objektes.
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In
den 1 bis 3 ist schematisch und in drei
perspektivischen Skizzen der Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens in einer möglichen Ausführungsvariante
skizziert. Dabei zeigen die 1 und 2 in
zwei aufeinanderfolgenden Darstellungen des virtuellen Raums 1 die
Geschehnisse in eben diesem virtuellen Raum 1; die 3 zeigt
die Umsetzung im realen Raum 9.
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Die
hier dargestellte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens enthält die Umsetzung der Projektion eines im
virtuellen Raum 1 befindlichen, sich dort ggf. bewegenden,
virtuellen Objektes 2 auf eine reale Projektionsfläche 10 (vgl. 3).
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Dieses
Vorgehen wird hier grob in drei Schritte unterteilt und entsprechend
in den drei 1 bis 3 dargestellt.
In 1 ist gezeigt, wie in dem virtuellen Raum 1 ein
virtuelles Objekt 2 angeordnet ist. Die Abmessungen des
virtuellem Raums 1 sind insbesondere mit der in der Figur
oben gezeigten oberen Begrenzung an die Verhältnisse des
realen Raumes, insbesondere an die Verhältnisse der Projektionsfläche
angepasst, d. h. die Länge und Breite der oberen Decke
des virtuellen Raumes entsprechen der Länge und der Breite
der Projektionsfläche, die in diesem Ausführungsbeispiel
die Decke eines Raumes ist.
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Um
zunächst aus dem virtuellen Objekt 2, welches
in seiner Lage beliebig in dem virtuellen Raum 1 sich befinden
und sich ggf. auch bewegen und dabei um Achsen rotieren und dgl.
kann, eine zweidimensionale Abbildung zu erzeugen, ist eine virtuelle
Orthogonalkamera 3 angeordnet. Diese erzeugt ein Abbild 5,
welches nichts weiter ist als die senkrechte Projektion des virtuellen
Objektes 2 auf eine virtuelle Projektionsfläche.
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In 1 ist
darüber hinaus noch eine virtuelle Blende 4 eingezeichnet,
die eine in dem realen Raum vorhandene geometrische Form, z. B.
einen Mauervorsprung, nachbildet. Diese virtuelle Blende 4 wird
bei der Aufnahme mit der Orthogonalkamera 3 gleichermaßen
zwischen das virtuelle Objekt 2 und die Orthogonalkamera 3 gerechnet,
so dass alle von der virtuellen Blende 4 überdeckten
Bereiche des virtuellen Objektes 2 in der 5 der
virtuellen Orthogonalkamera 3 nicht mit dargestellt werden.
Dies ist hier symbolisiert durch den mit 6 bezeichneten überblendeten
Bereich in der 5 der virtuellen Orthogonalkamera 3.
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In 2 ist
dann die weitere Verarbeitung zur Erzeugung einer Abbildungsvorlage
für den Projektor 11 (vgl. 3) im virtuellen
Raum 1 versinnbildlicht.
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Hier
wird nun die zweidimensionale Abbildung der virtuellen Orthogonalkamera 3 von
einer virtuellen Perspektivkamera 7 betrachtet und aufgezeichnet,
die eine 8 erzeugt.
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Die
virtuelle Perspektivkamera 7 ist nicht nur im virtuellen
Raum 1 entsprechend der Position des realen Projektors 11 im
realen Raum 9 positioniert, sie weist darüber
hinaus Abbildungseigenschaften auf wie der reale Projektor 11.
D. h. hinsichtlich ihrer Brennweite, aber auch ihres Aufnahmefeldes
ist sie analog definiert zu der Brennweite des realen Projektors
und dessen Wiedergabefeld.
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Die
virtuelle Kamera 7 zeichnet eine 8 auf,
die in 2 schematisch dargestellt ist. Diese 8 ist aufgrund der schiefwinkeligen Ausrichtung der
virtuellen Ka mera 7 gegenüber der 5 der Orthogonalkamera 3 (die
virtuelle Perspektivkamera 7 ist nicht lotrecht zu der
Ebene dieser 5 ausgerichtet) verzerrt
mit verschobenen Parallaxen. In der 8 der
virtuellen Perspektivkamera 7 ist der überblendete
Bereich 6' nach wie vor zu erkennen.
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Diese 8 wird nun als Projektionsvorlage dem
real im Raum positionierten Projektor 11 zugeführt,
der auf der realen Projektionsfläche 10 (vgl. 3)
im realen Raum 9 damit ein projiziertes Bild 12 des
virtuellen Objektes 2 abbildet. Durch die gleichermaßen
umgekehrte Wirkung und somit Neutralisierung der verzerrenden Abbildungseigenschaften der
virtuellen Perspektivkamera 7 und des Projektes 11 ist
das projizierte Bild 12 auf der Projektionsfläche 10 unverzerrt.
Die in der 8 der virtuellen Perspektivkamera 7 noch
vorhandenen Verzerrungen und verschobenen Parallaxen werden aufgrund
der schiefwinkeligen Anordnung des Projektors 11 im realen
Raum (auch dieser ist nicht lotrecht zu der Projektionsfläche 10 ausgerichtet)
sozusagen wieder aufgehoben, so dass auf der Projektionsfläche 10 ein unverzerrtes
Bild 12 entsteht, ohne dass es hierzu des Einsatzes von
separaten Warping-Einheiten bedürfte.
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In 3 ist
auch zu erkennen, dass der hier gestrichelt bezeichnete ausgeblendete
Bereich 13 dem überblendeten Bereich 6 bzw. 6' in
den 5 bzw. 8 entspricht,
der letztlich durch die virtuelle Blende 4 erzeugt wurde.
Somit sorgt die virtuelle Blende 4 für eine kantenscharfe
Abgrenzung des Projektionsbildes auf der Projektionsfläche 10,
was ebenfalls ansonsten für eine solche kantenscharfe Einstellung erforderliche
Warping-Einheiten überflüssig macht.
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In
den 1 bis 3 ist das erfindungsgemäße
Verfahren in einem Beispiel anhand eines Projektors 11 und
einer diesen zugeordneten virtuellen Perspektivkamera 7 im
virtuellem Raum 1 erläutert. Selbstverständlich
kann, und dies ist mit der Erfindung auch explizit vorgesehen, wenn
die gesamte Projektionsfläche 10 den Einsatz mehrerer
Projektoren 11 zu Ihrer Abdeckung erforderlich macht, eine entsprechend
große virtuelle Projektionsfläche nachgebildet
und von mehreren virtuellen Perspektivkameras 7 mit überlappenden
Aufnahmeabschnitten aufgenommen werden, die jeweils sowohl in ihrer
geometrischen Anordnung im virtuellem Raum 1 als auch in
ihren Abbildungseigenschaften den zugeordneten realen Projektoren 11 entsprechen.
Hier können dann bei überlappenden Projektionsbereichen der
Projektoren 11 bzw. überlappenden Aufnahmebereichen
der zugeordneten virtuellen Perspektivkameras 7 durch eine
pixelgenau mögliche rechnerische Abstufung der Helligkeit
im Übergangsbereich die sogenannten Edgeblendingeffekte
erzielt werden, ohne dass es hierzu separater Edgeblendingeinheiten
bedürfte.
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Die
vorstehende Schilderung eines Ausführungsbeispiels soll
lediglich der exemplarischen Erläuterung der Erfindung
dienen und den Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden
Ansprüchen wiedergegeben ist, nicht beschränken.
Insbesondere wird ohne weiteres verstanden werden, dass die in den 1 und 2 schematisch
dargestellten Vorgänge in einem virtuellem Raum 1 in
einer Rechnereinheit stattfinden, die Bestandteil einer erfindungsgemäßen
Einrichtung sein kann, wobei die in 1 und 2 aufgeteilt
dargestellten Vorgänge sowohl in unterschiedlichen Softwaresystemen
nacheinander als auch in einem einzigen Softwaresystem durchführbar
sind.
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Ferner
dürfte klar sein, dass das schematisch einzige in den Figuren
dargestellte virtuelle Objekt 2 ebenso gut eine Vielzahl
solcher Objekte symbolisieren kann, die abhängig von den
jeweiligen Erfordernissen im virtuellen Raum stehen oder aber sich
auch bewegen und dabei ggf. überlappen oder voreinander
bzw. hintereinander geraten können. Ebenso gut ist es auch
möglich, nicht virtuelle Objekte, sondern gleich zweidimensionale
filmische Bildfolgen virtuell aufzunehmen, wobei dann die Anordnung einer
Orthogonalkamera 3 zum „Übersetzen" der dreidimensionalen
Strukturen der virtuellen Objekte in eine zweidimensionale Abbildung
nicht erforderlich ist.
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So
ist es mit dem erfindungsgemäßen System insbesondere
möglich, virtuelle Objekte in animierter Form und in Echtzeit
auf eine Projektionsfläche abzubilden, die insbesondere
so groß sein kann, dass sie die Anordnung mehrerer Projektoren
erfordert, ohne dass diese Projektoren allesamt mit ihren optischen
Achsen rechtwinklig zur Projektionsfläche ausgerichtet
sein müssten oder aber aufgrund einer schiefwinkligen Anordnung
Warping-Einheiten erforderlich wären.
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- 1
- virtueller
Raum
- 2
- virtuelles
Objekt
- 3
- virtuelle
Orthogonalkamera
- 4
- virtuelle
Blende
- 5
- Abbildung
der virtuellen Orthogonalkamera
- 6,
6'
- überblendeter
Bereich
- 7
- virtuelle
Perspektivkamera
- 8
- Abbildung
der virtuellen Perspektivkamera
- 9
- realer
Raum
- 10
- Projektionsfläche
- 11
- Projektor
- 12
- projiziertes
Bild
- 13
- ausgeblendeter
Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005055990
A1 [0004]