DE102007049238A1

DE102007049238A1 - Anordnung zur räumlichen Darstellung

Info

Publication number: DE102007049238A1
Application number: DE102007049238A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Phys. Klippstein; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Schwarz
Original assignee: Visumotion GmbH
Current assignee: 3D International Europe GmbH
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur räumlichen Darstellung, umfassend ein Bildwiedergabegerät (1) mit Bildelementen x(i, j) in einem Raster mit Zeilen (i) und Spalten (j), auf welchen Bildteilinformationen aus mindestens n = 2 Ansichten A(k) mit k = 2,..., n sichtbar gemacht werden können, mindestens einen vor dem Bildwiedergabegerät angeordneten Lentikularschirm (3) zur Vorgabe von Lichtausbreitungsrichtungen für das von den Bildelementen x(i, j) abgestrahlte oder transmittierte Licht, ein zwischen dem Bildwiedergabegerät (1) und dem Lentikularschirm (3) angeordnetes optisches Element (2), welches zufällig oder regelmäßig angeordnete optische Strukturen enthält, die sichtbare Frequenzüberlagerungen, insbesondere Moiré-Effekte, zwischen dem Raster mit Zeilen (i) und Spalten (j) und dem Lentikularschirm (3) vermindern, wodurch ein oder mehrere Betrachter von einer Vielzahl von Betrachtungspositionen vor dem Raster aus Bildelementen x(i, j) jeweils mit einem Auge ausschließlich oder überwiegend eine erste Auswahl aus den Ansichten A(k) und mit dem anderen Auge ausschließlich oder überwiegend eine zweite Auswahl aus den Ansichten A(k) sieht, so daß ein räumlicher Seheindruck entsteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der räumlichen Darstellung, insbesondere auf die räumliche Darstellung einer Szene ohne Hilfsmittel wie 3D-Brillen.
Seit geraumer Zeit existieren Ansätze zu dem vorgenannten Fachgebiet. Ein Pionier auf diesem Gebiet war Frederic Ives, der in der Schrift GB 190418672 A ein System mit einem „Linienschirm" zur 3D-Darstellung vorstellte.
Länge Zeit gelang jedoch keine umfassende Verbreitung von autostereoskopischen Systemen. Erst in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts konnte auf Grund der nunmehr zur Verfügung stehenden Rechenleistung und neuartigen Displaytechnologien eine gewisse Renaissance der 3D-Systeme einsetzen. In den 90er Jahren schnellte die Anzahl von Patentanmeldungen und Veröffentlichungen zu brillenfreien 3D-Visualisierungen förmlich in die Höhe. Herausragende Ergebnisse wurden erzielt von den folgenden Erfindern bzw. Anbietern:
In der JP 8-331605 AA beschreiben Masutani Takeshi et al. (Sanyo) eine Stufenbarriere, bei der ein transparentes Barriereelement in etwa die Abmaße eines Farbsubpixels (R, G oder B) aufweist. Mit dieser Technik war es erstmals möglich, den bei den meisten autostereoskopischen Systemen auf Grund der Darstellung gleichzeitig mehrerer Ansichten (mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei Ansichten) auftretenden Auflösungsverlust in der horizontalen Richtung teilweise auch auf die vertikale Richtung umzulegen. Nachteilig ist hier wie bei allen Barriereverfahren der hohe Lichtverlust. Außerdem verändert sich der Stereokontrast bei seitlicher Bewegung des Betrachters von nahezu 100% auf etwa 50% und dann wieder ansteigend auf 100%, was eine im Betrachtungsraum schwankende 3D-Bildqualität zur Folge hat.
Pierre Allio gelang mit der Lehre nach den US 5,808,599 A , US 5,936,607 A und WO 00/10332 A1 eine beachtenswerte Weiterentwicklung der Lentikulartechnologie, wobei auch er eine subpixelbasierte Ansichtenaufteilung nutzt.
Ein weiteres herausragendes Ergebnis wurde von Cees van Berkel mit der EP 791 847 A1 zum Patent angemeldet. Dabei liegen gegenüber der Vertikalen geneigte Lentikularlinsen über einem Display, das ebenso verschiedene Perspektivansichten zeigt, wobei in vielen Ausgestaltungen mehr oder weniger störende Moiré-Effekte entstehen. Charakteristisch werden hier n Ansichten auf mindestens zwei Bildschirmzeilen aufgeteilt, so dass wiederum der Auflösungsverlust von der Horizontalen teilweise auf die Vertikale umgelegt wird.
Lentikularlinsen lassen sich jedoch nur aufwendig herstellen und der Produktionsprozess für ein darauf basierendes 3D-Display ist nicht trivial.
Gleich mehrere Meilensteine für die Autostereoskopie begründete Jesse Eichenlaub mit den Schriften US 6,157,424 A und WO 02/35277 A1 sowie etlichen weiteren Erfindungen, die jedoch nahezu alle 3D-Systeme für nur einen Betrachter darstellen und/oder oftmals nicht zu akzeptablen Kosten herstellbar sind.
Mit der DE 10 003 326 C2 gelang Armin Grasnick et al. eine Weiterentwicklung der Barrieretechnologie in Bezug auf zweidimensional strukturierte wellenlängenselektive Filterarrays zur Erzeugung eines 3D-Eindrucks. Nachteilig ist jedoch auch hier die gegenüber einem 2D-Display stark verminderte Helligkeit derartiger 3D-Systeme.
Armin Schwerdtner gelang mit der WO 2005/027534 A2 ein neuartiger technologischer Ansatz für eine in allen (in der Regel zwei) Ansichten vollauflösende 3D-Darstellung. Allerdings ist dieser Ansatz mit hohem Justageaufwand verbunden und für größere Bildschirmdiagonalen (ab etwa 25 Zoll) nur extrem schwer implementierbar.
Die GB 739665 beschreibt die Verminderung von Moiré-Effekten bei normalen 2D-Farbdrucken durch die Anwendung bestimmter regulärer Muster von Elementardeformationen. Diese Lehre ist jedoch nicht ohne weiteres für eine räumliche Darstellung zu übernehmen.
Gemäß der US 2003/011884 schlägt Van Berkel zu Abschaltung der Lentikularwirkung bei einem 3D-Display eine bewegliche Streuscheibe vor. Diese wird hier lediglich zur Umschaltung zwischen einem vollauflösenden 2D- und einem in der Auflösung reduzierten 3D-Modus gebraucht. Eine Verminderung von Moiré-Effekten kann mit dieser Ausgestaltung nicht erzielt werden, wenn die Anordnung im 3D-Modus ist.
Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur räumlichen Darstellung auf Basis von Lentikularschirmen aufzuzeigen, bei welcher unansehnliche Moiré-Effekte, also sichtbare Frequenzüberlagerungen, vermindert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene, umfassend

– ein Bildwiedergabegerät mit Bildelementen x(i, j) in einem Raster mit Zeilen i und Spalten j, auf welchen Bildteilinformationen aus mindestens n = 2 Ansichten A(k) mit k = 2, ..., n sichtbar gemacht werden können,
– mindestens einen in Betrachtungsrichtung vor dem Bildwiedergabegerät angeordneten Lentikularschirm zur Vorgabe von Lichtausbreitungsrichtungen für das von den Bildelementen x(i, j) abgestrahlte oder transmittierte Licht,
– ein zwischen dem Bildwiedergabegerät und dem Lentikularschirm angeordnetes optisches Element, welches zufällig order regelmäßig angeordnete optische Strukturen enthält, die sichtbare Frequenzüberlagerungen, insbesondere Moiré-Effekte, zwischen dem Raster mit Zeilen i und Spalten j und dem Lentikularschirm vermindern,
– wodurch ein oder mehrere Betrachter von einer Vielzahl von Betrachtungspositionen vor dem Raster aus Bildelementen x(i, j) jeweils mit einem Auge ausschließlich oder überwiegend eine erste Auswahl aus den Ansichten A(k) und mit dem anderen Auge ausschließlich oder überwiegend eine zweite Auswahl aus den Ansichten A(k) sieht, so daß ein räumlicher Seheindruck entsteht.

Eine Auswahl aus den Ansichten A(k) kann z. B. eine Ansicht oder aber mehrere Ansichten umfassen. So ist es beispielweise möglich, daß ein Betrachterauge überwiegend oder ausschließlich die erste Ansicht und das zweite Betrachterauge überwiegend oder ausschließlich die zweite Ansicht sieht.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das optische Element eine Streuscheibe mit zufällig angeordneten optischen Strukturen, bevorzugt in Form von lichtstreuenden matten Abschnitten. Es ist aber auch möglich, daß das optische Element ein zweidimensionales Filterarray ist, welches zufällig oder regelmäßig angeordnete optische Strukturen in Form von transparenten, farbigen, neutralen oder opaken Filterelementen mit polygonförmigen Umrissen enthält.
In einer besonders bevorzugten Form ist jedoch das optische Element ein zweidimensionales Filterarray, welches regelmäßig oder zufällig angeordnete optische Strukturen in Form von transparenten und opaken Filterelementen mit polygonförmigen Umrissen enthält. Dabei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn daß jedes opake Filterelement eine kleinere Fläche hat als das Bildelement x(i, j) mit der geringsten Flächenausdehnung. Dann nämlich sorgen die verhältnismäßig kleinen opaken Filterelemente dafür, daß visuelle Schwebungsfrequenzen, die bedingt sind durch die Überlagerung des Rasters aus Bildelementen x(i, j) mit dem Raster des Lentikularschirms, nicht in voll sichtbarer Form entstehen, weil zusätzliche Frequenzen durch die Anordnung der kleinen opaken Filterelemente hervorgerufen werden. Weil die opaken Filterelemente in dieser Variante sehr klein gehalten sind, ist auch der Lichtverlust sehr gering.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein photographischer Film mit der Struktur der Filterelemente belichtet und entwickelt und hernach auf den Lentikularschirm auf laminiert.
Die Zuordnung der Bildteilinformationen verschiedener Ansichten A(k) zu den Bildelementen x(i, j) erfolgt vorzugsweise in einem zweidimensionalen periodischen Muster. Weiterhin entsprechen die Bildelemente x(i, j) Farbsubpixeln (R, G oder B) oder Clustern von Farbsubpixeln (z. B. RG oder GB) oder Vollfarbpixeln.
Überdies ist es sinnvoll, wenn das Bildwiedergabegerät ein Farb-LCD-Bildschirm, ein Plasma-Display, ein Projektionsschirm, ein LED-basierter Bildschirm, ein SED-Bildschirm oder ein VFD-Bildschirm ist. Andere Ausgestaltungen sind möglich.
Vorteilhaft enthält der Lentikularschirm Mittel zur Verminderung von Störlichtreflexen, bevorzugt mindestens eine interferenzoptische Entspiegelungsschicht. Varianten mit leicht mattierten Oberflächen sind denkbar, wobei natürlich der räumliche Eindruck nicht durch die Streueffekte verhindert werden darf.
Der Lentikularschirm ist in der Regel, aber nicht unbedingt in jedem Fall, dauerhaft an dem Bildwiedergabegerät angebracht, bevorzugt durch eine Klebeverbindung.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
1 nicht maßstäblich die Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung zur räumlichen Darstellung,
2 eine Prinzipskizze zu Moiré-Effekten bei der Überlagerung von roten Subpixelspalten mit schräggestellten Lentikularen, sowie
3 ein beispielhaftes Muster für ein optisches Element zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Anordnung.
In 1 ist also die Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung zur räumlichen Darstellung gezeigt. Diese umfaßt:

– ein Bildwiedergabegerät 1 mit Bildelementen x(i, j) in einem Raster mit Zeilen i und Spalten j, auf welchen Bildteilinformationen aus mindestens n = 2 Ansichten A(k) mit k = 2, ..., n sichtbar gemacht werden können,
– einen in Betrachtungsrichtung eines Betrachters 4 vor dem Bildwiedergabegerät 1 angeordneten Lentikularschirm 3 zur Vorgabe von Lichtausbreitungsrichtungen für das von den Bildelementen x(i, j) abgestrahlte oder transmittierte Licht,
– ein zwischen dem Bildwiedergabegerät 1 und dem Lentikularschirm 3 angeordnetes optisches Element 2, welches zufällig order regelmäßig angeordnete optische Strukturen enthält, die sichtbare Frequenzüberlagerungen, insbesondere Moiré-Effekte, zwischen dem Raster mit Zeilen i und Spalten j und dem Lentikularschirm 3 vermindern,
– wodurch ein oder mehrere Betrachter 4 von einer Vielzahl von Betrachtungspositionen vor dem Raster aus Bildelementen x(i, j) jeweils mit einem Auge ausschließlich oder überwiegend eine erste Auswahl aus den Ansichten A(k) und mit dem anderen Auge ausschließlich oder überwiegend eine zweite Auswahl aus den Ansichten A(k) sieht, so daß ein räumlicher Seheindruck entsteht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Element 2 ein zweidimensionales Filterarray, welches regelmäßig oder zufällig angeordnete optische Strukturen in Form von transparenten und opaken Filterelementen mit polygonförmigen Umrissen enthält, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist. Die schwarzen Dreiecke entsprechen zufällig angeordneten opaken Filterelementen, die von für das sichtbare Licht im wesentlichen transparenten Filterelementen umgeben sind. Dabei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn daß jedes opake Filterelement eine kleinere Fläche hat als das Bildelement x(i, j) mit der geringsten Flächenausdehnung. Dann nämlich sorgen die verhältnismäßig kleinen opaken Filterelemente dafür, daß visuelle Schwebungsfrequenzen („Moiré-Effekte"), die bedingt sind durch die Überlagerung des Rasters aus Bildelementen x(i, j) mit dem Raster des Lentikularschirms 3, nicht in eklatant sichtbarer Form entstehen, weil zusätzliche Frequenzen durch die Anordnung der kleinen opaken Filterelemente hervorgerufen werden.
Zur Entstehung von Moiré-Effekten sei au 2 verwiesen. Hier stehen die roten Subpixelspalten R in einem Winkel zu der Hauptausbreitungsrichtung der Lentikularlinsen des Lentikularschirms 3, die durch die geneigten dünnen Striche angedeutet sind. Typischerweise kann dabei ein sichtbares Moiré-Muster durch Schwebungsfrequenzen entstehen, welches sich senkrecht auf der Mittelsenkrechten der Winkelhalbierenden zwischen der besagten Hauptausbreitungsrichtung der Lentikularlinsen und der Vertikalen (d. h. der Hauptausbreitungsrichtung der roten Subpixelspalten R) ausbreitet.
Weil die opaken Filterelemente in dieser Variante sehr klein gehalten sind, ist auch der Lichtverlust sehr gering.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein photographischer Film mit der Struktur der Filterelemente als optisches Element 2 belichtet und entwickelt und hernach auf den Lentikularschirm 3 auflaminiert, bevorzugt auf dessen plane Seite.
Die Zuordnung der Bildteilinformationen verschiedener Ansichten A(k) zu den Bildelementen x(i, j) erfolgt vorzugsweise in einem zweidimensionalen periodischen Muster. Weiterhin entsprechen die Bildelemente x(i, j) Farbsubpixeln (R, G oder B) oder Clustern von Farbsubpixeln (z. B. RG oder GB) oder Vollfarbpixeln.
Überdies ist es sinnvoll, wenn das Bildwiedergabegerät 1 ein Farb-LCD-Bildschirm, ein Plasma-Display, ein Projektionsschirm, ein LED-basierter Bildschirm, ein SED-Bildschirm oder ein VFD-Bildschirm ist. Andere Ausgestaltungen sind möglich.
Vorteilhaft enthält der Lentikularschirm 3 Mittel zur Verminderung von Störlichtreflexen, bevorzugt mindestens eine interferenzoptische Entspiegelungsschicht. Varianten mit leicht mattierten Oberflächen sind denkbar, wobei natürlich der räumliche Eindruck nicht durch die Streueffekte verhindert werden darf.
Der Lentikularschirm 3 ist in der Regel, aber nicht unbedingt in jedem Fall, dauerhaft an dem Bildwiedergabegerät 1 angebracht, bevorzugt durch eine Klebeverbindung.
Die Erfindung findet vorteilhaft Anwendung für 3D-Monitore im Bereich Forschung & Entwicklung, 3D-Spiele und 3D-Werbung.
Die Vorteile der Erfindung sind vielseitig. Insbesondere ist es möglich einen Qualitätsgewinn bei der räumlichen Darstellung und ausgestaltungsabhängig sogar eine gewisse Kontraststeigerung zu erzielen. Unangenehme Moiré-Effekte werden minimiert.
Die Erfindung kann überdies mit verhältnismäßig einfachen Mitteln realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 190418672 A [0002]
- JP 8-331605 AA [0003]
- US 5808599 A [0004]
- US 5936607 A [0004]
- WO 00/10332 A1 [0004]
- EP 791847 A1 [0005]
- US 6157424 A [0007]
- WO 02/35277 A1 [0007]
- DE 10003326 C2 [0008]
- WO 2005/027534 A2 [0009]
- GB 739665 [0010]
- US 2003/011884 [0011]

Claims

Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene, umfassend – ein Bildwiedergabegerät (1) mit Bildelementen x(i, j) in einem Raster (1) mit Zeilen (i) und Spalten (j), auf welchen Bildteilinformationen aus mindestens n = 2 Ansichten A(k) mit k = 2, ..., n sichtbar gemacht werden können, – mindestens einen in Betrachtungsrichtung vor dem Bildwiedergabegerät (1) angeordneten Lentikularschirm (3) zur Vorgabe von Lichtausbreitungsrichtungen für das von den Bildelementen x(i, j) abgestrahlte oder transmittierte Licht, – ein zwischen dem Bildwiedergabegerät (1) und dem Lentikularschirm (3) angeordnetes optisches Element (2), welches zufällig order regelmäßig angeordnete optische Strukturen enthält, die sichtbare Frequenzüberlagerungen, insbesondere Moiré-Effekte, zwischen dem Raster (1) mit Zeilen (i) und Spalten (j) und dem Lentikularschirm (3) vermindern, – wodurch ein oder mehrere Betrachter (4) von einer Vielzahl von Betrachtungspositionen vor dem Raster aus Bildelementen x(i, j) jeweils mit einem Auge ausschließlich oder überwiegend eine erste Auswahl aus den Ansichten A(k) und mit dem anderen Auge ausschließlich oder überwiegend eine zweite Auswahl aus den Ansichten A(k) sieht, so daß ein räumlicher Seheindruck entsteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) eine Streuscheibe mit zufällig angeordneten optischen Strukturen, bevorzugt in Form von lichtstreuenden matten Abschnitten, ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) ein zweidimensionales Filterarray ist, welches zufällig oder regelmäßig angeordnete optische Strukturen in Form von transparenten, farbigen, neutralen oder opaken Filterelementen mit polygonförmigen Umrissen enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) ein zweidimensionales Filterarray ist, welches regelmäßig oder zufällig angeordnete optische Strukturen in Form von transparenten und opaken Filterelementen mit polygonförmigen Umrissen enthält.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes opake Filterelement eine kleinere Fläche hat als das Bildelement x(i, j) mit der geringsten Flächenausdehnung.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung der Bildteilinformationen verschiedener Ansichten A(k) zu den Bildelementen x(i, j) in einem zweidimensionalen periodischen Muster erfolgt.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildelemente x(i, j) Farbsubpixeln (R, G oder B) oder Clustern von Farbsubpixeln (z. B. RG oder GB) oder Vollfarbpixeln entsprechen.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildwiedergabegerät (1) ein Farb-LCD-Bildschirm, ein Plasma-Display, ein Projektionsschirm, ein LED-basierter Bildschirm, ein SED-Bildschirm oder ein VFD-Bildschirm ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lentikularschirm (3) Mittel zur Verminderung von Störlichtreflexen, bevorzugt mindestens eine interferenzoptische Entspiegelungsschicht, enthält.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lentikularschirm (3) dauerhaft an dem Bildwiedergabegerät angebracht ist, bevorzugt durch eine Klebeverbindung.