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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Abbildungskorrektur eines Projektors für digitalisierte Bilder, wobei der Projektor eine Kamera zur Aufnahme des projizierten Bildes aufweist und ein dazu korrespondierender Projektor.
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Zur Projektion eines digitalisierten Bildes auf eine beliebige Projektionsfläche ist es bekannt, das Bild einer kleinen Flüssigkristall-Einheit über eine Vergrößerungsoptik zu projizieren. Projektoren mit dieser Technik arbeiten nach dem Durchlichtverfahren, bei welchem eine kleine transparente Flüssigkristallscheibe mit einer Vielzahl von transparenten, farblich veränderbaren Bildpunkten von Weißlicht durchleuchtet wird. Das Bild der kleinen, zu projizierenden Flüssigkristall-Einheit ist dabei veränderlich und wird wie in einem Diaprojektor auf die Projektionsleinwand geworfen.
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Zur Projektion eines digitalisierten Bildes ist es auch bekannt, das Bild über eine Spiegelmatrix zu erzeugen, wobei jedem einzelnen, zu projizierenden Bildpunkt ein individueller Spiegel zugeordnet ist. Das Bild der mikroskopisch kleinen Spiegelmatrix mit in ihrer Ausrichtung individuell ansteuerbaren kleinen Spiegeln wird nacheinander über die Reflexion von rotem, grünem und blauem Licht erzeugt.
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Für eine abbildungsscharfe Projektion ist einerseits notwendig, die Entfernung zwischen der Projektionsoptik und der Leinwand bei der Einstellung der Projektionsoptik zu berücksichtigen. Damit das projizierte Bild auch verzerrungsfrei auf der Projektionsfläche abgebildet wird, ist es andererseits notwendig, dass die Geometrie der Projektionsfläche und die Projektionsoptik des Projektors aufeinander abgestimmt sind.
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Im tatsächlichen Einsatz von Projektoren ist es häufig notwendig, dass der Projektor in Bezug auf die Projektionsfläche so positioniert werden muss, dass eine Zentralprojektion entlang einer auf der Projektionsfläche senkrecht stehenden Projektionsachse nicht möglich ist. In der Regel wird als Standort des Projektors eine unter der Raumdecke vorhandene kleine Projektionsbühne gewählt oder der Projektor wird seitlich neben einer vor der Projektionsfläche vorhandenen Bestuhlung aufgestellt. Für mobile Projektoren, wie beispielsweise Projektoren für Mobiltelefone ergibt sich häufig das Problem, dass als Projektionsfläche eine unebene Wand oder gar eine unebene Straßenoberfläche verwendet wird. Dazu ist die Position des Mobiltelefones selten so, dass eine Projektion entlang einer auf der Projektionsfläche senkrecht stehenden Projektionsachse überhaupt möglich ist.
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In den meisten Fällen projiziert der Projektor aus Richtung des Projektors gesehen auf eine schiefe Leinwand oder anders herum, der Projektor ist in Bezug auf die Leinwand nicht mittig und nicht lotrecht ausgerichtet. Die Platzierungsproblematik macht daher eine Abbildungskorrektur zur Korrektur von Abbildungsfehlern notwendig.
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Typische Abbildungsfehler sind bei nicht hinreichend eingestellter Optik die chromatische Aberration, die ursächlich ist für ein geringfügig unterschiedliches Bild für verschiedene Farben. Dieser Fehler ist auf die Dispersion des verwendeten Glases der Projektionsoptik zurückzuführen und bei nicht optimal eingestellter Optik macht sich dieser Fehler bemerkbar durch farbige Regenbogenstreifen an kontraststarken Bildübergängen.
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Ein weiterer Fehler ist die sogenannte Verzeichnung, bei der ein Bild in Form eines horizontal liegenden Vierecks zu einer ausgewölbten Tonne oder – invers dazu – zu einem Kissen mit ausgezogenen Ecken verzerrt wird. Das zu projizierende zweidimensionale Bild erscheint für einen Betrachter dreidimensional eingefallen oder ausgeweitet zu sein.
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Durch die schräge Anordnung der Bildebene des Projektors und der Projektionsebene entstehen Trapezeffekte, bei dem ein projiziertes Viereck bei der Projektion auf die Projektionsebene zu einem Trapez verzerrt wird. Kommt schließlich noch eine gewölbte oder nicht ebene Projektionsebene zum Einsatz, so erfährt das projizierte Bild eine dazu korrespondierende Verzerrung.
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Schließlich ist es auch möglich, dass die Projektionsfläche nicht eben ist. Der dadurch entstehende Projektionsfehler kann durch eine berechnete Korrektur der Bildgeometrie im Bild selbst kompensiert werden. Dabei wird das zu projizierende Bild invers zur nicht ebenen Projektionsfläche über einen Rechenalgorithmus verzerrt.
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Sofern die Geometrie und die relative Lage der Projektionsebene bekannt sind, ist die Korrektur des Bildes durch bekannte Maßnahmen durchführbar. Schwierig ist es jedoch, die Geometrie und die Lage der Projektionsfläche automatisch zu erfassen.
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Um einen Projektor optimal für seinen Einsatz einzustellen, ist in der Regel – je nach Abhängigkeit der räumlichen Gegebenheiten – ein nicht unerheblicher manueller Zeitaufwand notwendig, um den Projektor nutzen zu können. Gerade für mobile Einsätze von Projektoren, beispielsweise für schnelle aufbauten bei Verkaufspräsentationen oder bei plötzlichen Ereignissen, die projiziert werden sollen, ist der Zeitaufwand zum Einstellen nicht akzeptabel. Auch ist zur optimalen Einstellung eine gewisse Übung notwendig, über die nicht jeder verfügt.
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In der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 010 814.1 wird ein Verfahren zur automatischen Abbildungskorrektur von Projektoren offenbart, bei welchem ein Bild, das unter Normalbedingungen aufgenommen worden ist, mit der tatsächlichen Abbildung dieses Bildes verglichen wird. Als Bild, das unter Normalbedingungen aufgenommen worden ist, dient in der Regel ein Bild mit geometrischen Figuren oder ein Bild mit sehr markanten Bildinhalten, das ähnlich wie ein Testbild als Referenzbild verwendet wird und anhand dessen die Bildverzerrung ermittelt werden kann. Das Normalbild wird sehr kurz und für den Beobachter kaum bis gar nicht merklich in das zu projizierende Bild eingeblendet und eine Regelschleife ändert anhand von automatisierten rechnerischen Algorithmen Abbildungsparameter wie die Linsenstellung, die Chipstellung in Bezug auf die Lotrechte, den Abstand verschiedener Linsen zueinander und den Bildabstand von einer gedachten Linsenebene. Dieses Verfahren funktioniert zuverlässig. Sofern das Verfahren aber während einer Vorführung verwendet wird, so erzeugt das kurzzeitige Einblenden von Normbildern eine subjektiv als Flackern empfundene Bildstörung.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur automatischen Abbildungskorrektur zur Verfügung zu stellen, welches im Betrieb vom Betrachter unbemerkt stattfinden kann.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Verfahrensanspruch 1 angegeben. In den Sachansprüchen 4 bis 7 wird ein zum erfindungsgemäßen Verfahren korrespondierender Projektor unter Schutz gestellt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Projizieren des Bildes auf eine Projektionsfläche unbekannter Ausrichtung und Geometrie, zeitgleiches Aufnehmen des projizierten Bildes mit einer Kamera, die gegenüber der Projektionsachse seitlich versetzt ist, und dadurch gegenüber der Projektion des Bildes bei der Aufnahme einen Parallaxenfehler erzeugt, und/oder einen anderen Öffnungswinkel aufweist als der Projektor (P), und dadurch einen anderen Verzeichnungsfehler als der Projektor (P) aufweist, Identifizieren von markanten Bildinhalten im aufgenommenen Bild, wobei die markanten Bildinhalte als Stützpunkte zur Ermittlung zweidimensionaler Positionsinformationen der markanten Bildinhalte dienen, Vergleichen der Istposition der markanten Bildinhalte im Bild der Kamera mit den Sollpositionen der markanten Bildinhalte im Bild des Projektors, Verändern der Projektionseigenschaften des Projektors (P) bis aktuell ermittelte, zweidimensionale Positionsinformationen auf eine ab-bildungsfehlerfreie Projektion des Projektors schließen lassen.
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Der Wesentliche Gedanke der Erfindung liegt darin, dass die Bildebene im Inneren des Projektors und die Bildebene im Inneren der Kamera trotz ihrer unterschiedlichen Funktion ähnlich wie ein Stereopaar einer räumlich aufgelösten Kamera behandelt werden können. Anders als bei einer räumlich auflösenden Kamera mit zwei um einen definierten Abstand versetzten Bildebenen und damit einhergehenden geringfügig unterschiedlichen Bildinhalten ist der Bildinhalt der inneren Bildebene des Projektors mit der inneren Bildebene der Kamera über die Projektion des zweidimensionalen Bildes miteinander gekoppelt. Durch den Parallaxenfehler und/oder durch den unterschiedlichen Verzeichnungsfehler der beiden Optiken lässt sich die Lage, die Ausrichtung und auch die Geometrie der Projektionsfläche ermitteln. Sind die Lage, die Ausrichtung und auch die Geometrie der Projektionsfläche bekannt, so ist die Projektionskorrektur durch bekannte Maßnahmen durchführbar.
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Eine Stereokamera erlaubt bei einer unterstellten scharfen Fokussierung aus der relativen Lageveränderung ein und desselben Bildinhaltes zwischen beiden Bildebenen des Stereopaars die räumliche Distanz des Bildinhaltes von der Kameraposition zu berechnen. Dabei ist der mögliche erfassbare, räumliche Abstand und die mögliche erfassbare, räumliche Tiefe der Bildinformationen bei der Stereokamera innerhalb eines bestimmten Bereiches begrenzt, wenn die beiden Kameraebenen des Stereopaares ihre Ausrichtung nicht ändern. Die Bildinformationen beider Kameraebenen haben eine gleiche Gewichtung bei der Berechnung des tatsächlichen räumlichen Abstands des die Bildinformation erzeugenden Objektes.
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Bei dem Projektor-Kamerapaar funktioniert die Bestimmung der räumlichen Ausrichtung der Projektionsebene geringfügig anders. Zu unterscheiden ist zwischen den Effekten des bewusst erzeugten Parallaxenfehlers und des bewusst erzeugten Verzeichnungsunterschiedes bei unterschiedlichen Öffnungswinkeln zwischen Projektionsoptik und Kameraoptik. Beide Effekte können alternativ oder auch kumulativ zur Berechnung der idealen Projektionsparameter des Projektors verwendet werden. Die Funktionsweise wird in der Figurenbeschreibung im Detail erklärt.
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Bei der Bestimmung der idealen Projektionsparameter ist ein geringfügiger Fehler hinzunehmen, der entweder außerhalb der Korrekturfähigkeit des Projektors liegt oder der außerhalb der Auflösung der verwendeten Kamera liegt. Als Grenze für die Korrekturwürdigkeit hat sich ergeben, dass eine Regelschleife vorteilhafter Weise dann unterbrochen oder gestoppt wird, wenn der RMS-Fehler (Root Mean Square) als Toleranzwert zwischen den aktuell ermittelten, zweidimensionalen Positionsinformationen als Sollgröße und den berechneten, zweidimensionalen Positionsinformationen als Führungsgröße geringer ist als 5% der Bilddiagonale. Bei diesem Wert wird ein Abbildungsfehler vom Menschen subjektiv nicht mehr wahrgenommen oder durch die Bildkorrektur im menschlichen Sehapparat subjektiv als Akzeptabel empfunden. Unterschreitet der beschriebene RMS-Fehler 2% der Bilddiagonale, so kann von einer idealen Korrektur des Bildes ausgegangen werden, da der menschliche Sehapparat Verzeichnungsfehler in dieser geringen Größenordnung nicht mehr wahrnehmen kann.
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Die verschiedenen Abbildungsfehler, nämlich die chromatische Aberration und die Abbildungsschärfe als Abbildungsfehler, die tonnen- oder kissenförmige Verzerrung und die trapezartige Verzerrung als Projektionsfehler, können über optische Maßnahmen oder durch Veränderung der Stellung der inneren Bildebene des Projektors im Verhältnis zur Projektionsebene korrigiert werden. Andere Verzerrungen, wie beispielsweise Verzerrungen durch eine gekrümmte Leinwand oder nicht-ebene Leinwand können durch eine rechnerische Verzerrung des Bildinhaltes korrigiert werden. In Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass eine chromatische Aberration und ein Verzeichnungsfehler durch Variation der Linsenstellung in der Projektionsoptik korrigiert werden und dass andere Abbildungsverzerrungen durch korrespondierende inverse digitale Verzerrungen des zu projizierenden Bildes vorgenommen werden.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass selbst Projektionsfehler durch korrespondierende inverse digitale Verzerrungen des zu projizierenden Bildes vorgenommen werden. Die Korrektur des Projektionsfehlers über das projizierende Bild statt über die Optik ermöglicht einen Verzicht auf eine Mechanik zur Verstellung der Optik. Wenngleich das Korrekturergebnis dadurch ein etwas geringer aufgelöstes Bild erzeugt als es mit einer mechanisch verstellbaren Optik möglich ist, ist der Vorteil der eingesparten Optomechanik sehr erheblich und ermöglicht, dass in sehr kleinen Mobiltelefonen eine korrigierende Projektionsanordnung überhaupt einsetzbar ist.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Projektor zur Projektion von digitalisierten Bildern auf eine Projektionswand vorgeschlagen, aufweisend eine Kamera zur Aufnahme des projizierten Bildes und eine Regelvorrichtung, welche das projizierte Bild anhand des Vergleiches von zweidimensionalen Positionsinformationen aus einem aufgenommenen, projizierten Bild mit zweidimensionalen Positionsinformationen eines berechneten Bildes solange variiert, bis die zweidimensionalen Positionsinformationen aus dem aufgenommenen, projizierten Bildes mit den zweidimensionalen Positionsinformationen des berechneten Bildes im Bereich eines vorgewählten Toleranzintervalls identisch ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine elektrisch verstellbare Projektionsoptik vorhanden ist zur Korrektur des Verzeichnungsfehlers, zur Korrektur der Abbildungsschärfe und zur Korrektur der chromatischen Aberration.
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Kumulativ oder Alternativ dazu ist vorgesehen, dass ein digitaler Signalprozessor das zu projizierende Bild über eine durch die Regelvorrichtung variierbare Abbildungsfunktion verzerrt indem einzelne Bildpunkte im digitalen Bild örtlich verschoben werden. Damit die durch den digitalen Signalprozessor entzerrten Bilder möglichst natürlich aussehen und keine Bildbereiche auf einer nicht ebenen Leinwand mit stark unterschiedlicher Bildauflösung aufweisen, ist vorgesehen, dass die innere Bildebene des Projektors eine mindestens um Faktor 2 höhere Auflösung aufweist, als es dem zu projizierenden Bild entspricht.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1.1 ein erstes verzerrungsfreies Gitternetz,
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1.2 ein trapezoid projiziertes Gitternetz,
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2.1 ein zweites verzerrungsfreies Gitternetz,
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2.2 ein tonnenförmig verzeichnetes und trapezoid projiziertes Gitternetz,
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3 ein Projektor und Kamera mit gemeinsamer Optik,
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4 ein Projektor-Kamera-Paar,
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5.1 ein drittes Gitternetz, projiziert auf einen Vorsprung,
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5.2 ein tonnenförmig verzeichnetes Gitternetz, rücktransformiert vom Vorsprung
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6 Szene einer typischen Projektionssituation,
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7 Szene der typischen Projektionssituation mit invers verzerrtem Bild.
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In 1.1 ist ein rechtwinkliges Gitternetz 1 zur Charakterisierung der verschiedenen Bilder auf der inneren Bildebene eines Projektors P und in der inneren Bildebene einer Kamera K dargestellt. Das Gitternetz 1 repräsentiert das verzerrungsfreie Bild auf der inneren Bildebene des Projektors P. Wird dieses Gitternetz 1 auf eine nicht zur Projektionsachse A senkrechte Ebene W projiziert, 3, so entsteht ein trapezoider Projektionsfehler, der durch das trapezoid verzeichnete Gitternetz 2 in 1.2 dargestellt ist. Würde dieses trapezoid verzeichnete Gitternetz 2 aus der identischen Perspektive der Projektors P aufgenommen werden, wie beispielsweise durch eine Anordnung mit einem halbdurchlässigen Spiegel H gemäß 3, so würde das trapezoid verzeichnete Gitternetz 2 auf der inneren Bildebene der Kamera K ein verzeichnungsfreies Abbild des Gitternetzes 1 der inneren Bildebene des Projektors P erzeugen. Die hin- und Rücktransformation gleichen sich aus. Dabei ist das Gitternetz 1 bei der Projektion auf eine Ebene W trapezoid verzeichnet gemäß Gitternetz 2 und bei der Rückprojektion dieses trapezoid verzeichneten Gitternetze 2 auf die innere Bildebene der Kamera K wird dieses wider entzerrt und auf der inneren Bildebene der Kamera K verzeichnungsfrei abgebildet. Kamera K und Projektor P in 3 haben durch das Zentrum der gemeinsamen Kameraoptik und Projektionsoptik L eine identische Perspektive.
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Sofern sich die Perspektive zwischen Kamera K und Projektor P nicht ändert, ändert sich auch der Bildinhalt nicht, unabhängig von der gewählten Brennweite oder dem gewählten Öffnungswinkel der eingesetzten Kamera K. Eine Kamera K, die aus der identischen Perspektive wie der Projektor P verhält sich wie einäugiges Sehen. Eine räumliche Auflösung der Projektionsfläche ist so nicht möglich. Um die räumliche Lage der zur Projektion genutzten Ebene W zu erfassen, ist daher vorgesehen, die Kamera K neben dem Projektor P anzuordnen, wie es in 4 dargestellt ist. Dadurch entsteht ein Parallaxenfehler aus der Parallaxe Px zwischen dem inneren Bild des Projektors P und dem inneren Bild der Kamera K. Sofern der Parallaxenfehler groß genug ist, dass dieser eine sichere räumliche Erfassung der räumlichen Lage der als Projektionsfläche genutzten Ebene W erlaubt, kann alleine aus der Parallaxe Px die Entfernung eines jeden einzelnen Punktes des projizierten Bildes auf die als Projektionsfläche genutzten Ebene W erfasst werden. Mit diesen räumlichen Daten ist eine vollständige Bildkorrektur möglich.
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Die sichere Erfassung der räumlichen Abstände hat aber Grenzen, die durch die Auflösung des Projektors P und der Kamera K in Verbindung mit dem Ausmaß der Parallaxe Px gegeben ist. Eine geringe oder kleine Parallaxe Px im Verhältnis zum Abstand des Projektors P/der Kamera K von als Projektionsfläche genutzten Ebene W limitiert die erfassbare räumliche Auflösung, weil sich bei einem großen Abstand von der als Projektionsfläche genutzten Ebene W bei einer gleichzeitig kleinen Parallaxe Px das Projektor-Kamera-Paar wie einäugiges Sehen verhält. Um das erfindungsgemäße Verfahren auch für sehr kleine Projektoren nutzen zu können, wie beispielsweise in einem Mobiltelefon, wo der Abstand zwischen Projektor P und Kamera K kaum mehr als 1 cm bis 2 cm betragen kann und Projektionsabstände von einigen Metern erforderlich sind, ist zur Verbesserung der räumlichen Auflösung vorgesehen, dass eine Kamera K mit bekanntem optischen Verzeichnungsfehler eingesetzt wird, beispielswese in dem die Kamera K eine einfache sphärische Linse und die Projektionsoptik des Projektors P jedoch eine exaktere Linse, bspw. mit parabolischem Schliff aufweist. Wichtig ist nur, dass die Abbildungscharakteristik der Optiken von Kamera K und Projektor P unterschiedlich sind. Der Unterschied bei der Verzeichnung zwischen Kamera K und Projektor P erlaubt in einigen Regionen des mit Parallaxe Px auf die Kameraebene rückprojizierten Bildes die räumliche Auflösung auf Kosten der Region in der Mitte des Bildes zu verbessern. In der Regel ist der Randbereich des zu projizierenden Bildes zwischen den verschiedenen Optiken unterschiedlich stark verzerrt, hingegen ist der zentrale Bereich des zu projizierenden Bildes zwischen den verschiedenen Optiken nahezu identisch verzerrt. Da der räumliche Verlauf des Bildrandes eine sehr gute Näherung über die gesamte Bildverzeichnung zulässt, ist die bewusste Inkaufnahme unterschiedlicher Optiken zwischen Kamera K und Projektor P vorteilhaft.
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Für größere Abstände zwischen Projektor P und der als Projektionswand genutzten Ebene W ist es also vorteilhaft, wenn die Parallaxe Px sehr groß ist, um geringfügige Abweichungen zwischen dem Bild auf der inneren Bildebene des Projektors P und der inneren Bildebene der Kamera K sicher detektieren zu können. Da die Auflösung sowohl des Projektors als auch der Kamera begrenzt ist, ermöglicht eine räumlich nahe Anordnung der Kamera P an dem Projektor P (und damit eine geringe Parallaxe Px) eine nur begrenzte räumliche Auflösung bei entfernten Objekten oder bei einer entfernten als Projektionsfläche genutzten Ebene W. Um zu vermeiden, dass die Kamera K entfernt vom Projektor P aufgestellt werden muss, beispielsweise durch die Platzierung der Kamera K zur Abbildungskorrektur in das betrachtende Publikum, ist nach Ausgestaltung der Erfindung also vorgesehen, den inhärenten Abbildungsfehler der Kamera K als zusätzliche Information zur Abstandsmessung zu nutzen. Üblicherweise haben Kameras mit sehr kurzen Brennweiten aufgrund der Verwendung von sphärischen Linsen eine kissenförmige Verzeichnung. Dieser Effekt ist bei digitalen Kompaktkameras gut zu beobachten. Objekte oder Köpfe in Bildecken von Kameras dieses Typs erscheinen stark nach außen verzerrt zu sein. Teleobjektive hingegen weisen eine tonnenförmige Verzeichnung als inhärentem Abbildungsfehler auf. Dieser Abbildungsfehler kann zur Erhöhung der räumlichen Auflösung des Projektor-Kamera-Paares verwendet werden, indem der bekannte Verzeichnungsfehler der Kameraoptik bei der Berechnung der Bildkorrektur berücksichtigt wird. Sofern die Abweichung eines Bildpunktes auf der inneren Bildebene der Kamera K weniger als die zweidimensionale Auflösung des Kamerachips beträgt, so verstärkt die tonnen- oder kissenförmige Verzeichnung den Effekt der abweichenden Abbildung eines Bildpunktes. Zwar ist es nicht möglich, die räumliche Auflösung eines Stereopaares durch die Einführung einer mit einem Abbildungsfehler behafteten Optik generell zu verbessern. Es ist aber möglich, die Auflösung in bestimmten Bereichen des Bildinhaltes auf Kosten der Auflösung in anderen Bereichen des Bildes zu verbessern. Wie in 4 eingezeichnet ist, ist der Abbildungsfehler F1 bei der Rückprojektion des Bildes beispielsweise in der Mitte der inneren Bildebene der Kamera kleiner als der Abbildungsfehler F2 am Rand der inneren Abbildungsebene der Kamera K.
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Bei der bewussten Inkaufnahme der Abbildungsfehler einer Kamera K mit einer tonnenförmigen oder mit einer kissenförmigen Verzeichnung wird bei der tonnenförmigen Verzeichnung die räumliche Auflösung in der Bildmitte und bei einer kissenförmigen Verzeichnung die räumliche Auflösung in den Bildecken verbessert.
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Um die automatische Bildkorrektur durchzuführen, werden nach bekannten Algorithmen besonders markante Bildinhalte identifiziert, wie beispielsweise sehr kontrastreiche Kanten oder Linien. Bei der Projektion eines Bildes auf eine Projektionsfläche bietet sich der Bildrand als kontraststarke Linie an. Die Kante zwischen dem ausgeleuchteten Bildrand und der nicht ausgeleuchteten Projektionsfläche lässt zumindest eine einfache Detektion von trapezoider Projektionsverzeichnung und Abbildungsschärfe zu. Bei der Detektion von Projektionsfehlern in der Mitte des Bildes ist es hingegen notwendig, auf gegebenenfalls schwächere Kontraste im Bildinhalt zurück zu greifen. Um dort, in der Bildmitte, die Auflösung zu verbessern, bietet sich die tonnenförmige Verzeichnung zur Verbesserung der Auflösung in der Bildmitte an.
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Eine einzige Kamera K neben der Projektionsoptik des Projektors P genügt also, eine räumliche Erfassung der als Projektionsebene genutzten Ebene W zu ermöglichen. Um die Auflösung in der Bildmitte zu verbessern, beispielsweise, um dort Unebenheiten der als Projektionsfläche genutzten Ebene W durch eine rechnerische Verzerrung des Bildinhaltes auszugleichen, bietet sich die tonnenförmige Verzeichnung, wie sie in den beiden Bildern 2.1 und 2.2 dargestellt ist, als ausnutzbarer Kamerafehler an. In 2.1 ist wie in 1.1 ein unverzerrtes Gitternetz 1 abgebildet, das durch eine verzeichnende Optik zu einem tonnenförmig verzerrten Gitternetz 3 verzeichnet wird.
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Eine besondere Situation tritt ein, wenn die als Projektionsfläche genutzte Ebene selbst nicht eben ist. Diese Situation tritt erwartungsgemäß bei mobilen Projektoren, beispielsweise bei Projektoren für Mobiltelefone, häufig auf, wenn keine geeignete, gleichmäßige Projektionsebene zur Verfügung steht. Dieser Fall ist in den Figuren 5.1 und 5.2 dargestellt. Das Gitternetz 5 in 5.1 ist zur Verdeutlichung auf eine Projektionsebene gelegt, die selbst eine Verwerfung oder einen Vorsprung aufweist. Dieses auf einen Vorsprung projizierte Bild, Gitternetz 5, wird durch eine Kameraoptik mit tonnenförmiger Verzeichnung aufgenommen. Auch hier sieht die Kamera bei Idealbedingungen kein anders Bild als es in 2.2 dargestellt ist, da die Rückprojektion den Effekt des auf dem Vorsprung liegenden Bildes nahezu eliminiert. In der Regel kann eine sehr kleine Parallaxe Px den geringfügig unterschiedlichen Abstand zu jeder Seite des Vorsprungs in der als Projektionsfläche genutzten Ebene W (mit Vorsprung) nicht auflösen. Aber die unterschiedliche Verzeichnung zwischen Projektor P und Kamera K macht auch diesen Vorsprung im rücktransformierten Bild auf der inneren Ebene der Kamera K sichtbar oder holt die unterschiedlichen Projektionsabstände deutlicher hervor. Das rücktransformierte Bild ist in 5.2 dargestellt, wobei hier zur Verdeutlichung der Effekt der Rücktransformation etwas übertrieben dargestellt ist.
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Um ein Bild für einen Betrachter auf einer Ebene W mit einem Vorsprung 11 oder auf einer nicht ebenen Projektionsfläche nahezu verzerrungsfrei zu projizieren, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Unebenheit der Projektion durch eine inverse Verzerrung schon bei der Erstellung des Bildes in der inneren Bildebene des Projektors ausgeglichen wird. Um den Eindruck beim Betrachter möglichst verzerrungsfrei zu gestalten, ist es für den Projektor P mithin notwendig, auch die Position des Betrachters als weitere Parallaxe Px2 zu berücksichtigen. Hierzu kann der erfindungsgemäße Projektor P eine Eingabemöglichkeit zur Eingabe der relativen Betrachterposition zum Projektor aufweisen oder der Projektor misst den Abstand und die räumliche Lage des Betrachters durch einen am Betrachter getragenes, drahtlos verbundenes Gerät, wie beispielsweise ein drahtlos verbundener Ohrclip oder ein Hörgerät. Solche Zusatzgeräte sind dazu in der Lage, ihre eigene räumliche Position im Verhältnis zum mobilen Gerät zu detektieren. Zur inversen Verzerrung des zu projizierenden Bildes wird die Parallaxe Px von Projektor P und Kamera K dazu verwendet, die Unebenheit der als Projektionsfläche genutzten Ebene W auszugleichen mit der Randbedingung der Position des Betrachters. Diese Situation ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. In 6 ist eine Wand 10 dargestellt, die einen Vorsprung 11 aufweist. Zur Projektion des Bildes B.1 wählt der Betrachter willkürlich diesen Vorsprung, weil zu den Seiten dieser Projektionsfläche ein Fenster Fn und eine Tür T eine Projektion nicht ermöglichen. Das Bild B.1 wird bei der Projektion auf den Vorsprung 11 wie dargestellt als Bild B.2 verzerrt. Um diese Verzerrung auszugleichen, wird im Projektor ein Bild B.3 erzeugt, das der Verzerrung aufgrund der Projektion auf den Vorsprung 11 entgegengerichtet ist. Wird das Bild B.3 mit der inversen Verzerrung auf den Vorsprung 11 projiziert, so ergibt sich für den Betrachter ein scheinbar verzerrungsfreies Bild B.4. Für eine perfekte Entzerrung ist es allerdings wichtig, dass einerseits die Position des Betrachters bekannt ist, und die Verzerrungsfreiheit der Projektion ist abhängig von der Auflösung des Projektors P und vom räumlichen Sehvermögen des Betrachters. Die perfekte Entzerrung funktioniert für ein einäugiges Sehen. Da der Mensch stereoskopisch sehen kann, wird das invers verzerrte Bild bei der scheinbar verzerrungsfreien Projektion von den beiden Augen des Menschen geringfügig unterschiedlich vernommen, so dass auch das scheinbar entzerrte Bild zunächst einen ungewohnten Eindruck vermittelt. Aber schon nach wenigen Minuten Betrachtungszeit verschwindet beim Betrachter das bewusste stereoskopische Sehen und der durch das stereoskopische Sehen des Menschen erzeugte Abbildungsfehler zwischen den Bildern beider Augen scheint subjektiv zu verschwinden, so dass überraschenderweise auch die auf monokulares Sehen ausgerichtete Entzerrung funktioniert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gitternetz
- 2
- Gitternetz, trapezoid verzeichnet
- 3
- Gitternetz, tonnenförmig verzeichnet
- 5
- Gitternetz auf Vorsprung
- 10
- Wand
- 11
- Vorsprung
- A
- Projektionsachse
- P
- Projektor
- Px
- Parallaxe
- Px2
- Parallaxe
- K
- Kamera
- W
- Wand
- H
- Halbdurchlässiger Spiegel
- L
- Kameraoptik, Projektionsoptik
- F1
- Abbildungsfehler
- F2
- Abbildungsfehler
- Fn
- Fenster
- T
- Tür
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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