DE102023004841A1 - Device and method for jointly representing physical and digital elements, associated computer program product and method for manufacturing the device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur gemeinsamen Darstellung mindestens eines physischen Elementes mit mindestens einem digitalen Element für einen Benutzer zur Verfügung, wie sie beispielhaft in einem Flipperautomaten realisiert werden kann. Darüber hinaus werden ein Verfahren zur gemeinsamen Darstellung physischer und digitaler Elemente, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Herstellungsverfahren für die Vorrichtung beschrieben.The invention provides a device for the joint presentation of at least one physical element with at least one digital element to a user, as can be implemented, for example, in a pinball machine. Furthermore, a method for the joint presentation of physical and digital elements, a computer program product, and a manufacturing method for the device are described.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gemeinsamen Darstellung mindestens eines physischen Elementes mit mindestens einem digitalen Element für einen Benutzer, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Herstellungsverfahren für eine entsprechende Vorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf Anwendungen, bei denen ortsfeste und bewegliche Elemente miteinander wechselwirken.The invention relates to a method for jointly displaying at least one physical element with at least one digital element for a user, a device for implementing such a method, a computer program product, and a manufacturing method for a corresponding device. In particular, the invention relates to applications in which stationary and movable elements interact with each other.
Eine wesentliche Anwendung liegt im Bereich von Spieleautomaten, wie Flipperautomaten, bei welchen ortsfeste und bewegliche Elemente zusammenwirken. Bei bekannten, vollständig analogen Geräten wird dies durch einen hohen technischen Aufwand erreicht, der mit einem hohen Verschleiß und hohen Unterhaltskosten verbunden ist. Neben vollständig analogen Vorrichtungen sind auch rein digitale Vorrichtungen bekannt. Digitale Flipperautomaten besitzen anstelle des physischen Spielfelds (der im Wesentlichen ortsfesten, analogen Elemente, die der Spieler unmittelbar in ihrer Dreidimensionalität und Farbigkeit als Teil der realen Welt wahrnimmt) einen Bildschirm, auf dem eine Computersimulation des Spielgeschehens dargestellt wird.A key application is in gaming machines, such as pinball machines, where stationary and moving elements interact. In conventional, fully analog machines, this is achieved through significant technical complexity, which is associated with high wear and tear and high maintenance costs. In addition to fully analog devices, purely digital devices are also known. Instead of a physical playing field (the essentially stationary, analog elements that the player immediately perceives in their three-dimensionality and color as part of the real world), digital pinball machines have a screen on which a computer simulation of the game action is displayed.
Es wurde bereits versucht, die Mechanik mit digitalen Mitteln zu entlasten, ohne diese (wie bei einem digitalen Automaten) vollständig zu ersetzen. Seit den 1990er Jahren werden in mechanischen Automaten digitale Raster-Displays in der sogenannten Backbox hinter dem Spielfeld verbaut. Sie ersetzen die alphanumerischen Displays älterer Modelle, die nur der Anzeige der Punktzahl dienen, und werden zusätzlich benutzt, um kurze, teilweise interaktive Zwischensequenzen anzuzeigen. Weil es zur Betrachtung eines solchen Bildschirms nötig ist, den Blick vom Spielfeld abzuwenden, muss das Spiel mit der Kugel während dieser Zwischensequenzen allerdings unterbrochen werden.Attempts have already been made to lighten the load on the mechanics with digital means without completely replacing them (as in a digital slot machine). Since the 1990s, digital grid displays have been installed in mechanical machines in the so-called backbox behind the playing field. They replace the alphanumeric displays of older models, which only serve to display the score, and are also used to show short, sometimes interactive cutscenes. Because viewing such a screen requires looking away from the playing field, ball play must be paused during these cutscenes.
Andere Geräte zeichnen sich durch einen CRT-Bildschirm (CRT=Cathode Ray Tube) aus, der in einem spitzen Winkel über der Spielfläche montiert ist, so dass er für die Nutzer nicht direkt sichtbar ist. Stattdessen werden die Bildschirminhalte von der Glasscheibe über dem Spielfeld so gespiegelt, dass sie auf einer schrägen Ebene im oberen Drittel des Spielfelds zu schweben scheinen. Dieses Verfahren ist unabhängig von dieser Anwendung seit dem 19. Jahrhundert als „Pepper's ghost“-Illusion bekannt. Mit diesem Aufbau ist eine gleichzeitige Wahrnehmung der digitalen Inhalte des genannten Bildschirms und des physischen, analogen Spielfelds möglich.Other devices feature a CRT (cathode ray tube) screen mounted at an acute angle above the playing surface, making it invisible to the user. Instead, the screen content is reflected by the glass pane above the playing field so that it appears to float on an inclined plane in the upper third of the playing field. Independently of this application, this process has been known since the 19th century as the "Pepper's ghost" illusion. This setup allows for simultaneous perception of the digital content of the screen and the physical, analog playing field.
Die genannten Lösungen sind nicht in der Lage, Bildschirminhalte an beliebigen Stellen im Spielfeld erscheinen zu lassen. Die Anzeige ist auf eine zweidimensionale Ebene beschränkt.The solutions mentioned above are not capable of displaying screen content anywhere on the playing field. The display is limited to a two-dimensional plane.
Zum Stand der Technik gehören visuelle Anzeigen zu Werbe- Unterhaltungs- oder Informationszwecken. Am weitesten verbreitet sind solche Displays, die ein zweidimensionales Bild auf einer Oberfläche so darstellen, dass es von allen Betrachtungspunkten vor der Bildfläche gleichermaßen sichtbar ist. Die Anzeige von beliebigen Bildern und Bildabfolgen durch unveränderliche Hardware wird dabei meist durch die Repräsentation der Bilder in Rastern aus einfarbigen Bildpunkten (Pixel) bewerkstelligt.Visual displays for advertising, entertainment, or information purposes are state-of-the-art. The most common displays are those that present a two-dimensional image on a surface in such a way that it is equally visible from all viewing points in front of the screen. The display of arbitrary images and image sequences using immutable hardware is usually achieved by representing the images in grids of monochrome pixels.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die hohe mechanische und technische Komplexität in konventionellen Flipperautomaten zu überwinden, um Verschleiß und Unterhaltskosten zu minimieren.The invention is based on the problem of overcoming the high mechanical and technical complexity in conventional pinball machines in order to minimize wear and maintenance costs.
Darüberhinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine erweiterte Realitätserfahrung ohne nutzerseitiges Zubehör oder Vorbereitung zu ermöglichen und so den Grad der Immersion zu erhöhen.Furthermore, the invention is based on the object of enabling an augmented reality experience without user-side accessories or preparation and thus increasing the degree of immersion.
Die Erfindung stellt dazu eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Darstellungsverfahren nach Anspruch 3, im Anspruch 4 ein Computerprogrammprodukt sowie gemäß Anspruch 5 ein Herstellungsverfahren für die Vorrichtung zur Verfügung.For this purpose, the invention provides a device according to
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das mindestens eine digitale Element derart über den Bildschirm wiederzugeben, dass für den Benutzer ein räumlicher Eindruck des digitalen Elementes entsteht. Ferner wird eine Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen physischen Element und dem mindestens einen digitalen Element basierend auf dem Ort des digitalen Elements und dem physischen Element simuliert und der Ort des digitalen Elementes in Abhängigkeit von der simulierten Wechselwirkung angepasst.According to the invention, the at least one digital element is displayed on the screen in such a way that the user experiences a spatial impression of the digital element. Furthermore, an interaction between the at least one physical element and the at least one digital element is simulated based on the location of the digital element and the physical element, and the location of the digital element is adjusted depending on the simulated interaction.
Jenseits der Spieleautomaten sind auch weitere Anwendungen, z.B. bei Einrichtungsgegenständen oder Vorrichtungen zum Training handwerklicher Abläufe, denkbar und möglich. Hierbei kann die simulierte Wechselwirkung eine Bewegung eines simulierten Objektes innerhalb eines abgeschlossenen Raumes in der Art einer digitalen Lavalampe oder die Simulation einer Einwirkung chirurgischer Instrumente auf ein simuliertes Gewebe umfassen.Beyond gaming machines, other applications are also conceivable and possible, e.g., in furnishings or devices for training manual skills. The simulated interaction can include the movement of a simulated object within an enclosed space, similar to a digital lava lamp, or the simulation of the impact of surgical instruments on simulated tissue.
Die Vorrichtung zur gemeinsamen Darstellung mindestens eines physischen Elementes mit mindestens einem digitalen Element für einen Benutzer weist folgende Merkmale auf:
- - einen Bildschirm (Haupt-Display), der mindestens partiell lichtdurchlässig und zur Erzeugung eines räumlichen Bildeindrucks aus dem mindestens einen digitalen Element (virtuelles Element/Objekt) eingerichtet ist,
- - ein flächiges Beleuchtungselement (Backlight) zum Durchleuchten des Bildschirmes, wobei das Beleuchtungselement derart zu dem Bildschirm angeordnet ist, dass der Bildschirm und das Beleuchtungselement einen Zwischenraum definieren, in dem das mindestens eine physische Element (Echtes Element/Objekt) angeordnet ist,
- - eine mit dem Bildschirm gekoppelte elektronische Regelungs- und/oder Steuerungseinheit, die eingerichtet ist:
- • das mindestens eine digitale Element derart über den Bildschirm wiederzugeben, dass für den Benutzer ein räumlicher Eindruck entsteht,
- • eine Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen physischen Element und dem mindestens einen digitalen Element basierend auf dem Ort des digitalen Elements und dem physischen Element zu simulieren, und
- • den Ort des digitalen Elementes in Abhängigkeit von der simulierten Wechselwirkung anzupassen.
- - a screen (main display) which is at least partially translucent and designed to generate a spatial image impression from the at least one digital element (virtual element/object),
- - a planar lighting element (backlight) for illuminating the screen, wherein the lighting element is arranged relative to the screen in such a way that the screen and the lighting element define a space in which the at least one physical element (real element/object) is arranged,
- - an electronic control and/or regulation unit coupled to the screen, which is configured:
- • to display at least one digital element on the screen in such a way that a spatial impression is created for the user,
- • to simulate an interaction between the at least one physical element and the at least one digital element based on the location of the digital element and the physical element, and
- • adjust the location of the digital element depending on the simulated interaction.
Der Blick auf den Zwischenraum mit dem dort angeordneten mindestens einen physischen Element wird mindestens stellenweise (teilweise, abschnittweise etc.) freigegeben. Soweit technisch notwendig oder vom Anwender gewünscht kann die Lichtdurchlässigkeit des Bildschirms und damit die Sichtbarkeit des Zwischenraums und der darin angeordneten Elemente gesteuert oder geregelt werden [soweit nachstehend nur von Steuerung oder Regelung die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass die Alternative ebenso möglich ist]. The view of the gap with the at least one physical element arranged therein is at least partially (partially, in sections, etc.) exposed. To the extent technically necessary or desired by the user, the translucency of the screen and thus the visibility of the gap and the elements arranged therein can be controlled or regulated [where only control or regulation is referred to below, this is to be understood as meaning that the alternative is equally possible].
Außerdem können räumliche Eindrücke auf Basis des mindestens einen digitalen Elementes erzeugt werden. Insbesondere ist es dabei möglich, für den Benutzer einen Eindruck einer Wechselwirkung des räumlich wiedergegebenen mindestens einen digitalen Elementes mit dem mindestens einen tatsächlichen Element zu erzeugen. Ein spezielles Betrachtungsgerät wie ein VR-Brille (VR=virtual-reality), eine 3D-Brille oder dergleichen kann dabei entbehrlich sein. Dies kann den Grad der Immersion erhöhen.Furthermore, spatial impressions can be generated based on the at least one digital element. In particular, it is possible to create for the user an impression of an interaction between the spatially represented at least one digital element and the at least one actual element. A special viewing device such as VR (virtual reality) glasses, 3D glasses, or the like may be unnecessary. This can increase the degree of immersion.
Bei einem Flipperautomaten kann durch die digitale Simulation der Kugel die aufwändige Mechanik, die in einem mechanischen Automaten die beweglichen Elemente (z.B. Metallkugeln) bewegt, überflüssig werden. Dabei bleibt im Gegensatz zur rein digitalen Variante ein Großteil der physischen Spielbestandteile erhalten. Dies kann die Spielerfahrung verbessern.In a pinball machine, the digital simulation of the ball can eliminate the complex mechanics that move the moving elements (e.g., metal balls) in a mechanical machine. Unlike a purely digital version, a large portion of the physical game components remain intact. This can enhance the gaming experience.
Optional kann die Vorrichtung mit einem oder mehreren der folgenden Merkmale ausgebildet sein:
- - Eine Steuerungs- oder Regelungseinheit ist eingerichtet, eine digitale Abbildung des physischen Elementes zu erzeugen.
- - Die Steuerungs- oder Regelungseinheit ist eingerichtet, digitale Elemente auszublenden, wenn das mindestens eine physische Element auf einer Sichtachse zwischen dem Benutzer und dem Ort des digitalen Elementes liegt.
- - Der Bildschirm ist ein stereoskopisches Display.
- - Das stereoskopische Display ist mit einer Parallaxbarriere ausgebildet.
- - Das stereoskopische Display ist mit einem LCD (LCD=liquid crystal display) ausgebildet.
- - Die Lichtdurchlässigkeit des Bildschirms ist steuerbar beziehungsweise kann regelungstechnisch verändert werden.
- - Bildschirm und Beleuchtungselement sind parallel angeordnet.
- - Die Vorrichtung weist ein Trackingsystem zur Erfassung einer Kopfposition und/oder einer Blickrichtung des Benutzers als zeitaufgelöste Variable auf.
- - Die Vorrichtung ist eingerichtet, den räumlichen Bildeindruck des mindestens einen digitalen Elementes in Abhängigkeit von der zeitlichen Variable zu erzeugen, um eine Bewegungsparallaxe zu simulieren.
- - Die Vorrichtung ist eingerichtet, das digitale Element derart über den Bildschirm wiederzugeben, dass für den Benutzer der Eindruck entsteht, das digitale Element sei an einem Ort innerhalb des Zwischenraumes angeordnet.
- - Die Vorrichtung weist einen weiteren Bildschirm auf, der auf der dem Zwischenraum zugewandten Seite an dem Beleuchtungselement angeordnet ist.
- - Die Steuereinheit ist mit dem weiteren Bildschirm gekoppelt und eingerichtet, Bildinformationen über den weiteren Bildschirm wiederzugeben.
- - Die Vorrichtung weist ein weiteres Beleuchtungselement zur Ausleuchtung des Zwischenraumes auf.
- - Das mindestens eine physische Element ist innerhalb des Zwischenraumes beweglich angeordnet.
- - Das mindestens eine bewegliche physische Element ist zur Bewegung in Abhängigkeit von der simulierten Wechselwirkung mit der Steuereinheit gekoppelt.
- - Das mindestens eine physische Element ist mit einem Aktuator ausgebildet.
- - Das mindestens eine physische Elemente umfasst eine geneigte Ebene.
- - Das mindestens eine digitale Element umfasst eine Kugel.
- - Ein Flipperautomat ist mit der vorgeschlagene Vorrichtung ausgebildet.
- - Die Vorrichtung ist als Übungsvorrichtung zum Üben eines medizinisches Eingriffs gestaltet.
- - A control or regulation unit is configured to generate a digital representation of the physical element.
- - The control or regulation unit is configured to hide digital elements if the at least one physical element is located on a line of sight between the user and the location of the digital element.
- - The screen is a stereoscopic display.
- - The stereoscopic display is designed with a parallax barrier.
- - The stereoscopic display is designed with an LCD (LCD=liquid crystal display).
- - The light transmittance of the screen is controllable or can be changed using control technology.
- - Screen and lighting element are arranged parallel.
- - The device has a tracking system for detecting a head position and/or a gaze direction of the user as a time-resolved variable.
- - The device is configured to generate the spatial image impression of the at least one digital element as a function of the temporal variable in order to simulate a motion parallax.
- - The device is designed to display the digital element on the screen in such a way that the user has the impression that the digital element is located at a location within the intermediate space.
- - The device has a further screen which is arranged on the side of the lighting element facing the intermediate space.
- - The control unit is coupled to the additional screen and configured to display image information on the additional screen.
- - The device has a further lighting element for illuminating the intermediate space.
- - The at least one physical element is arranged to be movable within the intermediate space.
- - The at least one movable physical element is coupled to the control unit for movement depending on the simulated interaction.
- - The at least one physical element is formed with an actuator.
- - The at least one physical element comprises an inclined plane.
- - The at least one digital element comprises a sphere.
- - A pinball machine is constructed with the proposed device.
- - The device is designed as a training device for practicing a medical procedure.
Die Vorrichtung kann LCD-Bildschirme verwenden, die die Polarisierung des Lichts aus einer gleichmäßig weiß ausgeleuchteten Fläche (Backlight) mit einer Schicht aus rasterartig angeordneten Flüssigkristallkapseln verändern können. Um diese Änderungen an der Polarisierung in Helligkeit zu übersetzen und so sichtbar zu machen, befinden sich vor und hinter der Flüssigkristallschicht (LCD-Glasschicht) Polarisierungsfilter. Der erste Filter zwischen Hintergrundbeleuchtung und LCD-Glasschicht sorgt für eine einheitliche Polarisierung, bevor das Licht in die LCD-Glasschicht eintritt. Durch unterschiedliche Spannungen, die an den transistorgesteuerten Flüssigkristallkapseln anliegen, wird die Polarisierung dann in jedem Pixel getrennt verändert. Beim Austritt des Lichts durch den zweiten Polarisierungsfilter über der LCD-Glasschicht führen diese Änderungen an der Polarisierung dann zu unterschiedlichen Helligkeiten pro Pixel. Die Kombination aus Subpixeln mit roten, grünen, und blauen Farbfiltern ermöglicht die Darstellung farbiger Bilder.The device can use LCD screens that can change the polarization of light from a uniformly white illuminated surface (backlight) using a layer of grid-like liquid crystal capsules. To translate these changes in polarization into brightness and thus make it visible, polarizing filters are located in front of and behind the liquid crystal layer (LCD glass layer). The first filter, between the backlight and the LCD glass layer, ensures uniform polarization before the light enters the LCD glass layer. Different voltages applied to the transistor-controlled liquid crystal capsules then change the polarization separately in each pixel. When the light exits through the second polarizing filter above the LCD glass layer, these changes in polarization result in different brightness levels per pixel. The combination of subpixels with red, green, and blue color filters enables the display of colored images.
Durch ihre Bauweise eignet sich LCD-Technik besonders gut als Grundlage für transparente Bildschirme. Die LCD-Glasschicht in einem gewöhnlichen LCD-Bildschirm muss ohnehin lichtdurchlässig sein, weil sie auf die Beleuchtung durch das Backlight angewiesen ist. So lässt sich jeder handelsübliche LCD-Bildschirm zu einem transparenten Bildschirm umbauen, indem ein Abstand zwischen LCD-Glasschicht und Backlight erzeugt wird.Due to its design, LCD technology is particularly well-suited as a basis for transparent screens. The LCD glass layer in a conventional LCD screen must be translucent anyway because it relies on illumination from the backlight. Thus, any commercially available LCD screen can be converted into a transparent screen by creating a gap between the LCD glass layer and the backlight.
Für das Problem der räumlichen und unabhängig vom Betrachtungspunkt perspektivisch korrekten Darstellung bieten sich verschiedene Lösungen an. Sie lassen sich einteilen in multiskopische, volumetrische, und holografische Displays.Various solutions are available for the problem of spatial and perspective-correct display regardless of the viewing point. These can be divided into multiscopic, volumetric, and holographic displays.
Multiskopische Displays stellen mehrere Bilder auf einer Bildfläche dar. Das gelingt entweder durch eine räumliche, zeitliche, oder spektrale Aufteilung des Displays. Bei räumlicher Aufteilung zeigen die einzelnen Pixel je nach ihrer Position auf dem Bildschirm unterschiedliche Bilder an. So könnte zum Beispiel bei zwei Bildern jede zweite Pixelreihe dasselbe Bild anzeigen. Bei zeitlicher Aufteilung werden die einzelnen Bilder in schneller Folge nacheinander angezeigt. Die spektrale Aufteilung ist nur bei farbigen Displays möglich. Dabei werden die einzelnen Bilder den verschiedenen Farbkanälen zugeordnet. Bei farbigen Bildern schränkt dieses Verfahren die farbliche Reproduktion ein.Multiscopic displays display multiple images on one screen. This is achieved by either spatially, temporally, or spectrally dividing the display. With spatial division, the individual pixels display different images depending on their position on the screen. For example, in two images, every other row of pixels could display the same image. With temporal division, the individual images are displayed in rapid succession. Spectral division is only possible with color displays. In this case, the individual images are assigned to the different color channels. In color images, this process limits color reproduction.
Damit die Möglichkeit, mehrere Bilder auf einer Bildfläche anzuzeigen zur räumlichen und perspektivisch korrekten Darstellung digitaler Inhalte genutzt werden kann, muss sichergestellt werden, dass niemals mehrere Bilder gleichzeitig für ein Auge eines Betrachters sichtbar sind.In order to use the possibility of displaying multiple images on one screen to ensure that digital content is spatially and perspectively correct, it must be ensured that multiple images are never visible to one viewer's eye at the same time.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dies durch eine sogenannte Parallaxbarriere gelöst. Dabei verdecken opake (meist schwarze) Streifen in einem geringen Abstand zur Bildfläche Teile der Bildfläche. Je nach Betrachtungswinkel werden unterschiedliche Teile der Bildfläche sichtbar. In Verbindung mit einer entsprechenden räumlichen Aufteilung der Bildfläche zwischen den gleichzeitig dargestellten Bildern wird so je nach Blickwinkel ein anderes Bild sichtbar.According to one embodiment of the invention, this is solved by a so-called parallax barrier. Opaque (usually black) stripes at a short distance from the image surface obscure parts of the image surface. Depending on the viewing angle, different parts of the image surface become visible. In conjunction with a corresponding spatial division of the image surface between the simultaneously displayed images, a different image becomes visible depending on the viewing angle.
Wenn nur zwei Bilder zu trennen sind, kann eine spezielle 3D-Brille verwendet werden, die mithilfe von Filtern das für das jeweilige Auge unerwünschte Bild unsichtbar macht.If only two images need to be separated, special 3D glasses can be used that use filters to make the unwanted image invisible to the respective eye.
2D-Displays oder multiskopische Displays, die nur ein Bildpaar anzeigen, haben den Nachteil, dass ihre Bilder nur an einem bestimmten Betrachtungspunkt perspektivisch korrekt sind. Wenn die Bilder in Echtzeit generiert werden und das Display nur für einen gleichzeitigen Betrachter ausgelegt ist, kann dessen Kopfposition durch ein Trackingsystem erfasst und die Bildperspektive entsprechend angepasst werden.2D displays or multiscopic displays, which only display a pair of images, have the disadvantage that their images are only perspectively correct at a specific viewing point. If the images are generated in real time and the display is designed for only one viewer at a time, the viewer's head position can be detected by a tracking system and the image perspective adjusted accordingly.
Neben der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe durch ein korrespondierendes Verfahren zur gemeinsamen Darstellung mindestens eines physischen Elementes mit mindestens einem digitalen Element für einen Benutzer gelöst, das folgende Merkmale aufweist:
- - über einen mindestens partiell lichtdurchlässigen Bildschirm wird ein räumlicher Bildeindruck des mindestens einen digitalen Elementes erzeugt,
- - mit einem flächigen Beleuchtungselement wird der Bildschirm durchleuchtet, wobei das Beleuchtungselement derart zu dem Bildschirm angeordnet ist, dass der Bildschirm und das Beleuchtungselement einen Zwischenraum definieren, in dem das mindestens eine physische Element angeordnet ist, und
- - über eine mit dem Bildschirm gekoppelte elektronische Steuerungs- und/oder Regelungseinheit wird:
- • das mindestens eine digitale Element derart über den Bildschirm wiedergegeben, dass für den Benutzer ein räumlicher Eindruck entsteht,
- • eine Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen physischen Element und dem mindestens einen digitalen Element basierend auf dem Ort des digitalen Elements und dem physischen Element simuliert, und
- • der Ort des digitalen Elementes in Abhängigkeit von der simulierten Wechselwirkung angepasst.
- - a spatial image impression of the at least one digital element is generated via an at least partially translucent screen,
- - the screen is illuminated with a planar lighting element, wherein the lighting element is arranged relative to the screen in such a way that the screen and the lighting element define a space in which the at least one physical element is arranged, and
- - via an electronic control and/or regulation unit coupled to the screen:
- • the at least one digital element is displayed on the screen in such a way that a spatial impression is created for the user,
- • simulates an interaction between the at least one physical element and the at least one digital element based on the location of the digital element and the physical element, and
- • the location of the digital element is adjusted depending on the simulated interaction.
Die für die Vorrichtung genannten Vorteile, Anpassungen und Ausführungsformen gelten analog für das Verfahren. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit kann bei Bedarf die Lichtdurchlässigkeit des Bildschirms auf ein gewünschtes Maß einstellen, um einen Blick auf das mindestens eine physische Element freizugeben.The advantages, adaptations, and embodiments mentioned for the device apply analogously to the method. If necessary, the control and/or regulation unit can adjust the light transmittance of the screen to a desired level to provide a view of the at least one physical element.
Insbesondere kann das vorgeschlagene Verfahren auch als computerimplementiertes Verfahren ausgebildet sein. Demnach kann ein Computer, der gekoppelt ist, mit:
- - einem Bildschirm, der mindestens partiell lichtdurchlässig und zum Erzeugen eines räumlichen Bildeindrucks eingerichtet ist, und einem
- - flächigen Beleuchtungselement, das derart zu dem Bildschirm angeordnet ist, dass der Bildschirm und das Beleuchtungselement einen Zwischenraum definieren, in dem das mindestens eine physische Element angeordnet ist,
eingerichtet sein, die Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.In particular, the proposed method can also be implemented as a computer-implemented method. Accordingly, a computer coupled to:
- - a screen which is at least partially transparent and designed to produce a three-dimensional image impression, and a
- - planar lighting element arranged relative to the screen such that the screen and the lighting element define a space in which the at least one physical element is arranged,
be equipped to carry out the procedural steps of the proposed procedure.
Die Aufgabe kann weiterhin durch jeden Satz von maschinenlesbaren Befehlen gelöst werden, der bei Ausführung durch eine entsprechend eingerichtete Recheneinheit diese veranlasst, das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen. Somit umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt für eine elektronische Regelungs- und/oder Steuerungseinheit der vorgeschlagenen Vorrichtung, wobei das Computerprogrammprodukt Anweisungen enthält, die wenigstens einen Prozessor der elektronischen Regelungs- und/oder Steuerungseinheit bei einer Ausführung der Anweisungen veranlassen, das vorgeschlagene Verfahren (gemäß Anspruch 3) durchzuführen.The problem can also be solved by any set of machine-readable instructions which, when executed by a suitably configured computing unit, causes the computing unit to perform the proposed method. Thus, the invention encompasses a computer program product for an electronic control and/or regulation unit of the proposed device, wherein the computer program product contains instructions which, upon execution of the instructions, cause at least one processor of the electronic control and/or regulation unit to perform the proposed method (according to claim 3).
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur gemeinsamen Darstellung mindestens eines physischen Elementes mit mindestens einem digitalen Element für einen Benutzer. Dabei wird zunächst eine Vorrichtungsvorstufe bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist:
- • einen mindestens partiell lichtdurchlässigen Bildschirm zur Erzeugung eines räumlichen Bildeindrucks aus mindestens einem digitalen Element,
- • ein flächiges Beleuchtungselement zum Durchleuchten des Bildschirmes, wobei das Beleuchtungselement derart zu dem Bildschirm angeordnet ist, dass der Bildschirm und das Beleuchtungselement einen Zwischenraum definieren, und
- • eine mit dem Bildschirm gekoppelte elektronische Regelungs- und/oder Steuerungseinheit, die eingerichtet ist:
- • mindestens ein digitales Element derart über den Bildschirm wiederzugeben, dass für den Benutzer ein räumlicher Eindruck entsteht,
- • eine Wechselwirkung zwischen einem physischen innerhalb des Zwischenraumes angeordneten weiteren Element und dem digitalen Element basierend auf dem Ort des digitalen Elements und dem physischen Element zu simulieren, und
- • den Ort des digitalen Elementes in Abhängigkeit von der simulierten Wechselwirkung anzupassen, wobei
- • zur Herstellung der Vorrichtung digitale Abbildungen einer Mehrzahl von in dem Zwischenraum angeordneten Elementen bereitgestellt werden,
- • mindestens eine der digitalen Abbildungen als Abbildung eines physischen Elementes identifiziert wird,
- • in Reaktion auf die Identifizierung über die digitale Abbildung des physischen Elementes eine physische Form des physischen Elementes hergestellt wird, und
- • die physische Form entsprechend dem digitalen Model innerhalb des Zwischenraumes angeordnet wird.
- • an at least partially translucent screen for generating a spatial image impression from at least one digital element,
- • a planar lighting element for illuminating the screen, wherein the lighting element is arranged relative to the screen such that the screen and the lighting element define a space, and
- • an electronic control and/or control unit coupled to the screen, which is set up:
- • to display at least one digital element on the screen in such a way that a spatial impression is created for the user,
- • to simulate an interaction between a physical element located within the gap and the digital element based on the location of the digital element and the physical element, and
- • adjust the location of the digital element depending on the simulated interaction, whereby
- • to produce the device, digital images of a plurality of elements arranged in the intermediate space are provided,
- • at least one of the digital images is identified as an image of a physical element,
- • in response to the identification, a physical form of the physical element is produced via the digital image of the physical element, and
- • the physical form is arranged within the space according to the digital model.
Hierdurch kann ausgehend von einer allgemeinen Vorrichtungsvorstufe mit geringem Fertigungsaufwand eine hohe Individualisierung der hergestellten Vorrichtung erreicht werden. Dies kann die Anpassung an spezielle Kundenwüsche erleichtern und/oder die Fertigungskosten für Kleinserien reduzieren.This allows for a high degree of customization of the manufactured fixture, starting from a general fixture pre-stage with minimal manufacturing effort. This can facilitate adaptation to specific customer requirements. and/or reduce manufacturing costs for small series.
Neben den oben genannten allgemeinen Lösungen sind zahlreiche Ausführungsvarianten denkbar und möglich, durch welche die Erfindung in vorteilhafter Weise weiterentwickelt und an spezielle Einsatzszenarien angepasst werden kann, beispielsweise:
- - Alle nicht beweglichen Elemente werden als physische Elemente identifiziert.
- - Herstellung der physischen Elemente durch ein Computergesteuertes Fertigungsverfahren.
- - Das Fertigungsverfahren ist ein additives Verfahren.
- - Das additive Verfahren ist ein 3D-Druck Verfahren.
- - Bildschirm und Beleuchtungselement sind parallel angeordnet.
- - All non-movable elements are identified as physical elements.
- - Production of the physical elements through a computer-controlled manufacturing process.
- - The manufacturing process is an additive process.
- - The additive process is a 3D printing process.
- - Screen and lighting element are arranged parallel.
Nachfolgend werden einige Ausführungsvarianten näher erläutert.Some design variants are explained in more detail below.
Die Interaktion zwischen digitalen und physischen Elementen findet nur augenscheinlich statt. Gemäß einer Ausführungsform haben alle physischen Elemente eine digitale Entsprechung in der digitalen Simulation. In
Echte Elemente können digitale Elemente normalerweise nicht visuell überlagern, weil die digitalen Elemente auf der Bildfläche über den echten Elementen angezeigt werden, auch wenn sie durch die stereoskopische Darstellung dahinter erscheinen. Daher können gemäß einer weiteren Ausführungsform mit punktuell steuerbarer Transluzenz der Bildfläche mithilfe desselben digitalen Abbilds, das auch zur Simulation mechanischer Interaktionen benutzt wird, digitale Platzhalter in das digitale Bild eingearbeitet werden. Diese Platzhalter erscheinen auf dem Bild, das von dem Computer an den Bildschirm gesendet wird, komplett weiß, werden aber durch die Funktionsweise einer transparenten LCD-Glasschicht als durchsichtig angezeigt. Wenn ein virtuelles Objekt in der Computersimulation hinter einen solchen Platzhalter für echtes Objekt gerät, wird dieses digitale Objekt auf dem Bild durch den weißen Platzhalter verdeckt und erscheint im Endergebnis hinter dem echten Objekt unter dem Bildschirm zu verschwinden. Dafür muss sich in die Bildfläche in der Vorrichtung zwischen den physischen Elementen und dem Betrachter befinden.Real elements cannot normally visually overlay digital elements because the digital elements are displayed on top of the real elements on the screen, even if they appear behind them due to the stereoscopic display. Therefore, according to another embodiment with selectively controllable translucency of the screen, digital placeholders can be incorporated into the digital image using the same digital image that is used to simulate mechanical interactions. These placeholders appear completely white on the image sent from the computer to the screen, but are displayed as transparent due to the functionality of a transparent LCD glass layer. If a virtual object in the computer simulation comes behind such a real object placeholder, this digital object is obscured by the white placeholder in the image and ultimately appears to disappear behind the real object below the screen. For this to happen, the screen in the device must be located between the physical elements and the viewer.
Exemplarisch kann der räumliche Eindruck des wiedergegebenen mindestens einen digitalen Elementes mittels einer Parallaxbarriere herbeigeführt werden. Dabei entsteht für den Betrachter der Eindruck räumlicher Tiefe bereits durch die Verwendung einer Parallaxbarriere mit zwei Ansichten. Hierdurch kann ein räumlicher Eindruck kostengünstig realisierbar sein. For example, the spatial impression of the reproduced at least one digital element can be created using a parallax barrier. The viewer is given the impression of spatial depth simply by using a parallax barrier with two views. This allows a spatial impression to be realized cost-effectively.
In einer ergänzenden Ausgestaltung kann die Vorrichtung ein Trackingsystem zum Erfassen einer Augenposition des Nutzers aufweisen. Um die Abhängigkeit von einer vorgegebenen Betrachtungsposition zu reduzieren, können dann die beiden Ansichten fortlaufend an die durch ein Trackingsystem erfassten Augenpositionen des Nutzers angepasst werden, um aus jedem beliebigen Blickwinkel eine perspektivisch korrekte Darstellung zu gewährleisten.In a supplementary embodiment, the device can have a tracking system for detecting the user's eye position. To reduce dependence on a predetermined viewing position, the two views can then be continuously adjusted to the user's eye positions detected by a tracking system to ensure a perspectively correct display from any viewing angle.
Exemplarisch kann das Trackingsystem mit einer Stereokamera ausgebildet sein.
Alternativ oder ergänzend ist auch eine Darstellung von mehr als zwei Ansichten möglich, wobei durch eine optische Vorrichtung dafür gesorgt wird, dass jede Ansicht nur aus einem annähernd passenden Blickwinkel sichtbar ist.Alternatively or additionally, it is also possible to display more than two views, whereby an optical device ensures that that each view is only visible from an approximately suitable angle.
Im Kern besteht die Vorrichtung aus insgesamt drei LCD-Glasschichten und einem beleuchteten Zwischenraum, in dem sich physische Elemente befinden. Die unterste LCD-Glasschicht bildet die Rückwand des Zwischenraums und stellt eine zweidimensionale Hintergrundgrafik dar. Gleichzeitig bietet sie dort wo es nötig ist eine weiße Hintergrundmaske für die Inhalte auf dem Haupt-Display. Das Haupt-Display zeigt alle virtuellen Elemente an, die räumlich vor oder hinter der Rückwand erscheinen sollen. Im Gegensatz zum Rückwand-Display kann es durch seine Position auch über den physischen Elementen im Zwischenraum Inhalte anzeigen. Mithilfe eines weiteren Displays, das mit etwas Abstand eine Parallax-Barriere anzeigt, bekommen diese Elemente eine stereoskopische Tiefenwirkung. Die Perspektive auf dem Haupt-Display und das Streifenmuster auf dem oberen Display werden an die von dem Trackingsystem erfassten Augenpositionen angepasst.At its core, the device consists of a total of three LCD glass layers and an illuminated space in between, in which physical elements are located. The bottommost LCD glass layer forms the back wall of the space and displays a two-dimensional background graphic. At the same time, it provides a white background mask for the content on the main display where necessary. The main display shows all virtual elements that are intended to appear spatially in front of or behind the back wall. Unlike the rear wall display, its position also allows it to display content above the physical elements in the space. With the help of an additional display, which displays a parallax barrier at a certain distance, these elements are given a stereoscopic depth effect. The perspective on the main display and the stripe pattern on the upper display are adjusted to the eye positions detected by the tracking system.
Da die LCD-Glasschichten eine Art Lichtfilter darstellen, die kein eigenes Licht erzeugen können, muss die gesamte Helligkeit im Backlight und in der Ausleuchtung des Zwischenraums erzeugt werden. Um exzessiven Stromverbrauch und Abwärme durch die Beleuchtung zu vermeiden, sollte die Vorrichtung nach außen so lichtdurchlässig wie möglich gemacht werden. Kühleinrichtungen wie Kühlrippen am Backlight sind vorteilhaft.Since the LCD glass layers act as a kind of light filter and cannot generate their own light, all of the brightness must be generated by the backlight and the illumination of the space between them. To avoid excessive power consumption and waste heat from the illumination, the device should be made as transparent as possible. Cooling devices such as cooling fins on the backlight are advantageous.
Daher ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung die mittlere LCD-Glasschicht umgekehrt verbaut, d.h. die Polarisation der oberen Schicht der mittleren LCD-Glasschicht entspricht der Polarisation der unteren Schicht der oberen LCD-Glasschicht. Andernfalls würden sich der obere Polarisierungsfilter der unteren Schicht und der untere der oberen Schicht gegenseitig blockieren, weil der untere und der obere Polarisierungsfilter in einem LCD konventionell um 90° zueinander gedreht sind. Es kann nur deshalb Licht durchdringen, weil es durch die Flüssigkristalle zwischen den Filtern seine Polarisierung verändert. Wenn zwei baugleiche LCD-Glasschichten mit ihren Oberseiten aufeinanderliegen, sind auch die Polarisierungsfilter zwischen den LCD-Glasschichten immer identisch ausgerichtet und daher lichtdurchlässig.Therefore, according to a further embodiment, the middle LCD glass layer is installed in reverse, i.e. the polarization of the upper layer of the middle LCD glass layer corresponds to the polarization of the lower layer of the upper LCD glass layer. Otherwise, the upper polarizing filter of the lower layer and the lower layer of the upper layer would block each other because the lower and upper polarizing filters in an LCD are conventionally rotated 90° to each other. Light can only penetrate because its polarization is changed by the liquid crystals between the filters. If two identical LCD glass layers lie on top of each other with their upper sides, the polarizing filters between the LCD glass layers are always aligned identically and therefore transparent to light.
Zusätzlich zu der in jedem LCD-Bildschirm vorhandenen Hintergrundbeleuchtung kann auch eine nach innen gerichtete Ausleuchtung des Zwischenraums mit einem weiteren Beleuchtungselement nötig sein, damit die Elemente im Inneren deutlich sichtbar sind.In addition to the backlight present in every LCD screen, it may also be necessary to illuminate the space inwards with an additional lighting element so that the elements inside are clearly visible.
Die Verwendung von transparenten LCDs bringt eine Einschränkung in der farblichen Gestaltung der darunterliegenden Elemente mit sich, weil sie durch ihre Funktionsweise auf einen hellen Hintergrund angewiesen sind. Um diese Einschränkung zumindest teilweise zu umgehen, kann in die Rückwand gemäß einer weiteren Ausführungsform eine LCD-Glasschicht integriert sein. Diese erlaubt es, den Hintergrund des oberen Bildschirms nur dort zu erhellen, wo zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich etwas angezeigt werden soll. Dies kann die Kontrolle über das Aussehen der Rückwand verbessen. Alle physischen Elemente darüber müssen allerdings weiterhin in hellen Farben gehalten werden, wenn auf dem Bildschirm darüber etwas angezeigt werden soll.The use of transparent LCDs imposes a restriction on the color design of the underlying elements, because their functionality requires a bright background. To at least partially circumvent this restriction, a further embodiment can incorporate an LCD glass layer into the back panel. This allows the background of the upper screen to be illuminated only where something is actually to be displayed at a given time. This can improve control over the appearance of the back panel. However, all physical elements above must still be kept in bright colors if something is to be displayed on the screen above.
Um Interaktionen wie zum Beispiel den Zusammenstoß, zwischen einer virtuellen Flipperkugel und einem physischen Spielfeldelement zu ermöglichen, müssen die Formen der physischen Elemente in der digitalen Simulation hinterlegt sein. Dazu wird ein entweder durch einen 3D-Scan ein digitales Modell der physischen Elemente unter dem Bildschirm erstellt, oder diese werden anhand eines manuell erstellten digitalen Modells hergestellt.To enable interactions such as the collision between a virtual pinball and a physical playfield element, the shapes of the physical elements must be stored in the digital simulation. This can be done either by creating a digital model of the physical elements below the screen using a 3D scan, or by creating them based on a manually created digital model.
Im Stand der Technik der erweiterten Realität sind Interaktion zwischen realen und virtuellen Elementen sozusagen eine Einbahnstraße. Die Realität kann sich auf virtuelle Elemente auswirken, aber andersherum kann die Computersimulation keinen direkten Einfluss auf die Realität nehmen. Gemäß einer weiteren, in
Wie eingangs angeführt kann die Erfindung auch jenseits der Spieleautomaten zum Einsatz kommen. In einer weiteren Ausführungsform ist die vorgeschlagene Vorrichtung demnach als ein Einrichtungsgegenstand, z.B. einer Vitrine oder ein Tisch, ausgebildet. Der Einrichtungsgegenstand umfasst unter anderem den Bildschirm, der in dem mindestens partiell durchlässigen Modus den Blick auf ein Inneres des Einrichtungsgegenstandes zulassen kann. Der Einrichtungsgegenstand kann eingerichtet sein, im Inneren physische Objekte wie Geschirr oder dergleichen aufzunehmen. Das Innere des Einrichtungsgegenstandes kann zugleich der Zwischenraum der vorgeschlagenen Vorrichtung sein. Demnach kann der Einrichtungsgegenstand eingerichtet sein, für einen Benutzer mindestens ein digitales Element derart über den Bildschirm wiederzugeben, dass der durch die Wiedergabe hervorgerufene räumliche Eindruck mit in dem Inneren des Einrichtungsgegenstand befindlichen physischen Objekten und/oder dem Einrichtungsgegenstand selbst wechselwirkt.As mentioned above, the invention can also be used beyond gaming machines. In a further embodiment, the proposed device is designed as a piece of furniture, e.g., a display case or a table. The piece of furniture includes, among other things, the screen, which, in the at least partially transparent mode, can allow a view of the interior of the piece of furniture. The piece of furniture can be configured to accommodate physical objects such as dishes or the like. The interior of the piece of furniture can also be the space between the proposed device. Accordingly, the piece of furniture can be configured to display at least one digital element for a user via the screen in such a way that the spatial impression evoked by the display interacts with physical objects located inside the piece of furniture and/or the piece of furniture itself.
Denkbar wäre zum Beispiel, dass das mindestens ein digitales Element zur Wiedergabe eines sich scheinbar im Innenraum des Einrichtungsgegenstandes bewegenden Objektes dient. Exemplarisch kann sich ein deformierbarer oder starrer Körper scheinbar durch den Innenraum des Einrichtungsgegenstandes bewegen und an den im Inneren befindlichen physischen Objekten, insbesondere den Außenwänden der Innenwand, abprallen. Dies kann dem Hervorrufen eines dekorativen Eindruckes, wie bei einer Lavalampe, dienen. Ebenso kann dies zur gezielten Inszenierung von in dem Innenraum des Einrichtungsgegenstandes befindlichen Objekten dienen. Exemplarisch kann somit der vorgeschlagene Einrichtungsgegenstand zur Präsentation und Bewerbung von Objekten nutzbar sein.It would be conceivable, for example, for the at least one digital element to serve to reproduce an object seemingly moving within the interior of the piece of furniture. For example, a deformable or rigid body could appear to move through the interior of the piece of furniture and bounce off the physical objects located inside, particularly the outer walls of the interior wall. This could serve to create a decorative impression, such as a lava lamp. Likewise, it could serve to specifically showcase objects located within the interior of the piece of furniture. Thus, for example, the proposed piece of furniture could be used to present and advertise objects.
Ebenfalls denkbar und möglich ist die Realisierung einer Vorrichtung zur Übung handwerklicher Vorgänge. Dies kann insbesondere das Üben eines medizinischen Eingriffes betreffen. Hierbei können über die digitalen Elemente räumliche Eindrücke betreffend einen Teil des menschlichen Körpers erzeugt werden. Diese können exemplarisch auf einem fest in dem Zwischenraum der Vorrichtung angeordneten physischen Untergrund aufliegen und mit diesem wechselwirken. Weiterhin ist es denkbar und möglich, dass ebenfalls physische Elemente seitlich in den Zwischenraum eingeführt werden und eine Wechselwirkung dieser beweglichen physischen Elemente mit den digitalen Elementen simuliert und angezeigt wird. So ist es auch denkbar und möglich, dass ein Nutzer medizinische Instrumente, wie Skalpelle, in den Zwischenraum der vorgeschlagenen Vorrichtung einführt, um einen medizinischen Eingriff an dem simulierten Teil des menschlichen Körpers vorzunehmen.Likewise conceivable and possible is the realization of a device for practicing manual processes. This can particularly relate to practicing a medical procedure. In this case, spatial impressions relating to a part of the human body can be generated using the digital elements. These impressions can, for example, rest on a physical surface fixedly arranged in the space between the device and interact with it. Furthermore, it is conceivable and possible for physical elements to be inserted laterally into the space and for an interaction between these movable physical elements and the digital elements to be simulated and displayed. It is also conceivable and possible for a user to insert medical instruments, such as scalpels, into the space between the proposed device in order to perform a medical procedure on the simulated part of the human body.
Im Hinblick auf alle diskutierten Ausführungsformen kann das mindestens ein physisches Element mit dem Beleuchtungselement und/oder dem Display verbunden sein. Eine Verbindung ist dabei sowohl mittelbar als auch unmittelbar denkbar. Mittelbar heißt dabei, dass zwei Elemente nicht aneinandergrenzen sondern über ein weiteres Element miteinander in Verbindung stehen.With regard to all of the embodiments discussed, the at least one physical element can be connected to the lighting element and/or the display. A connection is conceivable both indirectly and directly. Indirect means that two elements are not adjacent to one another but are connected via another element.
Exemplarisch kann die Vorrichtung einen Korpus aufweisen, an dem das mindestens eine physische Element und das Beleuchtungselement angeordnet sind. Alternativ können auch das mindestens eine physische Element und das Display an dem Korpus angeordnet sein. Weiter alternativ können auch das mindestens eine physische Element und das Beleuchtungselement und das Display an dem Korpus angeordnet sein.By way of example, the device can have a body on which the at least one physical element and the lighting element are arranged. Alternatively, the at least one physical element and the display can also be arranged on the body. Further alternatively, the at least one physical element and the lighting element and the display can also be arranged on the body.
Claims (5)
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|---|---|---|---|---|
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-
2023
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| Breen D.E. et al: Interactive Occlusion and Collision of Real and Virtual Objects in Augmented Reality. ECRC-95-02, München 1995 |
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