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Die
Erfindung betrifft ein System zur stereoskopischen Wiedergabe von
Bildern insbesondere von Videoclips, Filmen etc..
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Es
existieren verschiedene Techniken zur dreidimensionalen Wiedergabe.
Schon lange bekannt ist die Anaglyphentechnik: Durch einfache Rot/Grün Überlagerung
der beiden Links/Rechts-Teilbilder und Betrachtung des Summenbildes
durch Filterbrillen, die für das jeweilige Auge nur den
entsprechenden Farbanteil durchlassen, entsteht für den
Betrachter ein stereoskopischer Eindruck. Nachteilig ist dabei die
systembedingte Farbausfilterung, so dass mit dieser Technik keine
realistischen Farbbilder wiedergegeben werden können.
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Ein
anderes Verfahren, welches im Fernsehen gelegentlich zum Einsatz
kommt, ist das Pulfrich-Verfahren. Auch hier werden zur Betrachtung Brillen
verwendet, wobei jedoch der Strahlengang für ein Auge stärker
abgedunkelt wird als für das andere. Hierzu werden häufig
ebenfalls Farbbrillen verwendet (aus Kostengründen), obwohl
es nur auf die unterschiedliche Abdunklung ankommt. Durch die unterschiedliche
Helligkeit gelangt die Sehinformation leicht verzögert
zu den verarbeitenden Bereichen des Gehirns. Bewegt sich eine dargestellte
Szene im rechten Winkel zum Betrachter, so kommt es durch die zeitliche
Verzögerung der Wahrnehmung für ein Auge zur Parallaxe
und die Szene wird räumlich wahrgenommen. Der Vorteil dieser
Technik besteht in der Einfachheit der Wiedergabetechnik. Nachteilig ist,
dass sich die Szene ständig in Bewegung befinden muss,
was oft nach einiger Zeit als unangenehm empfunden wird. Zudem muss
sich die Szene immer in die gleiche Richtung bewegen, da sich sonst
die Tiefeninformation umkehren würde. Auch muss die Bewegungsgeschwindigkeit
konstant gehalten werden, da sonst die Tiefeninformation nicht richtig
wiedergegeben wird.
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Im
Computerbereich wird häufig eine anderes Verfahren verwendet:
Die Rechts-/Links Anteile werden dabei durch so genannte Shutterbrillen
separiert, die durch elektrisch schaltbare Polarisationsfilter das
Licht, z. B. von einem Monitor oder Projektor, abwechselnd nur für
das rechte oder linke Auge des Betrachters durchlassen. Die Shutterbrille
ist dabei mit dem Wiedergabegerät (z. B. Monitor) synchronisiert,
so dass von der dort dargestellten Wechselfolge von Links/Rechts-Teilbildern
entsprechend nur die jeweiligen Teilbilder das linke bzw. rechte
Auge erreichen. Diese Technik bietet zwar eine farbgetreue Wiedergabe,
hat dafür aber den Nachteil, dass die Helligkeit stark
reduziert wird, da (abwechselnd) die Bildwiedergabe nur von einem
Auge des Betrachters wahrgenommen wird (also nur die Hälfte
der Gesamthelligkeit des Monitors) und zusätzlich die Polarisationsfilter
bereits für sich (auch in der Durchlassphase) Licht absorbieren.
Zudem erfordert die ständige Links/Rechts-Ausblendung eine
sehr hohe Bildwiederholfrequenz (mind. 120–160 Hz) damit
ein störender Flacker-Effekt unterdrückt wird.
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Ein
anderes Prinzip basiert auf der Interferenzfiltertechnik. Ein Verfahren
zur Erzeugung einer optisch dreidimensional wahrnehmbaren Bildwiedergabe
nach der Interferenzfiltertechnik bzw. ein entsprechendes Stereoprojektionssystem
ist aus der
DE 199
24 167 B4 bekannt. Dabei werden zur Projektion zwei Interferenzfilter
mit leicht unterschiedlicher spektraler Filterwirkung eingesetzt.
Die Durchlassbereiche der beiden Filter sind dabei gegeneinander verschoben
so angeordnet, dass sie keinen Überlapp zeigen und damit
orthogonal zueinander ausgebildet sind. Mit Hilfe der beiden zueinander
orthogonalen Interferenzfilter, die jeweils drei Durchlassbereiche für
die drei Primärvalenzen im Bereich der blauen, grünen
und roten Farbwahrnehmung zeigen, lassen sich zwei voneinander getrennte
Bilder, eins für das linke Auge und eins für das
rechte Auge realisieren, mit deren Hilfe ein dreidimensional wahrnehmbares Bild
auf einen Schirm projiziert werden kann. Dieses Bild wird von einem
Betrachter selektiv durch die getrennten Augen wahrgenommen, indem
er eine Brille aufweist, deren linkes Brillenglas eine Filtercharakteristik
entsprechend dem einen Interferenzfilter und das rechte Brillenglas
eine Filtercharakteristik entsprechend dem anderen Interferenzfilter
zeigt. Dadurch lassen sich die beiden Bilder auf dem Schirm sicher
augenspezifisch voneinander trennen und die Stereowirkung bzw. die
dreidimensionale Wirkung der Bilder beim Betrachter erzeugen. Man
spricht auch von dem Wellenlängen-Multiplex-Verfahren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur
Wiedergabe von Stereobildern mit einer Displayeinheit anzugeben,
das eine gute Farbwiedergabe zeigt und darüber hinaus einen einfachen
und preisgünstigen Aufbau zeigt.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch das System zur Wiedergabe von
Stereobildern mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße System zur Wiedergabe von Stereobildern
zeichnet sich durch das Konzept der Integration des Wellenlängen-Multiplex-Verfahrens
zur Hinterleuchtung des Pixelarrays der Displayeinheit mit dem Konzept
des Zeitmultiplex der Hinterleuchtung in Verbindung mit dem entsprechenden
Zeitmultiplex der Ansteuerung des Pixelarrays der Displayeinheit
mit den „linken" bzw. „rechten" Bildern der Stereobilder
aus. Dadurch ist sichergestellt, dass die Bilddaten der Stereobilder
sequentiell nach dem Zeitmultiplex-Konzept mit Hilfe des Pixelarrays dargestellt
werden und dabei zugleich mit Hilfe des Wellenlängen-Multiplex-Konzepts
unterscheidbar und damit trennbar gemacht werden. Die Trennung der
Stereobilder erfolgt anschließend durch die Stereobrille
des Betrachters, deren Brillengläser entsprechend dem Wellenlängen-Multiplex-Verfahren ausgebildet
sind und den spektralen Charakteristiken der selektiven Hintergundbeleuchtung
entsprechen.
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Durch
diesen neuartigen Ansatz für ein System zur Wiedergabe
von Stereobildern ist eine sehr sichere Trennung der Stereobilder
gewährleistet, ohne dass dies zu erheblichen Kosten für
die Realisierung der Displayeinheit führt.
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Auch
eine einfache und kostengünstige Realisierung der Stereobrille
für den Benutzer des erfindungsgemäßen
Systems ist damit verbunden. Die erfindungsgemäße
Displayeinheit ist dabei im Wesentlichen unabhängig von
der verwendeten Pixelarray-Technologie, so dass abhängig
von den sonstigen technischen insbesondere den äußeren
Bedingungen oder kostenmäßigen Rahmenbedingungen die
jeweils geeignete Pixelarray-Technologie z. B. LCD-, TFT-Technologie
und ähnliches verwendet werden kann.
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Das
erfindungsgemäße System besticht durch das sehr
geringe bis nicht vorhandene Übersprechverhalten der beiden
Stereokanäle sowie durch einen ausgesprochen guten Tragekomfort
der Brille und der Mobilität des Benutzers durch die mechanisch
und elektrisch von der Displayeinheit entkoppelte Brille.
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Nach
einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern werden die wenigstens zwei
Leuchtquellen von der Art der Lichtquelle identisch realisiert.
Dabei haben sich insbesondere Leuchtdioden, die insbesondere als
lineare Anordnung von LEDs ausgebildet sind, Lumineszenzröhren
oder Gasentladungslampen vorzugsweise als stabförmige Halogenleuchten
bzw. Blitzlampen bewährt. Diese stellen sehr leuchtstarke
und kompakte Lichtquellen für die Leuchtquellen der Displayeinheit
dar, die sich zudem durch eine reduzierte Wärmeentwicklung
auszeichnen und dadurch eine sehr kompakte und wenig anfällige
Realisierung der erfindungsgemäßen Displayeinheit
ermöglichen.
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Dabei
ist die Displayeinheit mit einem flachen, quaderförmigen
Gehäuse versehen, dessen Ausdehnung im Wesentlichen durch
das Format des Pixelarrays bestimmt ist.
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Vorzugsweise
werden die Leuchtquellen so gewählt, dass sie Lichtquellen
enthalten, die das Licht zur vollflächigen Beleuchtung
des Pixelarrays in einer Weise erzeugen, dass sie ohne zusätzliche Komponenten
Licht erzeugen, das mehrere schmale, voneinander getrennte Spektralbereiche
so aussenden, dass die eine Leuchtquelle Spektralbereiche aussendet,
die orthogonal zu den Spektralbereichen der anderen Lichtquelle
bzw. Lichtquellen sind. Hierdurch gelingt es, die Anzahl der Komponenten
durch die geeignete Wahl der Leuchtquellen gering zu halten und
dadurch das System zur Wiedergabe von Stereobildern sehr einfach
und wenig anfällig zu realisieren.
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Daneben
hat es sich bewährt, breitbandige Lichtquellen in den Leuchtquellen
vorzusehen, denen Filter mit mehreren schmalbandigen, transmittierenden
Intervallen zur Reali sierung der orthogonalen Spektralbereiche zugeordnet
sind. Diese Realisierung des erfindungsgemäßen
Systems ermöglicht durch die Anpassung der Filter in ihrer
Charakteristik unterschiedliche Systeme zu realisieren, die an verschiedene äußere
Rahmenbedingungen angepasst sind, ohne dass aufwändige
Systemanpassungen insbesondere hinsichtlich der Energieversorgung oder
des Wärmemanagements notwendig sind.
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Eine
beispielhafte Ausbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
dass die Farbfilter für die beiden Bilder des Stereobildes
in der Displayeinheit und/oder in den Gläsern der Stereobrille
so ausgebildet sind, dass die Anzahl der transmittierenden Intervalle
gegenüber dem bekannten Stand der Technik zahlenmäßig
reduziert sind. Die Erfindung zeigt eine Anzahl an transmittierenden
Intervallen für die beiden Perspektivteilbilder, welche
gleich oder kleiner als 6 insbesondere 5 oder 4 ist. Von diesen
5 oder weniger transmittierenden Intervallen, die wechselseitig
keinen Überlapp haben, zeigt wenigstens ein transmittierendes
Intervall eine Anordnung im Bereich zweier Farbwahrnehmungen aus
Blau (B), Grün (G) oder Rot (R). Die anderen transmittierenden Intervalle
sind so im Frequenzspektrum angeordnet, dass sie im Bereich einer
einzigen Farbwahrnehmung, also Blau oder Grün oder Rot
angeordnet sind. Diese transmittierenden Intervalle für
eine Farbwahrnehmung zeigen vorzugsweise eine Bandbreite im Bereich
von etwa 30 nm oder merklich darunter, wodurch eine sichere Abgrenzung
und Anordnung innerhalb eines Bereiches einer Farbwahrnehmung möglich
ist und ein sicheres Abgrenzen bzw. Trennen von den anderen transmittierenden
Intervallen gegeben ist. Hierzu werden die transmittierenden Intervalle
so angeordnet, dass sie einen ausreichenden Abstand zueinander haben.
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Insbesondere
für eine Anwendung in abgedunkelten Umgebungen hat sich
ein ausgewähltes System zur Wiedergabe von Stereobildern
bewährt, bei dem sich alle Leuchtquellen auf der gleichen
Seite des Pixelarrays befinden wie der Betrachter mit der ihm zugeordneten
Stereobrille. Hierbei wird das Pixelarray mit dem Auflicht der mehreren
Leuchtquellen beaufschlagt, wodurch es gelingt, ein sehr großflächiges
Pixelarray zu realisieren, das durch abgesetzte Leuchtquellen vollflächig
beleuchtet wird, ohne dass es zu einer optischen Beeinträchtigung der
Wiedergabe der Stereobilder kommen würde.
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Alternativ
hierzu hat es sich bewährt, die Leuchtquellen und die Betrachter
auf unterschiedlichen Seiten des Pixelarrays anzuordnen, und das
Pixelarray und damit die Displayeinheit in einem Durchlichtbetrieb
zu betreiben. Dies führt dazu, dass eine sehr kompakte
Realisierung der Displayeinheit mit ihrem Gehäuse ohne
Beeinträchtigung des Bereiches zwischen dem Betrachter
und dem Pixelarray ermöglicht ist.
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Besonders
kompakte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Displayeinheit
werden durch die bevorzugte Verwendung von Lichtleitern zur Lichtverteilung
des Lichts der Leuchtquellen in Richtung des Pixelarrays ermöglicht.
Durch die Anordnung der Leuchtquellen auf der anderen Seite des
Pixelarrays relativ zum Betrachter ist ein Betrieb auch unter schwierigeren
optischen Bedingungen gerade bei Vorhandensein von Störlicht
ermöglicht, was die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Systems wesentlich erweitert und dabei die Anforderungen an die
einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Systems
reduziert, was mit einer Reduzierung der Gesamtkosten des erfindungsgemäßen
Systems einhergeht.
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Eine
besonders bevorzugte erfindungsgemäße Realisierung
des Systems zeigt einen oder mehrere Lichtleiter zur möglichst
gleichmäßigen, flächigen Lichtverteilung
in Richtung Pixelarray. Wenigstens ein Lichtleiter zeigt dabei mehrere
Stirnflächen zur Aufnahme des Lichtes mehrerer Leuchtquellen.
Jeder Stirnfläche ist dabei eine Lichtquelle einer Leuchtquelle
zugeordnet, die vorzugsweise eine breitbandige Strahlungscharakteristik
aufweist und die mit einem Filter mit mehreren schmalbandigen Transmissionsbereichen
zur Realisierung der orthogonalen Spektralbereiche der verschiedenen Leuchtquellen
versehen ist.
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Vorzugsweise
ist der Filter einer Leuchtquelle direkt auf der der Leuchtquelle
zugeordneten Stirnfläche des Lichtleiters insbesondere
durch Verklebung aufgebracht bzw. angeordnet. Dies stellt eine sehr
sichere und verlustarme Einkopplung des Lichtes der Leuchtquelle
in den Lichtleiter sicher.
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Nach
einer bevorzugten Ausbildung dieses Systems sind die verschiedenen
Leuchtquellen, welche in verschiedene Stirnflächen des
Lichtleiters einkoppeln, durch eine lichtundurchlässige
Trennschicht bzw. Trennwand voneinander lichttechnisch so getrennt,
dass ein Übersprechen der sequentiell und damit im Zeitmultiplex
betriebenen Leuchtquellen auch in einem verschränkten Betrieb
sicher verhindert wird. Dadurch ist die sehr sichere Kanaltrennung erreicht
und damit ein sehr angenehmes Stereobildwiedergabeverhalten gewährleistet.
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Nach
einer bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern ist das Pixelarray räumlich
in unterschiedliche, voneinander getrennte Segmente gegliedert. Beispielsweise
ist das Pixelarray in zwei vertikal voneinander getrennte Segmente,
einem oberen und einem unteren Segment, getrennt. Dabei sind die Leuchtquellen
so ausgebildet und so gesteuert, dass sie die einzelnen Segmente
selektiv und sequentiell mit Licht beaufschlagen können,
wobei die Pixel des Pixelarrays segmentweise so angesteuert werden, dass
zum Zeitpunkt der Beleuchtung der jeweiligen Segmente das jeweilige
Segment mit den Bildinformationen beaufschlagt ist und das Segment
somit das gewünschte Bild im Bereich des Segmentes wiedergeben
kann. Damit ist sichergestellt, dass segmentweise das jeweilige
Bild des Stereobildes wiedergegeben wird und somit die Zeit zwischen
der Wiedergabe von Bildinformationen für ein Auge deutlich
reduziert beispielsweise halbiert ist und damit die Totzeiten für
ein Auge stark verringert wird. Der unangenehme Effekt des Flackerns
bei der Stereobildwiedergabe kann damit deutlich reduziert werden.
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Nach
einer anderen bevorzugten Realisierung des Systems ist die Displayeinheit
so ausgebildet, dass die Zeitspanne für den Aufbau eines
Bildes größer gewählt ist als die Zeitspanne
der Beleuchtung des Pixelarrays für dieses Bild des Stereobildes. Hierdurch
lässt sich sicherstellen, dass in der Lücke zwischen
der Beleuchtung des Pixelarrays durch eine Leuchtquelle ausreichend
Zeit vorhanden ist, dass die andere Leuchtquelle ihre Beleuchtung
und damit die Wiedergabe des anderen Bildes des Stereobildes sicher
und verlässlich zum Abschluss bringen kann. Hierdurch gelingt
es, eine sehr angenehme Wiedergabe des Stereobildes zu realisieren.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen
System zur Wiedergabe von Stereobildern ist die Stereobrille mit
Brillengläsern, abhängig von der von der Anzahl
der Personen, die zeitgleich das System zur Wiedergabe von Stereobildern
nutzen wollen, gewählt. Die optischen Eigenschaften der
Brillengläser sind dabei so gewählt, dass sie
bevorzugt identisch zu den optischen Eigenschaften der korrespondierenden
Filter in der Displayeinheit sind. Hierdurch ist eine optimale Nutzung
der projizierten Bildinformation und Helligkeit der Bilder erreicht,
so dass der oder die Nutzer des erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern sehr ange nehme und helle
sowie farbechte stereoperspektivische Bilder wahrnehmen können.
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Auch
hat es sich bewährt, die Brillengläser in deren
Filtereigenschaften nicht vollständig identisch zu denjenigen
der Filter in der Displayeinheit sondern vielmehr entsprechend zueinander
auszubilden. Hierdurch können zielgerichtet Unterschiede
in der Fertigungsqualität oder in der Auslegung genutzt werden
bzw. dazu verwendet werden, dass bestimmte vorteilhafte Darstellungssituationen
erreicht werden können. Beispielhaft gelingt es durch eine
Kombination der Filter in der Displayeinheit und in der oder den
Brillen, die sich durch eine Permutation einzelner begrenzter transmittierender
Intervalle entweder im blauen oder grünen oder roten Farbwahrnehmungsbereich
in den korrespondierenden Filtern voneinander unterscheiden, die
Bildwechselrate der Displayeinheit abzusenken, ohne dass ein unangenehmes
Flackern der Stereobilder wahrnehmbar ist. Es wird hier auch von
verschränktem Betrieb gesprochen.
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Dabei
hat sich das nachfolgend beschriebene System zur Wiedergabe von
Stereobildern als besonders bevorzugt herausgestellt. Dieses zeigt
Filter der Displayeinheit mit einer Permutation begrenzter, transmittierender
Intervalle der Filter im blauen oder grünen oder roten
Farbwahrnehmungsbereich und wenigstens eine Stereobrille, die Filtereigenschaften zeigt,
welche mit 6 nicht permutierten, transmittierenden Intervallen ausgestattet
sind. Im Rahmen der angesprochenen Permutation ist ein Austausch
zweier transmittierender Intervalle zwischen entsprechenden Filtern
(rechte Seite gegenüber linker Seite bzw. rechtes Bild
des Stereobildes gegenüber linkem Bild des Stereobildes)
innerhalb einer Farbe, das heißt innerhalb einer Farbwahrnehmung,
erfolgt, wobei zusätzlich wenigstens eine Verschmelzung
zweier benachbarter, transmittierender Intervalle zu einem gemeinsamen
transmittierenden Intervall erfolgt ist, das sich über
zwei Farbwahrnehmungsbereiche erstreckt. Damit ist die Summe der
transmittierenden spektralen Intervalle in dem Filter der Displayeinheit beispielsweise
von 6 auf 5 reduziert. Erfindungsgemäß wird nun
entsprechend der Permutation der transmittierenden Intervalle ein
Austausch der zugeordneten darzustellenden Farbbilddaten vorgenommen
und dadurch eine Verschränkung der Stereobilddaten mit
den beiden Leuchtquellen der Displayeinheit erreicht.
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Wird
beispielsweise eine Permutation der roten transmittierenden Intervalle
R1 und R2, also deren Austausch mit der anschließenden
Zusammenführung des benachbarten Intervalls G2 mit R1 realisiert,
so wird nun die Bildinformation, das heißt die Farbbilddaten,
für die Darstellung mittels R2 nun nicht mehr mittels der
ersten Leuchtquelle und dem Pixelarray sondern mittels der zweiten
Leuchtquelle und dem Pixelarray vorgenommen. Dies führt
zu einer zeitlichen Verschiebung der Darstellung dieser „permutierten"
Farbbilddaten, da die mit Hilfe der jeweiligen Leuchtquelle und
dem Pixelarray geschaffenen Bilder der Stereobilder ohne Permutation
jeweils komplett und immer nur einzeln in alternierender Reihenfolge
dargestellt werden, wohingegen aufgrund der Permutation dies aufgehoben
ist. Aufgrund der Permutation wird die zeitliche Trennung der Wiedergabe
der beiden Bilder (links und rechts) der Stereobilder erfindungsgemäß aufgehoben.
Hierdurch gelingt es, die zeitlichen Lücken zwischen der
Darstellung der linken Bilder der Stereobilder, die dadurch entstehen,
dass in der Lücke die anderen, rechten Bilder der Stereobilder
dargestellt werden, mit Bildern beziehungsweise Bildinformationen
in der permutierten Farbe aufzufüllen.
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Dadurch
gelingt es erfindungsgemäß, ein unangenehmes Flackern
der wiedergegebenen Stereobilder zu verhindern oder zu reduzieren.
Durch diese verbesserte Ausbildung des Systems zur Wiedergabe von
Stereobildern ist es möglich, die an sich unerwünscht
hohe Bildwiederholrate der Displayeinheit, die die Komponenten der
Displayeinheit erheblich belastet, zu erniedrigen und dadurch die
Lebenszeit der Komponenten des Systems zu erhöhen.
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In
entsprechender erfindungsgemäßer Weise hat es
sich bewährt, die Permutation nicht in den Filtern der
Displayeinheit vorzunehmen, sondern in den Filtern der Brillengläser
der Stereobrille. Dies führt zu den entsprechenden Vorteilen,
wie sie auch bei der zuvor genannten Ausbildung der Erfindung erreicht
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben, wobei Bezug
genommen wird auf die Zeichnungen und die darin angegebenen Bezugszeichen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen beschränkt.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern,
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2 einen
zeitlichen Ablauf der Aktivitäten einer erfindungsgemäßen
Displayeinheit
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3 eine
beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen
Displayeinheit mit Lichtleiter
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3a einen
Ausschnitt aus 3 mit dem Lichtleiter
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4 eine
schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern,
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5 eine
schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen
Systems zur Wiedergabe von Stereobildern mit segmentiertem Pixelarray
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6 einen
zeitlichen Ablauf der Aktivitäten der erfindungsgemäßen
Displayeinheit aus 5
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7 eine
beispielhafte spektrale Verteilung der transmittierenden Intervalle
zweier erfindungsgemäßer orthogonalen Filter
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8a eine
spektrale Verteilung der transmittierenden Intervalle für
die Stereobrille und die Displayeinheit
b eine zeitliche Abfolge
der wiedergegebenen und wahrzunehmenden Farbbilddaten
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9 eine
schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen
Systems mit verschränktem Betrieb
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10 eine
spektrale Verteilung der transmittierenden Intervalle gemäß eines
beispielhaften erfindungsgemäßen Systems für
eine Stereobrille und für eine Displayeinheit mit verschränktem
Betrieb
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11 eine
zeitliche Abfolge der projizierten und wahrzunehmenden Farbbilddaten
eines beispielhaften erfindungsgemäßen Systems
bei verschränktem Betrieb
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht den preisgünstigen
Einsatz des Wellenlängen-Multiplex-Verfahrens mit herkömmlichen
Displaytechnologien. Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes
System zur Wiedergabe von Stereobildern ist in 1 dargestellt.
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Bei
diesem werden zwei Leuchtquellen 1 und 2 mit jeweils
unterschiedlichen orthogonalen spektralen Eigenschaften synchron
mit zwei unterschiedlichen Bildinhalten (rechtes bzw. linkes Bild
des Stereobildes), die auf einem LCD-Pixelarray 5 dargestellt werden,
sequentiell umgeschaltet. Die unterschiedlichen, zu einander orthogonalen
Spektralbereiche der zwei Leuchtquellen 1 und 2 werden
durch die Filter 3 und 4 erzeugt.
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Bildinhalt
und Spektralbereiche der Leuchtquellen 1 und 2 sind
dabei zeitlich so synchronisiert, dass beiden Augen des Betrachters 7 ein
farbiges, jedoch augenindividuelles Bild zur Verfügung
gestellt werden kann. Die Trennung der Bildinhalte am Auge des Betrachters
geschieht durch die Brille 6, deren Gläser die
Spektralbereiche durchlassen, die zum jeweiligen Auge (rechtes Auge – rechtes
Bild bzw. linkes Auge – linkes Bild) gehören,
und die anderen spektralen Bereiche entsprechend unterdrücken.
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Im
einfachsten Fall besitzt Filter 1 der Displayeinheit die
gleichen drei spektralen Transmissionsbereiche wie eines der Gläser
von Brille 6 und wie der andere Filter 2 der Displayeinheit
besitzt die gleichen spektralen Transmissionsbereiche wie das andere
Glas der Brille 6. Die Transmissionsbereiche sind so im
Spektrum angeordnet, dass sie einerseits jeweils einen großen
Farbraum aufspannen können, andererseits keinen gemeinsamen
Durchlassbereich besitzen (Orthogonalität). Die Transmissionsbereiche
eines Filters sind jeweils im Bereich einer Farbwahrnehmung (rot,
grün, blau) angeordnet und zeigen eine erfindungsgemäß typische
Halbwertsbreite von etwa 30 nm.
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Während
das LCD-Pixelarray 5 den Bildinhalt des einen Auges darstellt,
ist die Leuchtquelle 1 aktiv und Leuchtquelle 2 deaktiviert,
während das LCD-Pixelarray 5 kurze Zeit später
das Bild für das andere Auge darstellt, ist Leuchtquelle 2 aktiv
und Leuchtquelle 1 deaktiviert. Der sequentielle Wechsel zwischen
diesen beiden Betriebsarten erfolgt vorteilhafterweise so schnell,
dass der Benutzer ihn nicht wahrnehmen kann. Die Bilddaten werden
damit im Zeitmultiplex-Betrieb durch das LCD-Pixelarray 5 wiedergegeben.
Die augenselektive Trennung dieser im Zeitmultipex-Betrieb durch
das LCD-Pixelarray 5 wiedergegeben Stereobilder erfolgt
anschließend erfindungsgemäß nach dem
Wellenlängen-Multiplex-Konzept.
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Der
zeitliche Ablauf der Helligkeit beider Leuchtquellen 1 und 2 ist
in 2 gezeigt. Die dreidimensionale Bildwiedergabe
findet in vier Phasen statt:
Phase A beschreibt die Zeit für
die Datenübertragung der Bilddaten zum Pixelarray 5 sowie
die Einschwingzeit der LCD-Zellen.
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In
Phase B wird Leuchtquelle 1 aktiv, beleuchtet durch Filter 3 das
Pixelarray 5 vollflächig und stellt das eine Bild
des Stereobildes dar. Bedingt durch Brille 6 ist es nur
für ein Auge mit korrespondierenden Filtereigenschaften
des Brillenglases sichtbar.
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Die
Phasen C und D wiederholen diese Phasen entsprechend für
Leuchtquelle 2 sowie dem Bildinhalt, der für das
andere Auge bestimmt ist.
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Die
Beleuchtung des Pixelarrays 5 kann direkt erfolgen wie
in 1 gezeigt, oder durch die gleichmäßige
Auskopplung von Licht aus einem Lichtleiter 8 wie in 3 dargestellt.
In 3 und 3a ist der Schnitt durch eine
Displayeinheit oder ein Teil davon dargestellt.
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Leuchtquelle 1 koppelt über
Filter 3 in den Lichtleiter 8 ein, Leuchtmittel 2 koppelt über
Filter 4 ebenso in den Lichtleiter 8 ein. Beide
Leuchtmittel sind durch die lichtdichte Abgrenzungswand 9 voneinander
getrennt. Sind Filter 3 und 4 als Interferenzfilter
ausgelegt, so wird das Licht der jeweils anderen Leuchtquelle 2 und 1 reflektiert
und ebenfalls in den Lichtleiter 8 eingekoppelt. Die Stirnflächen
des Lichtleiters 8, durch die das Licht der Leuchtquellen 1, 2 einkoppelt,
bilden ein n-Eck. Die Stirnflächen des Lichtleiters 8 sind
jeweils mit einem Filter 3, 4 mit zueinander orthogonalen
spektralen Durchlassbereichen versehen, indem die Filter 3, 4 auf
die Stirnflächen flächig aufgeklebt sind. Jeder
Filter 3, 4 wird hierbei von einer eigenen Leuchtquelle 1, 2 bestrahlt. Die
Leuchtkörper sind voneinander durch eine Wand 9 aus
lichtundurchlässigem Material voneinander getrennt. Ein
unerwünschtes Übersprechen wird hierdurch verhindert.
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Die
Leuchtquellen 1, 2 sind in diesem Fall als stabförmige
Lichtquellen wie eine Gasentladungslampe, eine lineare Anordnung
von LEDs oder eine Blitzlampe ausgebildet.
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Grundsätzlich
für alle Arten der Einkopplung eignen sich alternativ LEDs
mit spektral weißer Transmission oder auch als Kombination
von mehreren in den passenden spektralen Bereichen selektierten,
farbigen LEDs. Im zweiten Fall ist es bei genügender spektraler
Reinheit der farbigen LEDs als Lichtquelle für Leuchtquellen 1, 2 möglich,
auf die Filter 3 oder 4 zu verzichten oder dessen
Anforderungen bezüglich der Selektivität zu reduzieren.
Dies gilt ebenso für jede andere Art von spektral schmalbandigen
Leuchtkörpern. Dies sorgt für einen vereinfachten
Aufbau der Displayeinheit.
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In
abgedunkelten Umgebungen ist es möglich, das Pixelarray 5 in
Auflichtbetrieb zu betreiben. Hierbei befinden sich Leuchtquellen 1 und 2 sowie die
zugehörigen Filter 3 und 4 auf der gleichen
Seite des Pixelarrays 5 wie der Betrachter 7.
Durch den großen Abstand der Leuchtquellen 1, 2 zum
Pixelarray 5 ist eine vollflächige gleichmäßige Ausleuchtung sichergestellt,
was zu einem einfachen und kostengünstigen Aufbau gemäß 4 führt.
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Zu
langsame Helligkeitswechsel werden vom Auge unangenehm empfunden.
Die Bildwiederholrate ist jedoch aufgrund der Trägheit
der LCD-Zellen des Pixelarrays 5 sowie der elektrischen
Bildübertragung begrenzt. Sind die Filter der Brille 6 so
gestaltet, dass ein Auge zwei Spektralbereiche von Leuchtquellen 1 und
einen Spektralbereich von Leuchtquelle 2 sowie das andere
Auge zwei Spektralbereiche von Leuchtquelle 2 und einen
Spektralbereich von Leuchtquelle 1 erhält, und
dass in den Phasen A und B jeweils zwei Spektralbereiche für das
eine Auge und ein Spektralbereich für das andere Auge,
sowie in den Phasen C und D jeweils zwei Spektralbereiche des anderen
Auges und ein Spektralbereich des einen Auges auf dem Pixelarray 5 dargestellt
werden, dann erfolgt für jedes der betrachtenden Augen
kein sprunghafter Wechsel der Gesamthelligkeit, sondern nur der
Wechsel von einem Teilbild mit einem Spektralbereich zu einem Teilbild
mit zwei Spektralbereichen. Jedes Auge bekommt somit einen gleichmäßigeren
Lichtstrom und ermüdet nicht so schnell wie beim Umschalten
zwischen „aus" und „Beleuchtung mit allen spektralen
Linien". Dies ist in 9 skizziert. Dieser Betrieb
wird auch als verschränkter Betrieb bezeichnet.
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Abhängig
von der Implementierung der Elektronik ist es von Vorteil die Beleuchtung
durch die Leuchtquellen 1 und 2 in zwei oder mehrere
Segmente zu gliedern. Wie in 5 exemplarisch
für zwei Segmente dargestellt, wird die Beleuchtung derart aufgegliedert,
dass, während in dem einen Segment das Bild in einem Segment
des Pixelarrays 5 aufgebaut wird, ein anderes Segment beleuchtet
werden kann. Die Segmente 8a und 8b des Lichtleiters 8 sind durch
eine Trennschicht 9 lichttechnisch getrennt.
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Der
zeitliche Ablauf ist exemplarisch für eine Beleuchtung
in zwei Segmenten in 6 dargestellt. Hierbei wird
im Zeitbereich (E) das untere Halbbild des Pixelarrays 5 mit
Leuchtquelle 2b beleuchtet, während die untere
Hälfte das Bild für das zweite Auge darstellt.
Gleichzeitig wird die obere Hälfte des Bildes neu aufgebaut,
so dass es den Inhalt für das erste Auge darstellt.
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Im
Zeitbereich (F) wird nur die obere Hälfte des Pixelarrays 5 mit
Leuchtquelle 1a beleuchtet, während die untere
Hälfte des Bildes mit dem Inhalt für das erste
Auge aufgebaut wird. Im Zeitbereich (E) wird das untere Halbbild
mit Leuchtquelle 1b beleuchtet, während die untere
Hälfte das Bild für das zweite Auge darstellt.
Gleichzeitig wird die obere Hälfte des Bildes neu aufgebaut,
so dass es den Inhalt für das zweite Auge darstellt.
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Im
Zeitbereich (F) wird nur die obere Hälfte des Displays
mit Leuchtquelle 2a beleuchtet, während die untere
Hälfte des Bildes mit dem Inhalt für das zweite
Auge aufgebaut wird. Weiter folgen Bildaufbau und Beleuchtung zyklisch
mit den Zeitbereichen E, F, G...
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Bei
mehr als zwei Segmenten erfolgt der Bildaufbau entsprechend so,
dass die Beleuchtung dem Bildaufbau der entsprechenden Stelle im
Display um eine möglichst konstante Zeit hinterher eilt.
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Durch
diese erfindungsgemäße Segmentierung mit zugehöriger
Ansteuerung gelingt es, die Totzeiten oder Dunkelphasen für
ein einzelnes Auge zu verkürzen und dadurch ein sehr angenehmes
Stereobildwiedergabeverhalten zu erzeugen.
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In 7 sind
beispielhafte Transmissionsbereiche der Filter 3, 4 dargestellt.
Die Filter 3, 4 stellen Fabri-Perrot-Interferenzfilter
dar, die jeweils eine Filtercha rakteristik zeigen, die orthogonal
zueinander ausgebildet sind. Dabei ist in 7 eine Filtercharakteristik
der beiden Filter einmal für das linke Auge und damit für
das eine Bild des Stereobildes und einmal für das rechte
Auge und damit für das andere Bild des Stereobildes dargestellt,
die orthogonal zueinander ausgebildet sind und somit keinerlei wechselseitigen Überlapp
zeigen. Es zeigen die dargestellten transmittierenden Intervalle
B1, B2, G1, G2, R1 und R2 keinen Überlapp und sind so voneinander
beabstandet, dass die beiden Perspektivteilbilder sicher voneinander
getrennt wiedergegeben werden können. Die einzelnen transmittierenden
Intervalle B1, B2, G1, G2, R1 und R2 sind dabei als sehr schmalbandige
transmittierende Intervalle mit einer Bandbreite von etwa 20 nm
Halbwertsbreite realisiert, von denen die beiden Intervalle B1 und
B2 im blauen Farbwahrnehmungsbereich, die beiden Intervalle G1 und
G2 im grünen Farbwahrnehmungsbereich und die beiden Intervalle
R1 und R2 im roten Farbwahrnehmungsbereich des menschlichen Auges
angeordnet sind. Das Intervall R2 stellt ein äußeres
und offenes transmittierendes Intervall dar, das eine steile Kante
bzw. Flanke aufweist und eine deutlich weniger steile, hier nicht
dargestellte Kante, Flanke aufweist.
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Ausgehend
von der Farbcharakteristik gemäß 7 mit
den 6 transmittierenden Intervallen ist eine andere erfindungsgemäße
Farbcharakteristik gemäß 10 durch
eine Art Kanalpermutation, nämlich durch eine Art Austausch
des Intervalls R1 von dem einen Bild des Stereobildes in das andere Bild
des Stereobildes und das Verbinden von R1 mit dem Intervall G2 gegeben,
wohingegen im Gegenzug das transmittierende Intervall R2 dem anderen Bild
des Stereobildes zugeordnet wird.
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In 8a sind
die transmittierenden Intervalle einer Displayeinheit und einer
zugeordneten Stereobrille dargestellt. Dabei zeigt die Stereobrille
6 schmale, begrenzte transmittierende Intervalle B1*, G1*, R1* und
B2*, G2*, R2*. Die Interferenzfilter der Displayeinheit zeigen ebenso
6 zu den vorgenannten Intervallen identische transmittierende Intervalle
B1, G1, R1 und B2, G2, R2. Dabei sind die x1 Intervalle (x = B,
G, R) jeweils dem linken Bild des Stereobildes respektive den „linken"
Komponenten der Displayeinheit zugeordnet, während die
x2 Intervalle den „rechten" Komponenten zugeordnet sind.
Es wird deutlich, dass die x1 Intervalle zu den x2 Intervallen orthogonal
ausgebildet sind.
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In 8b ist
die zeitliche Reihenfolge der dargestellten, beziehungsweise wahrnehmbaren
Bildinhalte der einzelnen Bilder des Stereobildes dargestellt. Diese
wird beispielsweise mittels eines Systems gemäß 1 erzeugt.
Die mit Hilfe der Displayeinheit des Systems mit den Interferenzfiltern
gemäß 8a wiedergegebenen
und wahrnehmbaren Bilder des Stereobildes werden alternierend wiedergegeben.
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Zuerst
wird das linke Bild des Stereobildes mit den Bildinformationen B1,
G1, R1, die mit Hilfe der entsprechenden Intervalle erzeugt werden,
wiedergegeben. In diesem Zeitraum wird kein Bild beziehungsweise
keine Bildinformation und damit keine Farbbilddaten von dem rechten
Bild des Stereobildes projiziert. Damit ist auch kein rechtes Bild
des Stereobildes wahrnehmbar. Anschließend wird das rechte Bild
des Stereobildes mit den Farbbilddaten B2, G2, R2, die mit Hilfe
der ihnen entsprechenden Intervalle erzeugt werden, dargestellt,
wohingegen in diesem Zeitraum das linke Bild des Stereobildes nicht
dargestellt wird. Dementsprechend kann allein das rechte Bild des
Stereobildes durch das rechte Brillenglas der Stereobrille wahrgenommen
werden, wohingegen keine Informationen des linken Bild des Stereobildes wahrgenommen
werden kann.
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Anschließend
erfolgt wieder die Darstellung des anderen Bildes des Stereobildes
und dementsprechend die Unterbrechung der Darstellung des Bildes
des Stereobildes.
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Durch
diese alternierende Darstellung der Bilder des Stereobildes sind
erhebliche zeitliche Lücken für die Wahrnehmung
des jeweiligen Bildes für das jeweilige Auge gegeben, die,
sobald die zeitlichen Lücken zu lang sind, zu einem unangenehmen Flackern
führen. Um dies zu verhindern ist die Bildwechselrate der
Displayeinheit hoch gewählt. Diese hohe Bildwechselrate
führt zu einer erheblichen Belastung der Komponenten der
Displayeinheit. Diese Belastung führt zu einer reduzierten
Lebenszeit und führt zu einer erheblich erhöhten
Anfälligkeit der Displayeinheit.
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In 10 ist
entsprechend der 8a eine spektrale Verteilung
der Interferenzfilterspektren für die Interferenzfilter
der Displayeinheit des erfindungsgemäßen Systems
beziehungsweise der Interferenzfilter der Brillengläser
der Stereobrille dargestellt.
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Die
Charakteristik der Interferenzfilter der Brillengläser
der Stereobrille zeigt 6 schmale Intervalle entsprechend 7,
wogegen die Intervalle der Interferenzfilter der Displayeinheit
nur vier transmittierende Intervalle zeigen. Dabei zeigt der Interferenzfilter
der Displayeinheit für das linke Bild des Stereobildes
ein schmales Intervall B1*, wogegen das andere Intervall aufgrund
einer Permutation von G1* mit G2* durch ein Verbinden der Intervalle
G2* mit dem Intervall R1* ein relativ breites Intervall darstellt In
entsprechender Weise ist für den Interferenzfilter der
Displayeinheit für das rechte Bild des Stereobildes ein verbundenes
Intervall G1* mit B2* entstanden, das durch das einzelne, schmale
Intervall R2* ergänzt wird. Die verbundenen Intervalle
erstrecken sich in zwei Farbwahrnehmungsbereiche. Zusätzlich ist
bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung auch eine
Permutation der Farbbilddaten vorgenommen, so dass entsprechend
die nachfolgend genannten Vorteile erreicht werden können.
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In 11 ist
die zeitliche Reihenfolge der wiedergegebenen und aufnehmbaren Stereobildinformationen
respektive Farbbilddaten für das linke Auge beziehungsweise
das rechte Auge eines erfindungsgemäßen Systems
zur Wiedergabe von Stereobildern gemäß 1 verwendet
wird.
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Der
Darstellung in 11 liegt eine Spektralverteilung
der transmittierenden Intervalle entsprechend der 10 für
die Filter in einer Displayeinheit zu Grunde.
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Aus
einer Permutation der Intervalle G1 mit G2 ist das zwischen G1 und
B2 gebildete, zwei Farbwahrnehmungsbereiche umfassende, breite Intervall R31
entstanden. Das permutierte Intervall G2 ist mit dem Intervall R1
zu dem Intervall L32 zusammengefasst und umfasst ebenso zwei Farbwahrnehmungsbereiche.
Durch diese Permutation mit zwei anschließenden Zusammenfassungen
ist eine Anordnung geschaffen, die vier transmittierende Intervalle
für die beiden Interferenzfilter der Displayeinheit zeigt.
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Werden
nun zusätzlich die Farbbilddaten, die dem Intervall G2
zugeordnet sind mit auf das Intervall G1 permutiert und damit mit
Hilfe der anderen Interferenzfilter dargestellt, so führt
dies zu einer abwechselnden Darstellung und damit Wahrnehmungsmöglichkeit
der Farbbilddaten auf dem linken Auge, beziehungsweise auf dem rechten
Auge, bei der Farbbilddaten für den grünen Farbwahrnehmungsbereich mit
den Farbbilddaten der anderen Farb- Wahrnehmungsbereiche rot und
blau abwechseln. Dies erfolgt aufgrund der zusätzlichen
Permutation der Farbbilddaten so, dass das linke Auge nur Informationen
für das linke Auge wahrnehmen kann, und in entsprechender
Weise gilt dies auch für das rechte Auge. Dabei ist zu
beachten, dass keine Permutation der Intervalle für die
Stereobrille erfolgt ist, wodurch deren optische Eigenschaften den
optischen Eigenschaften der nicht permutierten Interferenzfilter
in der Displayeinheit entsprechen. Durch die beschriebene Vorgehensweise
gelingt es, die Lücken in der Wiedergabe für das
jeweilige Auge gemäß 8b zu
schließen und dadurch das unerwünschte Flackern
deutlich einzuschränken.
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Auf
die Farbbilddaten R1, B1 folgen mit kurzem Abstand die Farbbilddaten
G2 und hierauf mit entsprechendem kurzem zeitlichem Abstand wiederum
die Farbbilddaten R1, B1, G1 usw.. Dies gilt für das linke
Auge und in entsprechender Weise ergibt sich dies auch für
das rechte Auge. Durch diese Elimination der langen zeitlichen Abstände
ohne ausgeprägten negativen Lichtreiz durch eine ausgeprägte Dunkelphase
ist ein wesentlicher Qualitätsgewinn erreicht. Hierbei
wirkt sich besonders vorteilhaft aus, dass der negative Aspekt der
physiologischen Verzögerung der Wahrnehmbarkeit von Bildern
bei dieser erfindungsgemäßen Lösung besonders
wenig störend ist, da die Unterbrechung der Helligkeit
erfindungsgemäß von sehr kurzer zeitlichen Länge
ist und somit nicht oder nur eingeschränkt aktiviert wird.
Damit kann physiologisch bedingt die wiedergegebene Helligkeit weitgehend
erfasst werden, was sich in einer reduzierten erfassten Helligkeit
widerspiegelt. Damit wird erfindungsgemäß ein
subjektiv heller wahrgenommenes Stereobild erreicht.
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Durch
diese Ausbildung des Systems gelingt es zudem, ohne Erhöhung
der Flackerneigung die Bildwechselrate zu erniedrigen beziehungsweise
bei Bedarf die Auflösung der darzustellenden Stereobilder
zu erhöhen. Je nach Anwendung kann dies alternativ oder
auch kombinativ vorgenommen werden. Hierbei ist der Zusammenhang
zwischen der Bildwechselrate und der Auflösung dahingehend
zu berücksichtigen, dass das Produkt aus ihnen die konstante
maximale Bandbreite der übertragenen Bilddaten darstellt.
Dementsprechend kann beispielsweise durch Verringern der Bildwechselrate
die Auflösung erhöht werden.
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Durch
das beschriebene System ist ein sehr komfortables und angenehmes
Wahrnehmen von Stereobildern erreicht, wobei sich die Displayeinheit des
Systems zudem durch lange Lebenszeit und komfortable und kostengünstige
Realisierung auszeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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