DE10039321A1

DE10039321A1 - Anordnung zur räumlichen Darstellung unter Verwendung von Neutralfiltern

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Publication number: DE10039321A1
Application number: DE10039321A
Authority: DE
Inventors: Armin Grasnick; Ingo Relke; Falk Doerfel; Wolfgang Tzschoppe; Andreas Holz; Markus Klippstein
Original assignee: 4D Vision GmbH
Current assignee: Newsight 07745 Jena De GmbH
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2002-02-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur räumlichen Darstellung, bei dem eine Vielzahl einzelner Bildelemente alpha¶ij¶ in einem Raster aus Zeilen i und Spalten j gleichzeitig sichtbar gemacht wird, wobei die Bildelemente alpha¶ij¶ Teilinformationen aus mehreren Ansichten A¶k¶ (k = 1...n) einer Szene/des Gegenstandes wiedergeben. DOLLAR A Bei Anordnungen der eingangs beschriebenen Art werden mittels Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität für das von den Bildelementen alpha¶ij¶ ausgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben, wobei sich die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes, in dem sich ein Betrachter aufhält, in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die Betrachtungspositionen entsprechen, kreuzen. Von jeder Betrachtungsposition aus nimmt ein Betrachter mit einem Auge überwiegend Teilinformationen einer ersten und mit dem anderen Auge überwiegende Teilinformationen einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A¶k¶ (k = 1...n) wahr.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene bzw. eines Gegenstandes mit einer Bildwiedergabeeinrichtung zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen, die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten der Szene bzw. des Gegenstandes repräsentieren, wobei vorzugsweise von den Bildelementen Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt wird und mit einem Filterarray, das bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters der Bildwiedergabeeinrichtung in einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das Filterarray eine Vielzahl von feldartig angeordneten Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität mit jeweils gegebenem Transmissionsgrad und optional in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente umfaßt. Dabei sind die einzelnen Filter derart angeordnet, daß für das von der Bildwiedergabeeinrichtung abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen derart vorgegeben sind, daß an einem ersten Beobachtungsort überwiegend Informationen einer ersten Gruppe bzw. Auswahl von Ansichten und an einem zweiten Beobachtungsort in einem Augenabstand von dem ersten Beobachtungsort überwiegend Informationen einer zweiten Gruppe bzw. Auswahl von Ansichten wahrnehmbar sind, wobei eine Vielzahl solcher Orte und Gruppen bzw. Auswahlen existiert.

Derartige Anordnungen eignen sich beispielsweise dazu, in einem autostereoskopischen Verfahren Gegenstände, Landschaften, Einblicke in das Innere von Körpern und andere Dinge für einen Betrachter räumlich wahrnehmbar darzustellen.

Vielen autostereoskopischen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, mehrere verschiedene Perspektivansichten des Gegenstandes bzw. der Szene gleichzeitig optisch wiederzugeben, durch geeignete Maßnahmen jedem Auge eines Betrachters jedoch jeweils nur eine Auswahl dieser Perspektivansichten getrennt sichtbar zu machen. Hierdurch entsteht ein parallaktischer Effekt, der dem Betrachter eine räumliche Wahrnehmung mit deutlicher Tiefenstaffelung erlaubt.

Bei diesen Verfahren treten als unerwünschte Nebenwirkungen pseudoskopische Erscheinungen mit der Folge auf, daß der Betrachter ein bezüglich der räumlichen Tiefe umgekehrtes und damit unrealistisches Bild sieht. Zudem können weitere Störungen in Form von Moiré-Streifen entstehen. Die vorgenannten Erscheinungen lassen sich durch zusätzliche Maßnahmen verringern, durch welche sich jedoch die Anordnung verteuert oder hinsichtlich ihrer Benutzbarkeit nachteilig beeinträchtigt wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine autostereoskopische Darstellung zu ermöglichen, die einerseits möglichst aus allen Betrachtungspositionen für mehrere Betrachter ein orthoskopisches, moiré-armes Bild darbietet und andererseits - auch für großformatige Bildwiedergabeeinrichtungen - preiswert zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes, umfassend

- eine Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere einen Flachbildschirm (1), zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen α_ij, die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten der Szene/des Gegenstandes repräsentieren, wobei von den Bildelementen Licht in vorzugsweise verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt wird,
- mindestens ein Filterarray (2), das bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters (5) der Bildwiedergabeeinrichtung in einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das Filterarray jeweils eine Vielzahl von Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität mit jeweils gegebenem Transmissionsgrad und optional in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente umfaßt, so daß für das von den Bildelementen α_ij abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden,
- wobei sich die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes (4), in dem sich der/die Betrachter (5) aufhalten, in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die jeweils einer Betrachtungsposition entsprechen, kreuzen, wodurch von jeder Betrachtungsposition aus ein Betrachter (5) mit einem Auge überwiegend Teilinformationen einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Teilinformationen einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1. . .n) optisch wahrnimmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Filter auf dem Array nicht nur im Hinblick auf die Durchlaßeigenschaften ihrer einzelnen Wellenlängenfilter statisch, sondern weiterhin auch als passive, d. h. ohne jegliche elektrische Energie auskommende Filter ausgebildet. Filterarrays können als dünnwandige Platten oder Folien hergestellt werden, in welche die gewünschte Struktur der einzelnen Neutral- bzw. Wellenlängenfilter dauerhaft eingeprägt ist. Die Verwendung derartiger Filterarrays erlaubt eine erhebliche Kosteneinsparung gegenüber als Filterarrays verwendeten Farb-LC-Displays.

Bevorzugt bestehen die Filterarrays aus Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität, wobei für jedes Filter ein bestimmter Transmissionsgrad gegeben ist. Bevorzugt kommen die Transmissionsgrade 0%, 25%, 50%, 75% und 100% zum Einsatz. Damit kann gegenüber bekannten Schwarz-Weiß-Barrieren aufgrund der in der Summe größeren Lichtdurchlässigkeit die Lesbarkeit von dargestelltem Text erheblich verbessert werden.

Optional können für Licht bestimmter Wellenlängenbereiche durchlässige Filter, die sogenannten Wellenlängenfilter, vorgesehen sein. Vorzugsweise sind diese Filter in einem der drei Farbbereiche rot, grün oder blau transparent. Es können beispielsweise auch Wellenlängenfilter verwendet werden, die in je zwei der Farbbereiche rot, grün oder blau transparent sind.

Überdies können einige der Filter auch als kombinierte Neutral- und Wellenlängenfilter, d. h. mit wellenlängenabhängigen Transmissionsgraden, ausgebildet sein. Konkret bedeutet dies, daß die entsprechenden Filter mit derartigen Transmissionseigenschaften nur Licht bestimmter Transparenzwellenlängenbereiche passieren lassen und dessen Intensität gleichzeitig auch abschwächen.

Allgemein fast der Begriff "Transmissionseigenschaften" die eben beschriebenen möglichen Eigenschaften der Filter zusammen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Bildwiedergabeeinrichtung ein Flachbildschirm, insbesondere ein Farb-LC-Display, mit separat ansteuerbaren Subpixeln vorgesehen, wobei jeweils ein Subpixel einem Bildelement entspricht.

Ein Bildelement α_ij ist in diesem Zusammenhang eine selbstleuchtende oder beleuchtete Fläche geringer Größe mit einem Flächeninhalt von etwa 10.000 µm² bis zu einigen mm², auf der ein geringer Ausschnitt einer der Ansichten A_k (k = 1. . .n), im folgenden als Teilinformation einer solchen Ansicht A_k (k = 1. . .n) bezeichnet, an der Stelle i, j wiedergegeben werden kann. Vorteilhaft kann mit dem Indexpaar i, j auch die Position in der Ansicht A_k bezeichnet sein, von der die Teilinformation stammt, die auf dem Bildelement α_ij wiedergegeben wird - sofern auch die Ansichten A_k (k = 1. . .n) in Raster aus Zeilen j und Spalten i gegliedert sind.

Von jeder Betrachtungsposition aus nimmt ein Betrachter mit einem Auge überwiegend Bildelemente α_ij einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Bildelemente α_ij einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1. . .n) wahr.

Unter einer Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1. . .n) sind die Ansichten A_k zu verstehen, deren Bildelemente α_ij entweder überwiegend für das eine oder für das andere Auge sichtbar sein sollen. Beispielsweise können die Ausbreitungsrichtungen für Licht, das von Bildelementen α_ij kommt, auf denen Teilinformationen der (einer ersten Auswahl entsprechenden) Ansichten A_k (k = 1. . .2) dargestellt sind, so vorgegeben werden, daß dieses Licht bzw. diese Teilinformationen überwiegend das linke Auge eines sich im Betrachtungsraum aufhaltenden Betrachters erreichen, während die Ausbreitungsrichtungen für das Licht, das von Bildelementen α_ij kommt, auf denen Teilinformationen einer zweiten Auswahl von Ansichten A_k (k = 5. . .6) dargestellt sind, so vorgegeben werden, daß dieses Licht bzw. diese Teilinformationen überwiegend in das rechte Auge desselben Betrachters gelangen. In diesem Falle umfaßt demnach die erste, für das linke Auge vorgesehene beispielhafte Auswahl die Ansichten A₁ und A₂. Die zweite, für das rechte Auge vorgesehene beispielhafte Auswahl würde hierbei die Ansichten A₅ und A₆ umfassen.

Darunter sind ausdrücklich auch solche Fälle zu verstehen, in denen das von einem Bildelement α_ij kommende Licht nicht vollständig, sondern nur zum Teil in das betreffende Auge des Betrachters gelangt, was beispielhaft bei partieller Abdeckung eines Bildelementes α_ij, etwa durch Anordnungsteile, denkbar ist.

Die Bedingung, daß ein Auge "überwiegend" Bildelemente α_ij bzw. auf diesen Bildelementen α_ij wiedergegebene Teilinformationen wahrnimmt, ist auch dann erfüllt, wenn dieses Auge beispielsweise 80% der Bildelemente α_ij sieht, die Teilinformationen der Ansicht A₁ wiedergeben, während das andere Auge zwar ebenfalls solche Bildelemente α_ij, die Teilinformationen der Ansicht A1 wiedergeben, sehen kann, jedoch deutlich weniger als 80%.

Bevorzugt werden die Ausbreitungsrichtungen durch eine Vielzahl von Filtern β_pq des Filterarrays vorgegeben, wobei jeweils ein Bildelement α_ij mit mehreren zugeordneten Filtern β_pq oder ein Filter β_pq mit mehreren zugeordneten Bildelementen α_ij derart korrespondiert, daß jeweils die Verbindungsgerade zwischen der Flächenmitte des sichtbaren Abschnittes eines Bildelementes α_ij und der Flächenmitte des sichtbaren Abschnittes eines Filters β_pq einer Ausbreitungsrichtung entspricht.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Filter β_pq in Arrays mit Zeilen q und Spalten p angeordnet und eines oder mehrere solcher Arrays dem Raster mit den Bildelementen α_ij, bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters, in einem festen Abstand z vor- und/oder nachgeordnet sind.

Zwecks Vorgabe der Ausbreitungsrichtungen werden den Bildelementen α_ij, die zugeordnete Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) wiedergeben, genau definierte Positionen i, j auf dem Raster zugewiesen. Den Filtern β_pq, die mit diesen Bildelementen α_ij korrespondieren sollen, werden definierte Positionen p, q auf dem Array zugewiesen. Die Ausbreitungsrichtungen ergeben sich dann aus den Positionen der Bildelemente α_ij auf dem Raster und den Positionen der korrespondierenden Filter β_pq auf dem Array in Verbindung mit dem Abstand z zwischen dem Raster und dem Array.

Die Zuordnung von Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) zu Bildelementen α_ij wie auch die Positionierung dieser Bildelemente α_ij auf dem Raster kann nach folgender Funktion vorgenommen werden

Hierin sind bezeichnet mit

- der Index eines Bildelementes α_ij in einer Zeile des Rasters,
- j der Index eines Bildelementes α_ij in einer Spalte des Rasters,
- k die fortlaufende Nummer der Ansicht A_k (k = 1. . .n), aus der die Teilinformation stammt, die auf einem bestimmten Bildelement α_ij wiedergegeben werden soll,
- n die Gesamtzahl der jeweils verwendeten Ansichten A_k (k = 1. . .n)
- c_ij eine wählbare Koeffizientenmatrix zur Kombination bzw. Mischung der verschiedenen von den Ansichten A_k (k = 1. . .n) stammenden Teilinformation auf dem Raster und
- IntegerPart eine Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

Mit anderen Worten: die Indizes i und j bezeichnen die Positionen von Bildelementen α_ij, für die anzugeben ist, aus welcher der Ansichten A_k (k = 1. . .n) die darzustellende Teilinformation bezogen werden soll. Dabei steht i für den horizontalen Index (mit Werten von 1 bis zur horizontalen Bildelementauflösung, das ist im Falle der Darstellung der Teilinformationen auf RGB-Subpixeln der dreifache Wert der Pixelauflösung) und j für den vertikalen Index (mit Werten von 1 bis zum Wert der vertikalen Bildelementauflösung).

Soll für eine beliebige, aber feste Anzahl n von Ansichten A_k (k = 1. . .n), die alle die gleiche Bildauflösung bzw. das gleiche Format besitzen, das auf dem Raster darzustellende, aus Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) zu kombinierende Gesamtbild ermittelt werden, so ist für die Kombinationsvorschrift noch folgendes zu berücksichtigen: die Koeffizientenmatrix c_ij kann als Einträge Werte besitzen, die reellen Zahlen entsprechen. Dabei sind für i und j natürliche Zahlen größer Null im oben genannten Wertebereich möglich.

Das auf dem Raster dargestellte, aus den verschiedenen Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) kombinierte Gesamtbild wird bei Vorgabe dieser Parameter entsprechend der oben angegebenen Funktion erzeugt, indem alle möglichen Indexpaare i, j durchlaufen werden.

Für die Erzeugung einer räumlichen Darstellung wird bestimmt, in welcher Struktur die Filter β_pq, die im Zusammenwirken mit den Bildelementen α_ij die Ausbreitungsrichtungen vorgeben, innerhalb des Arrays mit Zeilen q und Spalten p zu positionieren sind.

Jedes der Filter β_pq weist eine ganz bestimmte Transmissionseigenschaft λ_b auf. Diese kann, wie vorstehend erläutert, insbesondere eine wellenlängenunabhängige Schwächung der Lichtintensität mit einem bestimmten Transmissionsgrad oder optional eine wellenlängenabhängige (optimale) Transparenz oder eine Kombination aus beidem, d. h. eine wellenlängenabhängige Schwächung der Lichtintensität mit einem bestimmten wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad, sein.

Die optional eingesetzten Wellenlängenfilter weisen Transparenzwellenlängen- oder Transparenzwellenlängenbereiche auf, die bevorzugt dem Wellenlängen- oder Wellenlängenbereich λ_a des von den korrespondierenden Bildelementen α_ij abgestrahlten Lichtes entsprechen.

Die Position eines jeden Filters β_pq ist durch den Index p, q eindeutig festgelegt. Jedem Wellenlängenfilter β_pq wird eine bestimmte Transmissionseigenschaft λ_b zugeordnet. Dabei erfolgt die Strukturierung der Wellenlängenfilter β_pq zu einem Maskenbild - analog zur Kombination der Teilinformationen der verschiedenen Ansichten A_k (k = 1. . .n) zu einem Gesamtbild - nach folgender Vorschrift:

Dabei entspricht

- p dem Index eines Filters β_pq in einer Zeile des Arrays,
- q dem Index eines Filters β_pq in einer Spalte des Arrays,
- b einer ganzen Zahl, die für ein Filter β_pq an der Position p, q eine der vorgesehenen Transmissionseigenschaften λ_b festlegt und Werte zwischen 1 und b_max haben kann,
- n_m einem ganzzahligen Wert größer Null, der bevorzugt der Gesamtzahl b_max, der Transmissionseigenschaften λ_b entspricht, wobei die Gesamtzahl b_max, wiederum bevorzugt der Gesamtzahl n der in dem Kombinationsbild dargestellten Ansichten A_k entsprechen kann,
- d_pq einer wählbaren Koeffizientenmatrix zur Variation der erzeugten Struktur auf dem Filterarray und
- IntegerPart einer Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

Die wählbare Koeffizientenmatrix d_pq kann als Einträge Werte besitzen, die reellen Zahlen entsprechen. Dabei sind für p und q, die (wie bereits dargestellt) Positionen innerhalb des Filterarrays beschreiben, natürliche Zahlen größer Null möglich.

Der Erzeugung des kombinierten Gesamtbildes aus den Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) und der Erzeugung des Maskenbildes, d. h. der Struktur der Filter auf dem Filterarray, liegen demzufolge gleichartige oder zumindest artverwandte Vorschriften zugrunde. Die Filter β_pq als Elemente des Maskenbildes besitzen größenordnungsmäßig eine ähnliche Flächenausdehnung wie die Bildelemente α_ij.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Blickrichtung eines Betrachters das Filterarray vor dem Farb-LC-Display angeordnet. Letzterem ist eine flächige Beleuchtungsquelle nachgeordnet, die weißes Licht ausstrahlt. Der Betrachter sieht somit durch die Filterarray das von dem Farb-LC-Display abgestrahlte bzw. das durch dieses hindurchstrahlende Licht. Genauso ist es jedoch möglich, das Filterarray zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Farb-LC-Display anzuordnen. Dabei können das Farb-LC-Display und das Filterarray vorteilhaft zu einer Baueinheit zusammengefaßt werden. Der Abstand z zwischen diesen liegt dabei in der Größenordnung von 1 bis 10 mm und wird in Abhängigkeit der verwendeten Raster für die Bildelemente und die Filter, dem mittleren Pupillenabstand eines normierten Betrachters und einem gewünschten Betrachtungsabstand bestimmt.

Unter Umständen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der vorstehend erläuterten Anordnung in Blickrichtung eines Betrachters eine vergrößernde oder verkleinernde Linse, bevorzugt eine Fresnellinse vorgeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß für den Betrachter eine reelle oder virtuelle Abbildung des räumlichen Bildes der Szene bzw. des Gegenstandes entsteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes nach der Erfindung mit einem in Blickrichtung eines Betrachters vor einer Bildwiedergabeeinrichtung (Farb-LC-Displays) liegenden Filterarray,

Fig. 2 ein Beispiel für die Struktur der Filter β_pq des Filterarrays unter Einsatz von ausschließlich Neutralfiltern in stark vergrößerter und nicht-maßstäblicher Darstellung,

Fig. 3 ein Beispiel für ein Gesamtbild aus den Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n; n = 8), erzeugt mit den als Bildelementen α_ij genutzten Subpixeln RGB des Farb-LC-Displays, stark vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt,

Fig. 4 ein weiteres Beispiel für die Struktur der Filter β_pq des Filterarrays unter Einsatz von Neutralfiltern und Wellenlängenfiltern in stark vergrößerter und nicht maßstäblicher Darstellung,

Fig. 5 ein weiteres Beispiel für ein Gesamtbild aus den Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n; n = 40), erzeugt mit den als Bildelementen α_ij genutzten Subpixeln RGB des Farb-LC-Displays, stark vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt, und in Fig. 6 ein weiteres Beispiel für die Struktur der Filter β_pq des Filterarrays unter Einsatz von ausschließlich Neutralfiltern in ausschnittsförmiger, stark vergrößerter und nicht-maßstäblicher Darstellung.

Das erste Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung zur dreidimensionalen (autostereoskopischen) Darstellung von Szenen und/oder Gegenständen. Mit dieser werden Teilinformationen von verschiedenen Ansichten der Szene oder des Gegenstandes wiedergegeben. Die Ansichten repräsentieren dabei beispielsweise Bildinformationen aus benachbarten Perspektivansichten.

Die Anordnung umfaßt als Bildwiedergabeeinrichtung für die Wiedergabe der Kombination von Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) auf Bildelementen α_ij ein derzeit handelsüblich verfügbares Farb-LC-Display 1, wie beispielsweise Batron BT63212. Auf diese Weise läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung einfach und kostengünstig realisieren. Das schließt jedoch nicht aus, daß für die Bildwiedergabe auch jede andere denkbare Ausführung möglich ist. Insbesondere könnte an Stelle des Farb-LC-Displays auch ein Plasma- Bildschirm, beispielsweise vom Typ Pioneer PDP 502-MXE, zum Einsatz kommen.

In Blickrichtung eines Betrachters 5 ist das Farb-LC-Display 1 als bilddarstellendes Raster in einem vorgegebenen Abstand z hinter einem Filterarray 2 angeordnet. Hinter dem Farb-LC-Display 1 befindet sich eine flächige Beleuchtungsquelle 6, die mit dem Farb-LC-Display 1 zu einer Baueinheit verbunden ist.

Das bildwiedergebende Farb-LC-Display 1 ist mit einer Ansteuerschaltung 3 verknüpft. Es verfügt über separat ansteuerbare Subpixel der Grundfarben rot (R), grün (G) und blau (B).

Zur besseren Unterscheidbarkeit werden nachfolgend die Subpixel des Farb-LC-Displays 1 mit R, G, B bezeichnet; sind jedoch Wellenlängenfilter - und nicht ausschließlich Neutralfilter - im Filterarray enthalten, werden diese hingegen mit R', G', B', die jeweils eigenen Transparenzwellenlängenbereichen entsprechen, bezeichnet. Die Ansteuerschaltung 3 ist derart ausgebildet, daß auf den einzelnen Subpixeln R, G, B des Displays 1 Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1. . .n) generiert werden.

Der Abstand z zwischen dem Farb-LC-Display 1 und der Filterarray 2 beträgt 2,3 mm, wobei in diesem Falle Neutralfilter bzw. gegebenenfalls auch Wellenlängenfilter R', G', B' des Filterarrays 2 mit den Subpixeln R, G, B des Farb-LC-Displays 1 so korrespondieren, daß sich die damit festgelegten Ausbreitungsrichtungen des von den Subpixeln R, G, B austretenden und durch die Filter hindurchtretenden Lichtes innerhalb eines Betrachtungsraumes 4, in dem sich ein oder mehrere Beobachter 5 befinden, in einer Vielzahl von Schnittpunkten treffen. Diese Schnittpunkte der Ausbreitungsrichtungen entsprechen Beobachtungsorten, von denen aus mit einem Augenpaar die Szene bzw. der Gegenstand räumlich wahrgenommen werden kann.

Dabei wurde der Abstand z für die Ausgestaltungsvariante nach Fig. 1 ermittelt aus

Für s_p wurde der mittlere horizontale Abstand der einzelnen Subpixel auf dem in Blickrichtung nachgeordneten Farb-LC-Display 1 mit 99 µm angenommen. Für die mittlere Pupillendistanz p_d wurde 65 mm gesetzt. Als mittlerer Betrachtungsabstand d_a wurde 1,5 m gewählt. Daraus ergibt sich der auszuführende Abstand z mit 2,3 mm.

Die Ausbreitungsrichtungen sind jeweils durch die Flächenmitten der sichtbaren Abschnitte der betreffenden Filter und Subpixel R, G, B vorgegeben, wobei sich die Strahlengänge nicht nur in einer Ebene, sondern vielfach räumlich verteilt ausbreiten.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für ein Filterarray β_pq anhand einzelner Neutralfilter L0, L2 und L4 des Filterarrays in einer Draufsicht auf die Displayfläche zum Zweck der Anschaulichkeit stark vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt. Die Teilflächen entsprechen jeweils einem Neutralfilter, der jeweils 0% (L0), 50% L(L2) bzw. 100% (L4) des auf ihn einfallenden Lichtes (bezogen auf die Lichtintensität) wellenlängenunabhängig transmittiert. Die Teilflächen sind vereinfacht quadratisch dargestellt; auf die exakte Darstellung der Form der Neutralfilter L0, L2, L4 wurde hier verzichtet. Sie sind bevorzugt rechteckig ausgebildet und besitzen beispielsweise eine Breite von 99 µm und eine Höhe von 297 µm.

Die in Fig. 2 gezeigte Filterarraystruktur läßt sich auf Grund der weiter oben gegebenen Gleichung erzeugen, in dem man als Parameter die Werte d_pq = -1 = const. und n_m = 8 einsetzt.

Die Transmissionseigenschaften λ_b sind hier wie folgt gewählt:

- λ₈ entspricht einem wellenlängenunabhängig zu 100% transmittierenden Filter (L4 in der Zeichnung), d. h. der Transmissionsgrad ist 100%;
- λ₁ und λ₇ entsprechen wellenlängenunabhängig zu 50% transmittierenden Filtern (L2 in der Zeichnung), d. h. der Transmissionsgrad ist 50%;
- λ₂. . .λ₆ entsprechen wellenlängenunabhängig nicht transmittierenden (opaken) Filtern (L0 in der Zeichnung), d. h. der Transmissionsgrad ist 0%.

Die Transmissionseigenschaften sind hierbei insbesondere bezüglich des sichtbaren Spektrums maßgeblich, d. h. ein L4-Filter kann durchaus für elektromagnetische Strahlung beispielsweise im UV-Bereich intransparent sein.

In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist, befindet sich die Filterarray 2 aus der Position des Betrachters 5 gesehen in dem Abstand z vor dem bildgebenden Farb-LC-Display 1. Das Farb-LC-Display 1 ist mit der dahinter liegenden flächigen Beleuchtungseinrichtung 6 zu einer Baueinheit verbunden. Die Ausbreitungsrichtungen des von den Subpixeln R, G, B des Farb-LC-Displays 1 kommenden und durch die korrespondierenden Filter des Filterarrays 2 strahlenden Lichtes schneiden sich in dem Betrachtungsraum 4 in einer Vielzahl von Betrachtungspositionen, aus denen der dargestellte Gegenstand bzw. die Szene räumlich wahrnehmbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Kombination von Teilinformationen verschiedener Ansichten A_k (k = 1. . .8) in einer Draufsicht auf das Raster des Farb-LC-Displays 1, die nach der bereits beschriebenen Funktion erzeugt worden ist

wobei c_ij = -1 = const. für alle Paare (i, j) und n = 8 gewählt sind.

Dabei entspricht jede rechteckige Teilfläche einem Subpixel R, G, B. Die innerhalb der Teilflächen angegebenen Ziffern k = 1. . .8 geben die jeweilige Ansicht A_k (k = 1. . .n) an, zu der die auf einem Subpixel bzw. einem Bildelement α_ij angezeigte Teilinformation gehört. So gehört eine auf einem mit k = 1 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation zur Ansicht A₁, eine auf einem mit k = 2 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation zur Ansicht A₂, usw. In dem gewählten Ausführungsbeispiel sind demnach zur räumlichen Darstellung acht Ansichten A₁ bis A₈, vorzugsweise Perspektivansichten, vorgesehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde hier darauf verzichtet, auch die "Black-Matrix" darzustellen, die oftmals technisch bedingt in Farb-LC-Displays eingearbeitet ist.

Das Filterarray 2 ist vorzugsweise als ein statisches, d. h. zeitlich unveränderliches Filterarray, hier z. B. als dünne Folie, und damit als einfaches, passives Element ausgebildet. Als Herstellungsverfahren für derlei Folien kommt insbesondere der Siebdruck in Frage, bei dem auch Filterarrays größerer Abmaße (mehrere Quadratmeter) produziert werden können. Solche Abmaße sind von Vorteil, wenn etwa ein großformatiger Bildschirm, z. B. ein Plasma- Bildschirm mit 50-Zoll Bildschirmdiagonale, zum 3D-Bilschirm veredelt werden soll. Andere Druckverfahren, wie z. B. Thermosublimationsdruck, oder auch Belichtungsverfahren können ebenfalls angewendet werden.

Das Filterarray 2 bewirkt eine Vorgabe der Ausbreitungsrichtungen des von dem Farb-LC-Display 1 abgestrahlten Lichtes in der oben beschriebenen Art und Weise, welche eine realistische, dreidimensionale Wahrnehmung erlaubt. Dabei werden beispielhaft an einem ersten Beobachtungsort überwiegend Informationen einer ersten Gruppe von Ansichten A₄ bis A₅ und an einem zweiten beispielhaften Beobachtungsort in Augenabstand von dem ersten Ort überwiegend Informationen der zweiten Gruppe von Ansichten A₇ bis A₈ wahrgenommen.

Aus der Vielzahl von Betrachtungspositionen, die aus der flächenhaften Anordnung der Bildelemente α_ij und der Filter β_pq resultiert, ergibt sich dann die dreidimensionale Wahrnehmung: beide Augen sehen aus den Betrachtungspositionen Bildelemente α_ij bzw. Teilinformationen überwiegend verschiedener Ansichten A_k (k = 1. . .n), wobei der Anteil der für jedes Auge wahrnehmbaren Teilinformationen für die dreidimensionale Wahrnehmung ursächlich ist.

Die Vielzahl solcher Betrachtungspositionen ist dabei so groß und die Betrachtungspositionen liegen so dicht nebeneinander, daß ein oder mehrere Betrachter sich innerhalb des Betrachtungsraumes bewegen können, während sich ihre Augen quasi stets in einer solchen Betrachtungsposition befinden, denn die Betrachtungspositionen entsprechen jeweils Schnittpunkten der definiert vorgegebenen Ausbreitungsrichtungen. Dabei besitzen die für das Auge sichtbaren Lichtstrahlen einen zwar kleinen, jedoch vorhandenen Flächenquerschnitt.

Als Betrachtungsraum ist hier der Bereich zu verstehen, in dem sich der Betrachter aufhalten bzw. bewegen kann, wobei er in Richtung zum Raster die Szene bzw. den Gegenstand räumlich wahrnimmt. Je nach der Struktur des Maskenbildes und der verwendeten Anzahl n von Ansichten A_k (k = 1. . .n) sind so Blickwinkel auf das Raster von über 45° möglich, d. h. der Betrachtungsraum kann einen von der Mittelsenkrechten des Rasters ausgehenden Öffnungswinkel von über 45° aufweisen.

Die Fig. 4 zeigt ein Filterarray, welches über Neutralfilter (L2) verfügt, die - bezogen auf die Lichtintensität - wellenlängenunabhängig etwa 50% des durch sie hindurchtretenden Lichtes transmittieren. Die Filter L0 sind opak, während die beispielhaft eingearbeiteten Wellenlängenfilter R', G' bzw. B' für Licht jeweils der Farbbereiche rot, grün oder blau lichtdurchlässig sind.

In Fig. 5 ist schemenhaft eine weitere beispielhafte Möglichkeit der Bildkombination dargestellt. Hierbei kommen n = 40 Ansichten zum Einsatz. Eine beispielhafte, für eine dreidimensionale Darstellung günstige Filterstruktur auf Basis dieser Bildkombination ist in Fig. 6 gezeigt. Dabei kommen wellenlängenunabhängige Neutralfilter zur Schwächung der Lichtintensität zum Einsatz, die jeweils 0% (L0), 25% (L1), 50% (L2), 75% (L3) oder 100% (L4) des auf sie einfallenden (sichtbaren) Lichtes transmittieren. Die Filter besitzen in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise etwa ein Viertel der Breite der Bildelemente α_ij, also der Subpixel, während sie in der Höhe etwa genauso ausgedehnt sind, wie die Bildelemente α_ij.

Vorstehend wurden die Filterarrays im Zusammenhang mit Filtern beschrieben, die wellenlängenunabhängig die Lichtintensität schwächen (oder voll transmittieren) bzw. die für rotes, grünes oder blaues Licht transparent sind. Es ist jedoch auch möglich, vollkommen andere Transparenzwellenlängenbereiche für die Wellenlängenfilter zu verwenden, die überdies nicht auf den Bereich des sichtbaren Lichtes beschränkt bleiben müssen. Weiterhin ist es denkbar, als Filterarray dynamische Bildgeber zu verwenden.

In allen Ausführungsbeispielen wird durch die Verwendung von preiswert herstellbaren Filterarrays eine günstige Lösung zur dreidimensionalen, also räumlichen Darstellung angeboten. Der Lichtdurchsatz und damit auch die Textlesbarkeit ist gegenüber Barriereverfahren, bei denen ausschließlich opake und transparente Barriereteilstrukturen zum Einsatz kommen, deutlich verbessert.

Bezugszeichenliste

1

Farb-LC-Display mit Bildelementen αu

2

Filterarray mit Filtern β_pq

3

Ansteuerschaltung

4

Betrachtungsraum

5

Betrachter

6

Beleuchtungsquelle
α_ij

Bildelemente in Zeilen j und Spalten i
β_pq

Filter in Zeilen q und Spalten p
λ_b

Transmissionseigenschaften der Filter
i, p Spalten
j, q Zeilen
z Abstand
R, G, B Subpixel der Grundfarben (rot, grün, blau) als Bildelemente α_ij

R', G', B' Wellenlängenfilter β_pq

der Grundfarben (rot, grün, blau)
L0 Neutralfilter mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad 0%
L1 Neutralfilter mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad 25%
L2 Neutralfilter mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad 50%
L3 Neutralfilter mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad 75%
L4 Neutralfilter mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad 100%

Claims

1. Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes, umfassend
eine Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere einen Flachbildschirm (2), zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen α_ij, die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten der Szene/des Gegenstandes repräsentieren, wobei von den Bildelementen Licht in vorzugsweise verschiedenen Wellenlängenbereichen abgestrahlt wird,
mindestens ein Filterarray (3), das bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters (1) der Bildwiedergabeeinrichtung in einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das Filterarray jeweils eine Vielzahl von Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität mit jeweils gegebenem Transmissionsgrad und optional in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente umfaßt, so daß für das von den Bildelementen α_ij abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden,
wobei sich die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes (7), in dem sich der/die Betrachter (1) aufhalten, in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die jeweils einer Betrachtungsposition entsprechen, kreuzen, wodurch von jeder Betrachtungsposition aus ein Betrachter (1) mit einem Auge überwiegend Teilinformationen einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Teilinformationen einer zweiten Auswahl aus den Ansichten A_k (k = 1. . .n) optisch wahrnimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildwiedergabeeinrichtung ein Flachbildschirm (2), vorzugsweise ein Farb-LC-Display, mit separat ansteuerbaren Subpixeln vorgesehen ist, wobei jeweils ein Subpixel einem Bildelement α_ij in Spalten i und Zeilen j entspricht, und daß der Flachbildschirm (2) mit einer Ansteuerschaltung gekoppelt ist, die auf den Subpixeln Teilinformationen der Ansichten A_k (k = 1 bis n) nach der Funktion generiert
wobei

- i dem Index eines Bildelementes α_ij in einer Zeile des Rasters entspricht,
- j dem Index eines Bildelementes α_ij in einer Spalte des Rasters entspricht,
- k der fortlaufenden Nummer der Ansicht A_k (k = 1. . .n), aus der die Teilinformation stammt, die auf einem bestimmten Bildelement α_ij wiedergegeben werden soll,
- n der Gesamtzahl der jeweils verwendeten Ansichten A_k (k = 1. . .n),
- c_ij einer wählbaren Koeffizientenmatrix zur Kombination bzw. Mischung der verschiedenen von den Ansichten A_k (k = 1. . .n) stammenden Teilinformationen auf dem Raster und
- IntegerPart einer Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterarray Filter β_pq beinhaltet, die nach der Funktion in Spalten p und Zeilen q angeordnet sind
mit

- p dem Index eines Filters β_pq in einer Zeile des Arrays,
- q dem Index eines Filters β_pq in einer Spalte des Arrays,
- b einer ganzen Zahl, die für ein Filter β_pq an der Position p, q eine der vorgesehenen Transmissionseigenschaften λ_b festlegt und Werte zwischen 1 und b_max haben kann,
- n_m einem ganzzahligen Wert größer Null, der bevorzugt der Gesamtzahl b_max der Transmissionseigenschaften λ_b entspricht, wobei die Gesamtzahl b, c wiederum bevorzugt der Gesamtzahl n der in dem Kombinationsbild dargestellten Ansichten A_k entsprechen kann,
- d_pq einer wählbaren Koeffizientenmatrix zur Variation der erzeugten Struktur auf dem Filterarray und
- IntegerPart einer Funktion zur Erzeugung der größten ganzen Zahl, die das in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionseigenschaften λ_b für die Filter β_pq Transmissionsgraden, Transparenzwellenlängenbereichen oder Kombinationen aus beidem entsprechen; wobei Transmissionsgrade für Neutralfilter zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität und Transparenzwellenlängenbereiche für Wellenlängenfilter maßgeblich sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Transmissionseigenschaften λ_b wellenlängenunabhängige Transmissionsgrade von 0%, 25%, 50%, 75% und 100% vorgegeben werden.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Transmissionseigenschaften λ_b Transparenzwellenlängenbereiche vorgegeben werden, die jeweils der Transparenz in einem der drei Farbbereiche rot, grün oder blau entsprechen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Transmissionseigenschaften λ_b wellenlängenabhängige Transmissionsgrade von 25%, 50% und 75% für bestimmte Transparenzwellenlängenbereiche vorgegeben werden, wodurch die entsprechenden Filter mit derartigen Transmissionseigenschaften nur Licht bestimmter Transparenzwellenlängenbereich passieren lassen und dessen Intensität gleichzeitig auch abschwächen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Blickrichtung eines Betrachters das Filterarray (3) zwischen dem Flachbildschirm (2) und einer diesem nachgeordneten flächigen Beleuchtungsquelle (4) angeordnet ist, die weißes Licht ausstrahlt.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Blickrichtung eines Betrachters das Filterarray (3) vor dem Flachbildschirm (2) angeordnet ist, dem eine flächige, weißes Licht ausstrahlende Beleuchtungsquelle (4) nachgeordnet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Neutralfilter bzw. Wellenlängenfilter des Filterarrays jeweils einen vieleckigen, bevorzugt rechteckigen Umriß aufweisen.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachbildschirm (2) und das Filterarray (3) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind und der Abstand z zwischen dem Flachbildschirm (2) und dem Filterarray (3) 1 bis 10 mm beträgt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Baueinheit aus dem Flachbildschirm (2) und dem Filterarray (3) in Blickrichtung eines Betrachters (1) eine Linse, bevorzugt eine Fresnellinse vorgeordnet ist, wodurch je nach Ausbildung der Linse eine reelle und/oder virtuelle Abbildung der räumlichen Darstellung der Szene/des Gegenstandes für den Betrachter entsteht.