DE10061803A1

DE10061803A1 - Device and system for generation of stereo images for 3-D viewing by use of a linear polarization changer prior to a projection unit, so that double image projection is not required

Info

Publication number: DE10061803A1
Application number: DE10061803A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Device and system for generating stereo images using a projection system comprising a projection unit with a polarization changing unit arranged prior to the projector. The polarization is changed with a high frequency.

Description

Bekannte Verfahren zur Darstellung stereoskopischer Bilder sind die Betrachtung von Diapositiven mit einem Betrachter oder die Darstellung von Stereobildern mittels Shuttertechnik an einem Monitor. Anstelle von Shuttertechniken, mit deren Hilfe Bilder wechselweise mit einer hohen Frequenz dem rechten und linken Auge zugeordnet werden, sind auch Farbtrennverfahren (Rot-Grün) und Polarisationsverfahren bekannt. Weiterhin sind autostereoskopische Displays bekannt, die i. d. R. mit Prismenoptiken eine Bildseitentrennung für das rechte und linke Auge erzielen und somit einen Stereoeffekt erzeugen. Für Stereofilm- oder Bildprojektionsverfahren werden Kombinationen aus mindestens 2 Video- oder Diaprojektoren verwendet, wobei jeweils ein Projektionsgerät die Bilder für das rechte und das andere Projektionsgerät die Bilder für das linke Auge projiziert. Dabei erfolgt die Bildzuordnung über Farb- oder Polarisationsfilter. Soll ein Hochfrequenz- Stereovideoprojektionsverfahren angestrebt werden, so ist dies bisher mit üblicher Transmissionstechnik der LCD (Liquid Crystal Display) Projektoren nur schwer möglich, da LCD Displays keine hohen Bildwiederholraten zulassen. In Weiterentwicklung der Projektionsverfahren sind jetzt Verfahren bekannt, die ein Bild durch selektive Reflexion (Reflexionstechnik) der Grundfarben auf einem "Spiegelarray" zulassen. Mit dieser Technik ist eine hohe Bildwiederholrate entsprechend der Spiegeldynamik potentiell möglich. Aus der konventionellen Fotografie sind Stereoobjektivaufsätze bekannt, die optisch ein Stereobild auf den Film abbilden. Dabei wird der horizontale Bildwinkel halbiert.Known methods for displaying stereoscopic images are the observation of Slides with a viewer or the representation of stereo images using Shutter technology on a monitor. Instead of shutter techniques, with the help of pictures alternately assigned to the right and left eye at a high frequency, color separation processes (red-green) and polarization processes are also known. Furthermore are known autostereoscopic displays that i. d. R. with prism optics one Achieve image side separation for the right and left eye and thus a stereo effect produce. Combinations are used for stereo film or image projection processes used at least 2 video or slide projectors, each with a projection device Images for the right and the other projection device projects the images for the left eye. The image is assigned using color or polarization filters. Should a high frequency Stereovideo projection methods are aimed at, so far this is more common Transmission technology of the LCD (Liquid Crystal Display) projectors is difficult because LCD displays do not allow high refresh rates. In further development of the Projection methods are now known methods that create an image through selective reflection Allow (reflection technique) the primary colors on a "mirror array". With this technique a high refresh rate corresponding to the mirror dynamics is potentially possible. From conventional photography stereo lens attachments are known that optically Map the stereo image onto the film. The horizontal picture angle is halved.

Problem der bekannten Stereoaufnahme- und Präsentationsverfahren ist die Bildwinkelhalbierung entlang einer Achse (zumeist der horizontalen Achse). Weiterhin ist die Projektion von Stereobildern bislang nur im Doppelprojektionsverfahren möglich. Weiterhin erfolgt die Aufnahme von insbesondere Stereofilmen ohne beabsichtigte Bildwinkelhalbierung mit speziellen Kameras mit doppelt angelegten Aufzeichnungsmedien. Erfindungsgemäß wird hier ein System aus Optik, Hardware und Software beschrieben, das die einfache Modifikation von üblichen Präsentations-/Projektions- und Aufnahmesystemen zur Aufzeichnung und Präsentation von dreidimensionalen Stereobildern erlaubt und die o. g. Probleme löst.The problem with the known stereo recording and presentation methods is that Halving the angle of view along an axis (mostly the horizontal axis). Furthermore, the Until now, stereo images could only be projected using the double projection method. Farther especially stereo films are recorded without intention Halving the angle of view with special cameras with duplicate recording media. According to the invention, a system consisting of optics, hardware and software is described here the simple modification of common presentation / projection and recording systems allowed to record and present three-dimensional stereo images and the above. Solves problems.

Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand der Fig. 1-7 beschrieben. Speziell ist beim Videoprojektionsverfahren an ein reflektives Verfahren gedacht. Projektionsverfahren setzen einen Projektionsschirm voraus, der im Falle der Projektion von polarisiertem Licht die Polarisationseigenschaften des projizierten Lichts reflektieren muß. Unter einer Projektionsvorrichtung kann sowohl ein Videoprojektionsverfahren (Transmissionsverfahren bzw. Reflexionsverfahren) als auch ein Laserprojektionsverfahren verstanden werden. In der Regel wird man bei Polarisationsverfahren von Linearpolarisationsverfahren Gebrauch machen.The invention will now be described below with reference to FIGS. 1-7. In the video projection method, a reflective method is specifically thought of. Projection methods require a projection screen which, in the case of the projection of polarized light, must reflect the polarization properties of the projected light. A projection device can be understood to mean both a video projection method (transmission method or reflection method) and a laser projection method. As a rule, use will be made of linear polarization methods in polarization methods.

description

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Stereobildgewinnung in Aufsicht. Eine Kamera mit einem Bildsensor (bzw. Film) wird mit einer Stereooptik erweitert. Dabei kann eine Optik verwendet werden, die im bekannten Sinne den horizontalen Bildwinkel (x-Achse) halbiert und unskalierte hochformatige Aufnahmen liefert. Die Stereobilder werden dann nebeneinander oder übereinander auf dem aufnehmenden Medium (Bildsensor) abgebildet. Alternativ dazu kann eine Stereooptik verwendet werden, die eine optische Skalierung/ Verzerrung des aufzunehmenden Bildes in einer Achse erlaubt (Fig. 2). In diesem Falle wäre dann das Bild z. B. in die horizontale Achse (x-Achse) "gestaucht". Dadurch wird wieder der volle (monoskopische) Bildwinkel in der horizontalen Achse (in halber Auflösung) erfasst. Das Bild wird dann bei Präsentation z. B. in horizontaler Richtung per Software/Hardware (siehe Fig. 3 DV-Wandler) wieder zurückskaliert. Damit ist erfindungsgemäß das bekannte Problem der Bildwinkeleinengung bei der Stereophotographietechnik gelöst. Stereooptiken können hierzu mit Prismen oder Spiegellösungen gebaut werden. Fig. 1 shows a schematic representation of the stereo image acquisition in supervision. A camera with an image sensor (or film) is expanded with stereo optics. Optics can be used that halve the horizontal angle of view (x-axis) in the known sense and deliver unscaled portrait format images. The stereo images are then imaged side by side or one above the other on the recording medium (image sensor). Alternatively, stereo optics can be used which allow optical scaling / distortion of the image to be recorded in one axis ( FIG. 2). In this case the picture would be e.g. B. "compressed" in the horizontal axis (x-axis). As a result, the full (monoscopic) image angle in the horizontal axis (in half resolution) is recorded. The picture is then z. B. scaled back in the horizontal direction by software / hardware (see Fig. 3 DV converter). This solves the known problem of narrowing the angle of view in stereo photography technology according to the invention. For this purpose, stereo optics can be built with prisms or mirror solutions.

Fig. 2 zeigt eine schematisch dargestellte Auswahl verschieden konstruktiv möglicher Ausführungen von Stereoaufsätzen. Die Abbildungen zeigen den schematischen Aufbau einer Stereooptik mit Hilfe von Spiegeln. Die Funktion der Bildteilerspiegel und Außenspiegel kann ebenso von Prismen oder einer Kombination von Prisma und Spiegel übernommen werden. Der Stereoaufsatz wird in der Regel direkt mit dem Kameraobjektiv verbunden. Der Abstand der Ausblicksoptiken entspricht in der Regel der Größe eines durchschnittlichen Augenabstandes. Fig. 2a zeigt eine bekannte Bauart eines Stereovorsatzes mit planen Spiegeln. Unter Nutzung dieses Aufsatzes werden die Bilder regelmäßig skaliert abgebildet unter Halbierung des horizontalen Bildwinkels. Fig. 2b und Fig. 2c zeigen die erfindungsgemäße Weiterentwicklung eines Stereovorsatzes mit Erweiterung des horizontalen Bildfeldes. Dies wird dadurch erreicht, daß entweder Außenspiegel oder Bildteilerspiegel oder eine Kombination aus beiden entlang einer Achse gewölbt sind. Dadurch erfährt die Abbildung eine Skalierung und der horizontale Bildwinkel wird vergrößert. Die Wölbung kann dabei sphärisch oder asphärisch sein. Ebenso sind Kombinationen aus Prismen mit Zylinderlinsen oder Kombinationen aus Prismen und Spiegel denkbar. Fig. 2 shows a selection schematically depicted structurally different possible implementations of stereo attachments. The figures show the schematic structure of stereo optics using mirrors. The function of the image splitter mirror and exterior mirror can also be taken over by prisms or a combination of prism and mirror. The stereo attachment is usually connected directly to the camera lens. The distance between the viewing optics usually corresponds to the size of an average eye relief. Fig. 2a shows a known type of stereo attachment with flat mirrors. Using this attachment, the images are regularly scaled, halving the horizontal picture angle. Fig. 2b and Fig. 2c shows the development of the present invention show a stereo header extension with the horizontal field of view. This is achieved in that either exterior mirrors or image splitter mirrors or a combination of both are curved along an axis. As a result, the image is scaled and the horizontal angle of view is enlarged. The curvature can be spherical or aspherical. Combinations of prisms with cylindrical lenses or combinations of prisms and mirrors are also conceivable.

Fig. 3 zeigt den so bezeichneten Datenverarbeitungs-(DV)-Wandler. Der Datenverarbeitungswandler ist ein Hardware- und/oder Softwaregerät, das sich zwischen Abspielgerät (z. B. Videoplayer, Digital-Player, PC . . . u. s. w.) und Präsentationsgerät befindet und die Bilddaten für stereoskopische Visualisierung aufbereitet. Fig. 3 shows the so-called data processing (DV) converter. The data processing converter is a hardware and / or software device which is located between the playback device (e.g. video player, digital player, PC, etc.) and presentation device and processes the image data for stereoscopic visualization.

Je nach Abspielgerät, Film/Bildvorlage und Präsentationsgerät übernimmt der DV-Wandler verschiedene Funktionen, die im Folgenden beschrieben werden. Am Eingang und Ausgang des DV-Wandlers befinden sich ein Digital-Analog-Wandler bzw. Analog-Digital-Wandler. Dies orientiert sich an der Art der internen Verarbeitung und den Erfordernissen des Ein- und Ausgangssignals.Depending on the player, film / picture template and presentation device, the DV converter takes over various functions, which are described below. At the entrance and exit of the DV converter are a digital-to-analog converter or analog-to-digital converter. This is based on the type of internal processing and the requirements of entry and exit Output signal.

- Adaptation of the refresh rate of the output signal to the presentation device
- Scaling / splitting (ImageProcessing Fig. 4)
- Sequencing (ImageProcessing Fig. 4)
- Pulse Generation

Ein Abgleich der Bildwiederholfrequenz zwischen Ausgangs- und Eingangssignal ist insbesondere dann nötig, wenn der Ausgang mit einem Shutter-Präsentationsgerät verbunden ist, das eine hohe Bildwiederholfrequenz benötigt. Z. B. findet sich an einem Videoabspielgerät oder einem Digital-Player eine sequentielle Bildrate von 25 bis 30 (Voll-) Bildern pro Sekunde sowie eine Bildwiederholrate von 25-30 Hz. Um mit einem Shuttergerät einen Stereoeffekt zu erzielen, muß jeweils das Bild für das rechte und linke Auge mit mind. 50 Hz pro Auge (Bildwiederholrate) präsentiert werden. Das bedeutet, daß das Präsentationsgerät in diesem beispielhaften Fall eine Gesamtbildwiederholrate von 100 Hz anzeigen muß. Der DV-Wandler wandelt die Eingangsbildwiederholfrequenz unter Berücksichtigung der Bildrate auf z. B. 100 Hz um. Aus einem Einzelbild wird durch den Splitter ein Bild für das rechte und linke Auge erzeugt bzw. definiert. Dabei wird wechselweise das vom Imageprozessor sequenziell gelieferte Bild für das rechte und linke Auge als Bildwiederholrate umgesetzt und damit nacheinander hochfrequent angezeigt. Zusätzlich wird ein Signal zur Synchronisation (Impulsgeneration) des Bildwechsels mit z. B. dem Shutter/Polarisationsshutter ausgegeben. Der DV-Wandler fügt auch im Videobereich übliche Halbbilder (Interlaced) zu Vollbildern zusammen.A comparison of the refresh rate between output and input signal is especially necessary if the output is connected to a shutter presentation device that requires a high refresh rate. For example, one can be found on one Video player or digital player a sequential frame rate of 25 to 30 (full) Frames per second as well as a refresh rate of 25-30 Hz. To with a shutter device To achieve a stereo effect, the image for the right and left eye must have at least 50 Hz per eye (refresh rate) are presented. That means that Presentation device in this exemplary case, a total refresh rate of 100 Hz must display. The DV converter converts the input refresh rate Taking into account the frame rate on z. B. 100 Hz. A single picture is transformed by the Splitter creates or defines an image for the right and left eye. Doing so alternately, the image sequentially supplied by the image processor for the right and left Eye implemented as a refresh rate and thus displayed one after the other at high frequency. In addition, a signal for synchronization (pulse generation) of the picture change with z. B. output to the shutter / polarization shutter. The DV converter also adds in the video area Common fields (interlaced) to full frames together.

Im Falle der Verwendung einer Stereooptik mit skalierter x-Achse kann der Imageprozessor das zuvor optisch nicht gleichseitig skalierte Bild wieder skalieren. Außerdem werden die durch die Aufnahmen mit der Stereooptik nebeneinander vorliegenden Bilder geteilt (Splitting) und sequentiell dargestellt.In the case of using stereo optics with a scaled x-axis, the image processor can rescale the image that was previously not optically scaled equally. In addition, the shared by the images with the stereo optics side by side images (Splitting) and shown sequentially.

Je nach Anforderungen des Präsentationsgerätes in Abstimmung an das Abspielgerät und das aufgenommene Bildmaterial können auch nur Teilfunktionen des DV-Wandlers zur Anwendung kommen.Depending on the requirements of the presentation device in coordination with the player and the Recorded image material can only be used for partial functions of the DV converter Application come.

Fig. 5 zeigt die Präsentation von dreidimensionalen Stereobildern mit Hilfe eines Videoprojektors mit hoher Bildwiederholrate (z. B. Spiegelarraytechnik). Die Anordnung besteht aus einer Projektionswand, die die Polarisationsrichtung des auffallenden Lichtes in der Reflexion beibehält, sowie einer passiven Polfilterbrille, die üblicherweise Polarisationsfilter für linear polarisiertes Licht jeweils für das rechte und linke Auge mit 90 Grad Rotationsdifferenz enthält, sowie dem DV-Wandler, der als Gerät zwischen Abspielgerät und Projektor angeschlossen wird, oder auch im Videoprojektor integriert sein kann, sowie einer Bildquelle, die entsprechende Bilder oder Bildsequenzen liefert. Der DV- Wandler steuert den Richtungsshutter. Der aktive Richtungsshutter wechselt mit einer hohen Frequenz die lineare Polarisationsrichtung des durchtretenden Lichts (siehe Fig. 7). Dabei entspricht die Wechselfrequenz des Richtungsshutters in der Regel der Bildwiederholfrequenz des Präsentationsgerätes (Projektors). Dieser Richtungsshutter kann sowohl als elektronische Komponente im Sinne eines LCD's realisiert oder als mechanische Komponente, z. B. als rotierende Scheibe mit Polfilterfolien, integriert sein. Der Richtungsshutter kann sowohl von außen vor das Objektiv eines Projektors angebracht werden oder im Innern des Projektors integriert sein. Ist die aktuelle Polarisationsrichtung des Richtungsshutter parallel zum entsprechenden Filter der Polfilterbrille, so ist das von der Wand reflektierte Bild sichtbar. Bei Rotationsunterschied zwischen Polfilter und Richtungsshutter idealerweise 90° besteht keine Transmission, das Bild ist also nicht sichtbar. Auf diese Weise ordnet der Richtungsshutter dem Polfilterbrillenträger jeweils Bilder nur dem rechten oder linken Auge zu. Der Richtungsshutter muß dabei mit der Bildwiederholfrequenz des Ausgangssignals des DV-Wandlers synchronisiert werden. Fig. 5 shows the presentation of three-dimensional stereoscopic images using a video projector having a high frame rate (z. B. mirror array technology). The arrangement consists of a projection screen, which maintains the direction of polarization of the incident light in the reflection, as well as passive polarizing glasses, which usually contain polarization filters for linearly polarized light, each for the right and left eye with a 90 degree rotation difference, and the DV converter, which is connected as a device between the playback device and the projector, or can also be integrated in the video projector, and an image source that delivers the corresponding images or image sequences. The DV converter controls the directional shutter. The active directional shutter changes the linear polarization direction of the transmitted light at a high frequency (see FIG. 7). The change frequency of the directional shutter usually corresponds to the refresh rate of the presentation device (projector). This directional shutter can be implemented as an electronic component in the sense of an LCD or as a mechanical component, e.g. B. integrated as a rotating disc with polarizing filter. The directional shutter can either be attached to the outside of a projector's lens or integrated inside the projector. If the current polarization direction of the directional shutter is parallel to the corresponding filter of the polarizing glasses, the image reflected by the wall is visible. If there is a rotation difference between the polarizing filter and the directional shutter, ideally there is no transmission, so the image is not visible. In this way, the directional shutter only assigns images to the right or left eye of the polarized filter wearer. The directional shutter must be synchronized with the refresh rate of the output signal of the DV converter.

Fig. 6 zeigt eine weitere Projektions-/Präsentationsmöglichkeit von dreidimensionalen Stereobildern. Im Unterschied zu Fig. 5 werden hier keine polarisationsrichtungsfilternde oder erzeugende oder reflektierende Systeme benötigt. Ein DV-Wandler bereitet die Bilder auf und sendet sie mit hoher Bildwiederholrate (bzw. Wechselfrequenz) an das Projektionssystem. Dabei trägt der Betrachter eine aktive Shutterbrille, die mit der Bildwiederholausgangsfrequenz des DV-Wandlers synchronisiert ist. Die Shutterbrille öffnet und schließt dabei wechselweise mit hoher Frequenz den Durchblick des jeweils rechten und linken Auges. Fig. 6 shows another projection / presentation possibility of three-dimensional stereoscopic images. In contrast to FIG. 5, no polarization direction filtering or generating or reflecting systems are required here. A DV converter processes the images and sends them to the projection system at a high refresh rate (or alternating frequency). The viewer wears active shutter glasses that are synchronized with the refresh rate of the DV converter. The shutter glasses open and close alternately with high frequency the view of the right and left eye.

Fig. 7: Je nach Bauart des Projektionsgerätes kann der Richtungsshutter an verschiedenen Positionen des Strahlengangs eingebracht werden. Beispielhaft ist dies für einen Spiegelarrayprojektor dargestellt. Der Polarisationsrichtungsshutter kann sowohl vor der Farbmischung als auch nach der Farbmischung in den Strahlengang eingebracht werden. Auch eine Integration in die Rotationsfarbmischscheibe bzw. das farberzeugende System ist möglich. Fig. 7: Depending on the design of the projection device, the directional shutter can be inserted at different positions in the beam path. This is shown as an example for a mirror array projector. The polarization direction shutter can be introduced into the beam path both before the color mixing and after the color mixing. Integration into the rotary color mixing disk or the color-generating system is also possible.

Die Visualisierungstechniken wurden hier beispielhaft für den Fall einer Visualisierung durch hohe Projektionsbildwechselfrequenzen dargestellt. Für Systeme, die diese hohen Frequenzen nicht benötigen, wie z. B. autostereoskopische Displays, können auch nur Teilfunktionen aus der Kombination Stereokameraaufsatz und DV-Wandler zur Anwendung kommen. Die Prinzipien einer hohen Bildwechselfrequenz lassen sich ebenso auf die Darstellung an einem Fernsehmonitor nutzen. Auch hier kann ein DV-Wandler Bilder aufbereiten und synchronisiert mit z. B. Shuttergläsern abspielen. Bei dieser Lösung wäre auch eine wechselweise Präsentation von Halbbildern an einem Fernsehschirm möglich.The visualization techniques were exemplified here in the case of a visualization high projection image change frequencies are shown. For systems that use these high frequencies do not need such. B. autostereoscopic displays can also only partial functions the combination of stereo camera attachment and DV converter can be used. The Principles of a high frame rate can also be applied to the display on one Use TV monitor. Here, too, a DV converter can process images synchronized with z. B. Play shutter glasses. With this solution there would also be one alternate presentation of fields on a television screen possible.

Claims

1. Device and system for creating and presenting stereo images to convey a subjective spatial visual impression with
a camera for single pictures or picture sequences with stereo optics and
a presentation system consisting of a projection unit or another visualization unit,
characterized in that a polarization changing unit for linearly polarized light is connected upstream of the projection unit.

2. Apparatus according to claim 1, further characterized in that one of the Projection unit upstream image processing unit performs an image calculation.