DE10134430A1

DE10134430A1 - Verfahren und Anordnung zur stereoskopischen Projektion von Bildern

Info

Publication number: DE10134430A1
Application number: DE10134430A
Authority: DE
Inventors: Matthias Buck; Walter Gillner; Ralf Specht
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-01-30

Abstract

Die Erfindung betriftt ein Projektionssystem zur Darstellung virtueller Welten und Objekte. Um einen hohen Immersionsgrad zu erreichen, wird ein Projektionssystem geschaffen, welches eine Kombination von Bodenprojektion und Rundprojektion mit zusätzlichem Tracking eines Beobachters beinhaltet. Die dabei auftretenden Hauptprobleme, nämlich die perspektivisch korrekte Projektion auf eine konkave Leinwand der Rundprojektion und das Ausmaskieren der nicht sichtbaren Bereiche der Rund- und Bodenprojektion, werden softwaretechnisch gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur stereoskopischen Projektion von Bildern nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
Die Erfindung ist bei der Entwicklung, Fertigung und Montage von Bauteilen und Konstruktionen anwendbar. Ziel ist es, Prototypen möglichst real und kostengünstig zu entwickeln.
Es ist bekannt, Bauteile oder Konstruktionen mit einem Rechner zu erstellen und diese dreidimensional darzustellen. Ausgabegeräte zur möglichst realitätsnahen Darstellung einer von einem Rechner geschaffenen, interaktiven, dreidimensionalen Umwelt (Virtual Reality (VR)) ermöglichen es, komplexe unüberschaubare Strukturen, wie zum Beispiel aus Versuchen oder Simulationen gewonnene Datensätze, anschaulich darzustellen.
Ein wichtiger Punkt ist dabei die möglichst realistische dreidimensionale Darstellung der berechneten Szenen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Arbeitsplatz-3D-Bildschirmen, bei denen die virtuelle Welt lediglich von außen, wie durch ein Fenster betrachtet wird, vermitteln immersive Projektionstechnologien dem Benutzer das Gefühl, in diese künstliche Welt einzutauchen, ein Teil von ihr zu sein. Die Benutzer können in die betrachteten Strukturen hineinspähen oder um sie herumgehen und sie somit leichter verstehen. In wissenschaftlichen oder technischen Anwendungen sind immersive Projektionstechniken eine große Hilfe bei der Suche nach Mustern, Verbindungen, Anomalien oder sonstigen Beziehungen.
Immersive Ausgabegeräte wurden ursprünglich als wissenschaftliche Visualisierungswerkzeuge entwickelt. Als erster Industriezweig hat die Automobilindustrie angefangen, die VR-Technologie in großem Stil einzusetzen. Hauptziele sind dabei die Verkürzung der Entwicklungszeit und gleichzeitige Reduzierung der Kosten beim Bau neuer Automobile. So können beim sogenannten virtuellen oder digitalen Prototyping zum Beispiel das Interieur eines Autos auf Ergonomie überprüft oder Wartungs- und Reparaturarbeiten simuliert werden noch bevor der erste Prototyp gebaut ist. Auch in anderen Industriezweigen, wie zum Beispiel der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Schiffs- und Anlagenbau spielt VR und damit die Verfügbarkeit hochwertiger, kostengünstiger immersiver Projektionssysteme eine immer größere Rolle.
Es gibt inzwischen eine Vielzahl unterschiedlicher immersiver Projektionssysteme. Sie unterscheiden sich zum Teil ganz erheblich in ihrer Bauweise, dem Immersionsgrad sowie den Kosten.
Die wohl einfachsten dieser Systeme sind vor den Augen zu tragende Anzeigevorrichtungen (Head Mounted Display, (HMD)), bei welchen die 3D-Graphik auf die Gläser einer Brille projiziert wird. Ein derartiges Projektionssystem ist in DE 196 41 480 A1 beschrieben. Es werden keine teueren Aufbauten und Projektoren benötigt. Die Kosten für ein HMD sowie die benötigte Rechenleistung sind daher im Vergleich zu anderen Systemen gering. Weitere Vorteile sind der niedrige Platzbedarf sowie der hohe Immersionsgrad des einzelnen Benutzers. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch, dass das HMD nicht mehrbenutzerfähig ist. Für Präsentationen ist das HMD damit weniger geeignet. Weiterhin ist die maximal mögliche grafische Auflösung des Displays geringer als bei anderen Projektionssystemen.
Es sind weiterhin Projektionssysteme bekannt die einen Bildschirm mit großer Diagonale mit Abmessungen von ca. 1-1.5 m verwenden, auf welchem die 3D-Graphiken von vorn dargestellt werden. Aufgrund der relativ kleinen Projektionsfläche, sowie des Blicks auf einen Bildschirm, ist der Immersionsgrad deutlich geringer als beim HMD. Man hat, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Arbeitsplatz-3D-Bildschirm, das Gefühl die virtuelle Welt durch ein Fenster zu betrachten. Dafür sind solche Systeme jedoch eingeschränkt mehrbenutzerfähig. Sie empfehlen sich im wesentlichen als Einzelarbeitsplätze, welche gelegentlich für Präsentationen genutzt werden können und an denen Immersion nicht den allerhöchsten Stellenwert hat.
Eine Weiterentwicklung der Systeme mit großen Bildschirmen sind Systeme bei denen die Bilder von hinten auf zwei ca. 2 × 1,5 m große, L-förmig angeordnete Mattscheiben projiziert werden. Die Bilder werden dabei abhängig von der Position des Benutzers berechnet. Durch diese benutzerabhängige Bilderzeugung sowie die Projektion auf zwei Flächen ist der Grad der Immersion deutlich größer als bei den zuvor beschriebenen Systemen. Der Knick zwischen den beiden Scheiben, auf welche projiziert wird, erzeugt für die Beobachter 17, die einen anderen Blickwinkel auf die Projektionsflächen haben, als der Beobachter, dessen Position bestimmt und aus dessen Blickrichtung die Bilder berechnet werden, jedoch große Verzerrungen. Hierdurch ist ein solches System für Präsentationen weniger geeignet.
Des weiteren wird zur Projektion von 3D-Graphiken mit meist mehreren Projektoren eine große Leinwand verwendet. Die grafische Auflösung ist deutlich höher als bei den Systemen mit großen Bildschirmen. Die Systeme mit großen Leinwänden sind mehrbenutzerfähig und eignen sich sehr gut für Präsentationen. Der Immersionsgrad ist jedoch wesentlich geringer als beim HMD, da bei nur eine Ebene als Präsentationsfläche zur Verfügung steht.
Ein weiteres immersives Projektionssystem ist die Rundprojektion. Anstatt die 3D-Graphik auf eine große ebene Leinwand zu projizieren ist die Projektionsfläche Teil eines Zylinders. Der Öffnungswinkel variiert dabei i. a. zwischen 120 und 200 Grad. Dadurch, dass die Projektionsfläche teilweise um den Benutzer herum geht und somit fast sein gesamtes Sichtfeld abdeckt, ist der Immersionsgrad bei der Rundprojektion deutlich höher als bei den Systemen mit großen Leinwänden.
Desweiteren sind würfelförmige Projektionsräume (Computerized Automatic Virtual Environment, (CAVE))bekannt, bei denen ähnlich wie bei den Systemen mit L-förmig angeordneten Mattscheiben die 3D-Graphiken benutzerabhängig auf mehrere rechtwinkelig zueinander stehende Seiten projiziert werden. Bei den meisten heute existierenden CAVEs werden die Bilder auf vier Seiten projiziert: vorne, rechts, links, sowie auf den Fußboden. Bei solch einer vierseitigen CAVE (C4) erfolgt die Projektion auf den Boden von oben herab. Bei fünf- und sechsseitigen CAVEs (C5/C6) ist dies nicht mehr möglich, hier werden die Projektoren unter dem Fußboden angebracht, was den Aufbau noch wesentlich komplizierter und teurer macht. Die Standardmaße einer kleinen für ca. 6 Personen geeigneten CAVE sind 2,4 m × 2,4 m × 2,4 m. Die Ausmaße einer großen CAVE, welche sich für Gruppen von ca. 10 Personen eignet, sind 3 m × 3 m × 3 m. Obwohl die Projektoren die CAVE in der Regel nicht direkt beleuchten, wird ihr Bild meist über mindestens einen Spiegel umgelenkt uns man benötigt immer noch eine Raumhöhe von wenigstens vier Metern für den Aufbau einer kleinen vierseitigen CAVE. Der Immersionsgrad der CAVE ist, insbesondere bei der C6, sehr hoch. Allerdings sind dieses Systeme sehr teuer und lediglich eine Person hat eine optimale Darstellungsqualität. Die restlichen Personen sehen zum Teil starke Diskontinuitäten in Form von Richtungssprüngen an den Kanten des würfelförmigen Raumes. Bei sehr hellen Szenen treten weiterhin störende Übersprechungen, wie Spiegelungen bzw. wechselseitige Beleuchtung der Flächen, an den Kanten und in den Ecken des Würfels auf, welche zu einer deutlichen Kontrastreduktion führen.
Eine Variante der CAVE ist ein Projektionssystem (RAVE) bestehend aus drei Seitenwänden, welche auf Rollen gelagert sind. Die 3D-Graphiken werden auf die drei Seiten sowie den Boden projiziert. Die Seitenwände lassen sich zu einer großen Wand nebeneinander aufstellen, womit sich eine Projektionsfläche von 10 m Breite ergibt. Sie können jedoch auch rechtwinklig angeordnet werden wodurch man eine gewöhnliche vierseitige CAVE erhält. Der Vorteil gegenüber der CAVE ist die größere Flexibilität, so dass sich auch Präsentationen für mehr als 10 Personen ausrichten lassen.
Im Unterhaltungsbereich finden sich schließlich noch die 3D- Kinos mit Projektionsflächen, die Teil einer Kugel sind, innerhalb der sich die Zuschauer befinden. Die 3D-Kinos haben Großbildleinwände mit Abmessungen von ca. 20 m × 27 m, auf denen speziell für diese Kinos hergestellte Filme gezeigt werden. Die Transformation der Bilder auf die Halbkugeln erfordert spezielle teure Aufnahme- und Wiedergabegeräte. Es wird sowohl aktives als auch passives Stereo eingesetzt. Der große Vorteil gegenüber der CAVE/RAVE Technologie ist, dass es keine Kanten im Projektionsraum gibt und somit keine sichtbaren Diskontinuitäten auftreten können. Trotz der gewaltigen Größe der Leinwand ist der Immersionsgrad der Systeme nicht so hoch wie bei einer CAVE, da der Benutzer die Szenen nur aus einer vorgegebenen Position betrachten kann. Daher und aufgrund der enormen Kosten spielt diese Kino-Technologie im wissenschaftlich/technischen Bereich keine Rolle.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur stereoskopischen Projektion eines Bildes anzugeben, welche eine benutzerabhängige realitätsnahe Darstellung mit hohem Immersionsgrad ermöglichen.
Dies Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und 9 angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Das neuartige immersive Projektionsverfahren- und die Anordnungen sind eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Rundprojektion. Es vereint im wesentlichen die Vorteile aller bestehenden immersiven Projektionssysteme. Das Verfahren und die Anordnung beinhalten die Kombination von Rundprojektion und Projektion auf eine vor dem konkaven, insbesondere zylindrischen, Projektionsschirm gelegenen Bodenfläche. Zusätzlich kann ein optisches Infrarot-Ortungssystem (Tracking- System) die Position und Blickrichtung eines Beobachters ermitteln. Die Darstellung der virtuellen Szenen erfolgt dann in Abhängigkeit der Daten dieses Systems. Hierdurch wird der Immersionsgrad einer CAVE erreicht. Die Rundprojektion stellt dabei jedoch einen wesentlich größeren Raum zur Verfügung. Dieser ermöglicht es zum Beispiel ein komplettes Auto in Originalgröße darzustellen und sich um dieses herumzubewegen bzw. sich in es hineinzusetzen. Das System ist flexibel einsetzbar. So lässt es sich zum Beispiel für Präsentationen vor großen Gruppen auch als herkömmliche Rundprojektion ohne Ortung (Tracking) und Bodenprojektion nutzen.
Die vom Computer beobachterabhängig berechneten Bilder müssen perspektivisch korrekt auf den Boden sowie den konkaven Projektionsschirm projiziert werden. Hierbei sind eine Reihe von Problemen zu lösen. Zunächst muß die Position und Blickrichtung der Beobachter möglichst exakt ermittelt werden (Tracking). Anschließend ist die darzustellende Szene in Abhängigkeit dieser Daten zu erzeugen und korrekt auf den konkaven Projektionsschirm sowie den Boden zu projizieren. Dabei müssen mehrere Projektoren synchron angesteuert werden. Die bei der Projektion auf die zylinderförmige Leinwand, sowie den Boden, auftretenden Verzerrungen können nicht alleine mit Hilfe der Optik der Projektoren korrigiert werden. Sie müssen mittels spezieller Verfahren bei der Berechnung der Szenen mit berücksichtigt werden. Schließlich ist noch zu gewährleisten, dass die Bereiche der Zylinder- bzw. Bodenprojektion, die sich überlappen, ausgeblendet werden (Clipping).
Die folgenden Abschnitte beschreiben detailliert den Aufbau des Projektionssystems, die verwendete Hardware, das Tracking sowie die beobachterabhängige Bilderzeugung und das Clipping. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Boden- und Rundprojektion,
Fig. 2 einen Grundriß der Boden- und Rundprojektion nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Aufriß der Boden- und Rundprojektion nach Fig. 1,
Fig. 4 ein Schema für eine beobachterabhängige Bilderzeugung,
Fig. 5 ein Schema für ein blickpunktabhängiges Rendering uaf die Bildebene,
Fig. 6 ein Schema für ein blickpunktabhängiges Texturmapping,
Fig. 7 ein Schema für einen weiteren Renderschritt und Clipping,
Fig. 8 ein Schema zur Verdeutlichung des Blickwinkelproblems,
Fig. 9 ein Schema für die Lösung des Blickwinkelproblems nach Fig. 8 durch Einfügen zweier Bildebenen,
Fig. 10 ein Schema für die Lösung des Blickwinkelproblems nach Fig. 8 durch Positionskorrektur,
Fig. 11 ein Schema für einen ersten Renderschritt mit blickpunktabhängigen Rendering auf die Bildebene,
Fig. 12 ein Schema für einen zweiten Renderschritt mit kameraabhängigen Texturmapping, und
Fig. 13 ein Schema zur Ausmaskierung der Bodenprojektion.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für Elemente mit äquivalenten Wirkungen in den verschiedenen Figuren die selben Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt ein dreidimensionales Modell einer Projektionsanordnung. Die Projektionsanordnung besteht aus einen Rechner 1 mit einem Zentralprozessor 2 (CPU), der über ein Bussystem 3 mit einem Festplattenlaufwerk 4 (HD), einem wahlfreien Zugriffsspeicher 5 (RAM) und einem Nur-Lese-Speicher 6 (ROM) verbunden ist. Von außerhalb sind mit dem Bussystem 3 eine Tastatur 7 eine CAD-Station 8 und ein Bildschirm 9 verbunden. Der Zentralprozessor 2 dient zur zeitlichen Abstimmung und Kontrolle aller an das Bussystem 3 angeschlossenen Elemente. Der wahlfreie Zugriffsspeicher 5 dient zur Ablage von temporären Anweisungen oder Daten. Der Nur-Lese-Speicher 6 enthält unveränderliche Befehle, Daten und Programme, die für die korrekte Funktionsweise des Rechners 1 erforderlich sind. Die Festplatte 4 ist ein Speicher mit großer Kapazität, um ein Programm und Daten bei der Durchführung des Verfahrens zu speichern. Mit der CAD-Station 8 können Daten zu stillstehenden oder bewegten Bildern gewonnen und dem Rechner 1 zugeführt werden. Die Tastatur 8 ermöglicht die Dateneingabe durch eine Bedienperson. Zur Ausgabe von Daten für die Bedienperson dient der Bildschirm 10.
Das Projektionssystem selbst enthält eine Leinwand 10 für eine Rundprojektion, eine Projektionsfläche 11 für eine Bodenprojektion, fünf Projektoren 12-16 und ein auf einen Beobachter 17 gerichtetes Infarot-Tracking-System 18. Der Beobachter 17 trägt am Kopf eine mit dem Tracking-System 18 zusammenwirkende Signalisierungsanordnung an einem Helm 19 mit Markierungen. Der Beobachter 17 trägt eine 3D-Shutter-Brille. Die Boden-Projektoren 16, 16 sind auf an der Decke angebrachte Spiegel 20, 21 gerichtet. Die Projektoren 12-16 und das Tracking-System 18 sind mit dem Bussystem 3 verbunden.
Der Beobachter 17 kann sich frei auf der dargestellten Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion bewegen. Das Tracking- System 18 bestimmt seine aktuelle Position und Blickrichtung und übermittelt diese an den Rechner 1. Dieser berechnet die darzustellende Szene in Abhängigkeit der ermittelten Daten. Im letzten Schritt werden die berechneten Bilder von fünf den Projektoren 12-16 auf die zylindrische Leinwand 10 sowie die Boden-Projektionsfläche 11 abgebildet.
Der Grundriß des Aufbaus des Projektionssystems ist in Fig. 2 zu sehen. Die Leinwand 10 der Rundprojektion ist Teil eines Zylinders mit einem Durchmesser von 7 Metern. Sie hat eine Höhe von 340 cm und ermöglicht ein horizontales Blickfeld von 200 Grad, wovon das System jedoch nur 180 Grad nutzt. Das vertikale Blickfeld beträgt im Projektionszentrum 22 ca. 44 Grad. 70 cm vom Zentrum 22 der Rundprojektion entfernt in Richtung Leinwand 10 beginnt die Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion. Sie ist schraffiert eingezeichnet. Unmittelbar vor der Boden- Projektionsfläche 11 stehen die Projektoren 15, 16 (P4 und P5). Diese projizieren die Bilder indirekt über die beiden an der Decke angebrachten Spiegel 20, 21 auf die Boden- Projektionsfläche. Direkt an der Decke des Raums, 110 cm vom Zentrum 22 der Rundprojektion weg von der Leinwand 10 entfernt, sind außerdem, in einem Winkel von 60 Grad zueinander, die Projektoren 12-14 (P1 bis P3) angebracht. Diese strahlen die zylinderförmige Leinwand 10 der Rundprojektion direkt an.
Fig. 3 zeigt den Aufriß des Projektionssystems. Die Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion ist eine 10 cm hohe Plattform. Durch die Platzierung der Projektoren P4 und P5 auf dem Boden direkt vor der Boden-Projektionsfläche 11 und die indirekte Beleuchtung der Boden-Projektionsfläche über die beiden Spiegel 20, 21 an der Decke des Raumes reduziert sich die Höhe des Aufbaus erheblich. Durch diese Anordnung läßt sich das gesamte System in einem Raum von lediglich 360 cm Höhe aufbauen.
In Fig. 1 ist nur ein Rechner 1 exemplarisch dargestellt. Für die Bilderzeugung können mehrere spezielle Graphik-Rechner eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Projektionssystem mit vier Graphik-Pipelines aufgebaut sein. Drei davon steuern die Projektoren 12-14 an und werden für die Darstellung der Graphik auf der Leinwand 10 verwendet. Die vierte Graphik- Pipeline berechnet die Bilder für die Projektoren 15, 16 für die Bodenprojektion. Die Rechner können mit mehreren Prozessoren ausgestattet sein.
Als Projektoren 12-16 werden fünf, für stereoskopische Darstellungen geeignete sogenannte CRT-Projektoren verwendet, deren Einstellbereiche für die hier vorliegende Projektions- Geometrie angepasst sind. Die Projektoren 12-16 arbeiten jeweils mit 100 Hz Bildwiederholrate und einer Auflösung von 1280 × 1024 Bildpunkten. Um Effekte wie zum Beispiel Glanz möglichst realistisch darstellen zu können, besitzen die Projektoren 12-16 eine Leuchtkraft von mindestens 1000 Lumen. Durch eine exakte Justierung der Projektoren 12-16 wird erreicht, dass die Kante am Übergang zwischen Boden- und Rundprojektion nicht wahrzunehmen ist. Der sanfte und damit unsichtbare Übergang der drei, durch die Projektoren 12-14 beleuchteten, Bereiche auf der Leinwand 10 wird durch ein sogenanntes SOFT-EDGE-BLENDING Verfahren realisiert.
Erst durch die Verwendung der 3D-Shutter-Brillen entsteht ein dreidimensionaler Eindruck. Bei diesen Brillen wird abwechselnd das linke bzw. rechte Glas undurchsichtig. Das entsprechende Auge hat dadurch nur dann freie Sicht auf die berechnete Szene, wenn auch das linke bzw. rechte Teilbild gezeigt wird. Die Projektoren 12-16 projizieren dabei synchron zu den Shutter- Brillen die Bilder für das linke bzw. rechte Auge auf die Leinwand 10. Hierdurch entsteht die Illusion einer dreidimensionalen Umwelt. Der große Vorteil von Shutter-Brillen gegenüber Brillen mit Polarisationsfiltern ist, dass sich der Beobachter 17 frei im Raum bewegen und seinen Blickwinkel frei wählen kann, da es keine Polarisationsebene gibt. Diese Freiheit wird allerdings durch die aktiven Komponenten der Brillen erkauft, welche komplizierter zu handhaben und wesentlich teurer sind als passive Systeme.
Es ist weiterhin eine Brille verwendbar, die die Vorteile aktiver Shutter-Brillen mit der leichten Handhabung von Brillen mit Polarisationsfiltern verbindet. Ein derartige Brille beruht auf einer passiven Filter-Technologie und kommt ohne aktive Komponenten in den, dabei verwendeten, leichten und hellen Brillen aus.
Das Tracking-System 18 übermittelt dem Rechner 1 die aktuelle Position des Beobachters 17, sowie seine Blickrichtung.
Abhängig von diesen Informationen werden die Bilder vom Rechner 1 sozusagen aus der Sicht des getrackten Beobachters 17 berechnet. Für diese eine Person werden die Bilder also optimal dargestellt. Dabei sind am Rand des Projektions-Raumes spezielle Infrarot-Meßkameras installiert. Der zu trackende Beobachter 17 hat einen Helm 18 mit selbstreflektierenden Markern auf, deren Position von den Kameras ermittelt wird. Ein Vorteil dieser passiven, nicht selbstleuchtenden Marker ist, dass sie keine Stromversorgung benötigen und problemlos auch an der ohnehin zu tragenden Shutter-Brille befestigt werden können. Aus den gemessenen Daten berechnet der Rechner 1 Koordinatensätze, die die aktuelle Position und Orientierung bzw. Blickrichtung der Person beschreiben.
Durch das Tracking einer Person kann eine Szene sozusagen aus Sicht dieser Person berechnet und dargestellt werden. Für die nicht getrackten Beobachter 17 ist die Darstellung jedoch nicht ganz korrekt und es treten, insbesondere an Kanten, mehr oder weniger starke Verzerrungen auf. Da das Projektions-System nur eine Kante hat, nämlich den Übergang von der Boden- zur Zylinderprojektion, treten wesentlich weniger störende Verzerrungen auf als z. B. bei einer CAVE, welche zusätzlich zu den horizontalen Kanten beim Übergang vom Boden zu den Seitenwänden auch noch jeweils vertikale Kanten beim Übergang zwischen den Seitenwänden hat.
Das Verfahren kann auch für mehrere Beobachter 17 durchgeführt werden, indem für jeden Beobachter 17 individuell visualisiert wird und somit für verschiedene Personen gleichzeitig ein optimales Bild zu erzeugen wird.
Nachdem Position und Blickrichtung des Beobachters 17 durch das Tracking-System 18 ermittelt wurden, muß die virtuelle Szene in Abhängigkeit dieser Daten auf der zylinderförmigen Leinwand 10 sowie der Boden-Projektionsfläche 11 dargestellt werden. Dies geschieht jeweils in einem zweistufigen Prozeß, der anhand von Fig. 4 näher beschreiben werden soll. Zunächst wird eine Szene aus Sicht des Beobachters 17 perspektivisch korrekt auf einer virtuellen Bildebene dargestellt. Im einem zweiten Schritt erfolgt dann die Abbildung auf eine zylindrische Hilfsgeometrie bzw. eine Ebene, sowie die Projektion auf die zylindrische Leinwand 10 bzw. die Boden-Projektionsfläche 11.
In Abhängigkeit des Standpunkts und der Blickrichtung des Beobachters 17 muß das Bild 23 einer Szene auf der zylindrischen Leinwand 10 der Rundprojektion perspektivisch korrekt dargestellt werden. Dieses Rendering der Szene erfolgt in zwei Schritten.
Im ersten Schritt wird die zylindrische Leinwand 10, wie in Fig. 5 dargestellt, in drei Bereiche 24-26 unterteilt. Jeder Bereich 24-26 wird von einem Projektor 12-14 beleuchtet, welcher jeweils durch eine Graphikpipeline des verwendeten Graphik-Rechners 1 angesteuert werden. Im ersten Rendering- Schritt wird das Bild für jeden der drei Bereiche 24-26 auf einer imaginären Bildebene 27-29 dargestellt. Diese Bildebenen 27-29 sind jeweils vor den Bildbereichen 24-26 innerhalb des Projektionszylinders 10 aufgespannt. Beim Blick auf eine der drei Bildebenen 27-29 ergibt sich für den Beobachter 17 im allgemeinen eine asymmetrische Sichtpyramide. Der Blick des Beobachters auf den mittleren Bereich 25 der Leinwand 10 ist genauer dargestellt. Die asymmetrischen Sichtpyramide des Beobachters 17 ist schraffiert eingezeichnet.
Nachdem die darzustellende Szene im ersten Schritt auf der imaginären flachen Bildebene 27-29 dargestellt wurde, muß sie in einem zweiten Schritt auf die zylindrische Leinwand 10 projiziert werden. Hierzu wird die zylindrische Leinwand 10 im Rechner 1 durch eine zylindrische Hilfsgeometrie 10' angenähert. Diese Hilfsgeometrie 10' ist aus Dreiecken aufgebaut. Die Anzahl der Dreiecke bestimmt dabei den Fehler, welcher bei der internen Annäherung der zylindrischen Leinwand 10 durch die Hilfsgeometrie 10' gemacht wird. Je größer die Anzahl der Dreiecke, desto genauer wird die zylindrische Leinwand 10 im Rechner 1 nachgebildet. Allerdings steigt damit auch der Berechnungsaufwand und die Anzahl der Bilder, die pro Sekunde berechnet werden können sinkt. Für eine flüssige Animation und damit ein hohes Maß an Realität ist eine hohe Anzahl von neuberechneten Bildern pro Sekunde jedoch sehr wichtig. In diesem Schritt muss also zwischen der Genauigkeit der Annäherung des Zylinders und der Anzahl der pro Sekunde darzustellenden Bilder abgewägt werden. Die auf die flache Bildebene gerenderte Szene wird schließlich, vom Standpunkt des Beobachters 17 aus, als Textur auf die zylindrische Hilfsgeometrie 10' abgebildet, so wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
Das Resultat dieses Darstellungsprozesses ist im zweiten Renderschritt die beobachterabhängige Abbildung der Szene auf der zylindrischen Hilfsgeometrie 10'. Das dabei entstehenden Bild wird nun, aus der Sicht einer im Projektionszentrum stehenden Kamera, berechnet und von dem zuständigen Projektor 12-14 auf den entsprechenden Bereich 24-26 der Leinwand 10 projiziert. Wie in Fig. 7 gezeigt, sieht diese Kamera sieht nur die zylindrische Hilfsgeometrie 10' mit der aufgebrachten Textur. Der Hintergrund der Hilfsgeometrie 10' ist schwarz. An diesen Stellen wird kein Bild erzeugt. Die Projektoren 12-14 beleuchten automatisch lediglich die zylindrische Leinwand 10. Ein separater Clipping-Schritt um die Beleuchtung von Boden- Projektionsfläche 11 oder Decke zu vermeiden ist somit nicht mehr nötig.
Im Gegensatz zur CAVE treten bei dem hier beschriebenen Aufbau Probleme auf, sobald sich der Beobachter 17 in einem kritischen Bereich in der Nähe der Leinwand 10 befindet. Steht er sehr nahe an bzw. hinter der imaginären Bildebene 27-29, so ergibt sich für ihn ein Blickwinkel von mehr als 180 Grad auf die zylindrische Leinwand 10, was in Fig. 8 naher gezeigt ist. Dieses Problem lässt sich auf mehrere Arten lösen.
Durch das Tracking ist die aktuelle Position des Beobachters 17 bekannt. Befindet er sich in dem kritischen Bereich, so kann das Bild anstatt auf eine, auf zwei Bildebenen gerendert werden. Hierzu wird zunächst ein Hilfspunkt 31 bestimmt, welcher möglichst nahe am Beobachter 17 auf der Leinwand 10 liegt. Dies kann zum Beispiel durch die Projektion der Beobachterkoordinaten auf die Leinwand 10 geschehen. Wie in Fig. 9 gezeigt, bestimmt dieser Hilfspunkt 31 zwei neue Bildebenen 32, 33. Befindet sich der Beobachter 17 nicht exakt in einem der beiden Schnittpunkte der ursprünglichen Bildebenen 27-29, so ist der Blickwinkel 34 des Beobachters 17 zu den beiden neuen Bildebenen 32, 33 nun jeweils kleiner als 180 Grad. Die Szene kann somit auf diesen beiden Bildebenen 32, 33 korrekt dargestellt werden. Durch dieses Vorgehen erhält man stets eine korrekte Darstellung der gesamten Szene. Allerdings wird dies durch doppelten Berechnungsaufwand erkauft, da die virtuellen Objekte und Welten nun anstatt auf eine Bildebene 28 auf zwei 32, 33 gerendert werden müssen.
Eine weitere vorteilhafte Lösung vermeidet das Problem des doppelten Rechenaufwands und beruht auf der Beobachtung, dass ein Beobachter 17, der sich sehr nahe an der Leinwand 10 befindet, kaum einen Unterschied wahrnimmt, wenn er sich von dieser ein wenig weg, bzw. auf sie zu bewegt. Stellt das Tracking-System 18 fest, dass der Beobachter 17 einen bestimmten Abstand zur Leinwand 10 unterschreitet, so wird seine Position korrigiert. Die Korrektur erfolgt dabei, wie in Fig. 10 dargestellt, durch Projektion der Beobachter- Koordinaten auf eine Ebene 35 etwas vor der eigentlichen Bildebene. Jede Beobachterposition vor der gestrichelten Linie wird zu einer Position auf dieser Linie korrigiert. Hierdurch ergibt sich wieder ein Blickwinkel 34 von weniger als 180 Grad, was eine korrekte Darstellung erlaubt. Die leichte Verschiebung der Szene wird dabei vom Beobachter 17 nicht wahrgenommen.
Die Bodenprojektionsfläche ist in zwei Bereiche, einen linken und einen rechten, eingeteilt. Jeder dieser beiden Bereiche wird indirekt, über die Spiegel 20, 21 an der Decke, von einem Projektor 15, 16 beleuchtet. Bei der Bodenprojektion sind im wesentlichen zwei Probleme zu lösen. Zum einen kommt es, bei der hier gewählten Anordnung der Projektoren 15, 16 durch den Winkel des Strahlengangs bei der Bodenprojektion zu einer Trapezverzerrung, welche nicht komplett durch die Justagemöglichkeiten der Projektoren 15, 16 ausgeglichen werden kann. Diese Verzerrung muß daher schon bei der Berechnung der darzustellenden Szene mitberücksichtigt werden.
Die Projektoren 15, 16 könnten auch so angeordnet werden, dass die auftretenden Trapezverzerrungen minimal und durch die Justagemöglichkeiten kompensierbar wären. Sie würden dann aber sehr störend im Blickfeld außenstehender Beobachter 17 liegen. Das zweite Problem ist das Problem des Clippings. Die Boden- Projektionsfläche 11 hat am Übergang zur Rundprojektion einen kreisförmigen Rand. Die Projektoren 15, 16 erzeugen jedoch zunächst einmal gerade Ränder. Um zu vermeiden, dass Teile der zylindrischen Leinwand 10 mit beleuchtet werden, müssen die entsprechenden Bereiche ausmaskiert werden.
Das erste Problem wird, wie in Fig. 11 dargestellt, im wesentlichen analog zur Zylinderprojektion durch eine zweistufige Vorgehensweise gelöst.
Im ersten Schritt wird die darzustellenden Szene beobachterabhängig auf einer Bildebene dargestellt. Diese Bildebene ist diesmal einfach die Boden-Projektionsfläche 11. Im zweiten Schritt wird diese Szene, wie ein Fig. 12 gezeigt, als Textur aus Sicht einer imaginären Kamera 35 auf die gleiche Bildebene abgebildet und anschließend auf die Boden- Projektionsfläche 11 projiziert. Hierdurch ergibt sich die perspektivisch korrekte Darstellung der Szene.
Die Ausmaskierung der Bereiche der Boden-Projektionsfläche 11, die sich mit der Rundprojektion überlappen, erfolgt, wie in Fig. 13 schematisch gezeigt, durch eine Maske 36 vor der imaginären Kamera 37 des Graphiksystems. Bei dieser Maske 36 handelt es sich dabei um ein Rechteck aus welchem die halbrunde Plattform der Boden-Projektionsfläche 11 herausgeschnitten ist.
Durch den besonderen Aufbau wird eine, im Vergleich zu anderen Systemen mit gleichem Immersionsgrad, wesentlich bessere Raumausnutzung erreicht. Die Rundprojektion ermöglicht dabei ein wesentlich größeres Blickfeld, als die Projektion auf eine Wand, wie sie zum Beispiel bei einer CAVE/RAVE geschieht. Der dargestellte Aufbau erlaubt dabei die variable Nutzung, sowohl als herkömmliche Rundprojektion, als auch als immersives Projektionssystem mit Tracking und zugeschalteter Bodenprojektion. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Rechner
2 Zentralprozessor
3 Bussystem
4 Festplattenlaufwerk
5 Zugriffsspeicher
6 Nur-Lese-Speicher
7 Tastatur
8 CAD-Station
9 Bildschirm
10 Leinwand
11 Projektionsfläche
12-16 Projektoren
17 Aufbau
18 Trackingsystem
19 Helm
20, 21 Spiegel
22 Zentrum
23 Szenenobjekt
24-26 Bereich
27-29 Bildebene
30 Sichtpyramide
31 Hilfspunkt
32, 33 Bildebene
34 Blickwinkel
35 Ebene
36 Maske
37 Kamera

Claims

1. Verfahren zur stereoskopischen Projektion eines Bildes, gekennzeichnet durch die Schritte:
Bestimmung der Blickrichtung und der Position der Augen mindestens eines Beobachters (17) in einem Projektionsraum, wobei der Projektionsraum durch einen vertikal aufgestellten, aus der Sicht des Beobachters (17) konkaven Projektionsschirm (10) und einen horizontal liegende, ebene Boden- Projektionsfläche (11) begrenzt ist,
Eingabe der die Blickrichtung und die Position wiedergebenden Daten in einen Rechner (1), und
Erzeugung von Lichtstrahlen mit Projektoren (12-16) zur gleichzeitigen Projektion des Bildes auf den Projektionsschirm (10) und die Boden-Projektionsfläche (11) aus verschiedenen Richtungen,
wobei im Rechner (1) aus voreingegebenen Bilddaten und den Daten zur Position und Blickrichtung laufend Steuerdaten für die Projektoren (12-16) errechnet werden, wobei die bei der Projektion auf den Projektionsschirm (10) und die Boden- Projektionsfläche (11) auftretenden Verzerrungen korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Berechnung der Steuerdaten in einem ersten Schritt eine Szene aus Sicht des Beobachters (17) perspektivisch auf virtuellen Bildebenen (27-29) dargestellt wird,
und in einem zweiten Schritt die Szene auf einer zylindrischen Hilfsgeometrie als Textur erzeugt wird, die eine Annäherung der Projektionsfläche (10) darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektionsschirm (10) in mehrere Bereiche (24-26) eingeteilt wird, wobei die Bildebenen (27-29) vor den Bereichen (24-26) innerhalb des Projektionsschirms (10) aufgespannt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsgeometrie aus Dreiecken gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall des Aufenthaltes des Beobachters (17) in der Nähe des Projektionsschirms (10) das Bild der Szene für den betreffenden Bereich (25) auf zwei Bildebenen (32, 33) gerendert wird, so dass der Blickwinkel des Beobachters (17) zu den neuen Bildebenen (32, 33) jeweils weniger als 180 Grad beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall des Aufenthaltes des Beobachters (17) in der Nähe des Projektionsschirms (10) eine Korrektur der Position des Beobachters vorgenommen wird, indem die Beobachter- Koordinaten auf eine Ebene (35) vor der vom Projektionsschirm (10) gebildeten Bildebene projiziert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausmaskierung der Bereiche auf der Boden- Projektionsfläche (11), die sich mit Bereichen auf dem Projektionsschirm (10) überlappen, eine Maske vor der Kamera (37) des Graphiksystems verwendet wird, welche die konkave Kontur des Projektionsschirms (10) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Steuerdaten die sich überlappenden Bereiche der Projektionen auf den Projektionsschirm (10) und die Boden-Projektionsfläche (11) ausgeblendet werden.

9. Anordnung zur stereoskopischen Projektion eines Bildes,
bestehend aus einem vertikal aufgestellten, aus der Sicht eines Beobachters (17) konkaven Projektionsschirm (10) und einer horizontalen, ebenen Boden-Projektionsfläche (11), die einen mindestens einen Beobachter (17) fassenden Projektionsraum bilden,
bestehend aus mehreren Projektoren (12-16) zur Projektion eines Bildes auf den Projektionsschirm (10) und die Boden- Projektionsfläche (11) aus verschiedenen Richtungen,
bestehend aus einer Einrichtung (18, 19) zum Bestimmen der Blickrichtung und der Position der Augen mindestens eines Beobachters (17) in dem Projektionsraum, und
bestehend aus einem Rechner (1), der mit den Projektoren (12-16) und besagter Einrichtung (18) in Verbindung steht.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Boden-Projektionsfläche (11) für einen Beobachter (17) begehbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) zum Bestimmen der Blickrichtung und der Position eine am Kopf des Beobachters (17) sitzende Signalisierungsvorrichtung (19) enthält.

12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Projektionsschirm (10) zylindrisch ausgebildet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Projektionsschirm (10) ein Blickfeld von mindestens 180 Grad aufspannt.

14. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Projektion auf die horizontale Boden-Projektionsfläche (11) an der Decke des Projektionsraumes Spiegel (20, 21) angebracht sind.