DE102004031982B3

DE102004031982B3 - Visualisierungseinrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE102004031982B3
Application number: DE102004031982A
Authority: DE
Inventors: Sultan Haider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: WO2006003157A1

Abstract

Ein 3-D-Projektor (2) verfügt über ein Reflexionssystem, mit dem Bilder unter zwei verschiedenen Winkeln (14) auf ein Projektionsmedium (100) geworfen werden. Das Projektionsmedium (100) reflektiert das unter dem ersten Winkel (104) einfallende Licht in ein erstes Auge (112) eines Betrachters und das unter dem zweiten Winkel (106) einfallende Licht in ein zweites Auge (114) des Betrachters. So können den Augen (112, 114) des Betrachters unterschiedliche Ansichten einer Szene dargestellt werden, wodurch diesem ein Eindruck räumlicher Tiefe vermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Visualisierungseinrichtung zur Darstellung eines stereoskopischen Bildes, umfassend einen 3D-Projektor und ein Projektionsmedium, sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
Bei der Darstellung von dreidimensionalen Szene in Form von Bildern oder Filmen ist es erforderlich, den Augen eines Betrachters zwei unterschiedliche Ansichten der Szene zuzuführen. Dies wird beispielsweise mit speziellen Brillen erreicht, die unterschiedlich gefärbte Brillengläser haben. Die unterschiedlichen Ansichten der Szene werden in entsprechenden Farben projiziert und gelangen selektiv in die Augen des Betrachters, dem dadurch ein Eindruck räumlicher Tiefe vermittelt wird. Ähnliche Vorrichtungen basieren auf so genannten Shutter-Brillen, bei denen in schneller Abfolge abwechselnd jeweils ein Brillenglas lichtundurchlässig gemacht wird. Auf einem Anzeigemedium, beispielsweise einem Computermonitor, wird jeweils das entsprechende Bild für das gerade sehende Auge angezeigt. Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist eine bei Brillen mit gefärbten Gläsern entstehende Verfälschung des Farbeindrucks des dargestellten Bildes, weshalb entsprechende Vorrichtungen nicht zur Übermittlung von Farbinformationen geeignet sind. Shutter-Brillen benötigen ein spezielles Anzeigenmedium, dass gegenüber einen gewöhnlichen Anzeigemedium eine mindestens doppelt so hohe Bildwiederholungsrate aufweist. Außerdem ist ihre Anwendung bisher nur für jeweils einen Betrachter möglich, da das entsprechende Anzeigemedium mit der Shutter-Brille synchronisiert arbeiten muss.

In der DE 41 25 241 C2 ist ein Laserprojektor mit einer Kodiervorrichtung und einer Ablenkvorrichtung zur Deflektion eines Projektionsstrahls beschrieben. Durch die Kodiervor richtung lässt sich in alternierender Folge das Licht des Laserprojektors in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Ebenen linear polarisieren. Das linear polarisierte Licht wird sukzessiv über zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Spiegel auf eine Leinwand projiziert, so dass ein Bild für den Betrachter aufgebaut wird. Damit dem Betrachter ein dreidimensionaler Eindruck vermittelt wird, ist das Tragen einer Polarisationsbrille erforderlich. Diese verfügt über zwei Polarisationsfilter, die vor die Augen des Betrachters gesetzt werden. Dadurch gelangt das polarisierte Licht jeweils in nur ein Auge des Betrachters, so dass mit den zwei unterschiedlich polarisierten Lichtstrahlen zwei unterschiedliche Ansichten eines dreidimensionalen Objektes dargestellt werden können.

In der DE 44 33 058 A1 ist ein personenbezogener autostereoskoper Bildschirm beschrieben. Dabei wird vor einem LCD-Bildschirm ein Prismenrasterglas mikromechanisch verstellbar angeordnet. Entsprechend der Position eines Betrachters wird die optimale Lage des Rasterglases adaptiv eingestellt, während gleichzeitig die zugehörigen rechten und linken Augenperspektiven eines 3D-Bildes in Echtzeit berechnet werden. Die Kopf- und Augenposition des Betrachters wird mit einem an den Rändern des Schirmes angebrachten Sensorsystem erfasst. Durch das Rasterglas können die rechten und linken Augenperspektiven des 3D-Bildes jeweils dem rechten bzw. linken Auge des Betrachters getrennt zugeführt werden. Dadurch entsteht beim Betrachter der dreidimensionale Eindruck eines 3D-Bildes. Zu dieser Darstellung des 3D-Bildes ist keine zusätzliche Brille beim Betrachter erforderlich.

In der US 2002/0113944 A1 sind ein Apparat und eine Methode zur Darstellung eines dreidimensionalen Bildes beschrieben. Dabei werden Ansichten eines 3D-Bildes für das rechte bzw. das linke Auge von zwei unabhängigen zweidimensionalen Anzeigemedien erzeugt. Das Licht der Anzeigemedien wird über zwei Spiegel in das rechte bzw. in das linke Auge des Betrachters reflektiert. Bei Darstellung unterschiedlicher Ansichten eines 3D-Objekts auf den zwei Anzeigemedien entsteht beim Betrachter der Eindruck eines dreidimensionalen Bildes. Dazu ist keine zusätzliche Brille beim Betrachter erforderlich. Die beiden Anzeigemedien sind zusätzlich mit Umkehrvorrichtungen zur Invertierung des dargestellten Bildanteils verbunden. Dies ist notwendig, damit nach der Reflexion das reflektierte Bild im Auge des Betrachters in der richtigen Orientierung ankommt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Visualisierungseinrichtung und ein Verfahren zu ihrem Betrieb anzugeben, so dass dem Betrachter ein stereoskopisches Bild präsentiert wird und dazu keine Brille erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Visualisierungseinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 umfasst der 3D-Projektor wenigstens einen Bilderzeuger und ein Reflexionssystem, wobei das Reflexionssystem Licht des Bilderzeugers mindestens unter zwei unterschiedlichen Winkeln auf das Projektionsmedium projiziert wird. Das unter den beiden Winkeln ausgestrahlte Licht wird beispielsweise Bildinformationen von zwei Ansichten der darzustellenden Szene enthalten und so auf dem Projektionsmedium darstellen können. Das Projektionsmedium umfasst wenigstens eine Reflexionseinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie unter einem ersten Winkel einfallendes Licht in ein erstes Auge eines Betrachters reflektiert und unter einem zweiten Winkel einfallendes Licht in ein zweites Auge des Betrachters reflektiert. Dadurch ist der Einsatz einer Brille zur Vermittlung des dreidimensionalen Bildes nicht erforderlich.

In einer vorteilhaften Ausführung umfasst das Reflexionssystem einen fixierten Spiegel und zwei drehbare Spiegel, wobei alle Spiegel parallel zu den Rotationsachsen der drehbaren Spiegel ausgerichtet sind. Die drei Spiegel sind dabei derart angeordnet, dass zwei vom Bilderzeuger auf den fixierten Spiegel geworfene Lichtstrahlen von den drehbaren Spiegeln unter den zwei Winkeln auf das Projektionsmedium reflektiert werden.

In einer vorteilhaften Ausführung sind zwei Drehwinkel der beiden drehbaren Spiegel derart synchronisiert, dass jeweils nur ein drehbarer Spiegel das Licht des Bilderzeugers reflektiert. Dadurch wird sichergestellt, dass jeweils nur Licht für ein Auge des Betrachters auf das Projektionsmedium reflektiert wird, so dass eine scharfe Trennung der Teilbilder für die Augen erreicht wird.

Besonders vorteilhaft ist eine Befestigung der beiden drehbaren Spiegel auf der Oberfläche von zwei drehbaren Zylindern, wobei die Spiegel parallel zur Rotationsachse der Zylinder ausgerichtet sind. Diese Ausführung zeichnet sich durch einen besonders Platz sparenden Drehmechanismus für die Spiegel aus.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des Projektionsmediums ist die Reflexionseinheit als Spiegelanordnung gebildet. Dadurch ergeben sich eine besonders gute Reflexionseigenschaften, so dass das Projektionsmedium beispielsweise auch in hellen Räumen eingesetzt werden kann, wo Bilder auf gewöhnlichen, lediglich auf der Streuung von Licht basierenden Projektionswänden nur schwer zu erkennen sind.

In einer vorteilhaften Ausführung des Projektionsmediums umfasst die Spiegelanordnung eine Vielzahl von Spiegeln, die auf zwei in Normalenrichtung versetzten Ebenen angeordnet sind. Dies erleichtert die Reflexion des einfallenden Lichts in die verschiedenen Augen des Betrachters.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Projektionsmediums ist die Reflexionseinheit beweglich ausgeführt. So lässt sich ihre Stellung relativ zum Betrachter optimal ausrichten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfasst das Projektionsmedium ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Position des Betrachters, womit die Ausrichtung der Reflexionseinheit relativ zum Betrachter vereinfacht wird.

Zweckmäßig ist mit dem Erfassungssystem ein Steuerungssystem verbunden, wodurch die Ausrichtung der Reflexionseinheit automatisch durchgeführt wird und so stets die optimale Stellung zum Betrachter erreicht wird.

Gemäß Anspruch 14 richtet ein Verfahren zum Betrieb einer Visualisierungseinrichtung mit einem 3D-Projektor und einem Projektionsmedium das Projektionsmedium abhängig von einer Position des Betrachters aus und projiziert danach abwechselnd Licht für das erste und das zweite Auge des Betrachters. Die drehbaren Spiegel werden jeweils rotiert, um das vollständige Bild auf dem Projektionsmedium sukzessiv aufzubauen.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich anhand des nachfolgend im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau des 3D-Projektors,

2 schematisch den Aufbau des Projektionsmediums und

3 ein Flussdiagramm für das Verfahren zum Betrieb des 3D-Projektors und des Projektionsmediums.

1 zeigt einen 3D-Projektor 2 mit zwei drehbaren Spiegeln 4 und 6, einem fixierten Spiegel 8 und einem Projektor 10 bei der Projektion eines Lichtstrahls 12 unter einem Win kel 14. Die drehbaren Spiegel 4 und 6 sind auf zwei Zylindern 16 befestigt und als schmale Rechtecke ausgeführt, deren lange Seite senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet ist. Rotationsachsen 18 der beiden Zylinder 16 sind ebenfalls senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet. Dadurch wird ein großer Bereich des darzustellenden Bilds in dieser Richtung gleichzeitig projiziert. Ein Winkelbereich in der Zeichnungsebene wird durch eine Drehung der beiden drehbaren Spiegel 4 und 6 sukzessiv projiziert. Bei der Projektion von Licht für ein Auge des Betrachters wird der Spiegel 4 so gedreht, dass er den Lichtstrahl 12 reflektiert. Die Drehung der beiden Spiegel 4 und 6 ist derart synchronisiert, dass während der Spiegel 4 Licht in das erste Auge reflektiert der Spiegel 6 nach hinten gerichtet ist und deshalb den vom Projektor 10 auf den fixierten Spiegel 8 geworfenen Lichtstrahl 20 nicht reflektiert. Bei der Projektion von Licht für das andere Auge des Betrachters wird Spiegel 4 nach hinten gedreht und Spiegel 6 derart nach vorne, dass er das Licht des Projektors 10 reflektiert. Der dann eingestellte Drehwinkel des Spiegels 6 wird derart gewählt sein, dass sich der Winkel des dann projizierten Lichtstrahls vom Winkel 14 unterscheidet. Das jeweils projizierte Licht enthält die unterschiedlichen Ansichten der darzustellenden Szene für die Augen des Betrachters. Es wird dabei jeweils nur ein Ausschnitt des darzustellenden Bildes projiziert. Durch Veränderung der Winkelstellung der drehbaren Spiegel 4 und 6 wird das Bild sukzessiv aufgebaut.
2 zeigt ein Projektionsmedium 100 mit einer aus Spiegeln 102 bestehenden Spiegelanordnung, wobei die Spiegel auf zwei gekrümmten Trägerflächen 103 angeordneten sind. Zur besseren Übersicht sind nur zwei unter verschiedenen Winkeln 104 und 106 einfallende Lichtstrahlen 108 und 110 gezeigt. Die folgenden Erläuterungen sind jedoch auf weitere Lichtstrahlen, die auf das Projektionsmedium 100 treffen übertragbar. Die zwei einfallenden Lichtstrahlen 108 und 110 werden in die Augen 112 und 114 des, hier nicht dargestellten Betrachters reflektiert. Lichtstrahlen, die in rascher Folge auf andere Bereiche des Projektionsmediums 100 fallen, werden ebenfalls in die Augen 112 und 114 reflektiert. Daraus ergibt sich ein vollständiges Bild für den Betrachter. Durch die vom Winkel 104, 106 abhängige Reflexion der Lichtstrahlen ist es möglich, den beiden Augen unterschiedliche Teilbilder zu übermitteln. Zur Darstellung eines dreidimensionalen Bildes werden die beiden Teilbilder unterschiedliche Ansichten der darzustellenden Szene beinhalten.
Die Spiegelanordnung ist beweglich ausgeführt, was durch die Pfeile 116 angedeutet ist, um sicherzustellen, dass die re flektierten Strahlen 108 und 110 auch bei veränderter Position des Betrachters in dessen Augen gelenkt werden. Diese Nachstellung der Ausrichtung der Spiegelanordnung erfolgt automatisch durch das aus zwei Kameras 118 bestehende und mit einer Steuerungseinheit 120 verbundene Erfassungssystem. Die Ausrichtung der Spiegelanordnung wird durch das Steuerungssystem der von den Kameras 118 erfassten Position des Benutzer anpasst. Dadurch kann sich der Benutzer vor dem Projektionsmedium frei bewegen, ohne dass dabei der dreidimensionale Eindruck verloren geht.
3 zeigt die Hauptverfahrensschritte zum Betrieb des vorgenannten 3D-Projektors zusammen mit dem Projektionsmedium. Dabei werden Teile des darzustellenden Bilds nacheinander vom 3D-Projektor auf das Projektionsmedium projiziert, bis das Bild vollständig dargestellt ist. Gemäß dem schematischen Ablaufdiagramm wird in einem ersten Schritt S2 die Position des Betrachters vom Projektionsmedium erfasst und in einem zweiten Schritt S4 die Ausrichtung der Spiegelanordnung entsprechend angepasst. Daraufhin wird in einem Schritt S6 Licht für das erste Auge des Betrachters projiziert und in einem weiteren Schritt S8 Licht für das zweite Auge. In einem Schritt S10 wird überprüft, ob das Bild bereits vollständig projiziert ist. In diesem Fall wird das Verfahren beendet. Ist erst ein Teil des Bilds projiziert worden, so werden in einem Schritt S12 die drehbaren Spiegel rotiert und so ein anderer Teil des Projektionsmediums werden die drehbaren Spiegel rotiert. Dadurch wird ein anderer Teil des Projektionsmediums beleuchtet. Daraufhin beginnt das Verfahren erneut mit Schritt S2 und wiederholt sich so lange, bis die Abbruchbedingung in Schritt S10 erfüllt ist, d.h. das Bild vollständig projiziert ist.

Claims

Visualisierungseinrichtung zur Darstellung eines stereoskopischen Bildes, umfassend einen 3D-Projektor (2) und ein Projektionsmedium (100), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der 3D-Projektor (2) umfasst wenigstens einen Bilderzeuger und ein Reflexionssystem, wobei das Reflexionssystem derart ausgebildet ist, dass es Licht des Bilderzeugers unter mindestens zwei unterschiedlichen Winkeln auf das Projektionsmedium (100) reflektiert, – das Projektionsmedium (100) umfasst wenigstens eine Reflexionseinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie unter einem ersten Winkel einfallendes Licht in ein erstes Auge (112) eines Betrachters reflektiert und unter einem zweiten Winkel einfallendes Licht in ein zweites Auge (114) des Betrachters reflektiert.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionssystem einen fixierten Spiegel (8) und zwei drehbare Spiegel (4, 6) umfasst, wobei alle Spiegel parallel zu einer Rotationsachse (18) der drehbaren Spiegel (4, 6) ausgerichtet und dabei derart angeordnet sind, dass zwei vom Bilderzeuger auf den fixierten Spiegel (8) geworfene Lichtstrahlen (12, 20) von den drehbaren Spiegeln (4, 6) unter den zwei Winkeln (14) auf das Projektionsmedium (100) reflektiert werden.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Drehwinkel der beiden drehbaren Spiegel (4, 6) derart synchronisiert sind, dass jeweils nur ein drehbarer Spiegel (4, 6) das Licht des Bilderzeugers reflektiert.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden drehbaren Spiegel (4, 6) auf einer Oberfläche von zwei drehbaren Zylindern (16) befestigt sind und parallel zu einer Rotationsachse (18) des Zylinders (16) ausgerichtet sind.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spiegel in schmaler rechteckiger Form ausgeführt sind.
Visualisierungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger als Projektor (10) ausgeführt ist.
Visualisierungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit durch eine Spiegelanordnung gebildet ist.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung eine Vielzahl von Spiegeln (102) umfasst, die auf zwei in ihrer Normalenrichtung versetzten Trägerflächen (103) angeordnet sind.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerflächen gekrümmt ausgeführt sind.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (102) nicht eben ausgeführt sind.
Visualisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit beweglich ausgeführt ist.
Visualisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsmedium (100) ein Erfassungssystem umfasst, das zur Erfassung einer Position des Betrachters ausgebildet ist.
Visualisierungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungssystem mit einer Steuerungseinheit (120) verbunden ist, die derart ausgebildet ist, dass sie die Reflexionseinheit bewegen kann.
Verfahren zum Betrieb einer Visualisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Erfassung der Position des Betrachters, – Ausrichtung der Spiegelanordnung in Abhängigkeit von der Position des Betrachters, – Projektion von Licht für ein erstes Auge (112) des Betrachters mit einem der drehbaren Spiegel (4, 6), – Projektion von Licht für das zweite Auge (114) des Betrachters mit dem anderen drehbaren Spiegel (4, 6), – Rotation der drehbaren Spiegel (4, 6), – Wiederholung der obigen Schritte bis das darzustellende Bild vollständig projiziert ist.