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Die
Erfindung betrifft ein autostereoskopisches Display zur zeitsequentiellen
3D-Darstellung von
Bildern oder Bildfolgen, bei dem von aktivierten Beleuchtungselementen
einer steuerbaren Beleuchtungsmatrix ausgestrahltes Licht mittels
einer Abbildungsmatrix durch eine Bildmatrix hindurch auf ein Betrachterauge
eines Betrachters abgebildet und gleichzeitig mit einem linken oder
rechten Stereobild moduliert wird und das eine Steuereinheit enthält, die Steuersignale
für das
Aktivieren der Beleuchtungsmatrix und der Bildmatrix erzeugt.
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Anwendungsgebiet
der Erfindung sind alle Bereiche, in denen derartige zeitsequentielle
autostereoskopische Displays benutzt werden und die 3D-Darstellung für mindestens
einen Betrachter erfolgt. Ein Betrachter kann die verschiedenen
Bildinhalte entweder im 2D- oder 3D-Modus von wahlfreien Orten aus
ansehen. Für
den 3D-Modus werden in sehr schneller Folge ein rechtes und ein
linkes Stereobild periodisch dem entsprechenden Auge dargestellt
woraus für
den Betrachter ohne Verwendung von Hilfsmitteln der autostereoskopische
Eindruck eines Objektes ermöglicht
wird. Dazu werden in einer Steuereinheit die für die Stereobilddarstellung
erforderlichen Steuersignale in Abhängigkeit von der Position der
Augen des Betrachters generiert.
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Ein
in der Erfindung verwendetes autostereoskopisches Display enthält eine
steuerbare gerichtete Beleuchtungseinrichtung, die aus einem Backlight
sowie einem steuerbaren Lichtmodulator als Beleuchtungsmatrix besteht.
Das aktivierte Licht der Beleuchtungsmatrix wird von einer Abbildungsmatrix durch
eine Wedergabematrix hindurch in Parallelstrahlenbündeln auf
die Augen mindestens eines Betrachters gerichtet. Dabei soll stets
die Homogenität der
Ausleuchtung der Bildinformationen auf der Wiedergabematrix, auch
als Bildmatrix bezeichnet, gewährleistet
werden und das räumliche Übersprechen auf
das jeweils andere Auge bei der Darstellung der 3D-Informationen
vermieden werden. Auch wenn der Betrachter seine Position im Raum
vor dem Display verändert,
müssen
die genannten Bedingungen weiterhin gelten. In der genannten Beleuchtungseinrichtung
wird üblicherweise
ein großflächiges Backlight eingesetzt,
welches einen Lichtmodulator als so genannten Shutter zur ortsabhängigen Intensitätsregelung
beleuchtet, wie es in der OS DE 0103 39 076 A1 der Anmelderin beschrieben
wird. Dieser Shutter besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von steuerbaren
Bereichen (Pixeln), die transparent oder Licht absorbierend geschaltet
sein können
und das vom Backlight ausgehende Licht nur an bestimmten Stellen
durchlassen. Bei Bewegung eines Betrachters werden zum Nachführen der
Stereobilder die transparenten Bereiche geeignet verschoben. Dazu
werden auf dem Shutter die entsprechend ermittelten Zeilen bzw.
Spalten transparent geschaltet.
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In
einer gerichteten Beleuchtungseinrichtung werden z.B. bei Verwendung
einer Abbildungsmatrix mit periodisch angeordneten Zylinderlinsen
in Form eines Lentikulars Linien-Lichtquellen verwendet. Jedem Abbildungselement
der Abbildungsmatrix ist dabei eine Vielzahl von Beleuchtungselementen
der Beleuchtungsmatrix, in diesem Fall Linien-Lichtquellen, zugeordnet.
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Bei
der periodischen Darstellung des linken bzw. rechten Stereobildes
tritt u.a. herstellungsbedingt ein räumliches Übersprechen durch eine unterschiedliche
Nachleuchtdauer der roten, grünen
und blauen Subpixel auf. Dadurch ist z.B. das linke Stereobild kurzfristig
noch sichtbar, wenn das nachfolgende rechte Teilbild schon dargestellt
wird. Durch dieses räumliche Übersprechen
werden „Geisterbilder" erzeugt, die den
Stereoeffekt negativ beeinflussen und die Abbildungsqualität des Displays
insgesamt beeinträchtigen.
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In
EP 1 460 857 A1 wird
für ein
selbstleuchtendes stereoskopisches Display, das gleichzeitig die Bildmatrix
ist, ein Verfahren zum Kompensieren dieser Geisterbilder beschrieben.
Dabei wird ein Geisterbild zunächst
berechnet und vom nächsten
darzustellenden Stereo-Teilbild subtrahiert Dadurch leidet aber
der Stereokontrast des Teilbildes, so dass ein Optimum für die Berechnung
des Geisterbildes und des Stereokontrastes für jedes Stereo-Teilbild, gefunden
werden muß.
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Verwendet
man kein selbst leuchtendes Display, sondern die eingangs beschriebene
steuerbare gerichtete Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtmodulator
als Beleuchtungsmatrix und einen weiteren Lichtmodulator für die Bilddarstellung,
dann tritt das beschriebene Übersprechen
bei zwei steuerbaren Raumlichtmodulatoren (Beleuchtungs- und Bildmatrix)
auf. Zusätzlich
wird jedoch noch ein weiteres Übersprechen
wirksam, und zwar ein zeitliches Übersprechen zwischen den Steuersignalen
der zwei Raumlichtmodulatoren. Dieses zeitliche Übersprechen entsteht durch
die funktionsbedingte Schaltzeitverzögerung jedes einzelnen Beleuchtungselementes
bzw. Bildelementes beider Lichtmodulatoren und äußert sich darin, dass das Steuersignal
z.B. zur Beleuchtung eines linken Stereobildes noch wirksam ist,
während
schon das Bildmodulationssignal eines rechten Stereobildes erzeugt
wird. Die in Rechteckform erzeugten Steuersignale beider Lichtmodulatoren
werden durch ihre Anstiegs- und Abfallzeiten so verformt, dass sich
ihre Wirkungen zeitlich überschneiden
und eine qualitätsgerechte
3D-Darstellung verhindern.
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Um
dieses nachteilige, zeitliche Übersprechen
zu eliminieren, müssen
entweder für
die Beleuchtungsmatrix oder für
die Bildmatrix entsprechend korrigierende Maßnahmen ergriffen werden.
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Beispielsweise
kann als Hardwarelösung
in die Steuereinheit bereits eine zusätzliche Phase zur zeitlichen
Verzögerung
des Steuersignals eines der Lichtmodulatoren fest einprogrammiert
sein. Damit wird aber die Austauschbarkeit der Raumlichtmodulatoren
verhindert.
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Im
Dokument
US 6 448 952
B1 wird das in einem Display auftretende zeitliche Übersprechen
zwischen dem Bildmodulationssignal und dem Steuersignal für eine Shutterbrille
minimiert, indem dem Bildmodulationssignal eine Phasenverschiebung
hinzu addiert wird. Hierbei handelt es sich um ein stereoskopisches
Display, bei dem der Nutzer eine Shutterbrille trägt, um ein
dreidimensionales Bild sehen zu können. Die hier beschriebene
Signalverarbeitung ist nicht auf ein eingangs beschriebenes autostereoskopisches
Display anwendbar.
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In
einem autostereoskopischen Display des Dokuments
GB 2 404 106 A wird zum Testen
der Qualität
eines dreidimensional dargestellten Bildes das Übersprechen des rechten und
linken Bildes ermittelt. Der ermittelte Wert wird gespeichert und
im Rahmen der Qualitätskontrolle
zur Kompensation des Übersprechens
benutzt.
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Auf
jegliche andere Einflüsse,
die sich ebenfalls nachteilig auf die Qualität einer 3D-Bilddarstellung auswirken, wie z.B.
Abbildungs- oder Materialfehler optischer Komponenten des Displays,
wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung nicht eingegangen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, in der Steuereinheit eines zeitsequentiellen
autostereoskopischen Displays mit steuerbarer gerichteter Beleuchtungseinrichtung
die Bereitstellung der Steuersignale und damit die dreidimensionale
Darstellungsqualität
zu verbessern.
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Der
Erfindung liegt ein eingangs beschriebenes autostereoskopisches
Display mit einer Beleuchtungsmatrix, einer Bildmatrix und einer
Steuereinheit, die Steuersignale für das Aktivieren der Beleuchtungsmatrix
und der Bildmatrix erzeugt, zugrunde. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst, dass
in der Steuereinheit des autostereoskopischen Displays aus vorgegebenen
Systemparametern ein zeitliches Übersprechen
zwischen den Steuersignalen für
die Beleuchtungsmatrix und für
die Bildmatrix ermittelt und nach dem Erzeugen eines ersten Steuersignals
für die
Beleuchtungsmatrix einem ersten Bildmodulationssignal eine Phasenverschiebung zum
Minimieren des zeitlichen Übersprechens
hinzu addiert wird. Die Frequenz der Steuersignale wird dabei nicht
verändert.
Das zeitliche Übersprechen
wird aus Parametern des vorgegebenen Displaysystems berechnet und
ist als Funktion in Abhängigkeit
von der Phasenverschiebung darstellbar.
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Vorteilhafterweise
wird die Addition der Phasenverschiebung mit einem Wert realisiert,
bei dem das berechnete zeitliche Übersprechen der Steuersignale
ein Minimum an Lichtenergie aufweist. Unter Lichtenergie wird hier
der Anteil von Licht verstanden, der durch das zeitliche Übersprechen
eines linken und rechten Stereobildes zusätzlich entsteht.
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Zum
Ermitteln des Minimums der Lichtenergie des zeitlichen Übersprechens
werden in der Steuereinheit mindestens zwei aufeinander folgende
Bereiche des zeitlichen Übersprechens
(CTmin; CTmax) einer periodischen Folge von Steuersignalen ausgewählt, summiert
und systemparameterabhängig
minimiert. Das bedeutet für
die Berechnung, dass Bereiche mit dem geringsten und dem größten zeitlichen Übersprechen
erfasst und minimiert werden. Die periodische Signalfolge der Steuersignale
ist definiert z.B. durch zwei Steuersignale für ein rechtes Auge oder ein
linkes Auge und die dem jeweiligen Auge entsprechenden Bilddaten.
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Einem
Ausführungsbeispiel
entsprechend werden die Beleuchtungsmatrix und die Bildmatrix durch
steuerbare Raumlichtmodulatoren realisiert, von denen mindestens
die Anstiegs- und Abfallzeiten sowie die Frequenz als Systemparameter
zur Berechnung des zeitlichen Übersprechens
erfasst werden.
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Mit
dieser Erfindung werden in einem autostereoskopischen Display der
eingangs genannten Art vorteilhaft die Steuersignale der Beleuchtungsmatrix und
die Bildmodulationssignale der Wiedergabematrix optimal koordiniert.
Es werden ein zeitliches Übersprechen
der Signale zwischen jeweiligem Stereobild und entsprechender Beleuchtung
und damit der die Abbildungsqualität störende Anteil der Lichtenergie weitgehend
minimiert. Vorteilhafterweise ist durch Verwendung der Systemparameter
des Displays bei der Berechnung des zeitlichen Übersprechens die Korrektur
immer auf das verwendete Display bezogen, da in die Berechnung immer
die aktuellen Systemparameter eingehen.
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Das
erfindungsgemäße autostereoskopische
Display wird nachfolgend näher
beschrieben. In den Darstellungen zeigen
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1 grafisch
kombiniert den zeitlichen Verlauf des Steuersignals für die Beleuchtung
eines linken und eines rechten Auges und den zeitlichen Verlauf
des jeweils entsprechenden Bildmodulationssignals in periodischer
Folge
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2 den
Signalverlauf entsprechend 1, aber
nur für
ein linkes Auge und für
ein rechtes Stereobild, und die ermittelten Bereiche des zeitlichen Übersprechens
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3 den
Signalverlauf entsprechend 1, aber
mit einer zum ersten Bildmodulationssignal addierten Phasenverschiebung
und
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4 ein
Diagramm mit dem Funktionsverlauf des zeitlichen Übersprechens
in Abhängigkeit von
der Lichtenergie und der Phasenverschiebung für eine vorgegebene Konfiguration
von zwei Lichtmodulatoren.
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In
einem eingangs beschriebenen zeitsequentiellen autostereoskopischen
Display mit steuerbarer gerichteter Beleuchtungseinrichtung ermittelt ein
Positionsfinder von einem rechten bzw. linken Auge mindestens eines
Betrachters die Positionskoordinaten, die von der Steuereinheit
für nachfolgende
Steuerprozesse benutzt werden. Dem jeweiligen Betrachter werden
analog ein linkes und ein rechtes Stereobild periodisch generiert,
um eine 3D-Bilddarstellung zu realisieren. Licht einer Beleuchtungsmatrix
wird dabei bekanntermaßen über eine
Abbildungsmatrix in Parallelstrahlbündeln erst auf das eine Auge
eines Betrachters gelenkt, z.B. das linke, wobei gleichzeitig linke
Bildinformationen in einer Bildmatrix generiert werden. Anschließend wird der
gleiche Vorgang für
das rechte Auge wiederholt. Dabei ist es notwendig, dass die Steuereinheit
absolut synchron die Steuersignale der Beleuchtungsmatrix Ll; Lr
und die Bildmodulationssignale Dl; Dr der Bildmatrix steuert, um
eine fehlerfreie 3D-Bilddarstellung zu erreichen. Jedes zeitliche
Abweichen von dieser Synchronisation ruft ein zeitliches Übersprechen
der Signale hervor und führt
zu einer Verschlechterung der 3D-Bilddarstellung im Display. Als Beleuchtungs-
und Bildmatrix werden steuerbare Raumlichtmodulatoren verwendet.
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In 1 bis 3 sind
in den betreffenden Darstellungen jeweils kombiniert der zeitliche
Verlauf der Steuersignale der Beleuchtung in Bezug auf den zeitlichen
Verlauf der Bildmodulationssignale wiedergegeben.
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Da
die ursprüngliche
Form der Steuersignale nicht ideal wiedergegeben wird, weil die
Raumlichtmodulatoren nicht unendlich schnell schalten können, tritt
ein zeitliches Übersprechen
der Steuersignale der Beleuchtungs- und der Bildmatrix auf. Das zeitliche Übersprechen
kann man auch als Verzögerungszeit
zwischen den genannten Signalen bezeichnen.
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In 2 sind
zwei Steuersignale für
das linke Auge Ll und darunter zwei Bildmodulationssignale Dr für das rechte
Auge dargestellt. Wegen der Übersichtlichkeit
wurde nicht jedes nachfolgende Steuersignal eingezeichnet. Es ist
zu erkennen, dass durch die wirksame Abfallzeit des Steuersignals
noch Licht auf das linke Auge gesteuert wird, während die Bilddaten für das rechte
Auge schon moduliert werden. Dieser Effekt stellt das zeitliche Übersprechen
der Steuersignale zwischen beiden Lichtmodulatoren dar. Durch das
zeitliche Übersprechen
entstehen Übersprechungsbereiche
(CT-Bereiche) im Signalverlauf. Diese Bereiche repräsentieren
eine Lichtenergie, die im Moment des Übergangs vom linken zum rechten
Stereobild vorhanden ist und die die 3D-Darstellung stört. Diese
Lichtenergie muss minimiert werden, um die Qualität der 3D-Darstellung
zu verbessern.
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Durch
Berechnungen in Verbindung mit Simulationen hat sich gezeigt, dass
das zeitliche Übersprechen
durch das Einführen
einer Phasenverschiebung bei der Steuerung der Bildmodulation beeinflusst
werden kann. Analog ist es auch möglich, bei der Steuerung der
Beleuchtung die Phasenverschiebung diesem Steuersignal hinzu zu
addieren.
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In 3 sind
gegenüber
der Darstellung in 1 die Bildmodulationssignale
Dl; Dr mit der Phasenverschiebung versetzt zu den Steuersignalen
der Beleuchtungsmatrix dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die
Signalverschiebung zwischen dem Beleuchtungssignal des linken Auges
Ll und dem Bildmodulationssignal des rechten Auges Dr ein Minimum
erreicht und so ein minimierter Bereich des zeitlichen Übersprechens
für das
linke Auge CTmin, schraffiert dargestellt, entsteht. Das zeitliche Übersprechen
ist in diesem Moment rechnerisch so klein, dass es sich nicht mehr
störend
auf die 3D-Bilddarstellung auswirkt. Jedoch ergibt sich aus diesem
Vorteil zunächst auch
ein Nachteil: da die Steuersignale Licht für das linke und rechte Auge
periodisch bereit stellen, wird schon wieder Licht für das linke
Auge erzeugt, während
durch die Phasenverschiebung noch das Bildmodulationssignal für das rechte
Auge Dr erzeugt wird. Es entsteht ein zweiter Bereich des zeitlichen Übersprechens
CTmax, schraffiert dargestellt, für das linke Auge, in dem die
Signalverschiebung wesentlich größer als
im ersten Bereich CTmin ist. Entsprechend größer ist hier auch die Lichtenergie
des zeitlichen Übersprechens.
Diese beiden Bereiche des zeitlichen Übersprechens bzw. diese beiden
Signalverschiebungen treten für
jedes Auge auf und müssen
für jedes
Auge so optimiert werden, dass ihre Summe ein Minimum wird.
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Es
werden ein minimierter, summarer Bereich des zeitlichen Übersprechens
aus zwei aufeinander folgenden, periodisch verlaufenden Signalfolgen
der Beleuchtung für
das linke Ll und ein dazwischen generiertes Beleuchtungssignal Lr
für das rechte
Auge und den entsprechenden periodisch verlaufenden Signalfolgen
der Bildmodulation Dl; Dr für diese
Augen ermittelt. Analog können
ebenso zwei aufeinander folgende Steuersignale der Beleuchtung für das rechte
Auge Lr und ein dazwischen generiertes Steuersignal für das linke
Auge Ll und die entsprechenden Bildmodulationssignale Dl; Dr für diese Augen
zum Minimieren des zeitlichen Übersprechens
berechnet werden.
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In 4 ist
in einem Diagramm das zeitliche Übersprechen
als Funktion der Lichtenergie und der Phasenverschiebung für eine vorgegebene
Konfiguration der beiden Raumlichtmodulatoren dargestellt. Aus dem
Funktionsverlauf ist erkennbar, dass es für die Phasenverschiebung einen
Wert gibt, bei dem das zeitliche Übersprechen und die Lichtenergie
ein Minimum erreichen. Bei der Ermittlung der Phasenverschiebung
werden in der Steuereinheit als Systemparameter das Ansprechverhalten
der beiden Lichtmodulatoren mit den jeweiligen Anstiegs- und Abfallzeiten
(rise time und fall time) der Raumlichtmodulatoren sowie die Frequenz,
mit der beide Raumlichtmodulatoren gesteuert werden, berücksichtigt und
damit der minimierte Wert der Phasenverschiebung berechnet.
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Diese
Berechnung ergibt einen Phasenwert, der ein optimaler Wert für die 3D-Bilddarstellung des autostereoskopischen
Displays ist und ein Minimum der Lichtenergie und des zeitlichen Übersprechens gewährleistet.
Mit diesem Phasenwert wird erreicht, dass die Synchronisation der
Steuersignale beider Raumlichtmodulatoren optimal verläuft.