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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem einem Betrachter eine dreidimensionale Szene (3D-Szene) holographisch dargestellt wird, und ebenso ein holographisches Display, in dem das Verfahren verwendet wird.
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Anwendungsgebiet der Erfindung sind holographische Displays in Bereichen, in denen eine detailgetreue und realistische Darstellung von 3D-Szenen unbedingt erforderlich ist. Das kann beispielsweise der medizinische, geologische oder militärische Bereich sein, um Eingriffe, Bohrungen und Aktionen gezielt zu planen und dadurch die Kosten erheblich zu reduzieren und/oder Gefahren abzuwenden. Daneben sind auch Anwendungen derartiger Displays im privaten Bereich denkbar, z.B. im Spielesektor.
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Holographische Displays, die diese Erfindung realisieren, weisen stets auch einen Sichtbarkeitsbereich auf, der in der Transformationsebene des kodierten computer-generierten Hologramms (CGH) innerhalb eines Periodizitätsintervalls dieser Transformation liegt. Die Rekonstruktion der 3D-Szene ist von einer Augenposition aus im Sichtbarkeitsbereich zu sehen, wobei der Sichtbarkeitsbereich größer als eine Augenpupille ist.
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Wenn sich im Dokument auf 3D-Szenen bezogen wird, kann es sich wahlweise um ruhende oder bewegte 3D-Szenen handeln, die auch immer ein einzelnes 3D-Objekt mit einschließen.
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Die Holographie ermöglicht die Aufzeichnung und die optische Wiedergabe einer 3D-Szene mit wellenoptischen Verfahren. Die 3D-Szene ist als CGH in einem Lichtmodulator kodiert, der als Trägermedium dient und diskret räumlich steuerbare Lichtmodulationsmittel enthält. Infolge der Beleuchtung mit interferenzfähigen Lichtwellen bildet jeder Punkt der kodierten 3D-Szene einen Ausgangspunkt von Lichtwellen, die miteinander interferieren und als resultierende Lichtwellenfront die 3D-Szene räumlich so rekonstruieren, als ob sie durch eine Lichtausbreitung vom tatsächlichen Objekt im Raum zustande kommen würde. Die holographische Rekonstruktion der 3D-Szene erfolgt im Direktsichtdisplay mit einer Rekonstruktionsoptik und durch Beleuchten des Trägermediums mit hinreichend kohärentem Licht.
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Beim Kodieren eines Hologramms kann die Information durch komplexwertige Wellenfronten der 3D-Szene so kodiert werden, dass der Betrachter, wenn er sich relativ zur Rekonstruktion der 3D-Szene bewegt, verschiedene Perspektiven oder Ansichten dieser Szene sieht. Dabei können Teile der räumlichen Szene einmal gesehen werden und ein anderes Mal verdeckt und damit unsichtbar sein. Das ist abhängig vom jeweiligen Betrachtungspunkt, von dem aus die 3D-Szene gesehen wird, und auch davon, ob sich Teile der 3D-Szene im Vorder- oder Hintergrund befinden. Diese Wahrnehmungen müssen bei der Hologrammberechnung der 3D-Szene berücksichtigt werden, um eine wirklichkeitsgetreue Rekonstruktion zu erhalten. Dabei kann auf die Berechnung solcher Teile verzichtet werden, die unsichtbar sind.
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Bei natürlichen Szenen werden durch die Beschaffenheit von Oberflächen und der Art und Weise der Beleuchtung der 3D-Szene durch eine natürliche Lichtquelle bestimmte Teile der 3D-Szene von unterschiedlichen Positionen aus verschieden hell gesehen. Beispielsweise ist ein Reflex in einem Spiegel durch einfallendes Sonnenlicht für einen Betrachter nur sichtbar, wenn er aus einer bestimmten Richtung auf den Spiegel blickt.
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Allgemeiner gesagt reflektieren Objektoberflächen Licht winkelselektiv oder strahlen es winkelselektiv ab. Solche Eigenschaften sollte die Rekonstruktion eines Hologramms für eine möglichst wirklichkeitsgetreue Wiedergabe einer 3D Szene ebenfalls wiedergeben.
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In verschiedenen Patentanmeldungen der Anmelderin wird ein holografisches Bildwiedergabe-Verfahren beschrieben, das mit einem kleinen Sichtbarkeitsbereich zum Betrachten der Rekonstruktion auskommt. Der Sichtbarkeitsbereich kann dort gleich groß oder wenig größer sein als die Größe einer Augenpupille. Die Rekonstruktion der 3D-Szene wird für ein rechtes und ein linkes Auge eines Betrachters erzeugt. Wenn der Betrachter sich bewegt, wird ihm durch Positionsbestimmungs- und Trackingmittel die Rekonstruktion der 3D-Szene sozusagen nachgeführt. Gegebenenfalls muss das Hologramm für die neue Position neu berechnet und kodiert werden, wenn sich die neue Ansicht zur vorhergehenden Ansicht sehr unterscheidet.
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Je kleiner der Sichtbarkeitsbereich ist, desto weniger ändert sich die perspektivische Ansicht innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs, da nur ein geringer Bewegungsspielraum besteht. Für einen Sichtbarkeitsbereich von genau der Größe der Augenpupille sieht man nahezu eine feste Ansicht der 3D-Szene. Dann kann bekanntermaßen durch die Input-Daten für die Hologrammberechnung, zum Beispiel aus einem 3D Grafik-Programm gerendert, bereits vorgegeben werden, welche Objektpunkte im Sichtbarkeitsbereich sichtbar sind. Wenn durch das Tracken der Betrachteraugen eine Neuberechnung des Hologramms erforderlich wird, berücksichtigt man die geänderte Perspektive durch geänderte Input-Daten.
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Um z.B. Ungenauigkeiten der Positionsbestimmungs- und Trackingmittel auszugleichen, ist ein Sichtbarkeitsbereich vorteilhaft, der etwas größer als die Augenpupille ist, also beispielsweise die doppelte Größe hat. In einem derartigen Sichtbarkeitsbereich kann die Augenpupille Positionen einnehmen, mit denen eine veränderte Ansicht der 3D-Szene verbunden ist.
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Die Hologrammberechnung - wie in früheren Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben - wird jeweils mit dem Ziel durchgeführt, dass die von einzelnen Objektpunkten ausgehende Lichtintensität gleichmäßig im Sichtbarkeitsbereich verteilt ist, damit die 3D-Szene innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs gleichmäßig gut zu sehen ist. Dies entspricht aber, wenn der Sichtbarkeitsbereich größer als die Augenpupille ist, nicht vollständig den oben beschriebenen Anforderungen einer realistischen Wiedergabe der 3D-Szene.
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Zwar ist die Änderung der Perspektive an sich, also die relative Verschiebung von Objektpunkten, in unterschiedlich weit vom Betrachter entfernten Ebenen in der Rekonstruktion eines so berechneten Hologramms enthalten. In diesem Fall können aber, sofern sich der Betrachter außerhalb des Zentrums des Sichtbarkeitsbereichs befindet, Fehler in der Rekonstruktion auftreten. Sie beruhen darauf, dass natürliche Änderungen der Helligkeit, mit denen einzelne Teile einer 3D-Szene von unterschiedlichen Perspektiven aus zu sehen sind, nicht in der Rekonstruktion enthalten sind. Als Spezialfall hiervon muss man in der Hologrammberechnung die Tatsache berücksichtigen, dass durch Änderungen in der Perspektive Objektpunkte in Teilen des Sichtbarkeitsbereichs sichtbar oder unsichtbar werden können.
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Aus der
DE 10 2004 063 838 A1 , der
US 5,400,155 A , der
US 6,621,605 B1 und der US 2002 / 0 008 887 A1 ist jeweils ein Verfahren zum Berechnen und Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene bekannt, bei dem die aus einzelnen Objektpunkten bestehende 3D-Szene als ein computergeneriertes Hologramm in einen Lichtmodulator eines holographischen Displays kodiert wird.
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Andere bekannte Verfahren zum Berechnen der Sichtbarkeit bzw. Verdeckung von Objektteilen fassen beispielsweise Objektpunkte zu geometrischen Flächen zusammen. Je nach Anforderung werden dann mit diesen Flächen objektpräzise oder bildpräzise Berechnungsverfahren in Algorithmen ausgeführt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, in einem holographischen Display mit einem Sichtbarkeitsbereich größer als die Augenpupille die Rekonstruktion einer 3D-Szene so zu erzeugen, dass eine realitätsgetreue Sichtbarkeit und/oder Verdeckung von Teilen der rekonstruierten 3D-Szene für ein Betrachterauge an jedem Ort im Sichtbarkeitsbereich realisiert wird.
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Die Aufgabe wird gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder einem holographischen Display gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8 gelöst, wobei erfindungsgemäß zum Rekonstruieren einer 3D-Szene, bei dem die 3D-Szene in einzelne Objektpunkte zerlegt wird, aus denen ein computer-generiertes Hologramm (CGH) der 3D-Szene in einen Lichtmodulator (SLM) eines holographischen Displays kodiert wird,
bei dem mindestens eine Lichtquelle den Lichtmodulator mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet und mindestens eine Transformationslinse das Licht transformiert, bei dem ein Prozessor Steuersignale für das Kodieren und Rekonstruieren steuert, und
bei dem die Rekonstruktion der 3D-Szene von einer Betrachterebene aus innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs zu sehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - der Prozessor ein räumliches Punktraster zum Definieren der Lage einzelner Objektpunkte in horizontaler, vertikaler und der Tiefenrichtung generiert und die Objektpunkte mit vorbestimmten Intensitäts- und Phasenwerten belegt, die die 3D-Szene approximieren,
- - innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs eine komplexwertige Wellenfront für jeden einzelnen Objektpunkt berechnet und die Intensitätswerte der Objektpunkte mit einer den einzelnen Objektpunkten zugeordneten Sichtbarkeitsfunktion multipliziert und anschließend aufsummiert werden, um eine gemeinsame modifizierte Wellenfront der Objektpunkte zu bilden,
- - die modifizierte Wellenfront in die Ebene des Lichtmodulators transformiert wird, um modifizierte Steuerwerte für die Objektpunkte zu berechnen, und
- - in einem Steuermittel Steuersignale generiert werden, um das CGH im Lichtmodulator mit den modifizierten Steuerwerten zu kodieren und in den Sichtbarkeitsbereich zum Rekonstruieren der 3D-Szene zu transformieren.
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Eine andere Vorgehensweise zum Definieren von Objektpunkten besteht vorteilhaft darin, eine 3D-Szene zunächst in Ebenenschnitte parallel zur Ebene eines Lichtmodulators zu zerlegen und dann in den einzelnen Ebenen ein zweidimensionales Punktraster zu generieren.
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Dabei ist es für die Sichtbarmachung oder Verdeckung von Objektteilen vorteilhaft, wenn die Sichtbarkeitsfunktion in Abhängigkeit von in benachbarten Ebenenschnitten vorhandenen Intensitätsänderungen der Objektpunkte der 3D-Szene variiert wird.
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In Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1 kann nach dem ersten Verfahrensschritt die Sichtbarmachung oder Verdeckung von Objektpunkten auch dadurch erreicht werden, dass ein Rechenmittel für jeden anhand des Punktrasters mit bestimmten Intensitäts- und Phasenwerten belegten Objektpunkt der 3D-Szene direkt im Lichtmodulator ein Subhologramm berechnet. Danach werden die den Objektpunkten zugeordneten Sichtbarkeitsfunktionen im Sichtbarkeitsbereich durch ein Transformationsmittel in die Ebene des Lichtmodulators transformiert und mit den Subhologrammen gefaltet. Das auf diese Weise berechnete, modifizierte CGH wird in den Lichtmodulator kodiert und zum Rekonstruieren der 3D-Szene in den Sichtbarkeitsbereich transformiert.
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Das Verfahren wird erfindungsgemäß in einem holographischen Display, bei dem die 3D-Szene in einzelne Objektpunkte zerlegt wird, aus denen ein computer-generiertes Hologramm (CGH) der 3D-Szene in einen Lichtmodulator (SLM) kodiert wird,
bei dem ein Prozessor Steuersignale für das Kodieren und Rekonstruieren steuert und bei dem die Rekonstruktion der 3D-Szene von einem Sichtbarkeitsbereich aus zu sehen ist, dadurch realisiert, dass das Display folgende Mittel umfasst:
- - Prozessormittel zum Generieren eines räumlichen Punktrasters, um
die Lage einzelner Objektpunkte in horizontaler, vertikaler und der Tiefenrichtung zu definieren und
die Objektpunkte mit vorbestimmten Intensitäts- und Phasenwerten zum Approximieren der 3D-Szene zu belegen,
- - Rechenmittel zum Berechnen einer komplexwertigen Wellenfront für jeden einzelnen Objektpunkt innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs, zum Multiplizieren der Intensitätswerte der Objektpunkte mit einer zugeordneten Sichtbarkeitsfunktion, um durch Aufsummieren der so modifizierten Wellenfronten aller Objektpunkte eine gemeinsame modifizierte Wellenfront der Objektpunkte zu bilden, und zum Generieren der Sichtbarkeitsfunktion für die Objektpunkte,
- - Transformationsmittel zum Transformieren der modifizierten Wellenfront in die Ebene des Lichtmodulators, um modifizierte Steuerwerte für die Objektpunkte zu berechnen, und
- - Steuermittel zum Generieren von Steuersignalen im Prozessor, um das CGH im Lichtmodulator mit den modifizierten Steuerwerten zu kodieren und in den Sichtbarkeitsbereich zum Rekonstruieren der 3D-Szene zu transformieren.
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In Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen bevorzugt eine Zerlegung der 3D-Szene in Ebenenschnitte verwendet wird, liegen die Objektpunkte eines Ebenenschnittes in einem Punktraster, das in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils ein bestimmtes Rastermaß aufweist, das wahlweise in beiden Richtungen gleich oder in beiden Richtungen verschieden ist.
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Dabei kann es für die Berechnung der Intensitätsänderung von Objektpunkten vorteilhaft sein, wenn das jeweilige Rastermaß in benachbarten Ebenenschnitten unterschiedlich ist.
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Als weiterhin vorteilhaft erweist sich für die Berechnung, dass jeder sichtbare Objektpunkt im Lichtmodulator als Subhologramm kodiert ist.
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Bei einem nach diesem Verfahren berechneten CGH würde ein Betrachter, der sich im Sichtbarkeitsbereich hin und her bewegt, die aus verschiedenen Perspektiven unterschiedliche Wiedergabe der 3D-Szene sehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Rekonstruieren einer 3D-Szene in einem holographischen Display wird nachfolgend näher beschrieben. In den dazugehörigen
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Figurenliste
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- 1 in Draufsicht einen zwischen einem SLM und einem Sichtbarkeitsbereich einer Betrachterebene rekonstruierten Objektpunkt eines kodierten Subhologramms,
- 2 eine graphische Darstellung der Transformierten eines einzelnen Objektpunktes im Sichtbarkeitsbereich mit Betrag (2a) und Phase (2b),
- 3 in Draufsicht die Sichtbarkeit zweier rekonstruierter Objektpunkte von zwei verschiedenen Augenpositionen aus,
- 4 in Draufsicht zwei Objektpunkte mit zugeordneten Subhologrammen und die Sichtbarkeit der Objektpunkte von zwei verschiedenen Augenpositionen aus,
- 5 den Verlauf der Sichtbarkeitsfunktion für die Objektpunkte aus 4,
- 6 einen rekonstruierten Objektpunkt mit gerichteter Lichtabstrahlung und
- 7 eine graphische Darstellung der Sichtbarkeitsfunktion für den Objektpunkt entsprechend 6.
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Es ist bekannt, eine Zerlegung der 3D-Szene in Ebenenschnitten parallel zur Ebene eines SLM durchzuführen und alle Ebenenschnitte innerhalb der Betrachterebene BE in einen Sichtbarkeitsbereich SB zu transformieren und dort aufzusummieren. Anschließend wird durch eine weitere Transformation in der Hologrammebene die 3D-Szene berechnet und als CGH in den SLM kodiert.
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Im Gegensatz dazu wird im erfindungsgemäßen Verfahren die 3D-Szene in einzelne Objektpunkte P; ...; Pn zerlegt und jeder einzelne Objektpunkt Pn für sich allein in den Sichtbarkeitsbereich SB transformiert. Man erhält als Transformation eines beliebigen einzelnen Objektpunktes Pn im Sichtbarkeitsbereich SB zunächst eine konstante Intensität und einen Phasenverlauf, der abhängig ist von der Lage des Objektpunktes Pn innerhalb des entsprechenden Ebenenschnittes bzw. innerhalb der 3D-Szene. Die gesamte Werteverteilung im Sichtbarkeitsbereich SB ermittelt man dann durch Aufaddieren der komplexen Werte aller einzelnen Objektpunkte P; ...; Pn.
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Aufgrund der begrenzten Apertur der Augenpupille und der Wellennatur des Lichts erfolgt eine beugungsbegrenzte Auflösung der einzelnen Objektpunkte, aus denen sich die 3D-Szene zusammensetzt. Der Betrachter sieht also in der Rekonstruktion anstelle eines Objektpunktes eigentlich ein begrenztes Beugungsscheibchen, wenn das Hologramm aus einzelnen Objektpunkten berechnet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Objektpunkten P; P1; P2 stellvertretend für die 3D-Szene erklärt. Mindestens eine nicht dargestellte Lichtquelle beleuchtet in den 1, 3, 4 und 6 den SLM mit hinreichend kohärentem Licht. Zum Durchführen der Transformationen ist in den 1, 3, 4 und 6 mindestens eine im Strahlengang angeordnete, nicht dargestellte Transformationslinse vorgesehen. Die 1, 3, 4 und 6 enthalten weiterhin ein pyramidenförmiges Rekonstruktionsvolumen RV, das die rekonstruierte 3D-Szene enthält. Das Volumen erstreckt sich vom Sichtbarkeitsbereich SB aus und verläuft mit den Kanten zu den Eckpunkten des Bildschirms. Je nach Kodierung kann es sich hinter dem Bildschirm fortsetzen. Das Rekonstruktionsvolumen RV ist nur in 1 dargestellt.
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In 1 wird zunächst ein einzelner Objektpunkt P einer 3D-Szene in einer beliebigen Ebene im Rekonstruktionsvolumen RV betrachtet.
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In den SLM werden das Subhologramm S des Objektpunktes P bzw. das CGH der kompletten 3D-Szene kodiert. Eine Berechnung des Subhologramms S des Objektpunkts P wird durchgeführt, indem die Lichtausbreitung vom Objektpunkt P in den Sichtbarkeitsbereich SB der Betrachterebene BE wellenoptisch berechnet wird, indem eine Transformation, beispielsweise eine Fresneltransformation, von der Ebene des Objektpunktes P in die Betrachterebene BE durchgeführt wird. Wird dann eine Transformation von der Betrachterebene BE in die Hologrammebene durchgeführt, entsteht dort an einer festen Position ein begrenzter Bereich, in dem die Information über den Objektpunkt P in Form einer komplexwertigen Wellenfront enthalten ist. Außerhalb dieses Bereichs ist der Betrag der Wellenfront annähernd Null. Dieser begrenzte Bereich wird als Subhologramm S bezeichnet. Wahlweise lässt sich das Subhologramm S anstelle einer Berechnung über die Betrachterebene BE auch direkt berechnen. Alle Subhologramme Sn bilden zusammen das CGH der 3D-Szene. Ein Prozessor PM dient zum Generieren von Punktrastern, zum Speichern und Modifizieren von komplexen Werten der 3D-Szene.
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Die 2a und 2b zeigen die grafischen Darstellungen der komplexwertigen Lichtverteilung, die sich für den Objektpunkt P im Sichtbarkeitsbereich SB nach der Transformation von der Ebene des Objektpunkts P in die Betrachterebene BE ergibt. Die grafische Darstellung 2a zeigt den Verlauf des Betrags der Lichtverteilung, während in 2b der Verlauf der Phase dargestellt ist.
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Man erhält einen über die Breite des Sichtbarkeitsbereichs SB konstanten Betrag und somit konstante Intensität. Das bedeutet, dass ein Betrachter, wenn er sich mit einer Augenpupille an verschiedenen Augenpositionen An im Sichtbarkeitsbereich SB befindet, den Objektpunkt P immer mit gleicher Intensität sehen kann.
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Der Phasenverlauf im Sichtbarkeitsbereich SB gemäß 2b entspricht einer divergierenden Wellenfront, also einer Kugelwelle, die vom Objektpunkt P in Richtung Betrachterebene BE ausgeht.
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Allgemein ist festzustellen: eine Berechnung des CGH der 3D-Szene, die nur die weiter oben beschriebenen Schritte mit einer Fresneltransformation jeweils von den Ebenen der einzelnen Objektpunkte Pn der 3D-Szene in die Betrachterebene BE enthält, hätte zur Folge, dass aus allen Augenpositionen An innerhalb des gesamten Sichtbarkeitsbereichs SB alle Punkte im Mittel gleich hell zu sehen wären. Das kann aber teilweise einer realistischen Wiedergabe einer 3D-Szene widersprechen.
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In 3 ist ein Beispiel mit zwei Objektpunkten P1; P2 der 3D-Szene dargestellt, die sich im Rekonstruktionsvolumen RV in unterschiedlicher Entfernung vom Sichtbarkeitsbereich SB befinden. Die Objektpunkte P1; P2 weisen hier eine unterschiedliche Entfernung z zum Sichtbarkeitsbereich SB bzw. den Augenpositionen A1; A2 auf, wenn man für den Rekonstruktionsraum ein x, y, z-Koordinatensystem zugrunde legt. Bezogen auf die Augenposition A1 haben die Objektpunkte P1; P2 die gleichen x- und y-Werte.
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Befindet sich beim Betrachten der 3D-Szene das Auge des Betrachters unmittelbar im Zentrum des Sichtbarkeitsbereichs SB an der Augenposition A1, so sieht es nur den vorderen Objektpunkt P1. Hinter diesem ist der Objektpunkt P2 verborgen. Befindet sich das Auge aber stattdessen in einer Augenposition A2, so sieht der Betrachter beide Objektpunkte P1; P2.
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4 zeigt in der Hologrammebene die Subhologramme S1; S2 der Objektpunkte P1; P2. Sie sind beide räumlich überlagert. Da der Objektpunkt P2 näher an der Hologrammebene liegt, ist das Subhologramm S2 aber kleiner als S1. Im Sichtbarkeitsbereich SB gibt es einen schraffiert gekennzeichneten Bereich, in dem der Objektpunkt P2 von der Augenposition A1 des Betrachterauges nicht gesehen werden kann. Der Bereich wird vom Objektpunkt P1 verdeckt. Die Größe dieses Bereichs wird bestimmt durch die Ausdehnung des Beugungsscheibchens, als das der Objektpunkt P1 vom Betrachter in der Rekonstruktion gesehen wird. Im Sichtbarkeitsbereich SB entspricht der Bereich einer Fläche von ungefähr der Ausdehnung einer Augenpupille.
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Die vom Objektpunkt P2 ausgehenden Wellenfronten treffen auf den Objektpunkt P1 und divergieren dort. Erst wenn das Auge des Betrachters sich an einer anderen Augenposition, z.B. A2, im Sichtbarkeitsbereich SB außerhalb des schraffierten Bereichs befindet, kann es den Objektpunkt P2 sehen.
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Die 5a und 5b zeigen die Verwendung von Sichtbarkeitsfunktionen für die Darstellung der beiden Objektpunkte P1; P2 aus den vorhergehenden Figuren. Die Sichtbarkeitsfunktion kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Bezogen auf den Objektpunkt P1 hat sie überall konstant den Wert 1 und der Objektpunkt P1 ist im Sichtbarkeitsbereich SB von allen Augenpositionen An aus gleich hell zu sehen. Die Sichtbarkeitsfunktion des Objektpunktes P2 hat dagegen im schraffiert dargestellten Bereich, der sich im Zentrum des Betrachterfensters befindet, den Wert 0, da der Objektpunkt P2 dort unsichtbar ist. Außerhalb dieses zentralen Bereichs hat sie den Wert 1, weil der Objektpunkt P2 dort zu sehen ist. Die Sichtbarkeitsfunktionen sind in beliebigen Einheiten dargestellt.
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In 6 ist ein Objektpunkt P mit dem kodierten Subhologramm S und einer gerichteten Lichtabstrahlung dargestellt, wobei eine größere Anzahl dieser Objektpunkte Bestandteil einer 3D-Szene ist. Diese Objektpunkte können eine glänzende Oberfläche wiedergeben, auf die das Licht einer Lichtquelle fällt. Aus der 3D-Szene ist vorgegeben, dass vom Objektpunkt P mehr Licht in den unteren Bereich des Sichtbarkeitsbereichs SB gelangt als in den oberen. Das wird in der Darstellung durch unterschiedlich stark geschwärzte Pfeile in Richtung Sichtbarkeitsbereich SB ausgedrückt, wobei der schwärzeste Pfeil die größte Sichtbarkeit in 7 wiedergibt. 7 zeigt den Verlauf der Sichtbarkeitsfunktion für den Objektpunkt P, dargestellt in beliebigen Einheiten.
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Ein Extremfall für eine gerichtete Abstrahlcharakteristik eines Objektpunktes Pn ist eine spiegelnde Oberfläche, die in der 3D-Szene von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Den hervorgerufenen Reflex kann man nur aus bestimmten Augenpositionen An im Sichtbarkeitsbereich SB sehen.
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Die Sichtbarkeitsfunktion für den jeweiligen Objektpunkt kann z.B. aus geometrischen Zusammenhängen aufgrund der Lage anderer Objektpunkte der 3D-Szene bestimmt und in einem Prozessormittel gespeichert werden.
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Das Subhologramm eines Objektpunktes, dessen Helligkeit sich im Sichtbarkeitsbereich beispielsweise kontinuierlich ändert, kann zweckmäßigerweise auch durch Multiplikation mit einer sich kontinuierlich ändernden Sichtbarkeitsfunktion berechnet werden.
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Zum Durchführen des Verfahrens wird durch Prozessormittel PM der 3D-Szene ein räumliches Punktraster generiert. Damit können für eine große Anzahl von Objektpunkten Pn die horizontale und vertikale Lage sowie die Tiefenlage im Rekonstruktionsvolumen RV definiert werden. Die Objektpunkte Pn werden dann im Prozessor PM mit vorbestimmten und gespeicherten Intensitäts- und Phasenwerten belegt, so dass die Objektpunkte Pn die 3D-Szene sehr gut approximieren.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird zur Berechnung des CGH der 3D-Szene für jeden Objektpunkt Pn die komplexwertige Wellenfront in der Betrachterebene BE berechnet. Der Betrag bzw. der Intensitätswert der komplexwertigen Wellenfront jedes Objektpunktes Pn wird dann mit einer zugeordneten Sichtbarkeitsfunktion multipliziert. Die Zuordnung ergibt sich aus dem Punktraster und ist im Prozessor PM gespeichert. Anschließend werden die derart modifizierten Wellenfronten aller Objektpunkte Pn der 3D-Szene zu einer gemeinsamen modifizierten Wellenfront aufaddiert.
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Dann erfolgt eine Transformation der modifizierten Wellenfront in die Hologrammebene.
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Mit dieser Transformation sind automatisch auch die Subhologramme Sn aller einzelnen Objektpunkte Pn mit ihrer Sichtbarkeitsfunktion modifiziert.
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Die aus der Transformation errechneten komplexen Werte der modifizierten Wellenfront liefern die modifizierten Steuerwerte, die von einem Steuermittel (nicht dargestellt) als Steuersignale zum Kodieren generiert werden. Das so kodierte CGH wird in den Sichtbarkeitsbereich der Betrachterebene BE zum Rekonstruieren der 3D-Szene transformiert. Im Rekonstruktionsvolumen RV kann ein Betrachterauge von einer beliebigen Augenposition An aus im Sichtbarkeitsbereich SB die Rekonstruktion der 3D-Szene sehen.
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Bei einer Abwandlung des Verfahrens, bei dem direkt Subhologramme Sn in der Hologrammebene berechnet werden, kann die Modifikation so erfolgen, dass die Subhologramme Sn mit der jeweiligen Transformierten der Sichtbarkeitsfunktion des entsprechenden Objektpunktes multipliziert werden.
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Das beschriebene Verfahren kann in einem holographischen Display, vorzugsweise einem Direktsichtdisplay, verwendet werden, das zum Durchführen des Verfahrens die Prozessor-, Rechen-, Transformations- und Steuermittel entsprechend den Ansprüchen 5 bis 10 enthält.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass in der Hologrammberechnung durch die Modifizierung von Objektpunkten der 3D-Szene mit einer Sichtbarkeitsfunktion die unterschiedliche Sichtbarkeit von Objektpunkten aus verschiedenen Betrachterwinkeln berücksichtigt wird. Objektpunkte, die von bestimmten Augenpositionen aus unterschiedlich hell zu sehen sind, werden in der Rekonstruktion entsprechend dargestellt.
