DE102019118985A1 - 3D autostereoscopic display device and method of operating it - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, die mindestens eine autostereoskopische Anzeigefläche mit einer zweidimensionalen Leuchtpixelanordnung und einer zugehörigen Richtungs- oder Ablenkanordnung, die zum Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen auf dem Weg zu den Augen eines Betrachters ausgebildet ist, aufweist, wobei- zwei unterschiedliche Einzelbilder für die zwei Augen des Betrachters bereitgestellt werden, die zwei entsprechend verschiedene Perspektiven einer darzustellenden 3D-Bildszene wiedergeben, und- die zwei Einzelbilder derart auf die einzelnen Leuchtpixel der Leuchtpixelanordnung verteilt werden, dass durch das Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen das für das linke Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein linkes Auge sichtbar ist und das für das rechte Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein rechtes Auge sichtbar ist,- wobei für unendlich weit entfernt darzustellende Objekte der 3D-Bildszene ein Einzelbildabstand zwischen einander entsprechenden Bildpunkten der zwei Einzelbilder in der Leuchtpixelanordnung einem vorbestimmten Augenabstand des Betrachters gleich ist, der insbesondere etwa 65 mm beträgt.The invention relates to a method for operating an autostereoscopic 3D display device, in particular for a motor vehicle or a driving simulator, which has at least one autostereoscopic display surface with a two-dimensional luminous pixel arrangement and an associated directional or deflection arrangement which is used to direct / deflect light beams of different luminous pixels in different directions is formed on the way to the eyes of a viewer, wherein- two different individual images are provided for the two eyes of the viewer, which reproduce two correspondingly different perspectives of a 3D image scene to be displayed, and- the two individual images in such a way on the individual light pixels of the Light pixel arrangement are distributed so that by directing / deflecting light beams of different light pixels in different directions, the individual image intended for the left eye of the viewer is visible to his left eye and the individual image intended for the right eye of the viewer is visible to his right eye, - whereby for objects of the 3D image scene to be displayed infinitely far away, an individual image distance between corresponding image points of the two individual images in the luminous pixel arrangement is equal to a predetermined eye distance of the viewer in particular is about 65 mm.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, sowie eine entsprechend eingerichtete autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung oder deren Steuerungseinheit.The invention relates to a method for operating an autostereoscopic 3D display device, in particular for a motor vehicle or a driving simulator, as well as a correspondingly configured autostereoscopic 3D display device or its control unit.
Technischer HintergrundTechnical background
Autostereoskopische 3D-Anzeigen sind in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet, einen 3D- oder Tiefeneindruck beim Betrachter durch stereoskopisches Sehen zu erzeugen, ohne dass etwaige Hilfsmittel wie 3D-Brillen etc. direkt vor seinen Augen benötigt werden. Hierzu werden auf einem Display oder in Projektion gleichzeitig zwei leicht unterschiedliche Einzelbilder für die zwei Augen des Betrachters ineinander verschachtelt dargestellt, wobei die zwei Einzelbilder entsprechend verschiedene Perspektiven einer darzustellenden 3D-Bildszene wiedergeben. Mittels einer im Strahlengang des von den Displaypixeln ausgehenden Lichts angeordneten Richtungs- oder Ablenkanordnung, wie z. B. schräg gestellten Streifenmasken oder Mikrolinsenrastern in der Displayoberfläche, wird das Licht einzelner Displaypixel in verschiedene Richtungen so abgelenkt oder selektiv geblockt, dass die zwei verschiedenen 2D-Einzelbilder jeweils nur das linke oder nur das rechte Auge des Betrachters erreichen.Autostereoscopic 3D displays are designed in a manner known per se to create a 3D or depth impression for the viewer through stereoscopic vision, without any aids such as 3D glasses etc. being required directly in front of their eyes. For this purpose, two slightly different individual images for the two eyes of the viewer are shown nested in one another on a display or in a projection, the two individual images correspondingly reflect different perspectives of a 3D image scene to be displayed. By means of a directional or deflection arrangement arranged in the beam path of the light emanating from the display pixels, such as. B. inclined strip masks or microlens grids in the display surface, the light from individual display pixels is deflected or selectively blocked in different directions so that the two different 2D single images only reach the left or right eye of the viewer.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein insbesondere im Hinblick auf den wahrnehmbaren Tiefeneindruck einer darzustellenden 3D-Bildszene und/oder auf das für den Betrachter dadurch wahrnehmbar abdeckbare Blickfeld (Field-of-View) verbessertes Betriebsverfahren für eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, sowie eine entsprechend ausgebildete und eingerichtete autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung oder deren Steuerungseinheit oder ein(en) damit ausgestattetes/ausgestatteten Kraftfahrzeug bzw. Fahrsimulator anzugeben.The object of the present invention is to provide an operating method for an autostereoscopic 3D display device that is improved, in particular with regard to the perceptible depth impression of a 3D image scene to be displayed and / or the field of view that can be perceived by the observer a motor vehicle or a driving simulator, as well as an appropriately designed and equipped autostereoscopic 3D display device or its control unit or a motor vehicle or driving simulator equipped / equipped with it.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Steuerungseinheit, ein Computerprogramm, eine autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung bzw. ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für das Verfahren genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf die autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung, die Steuerungseinheit, das Computerprogramm oder das Kraftfahrzeug oder den Fahrsimulator, wie auch umgekehrt.This object is achieved by a method for operating an autostereoscopic 3D display device according to
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, vorgesehen. Die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung weist dabei (insbesondere in an sich bekannter Weise) mindestens eine autostereoskopische Anzeigefläche mit einer zweidimensionalen Leuchtpixelanordnung und einer zugehörigen Richtungs- oder Ablenkanordnung, die zum Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen auf dem Weg zu den Augen eines Betrachters ausgebildet ist, auf. Beim Betrieb dieser Vorrichtung werden zunächst zwei unterschiedliche Einzelbilder für die zwei Augen des Betrachters bereitgestellt, die zwei entsprechend verschiedene Perspektiven einer darzustellenden 3D-Bildszene wiedergeben. Dies kann z. B. durch ein geeignetes Software-Tool an sich bekannter Art implementiert sein, mittels dessen die 3D-Bildszene mit zwei Kameras aus der Position von linkem und rechtem Auge eines virtuellen Betrachters der 3D-Bildszene gerendert wird, wobei der Abstand der beiden Kameras etwa einem Augenabstand des realen Betrachters entspricht.According to a first aspect, a method for operating an autostereoscopic 3D display device, in particular for a motor vehicle or a driving simulator, is provided. The autostereoscopic 3D display device has (in particular in a manner known per se) at least one autostereoscopic display surface with a two-dimensional luminous pixel arrangement and an associated directional or deflection arrangement, which is used to direct / deflect light beams of different luminous pixels in different directions on the way to the eyes of a Viewer is trained on. When operating this device, two different individual images are initially provided for the two eyes of the viewer, which reproduce two correspondingly different perspectives of a 3D image scene to be displayed. This can e.g. B. be implemented by a suitable software tool of a known type, by means of which the 3D image scene is rendered with two cameras from the position of the left and right eye of a virtual viewer of the 3D image scene, the distance between the two cameras about one The eye relief of the real observer.
Die zwei Einzelbilder werden nun derart auf die einzelnen Leuchtpixel der Leuchtpixelanordnung verteilt, dass durch das Richten/Ablenken oder selektive Blocken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen durch die Richtungs- oder Ablenkanordnung das für das linke Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein linkes Auge sichtbar ist, während das für das rechte Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein rechtes Auge sichtbar ist. Die genannte Verteilung kann beispielsweise gemäß einem als „side by side“ bekannten Format für die Leuchtpixelansteuerung zur Erzeugung zweier ineinander verschachtelter Einzelbilder in der Anzeigefläche implementiert sein. Die Richtungs- oder Ablenkanordnung kann z. B. als ein Mikrolinsen-Array parallel zueinander in der Anzeigefläche angeordneter zylindrischer Linsen einer geeigneten Größe und Krümmung oder als eine Parallaxenbarriere in Form einer schräg gestellten Streifenmaske oder in jeder anderen geeigneten Weise ausgebildet sein.The two individual images are now distributed to the individual luminous pixels of the luminous pixel arrangement in such a way that by directing / deflecting or selectively blocking light beams from different luminous pixels in different directions by the directional or deflecting arrangement, the individual image intended for the viewer's left eye is visible to his left eye while the individual image intended for the viewer's right eye is visible to his right eye. Said distribution can be implemented, for example, in accordance with a format known as “side by side” for the control of the luminous pixels in order to generate two nested individual images in the display area. The directional or deflection arrangement may e.g. B. as a microlens array arranged parallel to each other in the display surface cylindrical lenses of a suitable size and curvature or as a parallax barrier in the form of an inclined strip mask or in any other suitable manner.
Gemäß dem vorliegenden Betriebsverfahren ist dabei - im Unterschied zu herkömmlichen autostereoskopischen 3D-Anzeigen, - ein Einzelbildabstand zwischen einander entsprechenden Bildpunkten der zwei Einzelbilder in der Leuchtpixelanordnung für sehr oder unendlich weit entfernt darzustellende Objekte der 3D-Bildszene gleich einem vorbestimmten Augenabstand des Betrachters. Dies ergibt für den Betrachter für so dargestellte Objekte einen Konvergenzwinkel von etwa gleich Null, d. h. wie beim Betrachten eines unendlich weit entfernten Gegenstands in der realen Welt. Dabei ist der Konvergenzwinkel ein Winkel, den die Blickachsen von rechtem und linkem Auge beim Betrachten eines Objekts bilden. Der genannte vorbestimmte Augenabstand kann dabei insbesondere zwischen etwa 55 mm und 75 mm betragen und z. B. als ein durchschnittlicher menschlicher Augenabstand von etwa 65 mm oder als ein anderer in geeigneter Weise gewählter Wert, insbesondere individuell einstellbar, im Vorfeld des vorliegenden Betriebsverfahrens festgelegt worden sein. Insgesamt ist für den Betrachter daher ein realistisches 3D-Erlebnis erzielbar.According to the present operating method - in contrast to conventional autostereoscopic 3D displays - an individual image distance between corresponding image points of the two individual images in the luminous pixel arrangement is very or infinitely far away Objects to be displayed in the 3D image scene equal to a predetermined eye relief of the viewer. For the observer, this results in an angle of convergence of approximately zero for objects represented in this way, ie as when looking at an object that is infinitely distant in the real world. The convergence angle is an angle that the viewing axes of the right and left eyes form when looking at an object. Said predetermined eye relief can in particular be between about 55 mm and 75 mm and z. B. as an average human eye relief of about 65 mm or as another suitably selected value, in particular individually adjustable, have been set in advance of the present operating method. Overall, a realistic 3D experience can therefore be achieved for the viewer.
Eine Grundidee des vorliegenden Verfahrens besteht also darin, vor oder bei dem genannten Schritt der Verteilung der beiden Einzelbilder für das linke und das rechte Auge in der Leuchtpixelanordnung die Input-Bilddaten für die Leuchtpixelansteuerung (z. B. im obigen side-by-side-Format) durch eine einfach implementierbare Manipulation derart zu definieren bzw. zu verändern, dass die mit der autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung dargestellten Objekte der zugrundeliegenden 3D-Bildszene (z. B. unter Einsatz eines unter dem Namen „unity“ bekannten Software-Tools) mit dem gleichen Konvergenzwinkel der Augen betrachtet werden, wie beim Betrachten dieser Bildszene in der realen Welt. Die Manipulation kann z. B. darin bestehen, dass die zwei Einzelbilder für die beiden Augen, die bei bekannten autostereoskopischen 3D-Anzeigen normalerweise nur wenige Millimeter in der Leuchtpixelanordnung auseinanderliegen, auf deutlich größere Einzelbildabstands-Werte auseinandergezogen werden, die dann beim Betrachter dem Konvergenzwinkel entsprechen, die das entsprechende Objekt bei seiner tatsächlichen Lage im realen 3D-Raum hervorrufen würde. Das ist im Fall für Objekte im Unendlichen der Augenabstand des Betrachters.A basic idea of the present method consists in the input image data for the control of the light pixels (e.g. in the above side-by-side) before or during the mentioned step of distributing the two individual images for the left and right eyes in the light pixel arrangement. Format) to be defined or changed by an easily implemented manipulation in such a way that the objects displayed with the autostereoscopic 3D display device of the underlying 3D image scene (e.g. using a software tool known as “unity”) the same angle of convergence of the eyes as when viewing this image scene in the real world. The manipulation can e.g. For example, the two individual images for the two eyes, which in known autostereoscopic 3D displays are usually only a few millimeters apart in the luminous pixel arrangement, are pulled apart to significantly larger individual image distance values, which then correspond to the angle of convergence for the viewer Object in its actual position in real 3D space. In the case of objects at infinity, this is the eye relief of the observer.
Insbesondere kann es sich bei der autostereoskopischen Anzeigefläche um einen kommerziellen 3D-Monitor, z. B. 32-Zoll, mit integriertem Eye-tracking (siehe unten), handeln, wobei gemäß dem vorliegenden Verfahren die Bilddaten, die in den kommerziellen 3D-Monitor eingespeist werden, vorab so manipuliert werden, dass der Konvergenzwinkel der Augen auf den Wert eingestellt wird, der dem realen Konvergenzwinkel der Augen entsprechen würde, wenn die einzelnen Objekte der 3D-Bildszene bzw. die ganze 3D-Bildszene von Objekten in der echten Welt liegen würde. Die beiden Bilder für das linke und das rechte Auge können dabei insbesondere auf Werte von ungefähr dem Augenabstand des Betrachters auseinandergezogen werden.In particular, the autostereoscopic display surface can be a commercial 3D monitor, e.g. B. 32-inch, with integrated eye tracking (see below), act, according to the present method, the image data that are fed into the commercial 3D monitor, manipulated in advance so that the angle of convergence of the eyes is set to the value which would correspond to the real convergence angle of the eyes if the individual objects of the 3D image scene or the entire 3D image scene of objects were located in the real world. The two images for the left and right eyes can in particular be pulled apart to values of approximately the distance between the eyes of the observer.
Das hierin dargelegte Verfahren und entsprechend ausgebildete und eingerichtete Vorrichtungen zur autostereoskopischen 3D-Anzeige lassen sich für eine große Vielzahl von verschiedenen Anwendungen einsetzen, insbesondere immer dort, wo eine virtuelle Umwelt für einen Betrachter simuliert werden soll. Verwendungsbeispiele sind insbesondere ein Fahrsimulator für Gaming-Anwendungen oder Fahrertraining, für Produktinfo im Vertrieb, für Schulungszwecke, wie z. B. beim Training von Werkern für die Montage am Band oder in der Werkstatt, für Spielautomaten oder andere Entertainment-Anlagen. Weitere Beispiele sind unter anderem die 3D-Simulation im Business, wie z. B. die Visualisierung von Designstudien, Fahrzeugkonzepten, Absicherung von Anzeige- und Bedien-Konzepten für z. B. Head-up-Displays u.v.m.The method presented here and correspondingly designed and configured devices for autostereoscopic 3D display can be used for a large number of different applications, in particular wherever a virtual environment is to be simulated for a viewer. Examples of use are in particular a driving simulator for gaming applications or driver training, for product information in sales, for training purposes, such as B. when training workers for assembly on the assembly line or in the workshop, for gaming machines or other entertainment systems. Other examples include 3D simulation in business, such as B. the visualization of design studies, vehicle concepts, protection of display and operating concepts for z. B. Head-up displays and much more.
Eine spezielle Anwendung in einem Kraftfahrzeug betrifft beispielsweise Funktionen wie Rückspiegel, Seitenspiegel, Rear-Seat-Entertainment und mögliche zukünftige Funktionen wie „durchsichtige Sonnenblende“, „durchsichtige A-Säule“ etc.A special application in a motor vehicle relates, for example, to functions such as rear-view mirrors, side mirrors, rear-seat entertainment and possible future functions such as "transparent sun visor", "transparent A-pillar" etc.
Die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung der hierin dargelegten Art kann zur 3D-Darstellung nicht nur in der Bildschirmfläche (autostereoskopische Anzeigefläche), sondern auch in Projektion, beispielsweise gemäß
Insbesondere kann beim hierin dargelegten Verfahren der Einzelbildabstand zwischen einander entsprechenden Bildpunkten der zwei Einzelbilder in der Leuchtpixelanordnung für näher (als die genannten sehr oder unendlich weit entfernten) darzustellende Objekte mit der abnehmenden Entfernung von darzustellenden Objekten der 3D-Bildszene vom Betrachter abnehmen. D. h. der genannte Einzelbildabstand kann einen geringeren Wert als den vorbestimmten Augenabstand haben, der abhängig von der tatsächlichen Entfernung des darzustellenden Objekts zum Betrachter definiert ist, und insbesondere derart, dass ein aus dem Einzelbildabstand resultierender Konvergenzwinkel des jeweiligen Objekts einer realen Entfernung dieses Objekts in der mittels der autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung nachzubildenden realen 3D-Bildszene entspricht. Mit diesem Verfahren kann beispielsweise ein Baum in 30 Metern Entfernung mit einem 3D-Monitor so dargestellt werden, dass der Betrachter den Baum tatsächlich in 30 Metern Entfernung sieht. Damit ist der visuelle Eindruck beim Blick auf den 3D-Monitor exakt wie ein Blick aus einem Fenster an dieser Stelle. Dadurch kann beispielsweise bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug ein sehr realistischer und entspannter Blick auf eine simulierte Welt vor dem Fahrzeug erzielt werden.In particular, in the method presented here, the individual image distance between corresponding image points of the two individual images in the luminous pixel arrangement for objects to be displayed closer (than the mentioned very or infinitely distant) objects to be displayed with the decreasing distance from the objects to be displayed in the 3D image scene from the viewer. I.e. the said Frame spacing can have a lower value than the predetermined eye relief, which is defined as a function of the actual distance of the object to be displayed from the viewer, and in particular in such a way that a convergence angle of the respective object resulting from the frame spacing of a real distance of this object in the autostereoscopic 3D -Display device to be simulated corresponds to a real 3D image scene. With this method, for example, a tree at a distance of 30 meters can be displayed with a 3D monitor in such a way that the viewer actually sees the tree at a distance of 30 meters. This means that the visual impression when looking at the 3D monitor is exactly like looking out of a window at this point. In this way, for example, when used in a motor vehicle, a very realistic and relaxed view of a simulated world in front of the vehicle can be achieved.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei dem Schritt der Verteilung der zwei für beide Augen des Betrachters bereitgestellten Einzelbilder über die Leuchtpixelanordnung eines der zwei Einzelbilder um einen einheitlichen Offset, der einer vorbestimmten Leuchtpixelanzahl in einer horizontalen Offsetrichtung entspricht, gegenüber dem anderen Einzelbild verschoben werden (beispielsweise kann darin die oben erwähnte Manipulation/Modifizierung von Bilddaten einer herkömmlicher Software zur Ansteuerung der Leuchtpixelanordnung bestehen, vgl. auch z. B.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann bei dem Schritt der Bereitstellung der zwei Einzelbilder das um den einheitlichen Offset zu verschiebende Einzelbild im Vergleich zu dem anderen Einzelbild in einer der Offsetrichtung entgegengesetzten Richtung um den einheitlichen Offset breiter erzeugt werden. Dadurch kann z. B. ein etwaiger randseitiger Leuchtpixelverlust durch die genannte spätere Verschiebung dieses Einzelbilds um den vorbestimmten Offset in der 3D-Anzeigefläche kompensiert werden.In a further development of this embodiment, in the step of providing the two individual images, the individual image to be shifted by the uniform offset can be generated wider by the uniform offset compared to the other individual image in a direction opposite to the offset direction. This allows z. B. a possible edge-side luminous pixel loss can be compensated by the mentioned later shifting of this single image by the predetermined offset in the 3D display area.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung kann die Leuchtpixelanordnung in einem vorbestimmten Anzeigeflächenabstand von den Augen des Betrachters angeordnet ist, der (insbesondere in der angegebenen Reihenfolge jeweils mehr bevorzugt) mindestens etwa 50 cm, mindestens etwa 80 cm, mindestens etwa 1 m, mindestens etwa 1,2 m oder mindestens etwa 1,5 m beträgt. Für den geschilderten autostereoskopischen 3D-Betriebsmodus hat sich vorliegend experimentell direkt nachweisbar herausgestellt, dass zumindest für Entfernungen ab ca. 80 cm zwischen der Leuchtpixelanordnung und dem Betrachter seine Augen aufgrund einer großen Tiefenschärfe des einzelnen Auges von sich aus problemlos imstande sind, bei einer Akkommodation auf nah bis fern oder unendlich, insbesondere entsprechend dem durch den Einzelbildabstand bedingten Konvergenzwinkel, die dargestellten Objektstrukturen, wie z. B. Linien, im Wesentlichen scharf zu sehen, bei Tag und bei Nacht. Mit anderen Worten wird bei solchen Bildschirmabständen ein etwaiger Konflikt von Konvergenz- und Akkommodationsentfernung nicht als störend wahrgenommen (engl. VAC: vergence-accommodation conflict). Dabei ist der Konvergenzwinkel ein Winkel, den die Blickachsen von rechtem und linkem Auge bilden, und Akkommodation ist die Scharfstellung der Augenlinse auf eine Entfernung des betrachteten Objekts. Beim normalen Sehen (d. h. ohne 3D-Monitor) korrelieren der Konvergenzwinkel und die Akkommodationsentfernung gemäß einem geschlossenen Dreieck.In a specific embodiment, the luminous pixel arrangement can be arranged at a predetermined display surface distance from the eyes of the viewer, which (in particular in the specified order, more preferably) at least about 50 cm, at least about 80 cm, at least about 1 m, at least about 1.2 m or at least about 1.5 m. For the described autostereoscopic 3D operating mode, it has been found experimentally and directly demonstrable that at least for distances of approx. 80 cm or more between the luminous pixel arrangement and the viewer, his eyes are in and of themselves capable of accommodating without any problems due to the great depth of focus of the individual eye near to far or infinite, in particular according to the convergence angle caused by the individual image distance, the object structures shown, such as B. Lines, essentially sharp, day and night. In other words, with such screen distances, any conflict between the convergence and accommodation distances is not perceived as disruptive (VAC: vergence-accommodation conflict). The convergence angle is an angle formed by the visual axes of the right and left eyes, and accommodation is the focusing of the eye lens at a distance from the object being viewed. In normal vision (i.e. without a 3D monitor), the angle of convergence and the distance of accommodation correlate according to a closed triangle.
Die Relevanz des Konvergenz- und Akkommodationsentfernungskonflikts kann insbesondere vom Alter, der Sehfähigkeit, der Beleuchtung und anderen individuellen Faktoren abhängen. Bei Anzeigeflächenabständen von z. B. weniger als 50-80 cm zu den Augen des Betrachters können zusätzliche Maßnahmen zur Überwindung des Konvergenz- und Akkommodationsentfernungskonflikts implementiert sein. Ansätze hierzu können insbesondere zusätzliche (oder aber gleichzeitig als die oben genannte Richtungs- oder Ablenkanordnung dienende) spezifisch ausgelegte Linsen-Arrays und/oder eine zusätzliche Modifikation der Leuchtpixelansteuerung umfassen.The relevance of the conflict of convergence and distance of accommodation can depend, in particular, on age, eyesight, lighting and other individual factors. With display surface distances of z. B. less than 50-80 cm to the eyes of the viewer, additional measures to overcome the convergence and accommodation distance conflict can be implemented. Approaches to this can in particular include additional (or at the same time serving as the above-mentioned directional or deflection arrangement) specifically designed lens arrays and / or an additional modification of the light pixel control.
Eine spezifische Auslegung kann darin bestehen, die Mikrolinsen oder eine weitere Schicht aus Linsen, z.B. Fresnel-Linsen, in einer „Lupenkonfiguration“ über den Pixeln über der Leuchtpixelanordnung zu platzieren, d. h. der Abstand zwischen den Mikrolinsen bzw. der weiteren Schicht aus Linsen und den Leuchtpixeln ist dabei nahe an der Brennweite der Linsen gewählt (typisch knapp darunter), wodurch für den Betrachter die Leuchtpixel vergrößert und in einer etwas größeren Entfernung erscheinen und damit mit einer geringeren Akkommodationsleistung der Augen als scharf wahrgenommen werden. Damit kann die Akkommodationsleistung der Augen nahe an den Wert gebracht werden, der dem Konvergenzwinkel entspricht, der für die Betrachtung eines 3D-Objektes eingestellt ist.A specific design can consist of placing the microlenses or another layer of lenses, e.g. Fresnel lenses, in a "magnifying glass configuration" above the pixels above the luminous pixel arrangement, i.e. H. the distance between the microlenses or the further layer of lenses and the luminous pixels is chosen to be close to the focal length of the lenses (typically just below it), which means that the luminous pixels are enlarged to the viewer and appear at a slightly greater distance and thus with a lower accommodation capacity the eyes are perceived as sharp. In this way, the accommodation performance of the eyes can be brought close to the value that corresponds to the angle of convergence that is set for viewing a 3D object.
Dieser Ansatz eignet sich insbesondere für Monitore ab einer Breite des typischen Augenabstandes, also z. B. auch für Rückspiegel, Seitenspiegel, Rear-seat-Entertainment-Monitor eines Kraftfahrzeugs und ganz allgemein für Handheld-Devices, bei denen, wegen des kurzen Betrachtungsabstands, der VAC-Effekt für weit entfernte 3D-Objekte sonst deutlich wahrnehmbar ist und daher eine Korrektur der beschriebenen Art erforderlich ist. Damit kann ein realistisches Fenster in die Welt dargestellt werden, was eine Augmentierung von 3D-Inhalten gegen die reale Umwelt ermöglicht.This approach is particularly suitable for monitors from a width of the typical eye relief, so z. B. also for rear-view mirrors, side mirrors, rear-seat entertainment monitors of a motor vehicle and in general for handheld devices, where the VAC effect for distant 3D objects is otherwise due to the short viewing distance is clearly perceptible and therefore a correction of the type described is necessary. This allows a realistic window into the world to be displayed, which enables 3D content to be augmented against the real environment.
Dazu kann z. B. mittels einer gleichzeitigen Auswertung einer in die Umwelt gerichteten Kamera (z. B. einer nach vorne gerichteten Handykamera) und einer zweiten Kamera, die den Betrachter erfasst (z. B. einer zum Benutzer gerichteten Handykamera) das Alignment der realen Welt auf die im Display sichtbare 3D-Welt hergestellt werden.For this purpose z. B. by means of a simultaneous evaluation of a camera facing the environment (z. B. a forward facing cell phone camera) and a second camera that records the viewer (z. B. a cell phone camera facing the user) the alignment of the real world to the 3D world visible in the display can be produced.
Ferner können damit auch große Monitore nah am Auge betrieben werden, z. B. Simulatoren für Montageprozesse, z. B. für die Schulung von Handarbeiten näher als ca. 80 cm vor dem Auge. Dieser Ansatz erlaubt es auch für weitsichtige Personen, z. B. ältere Menschen, ein entsprechend ausgelegtes Handheld-Display in geringer Distanz auch ohne Lesebrille entspannt zu lesen.It can also be used to operate large monitors close to the eye, e.g. B. simulators for assembly processes, e.g. B. for the training of needlework closer than approx. 80 cm in front of the eye. This approach also allows for far-sighted people, e.g. B. older people to read a suitably designed handheld display at a short distance without reading glasses relaxed.
Die Leuchtpixelanordnung kann ferner eine der jeweiligen autostereoskopischen Anzeigefläche zugeordnete Eye-Tracking-Einrichtung aufweisen, die zum Erfassen einer aktuellen Betrachterposition ausgebildet ist, und das Verteilen der zwei für beide Augen des Betrachters bereitgestellten Einzelbilder über die Leuchtpixelanordnung abhängig von der erfassten Betrachterposition durchgeführt werden, um eine zur Betrachtung der autostereoskopischen 3D-Anzeige optimale Position der aktuellen Augenposition des Betrachters in an sich bekannter Weise nachzuführen.The luminous pixel arrangement can also have an eye tracking device assigned to the respective autostereoscopic display surface, which is designed to detect a current observer position, and the two individual images provided for both eyes of the observer can be distributed over the luminous pixel arrangement depending on the detected observer position to track an optimal position for viewing the autostereoscopic 3D display of the current eye position of the viewer in a manner known per se.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung (vgl.
- - die mehreren autostereoskopischen Anzeigeflächen derart relativ zueinander angeordnet sind, dass alle n Betrachter in den jeweils zugehörigen Anzeigeflächen dargestellte 3D-Bildszenen gleichzeitig betrachten können,
- - wobei insbesondere zumindest zeitweise eine für alle n Betrachter gleiche 3D-Bildszene durch jede der mehreren Anzeigeflächen dargestellt wird. Die obigen technischen Details der Realisierung der Darstellung einer und derselben 3D-Bildszene können dabei insbesondere abhängig von individuellen Betrachterparametern der obigen Art, wie z. B. dem Augenabstand und/oder der Betrachterposition, unterschiedlich sein.
- the multiple autostereoscopic display surfaces are arranged relative to one another in such a way that all n viewers can simultaneously view 3D image scenes displayed in the respective associated display surfaces,
- - wherein in particular at least temporarily a 3D image scene that is the same for all n viewers is displayed by each of the multiple display surfaces. The above technical details of the implementation of the representation of one and the same 3D image scene can be particularly dependent on individual viewer parameters of the above type, such as, for. B. the interpupillary distance and / or the observer position, be different.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuerungseinheit für eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, vorgesehen, wobei die 3D-Anzeigevorrichtung mindestens eine autostereoskopische Anzeigefläche mit einer zweidimensionalen Leuchtpixelanordnung und einer zugehörigen Richtungs- oder Ablenkanordnung, die zum Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen auf dem Weg zu den Augen eines Betrachters ausgebildet ist, aufweist, und wobei die Steuerungseinheit zum automatischen Durchführen eines Verfahrens der hierin dargelegten Art ausgebildet ist.According to a further aspect, a control unit for an autostereoscopic 3D display device, in particular for a motor vehicle or a driving simulator, is provided, the 3D display device having at least one autostereoscopic display surface with a two-dimensional luminous pixel arrangement and an associated directional or deflection arrangement that is used for directing / deflecting is formed of light beams of different light pixels in different directions on the way to the eyes of a viewer, and wherein the control unit is designed to automatically carry out a method of the type set forth herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches in die genannte Steuerungseinheit ladbar ist und Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch die genannte Steuerungseinheit oder einen Computer diese/diesen veranlassen, das Verfahren der hierin dargelegten Art auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein maschinenlesbarer Datenträger vorgesehen, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist.According to a further aspect, a computer program is provided which can be loaded into said control unit and comprises commands which, when the computer program is executed by said control unit or a computer, cause it to execute the method of the type set out herein. According to a further aspect, a machine-readable data carrier is provided on which such a computer program is stored.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder einen Fahrsimulator, vorgesehen, umfassend:
- - mindestens eine autostereoskopische Anzeigefläche mit einer zweidimensionalen Leuchtpixelanordnung, die zur Erzeugung von Bildpunkten ausgebildet ist, und einer zugehörigen Richtungs- oder Ablenkanordnung, die zum Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen auf dem Weg zu den Augen eines Betrachters ausgebildet ist;
- - eine Bilderzeugungseinheit, die zum Bereitstellen zweier unterschiedlicher Einzelbilder für die zwei Augen des Betrachters, die zwei entsprechend verschiedene Perspektiven einer darzustellenden 3D-Bildszene wiedergeben, ausgebildet ist; und
- - eine Bildpunktzuordnungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die zwei Einzelbilder derart auf die einzelnen Leuchtpixel der Leuchtpixelanordnung zu verteilen, dass durch das Richten/Ablenken von Lichtstrahlen unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen das für das linke Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein linkes Auge sichtbar ist, während das für das rechte Auge des Betrachters bestimmte Einzelbild für sein rechtes Auge sichtbar ist;
- - derart dass für unendlich weit entfernt darzustellende Objekte der 3D-Bildszene ein Einzelbildabstand zwischen einander entsprechenden Bildpunkten der zwei Einzelbilder in der Leuchtpixelanordnung einem vorbestimmten Augenabstand des Betrachters entspricht.
- - At least one autostereoscopic display surface with a two-dimensional luminous pixel arrangement, which is designed to generate image points, and an associated directional or deflection arrangement, which is designed to direct / deflect light beams of different luminous pixels in different directions on the way to the eyes of a viewer;
- an image generation unit which is designed to provide two different individual images for the two eyes of the viewer, which reproduce two correspondingly different perspectives of a 3D image scene to be displayed; and
- A pixel assignment unit which is set up to distribute the two individual images to the individual light pixels of the light pixel arrangement in such a way that the individual image intended for the viewer's left eye is visible to his left eye by directing / deflecting light beams from different light pixels in different directions , while the individual image intended for the viewer's right eye is visible to his right eye;
- - in such a way that for objects of the 3D image scene to be displayed infinitely far away The individual image distance between corresponding image points of the two individual images in the luminous pixel arrangement corresponds to a predetermined eye distance of the observer.
Insbesondere kann eine solche autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung ferner eine Steuerungseinheit umfassen, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Bilderzeugungseinheit und die Bildpunktzuordnungseinheit zum automatischen Durchführen eines Verfahrens der hierin dargelegten Art anzusteuern.In particular, such an autostereoscopic 3D display device can furthermore comprise a control unit which is designed and set up to control the image generation unit and the image point assignment unit for automatically performing a method of the type set forth herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug oder Fahrsimulator vorgesehen, das/der eine solche autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung aufweist, deren autostereoskopische Anzeigefläche sich insbesondere in, an oder entlang einer Oberfläche einer Instrumententafel, eines Innenspiegels, eines Seitenspiegels, einer Sonnenblende und/oder einer A-Säule des Kraftfahrzeugs erstreckt. Eine spezielle Anwendung im Kraftfahrzeug kann dabei die heutigen Funktionen des Rückspiegels, Seitenspiegels (je dann auch augmentierbar), eines Rear-Seat-Entertainments und möglicher zukünftiger Funktionen wie „durchsichtiges“ und augmentierbares Sonnenblenden-Display, „durchsichtige“ A-Säule u. ä. umfassen. Im Falle eines Rückspiegels/Seitenspiegels könnte eine heutige spiegelnde Glasoberfläche schaltbar ausgestaltet sein, um wahlweise den Blick auf die Rückspiegel/Seitenspiegel-3D-Anzeigevorrichtung freizugeben.According to a further aspect, a motor vehicle or driving simulator is provided which has such an autostereoscopic 3D display device, the autostereoscopic display area of which is located in, on or along a surface of an instrument panel, an interior mirror, a side mirror, a sun visor and / or an A. -Pillar of the motor vehicle extends. A special application in the motor vehicle can be the current functions of the rear-view mirror, side mirror (which can also be augmented), rear-seat entertainment and possible future functions such as "transparent" and augmentable sun visor display, "transparent" A-pillar and the like . include. In the case of a rear-view mirror / side mirror, a present-day reflective glass surface could be configured to be switchable in order to optionally reveal the view of the rear-view mirror / side-mirror 3D display device.
FigurenlisteFigure list
Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematisch, sie sind insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen. Ähnliche oder einander entsprechende Elemente sind darin mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Draufsicht auf eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung; -
2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung; -
3a einen Blick von der Seite auf die Anzeigefläche einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung im Betrieb; -
3b einen Blick von der Betrachterposition aus auf die Anzeigefläche der autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung der3a ; -
4a eine schematische Draufsicht auf eine als Innenspiegel eines Kraftfahrzeugs verwendete autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung; -
4b eine weitere schematische Draufsicht der autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung der4a mit visualisiertem Field-of-View (FoV) des Betrachters; und -
5 eine schematische Draufsicht auf eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung, die für mehrere Betrachter ausgelegt ist.
-
1 a schematic plan view of an autostereoscopic 3D display device according to the invention in comparison with a conventional autostereoscopic 3D display device; -
2 a flowchart of an operating method for an autostereoscopic 3D display device according to the invention; -
3a a view from the side of the display surface of an autostereoscopic 3D display device according to the invention in operation; -
3b a view from the observer's position of the display surface of the autostereoscopic 3D display device of FIG3a ; -
4a a schematic plan view of an autostereoscopic 3D display device according to the invention used as an interior mirror of a motor vehicle; -
4b a further schematic top view of the autostereoscopic 3D display device of FIG4a with visualized field-of-view (FoV) of the observer; and -
5 a schematic plan view of an autostereoscopic 3D display device according to the invention, which is designed for multiple viewers.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Alle weiter oben und nachfolgend in der Beschreibung und den Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Varianten und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale des Betriebsverfahrens für eine autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung, der Steuerungseinheit, des Computerprogramms, der autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung und des Kraftfahrzeug oder Fahrsimulators gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den
Die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine autostereoskopische Anzeigefläche
Die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung 1 umfasst ferner
- - eine Bilderzeugungseinheit (nicht gezeigt), die zum Bereitstellen zweier unterschiedlicher Einzelbilder
4L und4R für die zwei AugenAL undAR desBetrachters 3 , die zwei entsprechend verschiedene Perspektiven einer darzustellenden 3D-Bildszene 20 wiedergeben, ausgebildet ist; und - - eine Bildpunktzuordnungseinheit (nicht gezeigt), die dazu eingerichtet ist, die zwei Einzelbilder
4L und4R derart auf die einzelnen Leuchtpixel der Leuchtpixelanordnung zu verteilen, dass durch das Richten/Ablenken von LichtstrahlenL unterschiedlicher Leuchtpixel in unterschiedliche Richtungen das für das linke AugeAL des Betrachters 3 bestimmte Einzelbild4L für sein linkes AugeAL sichtbar ist, während das für das rechte AugeAR desBetrachters 3 bestimmte Einzelbild4R für sein rechtes AugeAR sichtbar ist.
- - An image generation unit (not shown) which is used to provide two different
individual images 4L and4R for the two eyesAL andAR of theviewer 3 which reproduce two correspondingly different perspectives of a3D image scene 20 to be displayed is formed; and - an image point allocation unit (not shown) which is set up to process the two
individual images 4L and4R to distribute to the individual light pixels of the light pixel arrangement that by directing / deflecting light beamsL. different light pixels in different directions for the left eyeAL of theviewer 3 certain frame 4L for his left eyeAL while that is visible to the right eyeAR of theviewer 3 certain frame 4R for his right eyeAR is visible.
Die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung 1 umfasst ferner eine der autostereoskopischen Anzeigefläche
Schließlich umfasst die autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung 1 in diesem Beispiel eine Steuerungseinheit
Nach Beginn des Verfahrens (beispielsweise durch das Einschalten der Vorrichtung
Beim nächsten Schritt S2 werden die beiden so erzeugten Einzelbilder
Eine derartige Abhängigkeit des Konvergenzwinkels
Die beim Schritt S2 wie beschrieben erzeugte Abhängigkeit des Konvergenzwinkels
- So zeigt
3a einen Blick von der Seite auf dieAnzeigefläche 2 einer autostereoskopischen 3D-Anzeigevorrichtung 1, z. B. gemäß1 rechts, im Betriebsmodus gemäß der Erfindung. Die Einzelbildabständex1 ,x2 undx3 zwischen einander entsprechenden Bildpunkten der zwei Einzelbilder4L und4R in der Leuchtpixelanordnung betragen in diesem Beispiel
- - für sehr weit entfernte Objekte
7 (wie das am Horizont verschwindende Straßenende in3a) den vorbestimmten Wertd des Augenabstands, hier x1 = d= 6,5 cm; - - für ein nahes Objekt
8 (in3a ein Schild mit Beschriftung „5m“, d. h. ineiner Entfernung von 5 m zum Auge des Betrachters) einen deutlich geringeren Wert von etwa x2 = 3,5 cm; - - für ein dazwischen liegendes Objekt
9 (in3a ein Schild mit Beschriftung „3D Justage, 23m“, d. h. ineiner Entfernung von 23 m zum Auge des Betrachters) einen dazwischen liegenden Wert von etwa x3 = 5 cm.
- So shows
3a a view from the side of thedisplay area 2 an autostereoscopic3D display device 1, e.g. B. according to1 right, in the operating mode according to the invention. The frame spacingx1 ,x2 andx3 between corresponding image points of the twoindividual images 4L and4R in the luminous pixel arrangement are in this example
- - for very distant objects
7th (like the end of the road disappearing on the horizon in3a) the predetermined valued the interpupillary distance, here x1 = d = 6.5 cm; - - for a close object
8th (in3a a sign with the inscription “5m”, ie at a distance of 5 m from the beholder's eye) a significantly lower value of about x2 = 3.5 cm; - - for an object in between
9 (in3a a sign with the inscription "3D Adjustment, 23m", ie at a distance of 23 m from the beholder's eye) an intermediate value of about x3 = 5 cm.
Der bei diesem Vorgehen auftretende „senkrechte schwarze Streifen“ im rechten Einzelbild
Das Verfahren kann nach Schritt S2 enden oder aber (beispielsweise abhängig von einer geeigneten Bedingung, wie z. B. der mittels der obigen Eye-Tracking-Einrichtung
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung3D autostereoscopic display device according to the invention
- 100100
- autostereoskopische 3D-Anzeigevorrichtung nach Stand der TechnikPrior art autostereoscopic 3D display device
- 22
- autostereoskopische Anzeigeflächeautostereoscopic display area
- 33
- BetrachterViewer
- 4L4L
- für das linke Auge des Betrachters bestimmtes EinzelbildIndividual image intended for the left eye of the viewer
- 4R4R
- für das rechte Auge des Betrachters bestimmtes EinzelbildIndividual image intended for the viewer's right eye
- 55
- Eye-Tracking-EinrichtungEye tracking facility
- 66th
- SteuerungseinheitControl unit
- 77th
- sehr oder unendlich weit entfernt darzustellendes ObjektObject to be represented very or infinitely far away
- 88th
- nah zum Betrachter darzustellendes Objektobject to be displayed close to the viewer
- 99
- ein dazwischenliegendes Objekt der darzustellenden 3D-Bildszenean intermediate object of the 3D image scene to be displayed
- 1010
- InnenspiegelInside mirror
- 1111
- Kamera zur Erfassung der Umwelt hinter dem KraftfahrzeugCamera for recording the environment behind the motor vehicle
- 1212
- Mikrolinsen-ArrayMicrolens array
- 2020th
- 3D-Bildszene3D image scene
- LL.
- Lichtstrahlen der LeuchtpixelRays of light from the luminous pixels
- DD.
- Anzeigeflächenabstand vom BetrachterDistance of display surface from viewer
- ALAL
- linkes Auge des Betrachtersleft eye of the beholder
- ARAR
- rechtes Auge des Betrachtersright eye of the beholder
- dd
- Augenabstand des BetrachtersEye relief of the viewer
- αα
- KonvergenzwinkelConvergence angle
- OxOx
- Offset von x-Pixeln in horizontaler OffsetrichtungOffset of x-pixels in the horizontal offset direction
- x1, x2, x3x1, x2, x3
- Einzelbildabstände verschiedener Objekte der darzustellenden 3D-Bildszene in der LeuchtpixelanordnungIndividual image distances of various objects of the 3D image scene to be displayed in the luminous pixel arrangement
- FoVFoV
- Field-of-ViewField of View
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102009054232 A1 [0012]DE 102009054232 A1 [0012]
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DE102019118985.3A DE102019118985A1 (en) | 2019-07-12 | 2019-07-12 | 3D autostereoscopic display device and method of operating it |
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