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Head-up-Displays für den Einsatz
in Kraftfahrzeugen werden heute mit Spiegel- oder Linsenoptiken
realisiert. Diese Displays, die nur mit relativ geringen maximalen
Betrachtungswinkeln realisiert werden können, werden benutzt zur Anzeige
von
- – Betriebszuständen,
- – Informationen
im Zusammenhang mit Fahrerinformationssystemen und
- – für Night-Vision-Systeme.
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In einer Night-Vision-Anwendung erscheint am
unteren Rand der Windschutzscheibe ein ca. 20 cm × 7 cm großes Bild,
das die von einer Infrarotkamera aufgenommene Szene virtuell in
einem Abstand von etwa drei Metern darstellt. Nachteil dieser Anordnung
ist, dass der Blick des Fahrers zwischen Wirklichkeit und Display
alternieren muss und der Fahrer von der Beobachtung des wirklichen
Verkehrsgeschehens abgelenkt wird.
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Für
Night-Vision-Systeme wird deshalb eine sogenannte kontaktanaloge
Darstellung angestrebt, bei der das eingeblendete Bild mit der Wirklichkeit
zur Deckung gebracht werden muß.
Dazu ist ein Display mit einem wesentlich größeren Betrachtungswinkel erforderlich,
als mit herkömmlichen
Mitteln erzielt werden kann.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, bei einer Anzeigeanordnung, insbesondere einem
Head-up-Display, für
ein Fahrzeug eine kontaktanaloge Darstellung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den
unabhängigen
Ansprüchen
angegebenen Erfindungen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer Anzeigeanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere
ein Automobil, wird einem Betrachter eine Anzeige angezeigt. Diese
Anzeige kann beispielsweise ein Bild, insbesondere ein Infrarotbild, eine
Instrumentendarstellung oder eine anzuzeigende Information eines
Fahrerinformationssystems sein. Durch den Abstand der Augen des
Betrachters der Anzeigeanordnung bzw. des Fahrzeuges voneinander
entsteht beim Betrachten der Anzeige eine Parallaxe, da durch die
beschränkte
räumliche
Umgebung in einem Fahrzeug die Anzeige durch die Anzeigeanordnung
nicht im Unendlichen angezeigt werden kann. Die Anzeigeanordnung
verfügt
nunmehr über
Mittel zur Veränderung
der Parallaxe, durch die diese Parallaxe gegenüber der sonst durch den optischen
Pfad gegebenen Parallaxe verändert
ist.
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Um eine Darstellung im Unendlichen
zu ermöglichen,
durch die verhindert werden kann, dass der Betrachter beim Betrachten
der sich in der Windschutzscheibe spiegelnden Anzeige zwischen der Anzeige
und der hinter der Windschutzscheibe befindlichen Außenwelt
hin und her wechseln muss, sind die Mittel zur Veränderung
der Parallaxe Mittel zur Reduzierung der Parallaxe. Durch sie wird
die Parallaxe vorzugsweise ganz zu Null gemacht, so dass sich für den Betrachter
in der Parallaxe kein Unterschied mehr zwischen dem Betrachten der
Außenwelt
durch die Windschutzscheibe und der über die Windschutzscheibe dargestellten
Anzeige ergibt. Die Anzeige erscheint ihm also im Unendlichen. Die
Parallaxe kann auch nur insoweit reduziert werden, dass sich das
Bild in einer endlichen, als angenehm wahrgenommenen Entfernung
ergibt.
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Die Parallaxe lässt sich beispielsweise verändern, indem
die Mittel zum Verändern
der Parallaxe Mittel zum Aufteilen der Anzeige in zwei identische oder
zumindest im Wesentlichen identische Anzeigen aufweisen und zwar
in eine Anzeige für
das rechte Auge und eine Anzeige für das linke Auge. Darüber hinaus
enthalten sie zu dem genannten Zweck Mittel, mit denen die Anzeige
für das
rechte Auge nur dem rechten Auge dargestellt wird und die Anzeige für das linke
Auge nur dem linken Auge. Damit sich eine Veränderung der Parallaxe ergibt,
ist es dabei wesentlich, dass die Anzeigen für das rechte bzw. das linke
Auge gegeneinander verschoben sind. Um die Anzeige in einen größeren als
den physikalischen Abstand vom Betrachter zu bringen, muß die Anzeige für das rechte
Auge nach rechts und die Anzeige für das linke Auge nach links
verschoben werden. Entspricht die Verschiebung dem Augenabstand,
so erscheint die Anzeige im Unendlichen. Ist sie kleiner, aber größer als
Null, entsteht immer noch der Eindruck, dass die Anzeige weiter
entfernt ist, als sie tatsächlich
ist. Wird aber die Anzeige für
das rechte Auge nach links und die für das linke Auge nach rechts
verschoben, so erscheint die Anzeige näher als sie tatsächlich ist.
Dies kann nützlich
sein, wenn man etwa beim Einsteigen ein Warnsignal zum Anlegen des
Gurtes direkt auf der Windschutzscheibe erscheinen lassen will.
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Zum Aufteilen der Anzeige in eine
Anzeige für
das rechte Auge und eine Anzeige für das linke Auge für eine Reduzierung
der Parallaxe weist die Anzeigeanordnung vorzugsweise Mittel zum
Duplizieren der Anzeige und Mittel zum Rastern der Anzeige auf.
Dies kann beispielsweise durch zwei Projektoren und eine im optischen
Pfad angeordnete Rasterplatte erfolgen. Unter praktischen Gesichtspunkten
wird man die Anzeige jedoch eher durch geeignete Ansteuerung eines
Monitors, TFT-Displays und/oder Projektors erzeugen, der bzw. das
die Anzeige dann gleich gerastert darstellen kann. Hierbei kann
ein durch die Konstruktion beispielsweise der Lochmaske des Monitors
oder des TFT-Displays gegebenes, senkrecht zur Verbindungslinie der
Augen verlaufendes Raster als Mittel zum Rastern benutzt werden.
Alternativ lässt
sich aber auch ein über
diese physikalischen Gegebenheiten hinaus gehendes, breiteres Streifenraster
erzeugen. Das Duplizieren kann mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoft-
und/oder Hardware geschehen.
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So sind durch die Mittel zum Rastern
der Anzeige und die Mittel zum Duplizieren der Anzeige zwei gleiche,
das heißt
identische oder im Wesentlichen identische, Streifensätze erzeugbar,
in denen die Anzeige jeweils in vertikale Bildstreifen zerteilt
ist.
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Danach werden die beiden Streifensätze durch
die Anzeigeanordnung dann um und/oder auf in etwa den Abstand der
Augen gegeneinander verschoben und alternierend zusammengesetzt.
Dadurch ist die Anzeige mit paarweise ineinander gerasterten, vertikalen
Bildstreifen darstellbar.
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Vorteilhaft weist die Anzeigeanordnung
Mittel zur augenselektiven Darstellung der Anzeige auf. Dadurch
ist es möglich,
dass die Anzeige für
das rechte Auge nur dem rechten Auge und die Anzeige für das linke
Auge nur dem linken Auge dargestellt wird.
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Die Mittel zur augenselektiven Darstellung können beispielsweise
ein Linsenraster bzw. Lentikular sein oder enthalten. Das Linsenraster
kann beispielsweise aus Zylinderlinsen bestehen, die nebeneinander
angeordnet sind und in etwa vertikal verlaufen, also senkrecht zur
Verbindungslinie der Augen des Betrachters und Verschiebungsrichtung
der Streifensätze
gegeneinander.
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Das Linsenraster ist so vor dem Anzeigemittel,
also dem Monitor, TFT-Display oder der Mattscheibe eines Projektors,
angeordnet, dass vorzugsweise jeweils einer Zylinderlinse ein Bildstreifenpaar zugeordnet
ist.
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Um neben einem Ausgleich der Parallaxe auch
gleich ein scharfes Wahrnehmen der Anzeige zu ermöglichen,
wenn die Augen des Betrachters auf das Unendliche scharf gestellt
sind, können
Anzeigemittel und Linsenraster so gegenüber einander angeordnet sein,
dass sich das Anzeigemittel im Brennpunkt der Linsen des Linsenrasters
befindet. Alternativ oder ergänzend
können
zum Scharfstellen aber auch zusätzlich
Linsen oder optische Geräte
verwendet werden.
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Zum Ausgleich von horizontalen Kopfbewegungen
weist die Anzeigeordnung Mittel zur Messung der Augenposition des
Betrachters auf. Die gemessene Augenposition des Betrachters wird
dann zur Steuerung der Mittel zur Veränderung der Parallaxe verwendet,
so dass sich unabhängig
von der Augenposition immer eine korrekte, in etwa konstante Veränderung
ergibt.
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Dazu weist die Anzeigeanordnung Mittel
zur Verschiebung der Anzeige entsprechend der Kopfbewegung des Betrachters
auf, so dass die kontaktanaloge Darstellung erhalten bleibt.
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Eine Verschiebung der Anzeige kann
beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Mittel zum Anzeigen
der Anzeige und die Mittel zur augenselektiven Darstellung entsprechend
der Kopfbewegung des Fahrers verschoben werden.
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Alternativ oder ergänzend wird
die Anzeige auf den Mitteln zum Anzeigen der Anzeige entsprechend
der Kopfbewegung des Fahrers verschoben, indem einfach das die Anzeige
darstellende Bild auf dem Monitor, Flachbildschirm etc. verschoben
wird. Dabei muss dann die Anzeige jeweils an die Rasterung des Linienrasters
angepasst werden.
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Bei einem Verfahren zum Anzeigen
einer Anzeige in einem Fahrzeug wird einem Betrachter die Anzeige
angezeigt, wobei durch den Abstand der Augen des Betrachters voneinander
beim Betrachten der Anzeige eine Parallaxe entsteht. Die Parallaxe ist und/oder
wird durch Mittel zur Veränderung
der Parallaxe verändert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog
zu den vorteilhaften Ausgestaltungen der Anordnung.
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Weitere wesentliche Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich durch die Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
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1 ein
Head-up-Display,
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2.1 ein
Erzeugen, Verschieben und Ineinanderfügen von Bildstreifen;
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2.2 ein
alternatives Erzeugen, Verschieben und Ineinanderfügen von
Bildstreifen;
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3 das
Anzeigen eines parallaxenfreien Bildes und
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4 zwei
alternative Linsenraster.
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In 1 erkennt
man, dass ein großflächiges Display
D auf der Oberseite eines Armaturenbrettes angeordnet ist. Das Spiegelbild
des Displays D erscheint in der Windschutzscheibe W. Der gewünschte große Betrachtungswinkel
kann durch Verwendung eines Displays von ausreichendem Format erreicht
werden.
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Eine Parallaxe wird durch den Winkel
von zwei Geraden gegeben, die von verschiedenen Standpunkten auf
einen Punkt gerichtet sind. Im vorliegenden Fall werden die zwei
Geraden durch die Linie vom rechten Auge zu einem Punkt auf der
Anzeige und die Linie vom linken Auge zum Punkt auf der Anzeige
gebildet.
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Um die Parallaxe zu verändern und
beispielsweise ein anzuzeigendes Bild virtuell in eine größere Entfernung
zu projizieren, wird eine Anordnung verwendet, die auf dem Rasterverfahren
zur Darstellung stereoskopischer Bilder basiert. Dieses Prinzip
ist in einer gegenüber
der stereoskopischen Anordnung vereinfachten Form in den 2.1, 2.2 und 3 wiedergegeben.
Zum besseren Verständnis
ist zusätzlich
die Spiegelung an der Windschutzscheibe weggelassen.
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Im Folgenden wird beschrieben, wie
das darzustellende Infrarotbild B verarbeitet wird, um einen parallaxenfreien
Bildeindruck beim Betrachten der Außenwelt durch die Windschutzscheibe
zu erhalten.
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Die erforderliche Bildbearbeitung
wird hier exemplarisch für
zwei verschiedene Möglichkeiten des
Vorgehens systematisch beschrieben, was nicht ausschließt, dass
nicht noch weitere Möglichkeiten existieren,
die zum selben Ergebnis führen.
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Gemäß 2.1a wird das Infrarotbild B in vertikale, äquidistante
Streifen S1, S2 ... Sn der Spaltenbreite S zerteilt. Dabei bestehen
die Streifen aus mindestens zwei Linien bzw. Pixelspalten des abgespeicherten
Bildinhalts des Anzeigemittels oder einem anderen ganzzahligen Vielfachen
der Linien. Der so erzeugte Streifensatz BR wird dupliziert und die
entstandenen Streifensätze
BR-L mit dem Bildstreifen SL1, SL2,... und BR-R mit den Bildstreifen SR1,
SR2,... werden auf einen Abstand V, der etwa dem Augenabstand entspricht,
horizontal, also in Richtung der Verbindungslinie der Augen verschoben.
Dies ist in 2.1b dargestellt.
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Anschließend werden diese Streifensätze alternierend
wieder zusammengesetzt, so dass ein doppelt so breites Rasterbild
BR-LR entsteht, das in 2.1c gezeigt
ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Abstand V der Streifensätze
gegeneinander das dreifache der Spaltenbreite S.
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Damit das Gesamtbild wieder die Ausgangsgröße erhält, wird
das Rasterbild BR-LR horizontal um den Faktor 2 gestaucht, indem
von jeweils jeder Spalte SL1,..., SLn bzw. SR1,..., SRn nur die
beispielsweise linke Hälfte
der Bildinhalte, also s11, s12,... bzw. sr1, sr2,... verwendet wird.
Auf diese Weise entsteht aus dem Infrarotbild B ein zusammengesetztes
Rasterbild BR-lr mit gegenüber
dem Vollbild halbierter Auflösung,
da das linke und rechte Teilbild BR-1 bzw. BR-r 50% des Informationsgehaltes
verloren haben. Dies ist in 2.1d dargestellt.
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Der Verlust an Informationsgehalt
dürfte
für das
Verfahren keine wesentlichen Einschränkungen bedeuten, da das originale
Infrarotbild ohnehin keine hohe Auflösung besitzt und der Bildeindruck
durch weitere Verfahren der Bildverarbeitung nachbearbeitet werden
kann. Statt eines nachträglichen
Stauchens kann natürlich
auch das Ausgangsbild vor dem Zerteilen schon entsprechend bearbeitet
sein.
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In einer alternativen Anordnung bzw.
einem alternativen Verfahren wird das Infrarotbild B, wie in 2.2a dargestellt, in vertikale, äquidistante
Streifen s1, s2,... sn der Spaltenbreite s zerteilt. Dabei entsprechen
diese Streifen Idealerweise genau der Linien- bzw. Pixelbreite der
Bildspalten des abgespeicherten Bildinhaltes des CRT. Der Streifensatz
BR wird dupliziert und die entstandenen Streifensätze BR-1
mit s11, s12,... und BR-r mit sr1, sr2, ... werden um einen Abstand
V, der etwa dem Augenabstand entspricht, horizontal, also in Richtung
oder in etwa in Richtung der Verbindungslinie der Augen verschoben,
wie dies in 2.2b dargestellt
ist. Anschließend
werden die Streifensätze
unter Auslassung der zum Beispiel jeweils geradzahligen Bildspalten
gemäß 2.2c alternierend wieder
zusammengesetzt, so dass das Rasterbild BR-lr entsteht. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
besteht dies aus den Streifen sr1, s17, sr3, s19 usw.
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Das auf dies Weise entstandene Bild
BR-lr hat gegenüber
dem vollen Infrarotbild B wiederum nur die halbe Bildauflösung. Aus
den beim letzten Beispiel geschilderten Gründen wirkt sich das aber nicht
oder kaum nachteilhaft aus.
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Auf dem Rasterbild BR-lr wird, wie
in 3 dargestellt, ein
Linsenraster in Form einer Strukturplatte SP in einer Weise angeordnet,
dass das linke Auge des Betrachters nur das linke Teilbild BS-1
und das rechte Auge des Betrachters nur das rechte Teilbild BS-r
sieht. Es wird also eine vollständige
Bildtrennung erreicht. Die beiden Teilbilder setzen sich für den Betrachter
so wieder zu einem Vollbild zusammen.
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Wird die beschriebene Bildanordnung
innen an der Windschutzscheibe gespiegelt, so kann der Betrachter
das Vollbild durch die Windschutzscheibe hindurch sehen. Sind die
Bilder nebeneinander in einem Abstand angeordnet, der gerade dem
Augenabstand entspricht, so erscheint das Bild im Unendlichen. Wählt man
den Abstand kleiner, so erscheint das Bild näher. Durch geeignete Wahl des
Abstandes lässt
sich somit das Bild virtuell in die gewünschte Entfernung bringen.
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Die Strukturplatte SP kann, wie im
Beispiel der 3 gezeigt,
ein fotolithografisch erzeugtes vertikales Streifenmuster sein oder
durch zylinderförmige,
senkrecht parallel verlaufende Rasterlinsen gebildet werden.
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In 4 ist
eine geeignete bikonvexe Rasterlinse RB und eine plankonkave Rasterlinse
RP gezeigt. Die Strukturplatte ist in einem kleinen, vorzugsweise
nur Bruchteile eines Millimeter betragenden Abstand über dem
Bildschirm angeordnet, so dass das zerlegte Infrarotbild in der
Brennebene der Zylinderlinsen zu liegen kommt. Die plankonvexe Rasterlinse
kann vorzugsweise ganz auf dem Bildschirm aufliegen.
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Der Betrachter sieht mit dem rechten
Auge das rechte und mit dem linken Auge das linke Bild. Dieses Verfahren
funktioniert so lange die Augen des Fahrers bezüglich seitlicher Bewegung in
einem engen Bereich von einigen Millimetern bleiben. Eine horizontale
Bewegung der Augen ist dabei unkritisch.
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Bewegen sich die Augen durch Kopfbewegung
in seitlicher Richtung, so muss, damit die Bedingung für eine kontaktanaloge
Darstellung erhalten bleibt, entweder die Gesamtanordnung bestehend aus
Display und Strukturplatte oder das Bild auf dem Display verschoben
und an die Rasterung der Strukturplatte wieder angepasst werden.
Idealerweise geschieht die Verschiebung des Bildes relativ zum Display
nur in diskreten Schritten, das heißt in ganzzahligen Vielfachen
der Rasterung 2b, damit sich die beiden Teilbilder B-SL
und B-SR optimal überlagern.
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Es wird vorgeschlagen, diese Verschiebung zu
automatisieren, indem man die Augenposition des Fahrers laufend
mit einem Positionssensor, vorzugsweise einer Innenraumkamera erfasst
und diese Information zur Steuerung verwendet. Die Verschiebung
des Bildes kann entweder softwaretechnisch durch Bildverschiebung
auf dem Display oder auch mechanisch durch Verschiebung der gesamten
Anordnung erfolgen.
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Die Infrarotkamera sollte möglichst
nahe am Kopf des Fahrers angebracht werden. Eine bevorzugte Position
ist der Innen- oder
Außenrückspiegel. In
ersterem Fall muß aber
ein Infrarot-durchlässiger Bereich
in der Windschutzscheibe vorgesehen sein. In jedem Fall ist eine
Bildentzerrung vorzusehen, um die kontaktanaloge Darstellung möglichst
fehlerfrei zu erreichen. Eine Bildentzerrung ist ferner für die durch
die Wölbung
der Windschutzscheibe bedingten Verzerrungen erforderlich.
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Darüber hinaus kann das originale
Infrarotbild mittels Bildverarbeitung so verändert werden, dass ein optimaler Bildeindruck
bei der Überlagerung des
realen Bildeindrucks des Fahrers mit dem Infrarotbild entsteht.
Hierzu eignen sich bekannte Algorithmen zur Kontrast- und Helligkeitsregelung,
Konturverstärkung,
Rauschunterdrückung
usw.
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Durch die Erfindung können einem
Autofahrer bei Dunkelheit oder schlechten Sichtverhältnissen Informationen über Hindernisse
wie beispielsweise Fußgänger, Radfahrer
usw. angezeigt werden, ohne dass er in seiner Konzentration auf
das Fahrgeschehen abgelenkt wird. Dies gelingt mit der beschriebenen
Anordnung in einer Weise, die zu einer deckungsgleichen, kontaktanalogen Überlagerung
eines wirklichen Bildes der Außenwelt
aus der Perspektive des Autofahrers mit den Zusatzbildinformationen
einer Infrarotkamera führt.
Die Erfindung nutzt weitgehend vorhandene Einrichtungen des Fahrzeuges
und vermeidet Eingriffe, die die Aufmerksamkeit des Autofahrers
stören
könnten.
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Dazu werden das Display und die Strukturplatte
im oberen Bereich des Armaturenbretts angebracht. Die Windschutzscheibe
dient als vorhandener Spiegel für
die Einblendung der Bildinformation. Die Kopfposition des Fahrers
wird von einem Positionssensor, zum Beispiel einer Kamera, wie sie
für einen
intelligenten Airbag vorgesehen ist, automatisch überwacht
und korrigiert. Das virtuelle Zusatzbild ist vollständig oder
zumindest hinreichend parallaxenfrei und befindet sich in einem
angenehmen Betrachtungsabstand, vorzugsweise im Unendlichen.