DE19728526C2

DE19728526C2 - Autostereoskopische Displayvorrichtung

Info

Publication number: DE19728526C2
Application number: DE19728526A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Ing Grosmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: DE19728526A1

Description

Die Erfindung betrifft eine autostereoskopische Displayvorrichtung.

Ein Überblick über den Stand bei der Entwicklung von 3D-Displays ist in der Zeitschrift c't in der Ausgabe November 1995 zu finden (Brille vergessen, 3D- Displays für Raumillusion ohne Sehhilfe, c't 11/95 S. 210ff), vor allem in den Buch von David F. McAllister von 1993 "Stereo Computer Graphics and other true 3D Technologies", Princeton University Press, Princeton, N. J. 1993. Der hier vorgeschlagenen Konstruktion für ein Stereo-Display liegt, wie fast allen autostereografischen Systemen, das Prinzip zugrunde, zwei Halbbilder sicht bar zu machen, welche separat in das linke und das rechte Auge des Betrach ters gelangen. "Autostereoskopisch" bedeutet, daß die Anwendung einer Seh hilfe, Brille o. a. nicht erforderlich ist und daß der Betrachter eine gewisse Bewegungsfreiheit genießt, ohne daß die stereoskopische Wahrnehmung des Bildschirminhaltes zusammenbricht.

In DE 195 00 699 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Halbbil der für das linke und rechte Auge gleichzeitig und pixelweise ineinander ver schachtelt auf dem Bildschirm dargestellt werden. Mit Hilfe eines Head- Tracking-Systems werden Seitwärtsbewegungen des Kopfes des Betrachters erfaßt, und die Perspektive des auf dem Bildschirm dargestellten Bildes wird entsprechend angepaßt. Gleichzeitig wird der Filter, beispielsweise ein LCD- Schirm, so angesteuert, daß die Positionen der Filterelemente entsprechend der Seitwärtsbewegung des Kopfes nachgeführt werden.

Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß eine hohe Präzision der Bau teile erforderlich ist, weil es sonst zu einem Übersprechen (Cross-Talk) zwischen dem rechten und linken Kanal kommt.

Aus DE 41 23 895 C2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Vielzahl un terschiedlicher Perspektiven des dreidimensionalen Objekts im Zeitmulti plexverfahren auf dem Bildschirm dargestellt werden. Der Filter bildet schlitzförmige Verschlußsegmente, die eine Breite von bis zu 52 mm haben können. Synchron mit der Änderung des Bildschirminhalts wird zu jedem Zeitpunkt immer nur ein einziges Verschlußsegment geöffnet, so daß die zu diesem Zeitpunkt dargestellte Perspektive nur von der zugehörigen Sehzone aus sichtbar ist.

Die meisten bekannten Systeme (Image-Splitter, Lentikular-Systeme etc.) basieren auf Prinzipien, die eine von Grund auf eigenständige Konstruktion des Displays erforderlich machen. Anders als bei diesen herkömmlichen Kon zepten ist der Ausgangspunkt bei der vorliegenden Erfindung, eine handelsübliche Kathodenstrahlröhre (im folgenden kurz CRT-Bildschirm genannt) oder auch einen der zur Zeit auf dem Markt erscheinenden neuen Farb-LCD-Bildschirme (im folgenden kurz LCD-Bildschirm genannt) oder auch einen Bildschirm anderer Bauart in die Konstruktion einzubeziehen. Ein solches System ist besonders aus zwei Gründen attraktiv:

1. Durch Nutzung bereits vorhandener bzw. industriell verfügbarer Komponenten würde der Preis für ein solches System und damit die Schwelle zum Einstieg in diese Technik für den Anwender vergleichsweise niedrig sein.
2. Die Möglichkeit bleibt grundsätzlich erhalten, das verwendete Display weiterhin konventionell zu nutzen.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das System keinerlei bewegliche Teile aufweist. Dementsprechend gibt es keine Probleme durch mechanischen Verschleiss oder Massenträgheit.

Die Vorrichtung nach der Erfindung muss einmal bei Inbetriebnahme und später für den Augenabstand eines neuen Benutzers kalibriert werden. Sie ist uneingeschränkt nur für jeweils einen Benutzer geeignet; ein zweiter Benutzer kann sich allerdings kurzzeitig durch Einnehmen gewisser "synchronisierter Positionen" einklinken.

Das im folgenden vorgestellt Grundprinzip könnte tragfähig genug sein, um eine breite Vielfalt von Anwendungen zu ermöglichen. Es besteht aus den folgenden Komponenten:

1. CTR-, LCD- oder anderen Bildschirme,
- 1. möglichst hoher Bildwiederholfrequenz
- 2. ebener oder schwach zylindrischer, u. U. auch schwach sphärischer Bildschirm-Oberfläche
2. Grafik-Karte z. B. Video-Karte
- 1. Auflösung VGA, Super VGA oder höher, Bild wiederholfrequenz < = 50 Hz und mit einem schnellen 3D-Bildspeicher- System
3. Computersystem
4. Head-Tracking-System oder Eye-Tracking-System
- 1. mit Messung der seitlichen Position und des Abstandes des Betrachters zum Bildschirm
5. Stereo-Filter auf der Basis eines handelsüblichen LCD- Bildschirmes, z. B.
- 1. TFT-STN-Bauweise, (Thin-Film-Transistor, Super-Twisted Nematic)
- 2. Auflösung VGA, Super VGA oder höher, mit kurzen Durchschaltzeiten
6. Treibersystem, welches mit dem 3D-Bildspeicher-System der Grafikkarte synchronisiert ist und welches hinreichend kurze Durchschaltzeiten gewährleistet.

Funktionsprinzip der Vorrichtung gemäss der Erfindung:

Die Funktionsweise beruht auf der sog. "parallax barrier", einem bekannten geometrischen Prinzip, mit dessen Hilfe steroskopische Wahrnehmungen realisiert werden können. Hierbei werden die beiden Halbbilder in vertikale Streifen aufgeteilt, die ineinander verschachtelt werden (als Halbbild soll die Bildinformation bezeichnet werden, die für das rechte oder aber für das linke Auge bestimmt ist, man kann also von einem linken bzw. einem rechten Halbbild sprechen). Eine Streifenraster-Maske sorgt dafür, dass jedes Auge nur die ihm zugedachten Anteile sieht, da sie verhindert, dass der Blick auf die jeweils "falschen" Bildteile fällt. Dieses Prinzip ist seit Anfang des Jahrhunderts bekannt und findet sich z. B. in den etwas aus der Mode gekommenen Stereo-Postkarten oder in den sog. "Wackelbildern", sowie in einigen neueren Stereo- Displays. Bei all diesen Konstruktionen sind die Streifen allerdings möglichst schmal idealerweise unterhalb der Auflösung des Auges, da die Wahrnehmung des Rasters grundsätzlich unerwünscht ist.

Bei der hier beschriebenen Idee sind ebenfalls vertikale Streifen aus beiden Halbbildern ineinander verschachtelt, von denen jedes Auge nur die ihm zugedachten sieht. Gegenüber dem klassischen Prinzip gibt es hier jedoch einige sehr wesentliche Unterschiede, die in der folgenden Beschreibung deutlich werden.

Vor einen CRT- bzw. vor oder hinter einem LCD-Bildschirm oder vor bzw. hinter einem anderen Bildschirm ist in einem Abstand von einigen Zentimetern ein Filter angebracht, der die Funktion der "parallex barrier" übernimmt. Er weist abwechselnd durchsichtige und undurchsichtige Bereiche in Form vertikaler Streifen (im folgenden Spalten genannt) auf. Die Breite der Spalten ist deutlich grösser als bei den o. g. Systemen, sie liegt im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Die durchsichtigen und die undurchsichtigen Spalten haben (theoretisch) exakt dieselbe Breite. Auf diese Weise entsteht ein Zebrastreifen-Muster. Die Breite der Spalten kann in kleinen Schritten (ca. 0,3 mm) verändert werden, ebenso ihre Position in seitlicher Richtung auf dem Filter. Jeder Bereich des Filters kann von durchsichtig auf undurchsichtig geschaltet werden und umgekehrt. Bei Bedarf, wenn kein 3D- Betrieb gewünscht ist, kann der gesamte Filter transparent geschaltet werden.

Der Bildschirminhalt des dahinterliegenden CRT- oder LCD- Bildchirms wird ebenfalls in gleichbreite Spalten aufgeteilt. Die Breite dieser Spalten liegt ebenfalls im Millimeter- bis Zentimeterbereich und ist ebenfalls variabel. Sie enthalten abwechselnd Anteile des rechten und des linken Halbbildes, d. h. zu einem bestimmten Zeitpunkt sind z. B. in den "geradzahligen" Spalten Anteile des rechten Halbbildes und in den "ungeradzahligen" Spalten Anteile des linken Halbbildes zu sehen. Jeder Spalte im Filter entspricht eine Spalte auf dem dahinterliegenden Bildschirm.

Ohne den Filter wären für beide Augen dieselben Informationen zu sehen; streifenförmige ineinander verschachtelte Teilinformationen (und zwar exakt 50% der Gesamtinformation) aus beiden Halbbildern. Sinn des Filters ist es zu verhindern, dass Bildinformationen aus den jeweils "falschen" Bildstreifen das jeweilige Auge erreichen. Der Filter verdeckt dementsprechend für das rechte Auge möglichst exakt die "linken" und gleichzeitig für das linke Auge die "rechten Bildspalten, d. h. jedes Auge sieht das ihm zugeordnete Halbbild, jedoch wie durch eine "Zebrastreifenfolie". Dieser Zustand soll als Phase 1 bezeichnet werden.

Um den noch fehlenden Teil der Informationen für das jeweilige Auge sichtbar zu machen, werden die Spalten des Filters "umgepolt", d. h. aus durchsichtigen Spalten werden undurchsichtige Spalten und umgekehrt. Gleichzeitig wird die Information auf dem dahinterliegenden Bildschirm "ausgetauscht", d. h. eine Bildschirm-Spalte, die zuvor Informationen für das rechte Auge enthielt, zeigt nun die entsprechende Information für das linke Auge und umgekehrt. Dieser Zustand heisst Phase 2. Beide Zustände haben die gleiche Dauer und bilden zusammen einen Zyklus.

Die Fig. 1 zeigt neben einer Numerierung der Spalten den Wechsel zwischen durchsichtigen und undurchsichtigen Spalten im Filter.

Auf einen Zyklus folgt unmittelbar der nächste. Zwei aufeinanderfolgende Zyklen haben dieselbe Dauer, werden aber im Regelfall nicht dieselbe räumliche Lage der Spalten aufweisen. Auch kann die Spaltenbreite wechseln.

Damit der Wechsel für das Auge unsichtbar abläuft, muss er mit ausreichend grosser Wiederholungsrate vollzogen werden. Wünschenswert für eine flimmerfreie Darstellung sind im Prinzip mindestens 70 Zyklen pro Sekunde, d. h. in dem 70sten Teil einer Sekunde ist ein Halbbild für das entsprechende Auge einmal zu sehen (ein Halbbild setzt sich aus den entsprechenden Anteilen der Halbbilder aus Phase 1 und Phase 2 zusammen). Dies erfordert bei einem CRT-Display eine Bildwiederholfrequenz des Displays von ca. 140 Hz. CRTs mit dieser oder höherer Grenzfrequenz sind durchaus handelsüblich. Bei etwa 100 Hz erhält man akzeptable Ergebnisse, da die Flimmerfrequenz bei 48 Hz liegt.

Bei LCD-Bildschirmen sind auf Grund des grundsätzlich anderen Funktionsprinzips wesentlich geringere Bildwiederholfrequenzen denkbar.

Die Breite der Spalten auf dem Filter und auf dem Bildschirm sind, wie schon erwähnt, variabel (1). Dies gilt auch für deren räumliche Lage der Spalten auf Filter und Bildschirm (2) und relative Verhältnis dieser Lagen zueinander (3). Die Parameter (1) und (3) hängen unmittelbar von der Position des Betrachters zum Display ab und müssen dementsprechend verzögerungsarm geändert werden. Der Betrachtungsabstand beeinflusst dabei die Streifenbreite (1), die seitliche Position des Betrachters hingegen die Lage der Streifen zueinander (2). Die relative Lage der Spaltensysteme auf Bildschirm und Filter (2) folgt einer stochastischen Funktion, ist also innerhalb gewisser Grenzen zufällig (siehe unten).

Die verschiedenen Abhängigkeiten sollen im folgenden näher definiert werden, dazu hier zunächst die Benennung der dazu verwendeten Parameter (Konstanten fett, Variablen schmal):
af Abstand zwischen Bildschirm und Filter, vorgegebene d. h. feste Grösse,
av Abstand zwischen Filter und Betrachter, variable Grösse
b Abstand der optischen Achsen der Augen des Betrachters, Sterobasis, individuell vorgegebene, d. h. feste. Grösse,
m Breite der Streifen auf dem Filter, Funktion von af, av, b
s Breite der Streifen auf dem Bildschirm, Funktion von af, av, b.

Die geometrischen Beziehungen zwischen den Parametern sind in Fig. 2 dargestellt, ebenso die einfachen Gleichungen, die sie beschreiben. Fig. 3 zeigt eine Tabelle, in der exemplarisch einige Werte für den Betrachterabstand und die daraus resultierenden Spaltenbreiten gemäss der Erfindung dargestellt sind.

Nach dem Ablauf eines Zyklus sollte die Lage des Spaltensystems um ein bestimmtes Mass verschoben werden. Dieses Mass kann zwischen O und der doppelten momentanen Spaltenbreite betragen (grössere oder kleinere Verschiebungen führen aus Symmetriegründen nicht zu weiteren Möglichkeiten). Der Grund für diese Verschiebung: An den Rändern der Filterstreifen entsteht zwangsläufig "Cross Talk" zwischen den beiden Kanälen. Während die Formeln für die Breite und Lage der Streifen zu rationalen Zahlenwerten führen, können die Spaltenbreiten auf Filter und Bildschirm lediglich ganzzahlige Vielfache der kleinsten darstellbaren Einheiten (Pixel, ca. 0,3 mm) auf dem jeweiligen Medium darstellen. Aus diesem Grund ist eine ideale Maskierung der Bildschirm-Spalten durch das Filter nicht zu erreichen, was dazu führt, dass ein sehr kleiner Anteil an Informationen aus dem "falschen" Halbbild durchsickert.

Bei fester Lage der Spalten könnte dies, z. B. bei der Darstellung einer dünnen vertikalen Linie, unter Umständen dazu führen, dass diese vom falschen Auge wahrgenommen und damit räumlich falsch interpretiert würde. Ein ständiger zufälliger Wechsel der Lage der Spalten gemäss einem Merkmal der Erfindung führt dazu, dass der unvermeidbare geringe "Cross Talk" zeitlich über den Bildschirm "verschmiert" wird und damit nicht mehr wahrnehmbar ist. Es besteht ausserdem die Möglichkeit, Cross Talk völlig zu vermeiden, indem im Filter die Breite der undurchsichtigen Streifen geringfügig vergrössert wird, und zwar zu Lasten der durchsichtigen Bereiche. Es entsteht gewissermassen eine Überlappung der dunklen Bereiche. Dies würde bei räumlich fester Lage der Spalten dazu führen, dass der Betrachter dünne schwarze vertikale Linien wahrnimmt. Durch die gerade beschriebene zufällige Verteilung der Spaltenlage wird verhindert, dass diese Überlappungen sichtbar werden, da sie ebenfalls räumlich und zeitlich "verschmiert" werden.

Bei der Entwicklung von LCD-Displays kann man zwei Trends beobachten. Zum einen haben Farb-LCD-Displays in TFT-Bauweise die Monochrom- bzw. Graustufen-Displays in der letzten Zeit fast völlig vom Markt verdrängt, da die Herstellungskosten für TFT-Farb-Displays drastisch gesunken sind und die Käufer offenbar nicht mehr bereit sind, in ähnlich teure hochwertige SW-Displays (monochrom oder Graustufen) zu investieren. SW- Displays werden vielmehr fast nur noch in der qualitativ sehr viel schlechteren passiven Bauweise in preisgünstige Laptop- Computer eingebaut.

Zum anderen geht die Entwicklung dahin, die LCD-Displays reaktionsschneller zu machen. Herkömmliche CRT-Bildschirme sind vom technischen Prinzip seit jeher schnell genug, um ausreichende Wiederholfrequenzen zu ermöglichen; die Grenzen liegen hier vielmehr im möglichen Datendurchsatz und werden zur Zeit von den Fernsehnormen (PAL, NTSC) bzw. von der Computertechnik, insbesondere von dem Kompressionsverfahren (Quick-Time, M-JPEG, MPEG etc.) gesetzt.

Gemäss der vorliegenden Erfindung soll ein SW-LCD-Bildschirm die Funktion der "parallax barrier" übernehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt die Zustände des Filters und Bildschirmes wäh rend eines Zyklusses.

Fig. 2 zeigt die geometrischen Beziehungen zwischen den Para metern.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle, in der exemplarisch einige Werte für den Betrachterabstand und die daraus resul tierenden Spaltenbreiten dargestellt sind.

Bei der Angabe der Schaltzeiten für LCDs wird üblicherweise unterschieden zwischen folgenden Werten:
t rise: Zeit, in der ein LCD-Element von Hell auf Dunkel schaltet. In der Praxis wird der Wert oft so definiert, dass die Grenzwerte (0% und 100% Lichtdurchlass) nicht in Betracht gezogen werden, sondern dass man vielmehr zwischen 10% und 90% Lichtdurchlass misst. Üblicherweise wird bei 25°C gemessen, um die Viskosität der LCD-Flüssigkeit zu definieren.
t fall: Definition entspechend, nur diesmal von Dunkel auf Hell.
t ges: Summe der beiden Zeiten.

Ein passives LCD-Element benötigt zum Umschalten von Hell auf Dunkel ca. 300 ms. Auf diese Weise könnte man gerade 3 Umschaltungen je Sekunde realisieren.

Aktive LCDs in TFT (thin film transistor) -Technik weisen ein t ges von max. 100 ms auf. Sog. "typische Werte" liegen noch günstiger. So wird für ein LCD-Display von Fujitsu ein "typical t rise" von 15 ms, ein "typical t fall" von 30 ms angegeben. Mit den entsprechenden Treibern scheinen jedoch noch geringere Durchschaltzeiten möglich zu sein, bishin zu einem t ges von 40 ms.

Vorbetrachtungen zum Thema CRTs:

Nachleuchtzeiten der phosphoreszierenden Schicht: Bei einem handelsüblichen Bildschirm werden ca. 95% des Lichtes in 30% der Bildwiederholzeit abgestrahlt. Bei einer Wiederholfrequenz von 100 Hz, mithin einer Wiederholzeit von 10 ms, geschieht dies in den 3 ms unmittelbar nach dem Zeitpunkt, in dem der Elektronenstrahl über die Leuchtschicht streicht. In der ersten Millisekunde werden bereits ca. 75% der gesamten Lichtmenge abgestrahlt.

Die meisten CRTs, ob Fernsehbildschirme oder Computer- Displays, haben eine schwach gewölbte Oberfläche. Diese ist in der Regel entweder zylindrisch oder sphärisch gekrümmt. Die bereits aufgeführten Gleichungen gelten für zwei parallele Ebenen (Bildschirm und Filter). Für einen schwach zylindrisch gewölbten CRT und einen ebenen Filter lassen sie sich leicht modifizieren. Dies ist ebenfalls möglich für einen schwach zylindrisch gewölbten CRT und einen schwach zylindrischen Filter, die zueinander konzentrisch liegen oder auch nicht. Nicht jedoch für einen sphärisch gewölbten CRT, unabhängig von der Ausführung des Filters. Dieser Mangel kann dadurch kompensiert werden, dass im Filter die Breite der undurchsichtigen Streifen geringfügig vergrössert wird, und zwar zu Lasten der durchsichtigen Bereiche. Es entsteht gewissermassen eine Überlappung der dunklen Bereiche. Durch die oben beschriebene zufällige Verteilung der Spalten-Lage wird verhindert, dass diese Überlappungen sichtbar werden, solange sie nicht zu gross werden, da sie räumlich und zeitlich "verschmiert" werden.

Vorbetrachtungen zum Thema Video-Standards/Grafikkarten:

Die PAL (NTSC) -Norm gibt eine Bildwiederholrate von 25/(30) fps (frames per second) vor; bei der NTSC-Norm sind es 30 fps. PAL (und NTSC) -Bilder werden jedoch "interlaced" erzeugt, d. h. in einem Durchgang des Elektronenstrahls wird nur jede zweite Zeile gechrieben, in dem nachfolgenden Zyklus die noch fehlende. Selbst bei der daraus resultierenden Bildfrequenz von 50/60 Hz wird vom Betrachter eines CRT- Displays u. U. noch ein Flimmern des Bildes wahrgenommen. Um Flimmerfreiheit zu erzielen, wird bei neueren Fernsehgeräten bekanntlich eine Verdoppelung der Bildfrequenz realisiert, indem das gerade gesendete "frame" in einem Bildspeicherchip abgelegt und zweimal auf den Bildschirm geschrieben wird, bevor das nächste Bild folgt. Auf diese Weise werden "flimmerfreie" 100 Hz realisiert.

Die zur Zeit handelsüblichen Videokarten für PC-Systeme lehnen sich an diese Normen an, indem sie 24/30 fps bzw. z. T. sogar 50/60 fps (im High-End-Bereich) an das Display abliefern. Die entsprechenden Normen (Movie-JPEG, MPEG etc.) regeln die Voraussetzungen für den entsprechenden Datendurchsatz seitens der Hard- und Software des Computers.

Die zur zeitnahen Ermittlung der Systemparameter (Streifen breite und -lage, auszutauschenden Pixelmengen) erforderliche Leistung muss durch ein Bildspeicher-System bereitgestellt werden, wobei diese Funktionen in Form eines Chips in die Grafikkarte bzw. in die Videokarte integriert werden können.

Das Bildspeicher-System muss die Aufgabe erfüllen, für jedes Bild und jede Betrachtungsposition die auszutauschenden Pixel zeitnah zu ermitteln und den Austausch dieser Pixel im Viedeo- Speicher mit entsprechend hoher Geschwindigkeit durchzuführen, so dass nach Abschluss einer Phase der Bildschirminhalt der nächsten Phase bereitsteht.

Die beiden Halbbilder eines Stereo-Bildpaares sind sich bei flächiger Darstellung in gewisser Weise relativ ähnlich. (Die Tiefeninformation gewinnt das Gehirn bekanntlich aus den wenigen Unterschieden, die dennoch vorhanden sind). Es wäre möglicherweise von Vorteil, sich diese Tatsache zunutze zu machen, um die Anzahl der auszutauschenden Pixel zwischen rechtem und linken Halbbild möglichst gering zu halten. So würde man z. B. das R- oder L-Halbbild als "Keyframe" (voller Bildschirminhalt) abspeichern, das noch fehlende Halbbild aber nur noch als "Deltaframe", d. h. als Differenzinformation gegenüber dem Keyframe. Bei Liniendarstellungen würde man demgegenüber beide Keyframes abspeichern.

Die Berechnungen zur Ermittlung der Breite und Lage der Streifen auf dem Filter sind relativ einfach. Der anspruchsvollste Teil dieses Programmabschnittes sind vermutlich die Rundungsalgorithmen. Die Ergebnisse der Formeln (Streifenbreite und Lage) liegen auf der rationalen Zahlenskala, müssen jedoch in ganzzahlige Werte abgebildet werden (Anzahl der "Unter"spalten einer Spalte, Anzahlen von Pixeln), bei gleichzeitiger Minimierung der "Kanalfehler" auf Grund von Über- oder Unterlappung von Filter- und Bildschirmstreifen.

Die in der Praxis bedeutsame Anzahl der möglichen Rechenergebnisse für die wenigen Variablen ist überschaubar. Diese könnten deshalb auch in Festwertspeichern (ROM) zur Verfügung gestellt werden.

Vorbetrachtungen zum Thema Head-Tracking-System:

Head-Tracking-Systeme sind auf dem Markt erhältlich, und alle 3D-Systeme ohne Brille sind auf die Verwendung eines solchen Systems angewiesen, wenn die Freiheit des Benutzers nicht radikal beschnitten werden soll. Zudem muss das System für die hier beschriebene Anwendung nur die Position des Kopfes zeitnah ermitteln, nicht etwa die Blickrichtung der Augen.

3 D-Filter/Bildschirm: Bevorzugte Realisierung

Es werden zwei grundsätzliche Kombinationen behandelt:
A: LCD-Filter/CRT-Bildschirm
B: LCD-Filter/LCD-Bildschirm

Kombination A: LCD-Filter/CRT-Bildschirm:

Für diese Variante wird ein handelsübliches Monochrom- bzw. Graustufen-LCD-TFT-Display als Filter in Kombination mit einer CRT als Bildschirm vorgeschlagen.

Das LCD-TFT-Display als Filter sollte dabei idealerweise ein t ges von nur 100 (8) ms aufweisen, was einer Phasenfrequenz von 100 (120) Hz entspricht. Diese Vorgabe ermöglicht dann eine Zyklusfrequenz des Displays von 50 (60) Hz. Mit dieser Vorgabe wird

a) Flimmern weitgehend ausgeschlossen
b) für Video-Anwendungen eines Framerate von 25 (30) fps nach PAL (NTSC) unterstützt.

Es ist für die Funktion des Filters nicht massgeblich, dass die Spalten "auf einen Schlag" von durchlässig auf undurchlässig bzw. umgekehrt geschaltet werden. Wie schon gezeigt, ist dies eher als Nachteil anzusehen, da auf diese Weise "leakage" im System entsteht.

Von viel grösserem Vorteil ist es, wenn im Filter das Streifenmuster in einer bestimmten Zeile in exakt dem Moment vorhanden ist, in dem der Elektronenstrahl diese Zeile passiert. Anders ausgedrückt: In weiter oben liegenden "früheren" Zeilen kann das Durchlassmuster des Filters bereits wieder abgebaut werden, in weiter unten gelegenen ist es möglicherweise erst im Aufbau begriffen.

Mit anderen Worten: Zu einem bestimmten Zeitpunkt, zu dem nämlich der Elektronenstrahl eine bestimmte Zeile auf dem Bildschirm passiert, sollte in genau dieser Zeile

a) horizontal gesehen ein bestimmtes Streifenmuster und
b) ein möglichst grosses Kontrastverhältnis zwischen den Streifen vorhanden sein.

In den vorhergehenden oder folgenden Zeilen muss zu diesem Zeitpunkt weder das Streifenmuster noch das entsprechende Kontrastverhältnis vollständig vorliegen. Dies erfordert daher nicht unbedingt einen streifenförmig, sondern viel eher einen pixelförmig aufgebauten Filter, wie er im Grunde in Form eines handelsüblichen LCD-Bildschirmes bereits existiert.

Kombination B: LCD-Filter/LCD-Bildschirm:

Für diese Variante wird ebenfalls ein handelsübliches Monochrom- bzw. Graustufen-LCD-TFT-Display als Filter im Kombination mit einer CRT als Bildschirm vorgeschlagen (es kann sich auch um ein Farb-Display handeln, wobei diese Eigenschaft für die Funktion ohne Bedeutung ist).

Im Gegensatz zur Kombination A kann der Filter in diesem Fall sowohl vor als auch hinter dem Bildschirm liegen, solange die Beleuchtung in der letzten Ebene liegt! Im zweiten Fall müssen "Bildschirmoberfläche" und "Filteroberfläche" vertauscht werden.

Bei dieser Variante werden Filter und Bildschirm synchron angesteuert. Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass Filter und Bildschirm dieselbe Anzahl von Zeilen und Spalten aufweisen. Im Übergang von Phase 1 zu Phase 2 werden sowohl auf dem Bildschirm wie auf dem Filter die gleichen Zeilen zum selben Zeitpunkt umgeschaltet, so dass nach erfolgter Umschaltung das zweite Halbbild hinter dem geänderten Streifenmuster erscheint. Entsprechend vollzieht sich der Übergang von einem Zyklus zu nächsten.

Schaltzeiten und Aufbau sowie Abbau der Muster auf dem Filter erfolgen wie Anlage 2 bereits für Kombination A dargestellt. Da das Streifenmuster während der Übergangsphase teildurchlässig wird, müsste die Frage geprüft werden, inwieweit während dieser Zeit durch den gleichzeitigen Wechsel des Bildaufbaus Cross-Talk entsteht. Diese Rate kann vermutlich nur experimentell ermittelt werden.

Sonstiges:

Lichtverluste: Natürlich werden in dem hier bechriebenen System Lichtverluste im Vergleich zum "ungefilterten" Bildschirm auftreten, da

a) prinzipbedingt mindestens die Hälfte des Lichtes vom Filter absorbiert wird, aber auch
b) durch Absorption und Reflexion am Glas und an den Bauelementen des LCD-Filters.

In der Praxis dürfte der Lichtdurchlass des Filters vermutlich bei ca. 30% des von dem CRT-Bildschirm bzw. der Hinter grundbeleuchtung abgestrahlten Lichtes liegen. Im Vergleich zu dem Wirkungsgrad anderer 3D-Bildschirme, die z. T. regelrechte Lichtvernichtungsmaschinen darstellen, dürfte dies ein sehr passabler Wert sein.

Wie schon erwähnt ist das System gemäss der Erfindung auf Grund seiner Funktionsweise prinzipiell nur für einen Betrachter geeignet. Da wohl der bei weitem überwiegende Teil aller Bildschirmarbeit von einzelnen Personen an einzelnen Bildschirmen durchgeführt wird, dürfte diese Einschränkung nicht von grundsätzlicher Bedeutung sein. Für Computerspiele und andere Multimediaanwendungen gilt vermutlich ähnliches.

Jedoch können sich weitere Betrachter ("Gäste") für einige Zeit mit dem eigentlichen Betrachter ("Benutzer") synchro nisieren. Dies setzt voraus, dass sie sich in etwa demselben Abstand von der Bildschirmebene befinden (z. B. indem sie neben ihm sitzen oder ihm über die Schulter schauen) und die Augenabstände von Benutzer und Gästen sich ähneln. In diesem Fall müssen die Gäste ihre Köpfe seitlich soweit nach links oder rechts verschieben, bis ihre Augen im Verhältnis zu den Augen des Benutzers eine bestimmte, nämlich die synchro nisierte, Position erreichen.

Claims

1. Autostereoskopische Displayvorrichtung, umfassend
einen Bildschirm mit ebener oder schwach sphärischer oder zylindrischer Oberfläche, der mit einer ausreichend hohen Bildwie derholfrequenz arbeitet,
eine Grafik- oder Videokarte, die mit einer entsprechenden Bildwie derholfrequenz arbeitet und einen schnellen Bildspeicher aufweist,
einer Head- oder Eye-Tracking-Einrichtung zur Detektion der Position des Betrachters in bezug auf den Abstand und die seitliche Lage zum Bildschirm,
eine Maske oder ein Filter im Abstand zum Bildschirm in der Form von einer Mehrzahl von spalten- und zeilenweise benachbarten Fil terelementen, die innerhalb kurzer Durchschaltzeiten von licht durchlässig auf lichtundurchlässig und umgekehrt gesteuert werden können,
ein Treibersystem für kurze Durchschaltzeiten, welches die Arbeitsweise des Filters mit dem Bildspeicher der Grafik- oder Videokarte synchronisiert
wobei die Darstellung auf dem Bildschirm und entsprechend der Arbeitszustand der Filterelemente zueinander synchronisiert in vertikale Streifen unterteilt sind, deren horizontale Breite ein Mehrfaches der Pixelerstreckung ist und von der Head- oder Eye- Tracking-Einrichtung variabel gesteuert wird, und die ineinander verschachtelte Halbbilder für das rechte und das linke Auge darbieten.

2. Displayvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Breite der Streifen im Bereich von ca. 5 bis ca. 25 mm liegt.