DE19731875A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Bildes und damit erzeugtes Bild - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes mit dreidimensionaler, d. h. stereoskopischen Wirkung von einem dreidimensionalen Gegenstand, wobei mehrere Projektionen des Gegenstandes auf eine Fläche aus verschiedenen Winkeln derart sichtbar gemacht werden, daß abhängig von der Blickrichtung den beiden Augen eines Betrachters jeweils andere, unterschiedliche Projektionen erscheinen.

Bei derartigen, beispielsweise aus der Zeitschrift "Radiographics", März 1996, Seite 393 bis 400 A, bekannten Verfahren werden mehrere Projektionen des Gegenstandes auf eine Fläche aus verschiedenen Betrachtungswinkeln als schmale Bildstreifen verschachtelt nebeneinander auf einer Unterlage angeordnet. Bei der Betrachtung der Unterlage muß dafür gesorgt werden, daß jeweils nur der Bildstreifen, der dem augenblicklichen Betrachtungswinkel entspricht, sichtbar ist. Ein dafür geeignetes optisches Mittel ist beispielsweise eine Anzahl nebeneinander angeordneter schmaler Zylinderlinsen, deren Periode mit der Periode der Bildstreifen übereinstimmt. Die Betrachtung eines solchen Bildes liefert eine dreidimensionale Wirkung des abgebildeten Gegenstandes, wenn der Betrachter über ein stereokopisches Sehvermögen verfügt. Dabei kann der Gegenstand aber nur aus einer geringen Anzahl von eng benachbarten Blickrichtungen, z. B. im Winkel von 5 bis 7° abgebildet bzw. betrachtet werden. Der Grund hierfür ist, daß bei der Erzeugung der Projektionen eine ebene Fläche verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bild mit dreidimensionaler Wirkung von einem dreidimensionalen Gegenstand über einen größeren Betrachtungswinkel des Gegenstandes, bis zu einer Rundum-Ansicht des Gegenstandes, zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren, bei dem die verschiedenen Projektionen als schmale Bildstreifen verschachtelt nebeneinander auf einer Unterlage angeordnet werden und die Unterlage mit einem optischen Mittel abgedeckt wird, das aus verschiedenen Blickwinkeln den Blick auf die Bildstreifen nur einer diesem Blickwinkel entsprechenden Projektion freigibt, dadurch gelöst, daß die Fläche, auf die der Gegenstand projiziert wird, gekrümmt und mit der konkaven Seite zum Gegenstand gewandt ist. Durch die gekrümmte Fläche ist es möglich, den Gegenstand aus einer größeren Anzahl von Winkeln auf die Fläche zu projizieren und dadurch den Gegenstand aus einem größeren Winkel zu betrachten. Eine Rundum-Ansicht des Gegenstandes ist möglich, wenn die Fläche ein geschlossener Hohlkörper ist.

Eine andere Lösung der Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei unterschiedliche Projektionen den Augen des Betrachters gleichzeitig auf wenigstens einem Bildschirm sichtbar gemacht werden und daß die Fläche gekrümmt und mit der konkaven Seite zum Gegenstand gewandt ist. Dabei werden dann nur die Bildstreifen jeweils dargestellt, die einer gewählten Blickrichtung entsprechen, während die aus dieser Blickrichtung nicht sichtbaren Bildstreifen auch überhaupt nicht auf dem Bildschirm dargestellt werden. Die jeweilige Blickrichtung kann zum Beispiel mit Hilfe von bekannten Methoden der Mustererkennung, die eine Bestimmung der Lage der Augen bzw. des Kopfes erlauben, bestimmt werden oder durch eine zeitliche Verfolgung von optisch hervorstechenden, extern angebrachten Markierungen oder auch durch andere Methoden der Positionsbestimmung. Um eine stereoskopische Wirkung zu erzielen, müssen den beiden Augen unterschiedliche Bildstreifen dargestellt werden, was in bekannter Weise durch polarisiertes Licht oder durch Rot-Grün-Darstellung und Betrachtung durch eine entsprechende Brille erreicht werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Darstellung für die beiden Augen auf getrennten Bildschirmen zu erzeugen und diese beiden Darstellungen durch eine optische Vorrichtung für die beiden Augen zu überlagern.

Die Erfindung betrifft ferner ein Bild auf einer Unterlage, das nach dem erstgenannten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Im Gegensatz zu bekannten Bildern, die einen dreidimensionalen Eindruck eines Gegenstandes vermitteln, ist es jedoch zweckmäßig, daß die Unterlage entsprechend der Fläche geformt ist, auf die bei der Erzeugung des Bildes der Gegenstand projiziert wurde. Wenn die Fläche ein Zylinder ist und die Unterlage entsprechend geformt ist, wird beispielsweise beim Drehen der zylindrisch geformten Unterlage der Eindruck eines sich drehenden Gegenstandes bewirkt. Grundsätzlich ist dies jedoch nicht notwendig, sondern die Unterlage kann auch im wesentlichen flach sein, wobei vor der Unterlage zweckmäßig ein bewegliches Fenster bzw. eine bewegliche Blende angeordnet ist, so daß nur ein Teil der Unterlage jeweils sichtbar ist. Statt dessen kann selbstverständlich auch die Unterlage hinter einem feststehenden Fenster bewegt werden, um den abgebildeten Gegenstand nacheinander von verschiedenen Seiten betrachten zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Erzeugung eines Bildes mit dem bekannten Verfahren,

Fig. 2 das Prinzip der Erzeugung eines Bildes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 schematisch die Betrachtung eines so erzeugten Bildes über eine Anzahl nebeneinander angeordneter Zylinderlinsen,

Fig. 4 die Betrachtung eines Bildes auf einer im wesentlichen flachen Unterlage über ein relativ zu dieser Unterlage bewegliches Fenster.

In Fig. 1 ist ein Gegenstand 1 dargestellt, der sich auch senkrecht zur Zeichenebene erstrecken möge, aber im folgenden wird nur der Schnitt durch die Zeichenebene betrachtet. Um von diesem Gegenstand eine dreidimensional wirkende, d. h. stereoskopische Abbildung zu erzeugen, werden Punkte des Gegenstands aus verschiedenen Blickrichtungen auf eine Ebene 2 projiziert. Von dem durch den Blickpunkt B1 gegebenen Blickwinkel wird ein Punkt P1 auf die Stelle x1 der Fläche 2 unter dem Winkel a1 zur Normalen projiziert. Aus einem durch den Blickpunkt B2 gegebenen Blickwinkel wird ein Punkt P2 an der Stelle x1 auf die Fläche 2 unter dem Winkel a2 zur Normalen projiziert. Der Punkt P1 wird von diesem Blickpunkt unter einem anderen Winkel auf die Stelle x2 der Fläche 2 projiziert.

Bei verschiedenen Blickwinkeln werden also auf jede Stelle der Fläche, wie der Stelle x1, verschiedene Punkte wie die Punkte P1 und P2 des Gegenstands 1 projiziert. In der Praxis werden üblicherweise fünf bis sieben Projektionen verwendet, die je um ein Winkelgrad unterschiedlich sind.

Die Stelle x1 der Fläche 2 sowie die weiteren Stellen sind tatsächlich schmale Bereiche bzw. senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Streifen, die so schmal gewählt sind, daß sie für einen normalen Betrachtungsabstand nahezu nicht mehr vom Auge aufgelöst werden. Um die verschiedenen Projektionen auf jedem Bereich überlagern zu können, wird jeder Bereich in eine entsprechende Anzahl, d. h. also in fünf bis sieben schmale Streifen aufgeteilt, von denen jeder die Projektion eines Punktes bzw. eines Streifens des Gegenstands 1 unter einem anderen Projektionswinkel aufnimmt. Dies kann durch besondere photographische Verfahren erreicht werden, die in der eingangs genannten Literaturstelle angegeben sind.

In manchen Fällen ist der Gegenstand nicht real vorhanden, sondern liegt nur in Form elektrischer Signale vor. Insbesondere in diesen Fällen kann zu gegebenem Betrachtungswinkel a, relativ zu einer festen Raumrichtung, die Funktion f(x,a,z) bestimmt werden, die die Helligkeit (oder auch den Farbvektor) angibt, die im Punkt (x,z) aus Raumrichtung a auf die Fläche träfe. Die Funktion f kann durch Ray-Tracing berechnet werden oder auch durch andere Verfahren. Zum Beispiel ist ein gradientenbasiertes Verfahren möglich, wenn ein 3D Grauwertbild mit zugehöriger Segmentierung eines oder mehrerer Objekte vorliegt; dies ist oft bei medizinischen Anwendungen der Fall. Diese Funktion f wird dann als Folge digitaler 2D-Bilder für die jeweiligen Ansichtswinkel der Unterlage aufgeprägt.

Wenn ein so erzeugtes Bild unmittelbar betrachtet wird, werden alle Streifen, d. h. die Streifen für alle Projektionsrichtungen gleichzeitig sichtbar. Um zu erreichen, daß aus einem bestimmten Betrachtungswinkel des erzeugten Bildes nur ein Bildstreifen sichtbar wird, wird eine Vielzahl von Zylinderlinsen vor dem Bild angeordnet, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. Die Breite jeder Zylinderlinse 5 entspricht der Breite eines Bereichs wie der Stelle x1 in Fig. 1. Ein schmaler Abschnitt in diesem Bereich, wie der Abschnitt 6 oder 8 auf einer Unterlage 4, die zwei Projektionen mit unterschiedlichen Winkeln eines Streifens des Gegenstands darstellen, werden durch die darüberliegende Zylinderlinse in zwei verschiedene Richtungen 7 oder 9 gebrochen. Aus der Richtung 9 sind also nur die Abschnitte 8 der nebeneinander liegenden Bildbereiche auf der Unterlage 4 sichtbar. Wenn der Betrachtungswinkel geändert wird, erscheint ein daneben liegender Abschnitt in jedem Bereich.

Da die beiden Augen eines Betrachters in verschiedenen Blickwinkeln auf die auf der Unterlage 4 vorhandenen Bildstreifen sehen, werden also von den beiden Augen unterschiedliche Abschnitte in jedem Streifen wahrgenommen, so daß auf diese Weise ein stereoskopisches Bild des Gegenstands 1 wahrgenommen wird. Außerdem wird, wenn die Unterlage 4 relativ zum Betrachter bewegt wird, der Gegenstand 1 in unterschiedlichen Blickrichtungen gesehen, jedoch nur in einem sehr kleinen Winkelbereich entsprechend dem bei der Erzeugung des Bildes verwendeten Winkelbereich, d. h. nur in einem Winkelbereich von etwa fünf bis sieben Grad. Eine weitere Ansicht, z. B. eine Seitenansicht des Gegenstands 1, ist mit dieser Technik in einem erzeugten Bild nicht möglich.

Dies liegt daran, daß bei der Erzeugung des Bildes des Gegenstands 1 eine ebene Fläche 2 verwendet wird. In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Fläche, auf die die Abbildungen des Gegenstands 1 projiziert werden, als Hohlzylinder 3 ausgebildet ist. Der Punkt P1 des Gegenstands 1 wird bei Betrachtung von dem Blickpunkt B auf eine Stelle i1, die durch den Winkel b gegenüber einer gewählten Normalen bestimmt ist, abgebildet. Die Projektion des Punktes P1 auf die Stelle i1 bildet mit dem Radius, der hier an die Stelle der Normalen in Fig. 1 tritt, den Winkel a. Von einem anderen Blickwinkel wird ein anderer Punkt des Gegenstands 1 auf die Stelle i1 unter einem anderen Projektionswinkel a abgebildet, entsprechend den an Fig. 1 erläuterten Abbildungen zu den verschiedenen Projektionswinkeln. Auf diese Weise entstehen auf dem gesamten Zylinderumfang nebeneinander liegende Stellen oder Bildstreifen, auf denen insgesamt alle Punkte der Oberfläche des Gegenstands 1 abgebildet sind. Wenn das auf diese Weise erzeugte Bild mit einer Struktur von Zylinderlinsen bedeckt wird, wie in Fig. 3 für eine ebene Unterlage 4 dargestellt ist, kann durch Drehen der zylinderförmig gewölbten Unterlage mit dem Bild und den Zylinderlinsen eine räumliche Abbildung des Gegenstands 1 von allen Seiten wahrgenommen werden.

Auch hier kann für einen nur elektronisch vorhandenen Gegenstand das Bild berechnet werden. Hierfür ist es lediglich notwendig, die Funktion f(x,a,z) zu ändern. Sie muß so berechnet werden, daß für jeweils feste Blickwinkel a - diesmal relativ zum Radiusvektor - die Funktion f den Helligkeitswert (bzw. den Farbvektor) für einen Punkt auf der Zylinderoberfläche mit Zylinderkoordinaten (b,z,r) beschreibt. Auch dies ist mit den bekannten Verfahren (Ray-Tracing usw.) möglich. Der Unterlage wird dann (mit der gleichen Technik wie bei Fig. 1) der berechnete Wert f (b,a,z) aufgeprägt, und das stereoskopische Bild entsteht, wenn die Unterlage zum Zylinder gerollt wird.

Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß beispielsweise auf die Stelle i1 Punkte der Oberfläche des Gegenstandes 1 aus einem relativ großen Winkelbereich projiziert werden. Dies führt zu einer Aufteilung jedes Bildstreifens in eine sehr große Anzahl von Abschnitten, was technisch praktisch nicht möglich ist bzw. keine brauchbaren Abbildungen ergibt, oder der Gegenstand muß für die Abbildung sehr grob gerastert werden, was ebenfalls unerwünscht ist. Sofern die grundlegende Methode nicht auf eine größere Anzahl von Winkeln erweitert werden kann, müßte der Durchmesser des Zylinders 3 wesentlich vergrößert werden, so daß von jeder Stelle auf dem Zylinder 3 der Gegenstand 1 nur unter maximal dem Winkel erscheint, der bei der Abbildung nach Fig. 1 verwendet wird. Eine andere Möglichkeit wäre, an jeder Stelle des Zylinders 3 nur die Projektionen eines Teils der Oberfläche des Gegenstands 1 aufzunehmen.

Es sei bemerkt, daß der Zylinder 3 kein Kreiszylinder sein muß, sondern daß auch andere Formen möglich sind, beispielsweise ein Zylinder mit einem elliptischen oder auch anders geformten Querschnitt. Es muß auch kein geschlossener Zylinder sein, wenn der Gegenstand 1 nicht von allen Seiten betrachtet werden soll.

Bei einem gemäß Fig. 2 erzeugten Bild muß die Unterlage mit dem Bild und den Zylinderlinsen nicht in der gleichen Weise gekrümmt sein wie der Zylinder, der bei der Erzeugung des Bildes verwendet wird. Die Unterlage 4 mit dem Bild und den Zylinderlinsen 5 kann auch ganz flach sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Falle wäre die gesamte Zylinderoberfläche gleichzeitig sichtbar, was zu einer irritierenden Wahrnehmung führen könnte. Dies kann vermieden werden, wenn das Bild durch ein Fenster bzw. eine Blende 11 betrachtet wird, die gegenüber dem Bild relativ verschiebbar ist. Es könnte also auch das Bild hinter einem feststehenden Fenster 11 bewegt werden. Dieses Fenster läßt einen so großen Ausschnitt frei, daß darüber im wesentlichen nur ein solcher Teil des Gegenstands sichtbar ist, wie dem Bereich der Projektionswinkel bei der Erzeugung des Bildes entspricht. Eine entsprechende Blende könnte aber auch bei einer gewölbten Anordnung zweckmäßig sein, die beispielsweise wie der Zylinder 3 in Fig. 2 geformt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Bildes mit dreidimensionaler Wirkung von einem dreidimensionalen Gegenstand, wobei mehrere Projektionen des Gegenstandes auf eine Fläche aus verschiedenen Winkeln derart sichtbar gemacht werden, daß abhängig von der Blickrichtung den beiden Augen eines Betrachters jeweils andere, unterschiedliche Projektionen erscheinen, indem die verschiedenen Projektionen als schmale Bildstreifen verschachtelt nebeneinander auf einer Unterlage angeordnet werden und die Unterlage mit einem optischen Mittel abgedeckt wird, das aus verschiedenen Blickwinkeln den Blick auf die Bildstreifen nur einer diesem Blickwinkel entsprechenden Projektion freigibt, dadurch gekennzeichnet daß die Fläche gekrümmt und mit der konkaven Seite zum Gegenstand gewandt ist.

2. Verfahren zum Erzeugen eines Bildes mit dreidimensionaler Wirkung von einem dreidimensionalen Gegenstand, wobei mehrere Projektionen des Gegenstandes auf eine Fläche aus verschiedenen Winkeln derart sichtbar gemacht werden, daß abhängig von der Blickrichtung den beiden Augen eines Betrachters jeweils andere, unterschiedliche Projektionen erscheinen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei unterschiedliche Projektionen den Augen des Betrachters gleichzeitig auf wenigstens einem Bildschirm sichtbar gemacht werden und daß die Fläche gekrümmt und mit der konkaven Seite zum Gegenstand gewandt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Fläche ein geschlossener Hohlkörper ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Fläche ein Zylinder ist.

5. Bild auf einer Unterlage, hergestellt mit dem Verfahren nach Anspruch 1.

6. Bild nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Unterlage entsprechend der Fläche geformt ist.

7. Bild nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Unterlage im wesentlichen flach ist und ausschnittsweise über ein relativ zur Unterlage bewegliches Fenster sichtbar ist.