DE19834205A1 - Stereoscopic image generation for use in a helmet worn by an aircraft pilot and uses two units to combine environmental images with computer generated images - Google Patents
Stereoscopic image generation for use in a helmet worn by an aircraft pilot and uses two units to combine environmental images with computer generated imagesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit stereoskopischer Darstellung, bevorzugt integriert in einem Pilotenhelm oder dergleichen, mit einer ersten Einheit zur unmittelbaren und/oder mittelbaren Betrachtung eines Umge bungsausschnitts und einer zweiten Einheit zur Darstellung Computer generierter Bildelemente, derart, daß diese Elemente im Umgebungsaus schnitt sichtbar sind.The invention relates to a device with stereoscopic display, preferably integrated in a pilot's helmet or the like, with a first Unit for the direct and / or indirect consideration of a reverse Exercise section and a second unit for representing computers generated picture elements, such that these elements in the environment cut are visible.
Derartige Vorrichtungen können beim Führen von Luft-, Wasser- oder Landfahrzeugen eingesetzt werden. Sie dienen dazu, beispielsweise dem Piloten eines Hubschraubers Informationen über den Flugzustand wie z. B. die Flughöhe, die Fluggeschwindigkeit, den künstlichen Horizont oder dergleichen in Form Computer-generierter Bildelemente in eine optische Vorrichtung wie z. B. eine Brille oder ein Helmvisier einzuspiegeln ("helmet mounted display"), durch die er einen Umgebungsausschnitt betrachtet. Er wird damit von der gerade bei schnellen Fahrzeugen gefährlichen Notwen digkeit befreit, zum Erfassen dieser Informationen den Kopf in Richtung separater Anzeigen ("head-down displays") zu drehen und damit den Umgebungsausschnitt aus den Augen zu verlieren.Such devices can be used when carrying air, water or Land vehicles are used. They serve, for example, the Pilots of a helicopter Information about the flight status such. B. the flight altitude, the flight speed, the artificial horizon or the like in the form of computer-generated picture elements in an optical Device such. B. mirror glasses or a helmet visor ("helmet mounted display ") through which he views a section of the surroundings. He is thus of the need especially for fast vehicles liberated, to capture this information head towards separate displays ("head-down displays") and thus the To lose sight of the area.
Ein bei derartigen Vorrichtungen häufig auftretendes Problem besteht darin, daß die eingespiegelten Computer-generierten Bildelemente wenigstens einen Teil des Umgebungsausschnitts verdecken. Hierdurch kann z. B. dem Hubschrauberpiloten der Blick auf ein zu vermeidendes Hindernis oder ein anzusteuerndes Ziel verdeckt werden.A common problem with such devices is that the reflected computer-generated picture elements at least cover part of the surrounding area. As a result, z. B. the Helicopter pilots look at an obstacle to avoid or a target to be controlled are covered.
Eine Vorrichtung der oben genannten Art, die dieses Problem vermeidet, ist aus der FR 25 17 916 bekannt. Die erste Einheit umfaßt in einem Piloten helm oder dergleichen integrierte teilverspiegelte und vollverspiegelte optische Elemente. Diese sind derart angeordnet, daß ein Betrachter einen Umgebungsausschnitt unmittelbar mit einem Auge in Durchsicht und eingespiegelte Umgebungsausschnittsbilder stereoskopisch betrachten kann. Die Umgebungsausschnittsbilder werden durch zwei ungefähr einen Augenabstand des Betrachters voneinander entfernte Aufnahmevorrich tungen, z. B. Infrarot- und/oder Videokameras, sowie durch wenigstens eine Bildröhre außerhalb des Pilotenhelms oder dergleichen getrennt bereitgestellt und in die optischen Elemente am Helm für die beiden Augen des Betrach ters getrennt eingespiegelt. Dies ermöglicht die stereoskopische mittelbare Betrachtung des Umgebungsausschnitts. Die zweite Einheit führt der wenigstens einen Bildröhre Computer-generierte Bildelemente derart zu, daß sie einem Auge des Betrachters als virtuelles Bild dargestellt werden, welches dem mit diesem Auge mittelbar und/oder unmittelbar betrachteten Umgebungsausschnitt überlagert ist. Da die Computer-generierten Bildelemente nur einem Auge des Betrachters zugeführt werden, wird das Problem der vollständigen Verdeckung des Umgebungsausschnitts vermieden. Allerdings widerspricht das dauernde Betrachten der Bild elemente mit nur einem Auge dem gewohnten Sehen mit beiden Augen.A device of the type mentioned above which avoids this problem is known from FR 25 17 916. The first unit comprises one pilot helmet or the like integrated partially mirrored and fully mirrored optical elements. These are arranged in such a way that an observer can View of the area directly with one eye and view stereoscopic images of surrounding images. The environmental clipping images are separated by approximately two Eye distance of the viewer distant from each other tungen, z. B. infrared and / or video cameras, and by at least one Picture tube separately provided outside the pilot's helmet or the like and into the optical elements on the helmet for the two eyes of the viewer Mirrored separately. This enables the stereoscopic indirect Examination of the environmental section. The second unit is led by at least one picture tube computer-generated picture elements such that they are presented to the eye of the beholder as a virtual image, which is viewed indirectly and / or directly with the eye Surrounding section is overlaid. Because the computer generated Picture elements are only fed to one eye of the viewer, that is Problem of complete masking of the area avoided. However, the constant viewing of the picture contradicts elements with only one eye the usual seeing with both eyes.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Betrachtung der Computer-generierten Bildelemente mit beiden Augen weitgehend ohne ständige Verdeckung von Teilen des Umgebungsausschnitts ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a device to provide the type mentioned above, which the consideration of the Computer-generated image elements with both eyes largely without allows permanent concealment of parts of the environmental section.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zweite Einheit die Bild-Elemente derart stereoskopisch darstellt, daß sie für den Betrachter in einer wahl weise festlegbaren Raumbildtiefe erscheinen und damit bei einer Betrach tung von Gegenständen mit einer anderen Raumbildtiefe allenfalls geringfü gig stören. This object is achieved in that the second unit has the picture elements so stereoscopic that it makes a choice for the viewer wise definable spatial image depth appear and thus with a view objects with a different spatial depth disrupt gig.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen stereoskopischen Darstellung der Bildelemente besteht darin, daß diese mit beiden Augen gleichzeitig betrachtet werden können, was dem gewohnten Sehen des Menschen entspricht.An advantage of the stereoscopic representation of the invention Picture elements is that these are with both eyes at the same time can be considered what the usual human seeing corresponds.
Bevorzugt werden hierbei die Bildelemente in einer sich von einer haupt sächlichen Raumbildtiefe des Umgebungsausschnitts unterscheidenden, am besten näher beim Betrachter liegenden Raumbildtiefe dargestellt, so daß sie vor dem Umgebungsausschnitt liegend erscheinen.In this case, the picture elements are preferred in a different from one main difference in spatial image depth of the surrounding area, at are best represented closer to the viewer, so that they appear lying in front of the area.
Die Darstellung der Bildelemente und des Umgebungsausschnitts in unterschiedlichen Raumbildtiefen vermeidet weitgehend das oben genannte Problem einer gegenseitigen Verdeckung der zugeordneten Bilder. Der Pilot kann nämlich durch Anpassen der Augenparallaxe und erforderlichenfalls Umfokussieren der Augen den Umgebungsausschnitt und die Computer generierten Bildelemente in unterschiedlichen Raumbildtiefen betrachten. Werden die Bildelemente beispielsweise in einer näher beim Betrachter liegenden Raumbildtiefe dargestellt, so treten sie bei Betrachtung weiter weg liegender Details des Umgebungsausschnitts nur wenig störend in Erscheinung - eine Verdeckung dieser Details findet zumindest bei in zum Augenabstand paralleler Richtung nicht allzu großen Bildelementen nicht statt.The representation of the picture elements and the environmental section in different spatial depths largely avoids the above Problem of mutual concealment of the assigned images. The pilot can namely by adjusting the parallax of the eyes and if necessary Refocus the area around the eyes and the computers view generated image elements in different spatial depths. For example, are the picture elements closer to the viewer displayed depth of field, they step further when viewed lying away details of the surrounding area only slightly disturbing Appearance - a concealment of these details takes place at least in in for Interpupillary distance in parallel direction not too large picture elements instead of.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Darstellung der Computer generierten Bildelemente besteht in der Möglichkeit, Bildelemente, die einem im Umgebungsausschnitt befindlichen Gegenstand zugeordnet sind, in einer der tatsächlichen Entfernung des Gegenstands entsprechenden Raumbild tiefe darzustellen.Another advantage of the representation of the computer according to the invention Generated picture elements consists in the possibility to create picture elements that are in the environmental section are assigned in a the spatial image corresponding to the actual distance of the object depict deep.
Um die Erfindung besonders vorteilhaft ausnützen zu können, stellt die zweite Einheit die Bildelemente für den Betrachter vorzugsweise virtuell dar, indem sie diese Bildelemente außerhalb des unmittelbar betrachteten Umgebungsausschnitts erzeugt und mit Hilfe teilverspiegelter und vollver spiegelter optischer Elemente in den unmittelbar betrachteten Umgebungs ausschnitt einspiegelt. Ähnlich der Betrachtung eines weit entfernten Gegenstands in einem nahen Spiegel fokussiert der Betrachter seine Augen hierbei nicht auf das nahe an seinen Augen angebrachte Helmvisier oder dergleichen, sondern auf den weiter entfernt liegenden Ort der Bild erzeugung, was ein entspanntes Betrachten der Bildelemente erlaubt. Die virtuelle Darstellung der Computer-generierten Bildelemente hat ferner den Vorteil, daß der Umgebungsausschnitt weiterhin nahezu ungestört in Durchsicht unmittelbar betrachtet werden kann.In order to be able to use the invention particularly advantageously, the second unit preferably represents the picture elements virtually for the viewer, by placing these picture elements outside of the one directly considered Surrounding section generated and with the help of partially mirrored and fully ver mirrored optical elements in the immediate environment cutout reflected. Similar to looking at a distant one Object in a close mirror, the viewer focuses his eyes not on the helmet visor or close to his eyes the like, but to the more distant place of the picture generation, which allows relaxed viewing of the picture elements. The virtual representation of the computer-generated image elements also has the Advantage that the environmental section continues to be almost undisturbed Review can be viewed immediately.
Die zweite Einheit kann die Bildelemente für den Betrachter aber auch reell darstellen, indem sie die Bildelemente beispielsweise auf zwei vor den Augen des Betrachters angeordneten LCD-Bildschirmen erzeugt. Eine solche besonders einfach aufgebaute Vorrichtung weist aber Nachteile auf: Erstens verhindern die vor den Augen des Betrachters angebrachten Bildschirme weitgehend die unmittelbare Betrachtung des Umgebungsausschnitts. Zweitens müssen die Bildschirme einen von der Sehstärke des Betrachters abhängigen Mindestabstand in der Größenordnung von wenigstens ungefähr 20 cm von seinen Augen aufweisen, damit der Betrachter seine Augen auf die auf den Bildschirmen dargestellten Bildelemente fokussieren kann. Die erfindungsgemäß erforderliche Befestigung der Bildschirme am Helm oder dergleichen führt dann zu einer sehr unhandlichen Vorrichtung. Daher wird im folgenden die oben eingeführte virtuelle Darstellung der Bildelemente beschrieben.The second unit can also make the picture elements real for the viewer represent, for example, on two in front of the picture elements Eyes of the viewer arranged LCD screens. Such However, a particularly simple device has disadvantages: First prevent the screens placed in front of the viewer's eyes largely the direct view of the area. Second, the screens must be one of the viewer's eyesight dependent minimum distance on the order of at least approximately Show 20 cm from his eyes so the viewer can keep his eyes open can focus the picture elements shown on the screens. The according to the invention required attachment of the screens on the helmet or The like then leads to a very bulky device. Therefore in the following the virtual representation of the picture elements introduced above described.
Zur Realisierung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die erste Einheit teilverspiegelte und vorzugsweise zusätzlich auch vollverspiegelte optische Elemente aufweist zur unmittelbaren Betrachtung des Umgebungsaus schnitts in Durchsicht und zur Einspiegelung der Computer-generierten Bildelemente und vorzugsweise von durch wenigstens eine Aufnahmevor richtung, z. B. Infrarot-Kamera oder Bildverstärkerkamera, erhaltenen Umgebungsausschnittsbildern. Vorzugsweise stellt die erste Einheit die Umgebungsausschnittsbilder hierbei stereoskopisch dar, so daß sowohl die Computer-generierten Bildelemente als auch die Umgebungsausschnitts bilder mit räumlichem Tiefeneindruck betrachtet werden können.To implement the invention it is proposed that the first unit partly mirrored and preferably also fully mirrored optical Elements for immediate viewing of the surroundings cuts in review and to reflect the computer-generated Picture elements and preferably by at least one picture direction, e.g. B. infrared camera or image intensifier camera obtained Area clipping pictures. The first unit preferably provides the Area clipping images here stereoscopically, so that both the Computer-generated image elements as well as the environmental section images with spatial depth impression can be viewed.
Zur Vereinfachung des Aufbaus umfaßt die Erfindung vorzugsweise eine elektronische Bildwiedergabeeinrichtung, vorzugsweise Bildröhren, zur gemeinsamen Erzeugung von Umgebungsausschnittsbildern, insbesondere der Infrarot-Kamera, sowie der Computer-generierten Bildelemente. Die gemeinsame Erzeugung der Umgebungsausschnittsbilder und der Computer generierten Bildelemente mit einer einzigen Bildwiedergabeeinrichtung begrenzt den Raumbedarf und das Gewicht der vorzugsweise am Piloten helm oder dergleichen angebrachten Teile der Vorrichtung sowie die Herstellungskosten.To simplify the structure, the invention preferably includes one electronic image display device, preferably picture tubes, for joint generation of environmental detail images, in particular the infrared camera, as well as the computer-generated image elements. The joint generation of the environmental clipping images and the computers generated picture elements with a single image display device limits the space requirement and the weight, preferably on the pilot helmet or the like attached parts of the device and the Manufacturing costs.
In Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Vorrichtung einen mit der Bildwiedergabeeinrichtung verbundenen Rasterbildgenerator für die Umgebungsbilder und einen mit der Bildwiedergabeeinrichtung verbundenen Vektorgraphikgenerator für die Computer-generierten Bildelemente. Als zur Darstellung von Rasterbildern und Vektorgraphiken geeignete Bildwieder gabeeinrichtung können hierbei z. B. "Raster/Stroke"-Röhren eingesetzt werden.In a development of the invention, the device comprises one with the Image display device connected raster image generator for the Surrounding images and one connected to the image display device Vector graphics generator for the computer generated picture elements. As for Representation of raster images and vector graphics suitable images handing device can z. B. "Raster / Stroke" tubes used become.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung ferner eine mit dem Rasterbildgenera tor und dem Vektorgraphikgenerator verbundene Bildsteuereinheit zur Vektorgraphikdarstellung in den Austastlücken einer Raster-Videobildfolge. Die in hinreichend schneller Folge erzeugten Rasterbilder und die in den Austastlücken der Raster-Videobildfolge erzeugten Vektorgraphiken vereinigen sich im Gehirn des Betrachters zu einer gemeinsamen Folge von Umgebungsausschnittsbildern mit hierin sichtbaren Bildelementen. Bei dieser Art der Bilderzeugung kann man die durch die Vektorgraphik dargestellten Computer-generierten Bildelemente von den als Rasterbild dargestellten Umgebungsausschnittsbildern unabhängig kontrollieren.Preferably, the device further comprises one with the raster image generator Tor and the vector graphics generator connected image control unit Vector graphic representation in the blanking areas of a raster video image sequence. The raster images generated in a sufficiently rapid sequence and those in the Blanking gaps in the raster video image sequence produced vector graphics unite in the viewer's brain into a common sequence of Area detail images with image elements visible here. At this The type of image generation can be represented by the vector graphic Computer-generated image elements from those shown as a raster image Check environmental clipping images independently.
Als besonders vorteilhaft erweist sich diese Kontrollmöglichkeit für die Wahl der Raumbildtiefe der Computer-generierten Bildelemente. Sie erfolgt vorzugsweise derart, daß die Bildwiedergabeeinrichtung für jedes Auge eine Bildwiedergaberöhre umfaßt und daß eine Zusatzspannungsquelle vor gesehen ist, welche mit dem Horizontal-Ablenkungsspannungseingang wenigstens einer der beiden Bildwiedergaberöhren verbunden ist zur Beaufschlagung mit einer Horizontalverschiebungsspannung bei Darstellung der Computer-generierten Bildelemente derart, daß diese Bildelemente von der einen Bildwiedergaberöhre an einer Bildposition erzeugt werden, die einen horizontalen Abstand (Parallaxenabstand) von der Bildposition des von der anderen Bildwiedergaberöhre erzeugten Computer-generierten Bild elements aufweist. Der bei einer solchen Vorrichtung gewählte Parallaxen abstand legt die Raumbildtiefe der Computer-generierten Bildelemente fest.This control option for the choice proves to be particularly advantageous the spatial image depth of the computer-generated image elements. It is done preferably such that the image display device has one for each eye Display tube includes and that an auxiliary voltage source in front seen which is with the horizontal deflection voltage input at least one of the two display tubes is connected to the Applying a horizontal displacement voltage in the representation of the computer-generated picture elements such that these picture elements of of the one display tube at an image position which a horizontal distance (parallax distance) from the image position of the of the other display tube generated computer-generated image elements. The parallax chosen in such a device distance defines the spatial image depth of the computer-generated image elements.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, daß die Zusatzspannungsquelle zur Abgabe einer variablen Horizontalverschiebungs spannung ausgebildet ist zur dementsprechenden Veränderung des Parallaxenabstands. Damit können verschiedene Computer-generierte Bildelemente in verschiedenen Raumbildtiefen dargestellt werden. Beispiels weise können alphanumerische Flugführungsinformationen je nach inhaltlicher Zusammengehörigkeit oder anderen ergonomischen Gesichts punkten in unterschiedlichen Raumbildtiefen-Bereichen betrachtet werden. Ferner können Bildelemente, die einem bestimmten, im Umgebungsaus schnitt liegenden Gegenstand zugeordnet sind, in einer der momentanen Entfernung dieses Gegenstands entsprechenden Raumbildtiefe dargestellt werden, wodurch dem Piloten die Orientierung im Gelände erleichtert wird.In a development of the invention, however, it is also possible that the Auxiliary voltage source for delivering a variable horizontal displacement voltage is designed to change the Parallax distance. It can be used to generate various computer generated Picture elements can be displayed in different spatial depths. Example Ways can include alphanumeric flight guidance information depending on content togetherness or other ergonomic face points can be viewed in different spatial depth ranges. Furthermore, picture elements belonging to a certain one can be found in the surroundings intersecting object are assigned in one of the current Distance of this object is shown corresponding spatial depth are made easier for the pilot to find their way around.
Zur Realisierung der oben genannten festen oder variablen Parallaxenver schiebung mittels einer entsprechenden zugeordneten Horizontalver schiebungsspannung ist die Vorrichtung vorzugsweise derart ausgelegt, daß zwei Differenzverstärker vorgesehen sind, von denen der eine ausgangs seitig mit dem Horizontal-Ablenkungsspannungseingang einer der beiden Bildwiedergaberöhren und der andere ausgangsseitig mit dem Horizontal-Ab lenkungsspannungseingang der anderen Bildwiedergaberöhre verbunden ist und daß der Vektorgraphikgenerator und die Zusatzspannungsquelle mit dem positiven bzw. negativen Eingang des einen und mit dem negativen bzw. positiven Eingang des anderen Differenzverstärkers verbunden sind.To implement the above-mentioned fixed or variable parallax ver shift by means of a corresponding assigned horizontal ver the device is preferably designed such that Two differential amplifiers are provided, one of which is output side with the horizontal deflection voltage input one of the two Display tubes and the other output side with the horizontal down steering voltage input of the other display tube connected and that the vector graphics generator and the auxiliary voltage source with the positive or negative input of the one and with the negative or positive input of the other differential amplifier are connected.
Die Erfindung wird im folgenden an bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:The invention is based on preferred embodiments explained using the drawing. It shows:
Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht einer erfindungsgemäßen Vor richtung mit stereoskopischer Darstellung; Figure 1 is a simplified view of a device according to the invention with stereoscopic representation.
Fig. 2 einen dem linken und einen dem rechten Auge eines Betrach ters dargestellten Umgebungsausschnitt mit jeweils eingespie gelten Computer-generierten Bildelementen, die um einen Parallaxenwinkel α gegeneinander versetzt sind; Fig. 2 shows a left and a right eye of a viewer view of the surrounding area, each with input computer-generated image elements that are offset by a parallax angle α;
Fig. 3 eine Schemazeichnung des elektronischen und optischen Aufbaus einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Bildwiedergabeeinrichtung zwei Rasterbildröhren umfaßt; Fig. 3 is a schematic drawing of the electronic and optical structure of an embodiment of the invention, wherein the image display device comprises two raster picture tubes;
Fig. 4 eine Schemazeichnung ähnlich Fig. 3, jedoch mit einer zwei Raster/Stroke-Röhrenumfassenden Bildwiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Computer-generierten Bildelemente mit festem Parallaxenabstand; Fig. 4 is a schematic drawing similar to Figure 3, but with a two raster / stroke tube Comprehensive image reproduction device for displaying the computer generated picture elements with fixed Parallaxenabstand.
Fig. 5 eine Schemazeichnung ähnlich Fig. 4, jedoch mit einer zwei Raster/Stroke-Röhrenumfassenden Bildwiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Computer-generierten Bildelemente mit variablem Parallaxenabstand. Fig. 5 is a schematic diagram similar to FIG. 4, but with a two raster / stroke tube Comprehensive image reproduction device for displaying the computer generated image elements of variable Parallaxenabstand.
Die in Fig. 1 vereinfacht dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfaßt einen Helm 12, der vom Piloten getragen wird. Im vorderen Bereich des Helms sind teilverspiegelte und vollverspiegelte optische Elemente 14 angebracht. Sie erlauben die stereoskopische unmittelbare Betrachtung eines Umgebungsausschnitts in Durchsicht sowie von eingespiegelten Bildern, die durch eine anhand der Fig. 3 bis 5 beschriebene Bildwieder gabeeinrichtung 16 erzeugt werden. Die Bildwiedergabeeinrichtung 16 ist in zwei seitlich am Helm angebrachten Seitengehäusen 18L (links) und 18R (rechts) angeordnet. Das linke und das rechte Seitengehäuse 18L bzw. 18R enthalten jeweils eine Bildverstärkerkamera 20L bzw. 20R (in Fig. 3-5 gezeigt), die durch je eine in jedem Seitengehäuse 18L bzw. 18R in Betrachtungsrichtung gelegene Öffnung 22L bzw. 22R den Umgebungsaus schnitt erfaßt. Die Bildwiedergabeeinrichtung 16 ist durch ein mehradriges Kabel 24 zur Übertragung von Steuersignalen mit einer anhand der Fig. 3-5 beschriebenen Generatoreinheit 26 (GEN) verbunden. In dem mehradrigen Kabel 24 können ferner die Stromversorgungsleitungen für die Bildwieder gabeeinrichtung 16 und für die Bildverstärkerkameras 20L und 20R untergebracht sein.The device 10 according to the invention, shown in simplified form in FIG. 1, comprises a helmet 12 which is worn by the pilot. Partially mirrored and fully mirrored optical elements 14 are attached in the front area of the helmet. They allow the stereoscopic direct viewing of a detail of the surroundings by looking through and of reflected images which are generated by an image reproduction device 16 described with reference to FIGS . 3 to 5. The image display device 16 is arranged in two side housings 18 L (left) and 18 R (right) attached to the helmet. The left and right side housings 18 L and 18 R each contain an image intensifier camera 20 L and 20 R (shown in FIGS. 3-5) through an opening 22 located in each side housing 18 L and 18 R in the viewing direction L or 22 R recorded the environmental cut. The image display device 16 is connected by a multi-core cable 24 for the transmission of control signals to a generator unit 26 (GEN) described with reference to FIGS. 3-5. In the multi-core cable 24 , the power supply lines for the image reproduction device 16 and for the image intensifier cameras 20 L and 20 R can also be accommodated.
Die Generatoreinheit 26 ist mit einer Aufnahmevorrichtung 28 verbunden, bei der es sich z. B. um eine IR-(Infrarot)-Kamera oder um eine Bildver stärker-Kamera handeln kann. Sie ist fest am Hubschrauber oder dergleichen angebracht und dient zur mittelbaren Betrachtung des Umgebungsaus schnitts. So kann der Umgebungsausschnitt z. B. in einem ursprünglich nicht sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts erfaßt und in Form eingespiegel ter Umgebungsausschnittsbilder dargestellt werden. Ferner kann eine entfernungsempfindliche Aufnahmevorrichtung 28 eingesetzt werden, z. B. eine im nahen Infrarot- oder Millimeterwellenbereich operierende Radarvor richtung, die den Umgebungsausschnitt mit einem entsprechenden Strahl abtastet. Mittels Laufzeitmessungen kann dann die Entfernung von im Umgebungsausschnitt liegenden Objekten wie z. B. Hindernissen oder Zielen bestimmt werden. Diese Gegenstände können somit als Computer generierte Bildelemente im Umgebungsausschnitt in der richtigen Raumbild tiefe "nachgezeichnet" oder mit deutlichen Warnungs- oder Zielsymbolen markiert werden (siehe Fig. 2), um dem Piloten ihre Erkennung zu erleich tern.The generator unit 26 is connected to a receiving device 28 , which is, for. B. can be an IR (infrared) camera or an image intensifier camera. It is firmly attached to the helicopter or the like and is used for indirect viewing of the environmental section. So the environmental section z. B. detected in an originally invisible wavelength range of light and shown in the form of mirrored ter environmental detail images. Furthermore, a distance-sensitive recording device 28 can be used, e.g. B. an operating in the near infrared or millimeter wave range Radarvor direction, which scans the area with a corresponding beam. The distance from objects in the surrounding area such as e.g. B. obstacles or goals can be determined. These objects can thus be "drawn" as computer-generated image elements in the surrounding area in the correct spatial image or marked with clear warning or target symbols (see FIG. 2) in order to make it easier for the pilot to recognize them.
Die Generatoreinheit 26 wird durch eine Bildsteuereinheit 30 ("mission computer", MC) kontrolliert, welche wiederum von einer Navigationsanlage 32 (NAV) mit Informationen (insbesondere Flugführungsinformationen wie z. B. Flughöhe, Fluggeschwindigkeit, künstlicher Horizont etc.) versorgt wird, die dem Piloten als eingespiegelte Computer-generierte Bildelemente bereitgestellt werden.The generator unit 26 is controlled by an image control unit 30 (“mission computer”, MC), which in turn is supplied by a navigation system 32 (NAV) with information (in particular flight guidance information such as flight altitude, flight speed, artificial horizon, etc.) that are made available to the pilot as mirrored computer-generated image elements.
Fig. 2 erläutert die stereoskopische Betrachtung des Umgebungsausschnitts und der Computer-generierten Bildelemente. Dem linken Auge 34L und dem rechten Auge 34R des Piloten werden ein linkes Bild BL bzw. ein rechtes Bild BR bereitgestellt, die jeweils den Umgebungsausschnitt und Computer generierte Bildelemente enthalten. Fig. 2, the stereoscopic viewing of the ambient cutout and the computer-generated picture elements explained. The left eye 34 L and the right eye 34 R of the pilot are provided with a left image BL and a right image BR, each of which contains the environmental detail and computer-generated image elements.
Der Umgebungsausschnitt kann dabei sowohl unmittelbar in Durchsicht als auch mittelbar in Form von Umgebungsausschnittsbildern betrachtet werden, die durch die Bildverstärkerkameras 20L und 20R oder durch die Bildwiedergabeeinrichtung 16 erzeugt und mit Hilfe der optischen Elemente 14 eingespiegelt werden.The environmental detail can be viewed both directly and indirectly in the form of environmental detail images that are generated by the image intensifier cameras 20 L and 20 R or by the image display device 16 and reflected with the aid of the optical elements 14 .
Ferner enthalten das linke Bild BL und das rechte Bild BR Computer generierte Bildelemente, die von der Bildwiedergabeeinrichtung 16 derart erzeugt werden, daß die Position dieser Bildelemente im linken Bild BL einen horizontalen Abstand (Parallaxenabstand) von der Position der Bildelemente im rechten Bild BR aufweist. Damit wird kein Teil des im "Unendlichen" liegenden Umgebungsausschnitts in beiden Bildern gleichzeitig durch die Computer-generierten Bildelemente verdeckt. Der resultierende Parallaxen winkel α, unter dem sich die Blickrichtungen des linken Auges 34L und des rechten Auges 34R zu den zugeordneten Computer-generierten Bild elementen schneiden, bestimmt die Raumbildtiefe, in der die Computer generierten Bildelemente dem Betrachter erscheinen: Je kleiner α, desto größer ist die Raumbildtiefe, in der das Bild erscheint. Die in Fig. 2 im "Unendlichen" liegende Landschaft im Umgebungsausschnitt wird durch α = 0° beschrieben.Furthermore, the left image BL and the right image BR contain computer-generated image elements which are generated by the image display device 16 such that the position of these image elements in the left image BL has a horizontal distance (parallax distance) from the position of the image elements in the right image BR. In this way, no part of the environmental section lying in the "infinite" is concealed in both images simultaneously by the computer-generated image elements. The resulting parallax angle α, at which the viewing directions of the left eye 34 L and the right eye 34 R intersect with the assigned computer-generated image elements, determines the spatial image depth at which the computer-generated image elements appear to the viewer: The smaller α, the greater the spatial depth in which the image appears. The landscape in the environmental section lying in "infinity" in FIG. 2 is described by α = 0 °.
Fig. 2 zeigt ferner Computer-generierte Bildelemente in Form eines Blitzes in beiden Bildern BL und BR, mit denen in der oben beschriebenen Weise ein im Umgebungsausschnitt liegender Mast zur Hinderniswarnung markiert ist. FIG. 2 also shows computer-generated picture elements in the form of a flash in both pictures BL and BR, with which a mast lying in the surrounding area is marked for obstacle warning in the manner described above.
Der Pilot kann durch Anpassen der Augenparallaxe und erforderlichenfalls Umfokussieren der Augen 34L und 34R den Umgebungsausschnitt und die Computer-generierten Bildelemente in unterschiedlichen Raumbildtiefen betrachten, ohne durch die bei Darstellung in der gleichen Raumbildtiefe auftretende gegenseitige Verdeckung der Bilder Information zu verlieren. Hierbei fokussiert der Betrachter seine Augen 34L und 34R bei unmittelbarer Betrachtung des Umgebungsausschnitts auf die der momentanen Entfer nung der im Umgebungsausschnitt liegenden Gegenstände entsprechende Raumbildtiefe. Bei mittelbarer Betrachtung des Umgebungsausschnitts mit Hilfe der Bildverstärkerkameras 20L und 20R oder der Bildwiedergabeein richtung 16 werden die Augen 34L und 34R hingegen auf die Entfernung der entsprechenden Bildvorrichtung fokussiert. Ebenso bedeutet eine Betrachtung der Computer-generierten Bildelemente eine Fokussierung der Augen 34L und 34R auf die Bildwiedergabeeinrichtung 16. Wenn man daher die Länge der Strahlengänge zwischen den Bildverstärkerkameras 20L und 20R und den Augen 34L bzw. 34R sowie zwischen der Bildwiedergabeein richtung 16 und den Augen 34L bzw. 34R gleich gestaltet, können außer dem unmittelbar in Durchsicht betrachteten Umgebungsausschnitt alle Bilder (erzeugte Umgebungsausschnittsbilder und Computer-generierte Bild elemente) ohne Umfokussieren der Augen 34L und 34R betrachtet werden. Ein unterschiedlicher Raumbildtiefeneindruck dieser bei gleicher Augen fokussierung betrachteten Bilder ist dann nur auf ihre unterschiedlichen Parallaxeneigenschaften zurückzuführen.By adjusting the parallax of the eyes and, if necessary, refocusing the eyes 34 L and 34 R, the pilot can view the surrounding area and the computer-generated image elements in different spatial depths without losing information due to the mutual concealment of the images that occur when the same spatial image depth is displayed. Here, the viewer focuses his eyes 34 L and 34 R on the immediate view of the surrounding area to the spatial image depth corresponding to the current distance of the objects lying in the surrounding area. In the case of indirect observation of the surrounding area with the aid of the image intensifier cameras 20 L and 20 R or the image reproduction device 16 , the eyes 34 L and 34 R, however, are focused on the distance of the corresponding image device. Likewise, viewing the computer-generated image elements means focusing the eyes 34 L and 34 R on the image display device 16 . If, therefore, the length of the beam paths between the image intensifier cameras 20 L and 20 R and the eyes 34 L and 34 R as well as between the image reproduction device 16 and the eyes 34 L and 34 R are made the same, besides the immediate view of the surrounding area all images (generated environmental detail images and computer-generated image elements) can be viewed without refocusing the eyes 34 L and 34 R. A different spatial image depth impression of these images viewed with the same eye focus can then only be attributed to their different parallax properties.
Anhand der Fig. 3-5 werden im folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Realisierung der in Fig. 2 gezeigten stereoskopischen Darstellung vorgestellt.With reference to FIGS. 3-5 in the following preferred embodiments of the invention are presented for realizing the stereoscopic display as shown in Fig. 2.
In den Fig. 3-5 sind die oben genannte erste Einheit (10A) zur unmittelbaren und/oder mittelbaren Betrachtung des Umgebungsausschnitts durch eine gestrichelte Umrandung und die zweite Einheit (10B) zur Darstellung der Computer-generierten Bildelemente durch eine strichpunktierte Umrandung markiert.In FIGS. 3-5, the above-mentioned first unit (10 A) for direct and / or indirect observation of the surroundings cut by a dashed border and the second unit (10 B) for displaying the computer generated marked pixels by a dot-dash outline .
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform umfaßt die Bildwieder gabeeinrichtung 16 eine linke Bildröhre 16L und eine rechte Bildröhre 16R, die mit einem linken bzw. einem rechten Rasterbildgenerator 36L bzw. 36R (Symbolgenerator, SG) der Generatoreinheit 36 verbunden sind. Beide Rasterbildgeneratoren 36L und 36R sind mit der Aufnahmevorrichtung 28 und der Bildsteuereinheit 30 verbunden, welche von der Navigationsanlage 32 Daten empfängt, die als Computer-generierte Bildelemente dargestellt werden.In the embodiment shown in Fig. 3 embodiment, the picture comprises display device 16 is a left picture tube 16 L and a right picture tube 16 R, which are connected to a left and a right raster image generator 36 L and 36 R (symbol generator, SG) of the generator unit 36 . Both raster image generators 36 L and 36 R are connected to the recording device 28 and the image control unit 30 , which receives data from the navigation system 32 which are represented as computer-generated image elements.
Der linke und der rechte Rasterbildgenerator 36L bzw. 36R steuern die linke bzw. die rechte Bildröhre 16L bzw. 16R derart, daß diese jeweils den Umgebungsausschnitt und die Computer-generierten Bildelemente als linkes bzw. rechtes Rasterbild BL bzw. BR darstellen. Die Information über den zur Einstellung der gewünschten Raumbildtiefe der Computer-generierten Bildelemente erforderlichen Parallaxenabstand zwischen den Computer generierten Bildelementen des linken und des rechten Bildes BL bzw. BR ist in dieser Ausführungsform der Erfindung im Steuersignal der Bildsteuer einheit 30 bzw. im Signal der Aufnahmevorrichtung 28 enthalten.The left and right raster image generators 36 L and 36 R control the left and right picture tubes 16 L and 16 R, respectively, in such a way that they each represent the environmental detail and the computer-generated picture elements as left and right raster images BL and BR . In this embodiment of the invention, the information about the parallax distance between the computer-generated image elements of the left and right image BL or BR required for setting the desired spatial image depth of the computer-generated image elements is in the control signal of the image control unit 30 or in the signal of the recording device 28 contain.
Die von den beiden Bildröhren 16L und 16R erzeugten Rasterbilder werden über die optischen Elemente 14 ebenso in das linke bzw. in das rechte Auge 34L bzw. 34R des Piloten eingespiegelt wie die von der linken und rechten Bildverstärkerkamera 20L bzw. 20R erfaßten Umgebungsausschnitte.The raster images generated by the two picture tubes 16 L and 16 R are reflected via the optical elements 14 into the left and right eyes 34 L and 34 R of the pilot as well as those from the left and right image intensifier cameras 20 L and 20 R captured environmental sections.
Die in Fig. 4 gezeigte zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten, vor allem durch ihre Bildwiedergabeein richtung 16 und ihre Generatoreinheit 26. Die Bildwiedergabeeinrichtung 16 umfaßt eine linke und eine rechte Raster/Stroke-Röhre 16L bzw. 16R zur jeweiligen Erzeugung einer Vektorgraphik in den Austastlücken einer Raster-Vi deobildfolge. Beide Raster/Stroke-Röhren 16L und 16R erzeugen ein Rasterbild des von der Aufnahmevorrichtung 28 erfaßten Umgebungsaus schnitts. Hierzu ist ein Rasterbildgenerator 38 eingangsseitig mit der Aufnahmevorrichtung 28 und der Bildsteuereinheit 30 und ausgangsseitig mit den beiden Raster/Stroke-Röhren 16L und 16R verbunden. In den Austastlücken der Raster-Bildfolge erzeugen die Raster/Stroke-Röhren 16L und 16R die Computer-generierten Bildelemente als Vektorgraphik. Zur entsprechenden Ansteuerung ist ein Vektorgraphikgenerator 40 eingangs seitig mit der Aufnahmevorrichtung 28 und der Bildsteuereinheit 30 und ausgangsseitig mit den Vertikal-Ablenkungsspannungseingängen der beiden Raster/Stroke-Röhren 16L und 16R verbunden sowie mit dem Rasterbildge nerator 38 synchronisiert. Zur Erzeugung des gewünschten Parallaxen abstands der Computer-generierten Bildelemente ist eine Zusatzspannungs quelle 42 (U) mit dem positiven Eingang und der Vektorgraphikgenerator 40 mit dem negativen Eingang eines linken Differenzverstärkers 44L verbunden, der ausgangsseitig an den Horizontal-Ablenkungsspannungseingang der linken Raster/Stroke-Röhre 16L angeschlossen ist. Außerdem ist die Zusatzspannungsquelle 42 mit dem negativen Eingang und der Vektor graphikgenerator 40 mit dem positiven Eingang eines rechten Differenzver stärkers 44R verbunden, der ausgangsseitig an den Horizontal-Ablenkungs spannungseingang der rechten Raster/Stroke-Röhre 16R angeschlossen ist. Durch die entsprechende Beaufschlagung der Horizontal-Ablenkungs spannungseingänge der linken und der rechten Raster/Stroke-Röhre 16L bzw. 16R mit festen, unterschiedlichen Horizontal-Verschiebungsspannun gen werden die im linken Bild BL und im rechten Bild BR festen, unter schiedlichen Bildpositionen der Computer-generierte Bildelemente und somit ihr fester Parallaxenabstand und ihre feste Raumbildtiefe eingestellt.The second embodiment of the invention shown in FIG. 4 differs from that shown in FIG. 3, primarily by its image reproduction device 16 and its generator unit 26 . The image display device 16 comprises a left and a right raster / stroke tube 16 L and 16 R respectively for generating a vector graphic in the blanking intervals of a raster video image sequence. Both raster / stroke tubes 16 L and 16 R generate a raster image of the area captured by the recording device 28 . For this purpose, a raster image generator 38 is connected on the input side to the recording device 28 and the image control unit 30 and on the output side to the two raster / stroke tubes 16 L and 16 R. In the blanking intervals of the raster image sequence, the raster / stroke tubes 16 L and 16 R generate the computer-generated image elements as vector graphics. For the corresponding control, a vector graphics generator 40 is connected on the input side to the receiving device 28 and the image control unit 30 and on the output side to the vertical deflection voltage inputs of the two raster / stroke tubes 16 L and 16 R and is synchronized with the raster image generator 38 . To generate the desired parallax distance of the computer-generated picture elements, an additional voltage source 42 (U) is connected to the positive input and the vector graphics generator 40 is connected to the negative input of a left differential amplifier 44 L, which on the output side is connected to the horizontal deflection voltage input of the left raster / stroke - 16 L tube is connected. In addition, the additional voltage source 42 is connected to the negative input and the vector graphics generator 40 to the positive input of a right-hand amplifier 44 R which is connected on the output side to the horizontal deflection voltage input of the right raster / stroke tube 16 R. By appropriately loading the horizontal deflection voltage inputs of the left and right grid / stroke tubes 16 L and 16 R with fixed, different horizontal displacement voltages, the conditions in the left image BL and in the right image BR are different, under different image positions Computer-generated image elements and thus their fixed parallax distance and their fixed spatial image depth are set.
In der in Fig. 5 gezeigten Weiterbildung der Erfindung ist die in der Ausführungsform von Fig. 4 vorgestellte Zusatzspannungsquelle 42 als Erweiterung des Vektorgraphikgenerators 40 zur Abgabe einer variablen Horizontal-Verschiebungsspannung ausgelegt. Dies erlaubt die Darstellung der Computer-generierten Bildelemente mit variablen Parallaxenabständen und somit variablen Raumbildtiefen. Damit können z. B. Soll- und lst-Werte von Flugführungsdaten als Computer-generierte Bildelemente in unter schiedlichen Raumbildtiefen-Bereichen dargestellt werden. Ferner ist es z. B. bei Verwendung einer entfernungsempfindlichen Aufnahmevorrichtung 28 möglich, im Umgebungsausschnitt liegende, von der Aufnahmevorrichtung 28 erfaßte Gegenstände, insbesondere Hindernisse wie z. B. Überlandleitun gen oder einzeln stehende Masten, als Bildelemente in der richtigen Raumbildtiefe darzustellen, die ihrer tatsächlichen momentanen Entfernung entspricht.In the development of the invention shown in FIG. 5, the additional voltage source 42 presented in the embodiment of FIG. 4 is designed as an extension of the vector graphics generator 40 for delivering a variable horizontal displacement voltage. This allows the representation of the computer-generated image elements with variable parallax distances and thus variable spatial image depths. So z. B. target and actual values of flight guidance data are displayed as computer-generated image elements in different spatial image depth areas. Furthermore, it is e.g. B. possible when using a distance-sensitive recording device 28 , lying in the surrounding area, detected by the recording device 28 objects, in particular obstacles such. B. Überlandleitun conditions or individually standing masts, as picture elements in the correct spatial depth, which corresponds to their actual current distance.
Insgesamt erhält man eine Vorrichtung 10, die in ihren vorstehend beschriebenen Varianten die stereoskopische Betrachtung eines Umge bungsausschnitts sowie hierin eingespiegelter Computer-generierter Bildelemente ermöglicht, ohne daß sich diese Bilder ständig gegenseitig verdecken. Der Betrachter kann durch Anpassen der Augenparallaxe und erforderlichenfalls Umfokussieren der Augen 34L und 34R den Umgebungs ausschnitt und die Computer-generierten Bildelemente in unterschiedlichen Raumbildtiefen betrachten, ohne durch die bei Darstellung in einer einzigen Raumbildtiefe auftretende gegenseitige Verdeckung der Bilder Information zu verlieren.Overall, a device 10 is obtained which, in the variants described above, enables stereoscopic viewing of a surrounding detail and computer-generated image elements reflected therein without these images constantly obscuring one another. By adjusting the parallax of the eyes and, if necessary, refocusing the eyes 34 L and 34 R, the viewer can cut out the surrounding area and view the computer-generated image elements in different spatial depths without losing information due to the mutual concealment of the images that occurs when displaying in a single spatial image depth.
Die Erfindung ist nicht auf eine Verwendung in dem beispielhaft genannten Pilotenhelm beschränkt, sondern kann vielmehr bei jedem Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug verwendet werden, bei dessen Betrieb man es vermeiden möchte, zum Betrachten von Fortbewegungs- oder Zielinformationen den Kopf in die Richtung von separaten Anzeigevorrichtungen zu drehen und damit den Umgebungsausschnitt momentan aus den Augen zu verlieren.The invention is not intended for use in the example Pilot helmet limited, but rather can be with any air, water or Land vehicle are used, the operation of which one should avoid would like to view travel or destination information Turn head in the direction of separate display devices and to lose sight of the surrounding area at the moment.
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