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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer
Szene bzw. eines Gegenstandes mit einer Bildwiedergabeeinrichtung
zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen,
die in definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten
der Szene bzw. des Gegenstandes repräsentieren, wobei vorzugsweise
von den Bildelementen Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen
abgestrahlt wird und mit einem Filterarray, das bezogen auf die
Blickrichtung eines Betrachters der Bildwiedergabeeinrichtung in
einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das
Filterarray eine Vielzahl von feldartig angeordneten Neutralfiltern
zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der Lichtintensität mit jeweils
gegebenem Transmissionsgrad und optional in bestimmten Wellenlängenbereichen lichtdurchlässige Filterelemente
umfasst. Dabei sind die einzelnen Filter derart angeordnet, dass
für das
von der Bildwiedergabeeinrichtung abgestrahlte Licht Ausbreitungsrichtungen
derart vorgegeben sind, dass an einem ersten Beobachtungsort überwiegend
Informationen einer ersten Gruppe bzw. Auswahl von Ansichten und
an einem zweiten Beobachtungsort in einem Augenabstand von dem ersten
Beobachtungsort überwiegend
Informationen einer zweiten Gruppe bzw. Auswahl von Ansichten wahrnehmbar
sind, wobei eine Vielzahl solcher Orte und Gruppen bzw. Auswahlen
existiert.
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Derartige
Anordnungen eignen sich beispielsweise dazu, in einem autostereoskopischen
Verfahren Gegenstände,
Landschaften, Einblicke in das Innere von Körpern und andere Dinge für einen
Betrachter räumlich
wahrnehmbar darzustellen.
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Vielen
autostereoskopischen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, mehrere
verschiedene Perspektivansichten des Gegenstandes bzw. der Szene
gleichzeitig optisch wiederzugeben, durch geeignete Massnahmen jedem
Auge eines Betrachters jedoch jeweils nur eine Auswahl dieser Perspektivansichten
getrennt sichtbar zu machen. Hierdurch entsteht ein parallaktischer
Effekt, der dem Betrachter eine räumliche Wahrnehmung mit deutlicher
Tiefenstaffelung erlaubt.
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Bei
diesen Verfahren treten als unerwünschte Nebenwirkungen pseudoskopische
Erscheinungen mit der Folge auf, dass der Betrachter ein bezüglich der
räumlichen
Tiefe umgekehrtes und damit unrealistisches Bild sieht. Zudem können weitere
Störungen
in Form von Moiré-Streifen entstehen.
Die vorgenannten Erscheinungen lassen sich durch zusätzliche
Massnahmen verringern, durch welche sich jedoch die Anordnung verteuert
oder hinsichtlich ihrer Benutzbarkeit nachteilig beeinträchtigt wird.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine autostereoskopische
Darstellung zu ermöglichen,
die einerseits möglichst
aus allen Betrachtungspositionen für mehrere Betrachter ein orthoskopisches,
moiré-armes
Bild darbietet und andererseits – auch für grossformatige Bildwiedergabeeinrichtungen – preiswert
zu realisieren ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Anordnung zur räumlichen
Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes, umfassend
- – eine
Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere einen Flachbildschirm (1),
zur Wiedergabe eines Bildarrays aus einer Vielzahl von Bildelementen αij, die in
definierter Zuordnung Informationen aus mehreren Ansichten der Szene/des
Gegenstandes repräsentieren,
wobei von den Bildelementen Licht in vorzugsweise verschiedenen
Wellenlängenbereichen
abgestrahlt wird,
- – mindestens
ein Filterarray (2), das bezogen auf die Blickrichtung
eines Betrachters (5) der Bildwiedergabeeinrichtung in
einem vorgegebenen Abstand z vor- oder nachgeordnet ist, wobei das
Filterarray jeweils eine Vielzahl von Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der
Lichtintensität
mit jeweils gegebenem Transmissionsgrad und optional in bestimmten
Wellenlängenbereichen
lichtdurchlässige
Filterelemente umfasst, so dass für das von den Bildelementen αij abgestrahlte
Licht Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden,
- – wobei
sich die Ausbreitungsrichtungen innerhalb eines Betrachtungsraumes
(4), in dem sich der/die Betrachter (5) aufhalten,
in einer Vielzahl von Schnittpunkten, die jeweils einer Betrachtungsposition
entsprechen, kreuzen, wodurch von jeder Betrachtungsposition aus
ein Betrachter (5) mit einem Auge überwiegend Teilinformationen
einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Teilinformationen
einer zweiten Auswahl aus den Ansichten Ak (k
= 1 ... n) optisch wahrnimmt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Filter
auf dem Array nicht nur im Hinblick auf die Durchlasseigenschaften
ihrer einzelnen Wellenlängenfilter
statisch, sondern weiterhin auch als passive, d. h. ohne jegliche
elektrische Energie auskommende Filter ausgebildet. Filterarrays
können
als dünnwandige
Platten oder Folien hergestellt werden, in welche die gewünschte Struktur
der einzelnen Neutral- bzw. Wellenlängenfilter dauerhaft eingeprägt ist.
Die Verwendung derartiger Filterarrays erlaubt eine erhebliche Kosteneinsparung
gegenüber
als Filterarrays verwendeten Farb-LC-Displays.
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Bevorzugt
bestehen die Filterarrays aus Neutralfiltern zur wellenlängenunabhängigen Schwächung der
Lichtintensität,
wobei für
jedes Filter ein bestimmter Transmissionsgrad gegeben ist. Bevorzugt
kommen die Transmissionsgrade 0%, 25%, 50%, 75% und 100% zum Einsatz.
Damit kann gegenüber
bekannten Schwarz-Weiss-Barrieren aufgrund der in der Summe grösseren Lichtdurchlässigkeit
die Lesbarkeit von dargestelltem Text erheblich verbessert werden.
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Optional
können
für Licht
bestimmter Wellenlängenbereiche
durchlässige
Filter, die sogenannten Wellenlängenfilter,
vorgesehen sein. Vorzugsweise sind diese Filter in einem der drei
Farbbereiche rot, grün
oder blau transparent. Es können
beispielsweise auch Wellenlängenfilter
verwendet werden, die in je zwei der Farbbereiche rot, grün oder blau
transparent sind.
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Überdies
können
einige der Filter auch als kombinierte Neutral- und Wellenlängenfilter,
d. h. mit wellenlängenabhängigen Transmissionsgraden,
ausgebildet sein. Konkret bedeutet dies, dass die entsprechenden
Filter mit derartigen Transmissionseigenschaften nur Licht bestimmter
Transparenzwellenlängenbereiche passieren
lassen und dessen Intensität
gleichzeitig auch abschwächen.
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Allgemein
fast der Begriff "Transmissionseigenschaften" die eben beschriebenen
möglichen
Eigenschaften der Filter zusammen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Bildwiedergabeeinrichtung
ein Flachbildschirm, insbesondere ein Farb-LC-Display, mit separat
ansteuerbaren Subpixeln vorgesehen, wobei jeweils ein Subpixel einem
Bildelement entspricht.
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Ein
Bildelement αij
ist in diesem Zusammenhang eine selbstleuchtende oder beleuchtete
Fläche
geringer Grösse
mit einem Flächeninhalt
von etwa 10.000 mu m<2> bis zu einigen mm<2>, auf der ein geringer Ausschnitt
einer der Ansichten Ak (k = 1 ... n), im
folgenden als Teilinformation einer solchen Ansicht Ak (k
= 1 ... n) bezeichnet, an der Stelle i, j wiedergegeben werden kann.
Vorteilhaft kann mit dem Indexpaar i, j auch die Position in der
Ansicht Ak bezeichnet sein, von der die
Teilinformation stammt, die auf dem Bildelement αij wiedergegeben wird – sofern
auch die Ansichten Ak (k = 1 ... n) in Raster
aus Zeilen j und Spalten i gegliedert sind.
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Von
jeder Betrachtungsposition aus nimmt ein Betrachter mit einem Auge überwiegend
Bildelemente αij
einer ersten Auswahl und mit dem anderen Auge überwiegend Bildelemente αij einer
zweiten Auswahl aus den Ansichten Ak (k
= 1 ... n) wahr.
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Unter
einer Auswahl aus den Ansichten Ak (k =
1 ... n) sind die Ansichten Ak zu verstehen,
deren Bildelemente αij
entweder überwiegend
für das
eine oder für
das andere Auge sichtbar sein sollen. Beispielsweise können die
Ausbreitungsrichtungen für
Licht, das von Bildelementen αij
kommt, auf denen Teilinformationen der (einer ersten Auswahl entsprechenden)
Ansichten Ak (k = 1 ... 2) dargestellt sind,
so vorgegeben werden, dass dieses Licht bzw. diese Teilinformationen überwiegend
das linke Auge eines sich im Betrachtungsraum aufhaltenden Betrachters
erreichen, während
die Ausbreitungsrichtungen für
das Licht, das von Bildelementen αij
kommt, auf denen Teilinformationen einer zweiten Auswahl von Ansichten
Ak (k = 5 ... 6) dargestellt sind, so vorgegeben
werden, dass dieses Licht bzw. diese Teilinformationen überwiegend
in das rechte Auge desselben Betrachters gelangen. In diesem Falle
umfasst demnach die erste, für
das linke Auge vorgesehene beispielhafte Auswahl die Ansichten A1
und A2. Die zweite, für
das rechte Auge vorgesehene beispielhafte Auswahl würde hierbei
die Ansichten A5 und A6 umfassen.
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Darunter
sind ausdrücklich
auch solche Fälle
zu verstehen, in denen das von einem Bildelement αij kommende
Licht nicht vollständig,
sondern nur zum Teil in das betreffende Auge des Betrachters gelangt,
was beispielhaft bei partieller Abdeckung eines Bildelementes αij, etwa
durch Anordnungsteile, denkbar ist.
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Die
Bedingung, dass ein Auge "überwiegend" Bildelemente αij bzw. auf
diesen Bildelementen αij
wiedergegebene Teilinformationen wahrnimmt, ist auch dann erfüllt, wenn
dieses Auge beispielsweise 80% der Bildelemente αij sieht, die Teilinformationen
der Ansicht A1 wiedergeben, während
das andere Auge zwar ebenfalls solche Bildelemente αij, die Teilinformationen
der Ansicht A1 wiedergeben, sehen kann, jedoch deutlich weniger
als 80%.
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Bevorzugt
werden die Ausbreitungsrichtungen durch eine Vielzahl von Filtern βpq des Filterarrays
vorgegeben, wobei jeweils ein Bildelement αij mit mehreren zugeordneten
Filtern βpq
oder ein Filter βpq
mit mehreren zugeordneten Bildelementen αij derart korrespondiert, dass
jeweils die Verbindungsgerade zwischen der Flächenmitte des sichtbaren Abschnittes
eines Bildelementes αij
und der Flächenmitte
des sichtbaren Abschnittes eines Filters βpq einer Ausbreitungsrichtung
entspricht.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn die Filter βpq in Arrays mit Zeilen q und
Spalten p angeordnet und eines oder mehrere solcher Arrays dem Raster
mit den Bildelementen αij,
bezogen auf die Blickrichtung eines Betrachters, in einem festen
Abstand z vor- und/oder nachgeordnet sind.
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Zwecks
Vorgabe der Ausbreitungsrichtungen werden den Bildelementen αij, die zugeordnete
Teilinformationen der Ansichten Ak (k =
1 ... n) wiedergeben, genau definierte Positionen i, j auf dem Raster
zugewiesen. Den Filtern βpq,
die mit diesen Bildelementen βij
korrespondieren sollen, werden definierte Positionen p, q auf dem
Array zugewiesen. Die Ausbreitungsrichtungen ergeben sich dann aus
den Positionen der Bildelemente αij
auf dem Raster und den Positionen der korrespondierenden Filter βpq auf dem
Array in Verbindung mit dem Abstand z zwischen dem Raster und dem
Array.
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Die
Zuordnung von Teilinformationen der Ansichten Ak (k
= 1 ... n) zu Bildelementen αij
wie auch die Positionierung dieser Bildelemente αij auf dem Raster kann nach
folgender Funktion vorgenommen werden
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Hierin
sind bezeichnet mit
- – der Index eines Bildelementes αij in einer
Zeile des Rasters,
- – j
der Index eines Bildelementes αij
in einer Spalte des Rasters,
- – k
die fortlaufende Nummer der Ansicht Ak (k
= 1 ... n), aus der die Teilinformation stammt, die auf einem bestimmten
Bildelement αij
wiedergegeben werden soll,
- – n
die Gesamtzahl der jeweils verwendeten Ansichten Ak (k
= 1 ... n)
- – cij
eine wählbare
Koeffizientenmatrix zur Kombination bzw. Mischung der verschiedenen
von den Ansichten Ak (k = 1 ... n) stammenden
Teilinformation auf dem Raster und
- – IntegerPart
eine Funktion zur Erzeugung der grössten ganzen Zahl, die das
in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.
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Mit
anderen Worten: die Indizes i und j bezeichnen die Positionen von
Bildelementen alpha ij, für
die anzugeben ist, aus welcher der Ansichten Ak (k
= 1 ... n) die darzustellende Teilinformation bezogen werden soll.
Dabei steht i für
den horizontalen Index (mit Werten von 1 bis zur horizontalen Bildelementauflösung, das ist
im Falle der Darstellung der Teilinformationen auf RGB-Subpixeln
der dreifache Wert der Pixelauflösung) und
j für den
vertikalen Index (mit Werten von 1 bis zum Wert der vertikalen Bildelementauflösung).
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Soll
für eine
beliebige, aber feste Anzahl n von Ansichten Ak (k
= 1 ... n), die alle die gleiche Bildauflösung bzw. das gleiche Format
besitzen, das auf dem Raster darzustellende, aus Teilinformationen
der Ansichten Ak (k = 1 ... n) zu kombinierende
Gesamtbild ermittelt werden, so ist für die Kombinationsvorschrift
noch folgendes zu berücksichtigen:
die Koeffizientenmatrix cij kann als Einträge Werte besitzen, die reellen
Zahlen entsprechen. Dabei sind für
i und j natürliche
Zahlen grösser
Null im oben genannten Wertebereich möglich.
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Das
auf dem Raster dargestellte, aus den verschiedenen Teilinformationen
der Ansichten Ak (k = 1 ... n) kombinierte
Gesamtbild wird bei Vorgabe dieser Parameter entsprechend der oben
angegebenen Funktion erzeugt, indem alle möglichen Indexpaare i, j durchlaufen
werden.
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Für die Erzeugung
einer räumlichen
Darstellung wird bestimmt, in welcher Struktur die Filter βpq, die im
Zusammenwirken mit den Bildelementen αij die Ausbreitungsrichtungen
vorgeben, innerhalb des Arrays mit Zeilen q und Spalten p zu positionieren
sind.
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Jedes
der Filter βpq
weist eine ganz bestimmte Transmissionseigenschaft λb auf. Diese
kann, wie vorstehend erläutert,
insbesondere eine wellenlängenunabhängige Schwächung der
Lichtintensität
mit einem bestimmten Transmissionsgrad oder optional eine wellenlängenabhängige (optimale)
Transparenz oder eine Kombination aus beidem, d. h. eine wellenlängenabhängige Schwächung der
Lichtintensität
mit einem bestimmten wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad,
sein.
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Die
optional eingesetzten Wellenlängenfilter
weisen Transparenzwellenlängen-
oder Transparenzwellenlängenbereiche
auf, die bevorzugt dem Wellenlängen-
oder Wellenlängenbereich λa des von
den korrespondierenden Bildelementen αij abgestrahlten Lichtes entsprechen.
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Die
Position eines jeden Filters βpq
ist durch den Index p, q eindeutig festgelegt. Jedem Wellenlängenfilter βpq wird eine
bestimmte Transmissionseigenschaft λb zugeordnet. Dabei erfolgt
die Strukturierung der Wellenlängenfilter βpq zu einem
Maskenbild – analog
zur Kombination der Teilinformationen der verschiedenen Ansichten
Ak (k = 1 ... n) zu einem Gesamtbild – nach folgender
Vorschrift:
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Dabei
entspricht
- – p dem Index eines Filters βpq in einer
Zeile des Arrays,
- – q
dem Index eines Filters βpq
in einer Spalte des Arrays,
- – b
einer ganzen Zahl, die für
ein Filter βpq
an der Position p, q eine der vorgesehenen Transmissionseigenschaften λb festlegt
und Werte zwischen 1 und bmax haben kann,
- – nm
einem ganzzahligen Wert grösser
Null, der bevorzugt der Gesamtzahl bmax, der Transmissionseigenschaften λb entspricht,
wobei die Gesamtzahl bmax, wiederum bevorzugt der Gesamtzahl n der
in dem Kombinationsbild dargestellten Ansichten Ak entsprechen
kann,
- – dpq
einer wählbaren
Koeffizientenmatrix zur Variation der erzeugten Struktur auf dem
Filterarray und
- – IntegerPart
einer Funktion zur Erzeugung der grössten ganzen Zahl, die das
in eckige Klammern gesetzte Argument nicht übersteigt.
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Die
wählbare
Koeffizientenmatrix dpq kann als Einträge Werte besitzen, die reellen
Zahlen entsprechen. Dabei sind für
p und q, die (wie bereits dargestellt) Positionen innerhalb des
Filterarrays beschreiben, natürliche
Zahlen grösser
Null möglich.
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Der
Erzeugung des kombinierten Gesamtbildes aus den Teilinformationen
der Ansichten Ak (k = 1 ... n) und der Erzeugung
des Maskenbildes, d. h. der Struktur der Filter auf dem Filterarray,
liegen demzufolge gleichartige oder zumindest artverwandte Vorschriften
zugrunde. Die Filter βpq
als Elemente des Maskenbildes besitzen grössenordnungsmässig eine ähnliche
Flächenausdehnung
wie die Bildelemente αij.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Blickrichtung
eines Betrachters das Filterarray vor dem Farb-LC-Display angeordnet.
Letzterem ist eine flächige
Beleuchtungsquelle nachgeordnet, die weisses Licht ausstrahlt. Der
Betrachter sieht somit durch die Filterarray das von dem Farb-LC-Display
abgestrahlte bzw. das durch dieses hindurchstrahlende Licht. Genauso
ist es jedoch möglich,
das Filterarray zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Farb-LC-Display
anzuordnen. Dabei können
das Farb-LC-Display und das Filterarray vorteilhaft zu einer Baueinheit
zusammengefasst werden. Der Abstand z zwischen diesen liegt dabei in
der Grössenordnung
von 1 bis 10 mm und wird in Abhängigkeit
der verwendeten Raster für
die Bildelemente und die Filter, dem mittleren Pupillenabstand eines
normierten Betrachters und einem gewünschten Betrachtungsabstand
bestimmt.
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Unter
Umständen
ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der vorstehend erläuterten
Anordnung in Blickrichtung eines Betrachters eine vergrössernde
oder verkleinernde Linse, bevorzugt eine Fresnellinse vorgeordnet ist.
Dadurch wird erreicht, dass für
den Betrachter eine reelle oder virtuelle Abbildung des räumlichen
Bildes der Szene bzw. des Gegenstandes entsteht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung zur räumlichen
Darstellung einer Szene/eines Gegenstandes nach der Erfindung mit
einem in Blickrichtung eines Betrachters vor einer Bildwiedergabeeinrichtung
(Farb-LC-Displays) liegenden Filterarray,
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2 ein
Beispiel für
die Struktur der Filter beta pq des Filterarrays unter Einsatz von
ausschliesslich Neutralfiltern in stark vergrösserter und nicht-massstäblicher
Darstellung,
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3 ein
Beispiel für
ein Gesamtbild aus den Teilinformationen der Ansichten Ak (k = 1 ... n; n = 8), erzeugt mit den als
Bildelementen αij
genutzten Subpixeln RGB des Farb-LC-Displays, stark vergrössert und nicht
massstäblich
dargestellt,
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4 ein
weiteres Beispiel für
die Struktur der Filter βpq
des Filterarrays unter Einsatz von Neutralfiltern und Wellenlängenfiltern
in stark vergrösserter
und nichtmassstäblicher
Darstellung,
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5 ein
weiteres Beispiel für
ein Gesamtbild aus den Teilinformationen der Ansichten Ak (k = 1 ... n; n = 40), erzeugt mit den
als Bildelementen αij
genutzten Subpixeln RGB des Farb-LC-Displays,
stark vergrössert
und nicht massstäblich
dargestellt, und in 6 ein weiteres Beispiel für die Struktur
der Filter βpq
des Filterarrays unter Einsatz von ausschliesslich Neutralfiltern
in ausschnittsförmiger,
stark vergrösserter
und nicht-massstäblicher
Darstellung.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
zeigt eine Anordnung zur dreidimensionalen (autostereoskopischen) Darstellung
von Szenen und/oder Gegenständen.
Mit dieser werden Teilinformationen von verschiedenen Ansichten
der Szene oder des Gegenstandes wiedergegeben. Die Ansichten repräsentieren
dabei beispielsweise Bildinformationen aus benachbarten Perspektivansichten.
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Die
Anordnung umfasst als Bildwiedergabeeinrichtung für die Wiedergabe
der Kombination von Teilinformationen der Ansichten Ak (k
= 1 ... n) auf Bildelementen αij
ein derzeit handelsüblich
verfügbares Farb-LC-Display 1,
wie beispielsweise Batron BT63212. Auf diese Weise lässt sich
die erfindungsgemässe
Anordnung einfach und kostengünstig
realisieren. Das schliesst jedoch nicht aus, dass für die Bildwiedergabe auch
jede andere denkbare Ausführung
möglich
ist. Insbesondere könnte
an Stelle des Farb-LC-Displays auch ein Plasma-Bildschirm, beispielsweise vom Typ Pioneer
PDP 502-MXE, zum Einsatz kommen.
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In
Blickrichtung eines Betrachters 5 ist das Farb-LC-Display 1 als
bilddarstellendes Raster in einem vorgegebenen Abstand z hinter
einem Filterarray 2 angeordnet. Hinter dem Farb-LC-Display 1 befindet
sich eine flächige
Beleuchtungsquelle 6, die mit dem Farb-LC-Display 1 zu
einer Baueinheit verbunden ist.
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Das
bildwiedergebende Farb-LC-Display 1 ist mit einer Ansteuerschaltung 3 verknüpft. Es
verfügt über separat
ansteuerbare Subpixel der Grundfarben rot (R), grün (G) und
blau (B).
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Zur
besseren Unterscheidbarkeit werden nachfolgend die Subpixel des
Farb-LC-Displays 1 mit R, G, B bezeichnet; sind jedoch
Wellenlängenfilter – und nicht
ausschliesslich Neutralfilter – im
Filterarray enthalten, werden diese hingegen mit R', G', B', die jeweils eigenen
Transparenzwellenlängenbereichen
entsprechen, bezeichnet. Die Ansteuerschaltung 3 ist derart
ausgebildet, dass auf den einzelnen Subpixeln R, G, B des Displays 1 Teilinformationen
der Ansichten Ak (k = 1 ... n) generiert
werden.
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Der
Abstand z zwischen dem Farb-LC-Display 1 und der Filterarray 2 beträgt 2,3 mm,
wobei in diesem Falle Neutralfilter bzw. gegebenenfalls auch Wellenlängenfilter
R', G', B' des Filterarrays 2 mit
den Subpixeln R, G, B des Farb-LC-Displays 1 so korrespondieren,
dass sich die damit festgelegten Ausbreitungsrichtungen des von
den Subpixeln R, G, B austretenden und durch die Filter hindurchtretenden
Lichtes innerhalb eines Betrachtungsraumes 4, in dem sich
ein oder mehrere Beobachter 5 befinden, in einer Vielzahl
von Schnittpunkten treffen. Diese Schnittpunkte der Ausbreitungsrichtungen
entsprechen Beobachtungsorten, von denen aus mit einem Augenpaar
die Szene bzw. der Gegenstand räumlich
wahrgenommen werden kann.
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Dabei
wurde der Abstand z für
die Ausgestaltungsvariante nach 1 ermittelt
aus
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Für sp wurde
der mittlere horizontale Abstand der einzelnen Subpixel auf dem
in Blickrichtung nachgeordneten Farb-LC-Display 1 mit 99
mu m angenommen. Für
die mittlere Pupillendistanz pd wurde 65 mm gesetzt. Als mittlerer
Betrachtungsabstand da wurde 1,5 m gewählt. Daraus ergibt sich der
auszuführende
Abstand z mit 2,3 mm.
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Die
Ausbreitungsrichtungen sind jeweils durch die Flächenmitten der sichtbaren Abschnitte
der betreffenden Filter und Subpixel R, G, B vorgegeben, wobei sich
die Strahlengänge
nicht nur in einer Ebene, sondern vielfach räumlich verteilt ausbreiten.
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In 2 ist
ein Beispiel für
ein Filterarray βpq
anhand einzelner Neutralfilter L0, L2 und L4 des Filterarrays in
einer Draufsicht auf die Displayfläche zum Zweck der Anschaulichkeit
stark vergrössert
und nicht massstäblich
dargestellt. Die Teilflächen
entsprechen jeweils einem Neutralfilter, der jeweils 0% (L0), 50%
L(L2) bzw. 100% (L4) des auf ihn einfallenden Lichtes (bezogen auf
die Lichtintensität)
wellenlängenunabhängig transmittiert.
Die Teilflächen
sind vereinfacht quadratisch dargestellt; auf die exakte Darstellung
der Form der Neutralfilter L0, L2, L4 wurde hier verzichtet. Sie
sind bevorzugt rechteckig ausgebildet und besitzen beispielsweise
eine Breite von 99 mu m und eine Höhe von 297 mu m.
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Die
in 2 gezeigte Filterarraystruktur lässt sich
auf Grund der weiter oben gegebenen Gleichung erzeugen, in dem man
als Parameter die Werte dpq = –1
= const. und nm = 8 einsetzt.
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Die
Transmissionseigenschaften λb
sind hier wie folgt gewählt:
- – λ8 entspricht
einem wellenlängenunabhängig zu
100% transmittierenden Filter (L4 in der Zeichnung), d. h. der Transmissionsgrad
ist 100%;
- – λ1 und λ7 entsprechen
wellenlängenunabhängig zu
50% transmittierenden Filtern (L2 in der Zeichnung), d. h. der Transmissionsgrad
ist 50%;
- – λ2 ... λ6 entsprechen
wellenlängenunabhängig nicht
transmittierenden (opaken) Filtern (L0 in der Zeichnung), d. h.
der Transmissionsgrad ist 0%.
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Die
Transmissionseigenschaften sind hierbei insbesondere bezüglich des
sichtbaren Spektrums massgeblich, d. h. ein L4-Filter kann durchaus
für elektromagnetische
Strahlung beispielsweise im UV-Bereich intransparent sein.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 1 dargestellt ist, befindet sich die Filterarray 2 aus
der Position des Betrachters 5 gesehen in dem Abstand z
vor dem bildgebenden Farb-LC-Display 1.
Das Farb-LC-Display 1 ist mit der dahinter liegenden flächigen Beleuchtungseinrichtung 6 zu
einer Baueinheit verbunden. Die Ausbreitungsrichtungen des von den
Subpixeln R, G, B des Farb-LC-Displays 1 kommenden und
durch die korrespondierenden Filter des Filterarrays 2 strahlenden
Lichtes schneiden sich in dem Betrachtungsraum 4 in einer Vielzahl
von Betrachtungspositionen, aus denen der dargestellte Gegenstand
bzw. die Szene räumlich
wahrnehmbar ist.
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3 zeigt
ein Beispiel für
die Kombination von Teilinformationen verschiedener Ansichten A
k (k = 1 ... 8) in einer Draufsicht auf das
Raster des Farb-LC-Displays
1, die nach der bereits beschriebenen
Funktion erzeugt worden ist
wobei cij = –1 = const.
für alle
Paare (i, j) und n = 8 gewählt
sind.
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Dabei
entspricht jede rechteckige Teilfläche einem Subpixel R, G, B.
Die innerhalb der Teilflächen
angegebenen Ziffern k = 1 ... 8 geben die jeweilige Ansicht Ak (k = 1 ... n) an, zu der die auf einem
Subpixel bzw. einem Bildelement αij
angezeigte Teilinformation gehört.
So gehört
eine auf einem mit k = 1 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation
zur Ansicht A1, eine auf einem mit k = 2 bezeichneten Subpixel angezeigte Teilinformation
zur An sicht A2, usw. In dem gewählten
Ausführungsbeispiel
sind demnach zur räumlichen
Darstellung acht Ansichten A1 bis A8, vorzugsweise Perspektivansichten,
vorgesehen. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde hier darauf verzichtet, auch die "Klack-Matrix" darzustellen, die oftmals technisch
bedingt in Farb-LC-Displays eingearbeitet ist.
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Das
Filterarray 2 ist vorzugsweise als ein statisches, d. h.
zeitlich unveränderliches
Filterarray, hier z. B. als dünne
Folie, und damit als einfaches, passives Element ausgebildet. Als
Herstellungsverfahren für
derlei Folien kommt insbesondere der Siebdruck in Frage, bei dem
auch Filterarrays grösserer
Abmasse (mehrere Quadratmeter) produziert werden können. Solche
Abmasse sind von Vorteil, wenn etwa ein grossformatiger Bildschirm,
z. B. ein Plasma-Bildschirm
mit 50-Zoll Bildschirmdiagonale, zum 3D-Bilschirm veredelt werden soll.
Andere Druckverfahren, wie z. B. Thermosublimationsdruck, oder auch
Belichtungsverfahren können ebenfalls
angewendet werden.
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Das
Filterarray 2 bewirkt eine Vorgabe der Ausbreitungsrichtungen
des von dem Farb-LC-Display 1 abgestrahlten
Lichtes in der oben beschriebenen Art und Weise, welche eine realistische,
dreidimensionale Wahrnehmung erlaubt. Dabei werden beispielhaft
an einem ersten Beobachtungsort überwiegend
Informationen einer ersten Gruppe von Ansichten A4 bis A5 und an
einem zweiten beispielhaften Beobachtungsort in Augenabstand von
dem ersten Ort überwiegend
Informationen der zweiten Gruppe von Ansichten A7 bis A8 wahrgenommen.
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Aus
der Vielzahl von Betrachtungspositionen, die aus der flächenhaften
Anordnung der Bildelemente αij
und der Filter βpq
resultiert, ergibt sich dann die dreidimensionale Wahrnehmung: beide
Augen sehen aus den Betrachtungspositionen Bildelemente αij bzw. Teilinformationen überwiegend
verschiedener Ansichten Ak (k = 1 ... n),
wobei der Anteil der für
jedes Auge wahrnehmbaren Teilinformationen für die dreidimensionale Wahrnehmung
ursächlich
ist.
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Die
Vielzahl solcher Betrachtungspositionen ist dabei so gross und die
Betrachtungspositionen liegen so dicht nebeneinander, dass ein oder
mehrere Betrachter sich innerhalb des Betrachtungsraumes bewegen können, während sich
ihre Augen quasi stets in einer solchen Betrachtungsposition befinden,
denn die Betrachtungspositionen entsprechen jeweils Schnitt punkten
der definiert vorgegebenen Ausbreitungsrichtungen. Dabei besitzen
die für
das Auge sichtbaren Lichtstrahlen einen zwar kleinen, jedoch vorhandenen
Flächenquerschnitt.
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Als
Betrachtungsraum ist hier der Bereich zu verstehen, in dem sich
der Betrachter aufhalten bzw. bewegen kann, wobei er in Richtung
zum Raster die Szene bzw. den Gegenstand räumlich wahrnimmt. Je nach der
Struktur des Maskenbildes und der verwendeten Anzahl n von Ansichten
Ak (k = 1 ... n) sind so Blickwinkel auf
das Raster von über
45 DEG möglich,
d. h. der Betrachtungsraum kann einen von der Mittelsenkrechten des
Rasters ausgehenden Öffnungswinkel
von über
45 DEG aufweisen.
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Die 4 zeigt
ein Filterarray, welches über
Neutralfilter (L2) verfügt,
die – bezogen
auf die Lichtintensität – wellenlängenunabhängig etwa
50% des durch sie hindurchtretenden Lichtes transmittieren. Die
Filter L0 sind opak, während
die beispielhaft eingearbeiteten Wellenlängenfilter R', G' bzw. B' für Licht
jeweils der Farbbereiche rot, grün
oder blau lichtdurchlässig
sind.
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In 5 ist
schemenhaft eine weitere beispielhafte Möglichkeit der Bildkombination
dargestellt. Hierbei kommen n = 40 Ansichten zum Einsatz. Eine beispielhafte,
für eine
dreidimensionale Darstellung günstige Filterstruktur
auf Basis dieser Bildkombination ist in 6 gezeigt.
Dabei kommen wellenlängenunabhängige Neutralfilter
zur Schwächung
der Lichtintensität
zum Einsatz, die jeweils 0% (L0), 25% (L1), 50% (L2), 75% (L3) oder
100% (L4) des auf sie einfallenden (sichtbaren) Lichtes transmittieren.
Die Filter besitzen in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise
etwa ein Viertel der Breite der Bildelemente αij, also der Subpixel, während sie
in der Höhe
etwa genauso ausgedehnt sind, wie die Bildelemente αij.
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Vorstehend
wurden die Filterarrays im Zusammenhang mit Filtern beschrieben,
die wellenlängenunabhängig die
Lichtintensität
schwächen
(oder voll transmittieren) bzw. die für rotes, grünes oder blaues Licht transparent
sind. Es ist jedoch auch möglich,
vollkommen andere Transparenzwellenlängenbereiche für die Wellenlängenfilter
zu verwenden, die überdies
nicht auf den Bereich des sichtbaren Lichtes beschränkt bleiben müssen. Weiterhin
ist es denkbar, als Filterarray dynamische Bildgeber zu verwenden.
-
In
allen Ausführungsbeispielen
wird durch die Verwendung von preiswert herstellbaren Fil terarrays eine
günstige
Lösung
zur dreidimensionalen, also räumlichen
Darstellung angeboten. Der Lichtdurchsatz und damit auch die Textlesbarkeit
ist gegenüber
Barriereverfahren, bei denen ausschliesslich opake und transparente
Barriereteilstrukturen zum Einsatz kommen, deutlich verbessert.
-
- 1
- Farb-LC-Display
mit Bildelementen au
- 2
- Filterarray
mit Filtern βpq
- 3
- Ansteuerschaltung
- 4
- Betrachtungsraum
- 5
- Betrachter
- 6
- Beleuchtungsquelle αij Bildelemente
in Zeilen j und Spalten i βpq
Filter in Zeilen q und Spalten p λ b Transmissionseigenschaften
der Filter i, p Spalten j, q Zeilen z Abstand R, G, B Subpixel der
Grundfarben (rot, grün,
blau) als Bildelemente αij
R', G', B' Wellenlängenfilter βpq der Grundfarben
(rot, grün, blau)
- L0
- Neutralfilter
mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad
0%
- L1
- Neutralfilter
mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad
25%
- L2
- Neutralfilter
mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad
50%
- L3
- Neutralfilter
mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad
75%
- L4
- Neutralfilter
mit wellenlängenunabhängigem Transmissionsgrad
100%