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Die vorliegende Erfindung betrifft ein am Kopf tragbares visuelles Ausgabegerät zur stereoskopischen Wiedergabe insbesondere bewegter Bilder mit einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige von getrennten Teilbildern für jedes Auge eines Benutzers und mit einer Optikeinrichtung zur Abbildung der von der Anzeigeeinrichtung angezeigten Teilbilder auf das jeweils zugehörige Auge.
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Derartige Ausgabegeräte werden als Head-Mounted Display bezeichnet und unterscheiden sich je nach Ausgestaltung in Video-Brillen, Virtual-Reality-Brillen, Augmented-Reality-Brillen oder Helm-Displays. Insbesondere Virtual-Reality-Brillen finden heute zahlreiche Anwendungen im Rahmen von Computerspielen oder bei der Simulation von Ausbildungssituationen, beispielsweise bei angehenden Piloten oder bei Medizinern zur Erlernung von Operationstechniken. Werden solche Head Mounted Displays zusätzlich mit einem Headtracker („Kopf-Verfolger“), also mit Sensoren zur Bewegungserfassung des Kopfes, ausgestattet, kann das jeweils angezeigte Bild an die momentane Blickrichtung angepasst werden.
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Stereoskopische Bildwiedergabe oder kurz Stereoskopie ist die Wiedergabe von Bildern unter Vermittlung eines räumlichen Eindrucks von Tiefe. Das Prinzip beruht darauf, dass Betrachter mit ihren beiden Augen ihre Umgebung gleichzeitig aus zwei leicht unterschiedlichen Blickwinkeln sehen. Das Gehirn ordnet den betrachteten Objekten anhand der Betrachtungswinkel eine Entfernung zu und gewinnt so ein räumliches Bild der Umgebung. Bei der stereoskopischen Bildwiedergabe werden daher getrennte Teilbilder für das linke und das rechte Auge aus jeweils leicht abweichenden Betrachtungswinkeln angezeigt. Das Gehirn kombiniert die beiden Teilbilder, die wegen ihrer querdisperanten Verschiebung nicht exakt zur Deckung gebracht werden können, zu einem räumlichen Gesamteindruck.
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Da das menschliche Auge gewohnheitsgemäß versucht, die Linsenbrechkraft an die vermeintliche Entfernung anzupassen, kommt eine scharfe Abbildung auf der Netzhaut erst mit einer gewissen Verzögerung zustande. Der Widerspruch zwischen der vermeintlichen Entfernung des gesehenen Objekts und der tatsächlichen Linsenkrümmung, also die Nichtübereinstimmung zwischen Vergenz und Linsenkrümmung, kann nach längerer Einwirkzeit Schwindelgefühl oder körperliches Unwohlsein hervorrufen. Außerdem kann eine nachlassende Wahrnehmung des räumlichen Eindrucks, Doppeltsehen, mehrstündige Unfähigkeit zum Führen eines Fahrzeugs und Ermüdung der Augen die Folge sein.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein am Kopf tragbares visuelles Ausgabegerät zur stereoskopischen Bildwiedergabe anzugeben, welches im Hinblick auf die genannten Beeinträchtigungen verbessert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ausgabegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Außerdem wird ein Computersystem zur stereoskopischen Wiedergabe bewegter Bilder gemäß Anspruch 9 angegeben.
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Bei einem Ausgabegerät der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung und eine mit der Optikeinrichtung zusammenwirkende, programmtechnisch ansteuerbare Stelleinrichtung zur Fokuseinstellung der Optikeinrichtung gelöst, wobei die Stelleinrichtung ansteuerbar ist, die Fokuseinstellung in Abhängigkeit von einem mittels der Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung ermittelten Fixationspunkt und einem angezeigten Bildinhalt zu verändern.
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Das Ausgabegerät ist auf diese Weise ausgebildet und dazu eingerichtet, über ein Computersystem, in dem das Ausgabegerät betrieben wird und welches die Teilbilder für die Anzeigeeinrichtung generiert, zu jedem Zeitpunkt mittels der Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung einen Fixationspunkt zu ermitteln, auf den der Benutzer gerade blickt. Anhand der angezeigten Bildinhalte ist dem Computersystem bekannt oder lässt sich zumindest anhand der unterschiedlichen Blickwinkel ermitteln, wie weit das gerade betrachtete Objekt, also das Objekt am aktuellen Fixationspunkt, vom Benutzer entfernt dargestellt wird, wie groß also der virtuelle Abstand des Benutzers vom betrachteten Objekt ist.
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Aufgrund dieser virtuellen Entfernungsinformation lässt sich über die Stelleinrichtung die Fokuseinstellung der Optikeinrichtung derart anpassen, dass der Benutzer, um ein scharfes Bild zu sehen, seine Augen zumindest in etwa auf den virtuellen Abstand akkommodieren muss. Mit anderen Worten kann über die Stelleinrichtung das von der Optikeinrichtung auf die Augen des Benutzers projizierte Bild gezielt „unscharf“ gestellt werden, derart, dass der Benutzer, um wieder ein scharfes Bild zu sehen, also die „gezielte Unschärfe“ auszugleichen, die Linsenkrümmung seiner Augen auf die virtuelle Entfernung akkommodieren muss. Auf diese Weise wird die Vergenz aufgrund der betrachtungswinkelverschobenen Teilbilder und die Linsenbrechkraft der Augen in zumindest näherungsweise Übereinstimmung gebracht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Optikeinrichtung mindestens ein Linsenelement für jedes Benutzerauge auf und die Stelleinrichtung umfasst jeweils einen Aktuator zur Bewegung des zugehörigen Linsenelementes entlang einer optischen Achse zwischen Anzeigeeinrichtung und jeweiligem Benutzerauge. Die Optikeinrichtung kann hierbei sowohl als Einlinsen- als auch Mehrlinsenoptik ausgeführt sein. Durch den Aktuator wird das zugehörige Linsenelement in seiner Entfernung zu der Bildebene der Anzeigeeinrichtung bzw. dem Benutzerauge verstellt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird jeweils mindestens ein Linsenelement mit variabler Brennweite für jedes Benutzerauge vorgesehen. Die Fokuseinstellung der Optikeinrichtung erfolgt hierbei durch Verändern der Brennweite der Linsenelemente. Auch eine Kombination von Brennweiteneinstellung und Einstellung des Linsenabstands ist, insbesondere bei einer Mehrlinsenoptik, möglich und sinnvoll.
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Da bei Virtual-Reality-Brillen häufig eine Abschottung von visuellen Eindrücken der Umgebung erwünscht ist, die Augen also vollständig vor einfallendem Umgebungslicht abgedunkelt sind, weist das Ausgabegerät bei einer bevorzugten Weiterbildung zusätzliche Mittel zur Beleuchtung der Augen auf. Derartige Leuchtmittel ermöglichen auch bei vollständig abgeschotteten Virtual-Reality-Brillen eine Registrierung der Blickbewegungen der Augen, beispielsweise mittels zugehöriger Augenkameras.
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Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Beleuchtung der Augen mindestens eine Infrarotlichtquelle, vorzugsweise mindestens eine Infrarotlichtquelle pro Auge. Da Infrarotlicht von den Augen nicht wahrgenommen wird, wirkt die Hintergrundbeleuchtung, die dem Zwecke der Blickbewegungsregistrierung dient, nicht störend für den Benutzer.
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Die Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung selbst kann durch mindestens eine Augenkamera, vorzugsweise mindestens eine Augenkamera pro Auge, realisiert werden. Möglich ist auch, pro Auge mehrere Augenkameras vorzusehen, sodass das Auge aus mehreren Blickwinkeln beobachtet wird, um eine möglichst genaue Ermittlung von Fixationspunkten zu gewährleisten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Augenkamera als Infrarotkamera ausgebildet.
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Grundsätzlich ist es möglich, eine Augenkamera seitlich des Auges außerhalb des Blickfeldes anzuordnen und die Augen so seitlich und erforderlichenfalls mit mehreren Augenkameras aus mehreren Blickwinkeln zu betrachten. Als besonders vorteilhaft erweist sich jedoch, zwischen Optikeinrichtung und Benutzerauge jeweils einen teildurchlässigen Spiegel anzuordnen, über den die mindestens eine Augenkamera auf das jeweilige Auge gerichtet ist. Hierdurch kann das Auge direkt aus der optischen Achse zwischen Anzeigeeinrichtung und Auge beobachtet werden, ohne das Blickfeld einzuschränken.
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Bei einem Verfahren zur stereoskopischen Wiedergabe insbesondere bewegter Bilder, bei dem auf einer Anzeigeeinrichtung getrennte Teilbilder für jedes Auge eines Benutzers angezeigt und über eine Optikeinrichtung auf das jeweils zugehörige Auge abgebildet werden, wird über eine Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung ein Fixationspunkt erfasst und anhand des angezeigten Bildinhalts ein virtueller Abstand des Fixationspunkts vom Benutzer ermittelt. Aufgrund des so ermittelten virtuellen Abstands wird programmtechnisch über eine mit der Optikeinrichtung zusammenwirkende Stelleinrichtung eine Fokuseinstellung der Optikeinrichtung derart angepasst, dass eine Akkommodation des Benutzers auf den virtuellen Abstand erforderlich ist.
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Daneben wird ein Computersystem zur stereoskopischen Wiedergabe insbesondere bewegter Bilder angegeben, welches ein visuelles Ausgabegerät der vorstehend genannten Art umfasst und welches programmtechnisch ausgebildet ist, über die Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung einen Fixationspunkt zu erfassen, anhand des angezeigten Bildinhaltes einen virtuellen Abstand des Fixationspunkts von dem Benutzer zu ermitteln und über die Stelleinrichtung eine Fokuseinstellung der Optikeinrichtung in Abhängigkeit von dem virtuellen Abstand derart anzupassen, dass eine Akkommodation des Benutzers auf den virtuellen Abstand erforderlich ist.
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Bei einem derartigen Computersystem kann außerdem vorgesehen sein, dass mittels der Einrichtung zur Blickbewegungsregistrierung eine über die Anzeigeeinrichtung dargestellte grafische Benutzerschnittstelle gesteuert wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei Blickkontakt auf bestimmte Bildinhalte, wie zum Beispiel Schalt- oder Regelelemente, Text- oder Symbolelemente oder bei einer bestimmten Abfolge von Blickkontakten Steuerkommandos zur Ablaufsteuerung des zugehörigen Computerprogramms erzeugt werden. Daneben sind auch Grundeinstellungen der Optikeinrichtung zur Anpassung an das individuelle Sehvermögen bzw. eine Fehlsichtigkeit für verschiedene Benutzer des Ausgabegeräts über eine entsprechende Programmsteuerung einstellbar, speicherbar und abrufbar.
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Vorzugsweise kann des Weiteren eine Kalibrierung der Blickrichtung auf vorgegebene bzw. während einer Kalibrierungsphase vorgebbare Punkte auf der Anzeigeeinrichtung erfolgen und in dem Computersystem abgespeichert werden. Hierzu können beispielsweise nacheinander zwei oder mehr Punkte auf der Anzeigeeinrichtung vorgegeben werden, die der Benutzer anvisieren und bestätigen muss, um so eine präzise Zuordnung der Blickrichtung bzw. eines Fixationspunktes zu einem Anzeigepunkt zu ermöglichen.
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Schließlich kann das Computerprogramm zusätzlich angepasst sein, anhand ermittelter Fixationspunkte Informationen über betrachtete Bildinhalte und vorzugsweise zugehörige Betrachtungszeiten aufzuzeichnen und auszuwerten und/oder über ein Netzwerk an einen entfernten Server zu übertragen. Somit kann das Betrachtungsverhalten eines Benutzers aufgezeichnet und ausgewertet werden. Solche Informationen können beispielsweise von Anbietern der Bildinhalte zur Verbesserung und Anpassung von Präsentationen und Inhalt der angezeigten Bilder verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des nachfolgenden Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Dabei zeigt:
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1 eine Prinzipzeichnung einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung,
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2 ein menschliches Auge bei Akkommodation auf ein unendlich entferntes Objekt,
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3 ein menschliches Auge bei Akkommodation auf den Nahpunkt des Auges bei etwa 25 cm,
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4 und 5 den Strahlenverlauf eines Einlinsensystems in den zwei Extremsituationen der erzwungenen Akkommodation auf den Fernpunkt und auf den Nahpunkt,
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Zweilinsensystem und fokusvariabler Linse und
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7 ein Blockschaltbild eines Computersystems mit Anzeigeeinrichtung.
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In 1 ist schematisch ein sogenanntes Head Mounted Display, also ein am Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät, in Form einer Virtual Reality(VR)-Brille gezeigt. Die VR-Brille besitzt einen ringsum geschlossenen Brillenrahmen 1, der dazu dient, die Augen 2a, 2b eines Benutzers von visuellen Eindrücken der Umgebung und einfallendem Streulicht abzuschotten. Innerhalb des geschlossenen Brillenrahmens 1 sind auf der Vorderseite zwei Monitore 3a, 3b angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um LCD- oder OLED-Displays handeln. Ein zwischen den beiden Monitoren 3a, 3b angeordneter Mittelsteg 4 unterteilt den Innenraum der VR-Brille in zwei gegeneinander visuell abgeschottete Kammern. Vor den beiden Monitoren 3a, 3b sind jeweils sich konisch in Richtung der beiden Benutzeraugen 2a, 2b verjüngende Sichtfeldblenden 5a, 5b angeordnet, die jeweils das Sichtfeld für die beiden Augen 2a, 2b seitlich begrenzen. An der vorderen Öffnung der beiden Sichtfeldblenden 5a, 5b ist jeweils eine Linsenoptik 6a, 6b angeordnet, die die Aufgabe hat, das von dem jeweiligen Monitor 3a, 3b angezeigte Teilbild auf das zugehörige Auge 2a, 2b des Benutzers abzubilden.
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Der Brillenrahmen 1 kann in herkömmlicher Weise aus flexiblem oder starrem Kunststoff hergestellt und der Gesichtsform in der Art einer Taucherbrille angepasst sein. Außerdem ist vorzugsweise eine Polsterung vorgesehen, um den Tragekomfort zu erhöhen und seitlichen Lichteinfall zu vermeiden. Die beiden Monitore 3a, 3b können wie in der Figur gezeigt plan, aber auch leicht gewölbt sein. Anstelle von zwei getrennten Monitoren 3a, 3b kann auch ein einziger, durchgehender Monitor verwendet werden, auf dem das linke und rechte Teilbild für die beiden Augen 2a, 2b nebeneinander, beiderseits des Mittelstegs 4 angezeigt werden. So sind beispielsweise Virtual-Reality-Brillen bekannt, in die ein herkömmliches Smartphone als Monitoreinheit eingesetzt werden kann, um auf dem Display des Smartphones das linke und rechte Teilbild nebeneinander anzuzeigen. Auch derartige Virtual-Reality-Brillen für Smartphones können im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen und sind von dieser mit umfasst.
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Die beiden Monitore 3a, 3b dienen zur stereoskopischen Bildwiedergabe, in dem für das linke und das rechte Auge jeweils Teilbilder aus zwei leicht unterschiedlichen Blickrichtungen dargestellt werden. Die Bildinhalte können hierbei von einem Computer, einer Spielekonsole oder dergleichen mittels eines entsprechenden Simulationsprogramms in Echtzeit erzeugt werden oder es können aufgezeichnete Bildinhalte, wie beispielsweise 3D-Filme, wiedergegeben werden.
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Die Linsenoptik 6a, 6b dient als weitwinkliges Objektiv, um die angezeigten Teilbilder für die Augen des Benutzers zu vergrößern und so für ein größeres Sichtfeld zu sorgen. Entsprechend den Abbildungseigenschaften der Linsenoptik 6a, 6b können die Teilbilder vorverzerrt auf den Monitoren 3a, 3b dargestellt werden, so dass sich in Zusammenspiel mit der Linsenoptik 6a, 6b jeweils ein zumindest weitgehend verzerrungsfreies Bild ergibt.
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Im Innenraum 1 der VR-Brille sind außerdem Augenkameras 7, 8, 9 angeordnet, mit denen Blickbewegungen des Benutzers erfasst werden können. Durch sogenanntes Eye-Tracking, also die Aufzeichnung und Analyse der Blickbewegungen, lässt sich zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Fixationspunkt ermitteln, also der Bereich im angezeigten Bild, den der Benutzer aktuell genau betrachtet.
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Für die Anordnung der Augenkameras 7, 8, 9 zeigt 1 für das linke Auge 2a und das rechte Auge 2b zwei unterschiedliche Varianten, von denen bei einer tatsächlichen VR-Brille natürlich nur eine für beide Augen realisiert werden kann. In der rechten Kammer sind seitlich jeweils links und rechts des Auges 2b zwei Augenkameras 8, 9 angeordnet, die das Auge 2b und dessen Augenbewegungen seitlich aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln beobachten. Bei den Augenkameras 8, 9 handelt es sich um Infrarotkameras. Außerdem sind zur Beleuchtung des Auges 2b zwei ebenfalls seitlich des Auges 2b angebrachte Infrarotlichtquellen 10, 11 in Form von Infrarot-LEDs angeordnet.
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In der linken Kammer der Brille ist eine einzige Augenkamera 7 derart angeordnet, dass sie das Auge 2a über einen in der optischen Achse A zwischen Auge 2a und Linsenoptik 6a angeordneten teildurchlässigen Spiegel beobachtet. Auf diese Weise blickt die Augenkamera 7 in direkter Blickrichtung auf das Auge 2a. Eine Infrarotlichtquelle 13 beleuchtet das Auge 2a, sodass die ebenfalls als Infrarotkamera ausgeführte Augenkamera 7 Pupillenbewegungen erfassen und aufzeichnen kann. Um störende Lichtreflexe auf den Augen 2a, 2b zu vermeiden, sind die Infrarotlichtquellen 10, 11, 13 vorzugsweise mit Diffusoren ausgestattet, bzw. so ausgebildet, dass sie ein diffuses Licht innerhalb der jeweiligen Kamera der VR-Brille erzeugen.
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Die Linsenoptiken 6a, 6b, welche die auf den Monitoren 3a, 3b angezeigten Teilbilder auf die zugehörigen Augen 2a, 2b abbilden, können wie erläutert als Einlinsen- oder als Mehrlinsenoptik ausgeführt werden. Erfindungsgemäß sind die Linsenoptiken 6a, 6b bezüglich ihres Fokuspunktes einstellbar. Eine Fokuseinstellung kann entweder dadurch erfolgen, dass ein Linsenelement der jeweiligen Linsenoptik 6a, 6b entlang der optischen Achse A zwischen Auge 2a, 2b und zugehörigem Monitor 3a, 3b in seinem Abstand zur Monitorebene 3a, 3b bzw. dem zugehörigen Auge 2a, 2b einstellbar ist. Alternativ oder auch kumulativ kann eine Fokuseinstellung auch mittels einer fokusvariablen Linse erreicht werden. Fokusvariable Linsen können beispielsweise in Form von Flüssiglinsen oder als formveränderliche Polymerlinsen realisiert werden. Solche sind beispielsweise in dem Artikel „Fokusvariable Linsen" von M. Blum et al., Optik und Photonik, Oktober 2011, Nr. 3, S. 38–41 beschrieben, auf den hier zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Fokuseinstellung der Optikeinrichtungen 6a, 6b nicht nur dazu verwendet, eine scharfe Abbildung der auf den Monitoren 3a, 3b dargestellten Teilbilder zu erzeugen bzw. diese zu Vergrößern, sondern durch gezielte „Unscharfstellung“ die Augen 2a, 2b des Benutzers zu einer Akkommodation zu zwingen. Unter Akkommodation versteht man eine dynamische Anpassung der Brechkraft des Auges. Sie führt dazu, dass ein Objekt, das sich in einer beliebigen Entfernung zwischen dem individuell unterschiedlichen optischen Nah- und Fernpunkt befinden kann, scharf auf der Netzhaut abgebildet wird.
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Der Nahpunkt bezeichnet den Punkt in geringstmöglicher Entfernung vom Auge, auf den das menschliche Auge gerade noch scharf stellen kann. Er liegt typischerweise bei etwa 25 cm. Der Fernpunkt bezeichnet einen vom Auge idealerweise unendlich weit entfernten Punkt, auf den das menschliche Auge sehr entspannt scharf stellen kann. Die 2 und 3 veranschaulichen dies beispielhaft. In 2 trifft auf das Auge ein in etwa paralleles Strahlenbündel, dessen Schnittpunkt P2∞ im Unendlichen liegt. Das Auge fokussiert auf diesen Fernpunkt P2∞ und bildet ihn auf der Netzhaut ab. In 3 trifft auf die Augenlinse ein divergentes Strahlenbündel, dessen Schnittpunkt P2‘ in 25 cm Entfernung liegt. Das Auge fokussiert auf diesen Nahpunkt P2‘ und bildet ihn auf der Netzhaut ab.
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In 4 ist die Abbildungseigenschaft einer Linse L1 schematisch dargestellt. Die Linse L1 befindet sich im Abstand der Brennweite f(L1) vor dem Monitor M, in dessen Ebene folglich der Brennpunkt F(L1) liegt. Ein auf dem Monitor M dargestellter Punkt P1 erzeugt daher augenseitig ein paralleles Strahlenbündel. Folglich wird der Punkt P1 als Fernpunkt wahrgenommen, auf den das Auge entsprechend schwach fokussieren muss.
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In 5 wurde nun der Abstand der Linse L1 zum Monitor M (stark übertrieben dargestellt) unter die Brennweite f(L1) verringert. Die Linse L1 erzeugt aus den vom Punkt P1 ausgehenden Lichtstrahlen augenseitig nun ein divergentes Strahlenbündel. Um dieses divergente Strahlenbündel auf der Netzhaut als Punkt P1 abzubilden, muss das Auge in Entsprechung zur 3 entsprechend stark fokussieren. Der Punkt P1 wird damit als virtueller Nahpunkt P1‘ wahrgenommen und auf ihn muss entsprechend stark fokussiert werden.
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Das Einlinsensystem L1 kann somit als Linsenoptik 6a, 6b in einer VR-Brille zum Einsatz kommen. Die linsenaxiale Verschiebung der Linse L1 kann zum Beispiel in hoher Geschwindigkeit und hoher Wiederholgenauigkeit mit einer Stellmechanik bestehend aus Schrittmotor und Gewindestange mit entsprechend hoher Steigung erfolgen, ähnlich wie etwa die Verstellung von Schreib-Leseköpfen in Festplattenlaufwerken. Ebenso kann eine schrittmotorgetriebene Drehhubmechanik, beispielsweise in der Form einer Gewindehülse mit in diese eingesetzter Linse, verwendet werden. Auch andere Aktuatoren wie etwa Piezoaktuatoren oder dergleichen können zur Linearverstellung der Linse eingesetzt werden. Damit die Bindehaut der Augen nicht durch häufige Luftbewegungen gereizt wird, die durch die Verschiebung der Linsen direkt vor den Augen entsteht, kann ein solches Einlinsensystem augenseitig gekapselt sein.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Brillenoptik mit einstellbarem Fokuspunkt ist in 6 schematisch dargestellt. Es umfasst eine harte konvexe Linse L1 und eine weiche, formveränderliche konkave Linse L2, deren Brennweite durch radiale Dehnung verändert werden kann. Die Monitorebene M befindet sich hier im Abstand der Brennweite f(L1) von der Linse L1 entfernt. Ein Punkt P in der Monitorebene M erscheint aufgrund der Abbildungseigenschaften der Linse L2 als Punkt P‘ im Abstand der Brennweite f(L2) entfernt. Wird die Brechkraft der Linse L2 durch radiale Dehnung vermindert, so erscheint der Punkt P‘ weiter entfernt zu sein, das betrachtende Auge muss seine Brechkraft entsprechend anpassen (Akkomodieren), um den Punkt P scharf zu sehen.
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Zur radialen Dehnung der Linse L2 kann eine entsprechend dimensionierte Dreh-Dehnmechanik ähnlich einem Spannfutter verwendet werden. Auch hier kann die Mechanik wieder mittels Schrittmotor angetrieben und programmgesteuert verstellt werden. Je mehr Spannbacken in ein solches, die Linse dehnendes Dehnfutter verbaut werden, umso gleichmäßiger kann die Linse gedehnt werden. Neben einer formveränderlichen Polymerlinse kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Flüssiglinse eingesetzt werden, wie sie derzeit bereits bei Kameras in Smartphones Anwendung findet. Die Brechkraft der Linse kann hierbei durch Anlegen einer Spannung im Zeitraum von wenigen Millisekunden eingestellt werden. Da der Linsendurchmesser derzeit erhältlicher Flüssiglinsen noch relativ klein ist, müsste diese entsprechend nahe am Auge positioniert werden.
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Die VR-Brille ist, wie im Rahmen von 1 erläutert, mit einem oder mehreren vor einem Auge oder auch vor beiden Auge angebrachten und auf diese ausgerichteten Sensoren, zum Beispiel Augenkameras 7, 8, 9 ausgestattet. Durch technische Auswertung der Kameradaten lässt sich die Blickrichtung, also die Ausrichtung der Pupille bzw. der Augenlinsenachse ermitteln. Die Erfassung der Blickrichtung nur eines Auges, wie in 1 beispielsweise mittels Kamera 7, kann zur Erkennung der Blickrichtung ausreichend sein. Zur sicheren Ermittlung des Fixationspunktes ist jedoch die Erfassung der Blickrichtung beider Augen sinnvoll und im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
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In einem Computersystem, an dem die VR-Brille betrieben wird und welches auch die Bildinhalte der auf den Monitoren 3a, 3b stereoskopisch angezeigten Bildern erzeugt bzw. abspielt, ist für jede Koordinate des Bildinhalts auch die virtuelle Entfernungsebene des dort dargestellten Bildinhalts bzw. Objekts bekannt. Dem anhand der Augenkameras 7, 8, 9 ermittelten Fixationspunkt auf der Monitorebene wird ein dort dargestelltes Objekt programmtechnisch zugeordnet. Damit ist die virtuelle Entfernungsebene, in der sich das anvisierte Objekt befindet, bekannt und damit dessen virtuelle Entfernung von den Augen des Betrachters.
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Die Information über die virtuelle Entfernung wird nun genutzt, um die fokusvariablen Linsenoptiken 6a, 6b anzusteuern und die Abbildung der Monitorinhalte auf die Augen 2a, 2b gezielt unscharf zu stellen, und zwar in dem Maße, dass der Benutzer durch Akkommodation auf den virtuellen Abstand wieder ein scharfes Bild sieht. Mit anderen Worten muss der Benutzer zum Ausgleich der Fokusverstellung durch die Optikeinrichtungen 6a, 6b die Brechkraft seiner Augen in dem Maße auf die virtuelle Entfernungsebene anpassen, wie es zumindest in etwa dem Scharfstellen des Augenfokus auf eine gleich weit entfernte reale Entfernungsebene entspräche.
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Auf diese Weise muss die Brechkraft des Auges sich beim Betrachten unterschiedlich weit entfernter virtueller dreidimensionaler Bildinhalte stets so einstellen, als wären diese real weit entfernt. Die Fokuseinstellung der Optikeinrichtung 6a, 6b erfolgt dynamisch und in etwa in Echtzeit. Die virtuelle Entfernungseinstellung bzw. die Fokuseinstellung der Linsenoptiken 6a, 6b kann hierbei kontinuierlich oder entsprechend der Tiefenschärfeeigenschaft des Auges in sinnvoll diskreten Schritten erfolgen.
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Zusätzlich können Bildinhalte, die außerhalb der gerade betrachteten virtuellen Entfernungsebene liegen, also davor oder dahinter, entsprechend der Tiefenschärfeeigenschaft des Auges softwareseitig der realen Schärfewahrnehmung angepasst werden, also auf dem Monitor entsprechend mehr oder weniger unscharf dargestellt werden. Mit anderen Worten kann das von dem Computersystem angezeigte stereoskopische Bild außerhalb der über die Optikeinrichtung 6a, 6b eingestellte virtuelle Schärfenebene softwaretechnisch mehr oder weniger verschwommen angezeigt werden. Zusätzlich kann außerdem noch eine mit der Fokuseinstellung einhergehende geringfügige Größenveränderung bei der Abbildung der Teilbilder auf die Benutzeraugen durch softwareseitige Anpassung der Bildgröße ausgeglichen werden. Allerdings haben Untersuchungen ergeben, dass diesbezügliche Effekte derart gering sind, dass diese kaum wahrnehmbar sind, ein Ausgleich also letztlich unbeachtlich ist.
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Ein Blockdiagramm eines Computersystem ist beispielhaft in 7 gezeigt. Es umfasst einen Universalcomputer 20 herkömmlicher Bauart mit einer (oder mehreren) CPU(s) 21, Arbeitsspeicher 22, einem Festplattenspeicher 23 mit entsprechender Betriebssystem- und Anwendungssoftware sowie gegebenenfalls einem Abspielgerät für Wechselmedien wie etwa DVD-ROMs o.ä.. Anwendungssoftware kann hier beispielsweise ein 3D-Computerspiel oder ein VR-Simulationsprogramm sein. Außerdem besitzt der Universalcomputer 20 eine Schnittstelle 24, wie etwa einen USB-Anschluss oder eine drahtlose Schnittstelle, z.B. nach dem Bluetooth-Standard, an die die VR-Brille 30 angeschlossen ist. CPU 21, Arbeitsspeicher 22, Festplattenspeicher, Abspielgerät 25 und Schnittstelle 24 sind über ein (oder mehrere) Bussystem(e) 26 miteinander in an sich bekannter Weise verbunden.
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Die VR-Brille 30 besitzt einen Steuerblock 31, beispielsweise in Form eines Signalprozessors, sowie eine vorzugsweise autarke Stromquelle wie etwa eine Batterie, sowie eine mit der Computerschnittstelle 24 korrespondierende Schnittstelleneinrichtung 34, über die Datensignale von dem Computer 20 empfangen und an diesen gesendet werden können. Alternativ zu einer autarken Stromversorgung ist natürlich auch eine kabelgebundene Stromversorgung von dem Computer 20 aus über die Schnittstelle 24, 34 möglich. Daneben besitzt die VR-Brille 30 wie vorstehend erläutert, Monitore 3a, 3b zur Anzeige der stereoskopischen Teilbilder, Optikeinrichtungen 6a, 6b mit ansteuerbaren Aktuatoren zur Fokuseinstellung und Augenkameras 7, 8 zur Erfassung von Blickbewegungen.
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Die VR-Brille kann zusätzlich in an sich bekannter Weise mit Sensoren 37 zur Bewegungserfassung des Kopfes, sogenannten Headtrackern, ausgestattet sein, so dass im Falle von Kopfbewegungen das jeweils angezeigte Bild an die momentane Blickrichtung angepasst werden kann.
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In dem Signalprozessor 31 kann eine Vorverarbeitung der vom Computer 20 empfangenen digitalen Bild- und Steuersignale sowie an den Computer zu übermittelnde Datensignale der Augenkameras erfolgen. Über die Schnittstelle 24, 34 werden von dem Computer digitale Bildsignale zur Anzeige auf den Monitoren 3a, 3b, Steuersignale zur Einstellung des Fokus der Optikeinrichtungen 6a, 6b sowie gegebenenfalls zur Aktivierung der Augenkameras und/oder der Infrarotlichtquellen 10, 11, 12 (in 7 nicht gezeigt) übermittelt werden. Die Digitaldaten der von den Augenkameras aufgenommenen Bilder der Augen werden ebenfalls gegebenenfalls in vorverarbeiteter Form über die Schnittstelleneinrichtung 24, 34 an den Computer übertragen.
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Der Computer 20 generiert in Echtzeit die auf den Monitoren 3a, 3b anzuzeigenden Teilbilder und passt diese bei Kopfbewegungen erforderlichenfalls an die Blickrichtung des Benutzers an. Aus den von den Augenkameras 7, 8 erfassten Bilddaten der Augen 2a, 2b ermittelt der Computer einen aktuellen Fixationspunkt in den angezeigten Teilbildern und ermittelt einen virtuellen Abstand des anvisierten Objekts. Anhand des so ermittelten virtuellen Abstands wird ein Steuersignal zur Fokuseinstellung der Optikeinrichtungen 6a, 6b festgelegt und an die VR-Brille übertragen. Angesteuert von dem Signalprozessor 31 wird anhand dieser Steuersignale der Fokuspunkt der Optikeinrichtungen 6a, 6b in der vorgegebenen Weise eingestellt, so dass die Augen des Benutzers auf den virtuellen Abstand akkomodieren müssen, damit ein scharfes Bild gesehen werden kann.
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Wie in den Ausführungsbeispielen erläutert, ist die Optikeinrichtung 6a, 6b der VR-Brille mit einem programmtechnisch ansteuerbaren, stufenlos variierbaren Fokus ausgestattet. Dieser ist vorzugsweise in mindestens dem Bereich variierbar, der dem virtuellen Entfernungsbereich der darzustellenden Bildinhalte entspricht. Vorzugsweise sollte dieser Fokuseinstellbereich dem gesamten real akkommodierbaren Entfernungsbereich zwischen Nah- und Fernpunkt entsprechen.
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Zusätzlich kann über die Optikeinrichtung 6a, 6b eine Anpassung an das individuelle Sehvermögen des Benutzers im Nah- und Fernbereich erfolgen. Mit anderen Worten können Sehschwächen des Benutzers mittels der Optikeinrichtungen 6a, 6b ausgeglichen werden. Die Anpassung an das individuelle Sehvermögen des Nutzers im Nah- und Fernbereich kann für unterschiedliche Benutzer einer einzigen VR-Brille softwaretechnisch einstellbar, speicherbar und abrufbar ausgeführt sein.
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Das vorstehend erläuterte Prinzip zur entfernungsabhängigen Fokuseinstellung anhand des virtuellen Abstandes aktuell betrachteter Bildinhalte kann in gegebenenfalls leicht modifizierter Form auch bei Augmented-Reality-Brillen und bei 3D-Brillen Anwendung finden, die zum Betrachten von Monitoren verwendet werden, die nicht in die 3D-Brille integriert sind, zum Beispiel TV-, Tablet-, Notebook- und Desktop-Monitore/Flachbildschirme.
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Da die Teilbilder für eine stereoskopische Bildwiedergabe aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln dargestellt werden, dargestellte Objekte also entsprechend ihrer virtuellen Entfernung mehr oder wenig versetzt abgebildet werden, stellt der Versatz von Objekten in den beiden Teilbildern ein Maß für deren virtuelle Entfernung dar. Aus den beiden Teilbildern lässt sich somit programmtechnisch anhand des Versatzes für einzelne Objekte deren virtuelle Entfernung ermitteln. Auf diese Weise lassen sich auch für nicht-softwaregenerierte 3D-Inhalte oder nicht in Echtzeit computergenerierte 3D-Inhalte, wie zum Beispiel wiedergegebenes 3D-Filmmaterial oder computeranimiertes 3D-Filmmaterial, zumindest ungefähre virtuelle Entfernungen für einzelne Bildinhalte ermitteln und die Fokuseinstellung der VR-Brille damit dynamisch an die gerade betrachteten Bildinhalte anpassen.
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Die in der VR-Brille verbauten Augenkameras können zusätzlich vorteilhaft zur Programmsteuerung durch den Benutzer genutzt werden. Hierzu können in der Art einer grafischen Benutzerschnittstelle entsprechende Bildinhalte wie Schalt- oder Regelelemente, Text- oder Symbolelemente eingeblendet werden und nach einer sinnvollen gewählten Blickkontaktdauer oder einer bestimmten Abfolge von Blickkontakten als vom Benutzer angewählt gesteuert werden.
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Darüber hinaus kann das vom Benutzer weitgehend nicht fälschbare Betrachtungsverhalten im Sinne von zum Beispiel Auswahl und Betrachtungsdauer von Monitorinhalten wie zum Beispiel Text-, Bild-, Film-, Werbe- und Spielinhalte erfasst und ausgewertet und/oder über eine Netzwerkverbindung zu einem entfernten Server übertragen werden, um dort ein Benutzerverhalten oder Verhaltensmuster auszuwerten und zu erkennen. Eine solche Auswertung kann zur Verbesserung von Bildinhalten, Weiterentwicklung von Computerspielen, Anpassung an Benutzercharakteristika und Verhalten und vieles mehr genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel „Fokusvariable Linsen“ von M. Blum et al., Optik und Photonik, Oktober 2011, Nr. 3, S. 38–41 [0035]
