DE29612082U1

DE29612082U1 - Autostereoskopisches Videosystem

Info

Publication number: DE29612082U1
Application number: DE29612082U
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2006-07-12

Description

Beschreibung: . **' *** ** * 96Ö18TG

Autostereoskopisches Videosystem

In der DE 34 21 652 ist ein autostereoskopisches Video-System beschrieben, das zwei Videokameras zur Aufzeichnung des linken und rechten Stereoteilbildes, eine Kommutatoreinrichtung zum Mischen der Ausgangssignale beider Videokameras und einen Fernsehmonitor mit einem vorgeschalteten Zylinderlinsenarray aufweist. Die Zylinderachsen des Zylinderlinsenarrays sind vertikal ausgerichtet. Auf dem Monitor werden spaltenweise, d.h. in vertikaler Richtung, alternierend jeweils Teile des linken und des rechten Teilbildes dargestellt. Das Zylinderlinsenarray bewirkt, daß von bestimmten Beobachterpositionen aus das linke Beobachterauge nur die Bildinformation der einen Kamera und das rechte Auge nur die Bildinformation der anderen Kamera empfängt. Für das Mischen der Videosignale beider Kameras sind in dieser Anmeldung zwei Ausführungsbeispiele beschrieben: Beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung der Kameratargets und die Abtastung des Fluoreszenzschirmes der Fernsehbildröhre spaltenweise, d.h. in vertikaler Richtung. Die Ansteuerelektronik der Kameras und der Fernsehbildröhre wird für diese, von der sonst üblichen zeilenweise Abtastung abweichende Abtastung entsprechend modifiziert. Die Umschaltung zwischen den Ausgangssignalen beider Videokameras erfolgt hier mit der Spaltenfrequenz, die der sonst üblichen Zeilenfrequenz entspricht und dem Produkt aus Halbbildwechselfrequenz und vertikaler Bildpunktzahl entspricht. Diese Frequenz liegt je nach Fernsehnorm zwischen 10 und 2 0 kHz, so daß für den Kommutator ein Hochfrequenzschalter erforderlich ist. Beim zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung sowohl der Kameras als auch auf der Fernsehbildröhre wie üblich in horizontaler Richtung. In diesem Falle-sind keine Modifikationen an der Ansteuerelektronik der Kameras und der der Fernsehbildröhre erforderlich. Allerdings muß dann die Umschaltung im Kommutator mit der Bildpunktfrequenz, die dem Produkt aus der Bildpunktzahl und der Bildwechselfrequenz entspricht, erfolgen. Hierfür ist eine

Hochgeschwindigkeitsumschaltung mit einer Frequenz von mehreren MHz erforderlich.

Aus der DE-Al 31 46 578 ist es desweiteren für ein auf Polarisationsstreifenfolien basierendes Stereo-TV-System bekannt, zwischen den beiden Kameras für das linke und rechte Teilbild jeweils mit der Halbbildfrequenz umzuschalten. Eine derartige Umschaltung mit Halbbildfrequenz, die je nach TV-Norm zwischen 25 und 60 Hz liegt, ist wesentlich einfacher zu realisieren als die nach der DE 34 21 652 erforderliche Umschaltung mit der Spaltenfrequenz oder Pixelfrequenz. Aufgrund der üblicherweise zeilenweisen Abtastung werden dann die Bildinformationen der linken und rechten Videokamera zeilenweise untereinander alternierend dargestellt. Eine solche zeilenweise verkämmte Darstellung ist jedoch für die autostereoskopische Bilddarstellung, bei der der stereoskopische Bildeindruck ohne vom Beobachter zu tragende Hilfsmittel wie Polarisationsbrille oder Shutterbrille entsteht, nicht geeignet.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein autostereoskopisches Video-System zu schaffen, bei dem der für die Umschaltung zwischen den beiden Kameras erforderliche Aufwand gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik reduziert ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein autostereoskopisches Video-System mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Für die Bildaufzeichnung sind beim erfindungsgemäßen autostereoskopischen Video-System zwei Videokameras zur Aufzeichnung des linken und des rechten stereoskopischen Teilbildes, die im sogenannten Halbbildverfahren betrieben werden, vorgesehen. Jedes Halbbild enthält jeweils nur die Bildinformation entweder in den geradzahligen oder in den ungeradzahligen Spalten des Kamerasensors. Bei den Kamerasensoren und deren Ansteuerelektronik kann dabei auf die kommerziell erhältlichen CCD-Bausteine und deren

Ansteuerelektronik für ein zeilenweises Auslesen zurückgegriffen werden, indem sie um 90° verdreht eingesetzt werden. Für die autostereoskopische Bildwiedergabe ist ein Display mit einem vorgeschalteten Array einer Vielzahl zylindrischer Strukturen vorgesehen. Die Zylinderachsen der zylindrischen Strukturen sind dabei vertikal ausgerichtet. Für das Mischen der Videosignale beider Videokameras ist ein Videomultiplexer vorgesehen, der die Ausgangssignale beider Videokameras empfängt und der mit der Halbbildfrequenz des Displays zwischen der Videokamera für das linke Teilbild und der Videokamera für das rechte Teilbild umschaltet. Das Umschalten zwischen den beiden Kameras erfolgt demgemäß mit der Halbbildfrequenz, die je nach TV-Norm zwischen 25 und 60 Hz beträgt und damit wesentlich niedriger ist als die Spaltenfrequenz oder gar die Bildpixelfrequenz. Ein derartiger Videoitiultiplexer stellt einen mit der Halbbildfrequenz geschalteten Umschalter dar und kann beispielsweise mithilfe des von der Firma Maxim unter der Bezeichnung "Max 466" kommerziell angeboten Bausteins realisiert werden.

Damit die Videohalbbilder beider Kameras jeweils zur rechten Zeit vorliegen, sind beide Videokameras· miteinander synchronisiert. Eine Zwischenspeicherung der Videohalbbilder ist dadurch nicht erforderlich.

Damit die Umschaltung zwischen den AusgangsSignalen beider Videokameras jeweils zur rechten Zeit und mit der richtigen Frequenz erfolgt, ist der Videomultiplexer über ein aus dem Videosignal einer Kamera abgeleiteten Synchronisationsimpuls, dem odd/even-Signal, getriggert.

Das Display ist vorzugsweise ein Flachdisplay mit räumlich vorgegebenen festen Bildpixeln, wie beispielsweise ein LCD-Display.

Auch bezüglich des Displays kann auf kommerziell erhältliche Displays und deren Ansteuerelektronik,- die üblicherweise für ein zeilenweises Auslesen ausgelegt ist, zurückgegriffen werden. Das Display braucht lediglich um 90° verdreht im

Hochformat aufgestellt zu werden, so daß die Zeilen des Querformats zu Spalten im Hochformat werden.

Das erfindungsgemäße autostereoskopische Video-System ist insbesondere auch zur Bildaufzeichnung und Bildwiedergabe mit einem handelsüblichen Videorekorder geeignet, in dem das Ausgangssignal des Videomultiplexers auf den Eingang des Videorekorders gegeben wird. Für die Bildwiedergabe kann der Videorekorder unmittelbar an das autostereoskopische Display angeschlossen werden. Modifikationen für die Aufnahme und Wiedergabe mit einem handelsüblichen Videorekorder an dem Videorekorder selbst oder ein- und ausgangsseitig des Videorekorders sind nicht erforderlich.

Das autostereoskopische Video-System weist weiterhin vorzugsweise eine Einrichtung zur Bestimmung der Kopfposition eines Beobachters, einen sogenannten "head tracker" auf. Das Array aus zylindrischen Strukturen sollte weiterhin relativ zum Display in zwei zur Richtung der Zylinderachsen senkrechten Richtungen motorisch bewegbar sein. Mittels einer Steuerelektronik wird eine Bewegung des Arrays derart gesteuert, daß die momentane Kopfposition des Beobachters mit der für einen autostereoskopischen Seheindruck erforderlichen Stereozone zusammenfällt.

Nachfolgend werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch ein autostereoskopisches Display;

Figur 2 ein Blockschaltbild eines autostereoskopischen Video-Systems nach der Erfindung;

Figur 3 ein Teilblockschaltbild eines autostereoskopischen Video-Systems für ein alternatives Ausführungsbeispiel; und

Figuren 4a

bis 4 c Diagramme zur Veranschaulichung der gemäß der Erfindung erzielten Verkämmung der Videosignale.

Das autostereoskopische Display in Figur 1 umfaßt ein Flachdisplay (1), beispielsweise ein LCD-Display, mit einem beobachtungsseitig des Flachdisplays angeordneten Zylinderlinsenarray (2). Die Dimensionierung der einzelnen Zylinderlinsen des Arrays (2) in Abhängigkeit vom Spaltenabstand der Pixel des Monitors (1) und die in Frage kommenden Abstände zwischen dem Array und dem Monitor (1) sind beispielsweise aus der eingangs zitierten US-A-5 083 199 bekannt, auf die bezüglich dieser Details verwiesen sei.

Am Monitor (1) ist eine den Monitor nach hinten u-förmig umschließende Trägerplatte (3) aufgenommen. Auf der vom Linsenarray (2) abgewandten Seite des Monitors (1) ist die gesamte Mimik für die Bewegung des Linsenarrays (2) relativ zum Monitor (1) angeordnet. Das Linsenarray (2) wird dabei sowohl parallel zur Ebene des Arrays (x-Richtung) als auch senkrecht zur Ebene des Arrays (2) (&zgr;-Richtung) bewegt. An der Trägerplatte (3) ist der Antriebsmotor (4) für die Abstandsänderung zwischen dem Monitor (1) und dem Linsenarray (2) aufgenommen. Die Bewegung des Antriebsmotors (4) wird über einen Zahnriemen (6) auf eine Gewindespindel (5) übertragen, die in etwa zentriert zum Monitor (1) im u-förmigen Träger (3) gelagert ist. Die Bewegung der Gewindespindel (5) wird über eine Spindelmutter (10) auf einen Zwischenträger (7) übertragen, der wiederrum senkrecht zur Ebene des Arrays (2) beweglich mittels Wellen (8) und Kugelbüchsen (9) am Träger (3) geführt ist. Am Zwischenträger (7) ist der Antrieb (11) für die Bewegung des Arrays parallel zur Ebene des Arrays angeordnet. Die überlagerte Bewegung des Zwischenträgers (7) und die Bewegung des Horizontalantriebes (11) wird über Stangen (12), die durch Ausnehmungen des Trägers (3) hindurch ragen, auf den Rahmen (13) übertragen, auf den das Linsenarray (2) aufgeklebt ist. Für eine verkantungsfreie Führung ist die Antriebsstange (12) selbst wieder in nicht dargestellter Weise durch Wellen mit Kugelbüchsen relativ zum Zwischenträger (7) geführt.

Die Antriebsmotoren (4,11) sind mit Inkrementalgebern als Rückmeldeelement ausgestattet, so daß sich ein exakter Regelkreis ergibt. Die Auflösung der Antriebe in x- und in z-Richtung ist so gewählt, daß sich eine Genauigkeit von 1:2000mm für die Positionierung des Linsenarrays (2) ergibt. Mit dieser Auflösung ist eine für den Beobachter unmerkliche Nachführung des Linsenarrays (2) möglich.

Alternativ zu den Gleichstrommotoren (4,11) und einer Übertragung der Drehbewegung in die gewünschten Linearbewegungen durch Gewindespindeln und Spindelmuttern könnten für die Bewegung auch Linearantriebe vorgesehen sein.

Durch die Anordnung der gesamten Bewegungsmimik rückseitig des Monitors (1) ragt die Gesamtanordnung in lateraler Richtung nur geringfügig über die Fläche des Monitors (1) hinaus, so daß die Horizontalabmessungen der Gesamtanordnung nur geringfügig größer als die Horizontalabmessungen des LCD-Monitors (1) sind.

Für die stereoskopische Darstellung werden auf dem Monitor (1) gleichzeitig das linke und das rechte stereoskopische Teilbild dargestellt. Beispielsweise erhalten die Pixel des Monitors mit gerader Spaltenzahl die Bildinformation des rechten Teilbildes und die Pixel mit ungerader Spaltenzahl die Bildinformation des linken Teilbildes. Das dem Monitor (1) vorgeschaltete Linsenarray (2) ist bezüglich seiner Abmessungen und seiner Brechkraft so gewählt, daß das linke Auge eines in der Stereozone positionierten Beobachters nur die Pixel mit ungerader Spaltenzahl und das rechte Auge nur die Pixel mit gerader Spaltenzahl beobachtet. Diese Bedingung für das stereoskopische Sehen ist jedoch bei fester relativer Positionierung von Monitor (1) und Linsenarray (2) nur innerhalb einer sehr kleinen Stereozone erfüllt.

Damit der Beobachter bei der stereoskopischen Beobachtung eine größere Bewegungsfreiheit erhält, umfaßt das autostereoskopische System neben der anhand der Figur 1 beschriebenen Displayanordnung (19) einen neben oder auf der

Displayanordnung (19) angeordneten, sogenannten head tracker (14) (siehe Figur 2), der mittels Infrarotlicht die Kopfposition eines Beobachters ermittelt. Bei dem sogenannten head tracker (14) kann es sich beispielsweise um den "Dyna Sight Sensor" der Firma Origin Instruments handeln. Die Ausgangssignale des head trackers (14) werden von einem Personal Computer (15) mit zugeordnetem Monitor (16) ausgelesen. Durch ein entsprechendes Computerprogramm werden die Signale des head trackers in Echtzeit in die erforderliche Bewegung des Linsenarrays (2) umgesetzt. Die gemessenen Koordinaten des Beobachters im Beobachterraum werden durch entsprechende Gleichungen in die erforderliche Position des Linsenrasters umgerechnet. Die anzuwendenden Übertragungsgleichungen ergeben sich dabei aus den mechanischen Gegebenheiten des Linsenarrays, wie der Brennweite der dort vorhandene Zylinderlinsen. Die Gleichungen sind so ausgelegt, daß für jede Position des Beobachters in dem zur Verfügung stehenden Beobachtungsraum die Bedingung für eine stereoskopische Beobachtung erfüllt ist. Durch die Nachführung des Linsenarrays (2) läßt sich eine Stereozone im Beobachtungsraum realisieren, die bei einem 14"-Monitor sich in Tiefenrichtung von ca. 3 0cm vor dem Bildschirm bis ca. Im vom Bildschirm entfernt und in seitlicher Richtung um ± 20cm aus der Bildmitte erstreckt.

Nach dem Einschalten des Systems wird programmgesteuert jeweils eine automatische Initialisierung vorgenommen. Dabei werden beide Motoren (4,11) derart angesteuert, daß Endlagenschalter, die beispielsweise durch Hallgeber und Magnet gebildet sein können, angefahren werden. Nach Erreichen der Endlagenschalter werden beide Bewegungsrichtungen umgekehrt und jede Achse maximal um eine Encoderumdrehung aus der Endlage gefahren, bis der Indexpuls des Encoders erreicht wird. Nach dieser Initialisierung erfolgt dann die aktuelle Positionsbestimmung des Beobachters mittels des head trackers (14) und die EchtZeitberechnung der Übertragungsfunktionen für eine kontinuierliche Ankopplung der Bewegung des Linsenrasters an die vom head tracker (14) gelieferten Beobachterkoordinaten.

Für die stereoskopische Bildaufzeichnung sind zwei Kameras (20, 21) vorgesehen, die durch ein Kabel (22) miteinander synchronisiert sind. Dadurch ist gewährleistet, daß beide Kameras zum gleichen Zeitpunkt mit der Aufzeichnung eines Halbbildes beginnen. Die Halbbilder werden dabei spaltenweise aufgezeichnet, wobei jedes Halbbild die Bidlinformation nur in den geradzahligen oder nur in den ungeradzahligen Spalten des Kamerabausteins enthält. Von den in jedem Videozyklus mit jeder Kamera aufgezeichneten zwei Halbbildern wird durch die nachfolgende Schaltung jeweils nur ein Halbbild ausgenutzt. Die Ausgangssignale beider Kameras (20,21) sind zwei Eingängen eines Videomultiplexers (23) zugeführt. Bei dem Videomultiplexer kann es sich beispielsweise um den von der Firma Maxim angebotenen schnellen Analogschalter "Max 466" handeln. Aus dem FBAS-Signal einer der beiden Kameras wird mittels eines sogenannten Sync-Separators (24), beispielsweise des LM 1881 der Firma "National Semi-Conductor" ein Signal abgeleitet, das genau im Takt der Halbbildwechsel der Kamera umschaltet. Dieser Sync-Separator liefert beispielsweise ein Low-Signal über den Zeitraum, in dem die geraden Spalten und ein High-Signal über den Zeitraum, in dem die ungeraden Spalten der Kamera ausgelesen werden. Dieses Signal ist an den Triggereingang des Videomultiplexers (23) angelegt, so daß der Videomultiplexer (23) mit der Halbbild-freguenz zwischen beiden Kameras (20,21) umschaltet. Das nunmehr zur Verfügung stehende Stereo-Videosignal wird einem handelsüblichen FBAS zu VGA-Wandler (25) zugeführt, an den dann der LCD-Monitor (19) mit dem Linsenraster (2) angeschlossen ist.

Das durch den Videomultiplexer (23) bewirkte Verkämmen der Videosignale beider Videokameras (20,21) ist in den Figuren 4a bis 4c zur Verdeutlichung noch einmal dargestellt. Da beide Kameras miteinander synchronisiert sind, beginnen beide Kameras zum gleichen Zeitpunkt mit der Aufzeichnung des ersten Halbbildes. Im ersten Halbbild tasten beide Videokameras die Bildinformation der ungeradzahligen Spalten und im zweiten Halbbild die Bildinformation der geradzahligen Spalten ab. Die ungeradzahligen"Spalten sind in der Figur 4a als durchgezogene vertikale Linien und die ungeradzahligen Spalten in 4b als

• · i &idigr; .' &iacgr; &idigr;&idigr;,.

durchgezogene vertikale Linien angedeutet. Während des ersten Halbbildes schaltet der Videomultiplexer (23) den Ausgang der linken Kamera (20) und während des zweiten Halbbildes den Ausgang der rechten Kamera (21) zum Ausgang des Videomultiplexers durch. Das resultierende Ergebnis ist in der Figur 4c dargestellt und enthält in den ungeradzahligen Spalten die Bildinformation der linken Kamera und in den geradzahligen Spalten die Bildinformation der rechten Kamera. Das derart verkämmte Signal ist unmittelbar für die auto-stereoskopische Darstellung geeignet.

Für die Bildaufzeichnung kann alternativ oder zusätzlich zum autostereoskopischen Display (19) an den Ausgang des Videomultiplexers (23) ein Videorekorder (26) angeschlossen werden. Es kann sich dabei um einen kommerziellen Videorekorder handeln, an dem für die stereoskopische Bildaufzeichnung keinerlei Änderungen vorgenommen werden müssen. Für die Bildwiedergabe kann das Ausgangssignal des Videorekorders unmittelbar an den Eingang des FBAS zu VGA-Wandler angelegt werden.

Entsprechende Kameras (20,21) und ein Flachdisplay (19), die zum spaltenweisen Ein- und Auslesen geeigent sind, lassen sich aus kommerziell erhältlichen Komponenten einfach dadurch realisieren, daß sie jeweils um 90° verdreht eingesetzt werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 haben die beiden Videokameras (20', 21') einen sogenannten Super-VHS- Ausgang. Bei solchen Super-VHS-Ausgängen werden die Signale für Bildhelligkeit und Synchronisation (y) getrennt von den Chroma-Signalen geführt. Auch bei Kameras mit solchen Super-VHS-Ausgängen kann die oben anhand der Figur 2 beschriebene Schaltung zur Verkämmung der Videosignale eingesetzt werden. Dazu wird dem Videomultiplexer (23), der identisch zum Videomultiplexer aus Figur 2 ist und ebenfalls über den Sync-Separator (24) getriggert wird, das Bildsignal (y) und das Chroma-Signal (C) getrennt zugeführt "und vom Videomultiplexer getrennt umgeschaltet. Die Umschaltung erfolgt wiederrum mit der Halbbildfrequenz. Die getrennt umgeschalteten Signale

werden nachfolgend über den Super-VHS-Eingang des FBAS zu VGA-Wandler (25) aufbereitet und die aufbereiteten Ausgangssignale an das autostereoskopische Display (19) weitergegeben.

Die Verwendung von Super-VHS-Kameras (20',2I¹) ist jedoch auch mit einem FBAS zu VGA-Wandler (25) möglich, der nicht über einen Super-VHS-Eingang verfügt. In diesem Fall kann auf einfache Weise mit zwei Operationsverstärkern aus dem Super-VHS-Signal ein FBAS-Signal gewonnen werden, welches dann dem Vxdeomultiplexer (23) zugeführt werden kann.

Claims

Schutzansprüche:

1. Autostereoskopisches Videosystem mit zwei Videokameras (20,21;20',21') zur Aufzeichnung des linken und rechten Teilbildes jeweils im Halbbildverfahren, wobei jedes Halbbild jeweils nur die Bildinformation in den geraden oder in den ungeraden Spalten des Kamerabausteins enthält, einem Display (1) zur Wiedergabe der stereoskopischen Teilbilder mit einem vorgeschalteten Array (2) mit einer Vielzahl zylindrischer Strukturen, wobei die Zylinderachsen der zylindrischen Strukturen vertikal ausgerichtet sind, und mit einem Videomultiplexer (23), der die Ausgangssignale beider Videokameras (20,21;20',21') empfängt und der mit der Halbbildfrequenz der Videokameras (20,21;20^!,21') zwischen der Videokamera (20;20·) für das linke Teilbild und der Videokamera (21;21') für das rechte Teilbild umschaltet.

2. Autostereoskopisches Videosystem nach Anspruch 1, wobei die beiden Videokameras (20,21;20·,21') miteinander synchronisiert sind.

3. Autostereoskopisches System nach Anspruch 1, wobei zur Aufzeichnung der Stereobilder ein Videorekorder (26) vorgesehen ist, der an den Ausgang des Videomultiplexers (23) anschließbar ist.

4. Autostereoskopisches Videosystem nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Display (1) ein Flachdisplay mit räumlich

* vorgegebenen festen Bildpixeln ist.

5. Autostereoskopisches Videosystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei eine Einrichtung (14) zur Bestimmung der Kopfposition eines Beobachters vorgesehen ist, wobei das Array (2) aus zylindrischen Strukturen relativ zum Display (1) in zwei zur Richtung der Zylinderachsen senkrechten Richtungen motorisch bewegbar ist und wobei eine Steuerelektronik (15,17) vorgesehen ist, die eine Bewegung des Arrays (2) relativ zum Display (1) derart steuert, daß

die momentane Kopfposition des Beobachters mit der für einen autostereoskopischen Seheindruck erforderlichen Stereozone zusammenfällt.