DE3427260C2 - Stereoskopisches Bildwiedergabesystem - Google Patents
Stereoskopisches BildwiedergabesystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft stereoskopische Bildwiedergabesysteme und ins
besondere ein System zur dreidimensiona
len Bilddarstellung für Betrachter mit einer stereoskopi
schen Anordnung unter Verwendung von Kathodenstrahlröhren.
Während die Erfindung hier speziell am Beispiel von Video
spielautomaten ("arcade video games") oder herkömmlichen
Heim-Unterhaltungsgeräten beschrieben, ist für den Fach
mann einzusehen, daß die im folgenden offenbarten Prinzi
pien der Erfindung allgemeiner anwendbar sind. Insbesonde
re ist die Erfindung überall dort einsetzbar, wo eine drei
dimensionale Bilddarstellung erwünscht oder sinnvoll ist.
Eine derartige Bildwiedergabeanordnung ist beispielsweise aus der JP-A55-
105220 bekannt, in der eine Bildhalterung (8) beschrieben wird, die durch
eine mechanische Positionsänderung eine Veränderung der Projektionswege
zweier Bilder zur Erzeugung einer stereoskopischen Sichtweise bewirkt.
Danach wird ein Detektor (12) nahe eines der Augen eines Betrachters (3),
z. B. dessen linkes Auge (4L), angebracht. Mit diesem Detektor (12) steht ein
Erkennungsschaltkreis (17), ein Antriebsschaltkreis (18) und ein Servomotor
(9) in Verbindung, um die Bildhalterung (8) zu bewegen. Bewegt sich der
Kopf in einer Richtung senkrecht zur Blickrichtung des Betrachters, erkennt
der Schaltkreis (17) diese Bewegung mit Hilfe des veränderten Lichteinfalls
auf den Detektor (12). Die Bewegung der Bildhalterung (8) mittels des
Erkennungsschaltkreises (17), des Antriebsschaltkreises (18) und des
Servomotors (9) bewirkt, daß trotz der Kopfbewegung des Betrachters (3) für
diesen eine gute stereoskopische Sicht sichergestellt ist. Der Nachteil dieser
Erfindung ist jedoch, daß der Betrachter einen in der Nähe eines Auges
anzubringenden Detektor (12) zu tragen hat, der mittels Kabel mit dem
Sichtgerät verbunden ist, so daß die Bewegungsfreiheit des Betrachters
eingeschränkt ist.
Weiterhin ist nach der US-1,440,457 eine von Hand zu haltende Vorrichtung
bekannt, die eine stereoskopische Bildbetrachtung ermöglicht. Eine derartig
von Hand zu haltende Vorrichtung ist jedoch für viele
Einsatzmöglichkeiten der stereoskopischen Bilderzeugung ungeeignet, da
beispielsweise der Betrachter nicht mehr beide Hände zur Bedienung einer
Steuereinrichtung frei hat.
Die US-4,281,341 offenbart ebenfalls ein stereoskopisches
Bildwiedergabesystem, bei dem ein schaltbarer optischer Polarisator zum
Einsatz kommt, um abwechselnd Bilder entsprechend für das linke und das
rechte Auge des Betrachters zu erzeugen. Bei derartigen Systemen ist jedoch
die Bildwiedergabequalität eingeschränkt, und es entsteht insbesondere ein
merkbarer Flackereffekt.
Während diese Vorrichtungen jeweils ihrem speziellen Zweck entsprechen,
haben sie Nachteile, die ihr Marktpotential erheblich ein
schränken. Im allgemeinen erfordert der 3D-Betrachtungs
effekt, daß der Betrachter seinen Kopf in einer festen
Stellung relativ zu bestimmten Sichtfenstern hält, Filter-
oder Modulationsbrillen aufsetzt oder gar einen Helm oder
anderes Kopfgerät tragen muß, an dem die Sichteinheit ange
bracht ist. Die Unbequemlichkeit für den Betrachter, der
diese bekannten Vorrichtungen benutzen will - insbesondere
im Vergleich zur Leichtigkeit der Bildbetrachtung auf einem
herkömmlichen Fernsehbildschirm - hat verhindert, daß diese
Systeme sich durchsetzen.
Weiterhin leiden die bekannten stereoskopischen Bildwieder
gabesysteme im Vergleich zu normalen Fernseh-Bildschirmen
auch an einer schlechten Bildqualität. Bei einigen Vorrich
tungen wird z. B. eine Farbauszugstechnik angewendet und dem
rechten und linken Auge des Betrachters ein Rot- bzw. ein
Grünauszug dargeboten; ein derartiges System bewirkt aber
eine unnatürliche Farbwiedergabe. Andere Systeme verwen
den Lichtporalisierungstechniken, um Stereobilder darzu
stellen. In dieser letzteren Konstruktionsform bewirkt eine
Kopfbewegung des Betrachters, daß die Polarisationsfilter
- insbesondere wenn sie als Brillen getragen werden - wir
kungslos werden und verwirrende Doppelbilder entstehen.
Bei einem weiteren Verfahren wird vor den Augen des Be
trachters ein Satz Lichtmodulierfilter angeordnet, die
synchron mit der Bilddarstellung abwechselnd transparent
und opak geschaltet werden, wobei es sich bei dem Bild
schirm im allgemeinen um eine einzige Kathodenstrahlröhre
handelt, die auf die Wiedergabe des für die Stereoabbil
dung erforderlichen rechten und linken Bildes eingerich
tet ist. Dieses Verfahren und seine Implementierung verur
sachen einen merkbaren Flackereffekt.
Bei weiteren Vorrichtungen ist die Auflösung nicht hoch
genug, da sie für jeden der beiden Wiedergabekanäle nur die
Hälfte der Standard-Videobandbreite des NTSC-Normalsignals
verwenden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Bildwiedergabeverfahren bzw. -system vorzuschlagen, bei dem der
Betrachter kein Sichtgerät, wie z. B. eine Filter- oder Modulationsbrille, einen
Helm oder ein anderes Kopfgerät, tragen muß. Weiterhin soll das System
eine natürliche Farbwiedergabe ermöglichen. Bei der Bildwiedergabe sollen
Doppelbilder und Flackereffekte vermieden werden. Die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist weiterhin, ein Bildwiedergabesystem mit einer
genügend hohen Auflösung vorzuschlagen, so daß dieses auch für
Simulationen jeglicher Art geeignet ist.
Das im folgenden offenbarte Bildwiedergabeverfahren bzw.
-system soll die genannten Nachteile überwinden und weist eine erste
Bilderzeugungseinrichtung, die ein gewünschtes Bild liefern
kann, eine zweite Bilderzeugungseinrichtung, die ein ge
wünschtes Bild liefern kann, Mittel, um die von der ersten
und der zweiten Bilderzeugungsvorrichtung gelieferten Bilder
auf mindestens einem vorbestimmten Weg zum Betrachter zu
projizieren, eine Apertursteuerung in dem mindestens einem
Weg, um die auf diesem projizierten Bilder abhängig von der
Stellung des Betrachters zu verändern, eine Einrichtung,
die die Position des Betrachters erfaßt und aus ihr ein
elektrisches Signal ableitet, und eine Einrichtung auf,
die die Apertursteuerung in dem mindestens einem Weg auf
grund des elektrischen Signals nachstellt, wobei die
letzterwähnte Einrichtung betrieblich mit der Positionser
fassungseinrichtung verbunden ist.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist, daß sie keine
am Kopf zu tragenden Sichthilfen erfordert und dem Be
trachter innerhalb eines ausgedehnten Sichtbereiches Be
wegungsfreiheit gibt. Eine stereoskopische Video-Farbbild
darstellung ist für beide Augen ohne Polarisierungsbrillen
möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses System be
sonders geeignet für die stereoskopische Bildwiedergabe bei
Video-Spielautomaten, obgleich hier auch die bevorzugte Aus
führungsform für die herkömmliche Heim-Fernsehwiedergabe in
einem Stereosystem offenbart ist. Wie oben erwähnt, sind für
den Fachmann andere Anwendungen offensichtlich. Insbesondere
ist die vorliegende Erfindung für bestimmte Anwendungen in
der medizinischen Diagnose ausgezeichnet geeignet.
Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist,
daß man eine verhältnismäßig kostengünstige Stereo-Bild
wiedergabe erhält, deren Auflösung vergleichbar ist mit
den Standard-Fernsehausstrahlungen nach dem NTSC-Verfahren.
Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben
sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung be
vorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf
die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematisierte Aufriß
darstellung einer bevorzugten Aus
führungsform des erfindungsgemäßen
Bild-Wiedergabesystemes, wobei eine
Seitenplatte des Gehäuses abgenommen
ist, um das Geräteinnere zu zeigen;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der in
Fig. 1 gezeigten Bildwiedergabe
anordnung;
Fig. 3A ist eine Draufsichtdarstellung der
mit der in Fig. 1 gezeigten Aus
führungsform zusammen eingesetzten
Sucheinrichtung;
Fig. 3B ist eine als Seitenriß gezeigte Dar
stellung der Sucheinrichtung für
die in Fig. 1 gezeigten Ausführungs
form;
Fig. 4 ist eine Blockdiagrammdarstellung
einer der Zellen, wie sie für die
Sucheinrichtung der Fig. 3A, 3B
verwendet werden;
Fig. 5 ist eine Aufrißdarstellung einer
zweiten bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung;
Fig. 6 ist eine Draufsicht des in Fig. 5
gezeigten Systems;
Fig. 7 ist eine Aufrißdarstellung des in
Fig. 5 gezeigten Wiedergabesystems,
wobei eine Seitenplatte des Geräts
abgenommen ist;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des in
den Fig. 5 und 7 gezeigten Bild
wiedergabesystems.
In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine bevorzugte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildwiedergabesystems.
Das Bildwiedergabesystem 1 weist ein Gehäuse 2, ein Bild
projektionssystem 3 sowie ein Betrachter-Suchsystem 4 auf.
Das Gehäuse 2 ist herkömmlich ausgestaltet. Es weist all
gemein eine Vorderwand 5, den Boden 6, die Rückwand 7, die
Oberseite 45, die linke Seitenwand 46 und eine rechte Sei
tenwand auf, wobei letztere in Fig. 1 zur klareren Dar
stellung nicht mitgezeigt ist. Das Gehäuse 2 ist auf seiner
Vorderwand 5 zu einem Spiel- bzw. Sichtbereich 8 zurückge
setzt ausgeführt. In diesem Sichtbereich 8 befindet sich
eine Bildwiedergabelinse 9, eine Sucheinrichtung 10 sowie
mindestens eine Steuereinrichtung 11. Diese Steuereinrich
tung 11 ist herkömmlich und arbeitet zusammen mit einem be
stimmten Videospiel, das in der Linse 9 beobachtbar ist.
Hier lassen sich herkömmliche "joy sticks", Paddel, Druck
taster oder dergl. verwenden.
Wie oben erwähnt, handelt es sich bei der in Fig. 1 gezeig
ten Ausführungsform vorzugsweise um einen Videospielauto
maten, wie er in Spielhallen und so weiter eingesetzt wird.
Während hier eine bestimmte Gehäuseform gezeigt und beschrie
ben ist, ist für den Fachmann einzusehen, daß für die allge
meineren Aspekte der Erfindung eine Vielzahl von Gehäuse
formen anwendbar ist.
Das Bilderzeugungssystem 3 weist einen ersten Bilderzeuger 12
und einen zweiten Bilderzeuger 13 auf. Die Bilderzeuger 12,
13 enthalten Bilderzeugungseinrichtungen für das Bilderzeu
gungssystem 3 und sind vorzugsweise herkömmliche Sichtein
heiten mit Kathodenstrahlröhren. Andere Bilderzeugungssysteme
sind mit den allgemeineren Aspekten der Erfindung kompatibel.
Der Bilderzeuger 12 hat einen Bildschirm 14, auf den ein
Polarisationsfilter 15 in Folienform aufgelegt ist. Der Bild
erzeuger 12 projiziert ein Rasterbild, dessen Perspektive für
die Stereobetrachtung mit dem linken Auge des Betrachters
korrigiert ist. Das Filter 15 läßt nur vertikal polarisier
tes Licht hindurch. Das vom Erzeuger 12 erzeugte Bild wird
vom Spiegel 16 auf den Strahlteiler 17 gelenkt.
Der Bilderzeuger 13 ist ebenfalls eine Kathodenstrahlröhre
mit dem Bildschirm bzw. der Vorderfläche 18, auf die ein
Polarisationsfilter 19 in Folienform aufgesetzt ist. Der
Bilderzeuger 13 projiziert ein Rasterbild mit der für das
rechte Auge des Betrachters korrigierten Perspektive. Der
Filter 19 läßt nur waagerecht polarisiertes Licht durch.
Das durch das Filter 19 tretende waagerecht polarisierte
Licht fällt ebenfalls auf den Strahlteiler 17.
Bei dem Strahlteiler 17 handelt es sich um eine 50/50-Tei
ler, d. h., die Licht- bzw. elektromagnetische Wellenenergie,
die aus jedem der Bilderzeuger auf den Strahlteiler fällt,
wird zur Hälfte vom Strahlteiler transmittiert und zur Hälfte
reflektiert. Vom Strahlteiler 17 transmittiertes Licht aus
dem Bilderzeuger 12 wird auf einem allgemein mit 20 bezeich
neten Weg geführt, desgleichen das vom Strahlteiler reflek
tierte Licht aus dem Bilderzeuger 13.
Das auf dem Weg 20 übertragene Licht durchläuft eine Linse 47,
die das Licht aus den Bilderzeugern 12, 13 bündelt.
Im Strahlweg 20 befinden sich hinter der Linsen 47 zwei Aper
tursteuerpolarisatoren 21, 22, die bezüglich des Wegs 20 be
weglich gelagert sind, wie unten ausführlich erläutert. Nach
dem Durchlaufen der Polarisatoren 21, 22 der Apertursteuer
einrichtung 23 durchläuft das Licht eine Linse 24, wird von
einem zweiten Spiegel 25 reflektiert und bildet an der Wieder
gabelinse 9 das gewünschte Links- und Rechtsbild aus.
Wie oben angegeben, weist die Apertursteuereinrichtung 23
zwei rechteckige Polarisatoren 21, 22 in Blatt- bzw. Folien
form auf, die nebeneinander in einer Horizontalebene ange
ordnet sind. Die Grenzlinie zwischen den Polarisatoren 21,
22 liegt in einer Vertikalebene ("horizontal" und "verti
kal" jeweils bezüglich der Fig. 1), die - wie die Fig. 2 -
um 90° gegenüber den anderen Zeichnungsansichten gedreht ist.
Der Polarisator 21 läßt nur horizontal polarisiertes Licht
durch, der Polarisator 22 nur vertikal polarisiertes. Der
Polarisator 21 liegt links vom Polarisator 22, eine aus der
Fig. 1 nicht unmittelbar ersichtliche Anordnung. Die Pola
risatoren sind in einem geeigneten Rahmen gehaltert, der in
der Bahn 20 beweglich und von einer Verschiebestufe 26 ge
steuert ist. Der Rahmen und damit auch die Polarisatoren
lassen sich in zwei Freiheitsgraden, bzw. nach oben/unten
und links/rechts bewegen (bei von der Vorderwand 5 her ge
sehen Gehäuse 2).
Die Bilderzeuger 12, 13, die Apertursteuerung 23 und die
Wiedergabeoptik des Projektionssystems 3 arbeiten zusammen,
um für den Betrachter ein stereoskopisches Videobild zu er
zeugen.
Infolge der gemeinsamen Wirkung der Linsen 24, 9 und der ent
sprechenden Anordnung der Apertursteuer-Polarisatoren 21, 22
entsteht das Bild aus der Apertursteuerung 23 im Bereich 28,
wo der Kopf des Betrachters (in Fig. 1 gestrichelt gezeigt)
sich befinden kann. Dabei wird die Stellung der Polarisatoren
jeweils so gewählt, daß das rechte Auge des Betrachters das
Bild aus dem Bilderzeuger 13, das linke Auge das Bild aus
dem Bilderzeuger 12 sieht. Mit anderen Worten: Das linke
Auge sieht das Bild aus dem Erzeuger 13 nicht, das rechte
Auge nicht das aus dem Erzeuger 12. Die Positionierung der
Apertursteuerung 23 erfolgt unter Steuerung durch einen Rech
ner 27, der die Eingangssignale aus der Sucheinrichtung 10 übernimmt und daraus die Position
des Kopfes des Betrachters im
Bereich 28 bestimmt. Der Rechner 27 sei
nerseits steuert die Verschiebestufe 26 so an, daß die Aper
tursteuerung 23 in eine Lage kommt, in der die Linse 24,
der Spiegel 25 und die Linse 9 das Bild aus den Polarisato
ren 21, 22 dergestalt umformen, daß auf der rechten Seite des
Kopfes des Betrachters und über seinem rechten Auge das Bild
aus dem Polarisator 21, auf der linken Seite des Kopfes
des Betrachters und über seinem linken Auge das Bild aus
dem Polarisator 22 entsteht. Die Polarisatoren 21, 22 werden
auf- und abwärts bzw. nach rechts oder links bewegt entspre
chend dem Ergebnis der Verfolgung des Betrachterkopfes. Das
dem Betrachter angebotene Bild ist folglich immer entsprechend
der Kopfposition des Betrachters nachgestellt.
Die Position des Kopfes des Betrachters wird mit einer Such
einrichtung 10 bestimmt, die sich anhand der Fig. 3A, 3B und
4 am besten erläutern läßt. Die Einrichtung 10 weist ein Ge
häuse 30 mit einer Vielzahl von Photodiodendetektoren 31 auf,
die entlang der Bodenwand 29 des Gehäuses 30 angeordnet sind.
Die Detektoren 31 sind zu zwei Reihen 41, 42 angeordnet, die
von einer Wand 43 getrennt sind, die im Gehäuse 30 zwei Kammern
33, 33′ bildet. Die Oberseite 40 des Gehäuses 30 enthält
(zu beiden Seiten der Wand 43) zwei langgestreckte Lichtein
laßfenster 32; die Lichteinlaßfenster 32 sollen Umlicht in
die Kammern 33, 33′ des Gehäuses 30 einlassen.
Die Photodioden 31 sind herkömmlich ausgeführt und geben
ein elektrisches Signal ab, das als Eingangssignal des
Verstärkers 34 dient, wie in Fig. 4 gezeigt. Das Ausgangssignal
(an 35) des Verstärkers 34 geht auf einen Analog/Digital-
Wandler (A/D-Wandler) 36, dessen Ausgang 37 an den Eingang
der Rechnersteuerung 27 gelegt ist. Die Rechnersteuerung 27
hat einen Ausgang 39, der an die Verschiebeeinrichtung 26
gelegt ist.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist für einen Raumbereich gedacht,
der von der Decke her angenähert konstant hell ausge
leuchtet ist. Im Gehäuse 1 kann gegebenenfalls eine Licht
quelle 38 vorgesehen sein, die über diesen Bereich einen
Reflektionslicht-Hintergrund liefert, um die Suchleistung
der Sucheinrichtung 10 zu verbessern. Mit anderen Worten:
In einigen Einsatz fällen des Bildwiedergabesystems 1 kann
es erforderlich sein, eine zusätzliche Lichtquelle 38 anzu
wenden, damit die Sucheinrichtung 10 einwandfrei arbeitet.
In anderen Einsatz fällen können die bestehenden Umlichtbe
dingungen die Lichtquelle 38 überflüssig machen.
Die Anwendung des erfindungsgemaßen Bildwiedergabesystems 1
in Videospielautomaten ist am besten in Fig. 2 ersichtlich.
Wie dort dargestellt, läßt die Rechnersteuerung 27 sich
mit dem Spiel programmieren, das von den Bilderzeugern bzw.
Monitoren 12, 13 dargestellt werden soll. Die Steuerein
richtung bzw. -einrichtungen 11 sind an die Rechnersteuerung
27 über eine geeignete Verbindung 60 angeschlossen. Die
Rechnersteuerung 27 hat ihrerseits einen Ausgang 61 sowie
einen Ausgang 62, die betrieblich über geeignete Schnitt
stellenkarten 63, 64 an die Bilderzeuger 12, 13 angeschlos
sen sind, die die Bilderzeugung auf diesen Einrichtungen
steuern. Die Bilderzeuger 12, 13 ihrerseits projizieren das
Bild auf dem Strahlweg 20 durch die Wiedergabeoptik. Wie
oben erläutert, läuft der Strahlweg 20 durch die Apertur
steuerung 23, die von einer Verschiebestufe 26 angesteuert
wird. Über eine geeignete Schnittstellenkarte steuert der
Rechner 27 mit dem Ausgang 65 die Verschiebeeinrichtung 26 an.
Das Ausgangssignal der Sucheinrichtung 10 wird mit dem A/D-
Wandler 36 digitalisiert und das Ausgangssignal des Wandlers
auf den Rechner 27 gegeben, der seinerseits das Verschiebe-
System 26 ansteuert.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in
den Fig, 5, 6, 7 und 8 gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 5 und 6
schaubildlich ein herkömmliches Bildwiedergabesystem 1′ in
der Art eines Fernsehapparats, das Stereobilder in den Sicht
bereich 70 eines Raumes 150 richtet. Das System 1′ enthält
eine Wiedergabeeinrichtung 71, die dem Betrachter im Bereich
70 als herkömmlicher Fernsehapparat erscheint, obgleich das
Gehäuse etwas größer ist, als man bei einem einfachen Raster
bildschirm erwarten würde.
Die Fig. 7 zeigt die Bildwiedergabeeinrichtung 71 bei abge
nommener Seitenwand. Wie ersichtlich, ist über der Wiederga
belinse 82 eine Stereokamera 81 aus zwei normalen, parallel
zueinander angeordneten Videokameras angeordnet, wobei ihre
optischen Achsen in der Horizontalen einen bestimmten Ab
stand haben. Diese beiden Kanäle der Stereokamera 81 erzeu
gen synchrone Videobilder aus einem vorbestimmten Sichtbereich
in Standard-Rasterformat. Die Videosignale aus der Stereo
kamera 81 werden auf einen Analog/Digital-Wandler 83 ge
schickt (Fig. 8), dann auf einen Prozessor 84 und einen
Videoschalter 85. Die Sichtfelder der Kamera 81 enthalten
den gesamten, in Fig. 5 und 6 gezeigten Bereich 70 für die
Stereobildbetrachtung. Folglich enthält das Videobild jeder
der beiden Kameras Bilder sämtlicher Betrachter, die in je
dem Augenblick das Stereobild betrachten.
Der A/D-Wandler 83 digitalisiert das Videosignal aus einem
Kanal der Kamera 81 und sendet das Ausgangssignal auf der
Leitung 86 auf einen Rechner bzw. Mikroprozessor 87. Der
Prozessor 87 speichert das Eingangssignal aus der Stereo
kamera in einem Schreiblese-Speicher (RAM-Speicher) als
digitalisiertes Abbild der Gegenstände und des Betrachters im
Stereobetrachtungsbereich 70. Die gespeicherte Bildinforma
tion wird dabei videobildweise aktualisiert. Jedes Bitwort
im Speicherfeld entspricht dabei der Szenenhelligkeit eines
bestimmten Bereiches von ca. 13×13 mm Größe (1/2×1/2 in.)
in einer Entfernung von etwa 3,4 m (11 ft.) vor der Bild
linse 82. Bei dieser Vergrößerung läßt sich das digitali
sierte Abbild des Gesichts eines Durchschnittsbetrachters in
einem 16×24-Teilbereich des Speicherfeldes speichern.
Mit einer digitalen Korrelationstechnik lassen sich nun die
Abbilder der Betrachter innerhalb des digitalisierten Daten
feldes aus dem Stereosichtbereich erfassen und lokalisieren.
Hierzu wird das digitale Bild eines Bezugs- bzw. "Normalge
sichts", das in einem Lesespeicher (ROM-Speicher) abgelegt
ist, bildelementsweise mit dem digitalisierten Bild des
Sicht- bzw. Darstellungsbereichs verglichen. Aus diesem ele
mentweisen Vergleich wird ein Korrelationswert zwischen dem
Normalgesicht und jedem Teilbereich des Sichtbereichs be
rechnet.
Bleibt der Korrelationswert für jeden Teilbereich bzw. Block
unter einem vorbestimmten Minimum, wird angenommen, daß in
nerhalb dieses Bildbereichs kein Betrachtergesicht zentriert
ist; danach wird der Vergleich mit einem neuen Block bzw.
Sichtbereich fortgesetzt. Die Wahl des Sichtbereichs bzw.
Blocks erfolgt unter Steuerung durch den Prozessor 87, so
daß sämtliche Teile des Stereobetrachtungsbereichs regel
mäßig überprüft werden.
Übersteigt der Korrelationswert eines Bildteilbereichs ein
vorbestimmtes Minimum, nimmt der Mikroprozessor an, daß sich
nahe dem Mittelpunkt des Blocks die Mitte eines Betrachter
gesichts befindet. Danach werden Korrelationsrechnungen über
alle umliegenden Bildbereiche durchgeführt und die Korrela
tionswerte vergleichen, um das Korrelationsmaximum innerhalb
des Bildfeldes festzustellen. Derjenige Bildfeldblock, inner
halb dessen dieses Korrelationsmaximum auftritt, bezeichnet
den Mittelpunkt eines Betrachtergesichts und wird im Speichel
des Rechners 87 abgelegt. Nach dem Auffinden eines Betrachter
bildes kehrt der Mikroprozessor zur Korrelationsberechnung
zurück, in der er weitere Betrachterbilder in denjenigen
Teilen des Sichtbereichfeldes sucht, für die noch keine
Betrachterbilder bekannt find. Dieser Suchkorrelationspro
zeß erfolgt mit zweiter Priorität.
Ein Korrelationssuchprogramm aktualisiert den gespeicherten
Ort für jedes Betrachterbild, das mit dem Korrelationsprozeß
erkannt worden ist. Dieses Korrelationssuchprogramm läuft
im Rechner 87 mit erster Priorität. Dabei führt der Korre
lationssuchrechner Korrelationsrechnungen an Bildwertblöcken
aus der unmittelbaren Umgebung jedes zuvor festgestellten
Ortes mit einem Betrachterbild aus. Die Korrelationswerte
werden verglichen und für jeden Betrachter wird ein aktua
lisierter Betrachterort bestimmt. Fallen die Korrelations
werte unter ein vorbestimmtes Minimum, wird angenommen, daß
der Betrachter sich nicht mehr im Sichtbereich befindet, und
wird dieser Betrachterort aus der Betrachterortsliste ent
fernt. Die Suchrechnungen werden für jeden Betrachter einmal
pro Fernsehbild durchgeführt.
Der Prozessor 84 dient dazu, den Abstand zwischen jedem Be
trachter und der Wiedergabelinse 82 zu messen. Diese Messung
ist möglich, da die Konfiguration der Kamera 81 zwei ver
schiedene Videosignale ergibt, aus denen sich Entfernungsin
formation ableiten läßt. Die Videosignale aus den beiden
Videokameras unterscheiden sich, da deren optische Achsen
voneinander beabstandet liegen und sie daher den Stereobe
trachtungsbereich 70 mit unterschiedlicher Perspektive wie
dergeben. Dieser Unterschied in der Perspektive äußert sich
durch eine Verzögerung des einen Videosignals bezüglich des
anderen, wobei die Verzögerung abhängig vom Abstand zwischen
der Stereokamera 81 und dem Ort eines von der Kamera 81 abge
bildeten Gegenstandes schwankt.
Der Prozessor 84 übernimmt die Betrachterort-Eingangssignale
aus dem Rechner 87 auf einer Eingangsleitung 90. Diese Ein
gangssignale dienen dazu, Schalter bzw. Gatter auf den Ein
gangssignalen der Kamera 81 zu setzen. Derjenige Teil jeder
Rasterzeile auf jedem der beiden Videokanäle, bei dem es sich
um das Signal aus dem Gesicht des Betrachters handelt, wird
auf die Verzögerungs- und Korrelationsschaltung durchgeschal
tet. Das Videokamerasignal des Kanals 1 wird auf fünf ver
schiedene Verzögerungsleitungen verzweigt, die es jeweils
verschieden verzögern. Die fünf resultierenden Kanal-1-Video
signale werden bezüglich des Kanal-2-Videosignals verzögert
und korreliert. Befindet ein Betrachter sich weiter als 4 m
(12 ft.) von der Wiedergabelinse 82 entfernt, ist der Kor
relationswert zwischen dem Kanal-1-Videosignal mit der kür
zesten Verzögerung und dem Kanal-2-Vedieosignal höher als
der Korrelationswert zwischen dem Kanal-2-Videosignal und
den anderen vier verzögerten Kanal-1-Videosignalen. Die
fünf Verzögerungen werden dabei so gewählt, daß sich ein maxi
maler Korrelationswert zwischen den Videosignalen der Stereo
kamera 81 ergibt, wenn ein Betrachter sich in einem jeweils
anderen vorbestimmbaren Abstand zur Wiedergabelinse 82 be
findet.
Das Entfernungstor ("range gate"), in dem jeder Betrachter
sich befindet, wird digitalisiert und auf der Ausgangslei
tung 91 zum Rechner 87 geführt, wo sie zusammen mit dem be
reits früher berechneten Betrachterort gespeichert wird.
Diese Betrachterortinformation wird auf die erste und die
zweite Apertursteuerung 92, 93 gegeben.
Weiterhin ist der Rechner 87 an eine Steuerungseinheit 96
und an einen Kassettenrecorder 95 angeschlossen. Die Steue
rungseinheit 96 enthält sämtliche Kontroll- und Reglerele
mente, die zum Betrieb des Stereowiedergabegeräts erforder
lich sind und kann zusätzlich mit einer Tastatur zur Kom
munikation mit dem Rechner 87 versehen sein. Vorzugsweise
ist die Steuerungseinheit 96 in den Wiedergabebereich 70
bringbar, so daß die Wiedergabeeinheit 1′ aus dem Wieder
gabebereich heraus gesteuert werden kann. Der Kassettenre
corder 95 speichert verschiedene Programme, die auf dem
Rechner 87 zum Lauf gebracht werden können - beispielsweise
Spiele und dergl. Diese Informationen können über die Steue
rungseinheit 96 auf den Mikroprozessor gegeben werden. Wäh
rend ein Kassettenrecorder angegeben ist, kann auch erwünsch
tenfalls ein herkömmliches Plattenlaufwerk anstelle des oder
zusätzlich zu dem Kassettenrecorder 95 verwendet werden. Die
Eingangsumschalteinrichtung 85 wird ebenfalls von der Steue
rungseinheit 96 gesteuert. Die Einrichtung 85 bestimmt dabei
die Auswahl des abzubildenden Videosignals, das von einem
Stereovideorecorder, dem Rechner 87, einem Kabel-TV-Kanal,
Fernsehrundfunkkanal, einer Stereovideokamera oder dergl.
stammen kann. Weiterhin steuert sie die Aufschaltung eines
Videoausgangssignals auf einen Recorder 98, einen Kabel-TV-
Ausgang 110 und auf zwei Stereo-Bildsichtgeräte 108, 88. Der
Stereorecorder 98 kann zwei synchrone Videokanäle gleich
zeitig aufnehmen bzw. wiedergeben. Wie angegeben, wird dieses
Gerät von der Steuerungseinheit 96 gesteuert. Obgleich ein
solches Aufnahme/Wiedergabegerät kein wesentlicher Teil des
erfindungsgemäßen Stereo-Bildwiedergabesystems ist, vergrö
ßert es in mehrfacher Hinsicht dessen Vielseitigkeit.
Das bei der in Fig. 5 bis 8 gezeigten Ausführungsform ver
wendete Tonsystem 99 entspricht dem handelsüblichen Heimfern
sehapparat. Erwünschtenfalls lassen sich Kopfhöreradapter vor
sehen, damit zwei Betrachter zwei unterschiedliche Bildrund
funkprogramme gleichzeitig betrachten bzw. hören können.
Auch das Tonsystem 99 wird vorzugsweise aus der Steuerungs
einheit 96 gesteuert.
Die Sichteinheiten 108, 88 entsprechen Standard-Farbfernseh
monitoren und können auch derartige Geräte sein. Diese Moni
tore müssen jedoch Bilder hoher Helligkeit liefern, um die
Lichtabschwächung beim Durchgang durch die Wiedergabeoptik
und die Apertursteuerung 92, 93 auszugleichen.
Jede Apertursteuerung 92, 93 enthält drei große Flüssig
kristallanordnungen. Diese Flüssigkristallanordnungen sind
eine Ausführung mit bei fehlender Segmentspannung transpa
renten und bei anliegender Spannung opaken Segmenten. Jede
kugelförmige Flüssigkristallanordnung besteht aus zahlrei
chen langen schmalen vertikalen Segmenten. Liegt Spannung
an allen Segmenten der Anordnung, erscheint sie vollständig
opak. Die drei Flüssigkristallanordnungen jeder Apertur
steuerung werden mit Signalen aus dem Rechner 87 gesteuert,
die von der dreidimensionalen Ortsinformation abgeleitet
werden, die im Rechner 87 gespeichert sind.
Die Sichteinheiten 108, 88, die Apertursteuerung 92, 93 und
die Wiedergabeoptik in Fig. 7 arbeiten zusammen, um ein
stereoskopisches Bild zu jedem Betrachter im Betrachtungs
bereich zu projizieren. Die Fig. 7 zeigt schaubildlich den
Übergangsweg des Lichts aus den Rasterbildeinheiten 108, 88.
Die Stereoprojektion wird dabei auf folgende Weise erreicht.
Das Bild, das dem Monitor 108 abgibt, hat die zum Stereo
betrachten mit dem linken Auge erforderliche Perspektive.
Jeder Lichtstrahl aus dem Monitor 108 läuft entweder durch
die transparenten Segmente der Apertursteuerung 93 oder wird
von ihren opaken Segmenten gesperrt. Das Licht, das durch die
Apertursteuerung 93 hindurchtritt, trifft auf einen Strahl
teiler 100, der 50% des Lichtes reflektiert und 50% trans
mittiert. Das transmittierte Licht fällt auf einen konkaven
Spiegel 101 und wird zum Strahlteiler 100 zurückgeworfen,
der erneut 50% transmittiert und 50% reflektiert. Das re
flektierte Licht fällt auf einen zweiten Strahlteiler 102,
der 50% des verbleibenden Lichtes reflektiert und 50%
transmittiert. Das vom zweiten Strahlteiler 102 reflektierte
Licht läuft durch die Wiedergabelinse 82 zum Betrachtungsbe
reich.
Der konkave Spiegel 101 erzeugt an der Wiedergabelinse 82 ein
Abbild des Wiedergabemonitors 108. Die aperturgesteuerten Flüs
sigkristall-Bilder werden im Sichtbereich durch die gemeinsame
Wirkung des konkaven Spiegels 101 und der Wiedergabelinse 82
gebildet. Ein Abbild eines der Flüssigkristallsegmente wird
in einem vorbestimmten Abstand vor der Wiedergabelinse 82
gebildet, ein Abbild des zweiten Flüssigkristall-Wiedergabe
segments in einem anderen Abstand vor der Wiedergabelinse 82
und ein Abbild eines dritten Flüssigkristall-Widergabesegments
in einem dritten Abstand vor der Wiedergabelinse 82. Der
Lichtdurchgang bzw. die Opazität jedes Segments in jeder
Flüssigkristall-Bildwiedergabeanordnung der Apertursteuerung
93 wird so gesteuert, daß ein Zustand sich ergibt, in dem
nur das linke Auge jedes Betrachters innerhalb des Betrach
tungsbereichs ein Abbild des auf dem Bildschirm 108 stehenden
Fernsehbildes sieht.
Das auf einem zweiten Übertragungsweg geführte Licht des Wie
dergabesystems 1′ entspricht im wesentlichen dem oben be
schriebenen. Die Fernsehsichteinheit 88 gibt ein Fernseh
bild mit derjenigen Perspektive ab, die zum stereoskopischen
Sehen mit dem rechten Auge jedes Betrachters erforderlich ist.
Licht vom Bildschirm 88 trifft auf den Faltspiegel 103 und
wird in die Apertursteuerung 92 geworfen. Das durch die
Apertursteuerung 92 tretende Licht trifft auf einen Strahl
teiler 120 und das durch diesen hindurchtretende Licht wird
mit einem konkaven Spiegel 121 zum Strahlteiler 120 zurück
geworfen. Das danach vom Strahlteiler 120 reflektierte Licht
fällt auf den Strahlteiler 102 und das durch den Strahl
teiler 102 tretende Licht durchläuft die Wiedergabelinse 82
zum Stereo-Betrachtungsbereich 70. Ein Abbild des Fernseh
bildschirms 88 wird an der Wiedergabelinse 82 durch den kon
kaven Spiegel 121 erzeugt. Abbilder der Flüssigkristallele
mente, aus denen die Apertursteuerung 92 sich zusammensetzt,
entstehen in vorbestimmten Entfernungen von der Wiedergabe
linse 82. Der Lichtdurchgang bzw. die Opazität jedes Segments
innerhalb jeder Flüssigkristallanordnung der Apertursteuerung
wird so gesteuert, daß ein Zustand entsteht, in dem nur das
rechte Auge jedes Betrachters innerhalb des Sichtbereichs 70
ein Abbild des Fernsehbildes auf dem Bildschirm 88 sieht.
Mit anderen Worten: Das linke Auge sieht das Fernsehbild
des Bildschirms 88 nicht, das rechte Auge nicht das des
Bildschirms 108.
Bei dem soeben beschriebenen System kann eine verwirrende
Situation vorkommen. Ordnen sich zwei Betrachter so an, daß
einer die Wiedergabelinse 82 unmittelbar über den Kopf des
anderen hinweg betrachtet, können mit dem dargestellten System
nicht beiden Betrachtern gleichzeitig Stereobilder dargeboten
werden. Dieser Zustand läßt sich jedoch durch erhöhten Auf
wand für die Flüssigkristallanordnungen in den Bildaufbe
reitungsstufen 92, 93 beheben: Es wäre eine zweidimensionale
Matrix von Flüssigkristallelementen erforderlich. Andere al
ternative Lösungsmöglichkeiten sind für den Fachmann eben
falls einzusehen.
Indem man eine modifizierte Apertursteuerung verwendet, kann
man auch ein einziges Fernsehbild auf beide Augen eines Be
trachters und ein zweites, anderes Fernsehbild auf beide
Augen anderer Betrachter innerhalb des Betrachtungsbereichs
vor der Wiedergabelinse 82 werfen. Mit dieser Technik lassen
sich den Betrachtern zwei unabhängige Fernsehprogramme oder
andere Videoszenen unter Verwendung nur eines einzigen er
findungsgemäßen Videowiedergabesystems zuwerfen.
Für den Fachmann sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modi
fikationen derselben unmittelbar einzusehen. Ersichtlich er
hält man mit der in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsform
die gewünschten Ergebnisse auf im wesentlichen die gleiche
Weise wie mit der Ausführungsform der Fig. 5-8. Jedoch
zielt die Ausführungsform der Fig. 1-4 auf einen einzelnen
Betrachter; sie ist daher besonders geeignet für die Bild
wiedergabe bei Videospielmaschinen. Während bestimmte der Ele
mente der Wiedergabeoptik als Linsen beschrieben sind, ist
weiterhin einzusehen, daß es sich bei diesen "Linsen" um be
liebige aus einer Vielzahl von Linsentypen handeln kann. Bei
spielsweise können es konvexe oder konkave Linsen sein. Auch
Fresnellinsen sind geeignet, falls erwünscht. Schließlich ist
die Erfindung an Unterhaltungsmaschinen beschrieben worden. Es
ist einzusehen, daß sie breitere Einsatzmöglichkeiten bietet -
beispielsweise Bildausgabesysteme in der Medizin, Sichtein
heiten in Cockpitsimulatoren sowie Simulatoren für den be
mannten Flug; diese Möglichkeiten sind nur als beispielhaft
aufzufassen.
Claims (13)
1. Stereoskopisches, feststehendes Bildwiedergabesystem, mit folgen
den Elementen:
- - einer ersten und einer zweiten, jeweils feststehenden Bilderzeugungseinrichtung (12, 13; 88, 108), die jeweils ein gewünschtes Bild in einer bestimmten Perspektive darstellen können,
- - einer feststehenden Projektionseinrichtung (16, 17, 47, 24, 25, 9; 103, 120, 121, 101, 102, 82), die die von der ersten und der zweiten Bilderzeugungseinrichtung gelieferten Bilder auf mindestens einem vorbestimmten Projektionsweg in einen vorbestimmten Betrachtungsbereich projizieren kann,
- - einer im Projektionsweg zwischen den Bilderzeugungseinrichtungen und der in Projektionsrichtung letzten, feststehenden Linse (9; 82) der Projektionseinrichtung angeordneten, verstellbaren Apertursteuerung (23; 92, 93), die durch ihre Blendenwirkung die projizierten Bilder verändern kann,
- - einer feststehenden Einrichtung (10) zum Feststellen der Position eines Betrachters in Bezug auf das feststehende Bildwiedergabesystem,
- - und einer rechnergesteuerten Verstelleinrichtung (26), die entsprechend der festgestellten Betrachterposition die Apertursteuerung (23; 92, 93) in mindestens zwei zueinander senkrechten Richtungen verstellt.
2. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß es sich bei der ersten und der zweiten Bilderzeugungseinrichtung (12 bzw.
13) jeweils um ein Bildschirmgerät mit Kathodenstrahlröhre handelt.
3. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
kennzeichnet daß die Projektionseinrichtung (16, 17, 47, 24, 25) einen ersten
Spiegel (16), der das Bild der ersten Bilderzeugungseinrichtung (12) zu einem
Strahlteiler (17) reflektiert, der das Bild der ersten und das Bild der zweiten
Bilderzeugungseinrichtung (12 bzw. 13) auf einen Linsensatz (47, 24) und zum
Betrachter wirft, und einen zweiten Spiegel (25) im Projektionsweg des
Strahlteilers (17) aufweist, wobei der zweite Spiegel (25) das vom Strahlteiler
(17) aufgenommene Bild auf eine Wiedergabelinse (9) werfen kann.
4. Bildwiedergabesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet daß die Positionsfeststelleinrichtung (10) eine Vielzahl von
Sensoren (31) aufweist, die auf elektromagnetische Wellenenergie ansprechen
und an den Eingang der Rechnersteuerung (27) angeschlossen sind.
5. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß hinter den beiden Bilderzeugungseinrichtungen (12, 13) je ein Polarisator
(15, 19) angeordnet ist, daß die Apertursteuerung (23) zwei weitere
Polarisatoren (21, 22) aufweist, und daß die Verstelleinrichtung (26) X- und Y-
Verschiebeeinrichtungen aufweist, die ansprechend auf die erfaßte Position
eines Betrachters die beiden weiteren Polarisatoren (21 und 22) in X- und Y-
Richtung eines kartesischen Koordinatensystems bewegen.
6. Bildwiedergabesystem nach einem der bisherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch Mittel, um das erste und das zweite erzeugte Bild auf
mindestens zwei vorbestimmten Wegen auf einen Betrachter zu projizieren,
wobei die beiden Wege sich an einer Wiedergabelinse (82) treffen.
7. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
daß die Positionsfeststelleinrichtung (10) eine Stereovideokamera (81), die
einen Betrachtungsbereich (70) erfassen kann, und einen Rechner (87)
aufweist, der an die Stereovideokamera (81) angeschlossen ist und dessen
Speicher die Videobilder aus dem Betrachtungsbereich (70) speichert.
8. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine
Steuerungseinheit (96) zur Funktionssteuerung des Rechners (87), die aus dem
Betrachtungsbereich (70) der Stereovideokamera (81) heraus betätigbar ist.
9. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet daß die Apertursteuerung (92, 93) in den mindestens zwei
Wegen jeweils eine Flüssigkristallanordnung aufweist, die auf ein angelegtes
elektrisches Signal ansprechend den Lichtdurchgang der
Flüssigkristallelemente steuert, wobei die Flüssigkristallanordnung elektrisch
mit dem Rechner (87) verbunden ist.
10. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch
einen an die Steuerungseinheit (96) angeschlossenen Videoschalter (85), der
Monitore mit Fernsehfunk-Videosignalen zu speisen gestattet.
11. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine
Quelle elektromagnetischer Wellenenergie, um der Vielzahl von auf
elektromagnetische Wellenenergie ansprechende Sensoren (31) ambiente
elektromagnetische Wellenenergie zuzuführen.
12. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet
daß die Positionsfeststelleinrichtung (10) ein in eine erste und eine zweite
Kammer (33 und 33′) unterteiltes Gehäuse (30) sowie ein erstes und ein
zweites Lichteinlaßfenster (32) aufweist, das der ersten bzw. der zweiten
Kammer (33 bzw. 33′) derart zugeordnet ist, daß jedes Lichteinlaßfenster (32)
aus der Umgebung elektromagnetische Wellenenergie aufnehmen kann,
wobei die Sensoren (31) in einer ersten und einer zweiten Reihe (41 bzw. 42) in
der ersten bzw. zweiten Kammer (33 bzw. 33′) angeordnet sind.
13. Bildwiedergabesystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (83), die die analogen Ausgangssignale der Sensoren (31)
digitalisiert und zwischen die Sensoren (31) und die Steuerungseinheit (96)
geschaltet ist.
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