DE3427260C2 - Stereoskopisches Bildwiedergabesystem - Google Patents

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.