DE4207284A1 - Raeumliche bilddarbietung - Google Patents

Description

Nach dem Stand der Technik geschieht die Bilddarbietung auf einem Monitor mit einer davor angeordneten Optik, z. B. eine große Fresnel-Linse oder ein Hohlspiegel, so daß das virtuelle Bild des Monitors scheinbar im Unendlichen liegt.

Nachteile hierbei: Der Bildrand liegt demzufolge auch im Unendlichen. Wenn er sichtbar ist, wird das beabsichtigte räumliche Empfinden stark gemindert. Wenn der Rand, wie zur Flugsimulation üblich, mit einer zweiten, fenster-artigen näheren Umrandung abgedeckt wird, so muß ein erheblicher Teil der Bildfläche verlorengehen: Der Fensterrand, da näherliegend, kann nicht deckungsgleich sein, sondern seine Abdeckung muß ausreichend Spielraum haben sowohl für Kopfbewegungen als auch für die Parallaxe beider Augen. Ein zweites Problem ist der hohe Platzbedarf für die Optik, sowie die damit verbundene Justage.

Ferner ist es üblich, das Bild in einem am Kopf des Betrachters angebrachten Monitor darzubieten, was eine binokulare Betrachtung ermöglicht und gleichzeitig eine Rundumsicht, wie es derzeit als "Cyberspace" entwickelt wird. Eine Schwierigkeit hierbei ist, daß es noch keine Monitore gibt, die entsprechend leicht sind und gleichzeitig hochaufgelöste und farbige Bilder liefern. Glasfaser- oder Spiegeloptik als Alternativen für eine bewegliche Bildübertragung zum Kopf sind wegen ihrer hohen Kosten und mechanischen Anfälligkeit problematisch.

Ferner gibt es Stereo-Brillen, wie sie in Video-Spielen verwendet werden, die einen plastischen Effekt bewirken. Diese Brillen enthalten LCD-Segmente, die bei jedem Halbbildwechsel abwechselnd ein Auge abdecken/verdunkeln. Für das o.g. Problem ergibt sich hier keine Lösung, da der plastische Effekt nur durch die zweiäugig verschiedene Betrachtung erreicht wird und bei wirklichen Bewegungen des Kopfes verschwindet.

Ziel der Erfindung ist es, mit einem gewöhnlichen feststehenden Monitor eine Betrachtung in plastischer Wirkung zu erzielen, bei der der Monitor wie ein Fenster den Blick auf dahinterliegende Objekte in beliebiger Richtung freigibt, abhängig von der Blickposition.

Hierzu wird gemäß der Erfindung die Position und Bewegung vom Kopf des Betrachters/Piloten mittels einer Meßvorrichtung gemessen, um die Bilderzeugung derart zu steuern, daß sich das Bild in seinem Ausschnitt (Position) und seiner Perspektive anpaßt, wenn sich der Betrachter gegenüber dem feststehenden Bildschirm bewegt. Die Bild-Änderung kann hierbei so programmiert sein, wie es die entsprechende Bewegung des Betrachters vor dem dreidimensionalen dargestellten Objekt visuell bewirken würde. Mit Bild-Erzeugungssystemen, wie sie z. B. bei der Flugsimulation eingesetzt werden, ist eine solche Programmierung möglich.

Je nach Funktion (Programmierung) werden durch dieses Verfahren zweierlei Effekte erzielt:

1. Als ob man sich um ein plastisches Objekt herumbewegt (Betrachtung von verschiedenen Seiten; "elektronisches Hologramm") 2. Der Bildausschnitt verändert sich je nach Position des Betrachters in der Weise, als wäre der Monitor ein Fenster, und gibt beispielweise bei seitlichem Herausschauen ein anderen Bereich eines entfernteren Objektes frei (z. B. im Flugsimulator die Landschaft des Bodens, bis zur theoretischen Grenze von 180 Grad). Dieser Angleich geschieht sowohl bei Bewegungen parallel zur Fensterfläche, als auch bei Bewegungen zum Bild­ schirm hin (Zoom). Die Bildfläche ist bei allen Kopfbewegungen voll ausgenutzt.

Neben Flugsimulation eignet sich die Erfindung zur Darstellung beliebiger anderer elektronisch erzeugter Bilder.

Wenn die feststehenden Teile der Meßvorrichtung direkt im oder am Monitor angebracht sind, dann ist die erforderliche korrekte Übereinstimmung für die Bewegungen durch eine einmalige elektronische Justage festgelegt, und unabhängig von der späteren Einbauposition dieses Monitors.

Ein weiterer Vorteil ist, daß andere Gegenstände, z. B. Flug­ instrumente im Cockpit, nicht als Cyber-space simuliert oder eingespiegelt werden müssen, sondern weiterhin so sichtbar sind, wie sie auch von Hand bedient werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung geschieht die Ortung über die Laufzeit von Ultraschall. Eine dreidimensionale Messung erfordert mindestens 3 feststehende Wandler (Sender oder Empfänger), und einen bewegten Wandler komplementärer Funktion (Empfänger oder Sender). Die resultierenden Laufzeiten ergeben aber keine linearen Koordinaten. Um den für die Umrechnung normmalerweise nötigen Aufwand an Interface und Software zu ersparen, wird die Umrechnung in einer eigenen analogen Auswertschaltung gemäß der Erfindung vorgenommen (Ansprüche 8-10). Hierzu erzeugt ein Parabel-Generator ein Analogsignal mit zeitlich parabelförmigem Verlauf, synchron zu den gesendeten Impulsen. Sample-Hold-Schaltungen schalten/sampeln diese Spannungen weiter in denjenigen Momenten, wo Impulse empfangen werden, und geben somit die Quadrate der Abstände aus. Um die Berechnung der kartesischen Koordinaten zu vervollständigen, werden je zwei dieser Spannungen voneinander subtrahiert.

Erklärung eines Ausführungsbeispiels (siehe Fig. 1). Der Monitor 21 überträgt ein Videobild, welches vom Grafikprozessor 20 erzeugt wird. Dies kann z. B. eine Flugsimulation, eine in Echtzeit generierte Computergrafik oder ein analog generiertes Video-Trickbild sein. Der Betrachter trägt die LCD-Brille 30 mit den Flüssigkristall-Shuttern 31 und 32, die mit der Bildwechselfrequenz synchronisiert sind und daher den üblichen 3D-Effekt erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind am Monitor die vier Ultraschall-Sender 10, 11, 12, 13 befestigt. Sie senden regelmäßig und abwechselnd Impulse aus, gesteuert von der Schaltung der Ortungsvorrichtung 40. Die Mikrofone 35 und 36 sind an der Brille befestigt und wirken somit als der bewegte Teil der Ortungsvorrichtung. Die Laufzeiten werden in der Schaltung 40 ausgewertet, in analoge Spannungen umgewandelt und dabei umgerechnet in die kartesischen Koordinaten x, y und z. Der Grafikprozessor 29 wird über die entsprechenden Ausgänge x, y und z angesteuert, um die Bilderzeugung dementsprechend zu steuern.

Ausführungsbeispiel einer Ortungsvorrichtung

Siehe Schaltplan Fig. 2: Der Taktgenerator 42 erzeugt Impulse, die durch den Multiplexer 41 an die Ultraschall-Sender 10 bis 13 verteilt werden, sodaß der Reihe nach Impulse ausgesendet werden. Zeitsynchron zu diesen Impulsen wird im analogen Wellenform-Generator 43 ein periodischer parabelförmiger Spannungsverlauf erzeugt, der quadratisch mit der Zeit ansteigt, jedesmal während der Ultraschall auf dem Weg zum Mikrofon 35 ist. Im Moment des Empfangens triggert das Mikrofon 35 über Verstärker 38 den Sample & Hold -Schalter 55. Die dann anliegende Parabelspannung ist proportional zum Quadrat der Laufzeit. Da vier verschiedene Laufzeiten gemessen werden sollen, werden vier Kondensatoren 51 bis 53 verwendet und vom Multiplexer 56 ausgewählt in derselben Folge wie die zugeordneten Sender. Die resultierenden vier Spannungen entsprechen demnach den Quadraten der vier Abstände Sender-Mikrofon. Um die Berechnung der kartesischen Koordinaten zu vervollständigen, werden in der Misch-Schaltung 60, die aus drei Differenzverstärkern besteht, je zwei dieser Spannungen voneinander subtrahiert.

Diese Schaltung, hier für ein Mikrofon dargestellt, kann gleichartig für das zweite Mikrofon 36 aufgebaut sein. Wenn die Mikrofone nach Anspruch 5 in einer Linie mit den Augen liegen, kann die Position jedes Auges getrennt ermittelt werden, um den 3D-Effekt unabhängig von Bewegungen des Betrachters zu berechnen. Gemäß der Erfindung können in ähnlicher Weise auch die Mikrofone als feststehende, und die Sender als bewegte Teile der Ortungsvorrichtung eingesetzt werden.

Der Begriff "feststehend" bezieht sich hier immer auf Bewegungen des Betrachters. Wenn, wie zur Simulation von Flug- Beschleunigungen üblich, das Cockpit mit einer besonderen Vorrichtung insgesamt beweglich ist, so können selbstverständlich gemäß der Erfindung die feststehenden Teile ebenso wie das Cockpit mitbewegt werden, oder auch fest im Raum montiert sein, wie dies z. B. für Drachenflug­ simulation aus Gewichtsgründen zweckmäßig ist.

Als "Bildschirm" können ebenso mehrere Bildschirme, Videoprojektionsleinwände, LCD-Displays, etc. verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bilddarbietung über mindestens einen Monitor oder Bildschirm, bei dem Kopfbewegung oder Position des Betrachters gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm feststeht (nicht vom Betrachter getragen wird), und daß die Meßwerte das Bild in seiner Position und/oder Perspektive beeinflussen, steuern oder verschieben in der Weise, daß Änderungen in Blickrichtung oder -winkel zwischen Auge des Betrachters und Bildschirm, die aufgrund der Relativbewegungen zwischen Auge und Bildschirm auftreten, im Wesentlichen ausgeglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Bild eines gedachten Objektes generiert wird in einer perspektivischen Darstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte das Bild beeinflussen oder steuern in der Weise, daß die perspektivische Ansicht, die der Betrachter hätte, wenn sich das gedachte Objekt in der Nähe oder hinter dem Bildschirm befände, simuliert und bei Kopfbewegungen entsprechend angepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß optische Flüssigkristall-Verschlüsse (LCD-Shutter), die der Betrachter vor seinen Augen trägt, von einem Taktsignal gesteuert abwechselnd das rechte und linke Auge abdunkeln, um für jedes Auge eine getrennte Darbietung (3D) zu ermöglichen, und daß zur Steuerung des Bildes sowohl der Meßwert der Kopfbewegung als auch der Umschalttakt der Flüssigkristalle herangezogen wird.

4. Tragevorrichtung oder Brille, dadurch gekennzeichnet, daß sie sowohl einen Positionsdetektor oder Bewegungssensor, als auch Flüssigkristall-Shutter enthält.

5. LCD-Stereo-Brille, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Ultraschallwandler (35 und 36) angebracht sind an den Seiten der Brille, und so positioniert sind, daß deren Verbindungslinie beim Tragen der Brille in etwa durch beide Augen läuft.

6. Helm, gekennzeichnet durch zwei Flüssigkristall-Shutter, die im Visier angebracht sind und sich abwechselnd abdunkeln lassen, und durch eine Meßvorrichtung, deren beweglicher Teil am Helm angebracht ist, und die mindestens eine Koordinate der Position und/oder Drehbewegung des Helmes mißt.

7. Monitor, gekennzeichnet dadurch, daß der feststehende Teil einer Ortungs- oder Positionsmeßvorrichtung eingebaut oder daran befestigt ist.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionsmessung eine Anordnung fest­ stehender Ultraschallwandler (Sender oder Empfänger) und ein an der Tragevorrichtung angebrachter Ultraschallwandler entgegengesetzter Funktion (Empfänger oder Sender) verwendet wird, und daß die Laufzeit des Schalls gemessen und ausgewertet wird.

9. Verfahren zur Positionsmessung mit Ultraschall, bei dem die Laufzeit von Impulsen zwischen feststehenden und bewegten Wandlern gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere an verschiedenen Orten feststehende Wandler in abwechselnder Folge (multiplex) angeschaltet werden, um mehrere Laufzeiten entsprechend der verschiedenen Abstände von verschiedenen Orten im Raum zu ermitteln, und daß zur Berechnung von linearen/kartesischen Koordinaten die Quadrate der Laufzeiten ermittelt werden, indem ein Parabel-Generator ein Analogsignal mit zeitlich parabelförmigen Verlauf erzeugt synchron zu den gesendeten Impulsen, und Sample-Hold-Schaltungen diese Spannungen weiterschalten/sampeln in denjenigen Momenten, wo Impulse empfangen werden.

10. Verfahren zur Positionsmessung eines bewegten Objektes unter Benützung von Laufzeiten und mit Ausgabe kartesischer Koordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß Laufzeiten zwischen dem Objekt und vier feststehenden verschieden positionierten Wandlern gemessen wird, die nicht in einer Ebene liegen, um vier Laufzeiten entsprechend vier Abständen zu erhalten, und daß deren Quadrate ermittelt werden, und daß jeweils zwei dieser Quadrate voneinander subtrahiert werden.