DE4433058A1

DE4433058A1 - Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm

Info

Publication number: DE4433058A1
Application number: DE4433058A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Prof Dr Ing Hentschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-03-21

Description

Bildschirmsystem

Ein autostereoskoper Bildschirm hat gegenüber anderen Methoden, wie Shutterprinzip oder Polarisationsprinzip den Vorteil, daß der Benutzer keine Brille benötigt, andererseits aber auch den Nachteil, daß der gewünschte Stereoeffekt nur bei einer bestimmten horizontalen Position des Betrachters vor dem Bildschirm optimal ist. Diesen Nachteil behebt das hier dargestellte Adaptionsprinzip mit mikroskopisch verschiebbarer Rasterscheibe vor dem Bildschirm. Dennoch bleibt die stereoskope Nutzung auf eine Person je Bildschirm beschränkt, was aber für Applikationen in der Medizintechnik kein Nachteil ist; ohnehin beurteilt nur eine Person ein 3D-ct-Bild: der Arzt, der störende Brillen und eingeschränkte Blickfelder vermeiden muß. Sind mehrere Ärzte gleichzeitig tätig, so können mehrere Bildschirme benutzt werden. Will gleichzeitig ein Auditorium eine mikrochirurgische Operation stereoskop mitverfolgen, so kann dies über ein Projektionsverfahren mit z. B. zirkular polarisiertem Licht erfolgen. Da sich das adaptive autostereokope Verfahren für die optimale Darstellung an der automatisch erfaßten Kopfposition des Betrachter orientiert, wird das Darstellungs-System personenbezogener autostereoskoper Bildschirm genannt, bzw. in englisch "Observer Centered Autostereoscopic Screen" (OCAS).

In einem zukünftigen digitalen Fernsehsystem wird auch das stereoskope Fernsehen, nicht für alle, aber für bestimmte Programme eine Zusatzattraktion sein, wenn die digitale Codierung bei der Übertragung die Zusatzinformation für die dritte Dimension mitliefert. Aber auch heute könnten ohne viel Zusatzaufwand stereoskope Testsendungen vorgenommen werden - durch Absprache zwischen Programmkanälen, wobei in einem Kanal das rechte und im anderen das linke Bild gesendet würde. Im Heim, "beim Verbraucher", können durch Nachrüstungen für vorhandene 100 Hz-Fernseher stereoskope Darstellungen nach dem Shutterprinzip eingesetzt werden [4]. Werden preisgünstigere Flachbildschirme auf dem Markt sein, ist die Aufrüstung mit einem OCAS-Zusatz naheliegend. Der interessierte Abnehmer wird, wie heute seinen PC, morgen auch seinen autostereoskopen Fernseher haben; bietet er doch die größtmögliche Natürlichkeit durch die 3D-Darstellung ohne störende Hilfsmittel.

Schließlich ist das heute mit viel Investitionen bedachte Gebiet der Flugsimulation und -navigation als Einsatzgebiet zu nennen, da hier ohnehin immer nur 1 Person das Zielsubjekt ist.

Stand der Technik

Stereoskope Film- und Projektionsverfahren sind seit Jahren im Einsatz. Meist wird polarisiertes Licht (horizontal/vertikal, zirkular) benutzt, um das rechte und linke Bild zu trennen. Mit dem Fortschritt der LCD-Technik wurde es möglich, die Lichtdurchlässigkeit von Kristallen elektronisch zu steuern. Dies machte die Entwicklung der Shutter-Technik möglich, bei der synchron mit der Halbbildfrequenz abwechselnd das rechte und das linke Brillenglas lichtundurchlässig wird und synchron dazu rechte und linke Bilder sequentiell auf dem Bildschirm erscheinen [4].

Autostereoskope Projektionen werden mit Hilfe von Leinwänden mit Streifenlinsenraster bei mehreren Projektionsrichtungen durchgeführt. Dabei wird der entsprechenden Richtung das richtige Perspektivbild zugeordnet [2]. Ein fließender Übergang von einer Perspektive zur nächsten ist dabei kaum zu erreichen, da die Anzahl der Projektionsrichtungen nicht beliebig erhöht werden kann. Bei einem autostereoskopen Display, das für nur eine Person bestimmt ist, verwendet man nur zwei Perspektiven, die eine bestimmte Blickrichtung erfordern [3]. Ein voll stereoskope Scheinwelt darzustellen, wird erreicht unter Verwendung von "Head Mounted Displays", die von leistungsstarken VR-Rechnern (Virtual Reality) angesteuert werden. Hierbei wird die genaue Kopfposition und -bewegung detektiert und die zugehörigen Bilder werden gleichzeitig generiert. Natürlich kommen diese aufwendigen und gewohnheitsbedürftigen VR-Systeme nur für spezielle Anwendungen in Frage.

In der Medizintechnik sind Kernspinresonanz und Computertomographie die wichtigsten Einsatzgebiete für stereoskope 3D-Visualisierungen. Um bestimmte gesuchte Perspektiven zu berechnen, werden leistungsfähige Spezialrechner für "Volume Tracing Algorithms" entwickelt [5], [6]. Kombinierte Computervisualisierungen und Echtzeitübertragungen von Endoskopen werden zu einem der wichtigsten neurochirurgischen Werkzeug. Stereoskope Endoskope sind bereits im Einsatz. Eine elektronische Bewegungssteuerung über einen auf Infrarotbasis arbeitenden "Head Tracking Sensor" wird leicht zu kombinieren sein mit einem personenbezogenen autostereoskopen Bildschirmsystem.

Problemstellung

Um eine natürliche stereoskope Darstellung erzeugen zu können, müssen folgende drei Aufgaben gelöst werden:

1. Der autostereoskope Bildschirm muß den Stereo-Effekt bei Kopfbewegungen des Betrachters beibehalten.
2. Ein dargestelltes Objekt muß bei Kopfbewegungen an der gleichen virtuellen Stelle im Raum (vor und hinter der Bildschirmebene) stehenbleiben, damit sich ein Betrachter ein dargestelltes Objekt aus mehreren Richtungen ansehen kann.
3. Die Kopfposition eines Betrachters muß genau (ohne störende Maßnahmen) detektiert werden und gleichzeitig müssen die zu der veränderten Blickrichtung gehörigen rechten und linken Perspektiven eines 3D-Bildes errechnet, ausgelesen oder über ein steuerbares Kamerasystem aufgenommen werden.

Für 2. und 3. sind Hardwarekomponenten erhältlich. Es müssen ledigliche geeignete Software-Lösungen entwickelt werden. Für 1. gibt es noch keine geeigneten Komponenten.

Prinzip der Erfindung

Das Prinzip des autostereoskopen Bildschirms beruht bekanntlich darauf, daß aufgrund von prismen- oder linsenförmigen vertikalen Streifen im doppelten Pixelabstand auf dem Glas vor dem ebenen Bildschirm das rechte Auge nur alle geradzahligen Pixel in einer Zeile und das linke Auge nur alle ungeradzahligen Pixel sieht (oder umgekehrt). Dadurch kann jedem Auge mit der richtigen Pixelansteuerung ein eigenes Bild unabhängig übermittelt werden - insgesamt also ein stereoskopes Bild. Dies beschränkt sich nicht auf schwarz-weiße Darstellungen, sondern funktioniert für alle drei in einem Pixel angesteuerten Farbpunkte (in der Regel RGB). Allerdings ist hier darauf zu achten, daß die drei Farbpunkte übereinander und nicht - wie leider häufig anzutreffen - waagerecht oder dreiecksförmig nebeneinander liegen, da sonst nicht kontrollierbare Farbverfälschungen auftreten können.

Verändert sich die Position der Augen vor dem Bildschirm, so muß entweder die Punktposition (vgl. [1]) elektronisch nachgeführt oder das Raster gegenüber dem Bildpunkt mechanisch nachgeführt werden. Letzteres ist jedoch zunächst kostengünstiger, da vorhandene Flachbildschirme hierfür eingesetzt werden können. Wird nicht nur die horizontale Position der Augen verändert, sondern auch der Betrachtungsabstand, so kann auch dafür - durch minimales hochpräzises Nachführen des Rasterglasabstandes - die optimale stereoskope Sicht automatisch eingestellt werden.

Als Positionsdetektoren eignen sich am besten Infrarot-Head Tracking Systeme, die heute bereits die erforderliche Präzision aufweisen. Möchte man auch die vertikale Position und den Betrachtungsabstand detektieren, so empfiehlt es sich, mindestens zwei Sensorfelder einzusetzen. Es können aber auch CCD-Kameras mit einer schnellen Bildauswertung eingesetzt werden. Ultraschallvermessungen sind dann besonders einfach, wenn der Sender am Kopf des Betrachters angebracht werden darf.

Literatur

[1] S. Hentschke: Stereoskoper Bildschirm. Patentanmeldung P 41 14 023.0 (1991).

[2] R. Börner: Autostereoscopic 3-D imaging by front and rear projectionand on flat panal displays. Displays, Vol. 14, No.1 (1993), pp. 39-46.

[3] Sheat D E, Chamberlin G R, Gentiy P, Leggat JS, McCartney DJ: 3-D Imaging Systems for Telecommunications Applications. Proc. SPIE, Vol. 1669, p. 186. Electronic Imaging Systems and Applications Meeting, San Jose (1992).

[4] S. Hentschke, A. Herffeld, C. Junge, R. Kothe: Stereoskope Echtzeitbildverarbeitung. CeBIT Exponat und Brochure (1994).

[5] H. P. Mainzer, K.Meetz, .Scheppelmann, U. Engelmann, H. J. Bauer: The Heidelberg ray tracing model. IEEE Computer Graphics and Appl. Nov. 1991 pp.34ff.

[6] J. Lichtermann, G. Millelhaußer: Eine Hardware Architektur zur Echtzeit- Visualisierung von Volumendaten durch "Direct Volume Redering". Workshop Visualisierungstechniken Stuttgart (1991).

Claims

1. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm, gekennzeichnet dadurch, daß eine Prismenrasterglasscheibe mit dem vertikalen Längsraster im doppelten Pixelabstand auf der Innenseite, zum ebenen Schirm hin gerichtet, horizontal, parallel zur Bildschirmoberfläche beweglich angebracht ist (vgl. Fig. 1).

2. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm wie in Anspruch 1 mit dem Unterschied, daß das vertikale Raster außen auf der Scheibe angebracht ist oder ein Linsenraster ist oder kein Raster vorhanden ist, sondern lichtundurchlässige vertikale Streifen mit etwa der Breite des horizontalen Pixelabstandes im doppelten Pixelabstand voneinander auf der beweglichen Scheibe angebracht sind.

3. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der horizontalen Position des Betrachters vor dem Bildschirm, die mit einem am Bildschirmrand angebrachten optischen oder akustischen Sensorsystem erfaßt und in ein Bewegungssteuersignal umgesetzt wird, die Rasterscheibe derart geringfügig adaptiv parallel zum Schirm bewegt wird, daß die optimale stereoskope Sicht erhalten bleibt.

4. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm nach Anspruch 3, dessen Sensor auch den Abstand des Betrachters vom Bildschirm erfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß auch der Abstand der Rasterscheibe vom Bildschirm minimal verstellbar ist und mit dem Abstand des Betrachters vom Bildschirm auf optimale stereoskope Sicht geregelt wird.

5. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß mit einem Echtzeitrechner die der horizontalen Position des Betrachters entsprechenden rechten und linken Bilder einer 3-D-Bildinformation berechnet und auf den Stereoschirm gegeben werden.

6. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm nach Anspruch 5, ausgestattet mit einem Positionssensorsystem, daß auch die vertikale Augenposition des Betrachters erfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß der Echtzeitrechner auch die Perspektiven eines 3D-Bildes entsprechend der vertikalen Betrachterposition berechnet und auf dem Bildschirm darstellt, derart, daß ein dargestelltes ruhendes Objekt bei Bewegung des Betrachterkopfes in der gleichen Lage im Raum zu bleiben scheint.

7. Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm nach Anspruch 5 oder 6, ausgestattet mit einem Massenspeicher (z. B. Computer-Festplattensystem), in dem (wie bei Computertomographie oder NMR-Aufzeichnungen) die verschiedenen Nachbarperspektiven eines Objektes vorher berechnet und aufgezeichnet wurden, gekennzeichnet dadurch, daß die für die jeweilige Betrachterposition richtigen Bildperspektiven in Echtzeit aus dem Massenspeicher ausgelesen werden.

8. Stereoskopes Videosystem mit einem autostereoskopen Bildschirm nach einem der Ansprüche 1-6 und einem Kamerasystem, dessen zwei Kameras in horizontaler und Winkelposition separat elektrisch steuerbar sind, gekennzeichnet dadurch, daß entsprechend der jeweiligen Betrachterposition die Kameras automatisch eine proportional Bewegung in Echtzeit nachvollziehen.

9. Stereoskopes Endoskopsystem für die Medizintechnik, bestehend aus einem autostereoskopen Bildschirm nach einem der Ansprüche 1-6, und einem stereoskopen Endoskop, gekennzeichnet dadurch, daß das Endoskop einen beweglichen oder drehbar Kopf aufweist, dessen Bewegung analog zur Bewegung des Betrachters vor dem autostereoskopen Bildschirm automatisch gesteuert wird (vgl. Fig. 2).