DE9406765U1

DE9406765U1 - Projektionseinrichtung

Info

Publication number: DE9406765U1
Application number: DE9406765U
Authority: DE
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2004-04-23

Description

Beschreibung

Die Neuerung betrifft eine Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten (Virtual Reality, VR).

Sinn und Zweck einer solchen Einrichtung ist es, einem großen Publikum Computergraphiken oder virtuelle Welten möglichst anschaulich und erlebnisnah vorzuführen. Das Publikum soll ein besonderes Raumerlebnis illusionär erfahren. Ihm soll das Gefühl gegeben werden, sich unmittelbar durch die virtuelle Welt zu bewegen.

Bekannt sind komfortable Graphiksimulationsprogramme, die die Generierung einer Stereographik ermöglichen. Für das räumliche Sehen dieser computergenerierten Welten, oft auch virtuelle Welten genannt, gibt es im wesentlichen zwei bekannte Einrichtungen :

Die eine ist, jeder Zuschauer trägt eine Monitorbrille, die im modernen Sprachgebrauch auch als "head mounted displays", HMD, bekannt sind. Hierbei handelt es sich um Brillen, in denen Monitore für das rechte und linke Auge eingebaut sind. Die Kopfposition und Orientierung beeinflussen den gezeigten Bildausschnitt. Durch ein Eingabegerät wie ein Datenhandschuh oder eine Sensorkugel können die eigene Bewegungen und auch die von Objekten im virtuellen Raum gsteuert werden.

Die andere ist, die Zuschauer sitzen vor einem Monitor oder wie im Kino vor einer Leinwand.

Zur Projektion des Stereobildes, das von einem Graphikrechner erzeugt wird, sind zwei wesentliche Verfahren bekannt: Einmal das simultane Darstellen des linken und rechten Teilbilds, wobei das jeweilige Licht der Teilbilder unterschiedlich zueinander polarisiert ist. Durch eine auf die Polarisa-

tionsebenen abgestimmte Polarisationsbrille werden die Teilbilder dem linken und rechten Auge wieder getrennt zugeführt und so das räumliche Sehen ermöglicht. Der Vorteil der Polarisationstechnik liegt im sehr preisgünstigen Aufbau der Stereoprojektion.

Zum andern: das abwechselnde Darstellen des linken und rechten Teilbildes in schneller Folge, häufig 100 Hz und höher. Zum Betrachten der Szene hat der Zuschauer eine sogenannte Shutterbrille aufgesetzt, deren Gläser im Takt der Teilbildfolge abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig gesteuert werden, und zwar meist drahtlos über Infratrotsender. Eine Bewegung des Kopfes stört die Stereoillusion nicht.

In beiden Fällen läßt sich der Bildausschnitt der Graphikszene über Eingabemedien wie ein Joystick oder eine Steuerkugel oder andere geeignete Dirigierinstrumente verändern. Abhängig von der Anwendersoftware können mehr oder weniger alle translatorischen Freiheitsgrade des Betrachterstandpunkts betätigt werden. Panoramadarstellungen erweitern diese Technik. Dabei sind mehrere Monitore oder Projektionsschirme aneinander gereiht, entweder eben oder halbkreisförmig. Es vergrößert sich das Blickfeld des Betrachters dadurch, und es verschwindet der Bildrahmen.

Durch das Tragen der sehr teuren Monitorbrille ist der Zuschauer in seiner Bewegung und Orientierung behindert. Die Brille verdeckt seine Augen für die reale Umgebung. Er verliert dadurch seine Orientierung. Insbesondere geht der Kontakt zu den Mitmenschen verloren. Diese Betrachtungsweise ist daher nur im Sitzen zweckmäßig. Die Mitmenschen können nicht nachvollziehen, was der Träger der Monitorbrille gerade sieht und erlebt. Somit ist ein gemeinsamer Gang durch die virtuelle Welt nicht gegeben und in Folge davon auch kein Gedankenaustausch bzw. eine Diskussion.

Das Sitzen vor einem Monitor oder einer Leinwand hat den Nachteil, daß der Bildrahmen fest ist, das Sehfeld des Betrachters begrenzt und sein Blick und damit die Kopfhaltung immer in eine Richtung vorgegeben ist. Eine andere Blickrichtung als diese führt sofort aus dem Bildgeschehen heraus. Diese Bildanordnung und die Tatsache, daß der Zuschauer meist sitzend fernsehen soll, schränkt seine Bewegungsfreiheit ein. Der Zuschauer bekommt durch diese Passivität keine Erlebnisnähe und keine Illusionen vermittelt.

Bei der Panoramaprojektion wird versucht, den Betrachter in das Bild eintauchen zu lassen. Dem Betrachter wird größere Bewegungsfreiheit gewährt, ohne daß er dabei den Bildkontakt verliert.

Völlige Bewegungsfreiheit wäre nur bei einer Rundum-Projektion möglich. Dann aber müßten mehrere Projektoren von außen auf einen transparenten Raum Bildausschnitte rückprojizieren. Da es sich um die Darstellung virtueller Welten handelt, deren Bildausschnitte auch noch über die Standposition und die Interaktion des Betrachters veränderbar sind und damit in Echtzeit berechnet werden müssen, müßten mindestens pro Projektor ein Hochleistungsgraphikrechner eingesetzt werden. Solch eine Einrichtung wäre sehr aufwendig und kostspielig.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten bereitzustellen, in der der Zuschauer völlig in die Szene eintauchen und sich der Illusion hingeben kann. Er soll dabei gleichzeitig das Empfinden haben, nicht alleine durch diese Welt zu gehen, sondern vielmehr ständig die Nähe seines Nachbarn zu spüren und mit ihm gemeinsam durch die virtuelle Realität zu gehen. Alle sollen in ihrer Bewegungsfreiheit ungehindert und zudem in der Lage sein, ihre Gedanken und Gefühle auszutauschen.

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Die Aufgabe wir durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Schritte gelöst.

Die Unteransprüche kennzeichnen die Art der Einrichtungen näher und zeigen vorteilhafte Möglichkeiten dieser auf.

Der Vorteil der Neuerung besteht darin, daß es sich um eine bewegliche Rundum-Projektion handelt, die ein ausgewählter Zuschauer, der Akteur, unmittelbar durch sein Tun und Handeln über einen Steuerrechner und nur einen Hochleistungsgraphikrechner lenkt. Die Stereoprojektionseinrichtung wird automatisch der Akteurbewegung nachgeführt und die in seiner neuen Blickrichtung liegenden Bildausschnitte gezeigt. Der Zuschauer kann sowohl sich selbst frei bewegen, als auch seinen Betrachterstandpunkt in der virtuellen Welt beliebig verändern. Die Kombination dieser völligen Bewegungsfreiheiten mit der stereoskopischen Bilddarstellung gibt dem Zuschauer ein besonderes, illusionäres Raumerlebnis, welches ihm Nähe zur Scheinwelt, also Präsenz darin, und scheinbare Realität, virtual Reality im modernen Sprachgebrauch, vermittelt. Eingabegerät und Navigationsinstrument geben dem Akteur die Fähigkeit, einen unbekannten virtuellen Raum ähnlich einer Abenteuerfahrt selbst zu erkunden und die Mitzuschauenden daran teilhaben zu lassen.

Es wird, wie oben schon erwähnt, in dieser Projektionseinrichtung nur ein Hochleistungsgraphikrechner eingesetzt, was ausreicht, da nur der Bildausschnitt in Blickrichtung berechnet und dargestellt wird. Durch die gewölbte Projektionsfläche werden die Bildränder etwas ballig geformt. Die Bildqualität wird dadurch jedoch nicht beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel wird in der Zeichnung anhand einer Skizze beschrieben und erläutert. Die Skizze zeigt die Projektionseinrichtung in Form der interaktiven Projektionskuppel für Computergraphiken und Virtual Reality.

Die Projektionskuppel 2 ist ein aufblasbares Zelt, dessen Innenwand die kugelschalenförmige Projektionsfläche 1 bildet. Im Zentrum der Zuschauerfläche ist die Säule 4 mit dem Schwenk-Neige-Kopf 3 plaziert, auf der die Stereoprojektionseinrichtung 6, d. h. ihre beiden Projektoren 6 aufgesetzt sind. Geschwenkt und/oder geneigt werden beide Projektoren 6 synchron zu der Arm- oder Kopfbewegung des Akteurs 7. Diese wird über das Navigationsinstrument 8a gemessen und die Nachführung von dem Steuerrechner 13, der ein PC oder ein Mikrocomputer sein kann, durchgeführt. Ein Rundum-Schwenken in beiden Richtungen hin und her oder ein azimutales Neigen vom Kuppelrand 15 bis hoch zum Zenit 16 auf und ab kann der Akteur 7 jederzeit nach Bedarf veranlassen. Das Eingabegerät 8b in der Hand des Akteurs 7 ist hier ein Joystick. Mit ihm verändert er seinen Betrachterstandpunkt in der virtuellen Welt sowohl in Blickrichtung als auch senkrecht dazu. Das aufgesetzte Navigationsinstrument 8a ist ein magnetischer Tracking-Sensor. Er registriert alle Freiheitsgrade der Kopfbewegung und gibt diese dem Steuerrechner 13 zur Auswertung weiter. Die derartig aufgebaute Projektionskuppel wird auch unter dem dem Begriff "erweiterte virtuelle Umgebung" oder kurz EVE (extended virtual environment) vorgestellt.

Die Stereoprojektionseinrichtung 6 oder die beiden sich gleichartig bewegenden Projektoren 6 werfen mit einer Frequenz von 100 Hz abwechselnd linke und rechte Teilbilder auf die Projektionsfläche 2. Diese Taktfrequenz kann auch größer sein. Moderne professionelle Projektoren erlauben Bildwechselfrequenzen bis zu 150 Hz. Das ist letzlich abhängig vom Qualitätsstandard, der geboten werden soll. Für gewöhnliches Stereosehen sind die 100 Hz jedoch ausreichend, da damit ein für die meisten Menschen flickerfreies Sehen erreicht wird.

Im gleichen Takt, wie der Halbbildwechsel stattfindet, werden die beiden Brillengläser abwechselnd von lichtdurchlässig auf

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lichtundurchlässig geschalten, so daß jeder Zuschauer 10 in der Kuppel, der eine solche Shutterbrille 9 aufsitzen hat, mit dem rechten Auge nur das rechte projizierte Teilbild und mit dem linken Auge nur das linke projizierte Teilbild sieht. Aufgrund der ausreichend hohen Taktfrequenz wird dadurch im Hirn des jeweiligen Betrachters die Illusion des räumlichen Sehens provoziert. Das synchrone Takten der Brillengläser von lichtdurchlässig auf lichtundurchlässig erfolgt am bewährtesten über Infrarotsender- und Empfänger. Es ist auch über Funk möglich und in speziellen Fällen auch drahtgebunden. Letzteres allerdings schränkt die Bewegungsfreiheit des Akteurs und der Zuschauer durch mitzuführende Kabel erheblich ein.

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BeziKTSzeichenliste

1. Projektionsfläche

2. Projektionskuppel

3. Schwenk- Neige- Kopf

4. Säule

5. Azimut, Neigeachse

6. Stereoprojektionseinrichtung, Projektor

7. ausgewählter Zuschauer, Akteur 8a. Navigationsinstrument

8b. Eingabegerät, kombiniertes Navigationsinstrument

9. Stereobrille, Shutterbrille

10. Zuschauer

11. Schwenkachse, Elevation

12. Bildausschnitt

13. Steuerrechner

14. Hochleistungsgraphikrechner

15. Kuppelrand

16. Zenith

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Claims

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 20. April 1994 Karlsruhe GmbH PLA 9430 Mh/he

ANR 1002597

S chut &zgr; ansprüche

1. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten (virtual reality, VR), in der über mindestens zwei Bildprojektionsapparate Bildfolgen auf eine Projektionsfläche geworfen werden, die Zuschauer durch eine Stereobrille betrachten,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Projektionsfläche (1) die Innenwand eines Kugelschalensegments ist, dessen Mittelpunktswinkel mindestens 180° ist, und Bestandteil einer Projektionskuppel (2) ist, im Zentrum der Projektionskuppel (2) eine Säule (4) steht, die einen elektrisch steuerbaren Schwenk- Neige-Kopf (3) aufgesetzt hat, bei dem der Schnittpunkt der Achse (11) für die horizontale Schwenkung mit der Achse (5) für die azimutale Neigung im Kugelmittelpunkt liegt, der Schwenk-Neige-Kopf eine Stereoprojektionseinrichtung (6) aufgesetzt hat, die die Bildfolge für das Stereosehen auf die Projektionsfläche (1) wirft; ein ausgewählter Zuschauer (7), der Akteur, am Kopf oder in der Hand ein Navigationsinstrument (8a) trägt, mit dem er die Projektion über einen Steuerrechner (13) derart steuert, daß der Schwenk-Neige-Kopf (3) mit der Projektionseinrichtung (6) synchron der richtungsweisenden Hand-oder Kopfbewegung folgt;

ein Hochleistungsgraphikrechner (14) die Bildfolgen in Blickrichtung des Akteurs (7) in Echtzeit berechnet;

der Akteur (7) ein Eingabegerät (8b) oder ein mit einer Eingabemöglichkeit kombiniertes Navigationsinstrument (8b) in der Hand trägt, mit dem er seinen Weg durch die virtuelle Welt steuert.

2. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

mit dem Schwenk-Neige-Kopf (3) eine horizontale Schwenkung des Bildausschnitts um 360° im Kreis und eine azimutale Neigung vom Zenit (16) bis zum Kuppelrand (15) gegeben ist.

3. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stereoprojektion von zwei Projektoren (6) ausgeht, deren Strahlausgänge je ein Polarisationsfilter durchlaufen und zwischen beiden Polarisationsebenen ein Winkel von 90° besteht.

4. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stereobrillen (9) der Zuschauer (10) polarisierte Gläser haben und der Winkel zwischen beiden Polarisationsebenen mit dem zwischen den Filtern vor den Projektoren übereinstimmt.

5. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stereoprojektion von einem Projektor (6) ausgeht, der abwechselnd, mindestens im 100 Hz-Rhytmus ein rechtes und linkes Teilbild auf die Projektionsfläche wirft.

6. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stereobrillen (9) der Zuschauer (10) Shutter-Brillen (9) sind, deren Brillengläser im selben Rhytmus drahtlos abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig gesteuert werden, so daß gleichzeitig immer nur ein Teilbild durch eines der Brillengläser gelangt.

7. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stereobrillen (9) der Zuschauer (10) Shutter-Brillen (9) sind, deren Brillengläser im selben Rhytmus über Infrarotstrahlung abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig gesteuert werden.

8. Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach dem Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Navigationssystem (8a) ein Sensorsystem ist, welches die momentane Position und Orientierung eines im Kuppelzentrum erzeugten, konstanten und stationären Magnetfelds mißt.

10.Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß

das Eingabegerät (8b) ein Joystick oder ein Wippenschalter oder eine Sensorkugel ist.

11.Projektionseinrichtung für die Darstellung von dreidimensionalen Computergraphiken und Scheinwirklichkeiten nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Eingabegerät (8b) und das Navigationsinstrument (8a) eine kombinierte Einheit bilden.