WO2017068200A2 - Vorrichtung zum schwenken eines virtual-reality-displays und verfahren zur darstellung einer virtual-reality-szene - Google Patents

Vorrichtung zum schwenken eines virtual-reality-displays und verfahren zur darstellung einer virtual-reality-szene Download PDF

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WO2017068200A2
WO2017068200A2 PCT/EP2016/078516 EP2016078516W WO2017068200A2 WO 2017068200 A2 WO2017068200 A2 WO 2017068200A2 EP 2016078516 W EP2016078516 W EP 2016078516W WO 2017068200 A2 WO2017068200 A2 WO 2017068200A2
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support structure
angle
display
viewer
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Andreas Seibold
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Andreas Seibold
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/1601—Constructional details related to the housing of computer displays, e.g. of CRT monitors, of flat displays

Definitions

  • the present invention relates to a device for
  • Immersion refers to a user's sense of immersion in a virtual environment and experiencing that virtual reality as "real.”
  • Display surfaces can be used in the implementation of the invention. Therefore, in the following linguistic simplification usually from a display area or a display, the speech. This means all known from the prior art display surfaces.
  • This device and that associated methods are designed for a horizontal line of sight of the viewer. This will be several vertical
  • Polygons arranged.
  • further display surfaces can be arranged on the ceiling or the floor.
  • This device requires a lot of space and is very expensive to create and operate. Another one
  • CAVEs principle inherent problem of CAVEs are the transitions between different presentation surfaces. At the transitions visible edges are created for the user, which worsen the immersion. In addition, the distances between the user's eye and various points of the
  • a display panel which comprises a projection device and a projection surface.
  • the projection surface is arranged displaceably on a wall in the vertical direction.
  • the projection device is coupled to the projection surface via cables and rollers so that it follows the displacements of the projection surface without any further action.
  • the object of the invention is to provide a virtual reality system, which makes it possible by an adaptation different visualization tasks and a good one
  • a device for panning a virtual reality display comprising a display surface for generating images, a support structure and a pedestal, wherein the
  • Representation surface is connected to the support structure and wherein the support structure by a hinge so with the
  • Stand is connected, that the display surface is pivotable about a first pivot axis.
  • the display surface has a degree of freedom which is determined by the first pivot axis.
  • Viewing direction of the viewer is aligned. This has several advantages.
  • the immersion is very good, although only one display area is used.
  • the presentation surfaces be it
  • Projection surfaces or self-luminous display surfaces in the direction of their normals the greatest brightness and Color brilliance. This means that the viewer of the device or display surface according to the invention in almost every viewing direction enjoys the benefit of a very bright and brilliant color picture.
  • the viewer looks at a display surface without corners and edges.
  • the projection surface has a height of
  • the device according to the invention has the very great advantage that the space requirement is much lower and also the generation of an image is much easier and less expensive, because only one
  • Display area provides the desired image.
  • Display area is present and accordingly only one image must be generated on this display area, only a comparatively low computing power is required to generate the image, the energy consumption is relatively low and there is no need for cooling the space in which the inventive device is located and is operated.
  • Swivel axis runs in the horizontal direction. Then it is possible, the display area starting from the
  • Normal position (vertical) to swing down until the display surface is aligned approximately horizontally, that is parallel to the floor.
  • Display surface is aligned over head approximately parallel to the ceiling of the room.
  • rollers which roll on a horizontal or inclined surface. These rollers thus support the support structure at the lower end and relieve the support structure, the joint and the base.
  • a link can be arranged between the supporting structure and the base, wherein the link is articulated to both the supporting structure and the base.
  • Support structure have one end and the stand other end a distance to the joint, which connects the support structure with the stand.
  • These means for angle detection may be conventional angle sensors with the support structure or the
  • Display surface are directly or indirectly connected.
  • the angle can be because of the simple kinematics of
  • pivoting device can also be detected via a position sensor of the linear drive or a rotation angle sensor of an electric drive of the linear drive.
  • a position sensor of the linear drive or a rotation angle sensor of an electric drive of the linear drive.
  • about the position or the angle of rotation of the linear drive can under
  • Device of the angle of the display surface can be calculated.
  • Position sensor is associated with the display surface, so that the position of the display surface, especially in the vertical direction, but also in the horizontal direction, can be detected. This information is important in order to generate images that are precisely optimized for the distance of the display surface from the eye of the observer and thus the best possible stereoscopic representation of the desired virtual
  • the display surface is designed as a projection surface and a
  • Projection device (projector) is connected via a support arm fixed to the support structure. It is possible that the projection device from the viewing direction of the viewer the picture throws on the display surface. But it is also possible that the projection device in a sense from the back of the display area an image on the
  • Projection screen throws Alternatively, it is possible that the display area is self-luminous, as this
  • the horizontally extending pivot axis is displaceable within the device, wherein the displacement direction has a vertical component (Z-axis). That means the
  • Pivot axis vertical (high / low) can be moved, thereby affecting the inclination of the projection surface relative to
  • Projection device to the screen via the support arm remains unchanged.
  • the device can be moved in the horizontal direction.
  • the pedestal can be placed on a carriage which performs the desired movement in the direction of the X-axis and / or the Y-axis.
  • the support structure and with it the display surface can be moved relative to the base.
  • the display surface is moved in a horizontal plane on a circular path around the viewer, so that the viewer can look to a certain extent not only forward, but also laterally to the right or left. Regardless of the viewing direction of the user, his gaze is orthogonal to the tracked and / or swiveled display area. This is done with the
  • the display surface may be flat or curved about an axis or spherically.
  • the curvature is usually chosen so that the head of the viewer is at the center of the curvature. Then the eyes of the
  • the display surface is always pivoted and moved in the axial and / or vertical or horizontal direction that the viewer has the virtual objects shown in the field of view optimally.
  • the effect can be caused that the virtual objects
  • the control of the display surface can be done manually, for example via a handle on the display surface or on the support structure or via an input device.
  • an input device comes z.
  • a joystick a mouse, a game console or as a Spacemouse
  • Transfer device and used by this for position control of the display area.
  • Figure 12 shows a fourth embodiment of a
  • Figure 13 shows a fifth embodiment of a
  • Figures 19 and 20 an eighth embodiment of a
  • Figures 21 and 22 a ninth embodiment of a
  • Figures 1 to 5 show a first embodiment of a device according to the invention in different
  • FIG. 1 shows an isometric view of a
  • the device from the front.
  • the device comprises a flat display surface 1, which is vertically aligned in the figure 1.
  • Held is the
  • Firmly connected in this context means that the relative position of projection device 7 and
  • the device may optionally be equipped with a tracking system consisting of two cameras 16 attached to the ends of the U-shaped bracket 15 for detecting movements and command inputs of an observer.
  • a tracking system consisting of two cameras 16 attached to the ends of the U-shaped bracket 15 for detecting movements and command inputs of an observer.
  • FIG. 2 the same device is shown in FIG.
  • the device according to the invention is shown in a view obliquely from behind. It is clear that the base 3 in this embodiment extends to the floor of a room. In this embodiment, the base 3 is bolted to the floor and anchored in this way, the entire device between the floor and the ceiling of the room.
  • the support structure 13 is pivotally connected to the base 3. Details will be below
  • the base 3 can be connected to a ceiling, not shown, of the surrounding space.
  • the division of the base 3 in the two struts 11 allows the immersion of the projection device 7 when pivoting the display surface 1.
  • the cabinet 4 are the
  • the device according to the invention is again shown in a perspective obliquely from behind. From the comparison of Figure 4 with the other figures it is clear that the display surface 1 is pivoted relative to the vertical by about 60 °. Because of the kinematics according to the invention, it has also moved down. The projection device 7 is immersed between the two struts 11. Visible now is the handlebar 23, which is hinged at its lower end to the base 3, while its upper end articulated on the carrier 17 with the truss-like structure of the
  • Support structure 13 is connected and supports it.
  • FIG. 5 The entire kinematics according to the invention is shown in FIG. 5 in a perspective obliquely from the front.
  • the display surface 1 is connected to the support structure 13
  • the device according to the invention has a
  • Linear drive which is designed as a threaded spindle drive and comprises the following components: an electric motor 34, a spindle 37, which via a flexible coupling to the
  • Electric motor 34 is connected, two bearings for guiding the spindle 37, of which in Figure 5, only the electric motor 34 facing bearing 38 (A-bearing) is shown, and a
  • Carriage 25 The electric motor 34 is connected via the intermediate plate 30 fixed to the base 3.
  • the carriage 27 has a (threaded) nut, not shown here, which establishes the connection to the spindle 37.
  • Rotary encoder installed, which allows the calculation of the number of spindle revolutions in one or the other direction of rotation. From this, the vertical position of the carriage 27 can be calculated uniquely.
  • the described kinematics can be used to determine the position and orientation of the
  • the carrier 17 is at the upper end in Figure 5 on the
  • the carriage 27 moves depending on the direction of rotation of the spindle 37 along the guide rails 29 in the vertical direction up or down.
  • the vertical distance between the vertically moving together with the carriage 27 bearing 25 and fixedly connected to the base 3 bearing 31 changes.
  • the carrier 17 and the link 23 pivot about the joints 25, 31 and 33, wherein the carrier 17 additionally performs a vertical longitudinal movement in the direction and amount of
  • the carrier 17 If the carriage 27 moves downwards, the carrier 17 also drops overall.
  • the carrier 17 pivots during the downward movement upwards, while the handlebar 23 according to the coupling via the joint 33 pivots downward. Of the Angle between the carrier 17 and the handlebar 23 is sharpened.
  • the joint 33 performs both a horizontal movement to the front, ie towards the viewer out as well as a vertical movement down, but the amount is smaller than that
  • the display surface 1 learns by the connection to the carrier 17 via the support structure 13 the same combined
  • Pivoting and descending movement like the carrier 17 itself.
  • the lower end position is reached when the display surface 1 is close to the ground surface and parallel to it.
  • the position of the display surface 1 shown in FIG. 5 would be suitable, for example, for floor-mounted devices
  • the carriage 27 In the reverse direction of rotation of the spindle 37, the carriage 27 is moved vertically upwards.
  • the vertical distance of the hinge 25 from the hinge 31 increases, as well as the angle between the carrier 17 and the handlebar 23.
  • the carrier 17 moves upwards altogether and simultaneously performs a
  • Powerwall can be operated.
  • the axes of rotation 21 of the joints 25, 31 and 33 are shown in Figure 5 each by a dashed line. All three Rotary axes 21 are aligned horizontally. Accordingly, the display surface 1 makes a pivoting movement about these axes of rotation when the kinematics according to the invention is actuated accordingly.
  • Device shown in the previous embodiment has a modified kinematics. Again, a stand 3 is present, which is firmly connected to the floor, and a support structure 13 which holds a display surface 1. The base 3 is cut in the figure 6
  • Embodiment but omitted the link 23 and the joints 31 and 33. Instead, the support structure 13 is supported on rollers 41, which roll on the floor or other horizontally extending surface.
  • the rollers 41 can be attached to the support structure 13, for example via two angles 42 each.
  • Carriage 27 between support structure 13 and stand 3 is moved in the vertical direction down, then this causes the display surface 1 is tilted. At the same time, the rollers 41 move across the floor in the direction of the viewer.
  • Display surface 1 shows Figure 7 in a view obliquely from the front.
  • the rollers 41 ensure that the lower edge of the display surface 1 is always performed close to the ground. It is also possible to align the display surface 1 completely horizontally.
  • Figures 8 and 9 show the embodiment with rollers from the side and the respective position of the viewer.
  • the display surface 1 is vertically aligned.
  • the viewing direction 10 of the observer is horizontal. Thus, the viewer looks perpendicular to the display surface. 1
  • Projection device in FIGS. 8 and 9 shows that no shading of the projected image by the viewer occurs, regardless of the inclination of the display surface 1.
  • a monitor is used as the display surface, which can stand on a table (that is, not at the bottom, that is, when the display is off the ground) and in the surface is small compared to canvases.
  • the task is in the foreground, with a simple technical solution a pure
  • Pivoting movement around a transverse axis to position the display so that the objects of the virtual scene seem to protrude out of the display area and become "tangible".
  • Vertical is tilted by about 50 ° to stereoscopic image content display so that the virtual objects from the viewpoint of the viewer from the display area.
  • the display surface 1 is fixedly connected to the support structure 13, which in turn is connected via the joints 25 to the resting on the table base 3, so that a rotation about the horizontal axis of rotation 21st
  • the display 11 shows the same arrangement obliquely from behind in a steeper position of the display surface 1 with about 5 ° to the vertical.
  • the display area 1 could also be completely vertical.
  • the support structure 13 has a recess in which the interfaces 47 and the tilt sensor 49 are housed, which are fixedly connected to the support structure 13. Instead of a tilt sensor can also be
  • Rotary encoder on the electric motor 34 or a comparable measuring device can be used.
  • the interfaces 47 include both interfaces for the video signal as well
  • Display area 1 is opposite to the stationary base 3 clearly defined by an angular position from the
  • Inclination sensor 49 is detected. Additionally or alternatively to the output via an interface 47, the position of the
  • Display area 1 itself displayed or displayed by other optical or acoustic means.
  • Tilt adjustment is provided.
  • a handle 48 is laterally attached to the support structure 13 connected to the display surface 1, which allows a pivoting of the support structure 13 about the axis 21.
  • the support structure is for this purpose connected via the joints 25 with the base 3.
  • the position of the display surface 1, which is uniquely determined by its inclination, is detected by the tilt sensor, not shown here, on the back of the support structure 13 and on the
  • Tilt sensor can also be a rotary encoder on the
  • Rotary axis 21 or a comparable measuring device can be used. As a simple solution come well defined
  • Locking positions in one of the joints 25 into consideration which can be designed as electrical contacts and thus allow a digital reading of the angular position.
  • This embodiment includes all the features of the third embodiment and additionally has a height-adjustable stand 3.
  • the base 3 has a fixed to the ground or on the floor standing lower part and an upper part which is vertically displaceable relative to the lower part.
  • the two parts of the base are connected via a linear drive located inside the base.
  • a linear drive for example, a threaded spindle drive with integrated rotation angle detection can be used, thus a
  • the position of the display surface 1 in inclination and height is thus clearly determined.
  • the position data can be accessed via a data interface as in the previous one
  • Embodiment be issued or entered.
  • FIGS. 14 to 17 show a further exemplary embodiment of a device according to the invention, in which a serial kinematics in the form of an articulated-arm robot is used to move the support structure 13 and the display surface 1 connected to it.
  • FIG 14 this embodiment is shown obliquely from behind.
  • the articulated arm robot which is visible in the center of the picture, has a base 3 which is fixed to the ground or a bottom plate 51 is connected.
  • the pedestal 3 could also be rotatably connected about its vertical axis 21 with the bottom or the bottom plate 51.
  • the lower robot arm 53 adjoins articulated, which in turn hinged to the upper
  • Robot arm 55 is connected.
  • the support structure 13 is also articulated preferably centrally of the upper robot arm 55th
  • An optional tracking system consisting of two cameras 16 on the left and right of the display area 1, records the viewing direction and the movements of the viewer.
  • FIG. 15 shows this embodiment obliquely from the front.
  • the display surface 1 is in a vertical position for use as a powerwall. To improve the immersion, the display surface 1 is curved, in this
  • Example spherically curved Example spherically curved.
  • the support structure 13 is pivoted about the hinge 33 for this purpose.
  • the upper robot arm 55 moves down and rotates about the hinge 59.
  • the lower robot arm 53 also moves down and rotates about the hinge 57. All three rotational movements take place about horizontal axes of rotation.
  • the support structure 13 may be in addition to its articulated
  • FIG. 17 shows how the display surface 1 can be pivoted into an over ⁇ head position when the
  • the drive of the robot arms can be done electrically, hydraulically or pneumatically. Usually, integrated electric drives are used in the robot arms, which are out of the
  • the control system derives its input data from an internal sensor integrated in the robot arms, which provides information about the position of the kinematic chain and thus allows a comparison between the setpoint and actual position of the robot arms.
  • internal sensors come for example
  • FIG. 18 schematically shows a further embodiment of a device according to the invention, in which the display surface 1 is guided over two scenes and can thus be pivoted vertically and horizontally.
  • the vertical backdrop 61 is firmly connected to the ground, while the horizontal backdrop 63 is fixedly connected to the support structure 13, to which the display surface 1 is attached.
  • a connecting piece 65 connects the two scenes such that the connecting piece 65 can move both along the cylindrical bearing surface of the vertical link 61 and along the cylindrical bearing surface of the horizontal link 63.
  • the drives in the respective direction can be integrated into the connecting piece 65.
  • electric motors which are supplied via an energy chain and whose movement is detected by likewise integrated rotary encoders are possible.
  • Display area 1 always known exactly and can be output via a data interface.
  • Figures 19 and 20 show another embodiment of a device according to the invention, in which a hexapod, the movement of the support structure 13 and thus also the
  • Hexapods have a parallel kinematics with six legs 64, each of which can be individually changed by a linear actuator (actuator) in their length.
  • the linear drive can be done electrically, hydraulically or pneumatically.
  • These six legs 64 are connected at their ends via a respective ball joint 66 with two frames 67.
  • One of these frames 67 connects firmly to the column 3, which is fixed to a bottom plate 51 or directly to the ground.
  • the other frame 67 is fixed to the
  • Support structure 13 connected. By generally different length variation of each leg 64, the support structure 13 can be moved in all six degrees of freedom. To pan the display surface on a
  • FIG. 20 shows the device in a side view. Visible here are only three of the six legs 64 of the hexapod. A fixed set inclination of the upper part of the base 3 and the frame attached to it 67, here by about 30 ° to the vertical, is advantageous to align the display surface 1 both vertically and in a downward
  • FIGS. 21 and 22 show a further exemplary embodiment of a device according to the invention, which is known as
  • Pivoting mechanism has a so-called Z-kinematics, as is known from front loaders in the field of construction machinery.
  • a boom 71 is pivotally connected at one end to the base 3, which in turn is fixed to the bottom plate 51 or directly to the bottom.
  • the boom 71 is pivotally connected at the other end to the frame 67, to which in turn connect the support structure 13 and the display surface 1.
  • the boom 71 is moved by a lifting cylinder 73 up and down, so that the Display area can occupy 1 different height positions.
  • a rotation of the display surface 1 about the transverse axis by a deflection lever 77 via a pull rod 79, the frame 67 tilts around this transverse axis.
  • Lever 77 is actuated by a tilting cylinder 75, which is connected at one end articulated and approximately centrally with the lever 77 and is supported at the other end articulated on the base 3.
  • the lever 77 is pivotally connected at its lower end to the boom 71, at its upper end hinged to the pull rod 79.
  • the tie rod is in turn connected to the frame 67 hinged.
  • the described kinematics is performed in duplicate in order to achieve more
  • Figure 22 shows the same arrangement after pivoting into an overhead position of the display surface 1. From front loaders and other construction machines various other kinematics than the previously described Z-kinematics are known which can also be used in the invention.
  • Device which is similar to the first embodiment in Figures 1 to 5.
  • a display surface 1 with projection device 7 instead of a display surface 1 with projection device 7 but here two self-luminous display surfaces 1 are used, which adjoin one another in the vertical direction and thus form a continuous display surface 1 with a kink.
  • the upper display surface 1 serves as a vertical extension of the lower display surface 1 and is essentially only vertically displaceable.
  • the arrangement has the advantage of a very high flexibility with low space requirements.
  • Display surfaces 1 can be used as a powerwall for very high
  • Display surface 1 is oriented substantially vertically. This ensures a better immersion of the viewer with less tall objects. Intermediate positions between Powerwall and L-Shape are useful for virtual scenes that are ground-based, but also rise to a certain size.
  • the viewer should always have the virtual objects displayed in their field of vision and thus obtain a good immersion in the virtual scene.
  • the viewer should be able to change the view of the virtual scene dynamically, so with the
  • Visualization software that calculates the virtual scene, the position of the perspective camera to the position of
  • FIG. 24 shows the coupling of the virtual reality device according to the invention with the visualization software.
  • Control unit of the virtual reality device takes over the positioning of the display area by controlling the existing drives. Even at standstill, it constantly records the current position of the display area via the installed sensors (tilt sensors, rotary encoders, etc.).
  • the tracking system independently detects the head position and the viewing direction of the viewer.
  • the position data of the display area and the viewer are thus available at all times and are continuously transmitted to a computer on which the visualization software is installed.
  • An auxiliary program available there, a so-called middleware receives the position data and converts them based on the kinematic relationships into a camera setting that is passed on to the visualization software.
  • the term "camera setting" is to be understood as follows: It is assumed that the position of a virtual camera is the position of the head of a viewer
  • Display area corresponds. Likewise corresponds the
  • the visualization software uses this camera position to take the usual stereoscopic image calculation of the
  • the virtual scene in front can also be a module of the visualization software.
  • the data transmission from the device to the computer takes place in the usual way via LAN or WLAN or as additional signal via an HDMI connection.
  • the images calculated by the visualization software are transmitted via a standard connection (HDMI, DisplayPort or similar) to the projection system of the virtual reality device and stored there on the
  • Rastung certain positions of the display surface be predefined, such as the tilt angle in 5 ° steps, in the
  • the method for operating the apparatus according to the invention provides that the viewer influences the person in various ways
  • Image detail and the stereoscopic impression of represented virtual scene by actively changing the position of the display surface are described.
  • Move commands can be entered either directly via buttons or a joystick on the virtual reality device or
  • a remote control which can also be designed as a smartphone with an adapted graphical user interface.
  • the updated position data is passed on to the visualization software as previously described to adjust the perspective of the virtual scene.
  • FIG. 26 shows two input possibilities: On the one hand, the tracking of the
  • Head movement of the viewer can be used to change the position of the display surface, such as the
  • the viewer slowly pans his head from top to bottom, pressing a specific key on an input device that is also tracked by the tracking system.
  • the change in position of the display surface can also be done entirely by the movement of this input device.
  • a certain key can be pressed again.
  • an advanced tracking system that motion detection
  • a change in position of the display surface can also be caused by
  • Control commands for example, by mouse, game console or a smartphone to be submitted to the middleware or to the corresponding module of the visualization software. Also can run on the computer a script that a series of
  • Control commands triggers.
  • the visualization software then calculates an updated virtual scene according to the changed camera setting and transmits the image data to the projection device of the virtual reality device according to the invention.
  • the incoming control commands are converted into travel commands by the middleware or the module and transmitted to the control unit of the virtual reality device, for example via LAN or WLAN.
  • Control unit then regulates the correct position of the
  • Positional data of the viewer are transmitted as usual from the virtual reality device to the computer.
  • the virtual reality device according to the invention can, as shown in FIG. 28, also be used without a computer and stereoscopic image contents, such as real-filmed or photographed scenes, directly from a data medium, a USB storage medium or a hard disk, or from a live - Play stream.
  • the peculiarity consists in the fact that the observer receives the same view on the picture material as with the
  • Admission For example, the observer looks up a skyscraper or down a cliff.
  • the image data contain either embedded
  • Control commands or position data which are extracted via a readout module, or a separate control file or a control data stream, which controls only the control commands for the
  • the control commands are output to the control unit for changing the position of the display surface while the current one
  • Video signal is passed to the projection device.
  • control commands or position data can be done for individual images in the file header, for example in the EXIF information block.
  • Color information can be stored in one or more pixels.
  • FIG. 29 schematically shows the processing of control commands and image data from a live stream.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung einer virtuellen Realität mit nur einer Darstellungsfläche beschrieben. Dabei wird die Darstellungsfläche verschwenkbar angeordnet, so dass sie immer orthogonal zur Hauptblickrichtung des Betrachters ausgerichtet werden kann. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Immersion bei gleichzeitig geringen Herstellungs- und Betriebskosten.

Description

Titel: Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual-Reality- Displays und Verfahren zur Darstellung einer Virtual-Reality-Szene
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Schwenken eines Virtual-Reality-Displays und ein Verfahren zur Darstellung einer Virtual-Reality-Szene mit verbesserter
Immersion .
Unter Virtual Reality wird im Zusammenhang mit der Erfindung die realitätsnahe Darstellung von computergenerierten Bildern (= künstliche Welt) auf einer oder mehreren
Darstellungsflächen (Displays) verstanden. Virtual Reality wird zunehmend häufiger bei der Entwicklung neuer Produkte anstelle von realen Prototypen eingesetzt. Das Erstellen einer Virtual-Reality-Szene benötigt, verglichen mit dem Bau von Prototypen, sehr viel weniger Zeit und verursacht sehr viel geringere Kosten.
Ein Maß für die Qualität eines Virtual-Reality-Systems ist die sogenannte Immersion. Immersion bezeichnet das Empfinden eines Anwenders, in eine virtuell erzeugte Umwelt einzutauchen und diese virtuelle Realität als "real" zu erleben.
Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten, eine Virtual Reality auf einer Darstellungsfläche zu erzeugen. Es gibt Bildschirme, die das Bild aktiv erzeugen. Weiter gibt es passive Darstellungsflächen (Leinwände) , auf die ein Bild von vorne (d. h. in Blickrichtung des Betrachters) oder von der Rückseite aus mit Hilfe eines Projektors (Beamers) geworfen wird. Alle aus dem Stand der Technik bekannten
Darstellungsflächen können bei der Realisierung der Erfindung eingesetzt werden. Daher ist im Weiteren zur sprachlichen Vereinfachung meist von einer Darstellungsfläche oder einem Display die Rede. Damit sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Darstellungsflächen gemeint.
Aus der DE 10 2006 030 923 AI sind Vorrichtungen und Verfahren zur interaktiven Präsentation einer virtuellen Realität mit Hilfe eines geschlossenen Raums ("CAVE" = Cave Automatic
Virtual Environment) bekannt. Diese Vorrichtung und das zugehörige Verfahren sind für eine horizontale Blickrichtung des Betrachters ausgelegt. Dazu werden mehrere vertikale
Darstellungsflächen um den Anwender herum in Form eines
Polygons angeordnet. Optional können an der Decke oder dem Boden weitere Darstellungsflächen angeordnet werden.
Diese Vorrichtung benötigt sehr viel Platz und ist sehr teuer in der Erstellung und im Betrieb. Ein weiteres
prinzipbedingtes Problem von CAVEs sind die Übergänge zwischen verschiedenen Darstellungsflächen. An den Übergängen entstehen für den Anwender sichtbare Kanten, welche die Immersion verschlechtern. Außerdem sind die Abstände zwischen dem Auge des Anwenders und verschiedenen Punkten der
Darstellungsflächen unterschiedlich. Diese Unterschiede gleicht das Auge durch Akkommodation und Konvergenz aus. Bei den CAVEs führen diese Effekte zu einer weiteren
Beeinträchtigung der Immersion.
Aus der EP 1 973 346 AI ist eine höhenverstellbare
Anzeigetafel bekannt, die eine Projektionseinrichtung und eine Projektionsfläche umfasst. Die Projektionsfläche ist an einer Wand in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet. Die
Projektionseinrichtung wiederum ist über Seile und Rollen so mit der Projektionsfläche gekoppelt, dass sie ohne weiteres Zutun den Verschiebungen der Projektionsfläche folgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Virtual-Reality-System bereitzustellen, das es ermöglicht, durch eine Anpassung an unterschiedliche Visualisierungsaufgaben und eine gute
stereoskopische Darstellung eine professionelle virtuelle Umgebung mit guter Immersion zu schaffen und gleichzeitig den Raumbedarf sowie die Herstellungs- und Betriebskosten
gegenüber herkömmlichen CAVEs signifikant zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual-Reality-Displays, umfassend eine Darstellungsfläche zum Erzeugen von Bildern, eine Tragstruktur und einen Standfuß, wobei die
Darstellungsfläche mit der Tragstruktur verbunden ist und wobei die Tragstruktur durch ein Gelenk derart mit dem
Standfuß verbunden ist, dass die Darstellungsfläche um eine erste Schwenkachse schwenkbar ist.
Dadurch hat die Darstellungsfläche einen Freiheitsgrad, der durch die erste Schwenkachse festgelegt wird. Damit ist es möglich, die Darstellungsfläche der Blickrichtung des
Anwenders so nachzuführen, dass sie orthogonal zur
Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Das hat verschiedene Vorteile.
Die Immersion ist sehr gut, obwohl nur eine Darstellungsfläche eingesetzt wird.
Üblicherweise haben die Darstellungsflächen, seien es
Projektionsflächen oder selbstleuchtende Darstellungsflächen, in Richtung ihrer Normalen die größte Helligkeit und Farbbrillanz. Dies bedeutet, dass der Betrachter der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Darstellungsfläche in nahezu jeder Blickrichtung in den Genuss eines sehr hellen und farbbrillanten Bildes kommt.
Außerdem blickt der Betrachter auf eine Darstellungsfläche ohne Ecken und Kanten.
Vorzugsweise weist die Projektionsfläche eine Höhe von
ungefähr einer erwachsenen Person auf und ist beim Schwenken auf einer Bodenfläche verschiebbar. Dabei kann die
Projektionsfläche beim Schwenken immer Bodenkontakt haben und kann auf der Bodenfläche mit Hilfe von Rollen fahrbar sein.
Durch die Höhe der Projektionsfläche von ungefähr einer erwachsenen Person kann mit nur einer Darstellungsfläche eine gute Immersion durch eine hohe Abdeckung des menschlichen Sichtfelds (200° horizontal, 60° vertikal) bei normaler, entspannter Kopfstellung des Betrachters realisiert werden.
Infolgedessen wird eine sehr gute Immersion erreicht, obwohl die benötigte Technik zur Erzeugung eines Virtual-Reality nur wenig aufwändiger ist als bei einer herkömmlichen Virtual- Reality-Umgebung, wie sie als Powerwall mit einer
feststehenden vertikalen Darstellungsfläche bzw. als Workbench mit einer horizontalen Darstellungsfläche erforderlich ist. Gegenüber sogenannten CAVEs hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den sehr großen Vorteil, dass der Platzbedarf sehr viel geringer ist und auch die Erzeugung eines Bilds sehr viel einfacher und kostengünstiger ist, weil immer nur eine
Darstellungsfläche das gewünschte Bild bereitstellt. Die
Probleme, die sich bei CAVEs am Übergang zwischen zwei
benachbarten Darstellungsflächen stellen, entfallen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vollständig.
Weil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur eine
Darstellungsfläche vorhanden ist und entsprechend auch nur ein Bild auf dieser Darstellungsfläche erzeugt werden muss, wird nur eine vergleichsweise geringe Rechenleistung zur Erzeugung des Bilds benötigt, der Energiebedarf ist relativ gering und es wird keine Kühlung des Raums benötigt, in dem sich die erfindungsgemäße Vorrichtung befindet und betrieben wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste
Schwenkachse in horizontaler Richtung verläuft. Dann ist es möglich, die Darstellungsfläche ausgehend von der
"Normalstellung" (vertikal) nach unten zu schwenken, bis die Darstellungsfläche in etwa horizontal, das heißt parallel zum Fußboden, ausgerichtet ist.
Es ist ebenfalls möglich, die Darstellungsfläche ausgehend von der "Normalstellung" nach oben zu schwenken, bis die
Darstellungsfläche über Kopf in etwa parallel zur Decke des Raumes ausgerichtet ist. Durch das erfindungsgemäße Verschwenken der Darstellungsfläche um bis zu 180° können fast alle Perspektiven und Blickwinkel auf eine virtuelle Realität erzeugt werden, wobei die
Darstellungsfläche im Wesentlichen orthogonal zur
Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Daraus ergeben sich die oben genannten Vorteile.
Um eine Höhenverstellbarkeit der Darstellungsfläche zu
erreichen, ist weiter vorgesehen, dass das Gelenk in
vertikaler Richtung entlang von einem Standfuß verschiebbar ist. Es ist nicht erforderlich, dass der Standfuß genau vertikal ausgerichtet ist; der Standfuß kann auch
schräggestellt sein.
In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind an der Tragstruktur eine oder mehrere Rollen angeordnet, die auf einer horizontalen oder geneigten Fläche abrollen. Diese Rollen stützen somit die Tragstruktur am unteren Ende ab und entlasten die Tragstruktur, das Gelenk und den Standfuß.
Alternativ zu den Rollen kann zwischen der Tragstruktur und dem Standfuß ein Lenker angeordnet sein, wobei der Lenker sowohl mit der Tragstruktur als auch dem Standfuß gelenkig verbunden ist. Die Gelenke zwischen dem Lenker mit der
Tragstruktur einenends und dem Standfuß anderen Ends haben einen Abstand zu dem Gelenk, welches die Tragstruktur mit dem Standfuß verbindet.
Dann ergibt sich ein sehr einfaches System zum Verschwenken der Darstellungsfläche, das nur über das untere Ende und ggf. das obere Ende des Standfußes mit dem Boden bzw. der Decke eines Raums verbunden ist. Ansonsten wird keine Anbindung an das umgebende Gebäude benötigt.
Dadurch ergibt sich eine als "schwebend" wahrgenommene
Darstellungsfläche, was ein ansprechendes Erscheinungsbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine weiter verbesserte Immersion zur Folge hat.
Um die Darstellungsfläche erfindungsgemäß verschwenken zu können, ist ein Linearantrieb vorgesehen, wobei dieser
Linearantrieb manuell betätigt oder elektrisch,
elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden kann. Als Linearantriebe sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Antriebe, wie zum Beispiel (Kugel- ) Gewinde¬ spindeln, Zahnstangenantriebe oder Seilzüge möglich. Ebenso sind Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder möglich.
Um die Darstellungsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestmöglich orthogonal zur Blickachse des Betrachters
ausrichten zu können, sind Mittel zur Erfassung des (Schwenk-) Winkels der Darstellungsfläche oder der Tragstruktur
vorgesehen . Diese Mittel zur Winkelerfassung können herkömmliche Winkelsensoren sein, die mit der Tragstruktur oder der
Darstellungsfläche direkt oder mittelbar verbunden sind.
Der Winkel kann wegen der einfachen Kinematik der
Schwenkeinrichtung jedoch auch über einen Positionssensor des Linearantriebs oder einen Drehwinkelsensor eines elektrischen Antriebs des Linearantriebs erfasst werden. Über die Position bzw. den Drehwinkel des Linearantriebs kann unter
Berücksichtigung der Kinematik der erfindungsgemäßen
Vorrichtung der Winkel der Darstellungsfläche berechnet werden .
Des Weiteren ist es möglich und vorteilhaft, dass ein
Positionssensor der Darstellungsfläche zugeordnet ist, so dass die Position der Darstellungsfläche vor allem in vertikaler Richtung, aber auch in horizontaler Richtung, erfasst werden kann. Diese Information ist wichtig, um Bilder zu generieren, die genau auf den Abstand der Darstellungsfläche vom Auge des Betrachters hin optimiert sind und so eine bestmögliche stereoskopische Darstellung der gewünschten virtuellen
Realität ermöglichen.
Alternativ ist es möglich, dass die Darstellungsfläche als Projektionsfläche ausgebildet ist und eine
Projektionseinrichtung (Beamer) über einen Tragarm fest mit der Tragstruktur verbunden ist. Dabei ist es möglich, dass die Projektionseinrichtung aus der Blickrichtung des Betrachters das Bild auf die Darstellungsfläche wirft. Es ist aber auch möglich, dass die Projektionseinrichtung gewissermaßen von der Rückseite der Darstellungsfläche ein Bild auf die
Projektionsfläche wirft. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Darstellungsfläche selbstleuchtend ist, wie dies
beispielsweise von LCD-Displays bekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die horizontal verlaufende Schwenkachse innerhalb der Vorrichtung verschiebbar ist, wobei die Verschieberichtung eine vertikale Komponente (Z-Achse) aufweist. Das bedeutet, dass die
Schwenkachse vertikal (hoch / tief) bewegt werden kann, wobei sich dabei die Neigung der Projektionsfläche relativ zum
Betrachter verändert. Der Winkel von der
Projektionseinrichtung zur Projektionsfläche über den Tragarm bleibt dabei unverändert.
Um weitere Freiheitsgrade zu haben und den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter zu vergrößern, ist vorgesehen, dass die Vorrichtung in horizontaler Richtung verfahrbar ist.
Dann ist es möglich, die Darstellungsfläche auf den Betrachter zu oder vom Betrachter weg zu bewegen, bis der für eine gewünschte Virtuelle Realität optimale Abstand zwischen
Anwender und Darstellungsfläche erreicht ist (X-Achse) .
Ebenso ist es möglich, die Darstellungsfläche aus Sicht des Anwenders nach links oder rechts zu verschieben (Y-Achse) . In beiden Fällen kann der Standfuß auf einem Schlitten angeordnet werden, der die gewünschte Bewegung in Richtung der X-Achse und/oder der Y-Achse ausführt.
Alternativ dazu kann auch die Tragstruktur und mit ihr die Darstellungsfläche relativ zum Standfuß bewegt werden.
Es ist auch möglich, dass die Darstellungsfläche in einer horizontalen Ebene auf einer Kreisbahn um den Betrachter herum bewegt wird, so dass der Betrachter gewissermaßen nicht nur nach vorne, sondern auch seitlich nach rechts oder links schauen kann. Unabhängig von der Blickrichtung des Anwenders trifft sein Blick orthogonal auf die nachgeführte und/oder verschwenkte Darstellungsfläche. Dadurch wird mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Einsatzbereich geschaffen, der einer CAVE mit fünf oder sechs Darstellungsflächen
entspricht, obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine Darstellungsfläche benötigt.
Die Darstellungsfläche kann eben oder um eine Achse oder sphärisch gekrümmt sein. Dabei wird die Krümmung zumeist so gewählt, dass sich der Kopf des Betrachters im Mittelpunkt der Krümmung befindet. Dann nämlich haben die Augen des
Betrachters zu jedem Punkt der Darstellungsfläche exakt den gleichen Abstand und die Konvergenz sowie die Immersion werden weiter verbessert. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer virtuellen
Realität, wobei dieses Verfahren unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
durchgeführt wird.
Dabei wird die Darstellungsfläche stets so verschwenkt und in axialer und/oder vertikaler oder horizontaler Richtung bewegt, dass der Betrachter die dargestellten virtuellen Objekte optimal im Blickfeld hat. Durch eine entsprechende Neigung und Höhenpositionierung der Darstellungsfläche kann der Effekt hervorgerufen werden, dass sich die virtuellen Objekte
scheinbar oberhalb der Darstellungsfläche befinden bzw. von ihr geschnitten werden. Dadurch entsteht für den Betrachter der Eindruck eines Herauswachsens der virtuellen Objekte aus der Darstellungsfläche. Dieser besonders eindrückliche Effekt verstärkt die Immersion des Betrachters.
Die Steuerung der Darstellungsfläche kann dabei manuell vorgenommen werden, beispielsweise über einen Griff an der Darstellungsfläche bzw. an der Tragstruktur oder über ein Eingabegerät. Als Eingabegerät kommt z. B. ein Steuerknüppel, eine Maus, eine Spielekonsole oder ein als Spacemouse
bekanntes Zeigergerät aus dem CAD-Bereich infrage.
Es ist jedoch auch möglich, die Blickrichtung des Betrachters und die Darstellungsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung so auszurichten, dass die Darstellungsfläche orthogonal zur Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Gleichzeitig kann hierbei auch ein Eingabegerät erfasst werden, mit dessen Bedienung sowohl die virtuelle Szene beeinflusst als auch die Darstellungsfläche bewegt werden kann.
Selbstverständlich muss das auf der Darstellungsfläche
erzeugte Bild der Virtual-Reality-Szene der Position der
Darstellungsfläche entsprechend berechnet werden.
Es ist auch möglich, stereoskopische Bildinhalte, etwa real gefilmte oder fotografierte Szenen auf der Darstellungsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung so abzubilden, dass der Blickwinkel des Betrachters auf die projizierte Szene dem Blickwinkel des Kameramanns oder des Fotografen auf das reale Objekt während der Aufnahme entspricht. Der Betrachter bekommt so einen natürlichen Eindruck der Szene und blickt
beispielsweise ein Hochhaus hinauf oder eine Klippe hinunter. Die hierfür nötigen Positions- bzw. Winkeldaten werden beim Abspielen der Filme oder Bilder an die erfindungsgemäße
Vorrichtung übertragen und von dieser zur Lagesteuerung der Darstellungsfläche genutzt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch die Verfahren gemäß der nebengeordneten Ansprüche 18 und 19. Durch die Anwendung dieser Verfahren erzielbaren Vorteile entsprechen den in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen, so dass auf das in diesem
Zusammenhang Gesagte verwiesen wird. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in den Ansprüchen beschriebenen
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger
Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 6 bis 9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 10 und 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 12 ein viertes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 13 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 14 bis 17 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 18 siebtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 19 und 20 ein achtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 21 und 22 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 23 zehntes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung und die
Figuren 24 bis 29 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Verfahren .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen
Ansichten. Nicht in allen Ansichten sind alle Bauteile
sichtbar .
Figur 1 zeigt eine isometrische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung von vorne. Die Vorrichtung umfasst eine ebene Darstellungsfläche 1, die in der Figur 1 vertikal ausgerichtet ist. Gehalten wird die
Darstellungsfläche 1 von einer Tragstruktur 13, mit welcher ein Tragarm 5 und eine Projektionseinrichtung 7 fest verbunden sind. Fest verbunden meint in diesem Zusammenhang, dass die relative Position von Projektionseinrichtung 7 und
Darstellungsfläche 1 zueinander während des Betriebs der
Vorrichtung nicht geändert wird.
Die Vorrichtung kann optional mit einem Tracking-System bestehend aus zwei an den Enden des U-förmigen Bügels 15 befestigten Kameras 16 ausgerüstet sein, um Bewegungen und Befehlseingaben eines Betrachters zu detektieren.
In der Figur 2 ist die gleiche Vorrichtung in der
Seitenansicht dargestellt. Zur Veranschaulichung der
Funktionsweise sind die Lichtstrahlen, welche von der
Projektionseinrichtung 7 auf die Darstellungsfläche 1
projiziert werden, um dort das gewünschte Bild zu erzeugen, durch gestrichelte Linien 9 angedeutet.
In der Figur 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ansicht von schräg hinten dargestellt. Dabei wird deutlich, dass der Standfuß 3 bei diesem Ausführungsbeispiel bis an den Fußboden eines Raums reicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Standfuß 3 mit dem Boden verschraubt und auf diese Weise die gesamte Vorrichtung zwischen dem Boden und der Decke des Raums verankert. Die Tragstruktur 13 ist gelenkig mit dem Standfuß 3 verbunden. Details dazu werden weiter unten
erläutert. Über zwei Streben 11 und vier rechtwinklige
Befestigungselemente 12 kann der Standfuß 3 mit einer nicht dargestellten Decke des umgebenden Raumes verbunden werden. Die Teilung des Standfußes 3 in die zwei Streben 11 ermöglicht das Eintauchen der Projektionseinrichtung 7 beim Verschwenken der Darstellungsfläche 1. Im Schaltschrank 4 sind die
Stromversorgung der Anlage, ihre gesamte Steuerung sowie
Datenschnittstellen untergebracht .
In der Figur 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nochmals in einer Perspektive von schräg hinten dargestellt. Aus dem Vergleich der Figur 4 mit den anderen Figuren wird deutlich, dass die Darstellungsfläche 1 gegenüber der Vertikalen um etwa 60° verschwenkt ist. Wegen der erfindungsgemäßen Kinematik hat sie sich auch nach unten bewegt. Die Projektionseinrichtung 7 ist zwischen die beiden Streben 11 eingetaucht. Sichtbar ist nun der Lenker 23, der an seinem unteren Ende gelenkig an den Standfuß 3 angebunden ist, während sein oberes Ende gelenkig über den Träger 17 mit der fachwerkartigen Struktur der
Tragstruktur 13 verbunden ist und diese abstützt.
Die gesamte erfindungsgemäße Kinematik ist in der Figur 5 in einer Perspektive von schräg vorne gezeigt. Zur besseren
Übersicht wurden in dieser Figur einige Bauteile ausgeblendet bzw. geschnitten oder mit Ausschnitten versehen.
Die Darstellungsfläche 1 ist mit der Tragstruktur 13
befestigt, die aus einer fachwerkartigen Struktur sowie dem fest mit ihr verbundenen Träger 17 besteht. Am Träger 17 ist etwa auf halber Länge das Gelenk 33 angebracht, das eine gelenkige Verbindung zum Lenker 23 herstellt. Der Lenker 23 ist am anderen Ende über das Gelenk 31 mit dem Standfuß 3 verbunden. Gelenk 25, Träger 17, Gelenk 33, Lenker 23 und Gelenk 31 bilden somit eine offene kinematische Kette.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt über einen
Linearantrieb, der als Gewindespindeltrieb ausgeführt ist und folgende Komponenten umfasst: einen Elektromotor 34, eine Spindel 37, die über eine biegeweiche Kupplung an den
Elektromotor 34 angeschlossen ist, zwei Lager zur Führung der Spindel 37, von denen in Figur 5 nur das dem Elektromotor 34 zugewandte Lager 38 (A-Lager) dargestellt ist, und einen
Schlitten 25. Der Elektromotor 34 ist über das Zwischenblech 30 fest mit dem Standfuß 3 verbunden. Der Schlitten 27 besitzt eine hier nicht dargestellte (Gewinde- ) Mutter, welche die Verbindung zur Spindel 37 herstellt. Zur Erfassung der
Position von Schlitten 27 ist im Elektromotor 24 ein
Drehwinkelgeber installiert, der die Berechnung der Anzahl der Spindelumdrehungen in die eine oder andere Drehrichtung ermöglicht. Hieraus kann die Vertikalposition des Schlittens 27 eindeutig berechnet werden. Über die beschriebene Kinematik lassen sich daraus die Lage und Orientierung der
Darstellungsfläche 1 eindeutig bestimmen. Diese Information ist wichtig, um die Perspektive der auf der Darstellungsfläche 1 gezeigten virtuellen Szene richtig zu berechnen.
Der Träger 17 ist an dem in Figur 5 oberen Ende über das
Gelenk 25 mit dem Schlitten 27 verbunden. Der Schlitten 27 wird weiterhin von zwei vertikal und zur Spindel 37 parallel eingebauten Führungsschienen 29 geführt. Die in Figur 5 rechte Führungsschiene 29 ist verkürzt dargestellt, um die Spindel 37 nicht zu verdecken. Die Führungsschienen 29 sorgen dafür, dass der Schlitten 27 und mit ihm der Träger 17 und die
Darstellungsfläche 1 nicht kippen und nicht wackeln bzw.
umfallen können.
In der dargestellten Position, bei der der Träger 17 einen Winkel von etwa 60° mit der Vertikalen einschließt, ist gut zu erkennen, dass die drei Gelenke 25, 31 und 33 beabstandet voneinander sind. In Folge dessen hat der Lenker 23 einen Abstand von dem Gelenk 25, der größer als null ist.
Wird die Spindel 37 vom Elektromotor in Drehung versetzt, so bewegt sich der Schlitten 27 je nach Drehrichtung der Spindel 37 entlang den Führungsschienen 29 in vertikaler Richtung auf oder ab. Dadurch ändert sich der vertikale Abstand zwischen dem mit dem Schlitten 27 vertikal mitbewegten Lager 25 und dem fest mit dem Standfuß 3 verbundenen Lager 31. Entsprechend der oben beschriebenen kinematischen Kette führen der Träger 17 und der Lenker 23 eine Schwenkbewegung um die Gelenke 25, 31 und 33 aus, wobei der Träger 17 zusätzlich eine vertikale Längsbewegung ausführt, die in Richtung und Betrag der
Bewegung des Schlittens 27 bzw. des Gelenks 25 entspricht.
Bewegt sich der Schlitten 27 nach unten, senkt sich auch der Träger 17 insgesamt ab. Der Träger 17 schwenkt während der Abwärtsbewegung nach oben, während der Lenker 23 entsprechend der Kopplung über das Gelenk 33 nach unten schwenkt. Der Winkel zwischen dem Träger 17 und dem Lenker 23 wird spitzer. Das Gelenk 33 führt sowohl eine Horizontalbewegung nach vorne, d. h. zum Betrachter hin aus als auch eine Vertikalbewegung nach unten, die aber betragsmäßig kleiner ist als die
Vertikalbewegung von Gelenk 25.
Die Darstellungsfläche 1 erfährt durch die Anbindung an den Träger 17 über die Tragstruktur 13 dieselbe kombinierte
Schwenk- und Abwärtsbewegung wie der Träger 17 selbst. Die untere Endposition ist erreicht, wenn die Darstellungsfläche 1 dicht über der Bodenfläche und parallel zu ihr liegt. Die in Figur 5 dargestellte Lage der Darstellungsfläche 1 wäre geeignet, um beispielsweise bodengebundene Geräte
darzustellen, die etwa bis zur Hüfte des Betrachters reichen können und auf die der Betrachter von schräg oben hinabblickt.
Bei umgekehrter Drehrichtung der Spindel 37 wird der Schlitten 27 vertikal nach oben verfahren. Der vertikale Abstand des Gelenks 25 vom Gelenk 31 nimmt zu, ebenso der Winkel zwischen dem Träger 17 und dem Lenker 23. Der Träger 17 bewegt sich insgesamt nach oben und führt gleichzeitig eine
Schwenkbewegung nach unten aus. Gleiches gilt für die
Darstellungsfläche 1, die sich somit immer mehr aufrichtet und bei Erreichen der Vertikalausrichtung als so genannte
Powerwall betrieben werden kann.
Die Drehachsen 21 der Gelenke 25, 31 und 33 sind in Figur 5 jeweils durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben. Alle drei Drehachsen 21 sind horizontal ausgerichtet. Dementsprechend macht die Darstellungsfläche 1 eine Schwenkbewegung um diese Drehachsen, wenn die erfindungsgemäße Kinematik entsprechend betätigt wird.
In Figur 6 wird in einer Ansicht von schräg hinten ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gezeigt, das zum vorherigen Ausführungsbeispiel eine geänderte Kinematik aufweist. Auch hier ist wieder ein Standfuß 3 vorhanden, der fest mit dem Fußboden verbunden ist, sowie eine Tragstruktur 13, die eine Darstellungsfläche 1 hält. Der Standfuß 3 ist in der Figur 6 geschnitten
dargestellt, um den Blick auf den zum vorherigen
Ausführungsbeispiel identischen Linearantrieb freizugeben, der als Gewindespindelantrieb ausgeführt ist. Selbstverständlich können alle anderen Formen von Linearantrieben auch bei dieser Ausführungsform eingesetzt werden. Bei diesem
Ausführungsbeispiel entfallen aber der Lenker 23 sowie die Gelenke 31 und 33. Stattdessen stützt sich die Tragstruktur 13 auf Rollen 41 ab, die auf dem Fußboden oder einer anderen horizontal verlaufenden Fläche abrollen. Die Rollen 41 können beispielsweise über je zwei Winkel 42 an der Tragstruktur 13 befestigt werden.
Wenn man nun den Linearantrieb 35 so ansteuert, dass der
Schlitten 27 zwischen Tragstruktur 13 und Standfuß 3 in vertikaler Richtung nach unten bewegt wird, dann führt dies dazu, dass die Darstellungsfläche 1 schräggestellt wird. Gleichzeitig bewegen sich die Rollen 41 über den Boden in Richtung des Betrachters.
Eine gegenüber der Bodenfläche um etwa 30° geneigte
Darstellungsfläche 1 zeigt Figur 7 in einer Ansicht von schräg vorne. Die Rollen 41 sorgen dafür, dass die Unterkante der Darstellungsfläche 1 stets dicht über dem Boden geführt wird. Es ist auch möglich, die Darstellungsfläche 1 vollständig waagerecht auszurichten.
Die Figuren 8 und 9 zeigen die Ausführungsform mit Rollen von der Seite sowie die jeweilige Position des Betrachters. In Figur 8 ist die Darstellungsfläche 1 vertikal ausgerichtet. Die Blickrichtung 10 des Betrachters ist horizontal. Somit blickt der Betrachter senkrecht auf die Darstellungsfläche 1.
In Figur 9 ist die Darstellungsfläche 1 wiederum auf eine Neigung von etwa 30° gegenüber dem Boden geschwenkt. Der Betrachter muss so weit zurücktreten, dass er nicht mit der Darstellungsfläche 1 kollidiert. Seine Blickrichtung 10 geht schräg nach unten senkrecht auf die Oberfläche der
Darstellungsfläche 1. Der Strahlengang 9 der
Projektionseinrichtung in den Figuren 8 und 9 zeigt, dass es unabhängig von der Neigung der Darstellungsfläche 1 zu keiner Verschattung des projizierten Bildes durch den Betrachter kommt . Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, das in den Figuren 10 bis 12 gezeigt ist, wird als Darstellungsfläche ein Monitor eingesetzt, der auf einem Tisch stehen kann (also nicht bodentief, d. h. kein Abschluss des Displays mit dem Boden) und der in der Fläche klein ist gegenüber Leinwänden. Hier steht die Aufgabe im Vordergrund, mit einer einfachen technischen Lösung eine reine
Schwenkbewegung um eine Querachse auszuführen, um das Display so zu positionieren, dass die Objekte der virtuellen Szene aus der Displayfläche herauszuragen scheinen und „greifbar" werden .
Die Figur 10 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung von schräg vorne mit einer Darstellungsfläche 1, die gegenüber der
Vertikalen um etwa 50° geschwenkt ist, um stereoskopische Bildinhalte so anzuzeigen, dass die virtuellen Objekte aus Sicht des Betrachters aus der Darstellungsfläche 1
herauszuragen scheinen. Die Darstellungsfläche 1 ist fest mit der Tragstruktur 13 verbunden, die wiederum über die Gelenke 25 an den auf dem Tisch ruhenden Standfuß 3 angebunden ist, sodass eine Drehung um die horizontale Drehachse 21
stattfinden kann. Die Verschwenkung der Tragstruktur 13 erfolgt über den Elektromotor 34, der über ein integriertes Untersetzungsgetriebe 45 an die hier nicht sichtbare Achse von Gelenk 25 gekoppelt ist. Die Platzierung der Drehachse 21 nahe der Unterkante der Darstellungsfläche 1 ist günstig, da die Unterkante bei Schwenkung der Darstellungsfläche 1 so in etwa die gleiche Position beibehält und der Betrachter mit einer Nickbewegung seines Kopfes der Darstellungsfläche 1 folgen kann. Seine Blickrichtung 10 ist dabei nahezu rechtwinklig zur Darstellungsfläche 1, unabhängig von deren Neigung. Der
Betrachter sieht bei diesem steilen Betrachtungswinkel das angezeigte Bild mit maximaler Lichtintensität und
Farbbrillanz .
Die Figur 11 zeigt dieselbe Anordnung von schräg hinten in einer steileren Stellung der Darstellungsfläche 1 mit etwa 5° zur Vertikalen. Die Darstellungsfläche 1 könnte auch ganz senkrecht stehen. Die Tragstruktur 13 weist eine Aussparung auf, in der die Schnittstellen 47 und der Neigungssensor 49 untergebracht sind, die fest mit der Tragstruktur 13 verbunden sind. Statt eines Neigungssensors kann auch ein
Drehwinkelgeber am Elektromotor 34 oder eine vergleichbare Messeinrichtung verwendet werden. Die Schnittstellen 47 umfassen sowohl Schnittstellen für das Videosignal wie
beispielsweise nach dem HDMI-Standard als auch für das direkte Abspielen von Daten von extern angeschlossenen Datenträgern, beispielsweise über USB. Weiterhin sind Schnittstellen für die Ansteuerung der motorischen Neigungsverstellung der
Darstellungsfläche 1 und für die Ausgabe der Position der Darstellungsfläche 1 vorgesehen, die beispielsweise als LAN- oder WLAN-Schnittstellen ausgeführt sein können. Auch könnten die Steuerdaten zur motorischen Neigungsverstellung und die Positionsausgabe der Darstellungsfläche 1 über eine HDMI- Verbindung mitübertragen werden. Die Position der
Darstellungsfläche 1 ist gegenüber dem ortsfesten Standfuß 3 eindeutig durch eine Winkelstellung definiert, die vom
Neigungssensor 49 erfasst wird. Zusätzlich oder alternativ zur Ausgabe über eine Schnittstelle 47 kann die Position der
Darstellungsfläche 1 auch in das Bild auf der
Darstellungsfläche 1 selbst eingeblendet oder durch sonstige optische oder akustische Mittel angezeigt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist in Figur 12 in einer Ansicht schräg von vorne gezeigt. Diese Ausführungsform ist eine vereinfachte Version des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels, bei der statt einer motorischen Neigungsverstellung eine manuelle
Neigungsverstellung vorgesehen ist. Hierzu ist an die mit der Darstellungsfläche 1 verbundene Tragstruktur 13 seitlich ein Griff 48 angebracht, der ein Verschwenken der Tragstruktur 13 um die Achse 21 ermöglicht. Die Tragstruktur ist hierzu über die Gelenke 25 mit dem Standfuß 3 verbunden. Die Position der Darstellungsfläche 1, die über ihre Neigung eindeutig bestimmt ist, wird vom hier nicht dargestellten Neigungssensor auf der Rückseite der Tragstruktur 13 erfasst und auf der
Darstellungsfläche 1 und/oder über eine hier nicht
dargestellte Datenschnittstelle ausgegeben. Statt des
Neigungssensors kann auch ein Drehwinkelgeber auf der
Drehachse 21 oder eine vergleichbare Messeinrichtung verwendet werden. Als einfache Lösung kommen auch definierte
Raststellungen in einem der Gelenke 25 in Betracht, die als elektrische Kontakte ausgeführt sein können und so eine digitale Auslesung der Winkelstellung ermöglichen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist in Figur 13 in einer Ansicht schräg von vorne gezeigt. Diese Ausführungsform beinhaltet alle Merkmale des dritten Ausführungsbeispiels und besitzt zusätzlich einen höhenverstellbaren Standfuß 3. Hierzu verfügt der Standfuß 3 über einen fest mit dem Boden verbundenen oder auf dem Boden stehenden unteren Teil und einen oberen Teil, der gegenüber dem unteren Teil vertikal verschiebbar ist. Die beiden Teile des Standfußes sind über einen im Innern des Standfußes befindlichen Linearantrieb verbunden. Als Linearantrieb kann beispielsweise ein Gewindespindelantrieb mit integrierter Drehwinkelerfassung zum Einsatz kommen, der somit eine
definierte Höheneinstellung der Darstellungsfläche 1
ermöglicht. Die Position der Darstellungsfläche 1 in Neigung und Höhe ist damit eindeutig bestimmt. Die Positionsdaten können über eine Datenschnittstelle wie in der vorigen
Ausführungsform aus- bzw. eingegeben werden.
Die Figuren 14 bis 17 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine serielle Kinematik in Form eines Gelenkarmroboters zur Bewegung der Tragstruktur 13 und der mit ihr verbundenen Darstellungsfläche 1 eingesetzt wird.
In Figur 14 ist diese Ausführungsform von schräg hinten dargestellt. Der in Bildmitte sichtbare Gelenkarmroboter verfügt über einen Standfuß 3, der fest mit dem Boden oder einer Bodenplatte 51 verbunden ist. Für seitliche Schwenks der Tragstruktur 13 könnte der Standfuß 3 auch um seine Hochachse 21 drehbar mit dem Boden oder der Bodenplatte 51 verbunden sein. An den Standfuß 3 schließt sich gelenkig der untere Roboterarm 53 an, der wiederum gelenkig mit dem oberen
Roboterarm 55 verbunden ist. Die Tragstruktur 13 ist ebenfalls gelenkig bevorzugt mittig an den oberen Roboterarm 55
abgeschlossen. Ein optionales Tracking-System, bestehend aus zwei Kameras 16 links und rechts der Darstellungsfläche 1, erfasst die Blickrichtung und die Bewegungen des Betrachters.
Die Figur 15 zeigt diese Ausführungsform von schräg vorne. Die Darstellungsfläche 1 befindet sich in vertikaler Position zur Verwendung als Powerwall. Zur Verbesserung der Immersion ist die Darstellungsfläche 1 gekrümmt ausgeführt, in diesem
Beispiel sphärisch gekrümmt.
Zur Darstellung virtueller Objekte in Bodennähe kann die
Darstellungsfläche 1 nach unten und gleichzeitig auf einen flachen Winkel gegenüber dem Boden gefahren werden. Wie in Figur 16 dargestellt, wird hierzu die Tragstruktur 13 um das Gelenk 33 geschwenkt. Der obere Roboterarm 55 fährt nach unten und dreht sich dabei um das Gelenk 59. Der untere Roboterarm 53 fährt ebenfalls nach unten und dreht sich um das Gelenk 57. Alle drei Drehbewegungen erfolgen um horizontale Drehachsen.
Die Tragstruktur 13 kann zusätzlich zu ihrer gelenkigen
Lagerung gegenüber dem Roboterarm 55 auch um die Flächennormale 21 drehbar gelagert sein. Bei geeigneter
Beabstandung zum Boden kann dann die Tragstruktur 13 von
Querformat auf Hochformat und auf jede beliebige
Zwischenstellung geschwenkt werden, was in der Figur 16 mit einem Pfeil angedeutet ist. Dies hat den Vorteil, auch
vergleichsweise hohe Objekte auf der Darstellungsfläche 1 vollständig sichtbar zu machen.
Die Figur 17 zeigt, wie die Darstellungsfläche 1 in eine Über¬ Kopf-Position geschwenkt werden kann, wenn sich die
Roboterarme 53 und 55 entsprechend nach oben strecken. Der Antrieb der Roboterarme kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Üblicherweise werden in die Roboterarme integrierte elektrische Antriebe eingesetzt, die aus dem
Elektromotor, einem Getriebe und einer Regelung bestehen. Die Regelung bezieht ihre Eingangsdaten von einer ebenfalls in die Roboterarme integrierten internen Sensorik, die Informationen über die Stellung der kinematischen Kette liefert und so einen Abgleich zwischen Soll- und Ist-Position der Roboterarme ermöglicht. Als interne Sensoren kommen beispielsweise
inkrementale Drehgeber, Interferenzmuster oder Lichtschranken in Betracht.
In Figur 18 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der die Darstellungsfläche 1 über zwei Kulissen geführt wird und so vertikal und horizontal verschwenkt werden kann. Die vertikale Kulisse 61 ist dabei fest mit dem Boden verbunden, während die horizontale Kulisse 63 fest mit der Tragstruktur 13 verbunden ist, an der auch die Darstellungsfläche 1 befestigt ist. Ein Verbindungsstück 65 verbindet die beiden Kulissen derart, dass sich das Verbindungsstück 65 sowohl entlang der zylindrischen Auflagefläche der vertikalen Kulisse 61 sowie entlang der zylindrischen Auflagefläche der horizontalen Kulisse 63 bewegen kann. Die Antriebe in die jeweilige Richtung können in das Verbindungsstück 65 integriert sein. In Betracht kommen beispielsweise Elektromotoren, die über eine Energiekette versorgt werden und deren Bewegung von ebenfalls integrierten Drehwinkelgebern erfasst wird. Durch Messung der Winkel in vertikaler und horizontaler Richtung ist die Lage der
Darstellungsfläche 1 stets genau bekannt und kann über eine Datenschnittstelle ausgegeben werden.
Die Figuren 19 und 20 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Hexapod die Bewegung der Tragstruktur 13 und somit auch der
Darstellungsfläche 1 bewerkstelligt. Hexapoden verfügen über eine Parallelkinematik mit sechs Beinen 64, die jeweils einzeln durch einen Linearantrieb (Aktuator) in ihrer Länge verändert werden können. Der Linearantrieb kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Diese sechs Beine 64 sind an ihren Enden über je ein Kugelgelenk 66 mit zwei Rahmen 67 verbunden. Einer dieser Rahmen 67 schließt sich fest an die Säule 3 an, die auf einer Bodenplatte 51 oder direkt am Boden fixiert ist. Der andere Rahmen 67 ist fest mit der
Tragstruktur 13 verbunden. Durch im Allgemeinen unterschiedliche Längenveränderung jedes einzelnen Beins 64 kann die Tragstruktur 13 in allen sechs Freiheitsgraden bewegt werden. Zur Schwenkung der Darstellungsfläche auf eine
jeweilige Optimalposition für die virtuelle Szene werden vor allem die beiden durch Pfeile angedeuteten rotatorischen
Bewegungen um die Drehachsen 21 (Querachse) und 22 (Hochachse der Tragstruktur 13) benötigt.
Die Figur 20 zeigt die Vorrichtung in einer Seitenansicht. Sichtbar sind hier nur drei der sechs Beine 64 des Hexapods . Eine fest eingestellte Neigung des oberen Teils des Standfußes 3 und des an ihm befestigten Rahmens 67, hier um ca. 30° zur Vertikalen, ist vorteilhaft, um die Darstellungsfläche 1 sowohl vertikal auszurichten als auch in eine abwärts
geschwenkte Position mit z. B. 45° Neigung zur Vertikalen zu bewegen .
In den Figuren 21 und 22 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das als
Verschwenkmechanismus eine sogenannte Z-Kinematik aufweist, wie sie von Frontladern aus dem Bereich der Baumaschinen bekannt ist. In der Figur 21 ist hierbei ein Ausleger 71 an einem Ende gelenkig mit dem Standfuß 3 verbunden, der wiederum an der Bodenplatte 51 oder direkt am Boden fixiert ist. Der Ausleger 71 ist am anderen Ende gelenkig mit dem Rahmen 67 verbunden, an den wiederum fest die Tragstruktur 13 und die Darstellungsfläche 1 anschließen. Der Ausleger 71 wird von einem Hubzylinder 73 auf und ab bewegt, sodass die Darstellungsfläche 1 verschiedene Höhenpositionen einnehmen kann. Gleichzeitig kann eine Drehung der Darstellungsfläche 1 um die Querachse erfolgen, indem ein Umlenkhebel 77 über eine Zugstange 79 den Rahmen 67 um diese Querachse kippt. Der
Umlenkhebel 77 wird von einem Kippzylinder 75 betätigt, der an einem Ende gelenkig und etwa mittig mit dem Umlenkhebel 77 verbunden ist und sich am anderen Ende gelenkig am Standfuß 3 abstützt. Der Umlenkhebel 77 ist an seinem unteren Ende gelenkig mit dem Ausleger 71 verbunden, an seinem oberen Ende gelenkig mit der Zugstange 79. Die Zugstange ist wiederum gelenkig an den Rahmen 67 angeschlossen. In der Figur 21 ist die beschriebene Kinematik doppelt ausgeführt, um mehr
Stabilität zu gewährleisten.
Die Figur 22 zeigt dieselbe Anordnung nach dem Schwenk in eine Über-Kopf-Position der Darstellungsfläche 1. Von Frontladern und anderen Baumaschinen sind verschiedene weitere Kinematiken als die zuvor beschriebene Z-Kinematik bekannt, die ebenso bei der Erfindung Verwendung finden können.
In Figur 23 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das dem ersten Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 bis 5 ähnelt. Statt einer Darstellungsfläche 1 mit Projektionseinrichtung 7 werden hier aber zwei selbstleuchtende Darstellungsflächen 1 eingesetzt, die in vertikaler Richtung aneinander anschließen und so eine durchgängige Darstellungsfläche 1 mit einem Knick bilden.
Während die untere Darstellungsfläche 1 wie in den Figuren 1 bis 5 beschrieben in Richtung des Betrachters kippen kann, dient die obere Darstellungsfläche 1 als vertikale Erweiterung der unteren Darstellungsfläche 1 und ist im Wesentlichen nur vertikal verschiebbar. Die Anordnung hat den Vorteil einer sehr großen Flexibilität bei geringem Raumbedarf. Die
Darstellungsflächen 1 können als Powerwall für sehr hohe
Objekte konfiguriert werden. Dann bilden die beiden
Darstellungsflächen 1 eine vertikale Ebene. Ebenso ist aber auch in eine L-Form möglich, bei der die untere
Darstellungsfläche 1 horizontal zum Boden und die obere
Darstellungsfläche 1 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Dies sorgt für eine bessere Immersion des Betrachters bei weniger hohen Objekten. Zwischenstellungen zwischen Powerwall und L-Form sind nützlich bei virtuellen Szenen, die einerseits bodengebunden sind, andererseits zu gewisser Größe aufragen.
An das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind drei Forderung zu stellen: Erstens soll der Betrachter stets ein perspektivisch richtiges Bild der
virtuellen Szene angezeigt bekommen unabhängig von der Lage der Darstellungsfläche. Zweitens soll der Betrachter die dargestellten virtuellen Objekte stets optimal im Blickfeld haben und damit eine gute Immersion in die virtuelle Szene erhalten. Drittens soll der Betrachter den Blick auf die virtuelle Szene dynamisch ändern können, also mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung in Interaktion treten. Zur Erfüllung dieser Forderungen muss in der
Visualisierungssoftware, die die virtuelle Szene berechnet, die Position der perspektivischen Kamera zur Lage der
Darstellungsfläche sowie zur Kopfposition und zur
Blickrichtung des Betrachters passen. Um die Synchronität dieser Positionsdaten zu gewährleisten, muss ein
Datenaustausch zwischen der erfindungsgemäßen Virtual-Reality- Vorrichtung und der Visualisierungssoftware stattfinden.
Die Figur 24 zeigt die Kopplung der erfindungsgemäßen Virtual- Reality-Vorrichtung mit der Visualisierungssoftware. Die
Steuereinheit der Virtual-Reality-Vorrichtung übernimmt dabei die Positionierung der Darstellungsfläche durch Ansteuerung der vorhandenen Antriebe. Sie erfasst auch im Stillstand über die installierten Sensoren (Neigungssensoren, Drehwinkelgeber etc.) ständig die aktuelle Lage der Darstellungsfläche. Über das Tracking-System wird unabhängig davon die Kopfposition und die Blickrichtung des Betrachters erfasst. Die Positionsdaten von Darstellungsfläche und Betrachter stehen damit zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung und werden laufend an einen Rechner übertragen, auf dem die Visualisierungssoftware installiert ist. Ein dort vorhandenes Hilfsprogramm, eine so genannte Middleware, nimmt die Positionsdaten entgegen und rechnet sie unter Zugrundelegung der kinematischen Zusammenhänge in eine Kameraeinstellung um, die an die Visualisierungssoftware weitergegeben wird. Unter dem Begriff "Kameraeinstellung" ist dabei folgendes zu verstehen: Es wird unterstellt, dass die Position einer virtuellen Kamera der Position des Kopfs eines Betrachters der
Darstellungsfläche entspricht. Ebenso entspricht die
Ausrichtung des virtuellen Objektivs der Kamera der
Blickrichtung des genannten Betrachters. Über die Brennweite des virtuellen Objektivs der Kamera wird der auf der
Darstellungsfläche darzustellende Bildausschnitt eingestellt. Durch Ändern der Brennweite kann ein herein- oder herauszoomen in bzw. aus der dargestellten virtuellen Realität heraus erfolgen .
Die Visualisierungssoftware nimmt mit dieser Kameraposition die üblicherweise stereoskopische Bildberechnung der
virtuellen Szene vor. Statt einer separaten Middleware kann es sich auch um ein Modul der Visualisierungssoftware handeln. Die Datenübertragung von der Vorrichtung zum Rechner erfolgt auf üblichem Weg per LAN oder WLAN oder auch als Zusatzsignal über eine HDMI-Verbindung . Die von der Visualisierungssoftware berechneten Bilder werden über eine übliche Verbindung (HDMI, DisplayPort o. ä.) an das Projektionssystem der Virtual- Reality-Vorrichtung übertragen und dort auf der
Darstellungsfläche abgebildet. Der Betrachter sieht dann eine perspektivisch richtige virtuelle Szene, die mit der aktuellen Lage der Darstellungsfläche abgeglichen ist.
In einem sehr einfachen Systemaufbau wäre es auch möglich, dass der Betrachter die erfindungsgemäße Virtual-Reality- Vorrichtung von Hand beispielsweise über eine Kurbel und
Seilzüge bedient, die aktuelle Lage der Darstellungsfläche über passend angebrachte Zeiger und Skalen abliest und diese Daten in die Middleware eingibt. Auch könnten über eine
Rastung bestimmte Lagen der Darstellungsfläche vordefiniert sein, etwa der Schwenkwinkel in 5 ° -Schritten, der in die
Middleware eingegeben wird. Das Resultat einer perspektivisch richtigen virtuellen Szene bliebe dasselbe.
Diese einfache Vorrichtung wäre nicht mit einem Tracking- System ausgerüstet. Wie aus den Figuren 8 bis 10 ersichtlich, können für die Kopfposition des Betrachters und seine
Blickrichtung plausible Annahmen getroffen werden, die von der jeweils bekannten Lage der Darstellungsfläche 1 abhängen. So kann man von einer mittleren Körpergröße des Betrachters, einer bestimmten Position in Bezug auf die Darstellungsfläche 1 und einer Blickrichtung orthogonal zur Darstellungsfläche 1 ausgehen. Diese angenommenen Positionsdaten des Betrachters können anstelle tatsächlich eingemessener Daten an den Rechner übertragen werden und führen zu einer perspektivisch nahezu richtig berechneten virtuellen Szene. Ein Tracking-System wird erst dann unerlässlich, wenn der Betrachter beliebige
Positionen und Blickwinkel gegenüber der Darstellungsfläche 1 einnehmen möchte, also beispielsweise in die Hocke geht, um Objekte aus einer tieferen Position zu betrachten.
Wie aus der Figur 25 ersichtlich, sieht das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass der Betrachter auf verschiedene Weise Einfluss auf den
Bildausschnitt und den stereoskopischen Eindruck der dargestellten virtuellen Szene nehmen kann, indem er die Lage der Darstellungsfläche aktiv ändert.
Dies kann bei einem sehr einfachen System ohne Steuereinheit und Antriebe manuell erfolgen wie zwei Abschnitte weiter oben beschrieben. Bei Systemen mit einer Steuereinheit können
Fahrbefehle entweder direkt über Tasten oder einen Joystick an der Virtual-Reality-Vorrichtung eingegeben werden oder
bedienungsfreundlicher über eine Fernbedienung, die auch als Smartphone mit angepasster grafischer Benutzeroberfläche ausgeführt sein kann. Setzt sich die Darstellungsfläche in Bewegung, werden die aktualisierten Positionsdaten wie bereits beschrieben an die Visualisierungssoftware weitergegeben, um die Perspektive der virtuellen Szene anzupassen.
Zur Lageänderung der Darstellungsfläche soll auch das
Tracking-System genutzt werden können. Die Figur 26 zeigt zwei Eingabemöglichkeiten: Einerseits kann die Verfolgung der
Kopfbewegung des Betrachters (Head Tracking) zur Lageänderung der Darstellungsfläche genutzt werden, etwa indem der
Betrachter seinen Kopf langsam von oben nach unten schwenkt und dazu eine bestimmte Taste eines ebenfalls vom Tracking- System erfassten Eingabegeräts drückt. Die Lageänderung der Darstellungsfläche kann auch ganz über die Bewegung dieses Eingabegeräts erfolgen. Zur Unterscheidung von anderen
Vorgängen kann beispielsweise wieder eine bestimmte Taste gedrückt werden. Wird in die Virtual-Reality-Vorrichtung ein fortschrittliches Tracking-Systems eingebaut, das eine Bewegungserfassung
(Motion Capture) des Betrachters erlaubt, ist eine
Lageänderung der Darstellungsfläche durch Gesten möglich.
Wie in der Figur 27 dargestellt, kann eine Lageänderung der Darstellungsfläche auch hervorgerufen werden, indem
Steuerbefehle beispielsweise per Maus, Spielekonsole oder ein Smartphone an die Middleware bzw. an das entsprechende Modul der Visualisierungssoftware abgegeben werden. Auch kann auf dem Rechner ein Skript ablaufen, das eine Serie von
Steuerbefehlen auslöst. Die Visualisierungssoftware berechnet entsprechend der veränderten Kameraeinstellung dann eine aktualisierte virtuelle Szene und überträgt die Bilddaten an die Projektionseinrichtung der erfindungsgemäßen Virtual- Reality-Vorrichtung. Gleichzeitig werden von der Middleware bzw. dem Modul die eingegangenen Steuerbefehle in Fahrbefehle umgerechnet und an die Steuereinheit der Virtual-Reality- Vorrichtung übertragen, etwa über LAN oder WLAN. Die
Steuereinheit regelt dann die richtige Lage der
Darstellungsfläche ein. Die aktualisierte Lage und die
Positionsdaten des Betrachters werden wie gewohnt von der Virtual-Reality-Vorrichtung an den Rechner übertragen. Je nachdem, wie schnell die Fahrbefehle aufeinander folgen und wie groß die Bewegung zwischen den einzelnen Positionen ist, kann eine hoch dynamische Bewegung der Darstellungsfläche während einer Präsentation erreicht werden. Die erfindungsgemäße Virtual-Reality-Vorrichtung kann, wie in der Figur 28 dargestellt, auch ohne einen Rechner verwendet werden und stereoskopische Bildinhalte, etwa real gefilmte oder fotografierte Szenen, direkt von einem Datenträger, einem USB-Speichermedium oder einer Festplatte, oder aus einem Live- Stream abspielen. Die Besonderheit besteht darin, dass der Betrachter infolge der Nachführung der Darstellungsfläche denselben Blick auf das Bildmaterial erhält wie bei der
Aufnahme. Der Betrachter blickt beispielsweise ein Hochhaus hinauf oder eine Klippe hinunter.
Um die Darstellungsfläche stets in die passende Position zu führen, enthalten die Bilddaten entweder eingebettete
Steuerbefehle bzw. Positionsdaten, die über ein Auslesemodul extrahiert werden, oder eine separate Steuerdatei bzw. einen Steuerdaten-Stream, der nur die Steuerbefehle für die
Lageänderung der Darstellungsfläche bzw. deren Positionsdaten enthält .
Die Steuerbefehle werden an die Steuereinheit zur Lageänderung der Darstellungsfläche ausgegeben, während das laufende
Videosignal an die Projektionseinrichtung weitergegeben wird.
Die Einbettung von Steuerbefehlen oder Positionsdaten kann bei einzelnen Bildern im Datei-Header erfolgen, beispielsweise im EXIF-Informationsblock . In einem (Video- ) Datenstrom können Steuerbefehle oder Positionsdaten z. B. in Form einer
Farbinformation in einem oder mehreren Pixeln abgelegt werden. Die Figur 29 zeigt schematisch die Verarbeitung von Steuerbefehlen und Bilddaten aus einem live zugespielten Datenstrom.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual Reality Displays, umfassend,
- eine Darstellungsfläche (1) zum Erzeugen von Bildern, eine Tragstruktur (13, 17) und einen Standfuß (3), wobei die Darstellungsfläche (1) mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist, und wobei die Tragstruktur (13, 17) durch mindestens ein Gelenk (25) derart mit dem Standfuß (3) verbunden ist, dass die Darstellungsfläche (1) um eine (erste) Schwenkachse (21) schwenkbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die (erste) Schwenkachse (21) in horizontaler Richtung verläuft .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gelenk (25) in vertikaler
Richtung entlang dem Standfuß (3) verschiebbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Tragstruktur (13, 17) eine oder mehrere Rollen (37) angeordnet sind, und dass die Rollen (37) auf einer horizontalen oder geneigten Fläche abrollen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) ein Lenker (23) angeordnet ist, dass der Lenker (23) mit der Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) gelenkig verbunden ist, und dass der Lenker (23) beabstandet von dem Gelenk (25) mit der
Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Linearantrieb
(35) zum Verschwenken der Darstellungsfläche (1)
vorhanden ist, dass ein erstes Ende des Linearantriebs
(35) mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist, und dass ein zweites Ende des Linearantriebs (35) mit dem Standfuß (3) oder einem anderen festen Punkt verbunden ist .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) ein Gelenkarmroboter mit mindestens zwei Roboterarmen (55, 57) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) ein Hexapod mit mehreren Hexapod- Beinen (64) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (13, 17) und dem Standfuß (3) ein Verschwenkmechanismus mit einer Z-Kinematik angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (13, 17) drehbar und antreibbar um eine Achse ist, die orthogonal zu der Darstellungsfläche (1) verläuft.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Standfuß (3) drehbar mit dem Boden oder einer Bodenplatte (51) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (35) manuell, elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder
hydraulisch betätigt wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Erfassung des Winkels der Darstellungsfläche (1) und/oder Mittel zur Positionserfassung der Darstellungsfläche (1) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsfläche (1) als Projektionsfläche ausgebildet ist und eine
Projektionseinrichtung (7) fest mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Darstellungsfläche (1) ein
Bildschirm ist oder mehrere Bildschirme sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in
horizontaler Richtung verfahrbar und/oder verschwenkbar ist .
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in vertikaler Richtung unmittelbar an die Darstellungsfläche (1) anschließend eine weitere vertikal ausgerichtete Darstellungsfläche anschließt .
18. Verfahren zur realitätsnahen Darstellung von
computergenerierten Bildern auf einer Darstellungsfläche (1), wobei die Darstellungsfläche (1) um mindestens eine Drehachse (21) schwenkbar ist, wobei Mittel zur Erfassung des Winkels (42) und/oder der Position der
Darstellungsfläche (1) vorhanden sind, und wobei Mittel zur Ausgabe des Winkels (42) und/oder der Position der Darstellungsfläche (1) an ein Steuergerät sowie zur
Eingabe von Steuerdaten von diesem Steuergerät vorhanden sind, umfassend die Verfahrensschritte:
Vorgabe einer virtuellen Kamera (Position, Ausrichtung der Kamera und Brennweite des virtuellen Kameraobjektivs) als angenommene der Position des Kopfes und/oder der Blickrichtung (10) eines Betrachters,
Erfassen von Winkel (42) und/oder Position der
Darstellungsfläche (1) in Bezug auf die virtuelle Kamera als Ist-Größen an das Steuergerät und
Berechnen der auf der Darstellungsfläche (1)
darzustellenden Bildpunkte in Abhängigkeit dieser Ist- Größen oder Berechnen der Abweichung der Ist-Größen von den von dem Steuergerät vorgegebenen Soll-Größen an und Berechnung und Ausgabe von Steuersignalen an die Darstellungsfläche (1), so dass die Ist-Größen von Winkel (42) und/oder Position der Darstellungsfläche (1) mit den Soll-Größen übereinstimmen .
Verfahren zur realitätsnahen Darstellung von
computergenerierten Bildern auf einer Darstellungsfläche (1), wobei die Darstellungsfläche (1) um mindestens eine Drehachse (21) schwenkbar ist, wobei Mittel zur Erfassung des Winkels (42) und/oder der Position der
Darstellungsfläche (1) vorhanden sind, und wobei Mittel zur Erfassung einer Position des Kopfes und/oder einer Blickrichtung (10) eines Betrachters der
Darstellungsfläche (1) vorhanden sind, umfassend die Verfahrensschritte :
Erfassen der Position des Kopfes und/oder der
Blickrichtung (10) eines Betrachters,
Erfassen von Winkel (42) und/oder Position der
Darstellungsfläche (1),
Ermitteln der Einstellung einer virtuellen Kamera
(Position, Ausrichtung der Kamera und Brennweite des virtuellen Kamera-Objektivs) in Abhängigkeit der Position des Kopfes und/oder der Blickrichtung (10) eines
Betrachters sowie des Winkels (42) und/oder der Position der Darstellungsfläche (1) und Berechnen der auf der Darstellungsfläche (1)
darzustellenden Bildpunkte in Abhängigkeit der
Einstellung der virtuellen Kamera.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die berechneten Bildpunkte auf der Darstellungsfläche (1) dargestellt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch
gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die
Position der Darstellungsfläche (1) von dem Betrachter oder einer anderen Person oder von einem Steuergerät steuerbar sind.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die Position der
Darstellungsfläche (1) manuell gesteuert werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die Position der
Darstellungsfläche (1) über ein Eingabegerät,
insbesondere einen Steuerknüppel, eine Maus, eine
Spielekonsole oder eine Spacemouse, gesteuert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die Position der
Darstellungsfläche (1) in Abhängigkeit der Blickrichtung (10) des Betrachters gesteuert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die Position der
Darstellungsfläche (1) so gesteuert wird, dass die
Darstellungsfläche (1) orthogonal zur Blickrichtung (10) des Betrachters ausgerichtet ist.
26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (42) und/oder die Position der
Darstellungsfläche (1) über Gesten des Betrachters gesteuert werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Bildsequenz (Video-Film) auf der Darstellungsfläche (1) dargestellt wird, dass die Bildsequenz zu allen oder ausgewählten Bildern der
Bildsequenz Informationen zu dem Winkel (42) und/oder der Position der Darstellungsfläche (1) enthält, und dass der Winkel (42) und/oder die Position der Darstellungsfläche (1) dementsprechend gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildsequenz (Video-Film) mit einer Kamera
aufgezeichnet wird, dass simultan die Position und/oder die Ausrichtung der Kamera erfasst werden, und dass Information über die Position und/oder die Ausrichtung der Kamera mit den Bildern der Bildsequenz verknüpft werden .
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