DE19500699A1

DE19500699A1 - Personen-adaptiver stereoskoper Video-Schirm (PASS)

Info

Publication number: DE19500699A1
Application number: DE19500699A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Prof Dr Ing Hentschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1996-07-18

Description

Ein autostereoskoper Bildschirm hat gegenüber anderen Methoden, wie Shutterprinzip oder Polarisationsprinzip den Vorteil, daß der Benutzer keine Brille benötigt. Wird ein Prismenra sterglas vor dem Bild nicht an die Betrachterposition mechanisch adaptiert, so gehen die durch Bewegung der Blickrichtung erzeugten Stereoeffekte verloren. Deshalb wird in diesem Beitrag alternativ zur mikromechanischen Lösung eine elektronische vorgestellt, die auch im Hinblick auf ein zukünftiges hochauflösendes Fernsehen konzipiert ist: vom Sender oder vom Betrachter gesteuert,. kann ein personenadaptiver stereoskoper oder ein hochauflösen der (HDTV) Modus für alle Blickrichtungen eingestellt werden.

Die autostereoskope Nutzung bleibt dennoch auf eine Person je Bildschirm beschränkt, was aber einen kollektiven stereoskopen Einsatz nicht behindert, z. B. unter zusätzlicher Ver wendung des Shutter-Prinzips mit Brillen. Die wichtigste kurzfristige Applikationen ist in der Medizintechnik zu sehen. Hier ist der Bezug auf eine Person auch kein Nachteil; ohnehin beurteilt nur eine Person ein 3D-CT-Bild: der Arzt, der störende Brillen und eingeschränkte Blickfelder vermeiden muß. Sind mehrere Ärzte gleichzeitig tätig, so können mehrere Bildschirme benutzt werden. Will gleichzeitig ein Auditorium eine mikrochir urgische Operation stereoskop mitverfolgen, so kann dies über ein Projektionsverfahren mit z. B. zirkular polarisiertem Licht erfolgen.

In einem zukünftigen digitalen Fernsehsystem wird auch das stereoskope Fernsehen seinen Platz haben, da es einfach den natürlichen Sehgewohnheiten am nächsten kommt und optional nutzbar sein kann, wenn die digitale Codierung bei der Übertragung die Zusatz information für die dritte Dimension mitliefert. Aber auch heute könnten ohne viel Zusatz aufwand stereoskope Testsendungen vorgenommen werden - durch Absprache zwischen Programmkanälen, wobei in einem Kanal das rechte und im anderen das linke Bild gesendet würde. Ist keine stereoskope Aufzeichnung vorhanden, so könnte anstatt dessen "Quasi- HDTV" über zwei PAL-Kanäle mit der heutigen Sendetechnik voll kompatibel geprobt werden. Im Heim, "beim Verbraucher", können durch Nachrüstungen für vorhandene 100 Hz-Fernseher stereoskope Darstellungen nach dem Shutterprinzip eingesetzt werden [4]. Werden preisgünstigere Flachbildschirme auf dem Markt sein, ist die Aufrüstung mit einem PASS-Zusatz naheliegend. Der interessierte Abnehmer wird, wie heute seinen PC, morgen auch seinen autostereoskopen Fernseher haben; bietet er doch die größtmögliche Natür lichkeit durch die 3D-Darstellung ohne störende Hilfsmittel.

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

STAND DER TECHNIK

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

Autostereoskope Projektionen werden mit Hilfe von Leinwänden mit Streifenlinsenraster bei mehreren Projektionsrichtungen durchgeführt. Dabei wird der entsprechenden Richtung das richtige Perspektivbild zugeordnet [2]. Ein fließender Übergang von einer Perspektive zur nächsten ist dabei kaum zu erreichen, da die Anzahl der Projektionsrichtungen nicht beliebig erhöht werden kann. Bei einem autostereoskopen Display, das für nur eine Person bestimmt ist, verwendet man nur zwei Perspektiven, die eine bestimmte Blickrichtung erfordern [3], [8]. Eine voll stereoskope Scheinwelt darzustellen, wird erreicht unter Verwendung von "Head Mounted Displays", die von leistungsstarken VR-Rechnern (Virtual Reality) ange steuert werden. Hierbei wird die genaue Kopfposition und -bewegung detektiert und die zugehörigen Bilder werden gleichzeitig generiert. Natürlich kommen diese aufwendigen und gewöhnungsbedürftigen VR-Systeme nur für spezielle Anwendungen in Frage.

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

PROBLEMSTELLUNG

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

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

Für 2. und 3. sind Hardwarekomponenten erhältlich. Es müssen lediglich geeignete Softwa re-Lösungen entwickelt werden. Für 1. wurde eine Anordnung mit einer mikromechanisch nachführbaren Linsenrasterscheibe vor einen flachen Display vorgeschlagen [10].

PRINZIP DER ERFINDUNG

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

Verändert sich die Position der Augen vor dem Bildschirm, so muß entweder die Punkt position (vgl. [1]) elektronisch adaptiert oder das Raster gegenüber dem Bildpunkt mecha nisch nachgeführt werden. Das elektronische Nachführen der Farbbildpunkte erfordert die Neuentwicklung hochpräziser Elektronenstrahlbildröhren, die keine Lochmasken mehr verwenden. Die Adaption der Scheibe (1) erscheint jedoch kostengünstiger, zumal, wie später gezeigt wird, auch hierfür sowohl eine mikromechanische als auch eine rein elek tronische Lösung gefunden wurde. Wird nicht nur die horizontale Position der Augen ver ändert, sondern auch der Betrachtungsabstand, so kann auch dafür - durch minimales hochpräzises Nachführen des Rasterglasabstandes - die optimale stereoskope Sicht automa tisch eingestellt werden.

Lösungen, die mechanische Bewegungen erfordern, sind i.a. störanfälliger. Deshalb bildet die Entwicklung eines vorgesetzten Linienschattenraster-LCDs mit rein elektronischer Positionsadaption eine auch für größere Serien attraktive Anordnung; sie hat zusätzlich den Vorteil, daß sie alternativ auch auf nicht-stereoskope hochaufgelöste Bilder umgeschaltet werden kann. Diese sind dann wieder unabhängig von der Betrachtungsrichtung. Beim Umschalten auf den hochaufgelösten 2D-Modus werden einfach die im LCD generierten Schattenraster abgeschaltet. Darüber hinaus haben die im Offsetraster angeordneten Farb pixel des Bildes den Vorteil, daß sie bei richtiger Ansteuerung mit 2D-Bildern nahezu die doppelte Auflösung in vertikaler und horizontaler Richtung liefern [9]. Das heißt, ein solcher PASS-Bildschirm kann wohl für autostereoskope als auch für HDTV-Anwendungen einge setzt werden. Auch eine flexible breite Produktgestaltung erlaubt dieses Prinzip: Wird der richtige hochauflösende Bildschirm, bzw. das richtige Display verwendet, erlaubt die elektronische Adaption auch ein Nachrüsten auf Stereofähigkeit, in dem das Linienschatten raster-LCD zusammen mit dem Positionssensor davor montiert wird.

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

Wie Bild 2 zeigt, können die beiden Bildperspektiven auf einen Schirm von zwei Projekto ren auch über Overheaddisplays projiziert werden, so daß linke und rechte Bildelemente abwechselnd nebeneinander erscheinen. Dabei kann der Abstand der Linsenrasterscheibe (3) von Schirm (2) dazu genutzt werden, die horizontale Ausdehnung eines Bildelementes zu verändern - bis zu linienförmigen Elementen, falls der Brennpunkt der Linsen als Projek tionsebene gewählt wird. Soll zusätzlich, wie in Bild 3 gezeigt, ein halbzeiliger Höhenver satz zwischen rechten und linken Bildelementen vorhanden sein, so kann dies durch die Projektionsjustage vorgenommen werden. Wird dem Linsenraster auf der Scheibe (3) zusätzlich eine horizontal verlaufende Prismen- oder Linsenstruktur überlagert, so lassen sich auch Zeilen auf der Projektionsfläche konzentrieren, um das in Bild 3 gezeigte Bildelemen traster zu erzeugen.

Bei der mikromechanischen Nachführung der Prismenscheibe (1) werden geringfügige Veränderungen der Abstandsposition des Betrachters toleriert, ohne die Tiefenlage der Prismenscheibe zu verändern, wenn die Bildelemente über die Zylinderlinsen auf eine möglichst kleine Fläche konzentriert werden.

Besteht die Scheibe (1) aus einem elektronisch steuerbaren Linienschatten-Raster-LCD, so kann sich das PASS-System innerhalb eines spezifizierten Bereichs an Horizont- und Abstandspositionen adaptieren, ohne daß die Scheibe (1) bewegt werden müßte. Ausgehend von der Idealposition des Betrachters können bei Bewegungen des Betrachters die Schatten balken so angepaßt werden, daß der Stereoeffekt unverändert erhalten bleibt. Dabei ist der Idealabstand so zu wählen, daß der Betrachter sich an seiner Auflösungsgrenze bezüglich des Pixelabstandes auf dem Schirm (2) befindet, d. h. der Betrachter soll die Balkenstruktur gerade nicht mehr wahrnehmen. Dies sei der Abstand b (z. B. 1500 mm) vor dem Schirm bei einem horizontalen Pitchabstand p der Bildelemente auf dem Schirm (z. B. p=0,25 mm). Wird der Basisabstand der Augen mit a bezeichnet (z. B. a=75 mm), so wird die LCD- Scheibe (1) in folgendem Abstand d vom Bildschirm (2) angebracht: d = bp/a (z. B. d = 1500_*0,25/75 mm = 5 mm). Die Balken des LCDs können dann beispielsweise eine Breite haben von 0,3 oder 0,2 mm, während die lichtdurchlässigen Schlitze zwischen den Balken eine Breite haben von 0,2 mm. Diese Abstände sind realisierbar, wenn das Linienschatten- LCD dicht liegende (lichtundurchlässige) ein- und abschaltbare Balken der kleinsten Breite von 0,1 mm aufweist. Werden die Bildelemente nahezu linienförmig auf den Schirm über die Zylinderlinsen-Scheibe (3) projiziert, so können die Balken an die Betrachterposition derart adaptiert werden, daß für jede Abstandsposition des Betrachters zwischen 1,5 m und 2 m das rechte Auge nur alle geradzahligen Pixel und das linke Auge nur alle ungeradzahligen Pixel vollständig sieht.

Bei der Verwendung eines TFT-Displays, bei dem die Bildelemente aneinander angrenzen und über den Abstand p horizontal gleiche Helligkeit aufweisen, geht auch für ein Auge ein Teil der Lichtleistung verloren, da der lichtdurchlässige Streifen auf der Scheibe (1) etwas kleiner sein sollte als die Pixelbreite, um einen gewissen Spielraum für Abstandsadaption als Reserve vorzuhalten. Wichtig ist aber, daß alle durchlässigen Streifen die gleiche Breite aufweisen, während die schwarzen Streifen, entsprechend der Betrachterposition geringfügig variieren dürfen. Desto kleiner die gleichmäßig große lichtdurchlässige Streifenbreite, desto größer ist der Adaptionsbereich für den Abstand. Beispielsweise kann theoretisch bei einer Streifenbreite von nur 0,1 mm bei einem Bildelementabstand auf dem TFT-Display von 0,25 mm ein Betrachtungsabstandsbereich von 1 bis 3 m maximal ausgeregelt werden, ohne mechanische Anpassungen der Scheiben vorzunehmen.

Bei einem autostereoskopen Projektionsbildschirm nach Bild 2 ist anzumerken, daß die Zylinderlinsenstruktur (3) und Zylinderprismenstruktur (1) auch vertauschbar sind. Günstiger aber ist wegen einer mechanischen Bewegungstoleranz bei Scheibe (1) die hier angegebene Lösung. Die Dreiecksstruktur der Prismen in (1) ist ebenfalls nicht zwingend: Eine Zylin derlinsenstruktur ist in (1) grundsätzlich auch verwendbar, wenn der Brennpunkt nur nicht auch auf die Projektionsschicht fällt sondern hinter diese.

Bezüglich der Bilder 1 und 2 ist anzumerken, daß sie nicht proportional zur tatsächlichen Anordnung gezeichnet sind, sondern nur, um das Prinzip zu verdeutlichen, mit größeren Rasterabständen. Auch die Anzahl der Punkte liegt bei über 500 bis 2000 je Bild.

Literatur

[1] S.Hemschke: Stereoskoper Bildschirm. Patentanmeldung P 4114 023.0 (1991).

[2] R. Börner: Autostereoscopic 3-D Imaging by Front and Rear Projection and on Fiat Panel Displays. Displays, Vol. 14, No. 1 (1993), pp. 39-46.

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

[4] S.Hemschke, A.Herrfeld, C.Junge, R. Kothe: Stereoskope Echtzeitbildverarbeitung. CeBIT Exponat und Broschüre (1994).

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

[6] J. Lichtermann, G. Mittelhäußer: Eine Hardware Architektur zur Echtzeit-Visualisie rung von Volumendaten durch "Direct Volume Rendering". Workshop Visualisie rungstechniken Stuttgart (1991).

[7] S. Hentschke: Personenbezogener autostereoskoper Bildschirm. Patentanmeldung P 44 33 058.8 (1994).

[8] R. Börner: Autostereoskope Rückprojektions- und Flachbildschirme. Fernseh- und Kinotechnik Bd. 48, Nr. 11 (1994). S.594-600.

[9] B. Wendland: Konzepte für ein kompatibles HiFi-Fernsehsystem. NTG-Fachberichte 74. (1980) S. 325-334.

[10] R. Börner: Wiedergabeeinrichtung für dreidimensionale Wahrnehmung von Bildern. Autostereoscopic Viewing Device for Creating Three Dimensional Perception of Images. Deutsche Patent Nr. DE 39 21 061-A1. (Anm. 1989).

Claims

1. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS), bestehend aus einer Zylinderrasterscheibe (1) und einem Bildschirm (2), gekennzeichnet dadurch, daß der Bildschirm (2) ein LCD-Display (insbesondere ein TFT) ist, bei dem die einzel nen (Farb)Bildelemente (7) spaltenweise übereinander angeordnet sind, und daß die Zylinder-Rasterscheibe (1) ein elektronisch ansteuerbares Schattenlinien-LCD ist, in dem die einzelnen lichtundurchlässigen vertikalen Schattenbalken (4) in der Breite und Lage unabhängig von ein an der in kleinen Stufen (8) elektronisch ein- und abgeschaltet werden können, so daß ein Balken für das rechte Auge eines Betrach ters die vertikale Pixelspalten mit ungeraden Nummern und für das linke die Bildele mentspalten (Pixelspalten) mit geraden Nummern verdeckt werden (vgl. Bild 1).

2. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS), bestehend aus einer Zylinderrasterscheibe (1) und einem Bildschirm (2), bei dem auf allen ungeraden Pixelspalten die Elemente der linken Bildperspektive und auf allen geraden, die der rechten Bildperspektive erscheinen, gekennzeichnet dadurch, daß entsprechend der Horizontal- und Abstands-Position des Betrachters vor dem Bildschirm, die mit einem am Bildschirmrand angebrachten optischen oder akustischen Sensorsystem erfaßt wird und daraus ein Steuersignal erzeugt wird, das das Balkenraster (4) der Scheibe (1) geringfügig adaptiv versetzt, so daß die optimale stereoskope Sicht bei Bewegung des Betrachters im Definitionsbereich erhalten bleibt.

3. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß mit einem Echtzeitrechner die der horizontalen Position des Betrachters und gff. auch die der erfaßten Vertikal- und Abstandsposi tion entsprechenden rechten und linken Bilder einer 3-D-Bildinformation berechnet und auf den Stereoschirm gegeben werden.

4. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Bildpunkte des rechten Bildes um einen halben Pixel-Pitchabstand vertikal verschoben sind gegenüber denen des linken und die Schattenbalken des LCD (1) völlig abgeschaltet werden können, so daß anstatt eines stereoskopen Bildes ein hochaufgelöstes 2D Bild dargestellt werden kann (vgl. Bild 3).

5. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS) nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die rechten und linken Bilder auf (2) über eine Zylinderlinsenrasterscheibe (3) von zwei Projektoren, von denen einer das rechte und der andere das linke Bild liefert, auf den Schirm (2) projiziert werden, so daß sich rechte und linke Bildelemente horizontal abwechseln (vgl. Bild 2).

6. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS) nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß dem Raster mit vertikalen Zylinderlinsen ein Raster aus horizontalen Zylinderprismen dreiecksförmig vgl. Bild 2) überlagert wird mit dem Zeilenpitchabstand, so daß eine Zeile auf den halbe Pitchhöhe kozentriert wird und rechte und linke Pixel eine halbe Zeile versetzt auftreten, dadurch daß die beiden Projektoren eine geringfügig unterschiedliche Höhenposition aufweisen (vgl. Bild 3).

7. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS) nach Anspruch 5, oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Rasterscheibe (1) keine Balken, sondern eine Prismenrasterstruktur oder ebenfalls eine Zylinderlinsenstruktur (mit vertikalen Zylindern) aufweist mit etwa einem Pitchabstand von zwei Bildelementen und daß diese Scheibe mikromechanisch horizontal und ggf. auch im Abstand von der Bild scheibe (2) an die Position des Betrachters adaptiert wird, so daß der Stereoeffekt aus den verschiedenen Positionen für den Betrachter erhalten bleibt (vgl. Bild 2).

8. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm (PASS) nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß umgekehrt die Projektionsscheibe (3) eine Prismen- und die vordere Scheibe (1) eine Zylinderlinsenstruktur aufweist.

9. Personenadaptiver stereoskoper Bildschirm nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand der Prismenrasterscheibe vom Linsen rasterglas (vgl. Bild 1) auf ein Minimum zurückgestellt werden kann für eine Um schaltung vom stereoskopen auf einen hochauflösenden 2-D-Modus.