DE69825572T2

DE69825572T2 - Autostereoskopisches projektionssystem

Info

Publication number: DE69825572T2
Application number: DE69825572T
Authority: DE
Inventors: Graham Martin; L. Joseph McLAUGHLIN
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: KR100520699B1; JP2001519126A; CA2284915C; EP0970589A1; US6481849B2; WO1998043441A1; CA2284915A1; AU8937998A; AU739910B2; DE69825572D1; EP0970589B1; KR20010005726A; US20010005261A1; ATE273598T1; US6224214B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Welt ist ein dreidimensionaler (3-D) Ort, und das menschliche Gehirn ist beim Interpretieren von Daten, wenn sie in einem 3-D-Format dargestellt werden, sehr wirkungsvoll. Das menschliche Gehirn interpretiert eine Szene durch die verschiedensten optischen Anhaltspunkte, von denen es Information zur Tiefenwahrnehmung gewinnen kann, als dreidimensional. Es hat viele Versuche gegeben, um eine wirkungsvolle Weise eines Erzeugens von Wiedergaben zu finden, die sich optische Anhaltspunkte zunutze machen, um ein echtes 3-D-Fenster zur Welt mit praktischer Echtzeitbewegung zu liefern.
Die optischen Anhaltspunkte können in vier Hauptkategorien aufgegliedert werden, die durch eine 3-D-Wiedergabetechnologie nachgebildet werden können. Obwohl ein einzelnes Auge nur ein zweidimensionales (2-D)-Bild sieht, das auf der Netzhaut erzeugt wird, arbeitet das Gehirn des Beobachters mit den geringfügig unterschiedlichen Sichten von den zwei Augen, um die dritte Tiefendimension zu konstruieren, aus der das Gehirn ein 3-D-Bild erzeugen kann. Dieser Prozess wird stereoskopisches Sehen genannt. Um dieses Ergebnis zu erzielen, muss eine Wiedergabe auf irgendeine Weise eine unterschiedliche Sicht in jedes Auge lenken.
Eine andere Kategorie ist Bewegungsparallaxe, die von der relativen scheinbaren Bewegung von Objekten im Gesichtsfeld abhängt, wenn sich der Kopf des Beobachters vertikal oder seitlich bewegt. Um dieses Ergebnis zu erzielen, misst eine Wiedergabe typischerweise die Kopfbewegung eines Beobachters und reagiert darauf.
Die zwei anderen Kategorien liefern schwächere optische Anhaltspunkte. Unter Verwendung von Augenfokussierungs- und Konvergenzrückkopplung kann das Gehirn einige Information über die Tiefenposition eines Objekts erhalten, indem es erfasst, wie stark die Augenlinse zusammengedrückt wird, um das Objekt scharf einzustellen, und die relativen Winkel der zwei Augen erfasst werden, die benötigt werden, um die Objektsichten im Gehirn konvergieren zu lassen. Weil Augenfokussieren und Konvergenz schwache optische Anhaltspunkte sind, können die meisten 3-D-Wiedergabesysteme betrieben werden, wobei der Beobachter auf einen festen Abstand, wie z. B. das Unendliche, oder auf einen Schirm in der Nähe des Beobachters fokussiert.
Zusätzlich können auf Software beruhende optische Täuschungen in einem Bildgenerator zur Wiedergabe auf einer 2-D-Oberfläche schwache optische Anhaltspunkte erzeugen. Diese Täuschungen umfassen Objektperspektive und -schattierung, Abstandsundeutlichkeit und Bewegungsparallaxe von einer Kamerabewegung. Auf Software beruhende optische Täuschungen sind die früheste Kategorie von zu erzeugenden optischen Anhaltspunkten. In der Tat erzeugen die meisten Simulator- und Computerspiele diese optischen Täuschungen, indem 3-D-Welten im Computerspeicher und Prozessor verwendet werden, bevor sie auf einer 2-D-Oberfläche erstellt werden.
Ein Beispiel für eine dreidimensionale Wiedergabe, die einen Vorteil aus stereoskopischem Sehen zieht, umfasst einen bewegbaren vertikalen Schlitz in Kombination mit einer Bildquelle. Der Schlitz wird zwischen einer Mehrzahl von Positionen der Reihe nach mit Bildern bewegt, die durch die Bildquelle wiedergegeben werden. Die Bilder können durch einen Betrachter betrachtet werden, wobei jedes Bild auf Grundlage der Position des Schlitzes im Raum verlagert wird.
Ein Beispiel für eine 3-D-Wiedergabeeinrichtung, die sowohl stereoskopisches Sehen als auch Bewegungsparallaxe liefern kann, ist eine Datenhelm(HMD)-Einrichtung. Miniaturwiedergabeschirme in der HMD-Einrichtung sind mit jedem Auge in Ausrichtung gebracht und versorgen es mit einem respektiven Bild. Eine Kopfnachführeinrichtung kann mit der HMD-Einrichtung kombiniert sein, um ein Rundumsichtvermögen bei einer Beobachterkopfbewegung zu liefern. Solche Systeme sind jedoch auf eine Verwendung durch einen einzigen Beobachter zu jedem beliebigen Zeitpunkt begrenzt, und Bewegungsverzug kann zu Übelkeit und Gleichgewichtsverlust führen.
Die EP-A-0,656,555 offenbart eine Wiedergabe für 3D-Bilder, bei der linksäugige und rechtsäugige Bilder einer autostereoskopischen Wiedergabe auf räumlichen LCD-Lichtmodulatoren wiedergegeben werden, die über Sammellinsen oder Spiegel durch bewegbare Lichtquellen beleuchtet werden. Ein Nachführsystem folgt der Position eines Beobachters, und ein Steuersystem steuert die Positionen der Lichtquellen, so dass die Bilder der Lichtquellen, die durch die Linsen oder Spiegel gebildet werden, dem Beobachter folgen.
Die EP-A-0,752,609 offenbart eine autostereoskopische Wiedergabe, bei der ein Illuminator das LCD über eine Kondensorlinse beleuchtet. Eine Projektionslinse projiziert Bilder der Bildpunkte auf einen Diffusor, der mit einem lentikulären Schirm verbunden ist. Die Projektionslinse ist so angeordnet, dass sie Gruppen von Spalten von Bildpunkten auf dem Diffusor in Ausrichtung mit respektiven Lentikulen des Schirms abbildet, der Beobachtungszonen bildet. Es ist folglich möglich, eine größere autostereoskopische 3D-Wiedergabe zu liefern, als es normalerweise mit Direktsichtwiedergaben möglich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In den meisten 3-D-Beobachtungssituationen ist es nur notwendig, eine Parallaxe für eine Bewegung in einer durch beide Augen eines Beobachters eingenommenen Ebene (z. B. einer horizontalen Ebene) zu liefern. Obwohl Systeme nach dem Stand der Technik einem Beobachter ein stereoskopisches Bild zur Verfügung stellen können, weisen sie eine Anzahl von signifikanten Beschränkungen auf. Solche Systeme leiden unter geringer Bildhelligkeit, einem schmalen Gesichtsfeld, einer geringen Anzahl von Pupillenscheiben und einer kleinen Bildgröße. Obwohl jegliche von diesen Unzulänglichkeiten unter Verwendung von bekannten Techniken verbessert werden könnten, würde eine solche Verbesserung auf Kosten einer ernsten Verschlechterung der anderen Erwägungen sein. Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung wie im Anspruch 1 definiert und ein Verfahren wie in Anspruch 8 definiert.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine dreidimensionale Wiedergabeeinrichtung ein Mehrfachpupillen-Mehrfachprojektionssystem, dessen Pupillen so eng wie möglich aneinander anstoßen. Jedes Projektionssystem bildet simultan ein respektives Bild von einer Bildquelle auf eine gemeinsame Beobachtungsoptik ab. Die Beobachtungsoptik kann eine Fresnellinse oder einen Konkavspiegel in einem gefalteten System umfassen. Die Beobachtungsoptik bildet die Austrittspupille der Projektionslinsen auf ein durchgehendes Array von Sichtfenstern an einem Beobachtungsraum ab. Ein solches System liefert eine hellere Mehrfachsichtwiedergabe mit einer Weitsichtraumprojektion.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Wiedergabeeinrichtung eine Mehrzahl von Bildquellen und einen Bildraum mit einer Mehrzahl von diskreten Sichten. Jede Bildquelle gibt eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Bildern eines Objekts wieder. Jede Sicht ist mit einem respektiven aufeinanderfolgenden Bild des Objekts optisch gekoppelt.
Ein optisches Mehrfachprojektionssystem wird vorzugsweise verwendet, um die Sichten mit den aufeinanderfolgenden Bildern zu koppeln. Das optische Mehrfachprojektorsystem umfasst eine Mehrzahl von Projektorlinsenanordnungen, wobei jede mit einer respektiven Bildquelle in Ausrichtung gebracht ist. Eine Mehrzahl von adressierbaren Blenden ist mit jeder Projektorlinsenanordnung in Ausrichtung gebracht. Eine gemeinsame Beobachtungsanordnung ist mit den Projektorlinsenanordnungen in Ausrichtung gebracht, um die Mehrfachsichten zu liefern. Die gemeinsame Beobachtungsanordnung umfasst vorzugsweise einen abstimmbaren optischen Diffusor, um Nähte zwischen den Projektorsystemen zu verschmieren. Der optische Diffusor umfasst vorzugsweise ein Indexanpassungsmedium.
Vorzugsweise ist ein Kontroller mit den Bildquellen und den Blendenelementen gekoppelt. Jede Bildquelle liefert eine respektive Sicht einer Szene zu einem spezifischen Zeitpunkt. Die Blenden sind so angeordnet, dass es eine Mehrzahl von Schlitzen gibt, die mit jeder Bildquelle optisch ausgerichtet sind. Der Kontroller betreibt die Bildquellen und die Blenden, um eine Mehrzahl von simultanen Bildern zu erzeugen. Ein Beobachter betrachtet jeweils zwei von diesen Bildern auf einmal, eines mit jedem Auge.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung einschließlich verschiedener neuer Konstruktionseinzelheiten und Kombinationen von Teilen werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen spezieller beschrieben und in den Ansprüchen ausgeführt. Es versteht sich, dass die speziellen Ausführungsformen der Erfindung nur als Beispiel und nicht als Beschränkung der Erfindung dargestellt sind. Der Hauptpunkt und Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenen und zahlreichen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne dass man vom Bereich der Erfindung abweicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer simulierenden 3-D-Sicht unter Verwendung diskreter Parallaxenänderungen.
2 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten autostereoskopischen Projektionssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten lentikulären Sandwichdiffusors gemäß der Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung einer Transparentbild-Erzeugungseinrichtung, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwendbar ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung einer simulierenden 3-D-Sicht unter Verwendung von diskreten Parallaxenänderungen. In der wirklichen Welt 1 ändert sich, wenn sich ein Beobachter 7 horizontal bewegt, das Beobachtungswinkelbild eines Objekts 5 ruhig und kontinuierlich.
In der Praxis jedoch ist das menschliche Gehirn zufrieden mit gestuften Änderungen, vorausgesetzt dass die Stufeninkremente geeignet klein sind. In einer praktischen Simulation 3 werden diskrete Sichtscheiben V₁, ..., V_N des Objekts 5 dem Beobachter 7 zur Verfügung gestellt.
Die einfachste Form dieses "quantisierten" Lösungsansatzes ist ein lentikuläres Raster. Statische Bilder von unterschiedlichen Kamerawinkeln sind in schmale Streifen aufgeteilt und miteinander auf eine geordnete Weise verschachtelt. Wenn eine lentikuläre Linse der richtigen Anzahl von Linien pro Längeneinheit gemäß der Streifenbreite über die vermengten Bilder gelegt wird, können die Beobachter 7 ein unterschiedliches komplettes Bild sehen, abhängig von ihrem Beobachtungswinkel.
Räumlich gemultiplexte Systeme auf Grundlage eines lentikulären Rasters weisen zwei Hauptnachteile auf. Erstens, weil sämtliche Bilder auf der Bilderzeugungseinrichtung simultan wiedergegeben werden, ist der Bereich, der für jedes verfügbar ist, begrenzt und ist die Bildauflösung beschränkt. Zweitens, jede Sicht erfordert ihr eigenes optisches Projektionssystem, was das Schema für mehr Sichten komplex und schwierig zu skalieren macht.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird Zeitmultiplexbetrieb verwendet, um die Unzulänglichkeiten, die in Raummultiplexsystemen gefunden werden, zu vermeiden. Kurz gesagt, werden die Bilder entsprechend den verschiedenen Beobachtungswinkeln auf der Bilderzeugungseinrichtung aufeinanderfolgend mit der Zeit geblitzt, wobei jedes den vollen Schirm einnimmt.
2 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten autostereoskopischen Projektionssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In einer Ausführungsform werden Sichten eines Objekts 5 durch ein Array von Stehbild- oder Videokameras 12₁ , 12₂ , ..., 12_N eingefangen. Ein Abbildungssystem 10 bereitet die eingefangenen Bilder zur Wiedergabe vor. Die Bilder und Videosynchronisationssignale werden zu einem Steuersystem 20 über einen Videobus VID und Synchronisationsverbindungen HSync, VSync, ZSync geliefert. Das Steuersystem 20 kann einen Betrieb der Kamera 12₁ , ..., 12_N über einen Steuerbus CTL zum Abbildungssystem 10 steuern. In einer anderen Ausführungsform werden die Sichten computererzeugt und durch das Abbildungssystem 10 gespeichert.
Das Steuersystem 20 liefert Videosignale zu einem Abbildungssystem 30. Vorzugsweise umfasst das Abbildungssystem 30 ein Array von Bildquellen 32₁ , 32₂ , 32₃ , die eine Kathodenstrahlröhre (CRT) oder Flüssigkristallwiedergabeeinrichtungen sein können. Obwohl nur drei CRTs veranschaulicht sind, versteht es sich, dass jegliche Anzahl von CRTs verwendet werden kann, mit gewissen optischen Einschränkungen, abhängig von der Gesamtanzahl von diskreten Sichten, die gewünscht werden. Die Bildquellen 32 empfangen auch Steuersignale vom Steuersystem 20.
Ein Projektionslinsensystem 40 ist mit dem Abbildungssystem 30 optisch gekoppelt. Insbesondere umfasst das Projektionssystem 40 eine Mehrzahl von Projektionsuntersystemen 40₁ , 40₂ , 40₃ , die jeweils mit einer respektiven Bildquelle 32₁ , 32₂ , 32₃ gekoppelt sind. Jedes Projektionslinsenuntersystem 40 umfasst eine Mehrzahl von Projektionslinsen 41, 43, 45, 47, 49. Die Austrittspupillen 52₁ , 52₂ , 52₃ der Bildquellen 32₁ , 32₂ , 32₃ sind durch die vorderen Projektionslinsen 49₁ , 49₂ , 49₃ definiert. Wie veranschaulicht, stoßen die vorderen Projektionslinsen 49₂ direkt an die angrenzenden vorderen Projektionslinsen 49₁ , 49₃ an. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die vorderen Projektionslinsen 49₁ , 49₂ , 49₃ durch Formen der Linsen von einer Kunststofffolie gefertigt.
Licht von den Austrittspupillen 52₁ , 52₂ , 52₃ wird durch respektive Blendenelemente 50₁ , 50₂ , 50₃ verarbeitet. Die Blendenelemente 50 sind räumliche Lichtmodulatoren, die einen bewegbaren Schlitz umfassen, der durch das Steuersystem 20 gesteuert wird. Vorzugsweise sind die Blendenelemente 50 Flüssigkristalleinrichtungen und ist der Schlitz eine vertikale Lichtmodulationszelle, die aus etwa 5–8 vertikal angeordneten Positionen in jedem Blendenelement 50 ausgewählt werden kann. Alternativ kann die Lichtmodulationszelle aus einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Fenstern in jedem Blendenelement ausgewählt werden.
Obwohl die Blendenelemente 50₁ , 50₂ , 50₃ so dargestellt sind, dass sie vor den Austrittspupillen 52₁ , 52₂ , 52₃ sind, ist diese Anordnung nicht erforderlich. In der Tat können die Blendenelemente 50₁ , 50₂ , 50₃ hinter den vorderen Projektionslinsen 49₁ , 49₂ , 49₃ positioniert sein. Vorzugsweise sind die Blendenelemente 50₁ , 50₂ , 50₃ möglichst nahe bei den Austrittspupillen 52₁ , 52₂ , 52₃ positioniert. Je weiter die Blendenelemente vor den Austrittspupillen positioniert sind, desto mehr optischer Wirkungsgrad geht verloren. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die Blendenelemente weniger als ein Inch von den vorderen Projektionslinsen angeordnet, wobei etwa ein halbes Inch bevorzugt wird.
Im Betrieb steuert das Steuersystem 20 die Bildquellen 32 und das respektive Blendenelement 50, so dass ein unterschiedlicher Videoframe für jede Schlitzposition im Blendenelement bei den Wiedergaben geliefert wird. Insbesondere werden die Videoframes im Einklang mit den Blenden im Zeitmultiplexbetrieb gehandhabt. Auf diese Weise wird für jede Bildquelle 32 eine Mehrzahl von Pupillen erzeugt.
Wie dargestellt, wird eine Mehrzahl von Videosignalen VID₁, VID₂, VID₃ durch einen Wiedergabetreiber 22 des Steuersystems 20 an respektive Bildquellen 32₁ , 32₂ , 32₃ abgegeben. Zusätzlich werden horizontale Synchronisations(HSync)-, vertikale Synchronisations(VSync)- und Videofeldsynchronisations(ZSync)-Signale durch das Steuersystem 20 verarbeitet. Insbesondere empfängt ein Wiedergabesteuermodul 24 die HSync- und VSync-Signale, um die Bildquellen 32 zu treiben. Ein Blendensteuermodul 26 empfängt die VSync- und ZSync-Signale und treibt die Blendenelemente 44. Das VSync-Signal wird verwendet, um die Videoframes der Bildquellen 32 mit den Schlitzen in den Blendenelementen 50 zu synchronisieren.
Obwohl nicht dargestellt, kann ein separates rotes, grünes, blaues (RGB) Filterelement über jede Bildquelle 32 platziert sein. Diese Farbfilterelemente werden vorzugsweise verwendet, um aufeinanderfolgend einen Farbvideoframe von einem Breitspektrumbildgenerator zu erzeugen. Das Wiedergabesteuermodul 24 würde dann die Farbfilterelemente betreiben.
Für einen speziellen Frame einer Bildquelle 32 projiziert das Projektionssystem 40 eine Bildprojektion P₁, ..., P₉, ..., P₁₇, ..., P₂₄ zu einer gemeinsamen Beobachtungsoptik 55. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Beobachtungsoptik 55 eine Fresnellinse. Die Beobachtungsoptik 55 fokussiert jede Austrittspupille auf eine virtuelle Austrittspupille oder Sichtfenster V₁, ..., V₂₄ auf einer Abbildungsebene 60. Diese Sichtfenster liefern eine Sicht des Framebildes auf der Bildquelle.
Zu jedem beliebigen Zeitpunkt liefert die Beobachtungsoptik 55 die Sichten von der ausgewählten Pupille jeder Bildquelle 32 zu einem Beobachtungsraum 65 zum Betrachten durch einen Beobachter 7 oder eine Mehrzahl von Beobachtern. Jeder Beobachter 7 hält typischerweise das linke Auge 70L und das der rechte Auge 70R im Beobachtungsraum. Die Augen sind durch einen Intrapupillenabstand (IPD) räumlich getrennt. Wie dargestellt, gibt es eine Mehrzahl von Sichtfenstern V₁, ..., V₂₄ an der Abbildungsebene 60, wobei jedes eine Sicht eines respektiven Videoframe einer respektiven Bildquelle liefert. Die Optik ist optimiert, so dass die Sichten der Schlitze am Beobachtungsraum 65 an jede angrenzende Sicht anstoßen und durch einen mittigen Abstand D räumlich getrennt sind. Um ein nahtloses Betrachten zu fördern, wo die Bilder durchgehend erscheinen, wenn sich der Kopf des Betrachters bewegt, ist der Abstand D vorzugsweise geringer als die oder gleich der Hälfte des IPD. Typischerweise sind die Schlitze am Auge des Beobachters zwischen 22–25 mm breit. An sich sind geschwärzte Bereiche des Bildes beim Beobachter im Wesentlichen beseitigt.
Jedes Auge 70L, 70R sieht folglich eine unterschiedliche Bildquelle 32, um eine Täuschung von dreidimensionalen Objekten zu erzeugen. Zusätzlich zum im Wesentlichen nahtlosen Betrachten liefert das optische System 3 ein erweitertes Betrachten durch viele Sichtfenster.
Um das Gesichtsfeld zu maximieren, ist das Linsenarray so groß wie praktisch. Z. B. weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das optische System eine Blendenzahl von f/l auf und ist so dimensioniert, dass es äquivalent einem Monitor mit einer Diagonalen von 25 Inch ist.
Um die Abmessungen der Einrichtung zu minimieren, wird vorzugsweise ein gefaltetes optisches System mit einem konkaven Spiegel für die Beobachtungsoptik 55 verwendet. Der konkave Spiegel arbeitet als ein Sichtschirm, wobei das Licht auf die respektiven Sichtfenster fokussiert wird. Indem Spiegel verwendet werden, kann der optische Pfad gefaltet werden, um die Brennweite des Systems zu erhöhen, während eine relativ kompakte Größe beibehalten wird.
Ein bevorzugtes System umfasst eine Ferroelektrikrichtstreifenblende mit einem elektronisch gesteuerten Schlitz, der Licht durch nur jeweils ein einziges Segment zu einer Zeit hindurchtreten lässt. Die auf der CRT wiedergegebenen Bilder und das Schalten der Richtblendensegmente sind synchronisiert, so dass das geeignete Bild zu jeder Sichtscheibe gelenkt wird. Das Projektionslinsensystem erzeugt ein im Wesentlichen verzerrungsfreies reelles Bild an der Position der Feldlinse. Die Größe dieses Bildes bestimmt die effektive Schirmgröße, die durch den Beobachter wahrgenommen wird.
Die Feldlinse 55, die im Allgemeinen eine Fresnellinse ist, die gleich groß wie die effektiven Schirmabmessungen ist, weist keine Wirkung auf das reelle Bild der CRT auf. Ihre Funktion besteht darin, ein reelles Bild der Richtblende an der optimalen Sichtebene für den Beobachter zu erzeugen. Folglich bestimmt die Fresnellinse die Größe des Gebiets, wo ein Beobachter ein Vollschirm-3-D-Bild sehen kann. Für praktische Systeme kann sich die Tiefe des Beobachtungsgebiets mehrere Fuß jenseits der optimalen Sichtebene erstrecken.
In einem Prototypensystem ist eine Wiederholfrequenz von 30 Frames pro Sekunde auf einem Schirm mit einer Diagonalen von 25 Inch bei einer Auflösung von 512 × 384 Bildpunkten in einem Verschachtelungsmodus erhalten worden. Der bevorzugte Beobachtungsabstand beträgt etwa fünf Fuß, so dass der Schirm in einem Winkel von etwa 20 Grad gegenüberliegt. Die Beobachtungsaugenbox für ein Vollschirm-3-D-Bild ist etwa 2 Fuß breit, mehrere Fuß tief und kann 28 unterschiedliche Kamerawinkel liefern, die durch einen schwachen Diffusor glatt ineinander verlaufend gemacht sind.
Eine Charakteristik einer bevorzugten Wiedergabe ist ein Mehrfachsichtmodus, wo unterschiedliche Abschnitte des Beobachtungsgebiets eine vollständig unterschiedliche Vollschirmanimation abbilden können. Dies ist möglich, weil die Sichtscheiben zur Wiedergabe einer Reihe von geringfügig unterschiedlichen Kamerawinkeln nicht beschränkt zu sein brauchen. Z. B. könnten die am weitesten links gelegenen Scheiben eine Vollschirm-3D-Sicht der Gesamtkampfszene in einem Simulator bereitstellen, während die am weitesten rechts gelegenen Scheiben verwendet werden könnten, um einen speziellen Bereich des Schlachtfeldes anzuvisieren. Dieses Mehrfachsichtmerkmal ist von besonderem Interesse für die Unterhaltungsindustrie, da unter Verwendung einer Maschine zwei Spieler eines Spiels, die nebeneinander sitzen, mit ihrer eigenen 3D-Vollschirm-unabhängigen Perspektive des Spiels versehen sind. Eine 50-Inch-Schirm-Version für den Arcademarkt mit zwei nebeneinander angeordneten Beobachtungsboxen, wovon jede etwa ein Fuß breit ist, kann gefertigt werden.
Es gibt jedoch praktische Einschränkungen, um zu bewerkstelligen, dass die Austrittspupillen der Projektionslinsensysteme ohne jeglichen Zwischenraum aneinanderstoßen. Eine lentikuläre Linse kann verwendet werden, um die Austrittspupille unidirektional und horizontal länger zu machen. Eine lentikuläre Linse ist eine flache Folie, normalerweise Acrylkunstststoff, die eine Reihe von Linien aufweist, von denen jede in Wirklichkeit eine sehr schmale zylindrische Linse mit halbkreisförmigem Profil ist. Eine typische lentikuläre Linse kann 50 bis 100 Linien pro Inch aufweisen und als ein unidirektionaler Diffusor arbeiten. Solche Linsen werden normalerweise als der vordere Schirm bei einem Großschirmprojektionsfernsehen verwendet, wo die Linien vertikal angebracht sind, um den Beobachtungswinkel für den Schirm seitlich zu erweitern. Vorausgesetzt, dass das Bild von dem Projektionslinsensystem 40 ein reelles Bild auf der lentikulären Linse erzeugt, wird das Bild selbst durch die Linse nicht zerstreut, nur die Austrittspupille. Ein ähnlicher Effekt wird wahrgenommen, wenn Objekte durch einen regulären Diffusor betrachtet werden, wie z. B. ein Stück von Mattglas. Weit vom Glas entfernte Objekte sind vollständig verschleiert, wenn man durch es hindurchblickt, aber eine Hand, die gegen das Glas hochgeschoben wird, ist auf der anderen Seite deutlich sichtbar.
Wie bei einem Projektionsfernsehsystem kann eine lentikuläre Linse so positioniert werden, dass ein horizontales Verstrecken erzeugt wird und folglich die Augenboxen für das Mehrfachprojektorsystem verschmolzen werden. Jedoch würde dies den 3D-Effekt zerstören, indem die unterschiedlichen Kamerasichten miteinander verschmolzen werden. Ein Ziel besteht darin, einen sehr kleinen Betrag an horizontalem Verschmieren zu liefern; genug, um die Nähte zu entfernen und die Ränder der verschiedenen Sichten weicher zu machen, aber nicht genug, um den 3D-Effekt zu zerstören. Wenn die Nähte zu Beginn minimiert werden, indem man die Projektorlinsensysteme sorgfältig so eng wie möglich aneinander anfügt, dann wird typischerweise ein unidirektionaler Diffusor mit etwa einem Zehntel eines Grads an Divergenz benötigt. Praktische lentikuläre Linsen sind aus Acrylkunststoff mit einem Brechungsindex von 1,491 hergestellt und erzeugen zwischen 20 und 40 Grad von Winkelzerstreuung. Es kann möglich sein, eine lentikuläre Acryllinse mit beträchtlich weniger Winkelzerstreuung zu erzeugen, aber im Augenblick ist die Werkzeugausrüstung, die benötigt wird, um eine Linse von dieser speziellen Konstruktion zu erzeugen, sehr kostspielig, und in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benötigt sie das Vermögen, den Betrag an Zerstreuung abzustimmen, den die Linse erzeugt, um das optimale Gleichgewicht zwischen Nahtentfernung und klarer 3D-Bilddarstellung zu erzeugen.
Die Schwierigkeit beim Erzeugen einer lentikulären Acryllinse mit sehr kleiner Winkelzerstreuung ergibt sich aus dem großen Brechungsindexunterschied zwischen dem Acrylharz bei 1,491 und der die Linse umgebenden Luft bei 1,000. Die Fokussierleistung einer Linse hängt vom Brechungsindexunterschied zwischen dem Linsenmaterial und dem Umgebungsmedium, normalerweise Luft, ab.
3 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten lentikulären Sandwichdiffusors gemäß der Erfindung. Das lentikuläre Sandwich 100 umfasst eine lentikuläre Acryllinse 102, eine Glasplatte 106 und eine Schicht von eingeschlossenem Indexanpassungsfluid oder anderem Medium 104, das gegen die lentikuläre Oberfläche der Linse hochgepresst ist. Abdichtwände 108 liefern eine äußere Grenze für das Fluid 104.
Das Fluid 104 weist einen Index nahe bei demjenigen der Acryllinse 102 auf und kann leicht ausgewechselt werden, um das lentikuläre Gesamtsystem abzustimmen, um den gewünschten optischen Effekt in der 3D-Wiedergabe zu erzeugen. Der Betrag an Zerstreuung wird durch den Brechungsindex des Anpassungsfluids 104 gesteuert, das in Mengen mit Inkrementen herab bis zu 0,004 im Handel erhältlich ist. Wenn das Indexanpassungsfluid 104 denselben Index wie das lentikuläre Acryllinsen 102-Material aufweist, dann wirkt die ganze Einrichtung als eine Transparentplatte ohne Zerstreuung.
Der Brechungsindex der Flüssigkeit n1 kann durch die Gleichung berechnet werden:
wobei
lpi die Anzahl von Linien pro Inch für die lentikuläre Linse ist;
fl die Brennweiten der lentikulären Linsensegmente ist;
n der Brechungsindex des lentikulären Linsenmaterials ist (z. B. Acrylharz = 1,491)
da die gewünschte halbe Divergenz für die lentikuläre Linse ist.
Dieses lentikuläre Sandwich ist in einem bevorzugten 3D-Wiedergabesystem verwendet worden und abgestimmt worden, um die Nähte auf ein annehmbares Niveau zu verringern, während eine gute Bildqualität und 3D-Realismus beibehalten werden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der Übergang zwischen den wahrgenommenen Sichten V₁, ..., V₂₄ (2) geglättet wird, so dass weniger sprunghafte und optisch viel angenehmere Wirkungen erzeugt werden, wenn sich der Kopf des Beobachters 7 von Seite zu Seite bewegt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung CRT-Bildquellen verwenden, kann auch eine Lichtventilwiedergabeeinrichtung verwendet werden, um die Erfindung zu praktizieren. Ein Beispiel für solche Wiedergabeeinrichtungen ist eine Flüssigkristallwiedergabeeinrichtung.
4 ist eine schematische Darstellung einer Transparentbilderzeugungseinrichtung. Wie veranschaulicht, ist ein Streifenhinterlicht 112 von einer durchlässigen Wiedergabeabbildungsoberfläche 110 separiert. Die Bilder entsprechend den verschiedenen Beobachtungswinkeln werden auf der Bilderzeugungseinrichtung 110 aufeinanderfolgend mit der Zeit geblitzt, wobei jedes den vollen Schirm einnimmt. Eine gemeinsame Hinterlichtabbildungslinse 115 erzeugt ein Bild des Wiedergabestreifenhinterlichts in der Beobachter-Sichtebene. Wie veranschaulicht, wird ein Bild I₁ für Sicht 1 (V₁) auf der Bildebene 60 auf der durchlässigen Wiedergabeeinrichtung 110 wiedergegeben. Wie veranschaulicht, wird das erste Hinterlicht 112, des Wiedergabestreifenhinterlichts 112 geblitzt, um das Sicht 1-Bild (P₁) zu projizieren. Ein Betrieb des Hinterlichts 112 und der durchlässigen Wiedergabe 110 werden durch geeignete Synchronisierelektronik 120 gesteuert.
Die Durchlasswiedergabe 110 ist in der Ebene der gemeinsamen Linse 115 platziert und ist durch sie unbeeinflusst. Die verschiedenen Sichten werden durch eine Wiedergabehinterlichtanordnung oder die Verwendung eines elektronischen Blendenschemas, wie oben beschrieben, in die geeignete Sichtscheibe im Raum gelenkt. In dieser Konfiguration können sich die Sichten auch eine gemeinsame Lichtfolge teilen, wodurch eine Kompliziertheit verringert wird und ein Skalieren des Systems für mehr Sichten leichter gemacht wird.
Flüssigkristallwiedergaben sind gegenwärtig nicht imstande, die Frameraten zu erzeugen, die für ein Zeitmultiplexsystem benötigt werden. Augenblickliche CRT-Technologie kann jedoch mit den schnelleren Frameraten arbeiten, die zum Zeitmultiplexbetrieb bevorzugt werden. Es versteht sich, dass Zeitmultiplexsysteme gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Mehrfachprojektionen von Bildern umfassen können, die auf durchlässigen Wiedergabeeinrichtungen erzeugt werden.

Claims

Vorrichtung zur Wiedergabe einer dreidimensionalen Sicht eines Objekts, umfassend: eine Mehrzahl von Bildquellen (32₁ , 32₂ , 32₃ ), wobei jede Bildquelle (i) mit einer respektiven Austrittspupille (52₁ , 52₂ , 52₃ ) optisch gekoppelt ist und (ii) angeordnet ist, um eine Mehrzahl von Bildern eines Objekts (5) an der respektiven Austrittspupille von jeder Bildquelle aufeinanderfolgend wiederzugeben, wobei die aufeinanderfolgend wiederzugebenden Bilder Bilder des Objekts sind, die unter verschiedenen Beobachtungswinkeln gewonnen werden; eine Beobachtungsoptik (55), die die Austrittspupillen zu einem Beobachtungsraum (65) abbilden, (i) der eine gesamte mehrzahlige Anzahl von benachbarten virtuellen Sichtfenstern (V₁, ..., V₂₄) aufweist und (ii) der durch eine Mehrzahl von Simultanbeobachtern (7) zu betrachten ist, wobei jede Austrittspupille zu einer respektiven Mehrzahl von benachbarten Sichtfenstern aus der Gesamtanzahl von benachbarten virtuellen Sichtfenstern abgebildet wird; eine Mehrzahl von Blendenelementen (50₁ , 50₂ , 50₃ ), wobei die Blendenelemente räumliche Lichtmodulatoren sind, die jeweils einen bewegbaren Schlitz umfassen, (i) die mit der Beobachtungsoptik optisch gekoppelt sind und (ii) zwischen den Bildquellen und der Beobachtungsoptik optisch angeordnet sind, um jedes Wiedergabebild auf einem respektiven Sichtfenster im Beobachtungsraum zu erstellen; und eine Steuereinheit (20), die jedes besagte Blendenelement steuert, so dass in der respektiven Austrittspupille (52₁ , 52₂ , 52₃ ) eine Mehrzahl von Schlitzpositionen in zeitlicher Aufeinanderfolge erzeugt wird, und die jede besagte Bildquelle steuert, so dass ein unterschiedlicher Videoframe bei jeder Wiedergabe für jede besagte Schlitzposition des respektiven Blendenelements bereitgestellt wird, wodurch die Wiedergabe von Bildern auf den Bildquellen mit dem Betrieb der Blendenelemente synchronisiert wird, um die Bilder den Beobachtern auf eine Zeitmultiplexweise wiederzugeben, um jeden der Beobachter mit einer dreidimensionalen Sicht des Objekts zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die räumlichen Lichtmodulatoren (50) eine Flüssigkristalleinrichtung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der entweder: a) die Blendenelemente (50) einen Betrieb eines Streifenhinterlichts der Bildquellen handhaben; b) die Beobachtungsoptik (55) allen Sichtfenstern gemeinsam ist; oder c) die Beobachtungsoptik (55) eine lentikuläre Linse (102) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Beobachtungsoptik (55) einen abstimmbaren optischen Diffusor umfasst und fakultativ, bei der der optische Diffusor ein Indexanpassungsmedium (104) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Beobachtungsraum ein im Wesentlichen nahtloses Betrachten der Bildquellen liefert, wenn sich ein Beobachter von einer ersten Position zu einer zweiten Position im Beobachtungsraum bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der entweder: a) die Beobachtungsoptik einen Spiegel umfasst; b) die Vorrichtung weiter Farbfilterelemente umfasst, um die Wiedergabebilder zu verarbeiten; c) der Beobachtungsraum ein zweidimensionales Array von Sichtfenstern (V₁, ... V₂₄) umfasst, wobei jedes ein respektives aufeinanderfolgendes Bild erstellt; d) die Bilder, die an jedem Sichtfenster (V₁, ... V₂₄) erstellt werden, eine Wiederholfrequenz aufweisen, die dafür geeignet ist, dass der Beobachter ein fortlaufendes Bild wahrnimmt; e) die Beobachtungsoptik den Bildquellen gemeinsam ist; oder f) jede Bildquelle eine Projektionsanordnung (40) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinheit die Beobachter mit einer dreidimensionalen Sicht des Objekts versorgt, wobei eine Rückkopplung der Stelle des Beobachters im Beobachtungsraum nicht vorhanden ist.
Verfahren zur Wiedergabe einer dreidimensionalen Sicht eines Objekts, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Mehrzahl von Bildquellen (32₁ , 32₂ , 32₃ ), wobei jede mit einer respektiven Austrittspupille (52₁ , 52₂ , 52₃ ) optisch gekoppelt ist, um eine Mehrzahl von Bildern eines Objekts (5) an der respektiven Austrittspupille (52₁ , 52₂ , 52₃ ) von jeder Bildquelle (32₁ , 32₂ , 32₃ ) aufeinanderfolgend wiederzugeben, wobei die aufeinanderfolgend wiederzugebenden Bilder Bilder des Objekts sind, die unter verschiedenen Beobachtungswinkeln gewonnen werden; Abbilden der Austrittspupillen zu einem Beobachtungsraum (65), (i) der eine gesamte mehrzahlige Anzahl von benachbarten virtuellen Sichtfenstern (V₁, ... V₂₄) aufweist und (ii) der durch eine Mehrzahl von Simultanbeobachtern (7) zu betrachten ist, wobei jede Austrittspupille zu einer respektiven Mehrzahl von benachbarten Sichtfenstern aus der gesamten mehrzahligen Anzahl von benachbarten Sichtfenstern abgebildet wird; Erstellen jedes Wiedergabebildes auf einem respektiven Sichtfenster im Beobachtungsraum, indem eine Mehrzahl von Blendenelementen (50₁ , 50₂ , 50₃ ) verwendet wird, die mit einer Beobachtungsoptik optisch gekoppelt sind, wobei die Blendenelemente räumliche Lichtmodulatoren sind, die jeweils einen bewegbaren Schlitz umfassen; und Synchronisieren der Wiedergabe von Bildern auf den Bildquellen mit dem Erstellen von jedem Wiedergabebild, um die Bilder auf eine Zeitmultiplexweise wiederzugeben, indem jedes besagte Blendenelement gesteuert wird, so dass in der respektiven Austrittspupille (52₁ , 52₂ , 52₃ ) eine Mehrzahl von Schlitzpositionen in zeitlicher Aufeinanderfolge erzeugt wird, und indem jede besagte Bildquelle gesteuert wird, so dass ein unterschiedlicher Videoframe bei jeder Wiedergabe für jede besagte Schlitzposition des respektiven Blendenelements bereitgestellt wird, um jeden der Beobachter mit einer dreidimensionalen Sicht des Objekts zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Erstellen von jedem Wiedergabebild vorgenommen wird, wobei eine Rückkopplung der Stelle des Beobachters im Beobachtungsraum nicht vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die räumlichen Lichtmodulatoren (50) eine Flüssigkristalleinrichtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Blendenelement (50) einen Betrieb eines Streifenhinterlichts der Bildquellen handhabt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt eines Abbildens umfasst: Verwenden einer Beobachtungsoptik, die jedem Sichtfenster (V₁, ..., V₂₄) gemeinsam ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Beobachtungsoptik eine lentikuläre Linse (102) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Beobachtungsoptik (55) einen abstimmbaren optischen Diffusor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der optische Diffusor ein Indexanpassungsmedium (104) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend: Bereitstellen eines im Wesentlichen nahtlosen Betrachtens des Wiedergabebildes, wenn sich ein Betrachter im Beobachtungsraum von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt eines Abbildens umfasst: Reflektieren der Bilder von einem Spiegel.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend den Schritt: Verarbeiten der Wiedergabebilder durch Farbfilterelemente.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt eines Definierens eines Beobachtungsraums umfasst: Definieren eines zweidimensionalen Array von Sichtfenstern, wobei jedes ein respektives aufeinanderfolgendes Bild erstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt eines Erstellens umfasst: Erstellen der Bilder an jedem Sichtfenster mit einer Wiederholfrequenz, die dafür geeignet ist, dass der Beobachter ein fortlaufendes Bild wahrnimmt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt eines Abbildens umfasst: Verwenden einer Beobachtungsoptik, die den Bildquellen gemeinsam ist.