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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur ergonomischen
Darstellung der räumlichen Tiefe von Objekten in virtuellen
Umgebungen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1
bzw. des Anspruches 19.
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Im
Bereich der virtuellen Realität werden stereoskopische
Projektionstechniken eingesetzt, um dem Betrachter einen Tiefeneindruck
(sog. depth perception) zu vermitteln, ähnlich wie beim
3D-Fernsehen. Der Unterschied zum 3D-Fernsehen besteht darin, dass
der Anwender sich in Echtzeit in der virtuellen Umgebung bewegen
kann, also die Möglichkeit hat, sie aus beliebigen Perspektiven
zu betrachten.
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Das
Konzept derartiger stereoskopischer Projektionssysteme besteht in
der Regel darin, dass zur Simulation der realen Betrachtungsbedingungen zwei
Ansichten zur Verfügung gestellt werden, die eine für
das linke und die andere für das rechte Auge des Betrachters.
Diese beiden Ansichten werden gleichzeitig bzw. schnell abwechselnd
und räumlich versetzt zueinander auf einer Projektionsfläche
oder auf einem Bildschirm dargestellt und jedem der beiden Augen
des Betrachters mit geeigneten Mitteln nur jeweils eines der beiden überlagerten
Bilder zugänglich gemacht. Dies kann beispielsweise mit
Polarisationsbrillen, über sog. Shutterbrillen oder dgl. erfolgen
und ist grundsätzlich bekannt. Hierdurch ist es möglich,
dreidimensionale Darstellungen zu erzeugen, bei denen auch ein entsprechender
Tiefeneindruck der dargestellten Objekte möglich ist.
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Die
Qualität des Tiefeneindrucks hängt dabei von verschiedenen
Parametern der Projektion ab. So sind dabei der Abstand von rechtem
und linkem Auge, die sog. Parallaxe, und die Konvergenzdistanz zu berücksichtigen.
Bislang werden diese Parameter pauschal mit konstanten Werten vorbelegt,
was allerdings zur Folge hat, dass unter bestimmten Betrachtungsbedingungen
Verzerrungen auftreten, durch die beim Anwender Fehlwahrnehmungen
bis hin zu Sehbeschwerden verursacht werden. Zudem kann der Tiefeneindruck
vollständig zusammenbrechen: Nähert man sich z.
B. einem in der virtuellen Umgebung dargestellten Objekt, wird man
ab einem gewissen Abstand zunächst zu schielen beginnen
und schließlich nur noch ein Doppelbild wahrnehmen.
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Hauptsächlicher
Grund für diese Probleme ist, dass bei der Erzeugung der
jeweiligen sich überlagernden Ansichten keine Informationen über
die jeweils vorliegenden realen Betrachtungsbedingungen vorhanden
sind, weshalb man sich mit einer Reihe von Annahmen behilft, deren
grundsätzliche geometrische Darstellung in der 1 noch
einmal aufskizziert ist.
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Grundannahme
ist dabei, dass der Betrachter eine in der 1 dargestellte,
konstante, zentrierte Position einnimmt, wobei er seine Augen parallel zur
Projektionsfläche 2 ausrichtet. Dabei wird der
reale Pupillenabstand 5 durch den technischen Parameter „Parallaxe" 6 repräsentiert.
Hierfür wird bei bekannten Projektionen der virtuellen
Realität bislang ein konstanter Wert angenommen, obwohl
er interindividuell variiert (DIN 33402-2, 2005).
Mit dem technischen Parameter „Konvergenzdistanz" 7 werden die
realen physikalischen Bedingungen bei der Betrachtung von Objekten 1 repräsentiert.
In einer realen Situation wird ein Objekt 1 im Raum mit
den Augen 3, 4 entlang der sich im Bereich des
Objektes 1 schneidenden Sehstrahlen 10 fixiert
und deren Linsensysteme durch Akkommodation auf dieses Objekt 1 scharf
gestellt. Damit entspricht der Fixationspunkt 20 der Augen 3, 4 unter
diesen Bedingungen dem Punkt des schärfsten Sehens, wobei
Fixationsdistanz 8 und Akkommo dationsdistanz 9 übereinstimmen.
Analog zur Parallaxe 6 wird bei herkömmlichen Projektionsmethoden
auch für die Konvergenzdistanz 7 ein konstanter
Wert angenommen, der in der Regel von der Fixationsdistanz 8 und
Akkommodationsdistanz 9 abweicht. Erschwerend kommt hinzu, dass
bei flächigen Projektionssystemen eine Entkopplung von
Fixation und Akkommodation erfolgt. Einerseits akkommodiert der
Betrachter auf die Reizquelle, die Projektionsfläche 2.
Andererseits werden Objekte 1 so projiziert, dass sie sich
für den Betrachter vor oder hinter dieser Projektionsfläche 2 zu
befinden scheinen, so dass der Fixationspunkt 20 in der Regel
entsprechend variiert. Insofern kann ein einzelner konstanter Parameter „Konvergenzdistanz" 7 diesen
Bedingungen nicht gerecht werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen,
dass sich der Betrachter vor der Projektionsfläche 2 bewegt,
wobei Kopf- und Körperbewegungen zu zusätzlichen
Translationen und Rotationen der Augen 3, 4 führen.
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Insgesamt
machen die skizzierten Aspekte deutlich, dass stereoskopische Projektionssysteme nach
dem Stand der Technik nur eine sehr grobe Annäherung an
die Betrachtungsbedingungen von realen Objekten darstellen. Wahrnehmungsbeeinträchtigungen
bis hin zur Ausbildung von Doppelbildern führen bei zahlreichen
Anwendern zur Ermüdung der Augen sowie Kopfschmerzen und Übelkeit.
Dies dürfte ein Grund für die immer noch geringe
Akzeptanz von solchen Systemen sein, insbesondere im Hinblick auf
eine zeitlich ausgedehntere, etwa mehrstündige Nutzung.
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Ansätze
zur Lösung derartiger Probleme bei 3D-Projektionen sind
aus der
GB 2 354 389
A und
US 6
798 406 B1 bekannt für den Bereich der 3D-Fotografie.
Hier wird der Ansatz verfolgt, die Wiedergabe zu optimieren, indem
die erwarteten Betrachtungsbedingungen bereits bei der Aufnahme
nach einem speziellen Verfahren berücksichtigt werden.
Dieser Ansatz ist jedoch für den Bereich der virtuellen
Realität ungeeignet. Definitionsgemäß enthält
jede Anwendung der virtuellen Realität interaktive Elemente, z.
B. die Navigation des Betrachters in der virtuellen Umgebung. Insofern
sind Anwendungen der virtuellen Realität dadurch charakterisiert,
dass die Betrachtungsbedingungen in nicht vorhersehbarer Weise variieren
und daher diese verschiedenen Interaktionen bei der Anfertigung
der Bilder nach dem genannten Stand der Technik auch nicht berücksichtigt werden
können.
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Dreidimensionale
Projektionssysteme sind schon seit längerem bekannt. Hierbei
existieren sog. blickabhängige (gaze contingent) Projektionssysteme,
die in einer Übersicht von
Jaimes, A. und Sebe, N.,
Multimodal human computer interaction: a survey, IEEE International
Workshop an Human Computer Interaction in conjunction with ICCV,
2005, Beijing, China ausführlich dargestellt sind.
Die in diesem Bereich verfolgten Ansätze zielen aber primär
darauf ab, die dargestellten Inhalte mit willentlichen Blickbewegungen
zu verknüpfen, indem beispielsweise Programme durch Betrachtung
von virtuellen Schaltflächen gesteuert werden (so etwa
auch in der
US 5 859 642 ).
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In
der Veröffentlichung von Ware, C., Gobrecht, C.,
und Paton, M. A., Dynamic adjustment of stereo display parameters,
IEEE Transactions an Systems, Man and Cybernetics – Part
A: Systems and Humans, 28, 56–65 aus dem Jahr 1998 wird
ein anderes Verfahren zur dynamischen Anpassung von Parametern einer
stereoskopischen Darstellung skizziert wird. In diesem Ansatz wird
vorgeschlagen, einen Parameter der stereoskopischen Projektion zu variieren,
allerdings ohne dabei auf die jeweiligen anwenderseitigen Betrachtungsbedingungen
Bezug zu nehmen. Statt dessen orientiert sich dieses Verfahren einzig
an dem jeweils dargestellten Ausschnitt der virtuellen Umgebung.
Deshalb ist die Wirksamkeit dieses Ansatzes bereits aufgrund von
theoretischen Überlegungen in Zweifel zu ziehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung gattungsgemäßer Art derart weiter
zu entwickeln, dass der Tiefeneindruck von dreidimensional projizierten
Objekten über einen weiten Bereich erhalten bleibt und die
visuelle Beanspruchung des Anwenders verringert wird.
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Die
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 19 in Zusammenwirken
mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung hinsichtlich des Verfahrens gemäß Anspruch
1 geht aus von einem Verfahren zur ergonomischen Darstellung der
räumlichen Tiefe von Objekten in virtuellen Umgebungen,
bei dem die Ansicht des mindestens einen Objektes mittels eines stereoskopischen
Projektionssystems mindestens einem Betrachter in Form sich überlagernder
Bilder für jedes Auge des Betrachters dargeboten wird.
Ein derartiges Verfahren wird dadurch weiter entwickelt, dass mittels
einer Erkennungseinrichtung mindestens ein Auge des Betrachters
laufend überwacht wird, um Informationen über
die jeweils aktuellen realen Betrachtungsbedingungen, insbesondere
die Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand und/oder die Lage
der Augen des Betrachters oder daraus abgeleitete Werte zu gewinnen,
wobei mit diesen Informationen über die Betrachtungsbedingungen
in Echtzeit die technischen Parameter der Projektion, insbesondere
die Parallaxe und/oder die Konvergenzdistanz der sich für
den Betrachter überlagernden Bilder des Objektes in einer
Auswerteeinheit automatisch derart beeinflusst werden, dass sich
ein räumliches Bild des Objektes mit einem räumlichen Tiefeneindruck
ergibt, der permanent auf sich ändernde Betrachtungsbedingungen
abgestimmt ist. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip der sensorgestützt
dynamischen und automatischen und in Echtzeit erfolgenden Anpassung
der Projektion der sich überlagernden Bilder an die wechselnden
Betrachtungsbedingungen, die sich aus den verschiedenen erfassten
Werten des mindestens einen Auges des Betrachters ableiten lassen.
Hierbei werden die Parameter der Projektion vornehmlich aufgrund
von unwillkürlichen Blickbewegungen des Anwenders optimiert,
so dass sie unter den jeweiligen Betrachtungsbedingungen ergonomischen
Anforderungen genügt. Hierdurch können durch eine
fortlaufende Registrierung der Betrachtungsbedingungen des oder
der Augen des Betrachters und eine entsprechende Anpassung der Projektion
in Echtzeit die vorstehend genannten Probleme beseitigt bzw. verringert
werden. Zur Erfassung der Blickrichtung und/oder des Pupillenabstandes
und/oder der Lage der Augen des Betrachters eignen sich beispielsweise
Geräte zur Erfassung von Augen- und Blickbewegungen, wobei
zu berücksichtigen ist, dass solche Geräte in
sogenannten autostereoskopischen Projektionssystemen aus anderen
Gründen bereits integriert sein können. Aufgrund
der Daten eines solchen Geräts kann beispielsweise die
Parallaxe an den realen Pupillenabstand des Betrachters angepasst
werden. Durch die Erfassung der Augen- bzw. Blickdaten des Beobachters
kann dann in einer denkbaren Ausgestaltung die Projektion laufend
und in Echtzeit z. B. so verändert werden, dass das jeweils
betrachtete Objekt für den Betrachter entweder im Bereich
der Projektionsebene des stereoskopischen Projektionssystems oder
im Bereich zwischen Fixationsdistanz und Akkomodationsdistanz der
Augen für das Objekt angeordnet zu sein scheint und damit
für den Betrachter eine ergonomisch gut erfassbare räumliche
Darstellung des Objektes mit einem räumlichen Tiefeneindruck
erzielbar ist. Die Anordnung der räumlichen Darstellung des
Objektes entweder im Bereich der Projektionsebene des stereoskopischen
Projektionssystems oder im Bereich zwischen Fixationsdistanz und
Akkomodationsdistanz der Augen kann dabei wahlweise und ggf. auch
abhängig von den Aufgaben gewählt werden, die
in der in virtuellen Umgebung gelöst werden sollen. Auch
ist es denkbar, dass verschiedene Betrachter je nach Vorliebe bzw.
subjektivem Empfinden sich aus den verschiedenen möglichen
und sinnvollen Projektionsparametern die jeweils für sie
als günstig empfundenen Parameter aussuchen bzw. einstellen.
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Für
die Anpassung der Konvergenzdistanz gibt es verschiedene Methoden,
von denen im Folgenden die beiden bevorzugt genannten Methoden beschrieben
werden. Dabei wird der Fall betrachtet, dass ein Objekt vor der
Projektionsfläche dargestellt wird, für Objekte
hinter der Projektionsfläche sind die genannten Methoden
in analoger Weise anzuwenden.
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In
einer ersten Ausgestaltung können die Parameter der Projektion
der sich für den Betrachter überlagernden Bilder
des Objektes derart in Echtzeit verändert werden, dass
die Konvergenzdistanz an die aus den Informationen über
die jeweils aktuelle Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand
und/oder die Lage der Augen des Betrachters ermittelte Akkomodationsdistanz
des Betrachters angeglichen wird. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung
die vom Betrachter wahrgenommene Darstellung des Objektes auf der
Projektionsfläche des stereoskopischen Projektionssystems
zu liegen kommen. Die Parameter der Projektion werden dabei nach
dem Erkennen, dass der Betrachter ein Objekt anschaut, so adjustiert,
dass sich das gerade betrachtete Objekt auf der Ebene des Bildschirms
zu befinden scheint. Damit können Akkomodations- und Fixationsprozesse
des Auges synchronisiert erfolgen, wie dies auch unter realen Wahrnehmungsbedingungen
der Fall ist. Dieses Prinzip erfordert die Registrierung der Blickrichtung
durch die Erkennungseinrichtung. Eine Eigenschaft dieser Ausgestaltung
ist es, dass Objekte vor oder hinter der Projektionsebene auf die
Projektionsebene scheinbar springen, wenn sie von dem Betrachter
direkt betrachtet werden, und wieder in die ursprüngliche
Raumtiefe zurückspringen, wenn das Auge des Betrachters
andere Objekte fokussiert. Dahingegen ist die Art der Belastung
des Auges günstig, da die Akkomodations- und Fixationsprozesse
des Au ges synchronisiert und damit wie in realen Umgebungen erfolgen.
Von Vorteil ist es hierbei, wenn die Konvergenzdistanz derart verändert
wird, dass die Schnittpunkte von Konvergenz und Akkomodation der
Augen im wesentlichen übereinstimmen, wozu es schon ausreichen
kann, allein die Blickrichtung der Augen des Betrachters durch die
Erkennungseinrichtung zu erfassen.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist es denkbar, dass die
Parameter der Projektion der sich für den Betrachter überlagernden
Bilder des Objektes derart in Echtzeit verändert werden,
dass die Konvergenzdistanz an die aus den Informationen über
die jeweils aktuelle Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand
und/oder die Lage der Augen des Betrachters ermittelten Fixationsdistanz
des Betrachters angeglichen wird. Die Parameter der Projektion werden
dabei nach dem Erkennen, dass der Betrachter ein Objekt anschaut,
bei dieser Ausgestaltung so adjustiert, dass das gerade betrachtete
Objekt im Konvergenzpunkt zu liegen scheint und damit vor oder hinter
der Projektionsfläche des stereoskopischen Projektionssystems
zu liegen kommt. Dieses Prinzip geht nicht davon aus, dass die Fixation
immer auf der Projektionsebene erfolgt, der Fixationspunkt kann
auch davor oder dahinter liegen. Dieses Prinzip erfordert die Registrierung
der Blickrichtung durch die Erkennungseinrichtung. Auf diese Weise
werden Sprünge von Objekten vermieden, allerdings sind dann
auch Akkomodation und Fixation nicht mehr unter allen Bedingungen
synchronisiert. Denkbar ist es hierbei in einer ersten weiteren
Ausgestaltung, dass die Konvergenzdistanz derart verändert
wird, dass die Schnittpunkte von Konvergenz und Fixation des Auges
im wesentlichen übereinstimmen. In einer anderen Ausgestaltung
kann aber auch die Konvergenzdistanz derart verändert werden,
dass die Konvergenzdistanz aus einem Zwischenwert aus der jeweiligen
Fixationsdistanz und der Akkomodationsdistanz, vorzugsweise aus
dem Mittelwert, gebildet wird.
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Beiden
vorteilhaften Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass auf diese Weise
zuverlässig die Ausbildung eines Doppelbildes für
das jeweils gerade betrachtete Objekt verhindert wird, die als wichtigste Quelle
visueller Beanspruchung bei der Nutzung stereoskopischer Projektionssysteme
gelten. Die der Anpassung der technischen Parameter an die realen Betrachtungsbedingungen
zugrundeliegende Methode kann dabei wahlweise und ggf. auch abhängig
von den Aufgaben gewählt werden, die in der virtuellen Umgebung
gelöst werden sollen. Auch ist es denkbar, dass verschie dene
Betrachter je nach Vorliebe bzw. subjektivem Empfinden sich aus
den verschiedenen möglichen und sinnvollen Methoden die
jeweils für sie als günstig empfundene aussuchen
bzw. einstellen.
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In
einer bevorzugten Weise wird die Anordnung der beiden Bilder für
jedes Auges des Betrachters derart zueinander verschoben, dass sich
in Abhängigkeit von dem betrachteten Objekt für
den Betrachter entweder auf der Projektionsebene des stereoskopischen
Projektionssystems oder im Bereich zwischen Fixationsdistanz und
Akkomodationsdistanz der Augen ein räumliches Abbild des
Objektes ergibt. Abhängig von den erfassten Augen- und
Blickdaten des Betrachters werden im einfachsten Fall dann die beiden
sich überlagernden Bilder vorzugsweise horizontal bzw.
parallel zur Verbindungslinie der beiden Augenmittelpunkte des Betrachters
aufeinander zu oder voneinander weg verschoben und damit die Art
der Überlagerung in den Augen des Betrachters in dem vorstehend
genannten Sinne beeinflusst.
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Von
großer Bedeutung ist es bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren, dass die Erkennungseinrichtung laufend die jeweils aktuelle
Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand und/oder die Lage der Augen
des Betrachters erfasst und in Echtzeit an die Auswerteeinheit weiterleitet,
damit die Auswerteeinheit möglichst synchron zu den Augenbewegungen des
Betrachters die entsprechenden Parameter der Projektion der beiden
sich überlagernden Bilder verändern kann.
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Es
ist allerdings auch denkbar, dass die Erkennungseinrichtung die
jeweils aktuelle Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand und/oder
die Lage der Augen von mehr als einem Betrachter erfasst, die sich
z. B. gleichzeitig vor einer großflächigen Projektionseinrichtung
befinden und die gleiche oder auch unterschiedliche Objekte beobachten
können. Hierdurch kann für jeden Betrachter einzeln
festgestellt werden, welches Objekt er gerade anschaut und wie die
Projektion dieses Objektes für diesen Betrachter geändert
werden muss, um eine im vorstehenden Sinne ergonomisch optimierte
Darstellung des Objektes zu erzeugen. Damit können dann
nach der getrennten Erfassung folgerichtig von dem stereoskopischen
Projektionssystem für jeden der Betrachter angepasste Bilder
der jeweils betrachteten Objekte dargestellt werden, die vorzugsweise
zeitversetzt, vorzugsweise mittels Zeitmultiplex gestaffelt darstellt
werden und somit jeder Betrachter die für ihn gedachten
sich überlagernden Bilder zu sehen bekommt.
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Vorteilhaft
ist es hierbei, wenn die Auswerteeinheit die in Echtzeit von der
Erkennungseinrichtung laufend erfassten Informationen über
die jeweils aktuelle Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand und/oder
die Lage der Augen des Betrachters auf Veränderungen überwacht
und beim Auftreten von Veränderungen die Parameter der
Projektion der sich für den Betrachter überlagernden
Bilder des Objektes in Echtzeit an die geänderten Informationen über die
Augen des Betrachters anpasst. Damit ist gewährleistet,
dass mit vertretbarem Aufwand nach dem Erkennen von Veränderungen
eine synchrone Veränderung der Projektion des Objektes
erfolgt und der räumliche Eindruck für den Betrachter
erhalten bleibt und dauerhaft ergonomisch optimiert erfasst werden
kann.
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Die
Erfindung umfasst ebenfalls gemäß Anspruch 19
eine Vorrichtung zur ergonomischen Darstellung der räumlichen
Tiefe von Objekten in virtuellen Umgebungen, bei dem die Ansicht
des mindestens einen Objektes mittels eines stereoskopischen Projektionssystems
mindestens einem Betrachter in Form sich überlagernder
Bilder für jedes Auge des Betrachters dargeboten wird.
Hierbei wird eine derartige Vorrichtung dadurch ausgestaltet, dass
im Bereich des stereoskopischen Projektionssystems eine Erkennungseinrichtung
angeordnet ist, die Informationen über die jeweils aktuelle
Blickrichtung und/oder den Pupillenabstand und/oder die Lage von
mindestens einem der Augen des Betrachters oder daraus abgeleitete
Werte erfasst und an eine Auswerteeinheit zur Beeinflussung der
Parameter der Projektion der sich für den Betrachter überlagernden
Bilder des Objektes weiterleitet, und die Auswerteeinheit die Parameter
der Projektion derart verändert und das stereoskopische
Projektionssystem in Echtzeit derart ansteuert und die technischen
Parameter der Projektion, insbesondere die Parallaxe und/oder die
Konvergenzdistanz, der sich für den Betrachter überlagernden
Bilder des Objektes derart ändert, dass sich für
den Betrachter ein räumliches Bild des Objektes mit einem
räumlichen Tiefeneindruck ergibt, der permanent auf sich ändernde
Betrachtungsbedingungen abgestimmt ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es wenn, die Erkennungseinrichtung ein Gerät
zur Erfassung der Augenbewegungen und/oder der Blickbewegungen, insbesondere
ein Eye-Tracking-System aufweist, das als an sich handelsübliches
Gerät einfach und relativ kostengünstig zu beschaffen
ist und hinsichtlich seiner Funktion sicher die Erfassung der Augenbewegungen
erlaubt. Da derartige Eye-Tracking-Systeme an sich bekannt sind,
soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.
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Weiterhin
sollte die Erkennungseinrichtung im Bereich der Projektionsebene
oder zwischen der Projektionsebene des stereoskopischen Projektionssystems
und dem Betrachter derart angeordnet und ausgerichtet sein, dass
die Erkennungseinrichtung die Augen des Betrachters laufend überwachen kann.
Hierzu kann die Erkennungseinrichtung beispielsweise an der Projektionsebene
des stereoskopischen Projektionssystems fest angeordnet und auf die
Augen des Betrachters ausgerichtet sein.
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Es
ist aber ebenfalls denkbar, dass die Erkennungseinrichtung im direkten
Umfeld der Augen des Betrachters angeordnet, vorzugsweise in ein
im direkten Umfeld der Augen des Betrachters angeordnetes Projektionssystem
integriert ist. Derartige im direkten Umfeld der Augen des Betrachters
angeordnete Projektionssysteme sind beispielsweise sog. Head-Mountes-Displays,
die etwa in einer Brille integriert oder an einer Kopfhalterung
befestigt sein können und sich in der Regel in unmittelbarer
Nähe vor dem oder den Augen befinden. Damit decken diese Head-Mounted-Displays
das normale Gesichtsfeld des Betrachters ab und eignen sich auch
zur Anordnung einer entsprechenden Erkennungseinrichtung.
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Es
ist weiterhin denkbar, dass das stereoskopische Projektionssystem
eine großflächige Darstellungseinrichtung für
die Bilder des Objektes oder auch wie schon vorstehend beschrieben
eine im direkten Umfeld der Augen des Betrachters angeordnete Projektionseinrichtung,
vorzugsweise eine getrennte Projektionseinrichtung für
jedes Augen des Betrachters aufweist. Großflächige
stereoskopische Projektionssysteme können bevorzugt auch
mit einer Shutterbrille verwendet werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt die Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 – eine
Darstellung der geometrischen und optischen Einflussgrößen
auf die stereoskopische Projektion,
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2 – eine
Darstellung der geometrischen und optischen Einflussgrößen
auf die stereoskopische Projektion bei der Anpassung der Konvergenzdistanz
an die Akkomodationsdistanz,
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3 – eine
Darstellung der geometrischen und optischen Einflussgrößen
auf die stereoskopische Projektion bei der Anpassung der Konvergenzdistanz
an die Fixationsdistanz,
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4 – ein
schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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In 2 sind
die geometrischen und optischen Einflussgrößen
auf die stereoskopische Projektion bei der Anpassung der Konvergenzdistanz 7 an
die Akkomodationsdistanz 9 dargestellt, auf der Grundlage
der Messwerte der Erkennungseinrichtung 15. Ausgangspunkt
ist dabei die Situation, dass die Konvergenzdistanz 7 von
der Akkommodationsdistanz 9 so weit abweicht, dass das
betrachtete Objekt 13 als dicht vor den Augen 3, 4 und
deshalb als Doppelbild wahrgenommen wird. Durch Vergrößerung
der Konvergenzdistanz 7 wird nun die räumliche Lage
der Darstellungen 14' für das rechte und das linke
Auge 3, 4 auf der Projektionsfläche 2 durch
Verschiebung entlang der Pfeile 12 zur Deckung gebracht,
so dass die Schnittpunkte von Konvergenz und Akkomodation übereinstimmen
und das räumliche Bild 13 des Objektes 1 entsteht.
Die sich kreuzenden Sehstrahlen 10 schneiden sich dann
nach der Verschiebung in den Sehstrahlen 10' auf der Projektionsfläche.
Subjektiv bewegen sich die beiden Darstellungen 13 analog
auf die Projektionsfläche 2 zu und können
dort schließlich zu einer dreidimensionalen Bild 13 fusioniert
werden. Auf diese Weise ist also die angepasste Darstellung von
Objekten 1 möglich, wobei allerdings das jeweils
betrachtete Objekt 1 immer auf der Ebene der Projektionsfläche 2 erscheint.
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In 3 ist
der Fall dargestellt, dass aufgrund der Messwerte der Erkennungseinrichtung 15 die
Konvergenzdistanz 7 an die Fixationsdistanz 8 angepasst
wird. Ausgangspunkt ist dabei die Situation, dass die Konvergenzdistanz 7 von
der Fixationsdistanz 8 so weit abweicht, dass das betrachtete
Objekt 1 als dicht vor den Augen und deshalb als Doppelbild
wahrgenommen wird. Durch Vergrößerung der Konvergenzdistanz 7 zur
Konvergenzdistanz 7' wird nun die räumliche Lage
der Darstellungen 14 für das rechte und das linke
Auge 3, 4 auf der Projektionsfläche 2 soweit
an geglichen, dass die Schnittpunkte von Konvergenz und Fixation übereinstimmen.
Die beiden Darstellungen 13 können schließlich in
einem Bereich vor der Projektionsfläche 2 zu einer dreidimensionalen
Bild 13' fusioniert werden. Auf diese Weise ist also auch
die angepasste Darstellung von Objekten 1 vor und hinter
der Projektionsfläche 2 möglich.
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In
beiden betrachteten Situationen gemäß 2 und 3 besteht
aber weiterhin eine Fehlanpassung, im ersten Fall an die Fixationsdistanz 8,
im zweiten an die Akkommodationsdistanz 9. Welches der
genannten oder auch anderen Prinzipien zur Korrektur der Projektionsparameter
vorzuziehen ist, hängt nicht unwesentlich vom subjektiven
Empfinden des Betrachters ab. Dabei ist auch zu prüfen,
ob eine kompromisshafte Einstellung der Konvergenzdistanz 7,
etwa auf den Mittelwert von Fixationsdistanz 8 und Akkomodationsdistanz 9,
zu einer Minimierung der psychischen Beanspruchung des Betrachters
führt.
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Abschließend
sei festgestellt, dass durch eine fortlaufende Registrierung der
Betrachtungsbedingungen in analoger Weise auch Probleme der idealisierten,
konstanten und zentrierten, Position des Betrachters behoben werden
können. Solche statischen Zwangshaltungen sind unter ergonomischen Gesichtspunkten
unbedingt zu vermeiden, so dass zusätzlich ein Beitrag
zur Verringerung der physischen Beanspruchung geleistet werden kann.
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In
der 4 ist in einer sehr schematischen Darstellung
der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, die bei der Betrachtung eines Objektes 1 durch
die beiden Augen 3, 4 eines Betrachters entsteht.
Hierbei wird ein Bild des Objektes 1 auf einer Projektionseinrichtung 16 in vorstehend
beschriebener Weise erzeugt, wobei gleichzeitig eine etwa als Eye-Tracking-System
ausgebildete Erkennungseinrichtung 15 die Bewegungen der
Augen 3, 4 in Bezug auf die jeweils aktuelle Blickrichtung 10 und/oder
den Pupillenabstand 5 und/oder die Lage der Augen 3, 4 überwacht.
Diese Informationen 18 werden zu einer Auswerteeinheit 17 übertragen,
die zum einen ermittelt, welches Objekt 1 der virtuellen
Umgebung der Betrachter gerade fixiert und daraus eine Anpassung
der Parameter der Projektion der beiden sich überlagernden
Bilder 14 vornimmt, die den linken und dem rechten Auge 3, 4 des
Betrachters jeweils getrennt zu sehen gegeben werden. Diese geän derten
Parameter werden dann als Steuersignale 19 der Projektionseinrichtung 16 übermittelt.
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Vorstehend
beschrieben ist eine solche blickabhängige Variation der
Darstellungsparameter, bei der die Projektion auf eine einzelne
Person abgestimmt wird. In der beschriebenen Form eignet sich das
Verfahren also für individuell ausgerichtete Projektionssysteme,
wie dies z. B. die meisten autostereoskopischen Bildschirme sind.
Aber auch für auf mehrere Personen ausgerichtete Systeme
sind analoge technische Lösungen möglich, indem
das Eye-Tracking-System mehrere Augenpaare 3, 4 gleichzeitig
verfolgt und die jeweils angepasste Projektion durch Zeitmultiplexierung
dargestellt wird. Dieses Verfahren ist z. B. bereits bei Shutter-Systemen
zur Trennung der Signale für das linke und rechte Auge 3, 4 gebräuchlich.
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Die
Erfindung könnte hinsichtlich ihrer Anwendung als Standard-Element
in stereoskopischer Projektionssysteme integriert und beispielsweise
in folgenden Bereichen angewendet werden:
- • Industrie
(z. B. Computer Aided Design, Virtuelles Prototyping)
- • Medizin (z. B. Stereoendoskopie)
- • Freizeit und Unterhaltung (z. B. Computerspiele, Freizeitparks)
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- 1
- Objekt
- 2
- Projektionsfläche
- 3
- linkes
Auge
- 4
- rechtes
Auge
- 5
- Pupillenabstand
- 6
- Parallaxe
- 7,
7'
- Konvergenzdistanz,
unkorrigiert und korrigiert
- 8
- Fixationsdistanz
- 9
- Akkomodationsdistanz
- 10,
10'
- Sehstrahl,
unkorrigiert und korrigiert
- 11
- Verschiebung
Objektbild
- 12
- Verschiebung
Teilbild
- 13,
13'
- Darstellung
des virtuellen Objekts, unkorrigiert und korrigiert
- 14,
14'
- (überlagernde)
Bilder des Objekts auf der Projektionsfläche, unkorrigiert
und korrigiert
- 15
- Erkennungseinrichtung
- 16
- Projektionseinrichtung
- 17
- Auswerteeinheit
- 18
- Informationen
- 19
- geänderte
Parameter Projektion
- 20
- Fixationspunkt
- 21
- Konvergenzpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 2354389
A [0008]
- - US 6798406 B1 [0008]
- - US 5859642 [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 33402-2,
2005 [0006]
- - Jaimes, A. und Sebe, N., Multimodal human computer interaction:
a survey, IEEE International Workshop an Human Computer Interaction
in conjunction with ICCV, 2005 [0009]
- - Ware, C., Gobrecht, C., und Paton, M. A., Dynamic adjustment
of stereo display parameters, IEEE Transactions an Systems, Man
and Cybernetics – Part A: Systems and Humans, 28, 56–65 aus
dem Jahr 1998 [0010]