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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Projizieren von
Bildern bzw. Bilddaten durch einen Laser-Projektor auf eine Projektionsfläche,
wobei ein von dem Projektor emittierter Laserstrahl oder mehrere
von dem Projektor emittierte Laserstrahlen die Bilddaten auf die
Projektionsfläche projizieren, und wobei die Lage des Projektors
relativ zur Projektionsfläche ermittelt wird und die so
ermittelten Lageinformationen einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit
zugeführt werden, welche die auf die Projektionsfläche
zu projizierenden Bilddaten in Abhängigkeit von den ermittelten
Lageinformationen an die relative Lage des Projektors zu der Projektionsfläche
anpasst. Bei der Projektion werden die Bilddaten also durch Laserlicht
auf eine geeignete Projektionsfläche, etwa eine Leinwand,
eine Gebäudewand, einen Bildschirm oder ein Display projiziert.
Die Erfindung betrifft ferner eine diesem Verfahren entsprechende
Vorrichtung.
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Verfahren,
bei denen neben der Projektion der Bilder auch die Lage, insbesondere
die Entfernung und/oder die relative Ausrichtung zwischen dem Projektor
und der Projektionsfläche ermittelt wird, werden beispielsweise
zur automatischen Behebung von Abbildungsfehlern und/oder zur automatischen
Fokussierung eines zu projizierenden Bildes auf der Projektionsfläche
angewandt. Zu den Abbildungsfehlern gehört vor allem eine
Verzerrung des projizierten Bildes, die dann entsteht, wenn die
Projektionsmittelachse des Projektors und die Projektionsfläche
nicht senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Das auf die Projektionsfläche
projizierte Bild ist dann derart verzerrt, dass es in Richtung zu
einem ersten Randbereich der Projektionsfläche hin größer erscheint
als in Richtung zu einem zweiten Randbereich der Projektionsfläche,
der dem ersten Randbereich gegenüberliegt. Wenn beispielsweise
die Projektionsmittelachse des Projektors bei einem rechteckigen
Bild um eine parallel zu einer Bildseite liegende Achse aus einer
exakt senkrechten Ausrichtung zu einer ebenen Projektionsfläche
ausgelenkt ist, erscheint das projizierte Bild in der Form eines
Trapezes.
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Die
dann für den Betrachter sichtbaren Verzerrungen des projizierten
Bildes werden üblicherweise mittels einer Keystone- oder
Trapez-Korrektur entzerrt, bei denen der auftretenden Verzerrung
eine optisch oder elektronisch künstlich erzeugte Gegen-Verzerrung
des zu projizierenden Bildes entgegenwirkt.
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Viele
Dia- und Videoprojektoren verfügen hierfür über
eine automatische Korrekturmöglichkeit, die sogenannte
automatische Trapez- oder Keystone-Korrektur. Die vertikale Ausrichtung
des Projektors wird bei der automatischen Keystone-Korrektur mittels
eines Sensors erfasst und das projizierte Bild mit einer künstlichen
Verzerrung versehen, welche die aufgrund der Neigung des Projektors
auf einer lotrechten Projektionsfläche zu erwartende Verzerrung des
projizierten Bildes ausgleicht.
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Eine
Weiterentwicklung in der Korrektur dieser Abbildungsfehler zeigt
die teilweise in Projektoren der Firma NEC eingebaute Funktion „verbesserte 3D-Reform".
Hierbei wird eine automatische Keystone-Korrektur mit einer manuellen
Anpassung des projizierten Bildes an die Projektionsfläche
kombiniert. Dabei werden in mehreren manuellen Arbeitsschritten
die Bildkanten des projizierten Bildes auf der Projektionsfläche
ausgerichtet.
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Aus
der
DE 42 04 821 A1 ist
ein weiteres Verfahren zur Behebung von Abbildungsfehlern bzw. zur Entzerrung
von Bildern bekannt. Dabei werden Bilder aus einem an einem Verkehrsmittel
befestigten Laserprojektor auf eine außerhalb des Verkehrsmittels befindliche
Projektionsfläche projiziert, zum Beispiel von einem Zug
auf eine Tunnelwand. Zwei an vertikal unterschiedlichen Stellen
des Zugs befindliche Abstandsmesser messen den jeweiligen Abstand
zu der Tunnelwand. Aus den beiden Abstände wird der Neigungswinkel
der Tunnelwand zur Projektionsmittelachse des am Zug angebrachten Projektors
berechnet, und anhand des so berechneten Neigungswinkels wird dann
das zu projizierende Bild automatisch entzerrt. Dabei muss allerdings
die Krümmung des Tunnels im Bereich der Projektion bekannt
und über den Fahrtverlauf konstant sein, damit die Entzerrung zu
brauchbaren Ergebnissen führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der
eingangs genannten Art bereitzustellen, das die Ermittlung der Lage
des Projektors relativ zur Projektionsfläche auf besonders
einfache Weise ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass die Lageinformationen zu der relativen Lage des Projektors
mittels mindestens eines optischen Detektors ermittelt werden, welcher
Reflexionen des mindestens einen vom Projektor auf die Projektionsfläche
emittierten Laserstrahls von mindestens drei nicht auf einer Geraden befindlichen
Messpunkten der Projektionsfläche detektiert.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es dabei, die vom Projektor selbst emittierten
Laserstrahlen zur Ermittlung der benötigten Informationen
zur Lage des Projektors relativ zu zumindest drei Messpunkten der Projektionsfläche
zu nutzen. Die vom Projektor emittierten Strahlen werden von der
Projektionsfläche reflektiert und diese Reflexionen können
auf einfache Weise von dem mindestens einem optischen Detektor erfasst
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht somit darin, dass mit den reflektierten Laserstrahlen lediglich
solche Informationen genutzt werden, die ohnehin vorliegen. Die
bei der Laser-Projektion der Bilddaten auf die Projektionsfläche
entstehenden Reflexionen werden erfasst und brauchen von einer Steuerungs-
und/oder Regelungseinheit des Projektionssystems nur durch einfache
Algorithmen entsprechend ausgewertet zu werden. Auf eine ansonsten
notwendige gesonderte Bereitstellung von detektierbaren Signalen
kann somit verzichtet werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Ermittlung der für die Anpassung der Bilddaten benötigten
Lageinformationen bezüglich der relativen Lage der Projektionsfläche
zum Projektors ist daher mit besonders geringem Aufwand verbunden
und einfach ausführbar.
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Dabei
kann unter den Bilddaten im Sinne dieser Anmeldung ganz generell
das gesamte zu projizierende Bild oder auch nur ein abgrenzbarer
Teil des zu projizierenden Bildes verstanden werden.
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Die
Ermittlung der Lageinformationen zu der relativen Ausrichtung zwischen
dem Projektor und der Projektionsfläche kann entweder nur
einmal vor Beginn der Projektion oder aber während der
Projektion in gewissen Abständen wiederholt oder auch kontinuierlich
erfolgen, wodurch eine gewünschte Anpassung der Bilddaten
auch bei sich während der Projektion ändernden
Entfernungen oder Richtungsänderungen zwischen Projektor
und Projektionsfläche vorgenommen werden kann.
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Der
Laserprojektor kann insbesondere auf Scannerbasis ausgeführt
sein und dazu eine Ablenkeinrichtung mit einem oder mehreren beweglichen Spiegeln
enthalten. Bekannt sind hierbei vor allem biaxiale mikromechanische
Ablenkeinheiten, mit denen ein Laserstrahl in zwei Achsen abgelenkt
werden kann, um die gewünschte Darstellung auf der Projektionsfläche
zu erzeugen. Beispielsweise kann der Laserstrahl des Projektors
von einem resonant schwingenden Spiegel zeilenweise über
den Projektionsbereich des zu projizierenden Bildes gelenkt werden,
so dass die einzelnen Bildpunkte des zu projizierenden Bildes in
einem Raster aufgebaut sind. Die Wiederholrate eines derart nach
dem sogenannten „flying-spot" Prinzip erzeugten Bildes
kann beispielsweise bei 60 Hz liegen. Die Ermittlung der Lageinformationen
zur relativen Lage zwischen Projektor und Projektionsfläche
kann vorteilhafterweise während eines Bildscans des Laserprojektors
auf der Projektionsfläche vorgenommen werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass bei wiederholter Ermittlung der Lageinformationen
die Möglichkeit besteht, den Projek tor auch in bewegten Systemen
einzusetzen, also auch bei bewegten Projektoren oder bei Projektionsflächen,
die ihre relative Lage zum Projektor im Ganzen oder teilweise verändern.
Da durch die Detektion der Reflexionen die Daten zur relativen Lage
jederzeit und schnell zur Verfügung stehen, ermöglicht
das vorgeschlagene Verfahren insbesondere auch eine sehr schnell
ausgeführte Anpassung der projizierten Bildern für
den Fall, dass sich die relative Lage zwischen Projektor und Projektionsfläche
mit hoher Geschwindigkeit ändert.
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In
einer einfachen Ausführungsform erfolgt die Ermittlung
der Daten zur relativen Lage zwischen Projektor und Projektionsfläche
an drei Messpunkten der Projektionsfläche. Für
den Fall einer ebenen Projektionsfläche kann mit drei definierten
Messpunkten der Projektionsfläche die relative Ausrichtung
zwischen Projektor und Projektionsfläche bestimmt werden,
sofern diese drei Messpunkte nicht auf einer gemeinsamen Geraden
liegen. Die dann zur Verfügung stehenden Parameter reichen
für eine vollständige Anpassung des projizierten
Bildes aus. Falls die Projektionsfläche eben und größer
als die Fläche des projizierten Bildes ist so kann dabei
auch einer oder mehrere der auf der Projektionsfläche zu
definierenden mindestens drei Messpunkte außerhalb der
Fläche des projizierten Bildes gelegen sein.
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Ist
die relative Lage zwischen Projektor und Projektionsfläche
bestimmt, so muss für eine angepasste Bildprojektion weder
die Projektionsfläche vertikal ausgerichtet, noch die Projektionsmittelachse des
Projektors rechtwinklig zur Projektionsfläche ausgerichtet
sein. Dies bietet eine wesentlich höhere Variabilität
bei der Positionierung sowohl des Projektors als auch einer beweglichen
Projektionsfläche. Das Verfahren ermöglicht es
somit, einen Projektor in einer beliebigen Position zu einer Projektionsfläche aufzustellen,
um so beispielsweise Behinderungen der Sichtachse eines Betrachters
auf die Projektion vermeiden zu können.
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Insgesamt
wird auf diese Weise ein einfach durchzuführendes Verfahren
zur Erzielung einer optimierten, insbesondere entzerrten Bilddarstellung
geschaffen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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So
ist es beispielsweise besonders günstig, wenn die Lageinformationen
zur Lage des Projektors relativ zu der Projektionsfläche
mittels einer Laufzeitmessung der Laserstrahlen ermittelt werden.
Dabei wird die Zeit gemessen, die das Laserlicht für das Durchlaufen
der Strecke zwischen dem Projektor über die Projektionsfläche
und zurück bis zum Detektor benötigt, wie es an
sich beispielsweise beim sogenannten Lidar (Light detection and
ranging) bekannt ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn anhand der Lageinformationen die
Ausrichtung der Projektionsmittelachse des Projektors zu der Projektionsfläche
ermittelt wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Anpassung
der projizierten Bilddaten ermöglicht.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann
vorgesehen sein, dass anhand der Lageinformationen ein Oberflächenverlauf
von zumindest einem Teilbereich der Projektionsfläche ermittelt
wird. Dazu werden mehr als drei Messpunkte definiert, deren Abstand
zum Projektor ermittelt wird. Mit jedem weiteren Messpunkt kann
die Ausformung der Projektionsfläche präziser
bestimmt und somit die Anpassung der Projektion auch auf Projektionsflächen
mit einer im Vergleich zu einer Ebene komplizierteren Flächengeometrie
durchgeführt werden. Dabei ist auch eine Anpassung der
Projektion an Projektionsflächen ganz ohne ebene Flächeninhalte
ohne weiteres durchführbar.
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Unter
der Anpassung des projizierten Bildes in Abhängigkeit von
den ermittelten Lageinformationen ist vorzugsweise eine Entzerrung
des Bildes, also eine Darstellung des Bildes auf der Projektionsfläche
in einer zumindest nahezu winkeltreuen Abbildung zu verstehen, so
dass der Eindruck einer lotrechten Projektion auf die Projektionsfläche
gegeben ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn das zu projizierende Bild derart
emittiert wird, dass es auf der Projektionsfläche aus der
Perspektive einer bekannten Position eines Betrachters entzerrt
dargestellt wird. Das projizierte Bild kann dabei derart angepasst
werden, dass für eine bestimmte Position eines Betrachters
der Eindruck einer zumindest nahezu winkeltreuen Abbildung erzeugt
wird. Dies ermöglicht eine optimale Darstellung der projizierten
Bilddaten auch für eine nicht rechwinklig zur Projektionsfläche
ausgerichteten Sichtachse des Betrachters.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn die ermittelten Lageinformationen
die Entfernung zwischen dem Projektor und der Projektionsfläche
bzw. zwischen dem Projektor und zumindest einem Punkt der Projektionsfläche
umfassen. So kann die Anpassung der projizierten Bilddaten auch
an die Entfernung und die davon abhängende Darstellungsgröße der
Bilddaten erfolgen.
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Vorzugsweise
kann dabei auch die Bildpunktzahl des vom Projektor emittierten
Bildes an die Entfernung zwischen dem Projektor und der Projektionsfläche
angepasst werden. Gerade wenn auf der Projektionsfläche
Texte, Strukturen oder Bedienelemente dargestellt werden, ist es
von Vorteil, die Bildpunktzahl zum Beispiel abhängig von
der Darstellungsgröße verändern zu können,
um eine optimal angepasste Darstellung der Bilddaten zu erzielen. Laserprojektoren
ermöglichen grundsätzlich die Anpassung der Auflösung
des zu projizierenden Bildes, also eine Variation seiner Bildpunktzahl.
Bei einer entsprechend großen Entfernung zwischen Projektor und
Projektionsfläche können aufgrund des größer projizierten
Bildes mehr Bildpunkte aufgelöst werden als bei einer kleinen
Entfernung. Mit der Veränderung der Bildpunktzahl ändert
sich auch die Menge der im Bild darstellbaren Bildinformationen.
Wird die Bildpunktzahl erhöht, können entsprechend
mehr Bildinformationen dargestellt werden, wird sie verringert, entsprechend
weniger. Bei einer entsprechend kleinen Entfernung zwischen Projektor
und Projektionsfläche kann die Bildpunktzahl des zu projizierenden Bildes
beispielsweise herabgesetzt werden und so der Energieverbrauch des
Projektors reduziert werden, ohne die Lesbarkeit der Bildinformationen
zu verschlechtern.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann auch die Helligkeit
und/oder der Kontrast des projizierten Bildes anhand der ermittelten Lageinformationen,
insbesondere anhand der ermittelten Entfernung angepasst werden.
So können für bestimmte Entfernungen und/oder
Winkelausrichtungen zwischen Projektor und Projektionsfläche
vorgegebene Helligkeits- und/oder Kontrasteinstellungen automatisch
angewandt werden. Dies ermöglicht beispielsweise bei entsprechend
kleiner Darstellungsgröße eine Reduzierung der
Helligkeit und damit auch des Energieverbrauchs.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Projektion
von Bilddaten auf eine Projektionsfläche, die insbesondere
zur Durchführung des Verfahrens der vorangehend beschriebenen
Art geeignet ist. Eine derartige Vorrichtung umfasst einen Projektor
zum Emittieren von mindestens einem Laserstrahl, eine Steuerungs- und/oder
Regelungseinheit, sowie eine mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit
verbundene Messvorrichtung zur Messung der Lage des Projektors relativ
zur Projektionsfläche wobei die Messvorrichtung mindestens
einen optischen Detektor umfasst, durch den Reflexionen des mindestens
einen vom Projektor auf die Projektionsfläche emittierten Laserstrahls
von mindestens drei nicht auf einer Geraden befindlichen Messpunkten
der Projektionsfläche detektiert werden können.
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Auf
eine bei herkömmlichen Projektionsvorrichtungen notwendige
gesonderte Bereitstellung von detektierbaren Signalen zur Ermittlung
von Informationen zur Anpassung der projizierten Bilddaten kann
hier verzichtet werden, wodurch die erfindungsgemäße
insgesamt weniger Teile benötigt und somit ebenso wie die
gesamte Projektionsvorrichtung besonders kompakt gebaut werden kann.
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Der
erfindungsgemäße Projektor kann dabei insbesondere
portabel, beispielsweise als Beamer ausgeführt sein.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn die Messvorrichtung und vorzugsweise
auch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit in den Projektor integriert
ist bzw. sind, so dass die zur Durchführung des Verfahrens
notwendigen Einrichtungen im Projektor vorhanden sind. Ebenso ist
es jedoch möglich, dass die auf die Projektionsfläche
zu projizierenden Bilddaten mittels eines den Projektor ansteuernden externen
Systems an die ermittelten Lageinformationen zur Entfernung bzw.
zur relativen Ausrichtung zwischen Projektor und Projektionsfläche
angepasst werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung ist im Rahmen einer schematischen Darstellung des
Strahlengangs eines Projektors für ein erfindungsgemäß durchgeführtes
Verfahren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert
wird.
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Ausführungsform der
Erfindung
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Die
Zeichnung zeigt eine ebene Projektionsfläche 1,
auf die mit einem Projektor 2 Bilddaten in Form eines Bildes 3 projiziert
werden. Dabei ist der Projektor 2 an einer von einem Betrachter 4 entfernten
Position seitlich und unterhalb der Projektionsfläche 1 angeordnet.
Die Projektionsmittelachse 5 des Projektors 2 ist
somit schräg gegenüber der Projektionsfläche 1 geneigt.
Ohne eine Anpassung der zu projizierenden Bilddaten würde
das projizierte Bild 3 daher für den Betrachter 4 verzerrt
dargestellt werden.
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Der
auf Scannerbasis ausgeführte Projektor 2 projiziert
die Bilddaten mittels Laserstrahlen, die durch eine interne Ablenkeinrichtung
mit beweglichen Spiegeln in der erforderlichen Weise abgelenkt werden.
Auf der Projektionsfläche 1 sind außerhalb der
Bildfläche des Bildes 3 vier Messpunkte 6–9 definiert.
Bei jedem Bildscan des Projektors 3 werden die Projektionspunkte 6–9 einmal
abgetastet. Dabei weist der auf die Projektionspunkte 6–9 projizierte
Laserstrahl typische, an sich bekannte Modulationsmuster auf. Die
von den Messpunkten 6–9 reflektierten
Modulationsmuster werden durch einen am Projektor 2 erfindungsgemäß angeordneten
optischen Detektor detektiert und einer in den Projektor 2 integrierten
Steuerungs- und/oder Regelungseinheit zugeführt. Dort werden
sie weiterverarbeitet, so dass hieraus Informationen zur Lage des
Projektors 2 relativ zu diesen vier Messpunkten 6–9 ermittelt
werden.
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Anhand
der so ermittelten relativen Lage wird das zu projizierende Bild 3 von
der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit im Rahmen einer Anpassung
derart entzerrt, dass eine winkeltreue Abbildung der Bilddaten auf
die Projektionsfläche 1 projiziert wird. Da die
Sichtachse 10 des Betrachters 4 zumindest annähernd
senkrecht zur Projektionsfläche 1 ausgerichtet
ist, erscheint das Bild 3 für den Betrachter 4 auch
in einer zumindest nahezu winkeltreuen Abbildung. Neben der automatischen
Entzerrung können auch noch andere Anpassungen des projizierten
Bildes 3, beispielsweise in seiner Helligkeit und/oder
seinem Kontrast vorgenommen werden.
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Die
Widerholrate des nach dem „flying-spot" Prinzip erzeugten
Bildes 3 liegt hier bei 60 Hz, so dass die Abtastung der
vier Messpunkte 6–9 entsprechend oft
erfolgt. Hierdurch wird eine kontinuierliche Anpassung der Bilddaten
ermöglicht, die auch bei einer Bewegung des Projektors 1 stets
eine winkeltreu entzerrte Abbildung der Bilddaten auf der Projektionsfläche 1 erlaubt.
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Da
die Projektionsfläche 1 eben ausgeformt ist, würden
bereits drei der hier definierten vier Messpunkte 6–9 zur
exakten Ermittlung der relativen Lage zwischen dem Projektor 2 und
der Projektionsfläche 1 genügen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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