DE102009048853A1 - Video phone has four video cameras, computer-side video signal processing unit, two graphics processing units, and computing processor units - Google Patents

Abstract

The video phone has four video cameras, a computer-side video signal processing unit, two graphics processing units, and computing processor units. A transmitter side is provided for transmitting the signal of the data of the cameras. A receiver side is provided for the control and calculation of three-dimensional displays, where a completely externalized computation part is also provided.

Description

Das Bildtelefon wäre noch vor dem Fernsehen Realität geworden, wären die damit verbundenen technischen Probleme auch nur annähernd so leicht zu lösen gewesen. Da gibt es die altbekannte Einschränkung, dass wenn man einfach eine Videokamera neben/auf den Bildschirm stellt, man sich zwar sehen, aber nicht ansehen kann.The videophone would have become a reality even before television, if the associated technical problems were even nearly as easy to solve. There is the well-known restriction that if you just put a video camera next to / on the screen, you can see yourself but can not watch.

Dennoch hat man diese Funktion in viele Kamerahandys integriert: einfach, weil der Bildschirm so klein ist, ist der Kameraabstand (und damit die Sichtwinkeldifferenz) vertretbar gering. Viele schlaue Köpfe haben versucht, das Problem der richtigen und dimensionstreuen Abbildungsperspektive z B vermittels Halbspiegel und automatisierter Kameranachführung zu lösen. Meine Vorhersage lautet, dass ohne realisierte Dreidimensionalität Abbildungs- und Betrachtungsperspektive niemals realistisch genug über eins gebracht werden können, um einen realistischen Eindruck zu vermitteln. Denn auch wenn im genannten Beispiel die eigenen Stellzeiten des Abbildungsapparats keine Rolle spielen, es verdoppeln sich ja in dieser Anordnung auch die Laufzeiten. Die einzige Abhilfe wäre die Ruhigstellung des Kopfes, indem man ihn in einem Nackengestell festschnallt. Würden sie das wollen? Etwas sagt mir, dass sich diese technisch durchaus machbare Lösung dennoch nicht durchsetzen wird.Nevertheless, this function has been integrated into many camera phones: simply because the screen is so small, the camera distance (and thus the viewing angle difference) is reasonably low. Many clever minds have tried to solve the problem of the correct and dimensionally accurate imaging perspective by means of half-mirrors and automated camera tracking. My prediction is that without realized three-dimensionality, imaging and viewing perspectives can never be realistically brought over one to give a realistic impression. For even if in the example mentioned, the own positioning times of the imaging apparatus are irrelevant, the run times doubled in this arrangement. The only remedy would be the immobilization of the head by strapping it in a neck frame. Would you like that? Something tells me that this technically quite feasible solution will not prevail.

Aber ich will an dieser Stelle nicht die ganze Ideenevolution wiedergeben. Immer wieder wird man durch Erkenntnis falscher Vorraussetzungen gezwungen alles umzuwerfen, muss dann wiederum Einschränkungen hinnehmen usw. Früher oder später erkennt man die Notwendigkeit, zuerst einmal für sich die Bedingungen zu definieren, die die Erfindung erfüllen soll. Meine drei Hauptanforderungen an ein Bildtelefon lauten so:

• 1. Es soll ein gegenseitiger Augenkontakt möglich sein, weil das zu den wichtigsten mimischen Ausdrucksmöglichkeiten in einem Dialog zählt. – Können aufgenommene und wahrgenommene Perspektive nun aber nicht auf vernünftige Weise in Einklang gebracht werden, bleibt nur übrig, die letztere computergestützt errechnen zu lassen. Damit wird die Notwendigkeit bedingt, dass das übertragene Signal die volle dreidimensionale Information hergeben können muss. Selbst dann, wenn man am Ende doch nur eine 2D-Darstellung beabsichtigt. Da ist es doch nur konsequent, wie ich es hierin vorschlage, das Bildtelefon gleich von Anfang an als vollwertig 3D zu konzipieren.
• 2. Es ist zur Erzielung der dreidimensionalen Betrachtungsart nicht akzeptabel irgendwelche Geräte am oder im Gesicht tragen zu müssen. – Keine Kopfstützen im Nacken, keine auf die Stirn geklebten Minikameras und keine grün/roten, polarisierenden oder shutter-Brillen. Außerdem soll man ja nicht nur sehen, sondern auch gesehen werden können.
• 3. Das bedeutet auch, die Illusion der Dreidimensionalität muss sich über ein berührungsloses Wiedergabesystem vermitteln, welches die unterschiedlich-getrennte Perspektive der beiden Augen ausnutzen soll. – Nach meiner Einschätzung wird deshalb, wegen der Notwendigkeit zur Perspektivprojektion, eine solche Maschine niemals von jeweils mehreren Personen benutzt werden können. Eine der meinerseits akzeptierten Folgen davon ist, dass Konferenzgespräche nur über mehrere aneinander gereihte Fone möglich gemacht werden können.

But I do not want to reproduce the whole idea evolution at this point. Again and again one is forced to override everything by recognizing false preconditions, then again having to accept restrictions, etc. Sooner or later one recognizes the necessity of first defining for himself the conditions which the invention is intended to fulfill. My three main requirements for a Videophone are:

• 1. A mutual eye contact should be possible, because this is one of the most important facial expressions in a dialogue. - But if the perceived and perceived perspective can not be reasonably reconciled, all that remains is to have the latter computed computer-assisted. This implies the need for the transmitted signal to be able to give out the full three-dimensional information. Even if you only want a 2D representation in the end. Since it is only consistent, as I propose it herein, to design the videophone right from the beginning as fully fledged 3D.
• 2. It is not acceptable to wear any device on or in the face to achieve the three-dimensional viewing. - No headrests in the neck, no mini cameras glued to the forehead and no green / red, polarizing or shutter glasses. In addition, one should not only see, but also be seen.
• 3. This also means that the illusion of three-dimensionality has to be conveyed through a non-contact reproduction system, which is supposed to exploit the differently separated perspective of the two eyes. - In my estimation, therefore, because of the need for perspective projection, such a machine can never be used by more than one person at a time. One of the consequences of this being accepted by me is that conference calls can only be made possible through several consecutive fones.

Historiehistory

Die Reihe der Wissenschaftler und Firmen, die sich mit der Entwicklung von Bildtelefonen beschäftigt haben, ist lang und reicht einhundert Jahre in die Vergangenheit zurück. In keinem Sciencefiction, der etwas auf sich hält, fehlt der interaktive Schirm. Ein Menschheitstraum. Der früher oder später unweigerlich wahr gemacht werden wird: Sich zu begegnen, auszutauschen, ohne zu reisen. Seit Braun seine Röhre und Nipkow seine Scheibe erfand, versucht man es schon. Es wird Zeit. Seit J. Liu und R. Skerjanc in ihrem bahnbrechenden Artikel ”Bildtelefon mit virtueller Kamera zur Herstellung des Blickkontakts” die Richtung wiesen, war das Entwicklungsziel klar (12tes DAGM Symposium, Oberkochen-Aalen, 1990) . Wenn auch echtzeitige Rechenverfahren, die so noch nicht existierten, vorausgesetzt wurden und besonders – zu jener Zeit – alles andere als üblich große und schnelle Rechenleistungen angenommen wurden, in der vorrausschauenden Spekulation war die Idee der virtuellen Perspektive ihrer Zeit weit voraus. Zu weit jedenfalls für das darauf aufbauende EP 569 381 B1 ”Verfahren zur Korrektur der Blickrichtung beim Bildtelefon”. Darin sind die Gesprächsteilnehmer zwar schon selbst bewegungsfrei, sie sehen nur für ihre Gegenüber noch festgeschnallt aus, was schon mal einen erheblichen Fortschritt darstellt.The number of scientists and companies involved in the development of videophones is long, going back a hundred years to the past. In no science fiction that holds anything, the interactive screen is missing. A dream of mankind. That will sooner or later inevitably come true: to meet, to exchange, to travel without. Since Braun invented his tube and Nipkow invented his disc, it has been tried. It is time. since J. Liu and R. Skerjanc pointed the direction in their groundbreaking article, "Videophone with Virtual Camera for Making Eye Contact," (12th DAGM Symposium, Oberkochen-Aalen, 1990) , Even though real-time computational methods, which did not exist as yet, were assumed, and especially at that time, anything but large and fast computational services were accepted, in the prospective speculation the idea of the virtual perspective was far ahead of its time. Too far at least for the building on it EP 569 381 B1 "Method for correcting the line of sight of the videophone". In it, the participants are already motion-free, they look only for their counterpart still strapped, which is already a significant step forward.

Technikphilosophiephilosophy of technology

Meine Entwicklungsphilosophie lautet, an meinen Konzeptionskriterien keine Abstriche hinzunehmen, die Idee zum laufen zu bringen – und dann zu schauen, wie man es billiger machen kann. Auch, wenn in einem Einzelgerät zwischen 6 und 96 Millionen Halbleiter enthalten sein müssen. Ich habe gehört, Chips sind auch nur aus Sand, und nach welchen Kriterien sich die Preise von Produkten bestimmen, die aus dem Ende von vollautomatischen Fertigungsstraßen herauspurzeln, bleibt mir, wie den meisten Menschen, eh verschlossen.My development philosophy is not to accept any of my design criteria, to get the idea started - and then to see how it can be made cheaper. Even if in a single device between 6 and 96 million semiconductors must be included. I've heard that chips are all made of sand, too, and the criteria by which the prices of products that fall out of the end of fully automated production lines are, like most people, closed to me anyway.

Das letzte Puzzelteil, das noch fehlte, war das anwendungsspezifische Autostereoskop. Das entscheidende, diskrepante und ungelöste Qualitätsmerkmal von Autostereoskopen – ist die Schärfentiefe. Wie soll man sie steuern? Haben sie schon mal ein Stereogramm, ein so genanntes ”Schielbild” betrachtet? Dann wissen sie, es ist durchaus möglich, die Augen sich auf eine andere Entfernung einstellen zu lassen, als dem Punkt, an dem sich die Blickrichtungen kreuzen. Das funktioniert bei den meisten Menschen, ist aber unangenehm und anstrengend für unsere Sehorgane. The last piece of the puzzle that was missing was the application-specific autostereoscope. The crucial, discrepant and unsolved quality feature of autostereoscopes - is the depth of field. How should you control it? Have you ever considered a stereogram, a so-called "Schiel picture"? Then they know that it is quite possible to let the eyes adjust to a different distance than the point where the line of sight intersects. This works for most people, but is uncomfortable and exhausting for our organs of vision.

Das Problem besteht übrigens bei 3D-Brillen ja genauso. Genau genommen ist das, was man darin sehen kann eine Mischung aus 3D und 2D. Das wird bedingt durch eine unnatürliche Differenz zwischen echter Konvergenz (Triangulation der Augen) und unechter Akkomodation (Scharfstellung der Linsen). Liegt die virtuelle Objektausdehnung ohne größere Abweichung in der Nähe der Schärfentiefenebene, fällt das meist nicht weiter auf. Wir sind es ja auch vom fernsehen gewohnt, den fehlenden Tiefeneindruck in unserer Vorstellung hinzuzufügen. So fällt es uns ebenfalls relativ leicht, über die fehlende Tiefenschärfe in der 3D-Brille hinwegzuschauen, was ab einer gewissen, über die Armeslänge hinweggehenden Entfernung nicht mehr so ermüdend ist, wie bei einem Schielbild.Incidentally, the problem with 3D glasses is the same. Actually, what you can see in it is a mix of 3D and 2D. This is due to an unnatural difference between true convergence (triangulation of the eyes) and fake accomodation (focusing of the lenses). If the virtual object extent lies near the depth of field without major deviation, this usually does not occur any further. We are also used to it from the television, to add the lack of depth impression in our imagination. It is also relatively easy for us to overlook the lack of depth of field in the 3D glasses, which is not as tiring after a certain distance across the arm's length as in a picture of a schizo.

Doch selbst, wenn man die Möglichkeit zur synthetischen Schärfentiefe hätte, wie soll man die denn steuern? Woher wissen, auf welchen Bildaspekt der Betrachter seine Aufmerksamkeit richtet? Es ist keine behinderungsfreie und verlässliche Analysemöglichkeit für den Krümmungszustand der Augenlinsen bekannt. Aber auch wenn wir das könnten – das Auge stellt sich mit der Geschwindigkeit eines Wimpernschlags auf die Schärfe ein, und die Stellmechanik würde immer nur hinterherhinken. Für jede Anwendung, in der der Umfang der Schärfentiefe definierter Beschränktheit unterliegen darf, wie das beim Bildtelefon mit etwa einem Meter der Fall ist, ist die quasiechte Tiefe eines multiplanaren Raumdisplays das Darstellungsprinzip der Wahl.But even if you had the possibility of synthetic depth of field, how could you control them? How do you know which pictorial aspect the viewer directs his attention to? There is no disability-free and reliable analysis of the curvature of the eye lenses known. But even if we could - the eye sets with the speed of a blink of an eye on the sharpness, and the control mechanics would always lag behind. For any application in which the depth of field may be defined, as is the case with the videophone of about one meter, the quasi-deep depth of a multiplanar room display is the presentation principle of choice.

Eine der wichtigsten Entwicklungsprämissen war auch, so viele wie möglich elektronische Steuerungsanteile in der Erfindung zu haben und die mechanischen soweit wie möglich zu verringern. Es ist davon auszugehen, auch die komplizierteste Rechenoperation wird dennoch schneller ablaufen als jede mechanisch bedingte Verzögerung, jedenfalls, wenn wir über so relativ große Massen reden wie in diesem Fall.One of the most important development premises was also to have as many electronic control components in the invention as possible and to reduce the mechanical as much as possible. It can be assumed that even the most complicated arithmetic operation will nevertheless take place faster than any mechanically induced delay, at least if we talk about such relatively large masses as in this case.

Kabine, äußere MerkmaleCabin, exterior features

Die Erkennung von Objekten in ihrer richtigen Raumposition gelingt umso besser, je weniger mögliche Fehlerquellen vorhanden sind – Fremdlichteinstrahlungen sind eine solche. Es ist somit grundsätzlich besser, das Bildtelefon mit einer Kabine zu umgeben, wenn die Funktion natürlich auch ohne nicht unmöglich ist. Diese sollte pentagonaler Grundstruktur sein, um Resonanzen auszuschließen, das Dach ebenfalls nichtparallel zum Boden. Da die meisten Menschen Enge als beklemmend empfinden, sollten dunkelgetönte Fenster vorgesehen werden. Da die Tiefe des Abbildungsbereichs begrenzt ist, sollte ein geeigneter Stuhl helfen, den Tiefenbereich des Vor- und Zurückbewegens zu kontrollieren: entweder lehnenlos oder mit geneigter Lehne. Die korrekte Einstellung der Sitzhöhe, am besten durch Benutzerkarte automatisiert, sollte selbstverständliche Pflicht sein, hat es doch niemand gern, wenn auf ihn herabgeschaut wird. Die Überprüfung ist durch eine einfache rote Linie für die Augenhöhe am Gerät leicht gemacht. Ein zweiter Notsitz sollte in der Kabine auch noch einen Platz finden können.The detection of objects in their correct spatial position succeeds the better, the fewer possible sources of error are present - extraneous light is one such. It is thus generally better to surround the videophone with a cabin, if the function is of course not without impossible. This should be pentagonal basic structure to exclude resonances, the roof also not parallel to the ground. Since most people find tightness oppressive, dark-tinted windows should be provided. Since the depth of the imaging area is limited, a suitable chair should help to control the depth range of the forward and backward movement: either lean or with a leaning back. The correct adjustment of the seat height, preferably automated by user card, should be a natural duty, as no one likes it when looking down on him. The review is made easy by a simple red line for the eye level on the device. A second emergency seat should also be able to find a place in the cabin.

Da es notwendig ist, den Abstand der Gesprächsteilnehmer vorher zu definieren, wird dieser ein optimaler Kompromiss zwischen den für Privatgespräche gebräuchlichen 2 Metern und für Geschäftsbesprechungen angebrachten 4 Metern darstellen. Der dargestellte Raumbereich sollte nicht nur die Schultern umfassen, sondern etwa bis zu den Ellenbogen herabreichen, da Arme und Hände auch wichtige Mittel der Mimik sind. Er muss dazu eine seitliche Ausdehnung von mindestens einem Meter mal einem Meter haben.Since it is necessary to define the distance of the participants in advance, this will represent an optimal compromise between the 2 meters used for private calls and 4 meters for business meetings. The area shown should not only cover the shoulders, but reach down to the elbows, as arms and hands are also important means of facial expressions. He must have a lateral extent of at least one meter by one meter.

Zur Tonübertragung sollten feste Mikrofone mit ausgeprägter Richtungscharakteristik verwendet werden, die von den Lautsprechern gut entkoppelt sind, in mehrfacher Ausführung. Unnötig zu sagen, dass beliebig wählbare Selbstverstärkung nicht vorgesehen ist, sondern realistische Lautstärke voreingestellt bleibt.For sound transmission solid microphones with pronounced directional characteristics should be used, which are well decoupled from the speakers, in multiple versions. Needless to say that arbitrarily selectable self-amplification is not provided, but realistic volume remains preset.

Nicht verschwiegen werden soll, dass sich bei Begegnungen von Kontinent zu Kontinent die Signallaufzeiten zwangsläufig noch irritierender bemerkbar machen werden als bei Tonverbindungen, was natürlich an der der Lichtgeschwindigkeitskonstante liegt. Satellitenverbindungen verzögern das nur noch weiter, weshalb Glasfaserkabelübertragungen der Vorzug zu geben ist.It should not be ignored that the signal delays will inevitably make even more irritating in encounters from continent to continent than sound connections, which is of course the speed of light constant. Satellite links only delay this further, which is why fiber optic cable transmissions are preferred.

Rechnerseitige Videosignalverarbeitung (Standardausführung)Computer-side video signal processing (standard version)

In jedem Bildtelefon sind zwei grafikverarbeitende Rechenprozessoreinheiten enthalten. Eine senderseitige, um die Daten der Kameras zum Übertragungssignal zu verarbeiten (Zwischenbildsynthese) und eine empfängerseitige, um aus dem Signal die beiden Perspektiven zur Ansteuerung des 3D-Displays zu errechnen (Zwischenbildinterpolation). Diese beiden Render-Pipelines sind komplett in Hardware realisiert. Jeweils nach- und vorgegliedert sind noch zwei API, Application Programming Interfaces, die die darunterliegende Hardware abstrahieren und das Signal weiterreichenderer Anpassung und Komprimierung unterwerfen können.Each videophone contains two graphics-processing computing processor units. A transmitter-side, in order to process the data of the cameras to the transmission signal (Zwischenbildsynthese) and a receiver-side, in order to calculate from the signal the two perspectives for the control of the 3D-Display ( Inter-frame interpolation), These two render pipelines are completely realized in hardware. In each case, there are two additional APIs, Application Programming Interfaces, which can abstract the underlying hardware and subject the signal to further adaptation and compression.

Der Gesprächsteilnehmer wird mit 4 Videokameras aufgenommen, 2 würden zwar eventuell auch schon reichen, aber aus 4 Kameras können bis zu 6 Vergleichspaare gebildet werden, ohne das der Prozess dadurch notwendig langsamer werden müsste. Das erhöht die Sicherheit, dass die GPU keine Fehlberechnungen begeht, eine noch höhere Kameraanzahl dagegen würde die Qualität nur noch unwesentlich beeinflussen können.The participant is recorded with 4 video cameras, 2 would indeed be enough, but from 4 cameras up to 6 pairs of comparisons can be formed without the process would necessarily be slowed down. This increases the certainty that the GPU will not commit any miscalculations, but an even higher number of cameras would only marginally influence the quality.

Da feststeht, dass es sich bei den Analyseobjekten immer um Menschen handelt, ist es zulässig, die Algorithmen auch für diese zu optimieren. Wobei unser erstes Interesse natürlich darin besteht, dass es um eine möglichst präzise Erfassung gehen muss. Da jegliche Reflektionen nur stören, können z B polarisiertes Licht und Polfilter vor den Kameras dazu auch einen Beitrag leisten. Die Augen können als bevorzugte Korrespondenzmerkmale vorgewählt werden. Die Bestimmung ihrer exakten Position wird auch für den empfängerseitigen Teil noch gebraucht werden, sie wird vom Analyseteil zu diesem Zweck ausgelesen und bereitgestellt.Since it is clear that the analysis objects are always human, it is permissible to optimize the algorithms for them as well. Of course, our first interest is that it has to be as precise as possible. Since any reflections only interfere, polarized light and polarizing filters in front of the cameras can also contribute to this. The eyes can be preselected as preferred correspondence features. The determination of their exact position will also be needed for the receiver-side part, it will be read out and provided by the analysis part for this purpose.

Bestimmte Kinderkrankheiten können dem Programm schnell ausgetrieben sein, indem man ihm beibringt auf diese typischen Fehler gefasst zu werden. Menschliche Augen unterliegen ja denselben Irritationen, nur haben wir uns bereits mühelos daran gewöhnen können unbewusst darüber hinwegzusehen. In Bezug auf Schnelligkeit sind bei den Armen und Händen weit mehr Probleme zu erwarten als beim Gesicht, auch eine solche Tiefenstaffelung wird darin nicht auftreten. Die höchste Informationsdichte haben natürlich die Haare, bei denen leicht das zigfache an Rauminformationen anfallen können, wie bei einer geschlossenen Oberfläche. Besonders bei krausem oder schütterem Haar. Wird eine Verbindung angezeigt, die den Anforderungen nicht entspricht, liegt die erste Wahl eines Informationseinsparpotenzials beim Haar. Da es auch keinen Beitrag zur Mimik darstellt, würde hier als erstes angesetzt beim ”Glattrechnen”, bzw substituieren durch virtuelle Haarmodelle. Dagegen ist den entscheidenden Augen- und Mundpartien die größte Priorität einzuräumen – das wird dann wichtig, wenn man mit segmentierter Berechnung, wie der, von 2D her bekannten Kachelung, arbeitet oder mit Zeit-Kohärenz (langsam zuerst). Als Notbehelf sollte man sich eine glatte schwarze Mütze mit unregelmäßig verteilten, kleinen weißen Punkten aufsetzen um den Rechenaufwand zu verringern. War nicht ernst gemeint.Certain teething troubles can quickly drain the program by teaching them to get caught up in these typical mistakes. Human eyes are subject to the same irritation, but we have already been able to get used to unconsciously ignoring it. In terms of speed, far more problems are to be expected in the arms and hands than in the face, even such a depth graduation will not occur. Of course, the highest density of information is the hair, which can easily generate tens of times more room information than a closed surface. Especially with frizzy or thinning hair. If you see a connection that does not meet the requirements, the first option is to save information on hair. Since it also does not contribute to facial expressions, would be the first to start with the "smooth computing", or substituted by virtual hair models. On the other hand, the most important eye and mouth parts should be given the highest priority - this becomes important when working with segmented computation, such as the tiling known from 2D, or with time coherence (slowly first). As a makeshift you should put on a smooth black hat with irregularly distributed, small white dots to reduce the computational burden. Was not meant seriously.

Bei einer im Internet immer möglichen, plötzlich auftretenden Diskrepanz in der Übertragungsgeschwindigkeit kann man wählen, ob der Bildausschnitt (Hals-ab), die Bildwiederholrate oder die Auflösung sich automatisch anpassen sollen.In the Internet always possible, suddenly occurring discrepancy in the transmission speed, you can choose whether the image (neck-down), the refresh rate or the resolution should automatically adjust.

Auf der Hand liegt jedoch, dass das lokale Kohärenzkriterium Anwendung finden soll-isolierte Gegenstände bis zu gewisser Größe werden ausgeblendet. Auch gibt es in Gesichtern kaum Geraden oder Ecken, weshalb das übliche, kantige, von Punkt zu Punkt Gittermodell besser in Hinblick auf Verwendung von geschwungenen Linien und Rundungen modifiziert werden sollte.It is obvious, however, that the local criterion of coherence should apply - isolated objects up to a certain size are hidden. Also, there are hardly any straight lines or corners in faces, which is why the usual, angular, point-to-point lattice model should be better modified in terms of using curved lines and curves.

Angenommen, wir gehen zur Modellrechnung von einer Raumauflösung von eintausend Zeilen, eintausend Spalten und eintausend Tiefenebenen aus. Diese eine Mrd. Voxel multiplizieren sie weiter mit zwei Richtungen, flimmerfreie Bildwiederholrate einhundert Hertz und 64 Bit für Farbe und Helligkeit der einzelnen Bildpunkte. Das Ergebnis von 12,8 Billionen Bit pro Sekunde (plus Audio) klingt zugegebenermaßen erstmal monströs, aber es handelt sich dabei auch nur um eine rein theoretische Größe. Nur um raumfüllenden Nebel darzustellen würde man diese Informationsdimensionen brauchen, und das wird in Bildtelefonen vermutlich eher selten vorkommen. Geht man beispielsweise von einer durchgehenden, bildfüllenden Fläche aus, deren strukturierte Oberfläche doppelt so groß ist wie bei Glattheit, beträgt der Wert nur noch ein Fünfhundertstel.Suppose we assume a spatial resolution of one thousand lines, one thousand columns, and one thousand depth levels for the model calculation. These one billion voxels continue to multiply in two directions, flicker-free frame rate one hundred hertz and 64 bits for the color and brightness of each pixel. The result of 12.8 trillion bits per second (plus audio) admittedly sounds monstrous at first, but it's also just a theoretical size. Only to represent room-filling fog one would need these information dimensions, and this is probably rather rare in video telephones. Assuming, for example, a continuous, image-filling surface whose structured surface is twice as large as in smoothness, the value is only a five-hundredths.

Wie im Videobereich wird man bei Vorraussetzung von mehr oder weniger Rechenleistung durch Weiterentwicklung des verwendeten Codec auch eine höhere oder niedrigere Datenkomprimierung erzielen können.As in the video sector, you will be able to achieve higher or lower data compression by further development of the codec used if more or less computing power is required.

Auf der Empfängerseite gibt es auch eine doppelt ausgeführte Grafikprozessoreinheit, die für die Errechnung der beiden Perspektivbilder aus dem 3D-Signal zuständig ist. Wird das Gespräch aufgezeichnet, wäre es auch möglich, andere Perspektiven als die ursprünglich betrachteten errechnen zu lassen, nur bewegt man sich dann aus dem Fokus des Gegenübers heraus. Möglichkeit zwei wäre, wenn man beide Parteien aufgezeichnet hat, den Gegenüber in Relation zur eigenen Vergangenheitsposition darstellen zu lassen, wobei man ihn noch mal genauso sieht wie ursprünglich, unabhängig von der jetztzeitigen Position.On the receiver side, there is also a dual graphics processor unit, which is responsible for the calculation of the two perspective images from the 3D signal. If the conversation is recorded, it would also be possible to calculate other perspectives than those originally considered, only then moving out of the focus of the other person. Possibility two would be, if one recorded both parties, to let the counterpart in relation to the own past position represent, whereby one sees him again exactly like originally, independently of the present position.

Ausführungsbeispiel 2, mit externalisiertem RechenteilExemplary embodiment 2, with externalized computing part

Gerade wegen der ständig fortlaufenden Weiterentwicklung der Betriebssoftware kann es wünschenswert sein, sämtliche Recheneinheiten aus dem Endgerät auszugliedern und stattdessen in einem Regionalzentrum anzulegen. Auch die notwendige Bandbreite des Bildanteils wird dadurch berechenbar groß und beträgt dann insgesamt 6 Kanäle. Liegen sich die beiden Bildtelefonstationen im Verhältnis zum Rechenzentrum gegenüber, tritt noch nicht mal eine größere Signallaufzeitverzögerung auf als bei Ausführung mit integrierter Grafikverarbeitung. Was sich jedoch bemerkbar machen kann, ist die Verzögerung bei empfängerseitigen Positionswechseln, da die Information ja nicht schon direkt vorhanden ist, sondern auch erst auf die Reise zum Zentrum geschickt werden muss, bevor sie dort verarbeitet wird. Dieser Laufzeitwert addiert sich somit zur Motorstellzeit hinzu, was nur bis zu einer dreistelligen Kilometeranzahl wohl noch relativ hinnehmbar sein wird. Auch wenn es Nachbarn sind, die miteinander kommunizieren wollen, führt in dieser Ausführung der einzige Weg über die Rechenzentrale.Precisely because of the continuous ongoing development of the operating software, it may be desirable to outsource all the computing units from the terminal and instead in to create a regional center. Also, the necessary bandwidth of the image portion is thereby computationally large and then amounts to a total of 6 channels. If the two video telephone stations are facing each other in relation to the data center, there is not even a greater signal propagation delay than with integrated graphics processing. However, what can be noticeable is the delay in receiver-side position changes, since the information is not already available directly, but must first be sent on the trip to the center before it is processed there. This runtime value is thus added to the motor cycle time, which will probably still be relatively acceptable only up to a three-digit number of kilometers. Even if they are neighbors who want to communicate with each other, the only way to do this is through the computer center.

BildwiedergabeImage Playback

In der DIN 19040/Teil 8 wird der Sammelbegriff 3D definiert mit der Anforderung, dass sich ”bei beidäugiger Betrachtung echte Tiefenwahrnehmung und damit räumliche Wirkung vermittelt.” In the DIN 19040 / Part 8 the collective term 3D is defined with the requirement that "when viewing both eyes real depth perception and thus spatial effect mediated."

Der Autostereoskop, den ich im Folgenden beschreibe, weist jedoch noch eine Reihe weiterer Merkmale auf, die ihn erst für den angestrebten Zweck tauglich machen. Diese Spezifizierung zeigt jene Eigenschaften auf, die unabdingbar sind, aber auch jene Nachteile, die mir noch am ehesten als hinnehmbar erscheinen.The autostereoscope, which I will describe below, however, has a number of other features that make it suitable for the intended purpose. This specification reveals those qualities that are indispensable, but also the disadvantages that most seem to me to be acceptable.

Als erstes kommt hinzu, dass für einen nichtstatischen Zweck wie unserem das System selbstverständlich auch geeignet sein muss, bewegte Bilder wiederzugeben. Wie schnell genau muss diese Beweglichkeit aber sein, um das menschliche Auge täuschen zu können? Wie schnell ist schnell genug, um eine perfekte Illusion zu schaffen? Doch diese Frage ist in ihrer Pauschalität falsch gestellt, denn gewisse Verzögerungen lassen sich nicht vermeiden. Richtig muss die Frage heißen, wie kann man die Verzögerungen akzeptabel machen, indem man das System so gestaltet, dass dabei die Illusion nur geringfügig beeinträchtigt ist?First of all, for a non-static purpose like ours, the system must of course also be capable of reproducing moving images. How fast does this mobility have to be in order to deceive the human eye? How fast is fast enough to create a perfect illusion? But this question is wrong in its flatness, because certain delays can not be avoided. The real question is, how can you make the delays acceptable by designing the system so that the illusion is only marginally affected?

Wir reden zwar von einem System zur Bildwiedergabe, nicht vergessen darf man dabei jedoch, dass dieses innerhalb des Gesamtsystems nicht nur eine rein passive Rolle spielt, sondern schließlich Interaktion ermöglichen soll. Jeder Teilnehmer ist nicht nur Betrachter, sondern auch Dargestellter. Er sitzt deshalb nicht im Dunkeln vor seinem Schirm, sondern ist auch seinerseits ausgeleuchtet – das wiederum erfordert einen bestimmten, nicht-beliebigen Helligkeitsgrad des Bildes. Das ist eines jener einfachen, aber eben nicht vernachlässigbaren Kriterien – jedes einzelne will sorgfältig für sich separat erwogen sein.Although we are talking about a system for image reproduction, one must not forget that within the overall system, this not only plays a purely passive role, but ultimately enables interaction. Each participant is not only a viewer, but also a presenter. He therefore does not sit in the dark in front of his screen, but is also illuminated in turn - which in turn requires a certain, not arbitrary degree of brightness of the image. This is one of those simple but not negligible criteria - each one wants to be carefully considered separately.

Mit der Bild- und Sekundärhelligkeit verändert sich durch die Verengung der Pupille des menschlichen Auges auch sein Schärfentiefebereich. Trotz der angestrebten technischen Perfektion der Schärfentieferegelung (siehe oben) mag dies deshalb eventuell zum realistischen Tiefeneindruck beitragen. Einerseits soll die Beleuchtung auch die Augen erreichen, also nicht ausschließlich von oben kommen, jedoch auch nicht blenden. Andererseits ist eine völlig regelmäßige Ausleuchtung auch nicht wünschenswert, denn sowohl für den menschlichen Betrachter stellen Schatten einen nicht unwichtigen Beitrag zur Formenerkennung dar, auch der Maschine erleichtert es ihre Arbeit der Bildanalyse. Somit stellt auch eine besondere Lampenanordnung, eine große Schattentiefe und differenzierte Farbauflösung des Beleuchtungslichts (auf die Kameras abgestimmt) ein wichtiges Merkmal, ein Beitrag zur Dreidimensionalität dar. Interaktion erfordert außerdem die Möglichkeit zur Beweglichkeit in Gegenseitigkeit. Das Autostereoskop muss also nicht nur ein bewegtes Bild des Betrachtenden wiedergeben können sondern auch fähig sein, die Bewegung des Betrachtenden hinzunehmen. Das Bedeutet die Anforderung einer Betrachtungsperspektive, die sowohl frei als auch wahr sein muss. Dazu muss das Bild nicht nur aus, durch Positionsänderungen des Kopfes, frei wählbaren Perspektive zu sehen, sondern dann eben auch jeweils seiten- und höhenrichtig wiedergegeben werden. Insbesondere wichtig wird das bei Verbindungen über große Entfernungen, weil andere Perspektiven in Reaktion auf Betrachterbewegungen nicht erst dann von der Gegenstelle angefordert werden müssen. Innerhalb eines definierten Raumbereiches muss jede Bewegung und Position sowohl von Empfänger als auch Sender in jeder erdenklichen Kombination möglich sein ohne irgendwelche toten Punkte. Aufnahme- und Wiedergabebereich sollten identisch groß sein. Zur wahren Perspektive gehört auch eine den entsprechenden vor- und zurückverlaufenden Betrachterbewegungen Objektvergrößerung und -verkleinerung (Dimensionstreue) sowie veränderliche wahre Objektabstandsperspektive (Winkeltreue). Jedes dieser einzelnen Qualitätsmerkmale ist zu prüfen, denn häufig kann ein stereoskopisches System fast alle Anforderungen erfüllen, ein ganz bestimmtes jedoch nicht, und dieses fehlende zerstört dann die Perfektion der Illusion.With the image and secondary brightness, the narrowing of the pupil of the human eye also changes its depth of field. Despite the desired technical perfection of the depth of field control (see above) this may therefore contribute to the realistic impression of depth. On the one hand, the lighting should also reach the eyes, so do not come exclusively from above, but do not dazzle. On the other hand, a completely regular illumination is also not desirable, because both for the human observer shadows represent a not inconsiderable contribution to the recognition of shapes, the machine also facilitates their work of image analysis. Thus, a special lamp arrangement, a large depth of shadow and differentiated color resolution of the illumination light (matched to the cameras) is an important feature contributing to three-dimensionality. Interaction also requires the possibility of reciprocity. The autostereoscope must therefore not only be able to reproduce a moving picture of the observer but also be able to accept the movement of the observer. This means the requirement of a viewing perspective, which must be both free and true. For this purpose, the image not only from, by changes in position of the head, to see freely selectable perspective, but then also just in each case page and top right to be reproduced. This is especially important for connections over long distances, because other perspectives in response to observer movements do not have to be requested from the remote station. Within a defined area of space, every movement and position of both the receiver and the transmitter must be possible in every imaginable combination without any dead spots. Recording and playback area should be the same size. The true perspective also includes an object magnification and reduction (dimensional accuracy) as well as a variable true object distance perspective (angular faithfulness) corresponding to the respective forward and backward movements of the observer. Each of these individual quality characteristics has to be tested, because often a stereoscopic system can fulfill almost all requirements, but not a specific one, and this missing destroys the perfection of the illusion.

Um einen dreidimensionalen Bildeindruck zu erwecken ist es notwendig, die Augen unterschiedliche Perspektiven sehen zu lassen. Diese ”Kanaltrennung” ist nun aber längst nicht so einfach zu erzielen wie z B im Audiobereich. Das Problem ist die Trennschärfe der Abschirmung gegeneinander, eine, auch wenn nur geringe, Überblendung muss den Betrachter erheblich verwirren, der dann mit zwei Augen vier Perspektiven sieht. Die geradlinige Ausbreitungscharakteristik der Lichtwellen bietet aber grundsätzlich die Möglichkeit dazu. Schafft man es, dies zu bewerkstelligen, so kann man auch den Tiefeneindruck synthetisch darstellen, also Dinge an Orten erscheinen lassen, an denen sie eigentlich nicht sein können. Dabei ist es unumgänglich, die Augenposition des Betrachters zu überwachen, um das Bild so zu errechnen, wie es aus jener Richtung betrachtet aussehen müsste. Womit nicht nur die Nachführung (Tracking) der Projektion des bildgebenden Gerätes an sich gemeint ist, bei Autostereoskopen, die nicht schon von vornherein als vielperspektivisch (multiview) konzipiert sind, wie unserem Entwurf. Gesonderte Recheneinheiten tun die ganze Zeit nichts anderes, als diese Position zu ermitteln und diese Information dem Gesamtsystem zur jederzeitigen Verfügung zu stellen. Die Pupillen sind auch von Maschinen zuverlässig erkennbare Merkmale im Gesicht eines Menschen – jedenfalls solange dieser keine Sonnenbrille trägt. Die Hauptkameras werden für diesen Zweck herangezogen und der errechnete Wert dient ebenfalls als Grundlage für die lokale Kohärenz des gesamten Kopfes. Wie nun aber aufgrund der Positionswerte beide Bildversionen in das jeweilige Auge projizieren?In order to create a three-dimensional image impression, it is necessary to let the eyes see different perspectives. However, this "channel separation" is nowhere near as easy to achieve as eg in the audio domain. The problem is the selectivity of the shield against each other, one, even if only small, cross-fading must confuse the viewer considerably, who then sees two perspectives with two eyes. The straight-line propagation characteristic of the light waves basically offers the possibility to do so. Can you do it, this To accomplish so, one can also represent the depth impression synthetic, so let things appear in places where they can not actually be. It is imperative to monitor the eye position of the viewer in order to calculate the image as it would have to look from that direction. What is meant not only tracking (tracking) of the projection of the imaging device itself, in autostereoscopes, which are not already from the outset as vielperspektivisch (multiview) are designed as our design. Separate computing units do nothing else than to determine this position and to make this information available to the entire system at all times. The pupils are also reliably recognizable features of a human face - at least as long as he does not wear sunglasses. The main cameras are used for this purpose and the calculated value also serves as the basis for the local coherence of the entire head. But how to project both image versions into the respective eye due to the position values?

AutostereoskopAutostereoskop

Akzeptiert man die Prämisse des Erfordernis einer verzögerungsfreien, wahren Perspektive, die nur mit einer raumdurchfahrenden (multiplanaren) Wiedergabefläche realisierbar ist, sowie die der Solidität, die nur mit einer absoluten Kanaltrennung (wegen des Auftretens von Okklusionen) machbar ist, so ist für den gesichtsfreien Anwendungszweck Bildtelefon eigentlich nur die im folgenden beschriebene Lösung denkbar.If one accepts the premise of the requirement of a delay-free, true perspective, which can only be achieved with a space-passing (multiplanar) display surface, and that of solidity, which is feasible only with an absolute channel separation (because of the occurrence of occlusions), then it is for the faceless Application Videophone actually only the solution described below conceivable.

Jedes Pixel (Zeit-Voxel) bildet ein eigenständiges Anzeigeelement im Gesamtsystem. Die differenzierende Eigenschaft jener wird allein durch die extrem scharfbündelnde Abstrahlungscharakteristik erreicht. In der Vertikalausdehnung sollte sie wegen der Rotation weit gefächert bleiben, also etwa 90°, in der Horizontalausdehnung müssen dagegen die beiden Werte Totalnull innerhalb etwa 1° liegen, was von geeigneten Optiken bewerkstelligt wird. Dies und die schnelle Modulationsfrequenz ermöglichen nur lichtemittierende Halbleiter. Die exakte Ausgestaltung der Elementeanordnung wird sich aus der erreichbaren Schnelligkeit, Größe, Strahlbündelung und Leistungsfähigkeit (vor allem der Fortschritt der letzten Jahre dieser Eigenschaft hat erst LEDs geeignet werden lassen) der Einzelelemente ergeben. Zweidimensionale oder verschieden dreidimensionale Formen von Rotationsschirmen in jeweils einfacher oder mehrfacher Ausführung bieten wiederum Vor- und Nachteile. Die Raumdurchfahrung kann auch nicht nur durch rotierend-einförmige Bewegung bewerkstelligt werden, sondern durch oszillierende Vor- und Zurückbewegungen – es wäre jedoch reichlich unkultiviert, wenn in Zukunft Bildwiedergabegeräte durch motorige Vibrationen unangenehm auffallen würden. Üblicherweise finden die Rotationsflächen in luftleer gepumpten, teildurchsichtigen Gehäusen ihren Platz, was man wegen der Geräuschlosigkeit auch beibehalten wird, außer, es erweist sich doch die Luftkühlung als erforderlich. Die Kühlung der Wahl jedoch wird mit wärmestrahlungabgebenden Peltier-Elementen funktionieren. Die Scheiben der Rotationsgehäuse und die Frontscheibe sollten in keinem Winkel zueinander stehen, in der unerwünschte, innere Reflektionen auftreten könnten. Über die Achsenden wird der Strom eingespeist. Die Informationssignale werden durch berührungslose Hochgeschwindigkeitslaser über optische Schnittstellen übertragen, welche stangenförmig gestapelt zusammengefasst sind. Da in der Praxis die volle Tiefenauflösung niemals benötigt wird, braucht auch nur eine, im Verhältnis zum theoretischen Auflösungsvermögen um einen gewissen Faktor verringerte, Übertragungskapazität in Vorbehalt belassen zu werden. Eine Bild-für-Bild Zwischenspeicherung macht dagegen Sinn, weil leicht hohe Raumebenenauslastungen auftreten können. Man könnte nun denken, es ließen sich doch leicht sämtliche Kanalelemente auf einer einzigen Rotationsfläche zusammenfassen, indem man sie sich spaltenweise abwechseln lässt. Solange wir jedoch noch nicht mit Sicherheit jenseits des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegen – und das tun wir nicht – solange werden schwarze Spalten auch bemerkbar, und vollflächige Bildausleuchtung somit ein wichtiges Kriterium bleiben. Bleibt also nur eine rechtwinklig angeordnete Doppelausführung übrig, bei der die Bilder durch einen Halbspiegel ineinander kombiniert werden. Wählt man horizontale Drehachsen, wie vorgeschlagen, und, über zwei Kardangelenke, einen gemeinsamen, mittleren Elektromotorantrieb, gerät man wegen der Synchronisation gar nicht erst in Kalamitäten.Each pixel (time voxel) forms an independent display element in the overall system. The differentiating property of these is achieved solely by the extremely sharp-focused radiation characteristics. In the vertical extent, it should remain widely fanned because of the rotation, ie about 90 °, in the horizontal extent, however, the two values total zero must be within about 1 °, which is accomplished by suitable optics. This and the fast modulation frequency allow only light-emitting semiconductors. The exact configuration of the element arrangement will result from the achievable speed, size, beam bundling and performance (especially the progress of the last years of this property has made LEDs suitable) of the individual elements. Two-dimensional or differently three-dimensional forms of rotary screens, each in a single or multiple design, again offer advantages and disadvantages. The passage through space can also be accomplished not only by rotating-monotonous movement, but by oscillating back and forth movements - but it would be abundantly uncultivated, if in the future image playback devices would be unpleasant by motor vibrations. Usually, the surfaces of rotation in air-empty pumped, partially transparent housings their place, which is maintained because of the quietness also, except that it proves the air cooling as required. However, the cooling of choice will work with Peltier heat radiation emitting elements. The disks of the rotating housing and the windscreen should not be at an angle to each other, in which undesirable, internal reflections could occur. The current is fed in via the axle ends. The information signals are transmitted by non-contact high-speed lasers via optical interfaces, which are combined stacked like a pole. Since in practice the full depth resolution is never needed, only one, in relation to the theoretical resolution capacity reduced by a certain factor, transmission capacity must be left in reserve. On the other hand, image-by-image caching makes sense, because high spatial level utilization can easily occur. One might think that it would be easy to combine all the channel elements on a single surface of revolution by alternating them in columns. As long as we are not sure beyond the resolution of the human eye - and we do not - as long as black gaps are also noticeable, and full-surface image illumination thus remain an important criterion. So there remains only a right-angled double version, in which the images are combined by a half-mirror into each other. If one chooses horizontal axes of rotation, as proposed, and, via two cardan joints, a common, central electric motor drive, one does not even get into calamities because of the synchronization.

Da vertikales Headtracking unnötig ist, braucht man zur Seitenrichtungskorrektur lediglich noch einen um die Vertikalachse beweglichen Vollspiegel. Diesen der Schnelligkeit von Kopfbewegungen gemäß nachzuführen, dürfte mithilfe eines auf Beschleunigungsstärke ausgelegten Servos kein Problem bereiten. Abweichungen von 2 bis 3 cm sind dabei wegen der gewollten Streuung auch (vorläufig) unkorrigiert kein Problem. Das ist auch allein schon wegen der gegenüber Kopfbewegungen viel schnelleren Augenbewegungen auch absolut notwendig.Since vertical head tracking is unnecessary, you only need to have a full mirror movable about the vertical axis for side-direction correction. Tracking the speed of head movements should not be a problem with an accelerator-based servo. Deviations of 2 to 3 cm are because of the desired scattering also (provisionally) uncorrected no problem. That is also absolutely necessary because of the head movements much faster eye movements.

Wenn die Halbleiterelemente klein genug ausgelegt werden können, dann ist die Abbildungstiefe gleich der Wahrnehmungstiefe. Das muss jedoch nicht zwangsläufig so sein. Solange die Trennschärfe der Kanäle durch seitlich ausreichend konvergente Stahlbündelung gegeben ist, kann man die Anzeigeeinheit auch zurückverlagern und so die möglichen Dimensionen vergrößern, an den beiden Bilderscheinungen ändert das gar nichts. Bedingt wird dieses Konzept jedoch durch die Darstellung einer anderen Schärfentiefe als der realen, was durch eine konkave Frontscheibe erreicht werden kann. die schärfentiefe wird als näher wahrgenommen, als sie ist, und der Verkleinerungseffekt verstärkt die angestrebte Dimensionsveränderung ebenfalls. Wir reden hierbei selbstverständlich nur über jene mittlere, nicht die exakte Schärfentiefe, welche sich erst auf das real-variabel dargestellte Objekt nicht-synthetischer Tiefe tatsächlich einstellt.If the semiconductor elements can be made small enough, then the depth of the image is equal to the depth of perception. But that does not necessarily have to be this way. As long as the selectivity of the channels is given by laterally sufficiently convergent steel bundling, one can also relocate the display unit and thus increase the possible dimensions, at the two Picture changes do not change anything. However, this concept is conditioned by the representation of a different depth of field than the real one, which can be achieved by a concave front screen. the depth of field is perceived as closer than it is, and the diminishing effect also enhances the desired dimensional change. Of course, we are talking only about the mean, not the exact depth of field, which actually sets itself to the real-variable object of non-synthetic depth.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 569381 B1 [0004] EP 569381 B1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• J. Liu und R. Skerjanc in ihrem bahnbrechenden Artikel ”Bildtelefon mit virtueller Kamera zur Herstellung des Blickkontakts” die Richtung wiesen, war das Entwicklungsziel klar (12tes DAGM Symposium, Oberkochen-Aalen, 1990) [0004] J. Liu and R. Skerjanc pointed the direction in their groundbreaking article, "Video Camera with Virtual Camera for Eye Contact" (12th DAGM Symposium, Oberkochen-Aalen, 1990) [0004]
• DIN 19040/Teil 8 [0024] DIN 19040 / Part 8 [0024]

Claims (2)

Bildtelefon, dadurch gekennzeichnet, dass es die Aufnahme des Augenkontakts ermöglicht, und das Bild des Gesprächspartners quasi-echtzeitig, die Bewegungsparallaxe ermöglichend, farbig, raumverhältnismäßig, mit freier und wahrer Perspektive und dimensionstreu wiedergegeben wird. Diese Eigenschaften verdanken sich dem verwendeten, neuartigen Autostereoskopen.Videophone, characterized in that it allows the recording of the eye contact, and the image of the conversation partner quasi-real time, the movement parallax permitting, color, space ratio, with free and true perspective and dimensionally faithful reproduction. These properties are due to the novel autostereoscopes used. Bildtelefon nach 1., mit komplett externalisiertem Rechenteil.Videophone after 1., with completely externalized computation part.