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Die
Erfindung betrifft ein Darstellungssystem und ein Verfahren zur
dreidimensionalen Darstellung eines Bildes.
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Eine
dreidimensionale Darstellung wird beispielsweise in der Pharmaindustrie
zur Darstellung von Makromolekülen
verwendet. Um so dargestellte Makromoleküle zu bewegen, wird häufig eine
sogenannte 3D-Maus verwendet, mit der Bewegungen in drei Raumrichtungen
vorgegeben werden können. Eine
solche 3D-Maus ist jedoch teuer und ungewohnt in der Art der Eingabe.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges
Darstellungssystem und Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung
eines Bildes vorzusehen, bei denen eine dreidimensionale Bewegung
des Bildes einfach vorgegeben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
ein Darstellungssystem mit einer Anzeigevorrichtung zur dreidimensionalen,
insbesondere stereoskopischen Darstellung eines Bildes, einer Steuereinheit,
die die Darstellung des Bildes bewirkt, und eine mit der Steuereinheit
verbundene Eingabeeinheit, über
die Bewegungen in zwei Raumkoordinaten vorgegeben werden können, wobei
die Steuereinheit in einen ersten Modus und einen davon unterschiedlichen
zweiten Modus schaltbar ist und wobei die Steuereinheit die vorgegebenen
Bewegungen im ersten Modus in eine Bewegung des Bildes bezüglich einer
ersten und einer zweiten Darstellungskoordinate und im zweiten Modus
in eine Bewegung des Bildes bezüglich
zumindest einer dritten Darstellungskoordinate umsetzt.
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Es
wird somit vorteilhaft möglich,
eine dreidimensionale Bewegung des Bildes durch eine lediglich zweidimensional
vorgegebene Bewegung durchzuführen.
Daher können
herkömmliche
und somit kostengünstige
Eingabeeinheiten, wie z.B. eine Computermaus, ein Trackball, oder ähnliches
verwendet werden, um das Bild an eine gewünschte dreidimensionale Position
zu bewegen. Bei dem Bild handelt es sich bevorzugt um einen Marker,
wie z.B. einen Cursor. Mit dem erfindungsgemäßen Darstellungssystem kann
somit die Bewegung des Bildes in allen drei Darstellungskoordinaten
unabhängig
voneinander und gegebenenfalls auch einzeln eingestellt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Darstellungssystem
wird somit in jedem der beiden Modi der Steuereinheit eine Bewegung
des Bildes bezüglich
maximal zwei Darstellungskoordinaten durchgeführt. Die dreidimensionale Bewegung
des Bildes wird somit aus zweidimensionalen Bewegungen zusammengesetzt.
Daher können
herkömmliche
Eingabeeinheiten, wie z.B. eine Computermaus, verwendet werden,
um die gewünschte
dreidimensionale Bewegung des Bildes ein- bzw. vorzugeben.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Darstellungssystems
weist die Eingabeeinheit eine Schalteinheit auf, mit der die Steuereinheit
in den gewünschten
Modus schaltbar ist. Wenn die Eingabeeinheit als Computermaus ausgebildet
ist, kann die Schalteinheit eine Taste oder ein sonstiger Schalter
der Computermaus sein. Damit kann der Benutzer die dreidimensionale
Bewegung schnell und zielgerecht durchführen, ohne daß er die
Hand von der Eingabeeinheit (Computermaus) nehmen muß.
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Ferner
kann bei dem Darstellungssystem die Steuereinheit im ersten Modus
die vorgegebene Bewegung in beiden Raumkoordinaten in die Bewegung
des Bildes und im zweiten Modus nur die vorgegebene Bewegung in
eine der beiden Raumkoordinaten in die Bewegung des Bildes umsetzen.
Dies ist in Fällen
von Vorteil, in denen im zweiten Modus das Bild nur noch entlang
einer Achse und nicht mehr innerhalb einer Ebene bewegt werden muß, um zu
der gewünschten
Position zu kommen.
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Bei
der bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Darstellungssystems erfolgt
die Darstellung des Bildes derart stereoskopisch, daß ein erstes
Teilbild für
das linke Auge eines Betrachters und ein zweites Teilbild für das rechte
Auge des Betrachters dargestellt wird. Damit kann leicht der gewünschte dreidimensionale
Effekt erreicht werden. Die Trennung der Teilbilder für den Benutzer
erfolgt beispielsweise mittels unterschiedlicher Polarisationszustände oder
Farben bei der Darstellung und einer Brille für den Benutzer mit Polarisations-
bzw. Farbfilter.
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Ferner
kann die Anzeigevorrichtung eine Bildschirmfläche aufweisen, auf der das
Bild dargestellt wird, wobei die drei Darstellungskoordinaten drei
Darstellungsachsen zugeordnet sind und die Bildschirmfläche in einer
Darstellungsebene liegt, die durch zwei der Darstellungsachsen aufgespannt
ist, und die dritte Darstellungsachse senkrecht zur Darstellungsebene
verläuft.
Bei einem solchen orthogonalen Darstellungskoordinatensystem ist eine
gezielte dreidimensionale Bewegung des Bildes im dargestellten Bild
besonders leicht möglich.
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Insbesondere
kann die Bewegung des Bildes entlang der dritten Koordinatenachse
durch eine Änderung
des Abstands der beiden Teilbilder in der Darstellungsebene und/oder
durch eine Änderung der
Größe der Teilbilder
verwirklicht werden. Damit läßt sich
eine ausgezeichnete dreidimensionale Darstellung erzielen.
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Ferner
kann die Eingabeeinheit derart ausgebildet sein, daß über sie
Bewegungen nur in genau zwei Raumkoordinaten vorgegeben werden können.
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Das
Bild kann hier ein Bildschirmzeiger bzw. eine Marke (Cursor) sein,
die mittels der Eingabeeinheit bewegbar ist.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung bewirkt die Steuereinheit eine dreidimensionale
Darstellung eines weiteren Bildes, so daß das Bild (z.B. Cursor) im
weiteren Bild räumlich
bewegbar ist.
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Ferner
wird die Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung eines Bildes,
bei dem eine in zwei Raumkoordinaten vorgegebene Bewegung in einem
ersten Modus in eine Bewegung des Bildes bezüglich einer ersten und zweiten
Darstellungskoordinate und in einem zweiten Modus in eine Bewegung
des Bildes bezüglich
zumindest einer dritten Darstellungskoordinate umgesetzt wird. Mit
diesem Verfahren kann eine dreidimensionale Bewegung des Bildes
mittels einer Eingabeeinheit gesteuert werden, die nur Bewegungen
in zwei Raumkoordinaten vorgeben kann, wie dies beispielsweise bei
einer herkömmlichen
Computermaus, einem Trackball, oder ähnlichem der Fall ist.
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Die
dreidimensionale Darstellung wird insbesondere stereoskopisch durchgeführt.
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Besonders
bevorzugt kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im zweiten Modus
nur die vorgegebene Bewegung in einer der beiden Raumkoordinaten
in die Bewegung des Bildes umgesetzt werden. Dies erleichtert die
dreidimensionale Steuerung des Cursors für den Fall, daß im zweiten
Modus das Bild nur noch entlang einer einzigen Darstellungskoordinate
zu bewegen ist.
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Die
Darstellung des Bildes erfolgt bevorzugt so, daß ein erstes Teilbild für das linke
Auge des Betrachters und ein zweites Teilbild für das rechte Auge des Betrachters
dargestellt wird.
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Ferner
kann die Darstellung des Bildes in einer Darstellungsebene erfolgen,
wobei die drei Darstellungskoordinaten drei Darstellungsachsen zugeordnet
sind und die Darstellungsebene durch zwei der Darstellungsachsen
aufgespannt ist und die dritte Darstellungsachse senkrecht zur Darstellungsebene verläuft. Durch
ein solches orthogonales Darstellungskoordinatensystem läßt sich
das Bild besonders leicht in dreidimensionaler Weise bewegen.
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Des
weiteren ist es bevorzugt, die Bewegung des Bildes entlang der dritten
Darstellungsachse durch eine Änderung
des Abstandes der beiden Teilbilder und/oder eine Änderung
der Größe der Teilbilder
darzustellen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird in jedem der beiden Modi die Bewegung des Bildes bezüglich maximal
zwei Darstellungskoordinaten durchgeführt.
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Die
Anzeigevorrichtung kann ein herkömmlicher
Bildschirm, Computerbildschirm oder auch ein Projektionssystem zum
Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche sein. Ferner kann die Anzeigevorrichtung
als Head-up-Display (z. B. zum Einspiegeln des Bildes in der Frontscheibe
eines Fahrzeugs) oder als Head-mounted-Display (am Kopf zu tragende
Anzeigevorrichtung) ausgebildet sein. Das Head-mounted-Display (HMD)
kann so ausgebildet sein, daß der
Benutzer nur das dargestellte Bild und bevorzugt noch ein weiteres
dargestelltes Bild sieht oder daß er auch noch die Umgebung
in Überlagerung
mit dem Bild wahrnehmen kann, so daß mit dem Bild z.B. ein reales
Objekt markiert werden kann.
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Wenn
die Anzeigevorrichtung als Head-mounted-Display ausgebildet ist,
kann sie ferner einen sogenannten Head Tracker aufweisen, mit dem
die Kopfposition des Benutzers erfaßt und der Steuereinrichtung
mitgeteilt wird. Die Steuereinrichtung kann dann die Darstellung
des Bildes z.B. so bewirken, daß selbst
bei einer Kopfbewegung immer noch dasselbe Objekt mit dem Bild markiert
wird. Es wird somit die Kopfbewegung kompensiert.
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Die
Anzeigevorrichtung kann auch als autostereoskopische Anzeige ausgebildet
sein, die z.B. nach dem Linienrasterverfahren arbeitet, bei dem
die beiden Teilbilder (linke und rechte Ansicht) ineinander verschachtelt
sind (eine Art senkrechter interlacing Modus).
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen. Von den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Darstellungssystems;
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2 eine
schematische dreidimensionale Ansicht des Darstellungskoordinatensystems;
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3 eine
Ansicht zur Erläuterung
der Bestimmung der Positionen der darzustellenden Cursorteilbilder,
und
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4 – 7 Bespiele
für die
Darstellung der Cursorteilbilder.
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Wie
am besten aus 1 ersichtlich ist, umfaßt das Darstellungssystem
eine Anzeigevorrichtung 1 zur dreidimensionalen Darstellung
eines Objekts, eine Steuereinheit 2, die hier beispielsweise
ein Personalcomputer ist und die eine Darstellung eines Bildes (hier
z.B. eines Cursors) im dargestellten Objekt bewirkt. Bevorzugt dient
die Steuereinheit 2 auch noch zur Erzeugung der notwendigen
Bilddaten zur dreidimensionalen Darstellung. Die dreidimensionale Darstellung
auf der Anzeigevorrichtung 1 kann beispielsweise dadurch
bewirkt werden, daß die
Bildinformationen für
das rechte und linke Auge eines Betrachters durch unterschiedliche
Farben (beispielsweise rot und grün) oder unterschiedliche Polarisationszustände auf
der Anzeigevorrichtung 1 dargestellt werden, wobei der
Betrachter in diesem Fall eine Brille (nicht gezeigt) trägt, die
entsprechende Farb- bzw. Polarisationsfilter aufweist, so daß der Betrachter
mit seinem rechten Auge immer nur die Bildinformation für das rechte
Auge und mit seinem linken Auge immer nur die Bildinformation für das linke Auge
wahrnehmen kann, so daß dadurch
der dreidimensionale Eindruck entsteht.
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Das
Darstellungssystem enthält
ferner eine mit der Steuereinheit 2 verbundene Eingabeeinheit 3, die
in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine
Computermaus 3 ist, die auf einer Unterlage 4 bewegbar
ist. Durch die Bewegung der Maus auf der Unterlage kann man somit
eine Bewegung in zwei voneinander unterschiedlichen Raumrichtungen
(hier A und B) vorgeben.
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Die
Steuereinheit 2 setzt in Abhängigkeit eines eingestellten
Modus die mittels der Maus 3 vorgegebene zweidimensionale
Bewegung in eine entsprechende zweidimensionale Bewegung einer durch
den Modus gewählten
Darstellungsebene für die
dreidimensionale Darstellung des Objektes um. Durch eine geeignete
Wahl der Darstellungsebenen kann man somit den in der Objektdarstellung
dargestellten Cursor (bzw. Mauszeiger) in dreidimensionaler Weise
bewegen. Dies wird detaillierter in einem Beispiel mit Bezug auf 2 nachfolgend
beschrieben.
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In 2 ist
die Bildschirmebene der Anzeigevorrichtung, in der die tatsächliche
Bilddarstellung erfolgt, sowie zwei dazu senkrecht verlaufende Darstellungsebenen
E2 und E3 dargestellt. Es ist, anders gesagt, ein dreidimensionales
Darstellungskoordinatensystem mit den Darstellungskoordinatenachsen
x, y und z so vorgegeben, daß der
Koordinatenursprung O genau in der Bildschirmmitte liegt. Die Ebenen
E2 und E3 sind in dem hier gezeigten Beispiel so gewählt, daß sie jeweils
auch den Koordinatenursprung O enthalten, so daß die Bildschirmebene E1 die
x, y-Ebene, die Ebene E2, die x, z-Ebene und die Ebene E3 die z,
y-Ebene ist. Es
wird nun angenommen, daß der
Cursor in der Bildschirmebene E1 am Punkt P1 mit den x, y, z-Koordinaten
(x1, y1, 0) ist und zu dem Punkt P2 (0, y2, z2) bewegt werden soll.
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Dazu
wird die Steuereinheit 2 in einen ersten Modus geschaltet,
sofern sie noch nicht in diesem Modus ist, in dem die Mausbewegung
in der Darstellung in eine Bewegung in der Bildschirmebene E1 bzw.
in eine Bewegung bezüglich
der Darstellungskoordinaten x, y umgesetzt wird. Im hier beschriebenen
Beispiel wird der Cursor von dem Punkt P1 zum Punkt P3 (0, y2, 0)
bewegt. Danach wird die Steuereinheit 2 in einen zweiten
Modus geschaltet, beispielsweise durch Betätigen einer der beiden Maustasten 5, 6,
so daß die
Bewegung der Maus 3 auf der Unterlage 4 (bzw.
in den zwei Raumkoordinaten A, B) nun in eine Cursorbewegung in
der Objektdarstellung bezüglich
den Darstellungskoordinaten z, y umgesetzt wird. Somit kann der
Cursor vom Punkt P3 zum Punkt P2 bewegt werden, wie es gewünscht war.
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Falls
der Punkt P2 eine von Null verschiedene x-Koordinate x4 aufweist,
würde die
Ebene E3 so gelegt werden, daß sie
die x-Achse bei x4 schneidet. Die Bewegung in der Ebene E3 würde also
immer noch bezüglich
der z- und y-Koordinate umgesetzt werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Darstellungssystem
ist es somit möglich,
mittels einer Eingabeeinheit, die eine zweidimensionale Bewegung
vorgeben kann, den Cursor in der Objektdarstellung dreidimensional
zu bewegen.
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In 3 ist
ein Beispiel dafür
gezeigt, wie man die dreidimensionale Cursorposition auf der zweidimensionalen
Bildschirmfläche
E1 so darstellen kann, daß die
gewünschte
dreidimensionale Position des Cursors für den Betrachter wahrnehmbar
ist. Wenn beispielsweise der Cursor an der Position C1 (also für den Betrachter
vor der Bildschirmebene) dargestellt werden soll, wird für das rechte
und linke Auge R, L des Betrachters jeweils der Durchstoßpunkt des
Sehstrahls durch die Bildebene E1 bestimmt. An diesen Durchstoßpunkten
CR1 (für
das rechte Auge) und CL1 (für
das linke Auge) wird dann jeweils ein Cursorteilbild a, b für das rechte
bzw. linke Auge dargestellt. Wenn der dreidimensional dargestellte
Cursor eine Kugel sein soll, sind die Cursorteilbilder Kreise (gefüllte Kreise).
In gleicher Weise werden für
die in 3 eingezeichneten Cursorpositionen C2 und C3 die
Darstellungsorte CL2, CR2, CL3 und CR3 in der Bildschirmebene E1
bestimmt.
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Diese
Art der Darstellung wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 7,
die jeweils eine Ansicht auf die Bildschirmebene E1 zeigen, noch
näher erläutert. Wenn
der dreidimensionale Cursor im Zentrum des Bildschirms (Koordinatenursprung)
dargestellt werden soll, werden die beiden Cursorteilbilder a und
b, die wiederum Kreise sind, überlappend
dargestellt (4). Wenn der dreidimensionale
Cursor hinter der Bildschirmebene E1 dargestellt werden soll, sind
die Cursorteilbilder a und b voneinander beabstandet (5),
wobei der Abstand mit der Entfernung zur Bildschirmebene E1 zunimmt.
In der 6 ist eine dreidimensionale Cursorposition links
hinter dem Koordinatenursprung in der Bildschirmebene E1 dargestellt, während in 7 eine
Cursorposition rechts vor dem Koordinatenursprung O gezeigt wird. Ein
Vergleich der 5 und 7 zeigt
noch, daß die
Größe der Cursorteilbilder
mit dem Abstand zum Betrachter variiert werden kann (je näher der
Cursor in der dreidimensionalen Darstellung am Betrachter ist, desto
größer wird
er dargestellt). Ferner ist das Cursorteilbild für das linke Auge bei einer
Darstellung des Cursors hinter der Bildschirmebene links neben dem
Cursorteilbild b fürs
rechte Auge. Bei einer Darstellung des Cursors vor der Bildschirmebene
Ei ist dies umgekehrt.
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Die
Anzeigevorrichtung 1 kann in einer weiteren Ausführungsform
(nicht gezeigt) ein sogenanntes Head-mounted-Display (am Kopf anzubringende Anzeigevorrichtung)
sein. In diesem Fall können
beispielsweise zwei Anzeigeflächen
vorgesehen sein, jeweils eine für
ein Auge, so daß eine
Trennung über Farben,
Polarisationszustände,
usw. nicht mehr notwendig ist.
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Wenn
die Anzeigevorrichtung 1 als Head-mounted-Display ausgebildet
ist, wird die Darstellung so durchgeführt, daß die Cursorteilbilder a in den 4 bis 7 ausschließlich für das linke Auge
des Benutzers und die Cursorteilbilder b ausschließlich für das rechte
Auge des Benutzers eingeblendet werden. Somit entsteht bei einem
beidäugigen
Einblick in das Head-up-Display
für den
Betrachter das Stereobild des Cursors.
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Natürlich müssen die
Cursorteilbilder keine Kreise sein. Es ist jede beliebige Form möglich. So kann
man beispielsweise für
die Cursorteilbilder Kreisringe verwenden. Wenn der dreidimensional
erscheinende Kreisring ausreichend dünn ist, kann z.B. dadurch eine
der Ebenen E1 – E3
markieren (der Kreisring liegt in dieser Ebene). In den beiden anderen
Ebenen wird die Markierung dann mittels des Kreisringmittelpunkts
durchgeführt.