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TECHNISCHER BEREICH
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein 3-D Augmented-Reality-Darstellungssystem. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Offenbarung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung und Projektion mehrdimensionaler 3D-Augmented-Reality-Bilder auf eine Anzeige, wie beispielsweise eine Windschutzscheibe, zur Verwendung in einem Fahrzeug. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein System, ein Fahrzeug und ein Verfahren.
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HINTERGRUND
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Heads-up-Displays (HUDs) sind bekannte Displays, bei denen Bilder auf eine transparente Oberfläche, wie beispielsweise eine Windschutzscheibe, projiziert werden. Solche Displays sind in einer Reihe von verschiedenen Umgebungen, einschließlich in Fahrzeugen, bekannt.
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In Automobil-HUDs werden Informationen über die Fahrzeugbedingungen (Geschwindigkeit usw.) oder die Navigation auf der Windschutzscheibe angezeigt. Solche Displays sind typischerweise in der Größe begrenzt und projizieren das Bild in einer festen Tiefe an den Benutzer. Aufgrund der begrenzten Größe kann es vorkommen, dass das HUD mit Informationen überhäuft wird, die für den Nutzer, der eine Immobilie in Anspruch nimmt, weniger relevant sind. Da das Bild eine feste Tiefe hat, werden alle dem Benutzer präsentierten Informationen gleichermaßen hervorgehoben. Dies reduziert die Effizienz solcher Displays weiter.
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Eine weitere Überlegung ist, dass es in Fahrzeugen typischerweise einen begrenzten physischen Raum gibt, in dem solche Systeme installiert werden können. Typischerweise müssen solche Systeme in bestehende Räume in einem Fahrzeug integriert oder auf einem so kleinen Raum wie möglich installiert werden, um die Notwendigkeit des Aus- und Einbaus bestehender Komponenten zu minimieren. Darüber hinaus sind in solchen Systemen mit der Einführung und Installation Kosten verbunden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung stellen ein System, ein Fahrzeug und ein Verfahren dar, wie sie in den beigefügten Ansprüchen gefordert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Abbildungssystem zum Erzeugen von mehrtiefgehenden virtuellen Bildern auf einem Bildschirm vorgesehen, wobei das Abbildungssystem umfasst: eine Bildverwertungsvorrichtung zum Bilden eines Quellbildes, eine Projektionsoptik zum Darstellen eines Anzeigebildes auf dem Bildschirm, wobei das Anzeigebild ein dem Quellbild entsprechendes virtuelles Bild ist, und wobei die Bildverwertungsvorrichtung umfasst: eine Bildrealisierungsfläche mit einem ersten und zweiten Bereich, wobei die Bildempfangsfläche und die Projektionsoptik so angeordnet sind, dass ein erster Punkt im ersten Bereich der Bildempfangsfläche und ein zweiter Punkt im zweiten Bereich der Bildempfangsfläche in einem anderen Abstand vom Fokuspunkt der Projektionsoptik liegen; und eine Vielzahl von Oberflächen, die angeordnet sind, um Licht von der Bildrealisierungsfläche auf die Projektionsoptik zu richten, wobei die Oberflächen und die Bildrealisierungsfläche so angeordnet sind, dass ein erstes Quellbild, das auf dem ersten Bereich der Bildrealisierungsfläche ausgebildet und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das erste Anzeigebild auf dem Bildschirm in einer ersten scheinbaren Tiefe und ein zweites Quellbild, das auf dem zweiten Bereich ausgebildet und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Anzeigebild auf dem Bildschirm in einer zweiten scheinbaren Tiefe darstellt.
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Optional ist jeder Bereich der Bildrealisierungsfläche einer der Vielzahl von Oberflächen zugeordnet. Dadurch können mehrere erste Bilder separat durch die Projektionsoptik auf einen gewünschten Abschnitt des Bildschirms gerichtet werden.
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Optional ist die Bildrealisierungsfläche entlang der optischen Achse der Projektionsoptik verschiebbar. Durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Bewegungsumfangs entlang der optischen Achse kann der Abstand, in dem das reale Bild vom Fokuspunkt der Projektionsoptik gebildet wird, feiner gesteuert werden.
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Optional ist die Bildrealisierungsfläche gegenüber der optischen Achse der Projektionsoptik drehbar/kippbar. Die Einführung einer Neigung in die Bildrealisierungsoberfläche ermöglicht es, dass Bilder, die auf verschiedenen Teilen der Oberfläche gebildet werden, in einem kontinuierlichen Bereich mit unterschiedlichen Abständen vom Brennpunkt der Projektionsoptik liegen. Durch die kontrollierte Verformung der Bildrealisierungsfläche wird somit der verfügbare Bereich und die Auflösung der virtuellen Bildtiefen erhöht.
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Optional ist die Bildrealisierungsoberfläche in der Lage, das Quellbild zu erzeugen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit externer Bilderzeugungsmittel und es entsteht ein kompaktes System mit weniger Komponenten.
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Optional besteht die Bildrealisierungsfläche aus einer elektrolumineszierenden Schicht. Solche Schichten können durch die Anwendung von Strom aktiviert werden, der lokalisiert und beliebig moduliert werden kann.
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Optional umfasst die Bildrealisierungsfläche eine organische lichtemittierende Diode. Diese können für ein flexibles, mehrfarbiges Display verwendet werden.
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Alternativ umfasst das Abbildungssystem ferner eine Bilderzeugungseinheit zum Erzeugen des zu rendernden Quellbildes als Anzeigebild auf dem Bildschirm und zum Projizieren des Quellbildes auf die Bildrealisierungsfläche. Die Bilderzeugungseinheit kann vorhersehbare Bildverzerrungen oder -verschlechterungen im System berücksichtigen und ein korrigiertes Bild projizieren, um die Qualität des endgültigen virtuellen Bildes zu gewährleisten. Darüber hinaus werden sich die von der Bilderzeugungseinheit erzeugten Bilder in der Regel mit Abstand ausbreiten, so dass die näher an der Bilderzeugungseinheit (und weiter von der Projektionsoptik) gebildeten Bilder kleiner werden. Dadurch wird ein Vergrößerungseffekt in der Projektionsoptik kompensiert, so dass alle virtuellen Bilder auf dem Bildschirm in konstanter Größe dargestellt werden, unabhängig davon, in welchem Abstand die entsprechenden realen Bilder auf der Bildrealisierungsfläche entstanden sind.
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Optional ist die Bildrealisierungsfläche ein optischer Diffusor. Dadurch entsteht eine Oberfläche, auf der die Bilder der Bilderzeugungseinheit selektiv abgefangen und gebildet werden können.
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Optional sind eine oder mehrere der Vielzahl von Oberflächen Spiegel. Dadurch wird das einfallende Licht, das in Richtung der Projektionsoptik reflektiert wird, bei minimalem Intensitätsverlust maximiert.
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Optional sind eine oder mehrere der Vielzahl von Oberflächen Strahlteiler mit Reflexions-/Durchlassverhältnissen.
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Optional hat jeder Strahlteiler ein anderes Reflexions-/Durchlassverhältnis.
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Optional sind die Reflexions-/Durchlassverhältnisse so gewählt, dass die Helligkeit jedes zweiten Bildes annähernd gleich ist.
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Optional umfasst die Vielzahl von Oberflächen einen Spiegel und einen ersten und zweiten Strahlteiler, wobei das Reflexions-/Durchlässigkeitsverhältnis des ersten Strahlteilers 50/50 und das Reflexions-/Durchlässigkeitsverhältnis des zweiten Strahlteilers 30/70 beträgt.
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Optional hat jeder Bereich der Bildrealisierungsfläche die gleiche Pixeldichte und Pixelanzahl.
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Optional werden die Vielzahl von Oberflächen entlang der optischen Achse der Projektionsoptik ausgerichtet und die virtuellen Bilder auf dem Bildschirm überlagert.
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Diese Anordnung ermöglicht es, die Vielzahl der Oberflächen zu überlagern, Platz zu sparen und es den virtuellen Bildern weiterhin zu ermöglichen, den gleichen Bereich auf dem Bildschirm einzunehmen, die Informationsdichte zu erhöhen und die verfügbaren Anzeigeimmobilien voll auszunutzen. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die virtuellen Bilder die gleiche Intensität und Auflösung aufweisen.
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Optional umfasst das System eine zweite Bildrealisierungsoberfläche, die das Quellbild erzeugen kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit externer Bilderzeugungsmittel und es entsteht ein kompaktes System mit weniger Komponenten.
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Optional weist die zweite Bildrealisierungsfläche einen ersten Bilderzeugungszustand und einen zweiten passiven Zustand auf.
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Optional ist die zweite Bildrealisierungsfläche zwischen dem optischen Diffusor und der Vielzahl von Oberflächen angeordnet.
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Diese Anordnung ermöglicht es, den zweiten Bildrealisierungszustand in Verbindung mit der ersten Bildrealisierungsfläche zu verwenden, die passiv ist, wenn die erste Bildrealisierungsfläche verwendet wird.
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Optional ist die zweite Bildrealisierungsfläche zwischen der Bilderzeugungseinheit und dem optischen Diffusor angeordnet und der optische Diffusor weist einen ersten Bilderzeugungszustand und einen zweiten passiven Zustand auf.
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Optional ist das Abbildungssystem so konfiguriert, dass, wenn das System Umgebungslicht mit einer Intensität unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts ausgesetzt wird, die zweite Bildrealisierungsfläche im ersten Zustand und der optische Diffusor im zweiten passiven Zustand angeordnet wird.
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Diese Anordnung ermöglicht eine Betriebsart, bei der der optische Diffusor transparent gemacht wird, um die von der zweiten Bildrealisierungsschicht erzeugten Bilder nicht zu stören.
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Optional umfasst das Abbildungssystem ferner einen Satz aktiv gesteuerter optischer Komponenten, die sich zwischen der Bildrealisierungsfläche und der Vielzahl von Oberflächen befinden, wobei die Brennweite jeder optischen Komponente so gesteuert wird, dass sie den Fokus eines Abschnitts des Quellbildes beeinflusst, der auf der Bildrealisierungsfläche gebildet wird, um so einen zusätzlichen Tiefenbereich der von der Projektionsoptik projizierten Anzeigebilder bereitzustellen.
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Optional sind die Bilderzeugungseinheit, die Bildrealisierungsvorrichtung und die Projektionsoptik entlang des optischen Pfades des Abbildungssystems angeordnet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Umlenkoptik, die das Abbildungssystem sonst verkomplizieren und sein Gesamtgewicht und seine Größe erhöhen würde.
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Optional umfasst die Bilderzeugungseinheit weiterhin die Fokussierungsoptik. Dies ermöglicht eine zusätzliche Feinabstimmung oder eine notwendige Umleitung der resultierenden virtuellen Bilder auf dem Bildschirm.
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Optional umfasst die Bilderzeugungseinheit eine holographische Einheit zur Erzeugung computergenerierter Hologramme zur Bildung auf dem Diffusor.
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Optional umfasst die Bilderzeugungseinheit eine Hellfeldeinheit zur Erzeugung von 3-dimensionalen Hellfeldbildern zur Bildung auf der mindestens einen Bildrealisierungsfläche.
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Die Projektion von 3-dimensionalen Bildern durch das Abbildungssystem ermöglicht es, solche Bilder mit entsprechend unterschiedlicher Tiefe auf dem Bildschirm darzustellen, um eine überzeugende Darstellung eines realen Objekts zu erzeugen.
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Optional umfasst das Abbildungssystem ferner einen Umgebungslichtsensor, der konfiguriert ist, um die Helligkeit der angezeigten virtuellen Bilder anzupassen. Dieser Sensor gibt entweder eine Rückmeldung an die Bilderzeugungseinheit oder an die Bilderzeugungsschicht, um die Helligkeit der realen Bilder zu erhöhen oder zu verringern, so dass die Helligkeit des entsprechenden virtuellen Bildes bei Bedarf beeinflusst wird.
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Optional kann das Abbildungssystem sowohl automatisch als auch durch eine menschliche Eingabe aktiviert und deaktiviert werden. Auf diese Weise kann sich das Abbildungssystem selbst aktivieren, wenn relevante Informationen verfügbar sind oder von einem Benutzer gewünscht werden.
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Optional ist der Bildschirm ein Bildschirm einer Head-up-Anzeige.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, das ein Abbildungssystem umfasst, wie in den vorstehenden Aspekten beschrieben.
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Gemäß einem weiteren weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von mehrtiefgehenden virtuellen Bildern auf einem Bildschirm vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Rendern eines Anzeigebildes auf dem Bildschirm über eine Projektionsoptik, wobei das Anzeigebild ein dem Quellbild entsprechendes virtuelles Bild ist, und wobei die Bildrealisierungsvorrichtung umfasst: eine Bildrealisierungsfläche mit einem ersten und zweiten Bereich, wobei die Bildempfangsfläche und die Projektionsoptik so angeordnet sind, dass ein erster Punkt im ersten Bereich der Bildempfangsfläche und ein zweiter Punkt im zweiten Bereich der Bildempfangsfläche in einem anderen Abstand vom Fokuspunkt der Projektionsoptik liegen; und eine Vielzahl von Oberflächen, die angeordnet sind, um Licht von der Bildrealisierungsfläche auf die Projektionsoptik zu richten, wobei die Oberflächen und die Bildrealisierungsfläche so angeordnet sind, dass ein erstes Quellbild, das auf dem ersten Bereich der Bildrealisierungsfläche ausgebildet und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das erste Anzeigebild auf dem Bildschirm in einer ersten scheinbaren Tiefe und ein zweites Quellbild, das auf dem zweiten Bereich ausgebildet und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Anzeigebild auf dem Bildschirm in einer zweiten scheinbaren Tiefe darstellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Abbildungssystem zum Erzeugen von mehrtiefgehenden virtuellen Bildern auf einem Bildschirm einer Head-up-Anzeige vorgesehen, wobei das Abbildungssystem eine Bildrealisierungsvorrichtung zum Realisieren eines ersten Bildes, eine Projektionsoptik zum Rendern eines zweiten Bildes auf dem Bildschirm der Head-up-Anzeige umfasst, wobei das zweite Bild ein dem ersten Bild entsprechendes virtuelles Bild ist, und wobei die Bildrealisierungsvorrichtung eine Bildrealisierungsoberfläche mit einer Vielzahl von Bereichen umfasst, wobei die Bildaufnahmefläche und die Projektionsoptik so angeordnet sind, dass jeder der Vielzahl von Bereichen der Bildaufnahmefläche in einem unterschiedlichen Abstand vom Brennpunkt der Projektionsoptik liegt, und eine Vielzahl von Oberflächen, die so angeordnet sind, dass sie Licht von der Bildverarbeitungsfläche zu der Projektionsoptik leiten, wobei die Oberflächen und die Bildrealisierungsfläche so angeordnet sind, dass ein erstes Bild, das auf einem Bereich der Bildrealisierungsfläche realisiert und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Bild auf dem Bildschirm der Head-up-Anzeige in einer ersten scheinbaren Tiefe und ein erstes Bild, das auf einem anderen Bereich realisiert und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Bild auf dem Bildschirm der Head-up-Anzeige in einer zweiten scheinbaren Tiefe darstellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Abbildungssystem zum Erzeugen von mehrtiefgehenden virtuellen Bildern auf einem Bildschirm eines Bildschirmes vorgesehen, wobei das Abbildungssystem eine Bildrealisierungsvorrichtung zum Realisieren eines ersten Bildes, eine Projektionsoptik zum Rendern eines zweiten Bildes auf dem Bildschirm umfasst, wobei das zweite Bild ein dem ersten Bild entsprechendes virtuelles Bild ist, und wobei die Bildrealisierungsvorrichtung eine Bildrealisierungsoberfläche mit einer Vielzahl von Bereichen umfasst, wobei die Bildaufnahmefläche und die Projektionsoptik so angeordnet sind, dass jeder der Vielzahl von Bereichen der Bildaufnahmefläche in einem unterschiedlichen Abstand vom Brennpunkt der Projektionsoptik und einer Vielzahl von Oberflächen angeordnet ist, um Licht von der Bildverarbeitungsfläche auf die Projektionsoptik zu lenken, wobei die Oberflächen und die Bildverarbeitungsfläche so angeordnet sind, dass ein erstes Bild, das auf einem Bereich der Bildverarbeitungsfläche realisiert und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Bild auf dem Bildschirm in einer ersten Scheintiefe wiedergibt, und ein erstes Bild, das auf einem anderen Bereich realisiert und durch die Projektionsoptik projiziert wird, das zweite Bild auf dem Bildschirm in einer zweiten Scheintiefe wiedergibt.
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Im Rahmen dieser Anwendung ist ausdrücklich vorgesehen, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorstehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen dargelegt sind, und insbesondere die einzelnen Merkmale davon, unabhängig oder in beliebiger Kombination übernommen werden können. Das heißt, alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer Ausführungsform können in beliebiger Weise und/oder Kombination kombiniert werden, es sei denn, diese Merkmale sind nicht kompatibel. Der Anmelder behält sich das Recht vor, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern oder eine neue Forderung entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern, um von einer anderen Forderung abhängig zu sein und/oder eine Eigenschaft einer anderen Forderung aufzunehmen, obwohl sie ursprünglich nicht auf diese Weise geltend gemacht wurde.
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Figurenliste
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun exemplarisch nur noch mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung;
- 2 zeigt eine Ausführungsform einer Bildrealisierungsvorrichtung zur Verwendung in der Vorrichtung von 1.
- 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bildrealisierungsvorrichtung zur Verwendung in der Vorrichtung von 1;
- Die 4A und 4B zeigen weitere Ausführungsformen einer Bildrealisierungsvorrichtung zur Verwendung in der Vorrichtung der 1;
- 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bildrealisierungsvorrichtung zur Verwendung in der Vorrichtung von 1;
- zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses zum Erzeugen des zu rendernden Bildes auf dem Bildschirm der Head-up-Anzeige; und
- 7 ist ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In einem Aspekt der Erfindung sind die Vorrichtung und die Anzeige in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, installiert. Während die folgende Beschreibung mit Bezug auf ein HUD eines Kraftfahrzeugs beschrieben wird, gelten die hierin beschriebenen Offenbarungen und Konzepte für andere Formen von HUD (z.B. solche, die in andere Fahrzeugformen eingebaut sind) sowie für Anzeigen im Allgemeinen.
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Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Offenbarung auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und Projizieren von mehrdimensionalen 3D-Augmented-Reality-Bildern auf einen Bildschirm, wie beispielsweise eine Windschutzscheibe, wenn sie zur Verwendung in einer engen Umgebung wie einem Fahrzeug installiert ist, das an Land (on/off road oder track), unter oder über See, in der Luft oder im Weltraum betrieben werden kann. Die Beispiele können, sind aber nicht beschränkt auf, Pkw, Busse, Lastwagen, Bagger, Exoskelettanzüge für schwere Aufgaben, Motorräder, Züge, Themenparkfahrten; U-Boote, Schiffe, Boote, Yachten, Jet-Skys für Seefahrzeuge; Flugzeuge, Segelflugzeuge für Flugzeuge, Raumschiffe, Shuttles für Raumfahrzeuge. Darüber hinaus kann die Technologie in eine mobile Plattform wie beispielsweise eine Kopf-/Augenschutzvorrichtung für Fahrer/Bediener wie Helm oder Brille integriert werden. Daher kann jede Tätigkeit, bei der Schutzhelme/Brillen getragen werden, von dieser Technologie profitieren. Diese können von Motorradfahrern/Radfahrern, Skifahrern, Astronauten, Exoskelettbetreibern, Militärs, Bergleuten, Taucher, Bauarbeitern getragen werden, sind aber nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus kann es in einer eigenständigen Umgebung für Spielkonsolen, Arcade-Maschinen und mit einer Kombination aus einem externen 2D/3D-Display als Simulationsplattform eingesetzt werden. Außerdem kann es in Institutionen und Museen zu Bildungs- und Unterhaltungszwecken eingesetzt werden.
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1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einem Aspekt der Erfindung.
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1 wird mit Bezug auf die Vorrichtung beschrieben, die in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Der Fachmann würde verstehen, dass die Erfindung in anderen Arten von Umgebungen anwendbar ist, in denen ein HUD erforderlich ist und nicht nur in Kraftfahrzeugen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt.
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1 zeigt ein Abbildungssystem 100, das aus einer Bilderzeugungseinheit 200 mit einer Projektionsachse 210 besteht. Die Bilderzeugungseinheit 200 projiziert Licht auf die Bildrealisierungsvorrichtung 300. Die Quellbilder, z.B. werden reale Bilder 501-503 auf verschiedenen Abschnitten der Bildrealisierungsvorrichtung gebildet 300 werden durch eine Projektionsoptik 800 mit der optischen Achse 810 auf einen Bildschirm 900 eines Head-up-Displays geleitet, um Anzeigebilder zu bilden.
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Die Form und Funktionalität der Bildrealisierungsvorrichtung 300 wird im Folgenden anhand der 2 bis 6 näher beschrieben.
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Der Weg des Lichts von der Bilderzeugungseinheit 200 über die Bildrealisierungsvorrichtung 300 und die Projektionsoptik 800 bis auf die Leinwand 900 des Head-up-Displays wird als optischer Weg bezeichnet. Der Fachmann würde verstehen, dass beliebig viele zwischengeschaltete Reflektoren/Objektive oder andere optische Komponenten entlang des optischen Pfades zwischen der Bilderzeugungseinheit 200, der Bildrealisierungsvorrichtung 300 und der Projektionsoptik 800 angeordnet werden können, um den optischen Pfad bei Bedarf zu manipulieren (z.B. um die Gesamtgröße des Abbildungssystems 100 zu minimieren).
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Im Gebrauch werden die realen Bilder 501-503 auf verschiedenen, räumlich getrennten Abschnitten der Bildrealisierungsvorrichtung 300 gebildet, wobei sich jeder Abschnitt in unterschiedlichen Abständen vom Fokuspunkt der Projektionsoptik 800 befindet. Da die realen Bilder 501-503 in unterschiedlichen Abständen vom Fokuspunkt gebildet werden, ergibt sich ein virtuelles Bild 1001-1003 mit einem anderen Fokus (oder einer anderen wahrgenommenen Tiefe), der auf dem Bildschirm 900 des Head-up-Displays sichtbar ist.
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Dementsprechend ermöglicht die Vorrichtung aufgrund der geneigten, erweiterten Oberfläche die Erzeugung virtueller Bilder am HUD in einer gewünschten Tiefe durch Bilden des Bildes an verschiedenen Abschnitten der Bildrealisierungsvorrichtung 300.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer Bildrealisierungsvorrichtung 300 zur Verwendung in der Vorrichtung von 1.
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In 2 ist die Bilderzeugungseinheit 200, die Bildrealisierungsvorrichtung 300 und die Projektionsoptik 800 so angeordnet, dass die Projektionsachse 210 und die optische Achse 810 senkrecht stehen (d.h. der optische Weg biegt sich um 90°), wobei sich die Bildrealisierungsvorrichtung 300 an ihrem Schnittpunkt (d.h. der Biegung im optischen Weg) befindet.
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Die Bildrealisierungsvorrichtung 300 ist aus einer Spiegelanordnung 700 und einer Bildrealisierungsfläche 310 gebildet, die in der dargestellten Ausführungsform ein planarer optischer Diffusor 400 ist. Der optische Diffusor 400 und die Spiegelanordnung liegen beide auf der Projektionsachse 210, wobei sich der optische Diffusor zwischen der Spiegelanordnung 700 und der Bilderzeugungseinheit 200 befindet.
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Der optische Diffusor 400 ist senkrecht zur Projektionsachse 210 angeordnet. Der optische Diffusor 400 ist nominal in drei Bereiche 401, 402 und 403 entlang der Querachse 220 unterteilt, obwohl der Fachmann verstehen würde, dass der optische Diffusor 400 aus einer beliebigen Vielzahl von Bereichen gebildet werden kann. Wie im Folgenden beschrieben, bestimmt die Anzahl der Bereiche die Fähigkeit, das virtuelle Bild auf dem HUD in einer Reihe von diskreten wahrgenommenen Tiefen darzustellen. Dementsprechend erhöht sich in Ausführungsformen, in denen eine größere Anzahl von Tiefen erforderlich ist, die Anzahl der Bereiche entsprechend.
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Die Spiegelanordnung 700 besteht aus drei parallelen Spiegeln 701-703, die sowohl zur ersten 210- als auch zur zweiten 810-Projektionsachse um 45° abgewinkelt sind, so dass das entlang der Projektionsachse 210 wandernde Licht entlang der optischen Achse 810 reflektiert wird. Dementsprechend können die Spiegel 701-703 in Abhängigkeit vom gewünschten optischen Weg in jedem beliebigen Winkel stehen, der erforderlich ist, um das Licht zur Projektionsoptik 800 umzuleiten. Ebenso kann jeder geeignete Reflektor oder Teilreflektor verwendet werden, vorausgesetzt, es gibt eine Vielzahl von Oberflächen, die so angeordnet sind, dass sie das Licht aus den verschiedenen Bereichen des optischen Diffusors auf die Projektionsoptik 800 richten.
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Die Spiegel 701-703 sind entlang der optischen Achse so beabstandet, dass jeder Spiegel 701-703 direkt einem Bereich 401-403 des optischen Diffusors gegenüberliegt und Licht aus jedem Bereich von einem Spiegel 701-703 reflektiert wird. Die Spiegel 701-703 sind entlang der Projektionsachse 210 voneinander beabstandet, um das Licht nicht zu blockieren. Auch hier beschränkt sich das Verhältnis von Spiegeln zu Bereichen sowie deren genaue relative Ausrichtung und Positionierung nicht auf die veranschaulichte Ausführungsform, sondern auf jede Anordnung, die es ermöglicht, Bilder, die über die Oberfläche des optischen Diffusors gebildet werden, auf die Projektionsoptik 800 umzuleiten und schließlich auf dem Bildschirm 900 des Head-up-Displays anzuzeigen.
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Die Bilderzeugungseinheit 200 besteht aus einer Lichtquelle und einem räumlichen Lichtmodulator, wobei der Fachmann es zu schätzen weiß, dass alle geeigneten Abbildungsmittel verwendet werden können, sofern sie in der Lage sind, ein oder mehrere Bilder auf dem optischen Diffusor 400 zu erzeugen. Dementsprechend ist die Bilderzeugungseinheit 200 in einer Ausführungsform eine holographische Einheit, die computergenerierte Hologramme zur Bildung auf den Oberflächen der Bildrealisierung erzeugt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Bilderzeugungseinheit 200 eine Hellfeldeinheit zur Erzeugung von 3-dimensionalen Hellfeldbildern zur Bildung auf den Bildrealisierungsflächen.
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In einer Ausführungsform beinhaltet die Bilderzeugungseinheit 200 ferner eine Abbildungsoptik zur Manipulation der realen Bilder 501-503 auf den entsprechenden Bereich der Bildrealisierungsvorrichtung 300.
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In einer Ausführungsform beinhaltet die Bilderzeugungseinheit 200 ferner eine Abbildungsoptik zur Manipulation der realen Bilder 501-503 auf den entsprechenden Bereich der Bildrealisierungsvorrichtung 300.
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Die Projektionsoptik 800 besteht aus einer Fresnellinse, wobei jede geeignete Fokussieroptik verwendet werden kann.
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Im Gebrauch werden reale Bilder 501-503 auf den optischen Diffusorbereichen 401-403 gebildet, bevor sie von den Spiegeln 701-703 entlang der optischen Achse 810 in Richtung der Projektionsoptik 800 reflektiert werden und auf der Leinwand 900 des Head-up-Displays als Serie von virtuellen Bildern erscheinen. Die Anordnung der optischen Diffusorbereiche 401-403 und Spiegel 701-703 führt dazu, dass die realen Bilder 501-503 in unterschiedlichen Abständen vom Fokuspunkt der Projektionsoptik gebildet werden, so dass die auf dem Bildschirm 900 des Head-up-Displays sichtbaren virtuellen Bilder 1001-1003 unterschiedliche Schwerpunkte oder scheinbare Tiefen aufweisen.
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Dementsprechend ermöglicht die Vorrichtung aufgrund der Anordnung der optischen Diffusorbereiche die Erzeugung virtueller Bilder am HUD in einer gewünschten Tiefe durch Bilden des Bildes an verschiedenen Diffusorbereichen.
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zeigt eine Ausführungsform, bei der der am weitesten entlang der Projektionsachse 210 von der Projektionsoptik 800 entfernte Spiegel 703 beibehalten wird, während die restlichen Spiegel 701 und 702 durch die Strahlteiler 601 und 602 ersetzt werden. Ebenso würde der Fachmann verstehen, dass der Spiegel 703 auch durch den Strahlteiler 603 ersetzt werden kann.
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In dieser Ausführungsform sind der Spiegel 703 und die Strahlteiler 601-602 entlang der optischen Achse 810 ausgerichtet, d.h. im gleichen Abstand entlang der Projektionsachse 210, wobei ihre relative Positionierung gegenüber den Bereichen 401-403 des optischen Diffusors 400 erhalten bleibt. Dementsprechend werden die vom Spiegel 703 und den Strahlteilern 601-602 übertragenen Bilder auf dem gleichen Bereich des Bildschirms 900 des Head-up-Displays überlagert, wodurch die Informationsdichte des Displays erhöht und der physische Platz, der von der Bildrealisierungsvorrichtung 300 und dem Abbildungssystem 100 als Ganzes belegt wird, reduziert wird.
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Im Einsatz kann das vom Spiegel 703 reflektierte Licht die Strahlteiler 601-602 auf dem Weg zur Projektionsoptik 800 passieren. Ebenso kann das vom Strahlteiler 602 zwischen dem Spiegel 703 und dem Strahlteiler 601 reflektierte Licht den Strahlteiler 601 passieren.
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Die resultierenden virtuellen Bilder 1001-1003 werden auf dem gleichen Bereich des Bildschirms 900 des Head-up-Displays mit unterschiedlichen scheinbaren Tiefen überlagert.
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In einer Ausführungsform weist der Strahlteiler 602 ein Reflexions-/Durchlassverhältnis von 50/50 und der Strahlteiler 601 ein Reflexions-/Durchlassverhältnis von 30/70 oder 33,33/66,67 auf, wodurch sichergestellt ist, dass jedes durch die Projektionsoptik projizierte Realbild 501-503 annähernd die gleiche Helligkeit aufweist. In weiteren Ausführungsformen werden andere Reflexions-/Durchlassverhältnisse verwendet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Bildrealisierungsfläche 310 eine Bilderzeugungsschicht 350 und nicht ein optischer Diffusor 400. In einer Ausführungsform ist die Bilderzeugungsschicht 350 eine elektrolumineszente OLED, wobei jedoch jedes geeignete Bilderzeugungsmittel verwendet werden kann. Dies ermöglicht den Betrieb ohne die Bilderzeugungseinheit 200 und reduziert die Gesamtgröße und Komponentennummer des Abbildungssystems 100.
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Die Bilderzeugungsschicht 350 ist gegenüber der Projektionsoptik 800 in gleicher Weise angeordnet wie der optische Diffusor der früheren Ausführungsformen.
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Anstatt Bilder zu bilden, die von der Bilderzeugungseinheit 200 projiziert werden, erzeugt die Bilderzeugungsschicht 350 selbst reale Bilder 501-503, die dann durch die Projektionsoptik projiziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in den 4A und 4B dargestellt ist, wird die Bildrealisierungsvorrichtung 300 sowohl aus dem optischen Diffusor 400 als auch aus der Bilderzeugungsschicht 350 gebildet, wobei die Bilderzeugungsschicht 350 entlang des optischen Pfades und der Projektionsachse 210 zwischen dem optischen Diffusor 400 und der Spiegelanordnung 700 angeordnet ist. Die Spiegelanordnung 700 kann Strahlteiler umfassen, wie in beschrieben.
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Dies sieht ein System mit zwei Betriebsarten vor, wobei jede Betriebsart so angepasst werden kann, dass sie in einem unterschiedlichen Bereich von Umgebungslichtbedingungen arbeitet. Darüber hinaus ermöglicht die Überlagerung des optischen Diffusors 400 und der Bilderzeugungsschicht 350 auf diese Weise ein Dual-Modus-System, ohne dass ein zweiter Satz der Projektionsoptik 800 erforderlich ist.
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Wenn die Bilderzeugungseinheit 200 verwendet wird, um Bilder auf dem optischen Diffusor 400 zu erzeugen (wie in dargestellt), befindet sich die Bilderzeugungsschicht 350 in einem transparenten, deaktivierten oder passiven Zustand, so dass die von der Bilderzeugungseinheit 200 erzeugten realen Bilder 501-503 zu der Projektionsoptik 810 durchdringen können.
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Wenn alternativ die Bilderzeugungsschicht 350 zur Erzeugung der realen Bilder 501-503 verwendet wird (wie in dargestellt), befinden sich sowohl die Bilderzeugungseinheit 200 als auch der optische Diffusor in einem deaktivierten/leeren Zustand, um Strom zu sparen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Bilderzeugungsschicht 350 entlang der Projektionsachse 210 zwischen dem optischen Diffusor 400 und der Bilderzeugungseinheit 200 positioniert. In dieser Ausführungsform befindet sich die Bilderzeugungsschicht 350 bei Verwendung des optischen Diffusors 400 und der Bilderzeugungseinheit 200 wieder in einem transparenten Zustand.
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In der anderen Betriebsart wird die Bilderzeugungsschicht 350 verwendet, um die realen Bilder 501-503 zu erzeugen und der optische Diffusor 400 geht in einen transparenten Zustand über, so dass die realen Bilder 501-503 störungsfrei in die Spiegelanordnung 700 gelangen.
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Die 5A und 5B zeigen eine Ausführungsform, in der sich eine aktiv gesteuerte optische Komponentenanordnung von Flüssigkristalllinsen 370 zwischen dem optischen Diffusor 400 und der Spiegelanordnung 700 befindet. Die Spiegelanordnung 700 kann Strahlteiler umfassen, wie in beschrieben.
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Die Flüssigkristalllinsenanordnung 370 ist ein Satz aktiv gesteuerter optischer Komponenten, die sich zwischen der Bildrealisierungsoberfläche und der Vielzahl von Oberflächen befinden und eine Vielzahl von Bereichen 371-374 aufweisen. Die Brennweite jedes Bereichs 371-374 kann unabhängig voneinander variiert werden, wodurch der Bereich der scheinbaren Tiefen der virtuellen Bilder 1001-1003, die auf den Bildschirm 900 des Head-up-Displays projiziert werden, vergrößert wird, ohne die Größe des Abbildungssystems erheblich zu vergrößern.
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In einer Ausführungsform projiziert die Bilderzeugungseinheit 200 Bilder in Form von verknüpften Stereo-Paaren auf den optischen Diffusor 400. Jeder Bereich 371-374 der Flüssigkristall-Linsenanordnung 370 fokussiert ein vertikales Linienpaar in einem bestimmten Abstand. Der Abstand zwischen den Linienpaaren bestimmt den fokussierenden (oder konvergierenden) Abstand. Dies sorgt für eine scheinbare horizontale Parallaxe in den virtuellen Bildern 1001-1003 auf dem Bildschirm 900 des Head-up-Displays.
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ist ein Flussdiagramm des Prozesses zum Erzeugen des zu rendernden Bildes auf dem Bildschirm 900 des Head-up-Displays.
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In einem Aspekt der Erfindung erzeugt die Vorrichtung ein virtuelles Bild, das auf dem HUD angezeigt wird, wobei das HUD eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs ist. Bekanntlich ist die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs eine geometrisch verzerrte Form, d.h. sie ist nicht eben. Dementsprechend wird ein Bild, das auf die Windschutzscheibe projiziert wird, verzerrt, wobei der Grad der Verzerrung durch verschiedene Faktoren wie die Form der Windschutzscheibe und den durchschnittlichen Abstand der Windschutzscheibe vom projizierten Bild beeinflusst wird.
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Die hierin beschriebene Vorrichtung ist in der Lage, ein Bild zu erzeugen, das in verschiedenen Tiefen dargestellt werden kann. Während die Erzeugung der Bilder in mehreren Tiefen auf dem HUD viele Vorteile gegenüber einer flachen, einzelnen Tiefe bietet, führt die Fähigkeit des Bildes, Faktoren wie die Krümmung der Windschutzscheibe zu korrigieren, zu weiteren Verbesserungen in Bezug auf Tiefenkontrolle und Bildmanipulation.
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Vorteilhafterweise, um den Effekt der Verzerrung in einem Aspekt der Erfindung zu reduzieren, wird die Verzerrung der Windschutzscheibe durch die Bilderzeugungseinheit mit Hilfe einer Software korrigiert, die das Bild so vorverzerrt, dass das auf der Windschutzscheibe wiedergegebene Bild frei von Verzerrungen durch die Windschutzscheibe ist. Eine solche softwarebasierte Korrektur erübrigt voluminöse Korrekturoptiken und bietet darüber hinaus ein höheres Maß an Flexibilität, das sich an verschiedene Windschutzscheiben anpassen kann. Die auf dem HUD zu präsentierenden Bilder werden von einer Bilderzeugungseinheit erzeugt. Die Bilderzeugungseinheit definiert das Bild, das vom HUD angezeigt werden soll. So kann das Bild beispielsweise Informationen über den Zustand des Fahrzeugs und weitere Informationen zur Navigation enthalten.
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Der Begriff Bilderzeugungseinheit bezieht sich auf die Vorrichtung, die das auf dem HUD zu rendernde Basisbild bestimmt und erzeugt. Das hierin beschriebene Verfahren ist auf jede geeignete Form von Bilderzeugungsgeräten anwendbar.
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Die Bilderzeugungseinheit umfasst eine Bildquelle, die das Bild erzeugt, das auf dem HUD angezeigt werden soll. Die Bildquelle in einer Ausführungsform ist eine Lichtmaschine, ein OLED-Display oder eine andere geeignete Quelle, die das zu zeigende Bild erzeugt. Die Bildquelle umfasst einen Softwaretreiber, der konfiguriert ist, um das Bild auf der Bildquelle zu bestimmen und zu erzeugen.
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Der Softwaretreiber umfasst eine Komponente, die den anzuzeigenden Inhalt bestimmt. Der Prozess der Generierung von Inhalten ist bekannt und wird in einem Aspekt mit bekannten Mitteln durchgeführt.
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Der Treiber umfasst ferner ein Verzerrungsmodul, wobei das Verzerrungsmodul konfiguriert ist, um eine Verzerrung auf das erzeugte Bild anzuwenden, wobei die Verzerrung so berechnet ist, dass, wenn das Bild auf dem HUD/Windschutz angezeigt wird, das Bild für den Endbenutzer unverzerrt erscheint.
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Bei Schritt S102 wird die Windschutzscheibe als verspiegelte Oberfläche modelliert. Bei Schritt S102 wird die Form und Steigung der Windschutzscheibe bestimmt. In einer Ausführungsform, da die Form der Windschutzscheibe für eine bestimmte Marke und ein bestimmtes Modell eines Fahrzeugs typischerweise konstant ist, ist sie vorprogrammiert.
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Bei Schritt S104 wird das auf dem HUD anzuzeigende Bild als Referenzeingangsbild genommen. Ein solches Bild ändert sich typischerweise mehrmals pro Sekunde.
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Bei Schritt S106 wird das Eingangsbild für jeden Farbkanal des Bildes getrennt, um ein Bild pro Farbkanal zu erzeugen.
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Bei Schritt S108 wird für jedes Farbkanalbild, für jedes Pixel des Bildes die Position des Pixels bestimmt, wie sie von einem Betrachter visualisiert wird, der sich in einem Abstand von der Windschutzscheibenoberfläche befindet. Dies wird durch die Verwendung von Strahlreflexion bestimmt, um die Position des Pixels basierend auf dem durchschnittlichen Abstand des Eingangspixels (gemäß Schritt S106), der Reflexionsfläche der Windschutzscheibe (gemäß Schritt S102) und dem durchschnittlichen Abstand zwischen dem gerenderten Bild und der Windschutzscheibe, der Bildtiefe zu bestimmen.
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Daher wird bei Schritt S108 der Grad der Verzerrung für jedes Farbkanalbild infolge der Windschutzscheibe und der physikalischen Entfernungen berechnet. Dies führt zu einem verzerrten Bild (wobei der Grad der Verzerrung von den physikalischen Parametern abhängig ist) für jeden Farbkanal. Dies kann erreicht werden, indem die Verschiebungen bestimmter vordefinierter Punkte auf einem verzerrten Bild überwacht und angepasst werden, um die entsprechenden Verzerrungsparameter zu erhalten.
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Bei Schritt S110 werden die einzelnen verzerrten Farbkanalbilder zusammengefasst. Das kombinierte Bild ist das resultierende Vorverzerrungsbild, da die Projektion des Vorverzerrungsbildes dazu führt, dass das Eingangsbild (gemäß Schritt S104) angezeigt wird.
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Als solches bietet der Prozess eine verbesserte Methodik, um sicherzustellen, dass das erzeugte Bild frei von Verzerrungen ist.
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7 veranschaulicht ein Fahrzeug 1, das die Vorrichtung 3 der 1 bis 5 umfasst. Die Vorrichtung 3 kann in einem Abbildungssystem dargestellt werden.
