DE19831713C2

DE19831713C2 - Positionsadaptiver 3D-Raster-Monitor (PARM)

Info

Publication number: DE19831713C2
Application number: DE19831713A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Hentschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: DE19831713A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Videomonitor zur autostereoskopen Darstellung von 3D- Bildern oder Szenen, bei denen die Position des Betrachters adaptiv in die stereoskope Ansicht einbezogen werden kann. Der hier beschriebene 3D-Raster Monitor ist eine Weiterentwicklung des Positionsadaptiven Autostereoskopen Monitors (PAM), bei dem insbesondere ein einfach installierbarer Einsatz für PCs möglich wird. Ver schiedene spezifische Rasterscheiben können auf ein TFT-Display (im Laptop oder Monitor) gelegt werden. Durch Einbindung einer speziellen Graphik-Karte, durch Installation einer geeigneten 3D-Software und durch Verwendung eines handels üblichen Head-Trackers kann ein Standard-PC zu einem 3D-System aufgerüstet werden. Dabei kann man sich die beste 3D-Sicht für eine gewünschte Abstandsposi tion vom Monitor einstellen. Bei Veränderung der Position wird die 3D-Sicht ohne mechanische Nachführungen nachgeregelt und schaltet die stereoskope Sicht beim Verlassen eines Definitionsbereiches vor dem Monitor nicht ab, sondern verringert dann die Auflösung.

STAND DER TECHNIK

Stereoskope Film- und Projektionsverfahren sind seit Jahren im Einsatz. Meist wird polarisiertes Licht (horizontal/vertikal, zirkular) benutzt, um das rechte und linke Bild zu trennen. Mit dem Fortschritt der LCD-Technik wurde es möglich, die Lichtdurchlässigkeit von Kristallen elektronisch zu steuern. Dies machte die Entwicklung der Shutter-Technik möglich, bei der synchron mit der Halbbild frequenz abwechselnd das rechte und das linke Brillenglas lichtundurchlässig wird und synchron dazu rechte und linke Bilder sequentiell auf dem Bildschirm erscheinen.

Autostereoskope Projektionen werden mit Hilfe von Leinwänden mit Streifenlinsenra ster bei mehreren Projektionsrichtungen durchgeführt. Dabei wird der entsprechenden Richtung das richtige Perspektivbild zugeordnet [2]. Ein fließender Übergang von einer Perspektive zur nächsten ist dabei kaum zu erreichen, da die Anzahl der Projektionsrichtungen nicht beliebig erhöht werden kann. Bei einem autostereoskopen Display, das für nur eine Person bestimmt ist, verwendet man nur zwei Perspektiven, die eine bestimmte Blickrichtung erfordern [3], [5]. Ein voll stereoskopes Bild wie in einem Hologramm darzustellen, wird erreicht unter Verwendung von "Head Trac king"-Sensoren, die einerseits einen leistungsstarken Echtzeitrechner steuern zur Berechnung der passenden stereoskopen Bildperspektiven und andererseits den autostereoskopen Schirm steuern zur Nachführung des optischen Strahlenganges [3], [6], [9]. Hierbei wird die genaue Kopfposition und -bewegung detektiert und die, zugehörigen Bilder werden gleichzeitig generiert. Darüberhinaus kommen auch auf wendige VR-Systeme (Virtuell Reality) unter Benutzung gewöhnungsbedürftiger "Head Mounted Displays" zum Einsatz.

In der Medizintechnik sind Kernspinresonanz und Computertomographie die wichtig sten Einsatzgebiete für stereoskope 3D-Visualisierungen. Um bestimmte gesuchte Perspektiven zu berechnen, werden leistungsfähige Spezialrechner eingesetzt. Kom binierte Computervisualisierungen und Echtzeitübertragungen von Endoskopen werden zu einem der wichtigsten neurochirurgischen Werkzeuge. Stereoskope Endoskope sind bereits im Einsatz. Eine elektronische Bewegungssteuerung über einen auf Infrarotba sis arbeitenden "Head Tracking Sensor" wird leicht zu kombinieren sein mit einem personenbezogenen autostereoskopen Bildschirmsystem.

PROBLEMSTELLUNG

Um eine möglichst natürliche stereoskope Darstellung zu erzeu gen, muß eine autostereoskope Methode eingesetzt werden. Dabei darf der Betrachter nicht an eine bestimmte Position vor dem Bildschirm gebunden sein, sondern sollte gezielt das Mittel der Kopfbewegung benutzen können, um eine 3D-Szene aktiv aus geringfügig veränderten Blickrichtungen beobachten zu können. Dies erfordert ein adaptives System, das sich natürlich nur an einem Betrachter orientieren kann. Daneben sollte ein solches System für einen breiteren Einsatz des Bildschirmes auch die Möglichkeit bieten, sich auf einen nicht stereoskopen Darstellungsmodus um schalten zu lassen.

Bei der Adaption an die Betrachterposition durch eine Subpixelumcodierung auf einen TFT-Display [4] ist das Problem aufgetreten, daß durch ungleichmäßige Lücken zwischen der verkämmten Rechts- und Links-Bilddarstellung auf dem Display Heilligkeitsstörstreifen aufgetreten sind. Diese lokalen Quantisierungsinterferenzen sollen beseitigt werden. Bislang war ein fest vorgebener Definitionsbereich für den Betrachter vor dem Bildschirm erforderlich, in dem die 3-D Sicht möglich war. Beim Verlassen dieses Bereiches schaltete das System auf eine zweidimensionale Sicht um. Das Ziel ist es, den Definitionsbereich zu vergrößern und bei einer größeren Entfer nung vom Bildschirm eine nicht mehr benötigte hohe Auflösung zu reduzieren, ohne die 3D-Sicht zu verlieren.

Dabei soll die Möglichkeit eröffnet werden, relativ hohe Herstellungskosten durch hohe Stückzahlen drastisch zu reduzieren durch eine große Applikationsbreite. Es soll auch vermieden werden, zwei übereinander liegende Displays einsetzen zu müssen, wie es beispielsweise im Shuttersystem [9] erforderlich ist.

Es sind bislang keine solche 3-D Displays bekannt, die dieses Problem lösen.

PRINZIP DER ERFINDUNG

Der Positionsadaptive 3-D Rastermonitor (PARM) ist eine Weiterentwicklung des Personenadaptiven Autostereoskopen Monitors PAM [3]. Er basiert auf dem gleichen Prinzip, verwendet aber statt einer vor dem Bildschirm angeordneten Prismenrasterscheibe eine spezielle Linsenrasterscheibe, bei der jede Zylinderlinse aus einer geeigneten Kombination von konvex-konkaven Sub-Zylin derlinsen zusammengesetzt ist. Durch die Zylinderlinsenrasterscheibe werden auf dem Display unterschiedliche, disjunkte Farbsubpixelbereiche für das rechte und linke Auge sichtbar. Diese sichtbaren Farbsubpixelbereiche werden so angesteuert, daß das rechte Auge nur das rechte Bild sieht und das linke Auge nur das linke Bild.

Die Ansteuerung der Subpixel auf dem Display wird dabei fortlaufend adaptiv an die jeweilige Position des Betrachters vor dem Display angepaßt. Dadurch geht auch die 3D-Sicht bei der Bewegung einer Person vor dem Display nicht verloren. Die Positionsangabe wird von einem Headtracker geliefert.

Die Problemstellung wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: Die Zylinderlinse auf der Rasterscheibe bzw. das Zylinderprisma auf der Rasterscheibe erhalten zusätzlich eine konvexe und konkave Sublinsenstruktur, so daß die sichtbare Pixelreihe für ein Bild besthehend aus 3 angesteuerten Pixeln RGB, GBR oder BGR durch eine konkave Struktur kontrahiert wird, vgl. Strahlengänge 5 in Fig. 3 und Fig. 4. Ist ein Display verhanden, das über genügend Helligkeit verfügt, so hat der konvexe Anteil der Subzylinderlinse mit dem Strahlengang 6 den Brennpunkt auf der Bildebene (4). Soll keine Helligkeit verloren gehen, so hat die konvexe Subzylinderlinse ihren Brenn punkt zwischen der Linse und der Bildebene, so daß über den konvexen Bereich die Pixelanordnung gespiegelt erscheint, vgl. Fig. 12. Während in dem Strahlengang des konkaven Teils 5 der sichtbare Bereich etwa 4 Pixel in der Reihenfolge SP 1, SP 2, SP 3, SP 4 überdeckt, von denen auf dem Display nur 3 angesteuert sind, erscheinen in dem anschließenden Strahlengang durch den konvexen Teil (6) in der gespiegelten Reihenfolge SP 4, SP 3, SP 2, SP 1. Diese Anordnung kann gegebenenfalls fortgesetzt werden. In einem anschließenden konkaven Teil einer Subzylinderlinse würden dann wieder die selben 4 Subpixel auf dem Display in der originalen Reihenfolge erschei nen, während in einem anschließenden konvexen Teil wieder die gespiegelte Reihen folge der selben Subpixel erscheinen würde. Dadurch wird erreicht, daß in einer gesamten Linse ein Pixel aus 3 Subpixeln 2 bzw. 4 mal erscheint. Dies bewirkt eine gleichmäßige Verteilung des Lichtes über die gesamte Linsenbreite und nicht ange steuerte Subpixel werden nicht mehr sichtbar.

Die alternierende Reihenfolge der verkämmt angesteuerten Pixel auf dem Display rechts, links, rechts, links, usw. kann auch durch eine Reihenfolge ersetzt werden, bei der nacheinander auf dem Display jeweils zwei aufeinanderfolgende rechte und dann zwei aufeinanderfolgende linke Bildpixel auf dem Display verkämmt angesteuert werden. Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der sogar 3 rechte und dann 3 linke Bildpi xel hintereinander liegen. Dabei ist der gesamte Bereich für das rechte Bild (siehe 4, Fig. 5) etwa halb so breit wie die Gesamtlinse 2, so daß der danebenliegende Bereich für das linke Bild ebenfalls etwa die halbe Gesamtlinsenbreite ausmacht. Die einzel nen Strahlengänge durch die konkaven Subzylinderlinsen (5) überdecken dann wieder etwa 4 Subpixel, von denen 3 angesteuert sind. Die Strahlengänge (6) durch die konvexen Subzylinderlinsen können wie in Fig. 5 den Brenn punkt auf der Bildebene haben, auf einem Pixelbereich, der nicht angesteuert ist oder - wie bereits in Fig. 12 erläutert - den Brenn punkt in der Mitte zwischen der Linse und der Bildebene haben, so daß der gleiche Bereich spiegelbildlich erscheint.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der jeweils zwei rechte und zwei linke Bildpixel auf dem Display angesteuert sind, die dann über die konkaven Anteile in die Blickrichtungen für das rechte und linke Auge aufgeteilt werden. Um die Quantisierungen zwischen den einzelnen Pixeln stets trennen zu können, ist im Mittel zwischen je zwei rechten Bildpixeln ein nicht angesteuertes Subpixel (n. a.) vorgesehen, ebenso zwischen zwei linken, während zwischen rechtem und linkem Pixelbereich ein größerer Bereich von ca. 3 Subpixeln als nicht angesteuert (n. a.) gekennzeichnet ist, damit eine deutliche Trennung zwischen rechts und links erreicht wird.

Der nicht angesteuerte Subpixelbereich zwischen rechts und links auf dem Display kann sich adaptiv verkleinern, wenn sich die Abstand sposition des Betrachters vom Display vergrößert. Ab einer bestimmten Abstandsgrenze kann es dann zu einem Vermischen von einem rechten Subpixel mit einem linken Subpixel kommen. In diesem Fall wird ab dieser Stelle das gesamte Pixel, in dem eine Überschneidung statt findet, nicht mehr genutzt, d. h. in Ansteuerung ausgelassen, so daß das Bild nur noch über die anderen Pixel sichtbar bleibt. Damit ver bunden ist ein Verlust an Auflösungsqualität des Bildes, aber die stereoskope Sicht geht noch nicht verloren. Dies ist, nur möglich, wenn wie in Fig. 2 oder 5 mehrere rechte und mehrere linke Pixel nebenein ander liegen.

In den Fig. 6 bis 11 sind µmetergenau berechnete Profile von konvexen und konkaven Substrukturen über eine Linsenpitchbreite gezeigt und in den Bildunterschriften erläutert. Zur Verdeutlichung des Profils ist die Linsentiefe gegenüber der Linsenbreite vergrößert dargestellt.

Die Subpixel-Umcodierung wird - ähnlich wie im PAM. System [3], [4] - durch einen digitalen Adaptionscoder vorgenommen. Um die zu einem Pixelstreifen gehörigen drei Subpixel von benachbarten Streifen der gleichen Blickrichtung zu trennen, wird vorzugsweise ein dazwischen liegendes Subpixel dunkel gesetzt, vgl. Fig. 2, (mit n. a. als nicht angesteuert gekennzeichnet). Um die Pixelstreifen auf dem Display, die rechte und linke Blickrichtungen verkämmt trennen, leichter adap tieren zu können, werden an dieser Stelle vorzugsweise durchschnitt lich zwei bis drei Subpixel nicht angesteuert (vgl. Fig. 2).

Positionsdetektion

Als Positionsdetektoren eignen sich Infrarot Head-Tracking Systeme, die heute bereits die erforderliche Präzision aufweisen, aber auch preisgünstige Ultraschallsysteme sind verwendbar. Möchte man auch die vertikale Position und den Betrachtungsabstand detektieren, so empfiehlt es sich, mindestens zwei Sensorfelder einzusetzen. Es können aber auch CCD-Kameras mit einer schnellen Bildauswertung eingesetzt werden. Ultra schallvermessungen sind dann besonders einfach, wenn der Sender am Kopf des Betrachters angebracht werden darf.

BESCHREIBUNG DER EINSATZGEBIETE

Ein autostereoskoper Bildschirm hat gegenüber anderen Methoden wie Shutterprinzip oder Polarisationsprinzip mit Brillen den Vorteil, daß der Benutzer keine Brille benötigt. Um den Stereoeffekt aus verschie denen Blickrichtungen eines Betrachters zu erhalten, wird in bisher bekannten Syste men die Linsen- bzw. Prismenscheibe vor der Bildoberfläche mechanisch adaptiv, der Betrachterposition entsprechend, nachgeführt. Daneben ist ein autostereoskoper Shutter Bildschirm bekannt, für den aber die dafür erforderliche schnelle Displaytechnologie zur Zeit noch nicht ganz ausgereift ist.

Die autostereoskope Nutzung bleibt im wesentlichen auf eine Person je Bildschirm be schränkt, was aber an Workstations oder im Operationssaal des Arztes ohnehin der Fall ist. Daneben können natürlich jederzeit zusätzlich brillengebundene Verfahren für eine Gruppennutzung eingesetzt werden.

Die wichtigsten kurzfristigen Applikationen sind in der Medizintechnik zu sehen. Hier ist der Bezug auf eine Person auch kein Nachteil; ohnehin beurteilt nur eine Person ein 3D-CT-Bild: der Arzt, der störende Brillen und eingeschränkte Blickfelder vermeiden muß. Sind mehrere Ärzte gleichzeitig tätig, so können mehrere Bildschirme benutzt werden. Will gleichzeitig ein Auditorium eine mikrochirurgische Operation stereoskop mitverfolgen, so kann dies über ein Projektionsverfahren mit z. B. polari siertem Licht erfolgen.

In einem zukünftigen digitalen Fernsehsystem wird auch das stereoskope Fernsehen seinen Platz haben, da es einfach den natürlichen Sehgewohnheiten am nächsten kommt und optional nutzbar sein kann, wenn die digitale Codierung bei der Über tragung die Zusatzinformation für die dritte Dimension mitliefert.

Die heute verfügbaren TFT-Displays an PCs, Laptops und Workstations erlauben ein schnelles Umrüsten auf eine 3D-Fähigkeit. Auf Rechnern verügbare 3dimensionale Software kann dann genutzt werden, um eine 3D Sicht zu ermöglichen, wenn die o. g. Zusatzausrüstung integriert wird.

Literatur

[1] S. Hentschke: Stereoskoper Bildschirm. Patentanmeldung DE 41 14 023 A1 (

1991

).
[2] R. Börner: Autostereoscopic 3-D Imaging by Front and Rear Projection and on Flat Panel Displays. Displays, Vol. 14, No. 1 (

1993

), pp. 39-46.
[3] S. Hentschke: Positionsadaptiver autostereoskoper Monitor (PAM). Europä ische Patentanmeldung EP 0 836 332 A2, (

1997

).
[4] M. Andiel, S. Hentschke, A. Herrfeld, N. Reifschneider: 3D-Panoramamonitor. CeBIT 98-Broschüre: Kooperationspartner in Forschung und Innovation. Hes sisches Ministerium für Unterricht und Kunst (

1998

).
[5] R. Börner: Autostereoskope Rückprojektions- und Flachbildschirme. Fernseh- und Kinotechnik Bd. 48, Nr. 11 (

1994

). S. 594-600.
[6] S. Hentschke: Personenadaptiver autostereoskoper Monitor - eine Option für den Fernseher? Fernseh- und Kinotechnische Zeitschrift Nr. 5/1996, S. 242- 248
[9] R. Börner: Wiedergabeeinrichtung für dreidimensionale Wahrnehmung von Bildern. Autostereoscopic Viewing Device for Creating Three Dimensional Perception of Images. Deutsches Patent Nr. DE 39 21 061 A1 (Anm. 1989).
[9] S. Hentschke, Personenadaptiver autostereoskoper Shutter Bildschirm (PAAS). Patentschrift DE 195 00 315 C1, (

1995

).

Claims

1. Positionsadaptiver 3D-Rastermonitor (PARM), bestehend aus einer Linsenrasterscheibe (1), aus einem RGB-Flachdisplay (3), bei dem die drei Farbsubpixel R, G und B horizontal nebeneinander angeordnet sind, und einem Subpixelcoder in der digitalen Displayansteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zylinderlinse (2) bzw. jedes Zylinderprisma auf der Rasterscheibe (1) eine Feinstruktur aus zwei oder mehr aufeinanderfolgenden konvexen und konkaven Sub-Zylinderlinsen aufweist.

2. PARM-Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstruktur auf einer Zylinderlinse aus Aufeinanderfolgen einer konvexen, konkaven und konvexen Zylinderlinse besteht und der Strahlengang (5) durch die mittlere konkave Linse auf der Bildebene (4) einen sichtbaren Bereich überdeckt, der etwa halb so breit ist wie der horizontale Pitchabstand p_ZL auf der Rasterscheibe (vgl. Fig. 3), während die konvexen Sub-Zylinderlinsen ihren Brennpunkt auf der Bildebene (3) haben.

3. PARM-Monitor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der beiden Außenseiten eines Zylinderprismas eine Reihenfolge einer konvexen, konkaven, konvexen Sub-Zylinderlinse angeordnet ist, so daß die zur Bildoberfläche senkrechten Strahlengänge (5) durch die beiden konkaven Linsen auf der Bildoberfläche denselben sicht baren horizontalen Bereich überdecken, der etwa halb so breit ist wie der Pitchabstand der Zylinderprismen auf der Rasterscheibe (1) und daß dieser Überdeckungsbereich (4) mindestens 4 nebeneinander liegende Farbsubpixel (RGBR) oder (GBRG) oder (BRGB) umfaßt (vgl. Fig. 4), während die konvexen Sub-Zylinderlinsen ihren Brennpunkt auf der Bildebene (3) haben.

4. PARM-Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zylinderlinse auf der Rasterscheibe 2 oder 3 nebeneinanderliegende Kombinationen von je drei konvexen, konkaven, konvexen Sub-Zylinderlinsen aufweist, bei denen die zur Rasterscheibe senkrechten Strah lengänge (5) durch die konkaven Sub-Zylinderlinsen 2 bzw. 3 nebeneinander liegende disjunkte Bereiche überdecken, die zusammen etwa so breit sind wie der halbe Pitchabstand der großen Zylinderlinsen auf der Rasterscheibe und daß in jedem Strahlengang (5) durch eine konkave Sub-Zylinderlinse mindestens drei Farbsubpixel (RGB) oder (GBR) oder (BRG) auf der Bildebene (3) liegen (vgl. Fig. 5).

5. PARM-Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2 oder 3 oder mehr Sub-Zylinderlinsenkombinationen, wie sie in Anspruch 3 in einem Zylinderprisma zusammengesetzt sind, horizontal nacheinander angeordnet sind und daß die zu der Rasterscheibe senkrechten Strahlengänge (5) auf der Bildebene einen nebeneinander zu sammengesetzten, aber von einem Zylinderprisma zum anderen disjunkten Subpixelbereich überdecken und daß in jedem dieser Strahlengänge (5) durch die konkaven Sub-Zylinderlinsen mindestens 3 Farbsubpixel liegen (vgl. Fig. 2).

6. PARM Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zylinderlinse in 4 gleichgroße konvexe oder konkave Teillinsen unterteilt ist, derart dass von rechts nach links auf der Linsenoberfläche betrachtet für ein Auge in der ersten Teillinse der Bereich von 3 oder mehr aufeinander folgender Subpixeln erscheint, in der zweiten Teillinse derselbe Bereich in derselben Reihenfolge für dasselbe Auge erscheint, z. B. B1re, R1re, G1re; und in den nächsten zwei Teillinsen der auf dem Display darauf folgendende Bereich der Subpixel, z. B. R2re, G2re, B2re, in der gleichen Weise wiederholt für dasselbe Auge erscheint, während für das andere Auge der folgende zusammenhängende disjunkte Subpixelbereich in der gleichen Weise erscheint, z. B. R1li, G1li, B1li, etc. vgl. Fig. 2,. Anstelle von 4 Subzylinderlinsen kann eine Zylinderlinse auch 6 enthalten, derart dass für ein Auge ein zusammenhängender Subpixelbereich in gleicher Weise sichtbar wird, während für das andere linke Auge ein darauf folgender zusammenhängender disjunkter Bereich in gleicher Weise sichtbar wird.

7. PARM-Monitor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein zu der Zylinderlinsenraster-Scheibe (1) senkrechter Strahlengang durch jede konkave Sub- Zylinderlinse, (die im Extremfall einen weit entfernten Brennpunkt haben kann) einen Bereich von mindestens 4 aufeinanderfolgenden Farbsubpixeln SP 1, SP 2, SP 3, SP 4 gleichmäßig von links nach rechts überdeckt, während der Strahlengang durch jede anschließende konvexe Sub- Zylinderlinse den gleichen Bereich gespiegelt von rechts nach links überdeckt (SP 4, SP 3, SP 2, SP 1), vgl. Fig. 12.

8. PARM-Monitor, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex-konkave Feinstruktur aus mehreren Gruppen von konvexen und konkaven Sub-Zylinderlinsen besteht, bei denen der Strahlengang durch eine Gruppe den Bereich von mindestens 4 benachbarten Farb- Subpixeln SP 1-SP 4 von rechts nach links und von links nach rechts überdeckt und die nächste Gruppe einen folgenden Bereich von SP 5-SP 8 von rechts nach links und von links nach rechts überdeckt.

9. PARM-Monitor nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht optimalem Betrachtungsabstand diejenigen über die konkaven Sub-Zylinderlinsen sichtbaren Pixelbereiche, die gleichzeitig für das rechte und linke Auge auf dem Bildschirm sichtbar sind, nicht angesteuert werden und daß ggf. die wegfallenden Pixelwerte auf die benachbarten rechten bzw. linken verteilt werden.