DE3427260A1 - Stereoskopische bildwiedergabeanordnung - Google Patents

Description

Stereoskopische Bildwiedergabeanordnung

Die Erfindung betrifft Bildwiedergabeanordnungen und insbesondere ein Verfahren und ein System zur dreidimensionalen Bilddarstellung für Betrachter mit einer stereoskopischen Anordnung unter Verwendung von Kathodenstrahlröhren. Während die Erfindung hier speziell am Beispiel von Videospielautomaten ("arcade video games") oder herkömmlichen Heim-Unterhaltungsgeräten beschrieben, ist für den Fachmann einzusehen, daß die im folgenden offenbarten Prinzipien der Erfindung allgemeiner anwendbar sind. Insbesondere ist die Erfindung überall dort einsetzbar, wo eine dreidimensionale Bilddarstellung erwünscht oder sinnvoll ist.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen zur stereoskopischen Bildwiedergabe auf eine das allgemeine

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Publikum zufriedenstellende Weise bekannt. Während diese Vorrichtungen jeweils ihrem speziellen Zweck entsprechen, haben sie Nachteile, die ihr Marktpotential erheblich einschränken. Im allgemeinen erfordert der SD-Betrachtungseffekt, daß der Betrachter seinen Kopf in einer festen Stellung relativ zu bestimmten Sichtfenstern hält, Filteroder Modulationsbrillen aufsetzt oder gar einen Helm oder anderes Kopfgerät tragen muß, an dem die Sichteinheit angebracht ist. Die Unbequemlichkeit für den Betrachter, der diese bekannten Vorrichtungen benutzen will - insbesondere im Vergleich zur Leichtigkeit der Bildbetrachtung auf einem herkömmlichen Fernsehbildschirm - hat verhindert, daß diese Systeme sich durchsetzen. <&,

Weiterhin leiden die bekannten stereoskopischen Bildwiedergabesysteme im Vergleich zu normalen Fernseh-Bildschirmen auch an einer schlechten Bildqualität. Bei einigen Vorrichtungen wird z.B. eine Farbauszugtechnik angewendet und dem rechten und linken Auge des Betrachters ein Rot- bzw. ein Gründauszug dargeboten; ein derartiges System bewirkt aber eine unnatürliche Farbwiedergabe. Andere Systeme verwenden Lichtporalisierungstechniken, um Stereobilder darzustellen. In dieser letzteren Konstruktionsform bewirkt eine Kopfbewegung des Betrachters, daß die Polarisationsfilter

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- insbesondere wenn sie als Brillen getragen werden - wirkungslos werden und verwirrende Doppelbilder entstehen.

Bei einem weiteren Verfahren wird vor den Augen des Betrachters ein Satz Lichtmodulierfilter angeordnet, die synchron mit der Bilddarstellung abwechselnd transparent und opak geschaltet werden, wobei es sich bei dem Bildschirm im allgemeinen um eine einzige Kathodenstrahlröhre handelt, die auf die Wiedergabe des für die Stereoabbildung erforderlichen rechten und linken Bildes eingerichtet ist. Dieses Verfahren und seine Implementierung verursachen einen merkbaren Flackereffekt.

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Bei weiteren Vorrichtungen ist die Auflösung nicht hoch genug, da sie für jeden der beiden Wiedergabekanäle nur die Hälfte der Standard-Videobandbreite des NTSC-Normalsignals verwenden.

Das im folgenden offenbarte Bildwiedergabeverfahren bzw. -system soll diese Nachteile überwinden und weist eine erste Bilderzeugungseinrichtung, die ein gewünschtes Bild liefern kann, eine zweite Bilderzeugungseinrichtung, die ein gewünschtes Bild liefern kann, Mittel, um die von der ersten und der zweiten Bilderzeugungsvorrichtung gelieferten Bilder auf mindestens einem vorbestimmten Weg zum Betrachter zu

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projizieren, eine Steuereinrichtung in dem mindestens einem Weg, um die auf diesem projezierten Bilder abhängig von der Stellung des Betrachters zu verändern, eine Einrichtung, die die Position des Betrachters erfaßt und aus ihr ein elektrisches Signal ableitet, und eine Einrichtung auf, die die Steuereinrichtung in dem mindestens einem Weg aufgrund des elektrischen Signals nachstellt, wobei die letzterwähnte Einrichtung betrieblich mit der Positionserfassungseinrichtung verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur dreidimensionalen Bilddarstellung für einen Betrachter, demzufolge man zunächst ein erste Bild zur Projektion desselben zum einen ersten Auge des Betrachters erzeugt, ein zweites Bild zur Projektion auf ein zweites Auge des Betrachters erzeugt, und die Perspektive der Projektionsbilder in Abhängigkeit von der Position des Betrachters ändert.

Einer der Hauptvorteile der Erfindung ist, daß sie keine am Kopf zu tragenden Sichthilfen erfordert und dem Betrachter innerhalb eines ausgedehnten Sichtbereiches Bewegungsfreiheit gibt. Eine stereoskopische Video-Farbbilddarstellung ist für beide Augen ohne Polarisierungsbrillen möglich.

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In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist dieses System besonders geeignet für die stereoskopische Bildwiedergabe bei Video-Spielautomaten, obgleich hier auch die bevorzugte Ausführungsform für die herkömmliche Heim-Fernsehwiedergabe in einem Stereosystem offenbart ist. Wie oben erwähnt, sind für den Fachmann andere Anwendungen offensichtlich. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für bestimmte Anwendungen in der medizinischen Diagnose ausgezeichnet-geeignet.

Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist, daß man eine verhältnismäßig kostengünstige Stereo-Bildwiedergabe erhält, deren Auflösung vergleichbar ist mit den Standard-Fernsehausstrahlungen nach dem NTSC-Verfahren.

Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine schematisierte Aufriß-

darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bild-Wiedergabesystemes, wobei eine Seitenplatte des Gehäuses abgenommne ist, um das Geräteinnere zu zeigen;

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Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der in Fig. 1 gezeigten Bildwiedergabeanordnung;

Fig. 3A ist eine Draufsichtdarstellung der mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform zusammen eingesetzten Sucheinrichtung;

Fig. 3B ist eine als Seitenriß gezeigte Darstellung der Sucheinrichtung für die in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 4 ist eineBlockdiagrammdarstellung einer der Zellen, wie sie für die Sucheinrichtung der Fig. 3A, 3B verwendet werden;

Fig. 5 ist eine Aufrißdarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ist eine Draufsicht des in Fig. gezeigten Systems;

Fig. 7 ist eine Aufrißdarstellung des in Fig. 5 gezeigten Wiedergabesystems, wobei eine Seitenplatte des Geräts abgenommen ist;

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Fig. 8 ist ein Blockdiagramm des in den Fig. 5 und 7 gezeigten Bildwiedergabesystems.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Bildwiedergabesystems.

Das Bildwiedergabesystem 1 weist ein Gehäuse 2, ein Bildprojektionssystem 3 sowie ein Betrachter-Suchsystem 4 auf.

Das Gehäuse 2 ist herkömmlich ausgestaltet. Es weist allgemein eine Vorderwand 5, den Boden 6, die Rückwand 7, die Oberseite 45, die linke Seitenwand 46 und eine rechte Seitenwand auf, wobei letztere in Fig. 1 zur klareren Darstellung nicht mitgezeigt ist. Das Gehäuse 2 ist auf seiner Vorderwand 5 zu einem Spiel- bzw. Sichtbereich 8 zurückgesetzt ausgeführt. In diesem Sichtbereich 8 befindet sich eine Bildwiedergabelinse 9, eine Sucheinrichtung 10 sowie mindestens eine Steuereinrichtung 11. Diese Steuereinrichtung 11 ist herkömmlich und arbeitet zusammen mit einem bestimmten Videospiel, das in der Linse 9 beobachtbar ist. Hier lassen sich herkömmliche "joy sticks", Paddel, Drucktaster oder dergl. verwenden.

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Wie oben erwähnt, handelt es sich bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vorzugsweise um einen Videospielautomaten, wie er in Spielhallen und so weiter eingesetzt wird. Während hier eine bestimmte Gehäuseform gezeigt und beschrieben ist, ist für den Fachmann einzusehen, daß für die allgemeineren Aspekte der Erfindung eine Vielzahl von Gehäuseformen anwendbar ist.

Das Bilderzeugungssystem 3 weist einen ersten Bilderzeuger und einen zweiten Bilderzeuger 13 auf. Die Bilderzeuger 12, 13 enthalten Bilderzeugungseinrichtungen für das Bilderzeugungssystem 3 und sind vorzugsweise herkömmliche Sichteinheiten mit Kathodenstrahlröhren. Andere Bilderzeugungssysteme sind mit den allgemeineren Aspekten der Erfindung kompatibel. Der Bilderzeuger 12 hat einen Bildschirm 14, auf den ein Polarisationsfilter 15 -in Folienform aufgelegt ist. Der Bilderzeuger 12 projiziert ein Rasterbild, dessen Perspektive für die Stereobetrachtung mit dem linken Auge des Betrachters korrigiert ist. Das Filter 15 läßt nur vertikal polarisiertes Licht hindurch. Das vom Erzeuger 12 erzeugte Bild wird vom Spiegel 16 auf den Strahlteiler 17 gelenkt.

Der Bilderzeuger 13 ist ebenfalls eine Kathodenstrahl röhre mit dem Bildschirm bzw. der Vorderfläche 18, auf die ein

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Polarisationsfilter 19 in Folienform aufgesetzt ist. Der Bilderzeuger 13 projiziert ein Rasterbild mit der für das rechte Auge des Betrachters korrigierten Perspektive- Der Filter 19 läßt nur waagerecht polarisiertes Licht durch. Das durch das Filter 19 tretende waagerecht polarisierte Licht fällt ebenfalls auf den Strahlteiler 17.

Bei dem Strahlteiler 17 handelt es sich um eine 50/50-Teiler, d.h., die Licht- bzw. elektromagnetische Wellenenergie, die aus jedem der Bilderzeuger auf den Strahlteiler fällt, wird zur Hälfte vom Strahlteiler transmittiert und zur Hälfte reflektiert. Vom Strahlteiler 17 transmittiertes Licht aus dem Bilderzeuger 12 wird auf^einem allgemein mit 20 bezeichneten Weg geführt, desgleichen das vom Strahlteiler reflektierte Licht aus dem Bilderzeuger 13.

Das auf dem Weg 20 übertragene Licht durchläuft eine Linse 47, die das Licht aus den Bilderzeugern 12, 13 bündelt.

Im Strahlweg,20 befinden sich hinter der Linse 48 zwei Apertursteuerpolarisatoren 21, 22, die bezüglich des Wegs 20 beweglich gelagert sind, wie unten.ausführlich erläutert. Nach dem Durchlaufen der Polarisatoren 21, 22 der Apertursteuereinrichtung 22 durchläuft das Licht eine Linse 24, wird von einem zweiten Spiegel 25 reflektiert und bildet an der Wiedergabelinse 9 das gewünschte Links- und Rechtsbild aus.

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Wie oben angegeben, weist die Apertursteuereinrichtung 23 zwei rechteckige Polarisatoren 21, 22 in Blatt- bzw. Folienform auf, die nebeneinander in einer Horizontalebene angeordnet sind. Die Grenzlinie zwischen den Polarisatoren 21, 22 liegt in einer Vertikalebene ("horizontal" und "vertikal" jeweils bezüglich der Fig..1), die - wie die Fig. 2 um 90° gegenüber den anderen Zeichnungsansichten gedreht ist,

Der Polarisator 21 läßt nur horizontal polarisiertes Licht durch, der Polarisator 22 nur vertikal polarisiertes. Der Polarisator 21 liegt links vom Polarisator 22, eine aus der Fig.' 1 nicht unmittelbar ersichtliche Anordnung. Die Polarisatoren sind in einem geeigneten Rahmen gehaltert, der in der Bahn 20 beweglich und von einer Verschiebestufe 26 gesteuert ist. Der Rahmen und damit auch die Polarisatoren lassen sich in zwei Freiheitgraden, bzw. nach oben/unten und links/rechts bewegen (bei von der Vorderwand 5 her gesehem Gehäuse 2).

Die Bilderzeuger 12, 13, die Apertursteuerung 23 und die Wiedergabeoptik des Projektionssystems 3 arbeiten zusammen, um für den Betrachter ein stereoskopisches Videobild zu erzeugen.

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Infolge der gemeinsamen Wirkung der Linsen 24, 9 und der entsprechenden Anordnung der Apertursteuer-Polarisatoren 21, 22 entsteht das Bild aus der Apertursteuerung 23 im Bereich 28, wo der Kopf des Betrachters (in Fig. 1 gestrichelt gezeigt) sich befinden kann. Dabei wird die Stellung der Polarisatoren jeweils so gewählt, daß das rechte Auge des Betrachters das Bild aus dem Bilderzeuger 13, das linke Auge das Bild aus dem Bilderzeuger 12 sieht. Mit anderen Worten: Das linke Auge sieht das Bild aus dem Erzeuger 13 nicht, das rechte Auge nicht das aus dem Erzeuger 12. Die Positionierung der Apertursteuerung 23 erfolgt unter Steuerung durch einen Rechner 27. Diese Rechnersteuerung 27 übernimmt Eingangssignale aus der Sucheinrichtung 10 und bestimmt daraus die Position des Kopfes des Betrachters im Bereich 28. Der Rechner 27 seinerseits steuert die Verschiebestufe 26 so an, daß die Apertursteuerung 23 in eine Lage kommt, in der die Linse 24, der Spiegel 25 und die Linse 9 das Bild aus den Polarisatoren 21, 22 dergestalt umformen, daß auf der rechten Seite des Kopfes des Betrachters und über seinem rechten Auge das Bild aus dem Polarisator 21, auf der linken Seite des Kopfes des Betrachters und über seinem linken Auge das Bild aus dem Polarisator 22 entsteht. Die Polarisatoren 21, 22 werden auf- und abwärts bzw. nach rechts oder links bewegt entsprechend dem Ergebnis der Verfolgung des Betrachterkopfes. Das dem Betrachter angebotene Bild ist folglich immer entsprechend

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Kopfposition des Betrachters nachgestellt.

Die Position des Kopfes des Betrachters wird mit einer Such-, einrichtung 10 bestimmt, die sich anhand der Fig. 3Λ, 3B und 4 am besten erläutern läßt. Die Einrichtung 10 weist ein Gehäuse 30 mit einer Vielzahl von Photodibdendetektoren 31 auf, die entlang der Bodenwand 29 des Gehäuses 30 angeordnet sind. Die Detektoren 31 sind zu zwei Reihen 41, 42 angeordnet, die von einer Wand 4 3 getrennt sind, die im Gehäuse 30 zwei Kammern 33, 33' bildet. Die Oberseite 40 des Gehäuses 30 enthält (zu beiden Seiten der Wand 43) zwei langgestreckte Lichteinlaßfenster 32; die Lichteinlaßfenster 32 sollen Umlicht in die Kammern 33, 33' des Gehäuses 30 einlassen.

Die Photodioden 31 sind herkömmlich ausgeführt und geben ein elektrisches Signal ab, das als Eingangssignal des Verstärkers 34 dient, wie in Fig. 4 gezeigt. Das Ausgangssignal ! (an 35) des Verstärkers 34 geht auf einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 36, dessen Ausgang 37 an den Eingang der Rechnersteuerung 27 gelegt ist. Die Rechnerstcuerung 27 hat einen Ausgang 39, der an die Verschiebeeinrichtung 26 gelegt ist.

Die Anordnung nach Fig. 1 ist für einen Raumbereich gedacht, der von der Decke her angenähert konstant hell ausge-

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leuchtet ist. Im Gehäuse 1 kann gegebenenfalls eine Lichtquelle 38 vorgesehen sein, die über diesen Bereich einen Reflektionslicht-Hintergrund liefert, um die Suchleistung der Sucheinrichtung 10 zu verbessern. Mit anderen Worten: In einigen Einsatzfällen des Bildwiedergabesystems 1 kann es erforderlich sein, eine zusätzliche Lichtquelle 38 anzuwenden, damit die Sucheinrichtung 10 einwandfrei arbeitet. In anderen Einsatzfällen können die bestehenden Umlichtbedingungen die Lichtquelle 38 überflüssig machen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Bildwiedergabesystems 1 in Videospielautomaten ist am besten in Fig. 2 ersichtlich. Wie dort dargestellt, läßt die Rechnersteuerung 27 sich mit dem Spiel programmieren, das von den Bilderzeugern bzw. Monitoren 12, 13 dargestellt werden soll. Die Steuereinrichtung bzw. -einrichtungen 11 sind an die Rechnersteuerung 27 über eine geeignete Verbindung 60 angeschlossen. Die Rechnersteuerung 27 hat ihrerseits einen Ausgang 61 sowie einen Ausgang 62, die betrieblich über geeignete Schnittstellenkarten 63, 64 an die Bilderzeuger 12, 13 angeschlossen sind, die die Bilderzeugung auf diesen Einrichtungen steuern. Die Bilderzeuger 12, 13 ihrerseits projizieren das Bild auf dem Strahlweg 20 durch die Wiedergabeoptik. Wie oben erläutert, läuft der Strahlweg 20 durch die Apertursteuerung 23, die von einer Verschiebestufe 26 angesteuert

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wird. Über eine geeignete Schnittstellenkarte steuert der Rechner 27 mit dem Ausgang 65 die Verschiebeeinrichtung 26 an. Das Ausgangssignal der Sucheinrichtung 10 wird mit dem A/D-Wandler 36 digitalisiert und das Ausgangssignal des Wandlers auf den Rechner 27 gegeben, der seinerseits das Verschiebesystem 26 ansteuert.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig, 5, 6, 7 und 8 gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 5 und schaubildlich ein herkömmliches Bildwiedergabesystem 1' in der Art eines Fernsehapparats, das Stereobilder in den Sichtbereich 70 eines Raumes 150 richtet. Das System 1¹ enthält eine Wiedergabeeinrichtung ¹^I, die dem Betrachter im Bereich 70 als herkömmlicher Fernsehapparat erscheint, obgleich das Gehäuse etwas größer ist, als man bei einem einfachen Rasterbildschirm erwarten würde.

Die Fig. 7 zeigt die Bildwiedergabeeinrichtung 71 bei abgenommener Seitenwand. Wie ersichtlich, ist über der Wiedergabelinse 82 eine Stereokamera 81 aus zwei normalen, parallel zueinander angeordneten Videokameras angeordnet, wobei ihre optischen Achsen in der Horizontalen einen bestimmten Abstand haben. Diese beiden Kanäle der Stereokamera 81 erzeugen synchrone Videobilder aus einem vorbestimmten Sichtbereich in Standard-Rasterformat. Die Videosignale aus der Stereo-

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kamera 81 werden auf einen Analog/Digital-Wandler 83 geschickt (Fig. 8), dann auf einen Prozessor 84 und einen Videoschalter 85. Die Sichtfelder der Kamera 81 enthalten den gesamten, in Fig. 5 und 6 gezeigten Bereich 70 für die Stereobildbetrachtung. Folglich enthält das Videobild jeder der beiden Kameras Bilder sämtlicher Betrachter, die in jedem Augenblick das Stereobild betrachten.

Der A/D-Wandler 83 digitalisiert das Videosignal aus einem Kanal der Kamera 81 und sendet das Ausgangssignal auf der Leitung 86 auf einen Rechner bzw. Mikroprozessor 87. Der Prozessor 87 speichert das Eingangssignal aus der Stereokamera in einem Schreiblese-Speicher (RAM-Speicher) als digitalisiertes Abbild der Gegenstände und des Betrachters im Stereobetrachtungsbereich 70. Die gespeicherte Bildinformation wird dabei videobildweise aktualisiert. Jedes Bitwort im Speicherfeld entspricht dabei der Szenenhelligkeit eines bestimmten Bereiches von ca. 13 χ 13 mm Größe (1/2 χ 1/2 in.) in einer Entfernung von etwa 3,4 m (11 ft.) vor der Bildlinse 82. Bei dieser Vergrößerung läßt sich das digitalisierte Abbild des Gesichts eines Durchschnittsbetrachters in einem 16 χ 24-Teilbereich des Speicherfeldes speichern.

Mit einer digitalen Korrelationstechnik lassen sich nun die Abbilder der Betrachter innerhalb des digitalisierten Datenfeldes aus dem Stereosichtbereich erfassen und lokalisieren.

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Hierzu wird das digitale Bild eines Bezugs- bzw. "Normalgesichts", das in einem Lesespeicher (ROM-Speicher) abgelegt ist, bildelementsweise mit dem digitalisierten Bild des Sicht- bzw. Darstellungsbereichs verglichen. Aus diesem elementweisen Vergleich wird ein-Korrelationswert zwischen dem

Normalgesicht und jedem Teilbereich des Sichtbereichs be- ι rechnet. \

Bleibt der Korrelationswert für jeden Teilbereich bzw. Block unter einem vorbestimmten Minimum, wird angenommen, daß innerhalb dieses Bildbereichs kein Betrachtergesicht zentriert ist; danach wird der Vergleich mit einem neuen Block bzw. Sichtbereich fortgesetzt. <*Die Wahl des Sichtbereichs bzw. Blocks erfolgt unter Steuerung durch den Prozessor 87, so daß sämtliche Teile des Stereobetrachtungsbereichs regelmäßig überprüft werden.

Übersteigt der Korrelationswert eines Bildteilbereichs ein vorbestimmtes Minimum^ nimmt der Mikroprozessor an, daß sich nahe dem Mittelpunkt des Blocks die Mitte eines Betrachtergesichts befindet. Danach werden Korrelationsrechnungen über alle umliegenden Bildbereiche durchgeführt und die Korrelationswerte vergleichen, um das Korrelationsmaximum innerhalb des Bildfeldes festzustellen. Derjenige Bildfeldblock, innerhalb dessen dieses Korrelationsmaximum auftritt, bezeichnet

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den Mittelpunkt eines Betrachtergesichts und wird im Speicher des Rechnrs 87 abgelegt. Nach dem Auffinden eines Betrachterbildes kehrt der Mikroprozessor zur Korrelationsberechnung zurück, in der er weitere Betrachterbilder in denjenigen Teilen des Sichtbereichfeldes sucht, für die noch keine Betrachterbilder bekannt sind. Dieser Suchkorrelationsprozeß erfolgt mit zweiter Priorität.

Ein Korrelationssuchprogramm aktualisiert den gespeicherten Ort für jedes Betrachterbild, das mit dem Korrelationsprozeß erkannt worden ist. Dieses Korrelationssuchprogramm läuft im Rechner 87 mit erster Priorität. Dabei führt der Korrelationssuchrechner KorreliStionsrechnungen an Bildwertblöcken aus der unmittelbaren Umgebung jedes zuvor festgestellten Ortes mit einem Betrachterbild aus. Die Korrelationswerte werden verglichen und für jeden Betrachter wird ein aktualisierter Betrachterort bestimmt. Fallen die Korrelationswerte unter ein yorbestimmtes Minimum, wird angenommen, daß der Betrachter sich nicht mehr im Sichtbereich befindet, und wird dieser Betrachterort aus der Betrachterortsliste entfernt. Die Suchrechnungen werden für jeden Betrachter einmal pro Fernsehbild durchgeführt.

Der Prozessor 84 dient dazu, den Abstand zwischen jedem Betrachter und der Wiedergabelinse 82 zu messen. Diese Messung

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ist möglich, da die Konfiguration der Kamera 81 zwei verschiedene Videosignale ergibt, aus denen sich Entfernungsinformation ableiten läßt. Die Videosignale aus den beiden Videokameras unterscheiden sich, da deren optische Achsen voneinander beabstandet liegen und sie daher den Stereobetrachtungsbereich 70 mit unterschiedlicher Perspektive wiedergeben. Dieser Unterschied in der Perspektive äußert sich durch eine Verzögerung des einen Videosignals bezüglich des anderen, wobei die Verzögerung abhängig vom Abstand zwischen der Stereokamera 81 und dem Ort eines von der Kamera 81 abgebildeten Gegenstandes schwankt.

Der Prozessor 84 übernimmt die Betrachterort-Eingangssignale aus dem Rechner 87 auf einer Eingangsleitung 90. Diese Eingangssignale dienen dazu, Schalter bzw. Gatter auf den Eingangssignalen der Kamera 81 zu setzen. Derjenige Teil jeder Rasterzeile auf jedem der beiden Videokanäle, bei dem es sich um das Signal aus dem Gesicht des Betrachters handelt, wird auf die Verzögerungs- und Korrelationsschaltung durchgeschaltet. Das Videpkamerasignal des Kanals 1 wird auf fünf verschiedene Verzögerungsleitungen verzweigt, die es jeweils verschieden verzögern. Die fünf resultierenden Kanal-1-Videosignale werden bezüglich des Kanal-2-Videosignals verzögert und korreliert. Befindet ein Betrachter sich weiter als 4 m (12 ft.) von der Wiedergabelinse 82 entfernt, ist der Kor-

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relationswert zwischen dem Kanal-1-Videosignal mit der kürzesten Verzögerung und dem Kanal-2-Vedieosignal höher als der Korrelationswert zwischen dem Kanal-2-Videosignal und den anderen vier verzögerten Kanal-1-Videosignalen. Die fünf Verzögerungen werden dabei so gewählt, daß sich ein maximaler Korrelationswert zwischen den Videosignalen der Stereokamera 81 ergibt, wenn ein Betrachter sich in einem jeweils anderen vorbestimmbaren Abstand zur Wiedergabelinse 82 befindet.

Das Entfernungstor ("range gate"), in dem jeder Betrachter sich befindet, wird digitalisiert und auf der Ausgangsleitung 91 zum Rechner 87 geführt, wo sie zusammen mit dem bereits früher berechneten Betrachterort gespeichert wird. Diese Betrachterortinformation wird auf die erste und die zweite Apertursteuerung 92, 93 gegeben.

Weiterhin ist der Rechner 87 an eine Steuerungseinheit 96 und an einen Kassettenrecorder 95 angeschlossen. Die Steuerungseinheit 96 enthält sämtliche Kontroll- und Reglerelemente, die zum Betrieb des Stereowxedergabegerats erforderlich sind und kann zusätzlich mit einer Tastatur zur Kommunikation mit dem Rechner 87 versehen sein. Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit 96 in den Wiedergabebereich 70 bringbar, so daß die Wiedergabeeinheit 1' aus dem Wieder-

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gabebereich heraus gesteuert werden kann. Der Kassettenrecorder 95 speichert verschiedene Programme, die auf dem Rechner 87 zum Lauf gebracht werden können - beispielsweise Spiele und dergl. Diese Informationen können über die Steuerungseinheit 96 auf den Mikroprozessor gegeben werden." Während ein Kassettenrecorder angegeben ist, kann auch erwünschtenfalls ein herkömmliches Plattenlaufwerk anstelle des oder zusätzlich zu dem Kassettenrecorder 95 verwendet werden. Die Eingangsumschalteinrichtung 85 wird ebenfalls von der Steuerungseinheit 96 gesteuert. Die Einrichtung 85 bestimmt dabei die Auswahl des abzubildenden Videosignals, das von einem Stereovideorecorder, dem Rechner 87, einem Kabel-TV-Kanal, Fernsehrundfunkkanal, einer Stereovideokamera oder dergl. stammen kann. Weiterhin steuert sie die Aufschaltung eines Videoausgangssignals auf einen Recorder 98, einen Kabel-TV-Ausgang 110 und auf zwei Stereo-Bildsichtgeräte 108, 88. Der Stereorecorder 98 kann zwei synchrone Videokanäle gleichzeitig aufnehmen bzw. wiedergeben. Wie angegeben, wird dieses Gerät von der Steuer'ungseinheit 96 gesteuert. Obgleich ein solches Aufnahme/Wiedergabegerät kein wesentlicher Teil des erfindungsgemäßen Stereo-Bildwiedergabesystems ist, vergrößert es in mehrfacher Hinsicht dessen Vielseitigkeit.

Das bei der in Fig. 5 bis 8 gezeigten Ausführungsform verwendete Tonsystem 99 entspricht dem handelsüblichen Heimfernsehapparat. Erwünschtenfalls lassen sich Kopfhöreradapter vor·

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sehen, damit zwei Betrachter zwei unterschiedliche Bildrundfunktprogramme gleichzeitig betrachten bzw. hören können. Auch das Tonsystem 99 wird vorzugsweise aus der Steuerungseinheit 96 gesteuert.

Die Sichteinheiteni08, 88 entsprechen Standard-Farbfernsehmonitoren und können auch derartige Geräte sein. Diese Monitore müssen jedoch Bilder hoher Helligkeit liefern, um die Lichtabschwächung beim Durchgang durch die Wiedergabeoptik und die Apertursteuerung 92, 93 auszugleichen.

Jede Apertursteuerung 92, 93 enthält drei große Flüssigkristallanordnungen. Diese Flüssigkristallanordnungen sind eine Ausführung mit bei fehlender Segmentspannung transparenten und bei anliegender Spannung opaken Segmenten. Jede kugelförmige Flüssigkristallanordnung besteht aus zahlreichen langen schmalen vertikalen Segmenten. Liegt Spannung an allen Segmenten der Anordnung, erscheint sie vollständig opak. Die drei Flüssigkristallanordnungen jeder Apertursteuerung werden mit Signalen aus dem Rechner 87 gesteuert, die von der dreidimensionalen Ortsinformation abgeleitet werden, die im Rechner 87 gespeichert sind.

Die Sichteinheiten 108, 88, die Apertursteuerung 92, 93 und die Wiedergabeoptik in Fig. 7 arbeiten zusammen, um ein

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stereoskopisches Bild zu jedem Betrachter im Betrachtungsbereich zu projizieren. Die Fig. 7 zeigt schaubildlich den Übergangsweg des Lichts aus den Rasterbildeinheiten 108, 88.

Die Stereoprojektion wird dabei auf folgende Weise erreicht. Das Bild, das der Monitor 1Θ8 abgibt, hat die zum Stereobetrachten mit dem linken Auge erforderliche Perspektive. Jeder Lichtstrahl aus dem Monitor 108 läuft entweder durch die transparenten Segmente der Apertursteuerung 93 oder wird von ihren opaken Segmenten gesperrt. Das Licht, das durch die Apertursteuerung 93 hindurchtritt, trifft auf einen Strahlteiler 100, der 50 % des Lichtes reflektiert und 50 % transmittiert. Das transmittier^e Licht fällt auf einen konkaven Spiegel 101 und wird zum Strahlteiler 100 zurückgeworfen, der erneut 50 % transmittiert und 5.0 % reflektiert. Das reflektierte Licht fällt auf einen zweiten Strahlteiler 102, der 50 % des verbleibenden Lichtes reflektiert und 5 0 % transmittiert. Das vom zweiten Strahlteiler 102 reflektierte Licht läuft durch die Wiedergabelinse 82 zum Betrachtungsbereich. .,

Der konkave Spiegel 101 erzeugt an der Wiedergabelise 82 ein Abbild des Wiedergabemonitors 108. Die aperturgesteuerten Flüssigkristall-Bilder werden im Sichtbereich durch die gemeinsame Wirkung des konkaven Spiegels 101 und der Wiedergabelinse 82 gebildet. Ein Abbild eines der Flüssigkristallsegmentc wird

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in einem vorbestimmten Abstand vor der Wiedergabelinse 82 gebildet, ein Abbild des zweiten Flüssigkristall-Wiedergabesegments in einem anderen Abstand vor der Wiedergabelinse 82 und ein Abbild eines dritten Flüssigkristall-Widergabesegments in einem dritten Abstand vor der Wiedergabelinse 82. Der Lichtdurchgang bzw. die Opazität jedes Segments in jeder Flüssigkristall-Bildwiedergabeanordnung der Apertursteuerung 93 wird so gesteuert, daß ein Zustand sich ergibt, in dem nur das linke Auge jedes Betrachters innerhalb des Betrachtungsbereichs ein Abbild des auf dem Bildschirm 108 stehenden Fernsehbildes sieht.·

Das auf einem zweiten Übertragungsweg geführte Licht des Wiedergabesystems 1' entspricht im wesentlichen dem oben beschriebenen. Die Fernsehsichteinheit 88 gibt ein Fernsehbild mit derjenigen Perspektive ab, die zum stereoskopischen Sehen mit dem rechten Auge jedes Betrachters erforderlich ist. Licht vom Bildschirm 88 trifft auf den Faltspiegel 103 und wird in die Apertursteuerung 92 geworfen. Das durch die Apertursteuerung 92 tretende Licht trifft auf einen Strahlteiler 120 und das durch diesen hindurchtretende Licht wird mit einem konkaven Spiegel 121 zum Strahlteiler 120 zurückgeworfen. Das danach vom Strahlteiler 120 reflektierte Licht fällt auf den Strahlteiler 102 und das durch den Strahlteiler 102 tretende Licht durchläuft die Wiedergabelinse 82

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zum Stereo-Betrachtungsbereich 70. Ein Abbild des Fernsehbildschirms 88 wird an der Wiedergabelinse 82 durch den konkaven Spiegel 121 erzeugt. Abbilder der Flüssigkristallelemente, aus denen die Apertursteuerung 92 sich zusammensetzt, entstehen in vorbestimmten Entfernungen von der Wiedergabelinse 82. Der Lichtdurchgang bzw. die Opazität jedes Segments innerhalb jeder Flüssigkristallanordnung der Apertursteuerung wird so gesteuert, daß ein Zustand entsteht, in dem nur das rechte Auge jedes Betrachters innerhalb des Sichtbereichs 70 ein Abbild des Fernsehbildes auf dem Bildschirm 88 sieht. Mit anderen Worten: Das linke Auge sieht das Fernsehbild des Bildschirms 88 nicht, das rechte Auge nicht das des Bildschirms 108.

Bei dem soeben beschriebenen System kann eine verwirrende Situation vorkommen. Ordnen sich zwei Betrachter so an, daß einer die Wiedergabelinse 82 unmittelbar über den Kopf des anderen hinweg betrachtet, können mit dem dargestellten System nicht beide Betrachtern gleichzeitig Stereobilder dargeboten werden. Dieser Zustand läßt sich jedoch durch erhöhten Aufwand für die Flüssigkristallanordnungen in den Bildaufbereitungsstufen 92, 93 beheben: Es wäre eine zweidimensionale Matrix von Flüssigkristallelementen erforderlich. Andere alternative Lösungsmöglichkeiten sind für den Fachmann ebenfalls einzusehen.

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Indem man eine modifizierte Apertursteuerung verwendet, kann man auch ein einziges Fernsehbild auf beide Augen eines Betrachters und ein zweites, anderes Fernsehbild auf beide Augen anderer Betrachter innerhalb des Betrachtungsbereichs vor der Wiedergabelinse 82 werfen. Mit dieser Technik lassen sich den Betrachtern zwei unabhängige Fernsehprogramme oder andere Videoszenen unter Verwendung nur eines einzigen erfindungsgemäßen Videowiedergabesystems zuwerfen.

Für den Fachmann sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modifikationen derselben unmittelbar einzusehen. Ersichtlich erhält man mit der in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsform die gewünschten Ergebnisse auf^ im wesentlichen die gleiche Weise wie mit der Ausführungsform der Fig. 5-8. Jedoch zielt die Ausführungsform der Fig. 1-4 auf einen einzelnen Betrachter; sie ist daher besonders geeignet für die Bildwiedergabe bei Videospielmaschinen. Während bestimmte der Elemente der Wiedergabeoptik als Linsen beschrieben sind, ist weiterhin einzusehen, daß es sich bei diesen "Linsen" um beliebige aus einer Vielzahl von Linsentypen handeln kann. Bei-

spielsweise können es konvexe oder konkave Linsen sein. Auch Fresnellinsen sind geeignet, falls erwünscht. Schließlich ist die Erfindung an Unterhaltungsmaschinen beschrieben worden. Es ist einzusehen, daß sie breitere Einsatzmöglichkeiten bietet beispielsweise Bildausgabesysteme in der Medizin, Sichtein-

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heiten in Cockpitsimulatoren sowie Simulatoren für den bemannten Flug; diese Möglichkeiten sind nur als beispielhaft aufzufassen.

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Claims (16)

2930 Arlmont Drive, Bel Nor, Missouri 63121, V.St.A. P a te ntansprüche

1. j Bildwiedergabesystem, gekennzeichnet durch eine erste Bilderzeugungseinrichtung, die ein gewünschtes Bild liefern kann, eine zweite Bilderzeugungseinrichtung, die. ein gewünschtes Bild liefern kann, eine Einrichtung, die die von der ersten und der zweiten Bilderzeugungseinrichtung gelieferten Bilder auf mindestens einem vorbestimmten Weg zu einem 'Betrachter projizieren kann, eine Steuereinrichtung auf dem mindestens einen Weg, um die auf diesem Weg projizierten Bilder abhängig von der Position des Betrachters zu verändern, eine Einrichtung, mit der die Position des Betrachters festgestellt werden -kann und die ein dieser Position entsprechendes elektrisches Signal abgibt,

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und durch eine Einrichtung, die" die Steuereinrichtung in dem mindestens einen Weg aufgrund des elektrischen Signals verstellt, wobei die letzterwähnte Einrichtung betrieblich mit der Positionsfeststelleinrichtung verbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten und der zweiten Bilderzeugungseinrichtung jeweils um ein Bildschirmgerät mit Kathodenstrahlröhre handelt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung von der ersten und der zweiten Bilderzeugungseinrichtung gelieferte Bilder auf mindestens einem optischen Weg zum Betrachter projiziert.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung einen ersten Spiegel, der das Bild zu einem Strahlteiler reflektiert, einen Strahlteiler, der das erste und das zweite Bild auf einen Linsensatz und zum Betrachter wirft, und einen zweiten Spiegel im Projektionsweg des Strahlteilers aufweist, wobei der Spiegel das vom Strahlteiler aufgenommene Bild auf eine Wiedergabelinse werfen kann.

5. System nach einem der Ansprüche -1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prositionsfeststelleinrichtung eine

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Vielzahl von Sensoren, die auf elektromagnetische Wellenenergie ansprechen und an einen Rechner angeschlossen sind, und einen Rechner mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite aufweist, wobei der Rechner eingangsseitig betrieblich an die Sensoren angeschlossen ist.

6. System nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfeststelleinrichtung eine Verschiebeeinrichtung aufweist, die betrieblich ansprechend auf die festgestellte Position eines Betrachters zwei Polarisatoren in mindestens zwei Koordinatenrichtungen antreibt.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung X- und Y-Verschiebeeinrichtungen aufweist, die betrieblich ansprechend auf die erfaßte Position eines Betrachters zwei Polarisatoren in X- und Y-Richtung eines karthesischen Koordinatensystems bewegen.

8. Syst,em nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, um das erste und das zweite erzeugte Bild auf mindestens zwei vorbestimmten Wegen auf einen Betrachter zu projizieren, wobei die beiden Wege sich an der Wiedergabelinse treffen.

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9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfeststelleinrichtung eine Stereovideokamera, die einen Betrachtungsbereich erfassen kann und betrieblich an einen Rechner angeschlossen ist, und einen Rechner aufweist, dessen Speicher die Videobilder aus dem Betrachtungsbereich speichert.

10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit zur Funktionssteuerung des Rechners, die aus dem Betrachtungsbereich der Bildwiedergabeanordnung heraus betätigbar- ist.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung in den mindestens zwei Wegen jeweils eine Flüssigkristallanordnung aufweist, die auf ein angelegtes elektrisches Signal ansprechend den Lichtdurchgang der Flüssigkristallelemente steuert, wobei die Flüssigkristallanordnung elektrisch mit dem Rechner verbunden ist.

12. System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen betrieblich an die Steuerungseinheit angeschlossenen Videoschalter, der Monitore mit Fernsehfunk-Videosignalen zu speisen gestattet.

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13. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Quelle elektromagnetischer Wellenenergie, um der Vielzahl von auf elektromagnetische Wellenenergie ansprechenden Sensoren ambiente elektromagnetische Wellenenergie zuzuführen.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfeststelleinrichtung weiterhin ein allgemein zu einer ersten und einer zweiten Kammer unterteiltes Gehäuse und ein erstes und ein zweites Lichtfenster zur ersten bzw. zweiten Kammer in einer Anordnung aufweist, daß die Fenster aus der Umgebung elektromagnetische Wellenenergie aufnehmen können, wobei die Sensoren in einer ersten und einer zweiten Reihe in &r ersten bzw. zweiten Kammer angeordnet sind.

15. System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die analogen Ausgangssignale der Sensoren digitalisiert und betrieblich zwischen die Sensoren und die Steuereinrichtung geschaltet ist.

16. Verfahren zur Darstellung eines dreidimensionalen Bildes für einen Betrachter, dadurch gekennzeichnet, daß man ein erstes Bild zur Projektion auf ein erstes Auge des Betrachters erzeugt, ein zweites Bild zur Projektion auf ein zweites Auge eines Betrachters erzeugt, die Position des Betrachters feststellt und die Perspektive des Projektions-

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bildes abhängig von der Position des Betrachters ändert.

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