DE4123895C2 - Verfahren zur autostereoskopischen Bild-, Film- und Fernsehwiedergabe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung eines autostereoskopischen Displays, das eine dreidimensionale Wiedergabe von Bildszenen ermöglicht.

Seit langem wird nach technischen Möglichkeiten gesucht, dem Betrachter eines Bildschirms einen natürlich wirkenden räumlichen Eindruck zu vermitteln. Daß bis heute keine der bekannten Techniken eine nennenswerte kommerzielle Verwendung gefunden hat, deutet auf inhärente Beschränkungen der bekannten Methoden hin. Ein Überblick der bisherigen Verfahren wird in dem Artikel "Three-Dimensional Displays" von Takanori Okoshi, in Proceedings of the IEEE, Vol. 68, No. 5, Mai 1980, Seiten 548-564, sowie in dem Artikel von A. Kopernik und M. Waldowski "Auf dem Wege zum dreidimensionalen Fernsehen", erschienen in Fernsehen und Kino-Technik, 1991, Heft 1, Seiten 47-50, gegeben.

Eine Änderung dieser Situation zeichnet sich seit einigen Jahren bei stereoskopischen Displays ab, die mit Hilfe von Polarisations- oder Shutterbrillen eine dreidimensionale Betrachtung ermöglichen. Allerdings ist bei stereoskopischen Displays nur eingeschränkt von einer dreidimensionalen Wiedergabe zu sprechen, da keine Parallaxe vorhanden ist. D. h. das wahrgenommene "räumliche" Bild bleibt immer gleich und zeigt keine Änderung mit der Betrachtungsposition. Es läßt sich also nicht um einen Gegenstand "herumschauen", wie es in der Wirklichkeit oder auch bei Hologrammen der Fall ist. Weiterhin ist der notwendige Gebrauch einer speziellen Brille ein einschränkender Faktor.

Autostereoskopische Displays sind hier eine "natürliche" Erweiterung der stereoskopischen Displays, die diese beiden Nachteile vermeiden. Sie bieten eine vollständige Parallaxe, so daß der Betrachter bei Variation seiner Position die 3D-Szene aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten kann, wobei Teile der Szene verschwinden können, während andere sichtbar werden.

In der Literatur zu autostereoskopischen Displays dominieren vor allem das sog. Linsengitter (eng. "lenticular-sheet") Verfahren und holographische Techniken. Beiden Methoden mangelt es jedoch an Flexibilität, um für breite Anwendungen in Frage zu kommen. Darüber hinaus bestehen praktische Probleme der Implementierung. Einige der Nachteile seien hier kurz skizziert: Linsengitter zur Darstellung einer Parallaxe basieren auf einer ineinandergeschachtelten Anordnung verschiedener Perspektiven eines 3D-Objektes hinter einem Gitter von Zylinderlinsen. Dieses Gitter projiziert die einzelnen Perspektiven in verschiedene Winkelbreiche, so wie sie sich auch für ein reales Objekt darstellen würden. Bewegt sich ein Beobachter parallel zum Linsengitter, so ergibt sich damit die gewünschte Parallaxe. Die optischen Anforderungen an die Linsen sind jedoch enorm, insbesondere für größere Betrachtungswinkel. Die Linsen müssen gewöhnlich sehr kleine f-Zahlen aufweisen, was wiederum verstärkte Aberrationen bedingt. Bis heute lassen sich keine Linsengitter anfertigen, die eine ausreichende Qualität besitzen, um für die meisten Applikationen interessant zu sein. Die Anpassung vom Linsengitterabstand und der Perspektivenanordnung schafft weitere Probleme. Letztlich ist die Verwendung von photographischem Film zur Aufzeichnung der Perspektiven hinter dem Gitter, wenn auch prinzipell durch flexiblere Medien ersetzbar, praktisch schwer zu umgehen. Einen Überblick des Standes der Entwicklung auf diesem Gebiet wird in dem Artikel von R. Börner, "Autostereoskopische 3D-Systeme mit Zwischenbildern in Linsenrastergroßbildschirmen", erschienen in Fernsehen und Kino- Technik, 1990, Heft Nr. 10 und 11, Seiten 556- 564 sowie 628-636 gegeben.

Ähnliche Einschränkungen gelten für holographische Verfahren zur Autostereoskopie. Die holographischen Methoden benutzen anstelle des Linsengitters, eine Anordnung von Sub-Hologrammen in denen die verschiedenen Perspektiven holographisch aufgezeichnet sind. Eine Parallaxe entsteht, wenn ein Beobachter sich entlang der Sub-Hologramme bewegt. So eindrucksvoll Hologramme in der Betrachtung sein können, praktisch sind sie kaum als Displays tauglich, abgesehen von der Verwendung als unveränderliches Schau- oder Dekorationsstück. Die meisten Displaysituationen erfordern sehr feine Hologrammstrukturen. Damit kommt praktisch nur Elektronenstrahl-Lithographie für die synthetische Herstellung in Frage und die erreichbaren Displayflächen sind dadurch auf wenige Quadratzentimeter beschränkt. Außerdem ist es bis heute nicht gelungen, Farbe auf einfache Weise in holographische Techniken einzubringen.

Eine weitere Klasse von Verfahren resultiert aus Weiterentwicklungen des klassischen "Parallax Barrier" Verfahrens, dessen Prinzip ebenfalls in dem Artikel von Takonori Okoshe, erschienen in Proceedings of the IEEE, Vol. 68, No. 5, Mai 1980, Seiten 548-564, beschrieben ist. Eine technische Ausgestaltung dieses Verfahrens ist von J. Eichenlaub in der EP 03 16 465 A1 angegeben worden. Durch eine spezielle angepaßte Geometrie von lichtemittierenden Quellen und lichtmodulierenden Öffnungen wird erreicht, daß in einem bestimmten Beobachtungsabstand und einer horizontalen Beobachtungsposition die Lichtquellen nur durch eine bestimmte Untermenge von lichtmodulierenden Öffnungen sichtbar sind. Dabei werden jeder Lichtquelle zwei lichtmodulierende Öffnungen in einer Weise zugeordnet, daß von einer horizontalen Beobachtungsposition (rechtes Auge) die Lichtquelle jeweils nur durch eine lichtmodulierende Öffnung gesehen werden kann. Von einer anderen horizontalen Beobachtunggsposition (linkes Auge) wird die Lichtquelle durch die komplementäre lichtmodulierende Öffnung gesehen (siehe EP 03 16 465 A1, Spalte 3, Zeile 19-30). Dadurch ergeben sich in der Beobachtungsebene Zonen, in denen für den Beobachter stereoskopische bzw. autostereoskopische Eindrücke entstehen (siehe EP 03 16 465 A1, Spalte 8, Zeile 3-10). Ein Nachteil des in EP 03 16 465 A1 dargelegten Verfahrens ist, daß für einen Bildschirm mit M Bildpunkten und bei der Darstellung von N Perspektiven die Auflösung mit der jede Perspektive vom Betrachter gesehen wird, auf M/N reduziert ist. Die Ursache hierfür ist die prinzipbedingte Anforderung, daß immer alle Perspektiven gleichzeitig auf dem Bildschirm dargestellt werden müssen. Der damit verbundene Auflösungsverlust wird in einem ebenfalls von J. Eichenlaub angegebenen Verfahren (siehe EP 03 89 842 A1, Spalte 2, Zeile 7-10) vermieden, indem jeweils nur eine Untermenge von Lichtquellen eingeschalttet wird und abhängig von dieser Untermenge die Modulation der Öffnungen geändert wird (siehe EP 03 89 832 A1, Spalte 2, Zeile 31-42). Zu jedem Zeitpunkt werden alle Pespektiven auf dem Bildschirm dargeboten, wobei die Auflösung zunächst weiterhin nur M/N ist. Erst durch N-maliges Umschalten der Lichtquellen wird erreicht, daß die Auflösung jeder dargestellten Perspektive mit der Auflösung M des Bildschirms übereinstimmt.

Die in EP 03 16 465 A1 und EP 03 89 842 A1 beschriebenen Verfahren haben wie die anderen "Parallax Barrier" Verfahren folgende Nachteile:

• a) Durch die spezielle Geometrie verursacht, ist die Wiedergabe fehlerfreier perspektivischer Darstellungen nur in einer Abstandsebene vor dem Gerät möglich (siehe EP 03 16 465 A1, Spalte 7, Zeile 40).
• b) In dieser Ebene gibt es eine Vielzahl von Zonen in denen ein Beobachter stereoskopische und autostereoskopische Eindrücke wahrnehmen kann (siehe EP 03 16 465 A1, Spalte 8, Zeile 3-10). Besonders gravierend ist, daß bei zu großen Bewegungen des Beobachters und einem damit verbundenen Wechsel der Zonen ein Bruch in der autostereoskopischen Wahrnehmung auftritt.
• c) Die in EP 03 16 465 A1 (siehe Spalte 7, Zeile 40) und EP 03 89 842 A1 dargelegte Formel, die den Abstand der Lichtquellen, lichtmodulierenden Öffnungen und den Beobachtungsabstand beschreibt, gilt nur näherungsweise. Exakterweise kann der Abstand zwischen den Lichtquellen für die in EP 03 16 465 A1 und EP 03 89 842 A1 angegebenen Anordnungen nicht konstant sein. Insbesondere sind daher für eine größere Anzahl von Perspektiven und weiter am Rand liegender Bildschirmpunkte erhebliche Bildfehler zu erwarten.
• d) Die Verfahren erfordern eine sehr exakte Positionierung von Lichtmodulatoren und Lichtquellen, was erhebliche fertigungstechnische Probleme aufwerfen kann. Speziell für die in EP 03 16 465 A1 und EP 03 89 842 A1 beschriebenen Verfahren kommen noch folgende Nachteile hinzu:
• e) Es werden spezielle Lichtquellen benötigt, die ein erhebliches Problem bei der technischen Realisierung darstellen (siehe EP 03 89 842 A1, Spalte 12, Zeile 31-34).
• f) Die für die Modulation der Lichtquellen erforderlichen Lichtventile müssen voll modulationsfähig sein. Das kann insbesondere für das zeitliche Umschalten, wie es in EP 03 89 842 A1 zum Zwecke der Auflösungssteigerung beschrieben wird, zu Schwierigkeiten bei der technischen Realisierung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile der bekannten Verfahren ein autostereoskopisches Display zu schaffen, das ohne den Benutzer einschränkende Hilfsmittel, wie z. B. eine Brille, auskommt. Ferner soll die gewohnte Bildqualität einer Bild- oder Filmprojektion, eines Fernsehgerätes oder Rechnerbildschirms nicht eingeschränkt werden. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ermöglicht die vorliegende Erfindung die richtige perspektivische Ansicht in einem ganzen Raumbereich, der nur durch einen Mindestbetrachtungsabstand begrenzt wird. Weiterhin treten keine multiplen Beobachtungszonen auf, zwischen denen die autostereoskopische Wahrnehmung zusammenbricht. Hinzu kommt, daß keine speziellen Anordnungen von Lichtquellen und Lichtmodulatoren notwendig sind. Weiterhin ist zur Darstellung der Bildinformation prinzipiell jeder Bildschirm geeignet. Die einzige spezielle Anforderung ist, daß dessen Bildwiederholfrequenz für das notwendige zeitliche Multiplexen der pespektivischen Ansichten ausreichend ist. Da für den Bildschirm auf bestehende und weiterentwickelte Technik zurückgegriffen werden kann, sind Einschränkungen bezüglich Bildgröße und -qualität sowie der Farbdarstellung nicht in dem Maße zu erwarten wie bei den bekannten Verfahren.

Der benötigte Verschluß kann zwar vorzugsweise elektro-optisch realisiert sein, jedoch besteht ein fundamentaler Unterschied sowohl in der Funktion, als auch in den prinzipiellen Anforderungen im Vergleich zu den bekannten Verfahren (siehe EP 03 16 465 A1 und EP 03 89 842 A1). Bei diesen Verfahren werden die Lichtventile zur Steuerung der Grauwerte der Bildpunkte (Pixel) benötigt. Sie müssen aber voll modulationsfähig sein und befinden sich entsprechend der Bildinformation immer in einem Zustand zwischen optisch sperrend und durchlässig. Bei der vorliegenden Erfindung wird der optische Verschluß so gesteuert, daß er als räumliches Filter die winkelmäßige Trennung der perspektivischen Ansichten in die verschiedenen Beobachtungspositionen vornimmt. Das Element ist ein reiner Verschluß und hat nur binäre Zustände, die eine technische Realisierung wesentlich vereinfachen.

Ein weiterer prinzipieller Unterschied zu den in EP 03 16 465 A1 und EP 03 89 842 A1 beschriebenen Verfahren ist außerdem, daß bei der vorliegenden Erfindung zu einer Zeit auf dem Bildschirm immer nur eine perspektivische Ansicht dargestellt werden muß. Dadurch tritt das Problem des Auflösungsverlustes wie bei EP 03 16 465 A1 gar nicht erst auf.

Die Leistungsfähigkeit des Systems ist im wesentlichen nur noch durch die Bandbreite beschränkt, mit der auf die Bildinformation zugegriffen und sie wiedergegeben werden kann. Die benötigte Bandbreite wird jedoch bereits heute für die erforderlichen Komponenten erreicht. Dabei ist das System robust und einfach im Aufbau und erfordert keine besonderen Justierungen, die Probleme in der Fertigung aufwerfen könnten.

Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet für alle Anwendungen bei denen ein Darstellungsmedium, das echte 3D-Darstellungen erlaubt, von Vorteil ist. Dies ist z. B. im CAD/CAM-Bereich, beim sog. Molecular Modelling, der medizinischen Bildverarbeitung, etc. der Fall. Hervorzuheben ist insbeson­ dere, daß es sich um ein interaktives System handelt. Selbst Echtzeit-Applika­ tionen sind in naher Zukunft denkbar. Die benötigten technischen Komponen­ ten sind bereits entwickelt, so daß bei entsprechenden Preisen auch die Anwendung im Konsumbereich, wie z. B. Fernseh- und Videogeräten sowie allgemein im Bereich der Animation, möglich ist.

Zunächst wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, um dann anhand von typischen Konstruktionsparametern ein Ausführungs­ beispiel zu erläutern. In einem weiteren Schritt werden Details und Modifikatio­ nen beschrieben, die vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzeigen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugname auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es wird der Begriff "Verschluß" für eine Einrichtung verwendet, die zwischen optisch transparent und undurchsichtig umgeschaltet werden kann. Es zeigt

Fig. 1 Prinzip der autostereoskopischen Wahrnehmung,

Fig. 2a Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Draufsicht,

Fig. 2b Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in perspek­ tivischer Sicht,

Fig. 3 Aufbau des Verschlusses für horizontale Parallaxe,

Fig. 4 Parallaxe eines Volumenpunktes,

Fig. 5 Zusammenhang zwischen angezeigter Perspektive und Verschlußsegment.

Zum Verständnis ist es nützlich sich zunächst das Prinzip der Autostereosko­ pie zu vergegenwärtigen. Fig. 1 zeigt schematisch die Betrachtung eines Volumens von zwei Kopfpositionen A und B aus. In einer festen Position "sieht" der Betrachter mit jedem Auge eine andere Perspektive. Dadurch ergibt sich für diese Beobachterposition ein stereoskopisches Perspektivenpaar, das den räumlichen Eindruck vermittelt. Bewegt sich der Betrachter von A nach B, so wechselt Perspektive auf Perspektive. Damit ist eine volle horizontale Parallaxe realisiert.

Fig. 2a in der Draufsicht und Fig. 2b in der perspektivischen Sicht zeigen den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Betrachter blickt durch eine Anordnung von elektro-optischen Verschlußsegmenten auf ei­ nen dahinter liegenden zweidimensionalen Bildschirm (1). Der sog. Verschluß (2) ist in Bild 3 dargestellt und besteht aus Segmenten (3), die für die Reali­ sierung einer horizontalen Parallaxe, wie im Bild gezeigt, streifenförmig ausge­ bildet sind. Um auch eine vertikale Parallaxe zu realisieren, muß auch eine vertikale Segmentierung erfolgen. Die Verschlußsegmente werden in einem bestimmten Takt optisch durchsichtig bzw. undurchsichtig geschaltet. Syn­ chron zur Öffnung eines Verschlußsegmentes wird auf dem Bildschirm eine bes­ timmte Perspektive angezeigt. Wie im folgenden beschrieben, nimmt der Beo­ bachter, bei einem geeigneten Zusammenspiel von dargebotenen Perspektiven und jeweils geöffneten Verschlußelementen, ein virtuelles Volumen wahr. Dieses Abbild des darzustellenden Objektes oder der Szene ist in Fig. 2a und Fig. 2b gestrichelt eingezeichnet. Die Lage des Volumens kann, je nach Perspektivenwahl vor oder hinter dem Bildschirm liegen, oder diesen gar durchdringen.

Zu jedem Zeitpunkt ist genau ein Verschlußsegment (3) geöffnet, während auf dem Bildschirm (1) ein geeignetes Bild dargeboten wird. Dieses Bild muß die Eigenschaft haben, daß es durch das gerade geöffnete Verschlußsegment (3) betrachtet, jeder Position auf der Sehlinie die perspektivisch richtige Teilansicht der 3D-Szene bietet.

Für einen Punkt des virtuellen Volumens und eines Verschlußsegmentes (3) erhält man das dazugehörige Bildschirmelement, indem man die Verbindung­ slinie Volumenpunkt - Verschlußsegmentmittelpunkt mit der Bildschirmebene schneidet (siehe Fig. 4). Das Bildschirmelement (engl. "Pixel"), das diesem Schnittpunkt am nächsten ist, muß genau dann "aufleuchten", wenn sich das entsprechende Verschlußsegment öffnet. Ist der Öffnungs- und Schließzyklus genügend kurz, so entsteht aufgrund der Trägheit des Auges ein "stehendes" Bild und der Verschluß erscheint permanent geöffnet. Ein Beobachter, der sich parallel zum Verschluß und Bildschirm bewegt, sieht dann einen gegebenen Punkt (z. B. Punkt A in Fig. 4) aus seinen wechselnden Perspektiven. Aus den unterschiedlichen Perspektiven beider Augen ergibt sich ein Stereoeffekt Damit realisiert das erfindungsgemäße Verfahren ein perfektes autostereos­ kopisches Display.

Für ein vorgegebenes Verschlußsegment (3) ist die dazugehörige und anzuzei­ gende Bildinformation gerade die perspektivische Bildinformation, die ein monokularer Betrachter von der Mitte des jeweiligen Verschlußsegmentes aus wahrnehmen würde (siehe Fig. 5). Von diesen Positionen, den Zentren der Verschlußsegmente (3), werden vorteilhafterweise die Aufnahmen der darzus­ tellenden Szene, die dann auf dem Bildschirm (1) angezeigt werden, ge­ macht. Dies kann bei einer natürlichen Szene mit einer Kamera erfolgen. Lie­ gen bereits Aufnahmen einer 3D-Szene vor, die aber nicht aus der Position der Zentren der Verschlußsegmente gewonnen wurden, werden sie entspre­ chend der Aufnahme- und Verschlußgeometrie in geeigneter Weise zerlegt, um die so aus verschiedenen Aufnahmen gewonnenen Teilbilder zu einem syn­ thetischen neuen Bild zusammenzusetzen und auf dem Bildschirm (1) zu ei­ nem Zeitpunkt anzuzeigen. Bei in Rechnern generierten dreidimensionalen Szenen werden die Bilder mit der in rechnerunterstützten Designprogrammen üblichen Option für Perspektivendarstellung von den entsprechenden Positio­ nen aus berechnet.

Die erforderliche Anzahl der Verschlußsegmente (3) ist durch die Anzahl der gewünschten Perspektiven festgelegt. Die erforderliche Bildwiederholrate des verwendeten Bildschirms ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl von Per­ spektiven mit der gewünschten Bildwiederholrate innerhalb einer Perspektive. Bei dem im folgenden zugrunde gelegten Ausführungsbeispiel wird von einer Perspektivenzahl von 30-40 ausgegangen. Bei einer Bildwiederholrate von 50 Hz innerhalb einer Perspektive kommt man auf eine geforderte Bildwieder­ holrate des zu verwendenden Bildschirms (1) von bis zu 2000 Bildern pro Sekunde.

Bei Verwendung einer Kathodenstrahlröhre als Bildschirm (1) führt dies zu einer sehr hohen Analogsignalbandbreite, für die bis heute in der Bildschirm­ technik kein Bedarf bestand. Bei schnellen Oszillographen werden jedoch durchaus die geforderten Bandbreiten erreicht, so daß eine Kathoden­ strahlröhre für die erforderliche Bildwiederholrate prinzipiell realisierbar ist.

Alternativ bieten sich mehrere Arten von Flachbildschirmen an, z. B. die sog. ferroelektrischen LCDs, wie sie in der Firmenbroschüre von Hoechst Chemie vom 18. April 1991 mit dem Titel "Materials for Ferroelectric LCDs: Felix and Polix" beschrieben werden, weiter sog. AG Plasma Panels und Elektrolumi­ neszenzbildschirme, z. B. beschrieben in dem Artikel von T.R. Steyer und W.F. Goede, "Challenges of advanced display technology development", Pro­ ceedings of SPIE, Vol. 199,1979, Seiten 48-52. Weiterhin sind Anzeigen, die sog. PLZT Keramik verwenden, anwendbar. Diese sind z. B. in dem Arti­ kel von James R. Phillips "Advanced technology: PLZT Ceramics" in der Zeitschrift Information Display, Heft 4, 1989, Seiten 11-13 beschrieben.

Maßgeblich für die Auswahl eines Bildschirmes sind die Bildelementschaltzei­ ten, die kleiner als eine Millisekunde sein sollten. Dieses Kriterium wird von den oben angegebenen Technologien erfüllt. Ein weiteres Auswahlkriterium ist die erforderliche hohe Lichtstärke, die von der Anzahl der realisierten Per­ spektiven abhängt.

Das Problem der hohen Analogsignalbandbreite, wie es bei der Verwendung der Elektronenstrahlröhre auftritt, läßt sich bei den o. g. Flachbildschirmen vermeiden, da die Bildzeilen bzw. Spalten parallel ansteuerbar sind. Die Bild­ information kann für die Zeilen bzw. Spalten in parallelen Video-Halbleiter­ speichern, sog. RAMs abgelegt und über entsprechende Controller parallel, also mit verminderter Bandbreite, in den Bildschirm übertragen werden. Damit wird eine maximale Reduzierung der erforderlichen Speicherzugriffszeit um einen Faktor, der gleich der Zeilen- bzw. Spaltenzahl ist, erreicht.

Für den optischen Verschluß können ähnliche Technologien angewendet wer­ den, wie sie oben für die Flachbildschirme beschrieben sind. Ferner sind me­ chanische Realisierungen, z. B. mit einem umlaufenden Band oder einem Rotor, möglich.

Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel exemplarisch betrachtet. Da in der Praxis nur die horizontale Parallaxe von Bedeutung ist, wird in diesem Beispiel auf die vertikale Parallaxe verzichtet. Daher besteht der Verschluß (2) in diesem Fall nur aus vertikalen Streifensegmenten (3), hier auch "Schlitze" genannt.

Die relevanten Systemparameter sind in Fig. 2a angegeben, jedoch nicht maßstäblich gezeichnet. Der Verschluß (2) und der Bildschirm (1) haben den Abstand Z zueinander. Die Augen des Betrachters sollen sich auf einer Sehli­ nie im Abstand W frei bewegen können. Das zu generierende Volumen (gestrichelt) erstreckt sich vom Bildschirm (1) um dD in die Tiefe. Die Längsdimension des Volumens ist L, während der Verschluß (2) die Länge S hat. Die Breite eines einzelnen Verschlußsegmentes (3) sei d.

Die Dimensionen sind im Prinzip frei wählbar, allerdings müssen gewisse Randbedingungen beachtet werden. Zunächst einmal darf der Schlitzabstand eine bestimmte Obergrenze nicht überschreiten, die sich aus dem Abstand der Sehlinie zum Verschluß (2) berechnet. Für einen gegebenen Abstand (bzw. Abstandsbereich) vom Verschluß (2) muß jeder virtuelle Volumenpunkt die bei­ den Augen eines Betrachters durch verschiedene Verschlußsegmente (3) errei­ chen. Ansonsten würde der Stereoeffekt bei der Betrachtung verlorengehen. Es ist auch günstig, das Verhältnis von L/dD möglichst zu eins zu haben, um eine angemessene Tiefe im Verhältnis zur transversalen Ausdehnung zu erreichen. Weiterhin sollte L in seiner Größe ähnlich der Länge S des Verschlusses (2) sein, um einen großen Blickwinkel zu realisieren.

Eine mögliche Dimensionierung ist beispielsweise:

Z = 1000 mm
S = 350 mm
L = 500 mm
dD = 300 mm
150 mm < W < 250 mm

Der maximale Schlitzabstand bzw. die maximale Verschlußsegmentbreite be­ stimmt sich hieraus, indem ein Punkt P mit beiden Augen im Volumen fixiert (angepeilt) und die Schnittpunkte der Verbindungslinien Auge - Volumen­ punkt in der Ebene S bestimmt wird. Diese Distanz ist die maximale Schlitzgröße. Im schlechtesten Fall ergibt sich für die angegebenen Parame­ terdimensionen ein maximaler Schlitzabstand d_max von 52 mm. Damit würde sich eine minimale Anzahl von Perspektiven N_min = (350/52) = 7 ergeben. Leider reicht diese Zahl der Perspektiven nicht aus um einen quasi-konti­ nuierlichen Wechsel der Perspektiven zu erreichen. Mit den gegebenen Para­ metern, ergibt sich nämlich die Verschiebung r eines Volumenpunktes auf dem Bildschirm (1) zu (siehe Fig. 3):

r = (dD/(Z + dD)) · d_max = 12 mm

Diese Distanz ist deutlich oberhalb der Auflösungsgrenze des menschlichen Auges und würden einen abrupten Perspektivenwechsel zur Folge haben, das sog. "flipping". Daher müssen die Schlitzgrößen deutlich reduziert wer­ den. Legt man daher umgekehrt eine Auflösung von r = 2 mm zugrunde, so bestimmt sich d zu 8,7 mm und die Anzahl N zu 40. Diese Anzahl dürfte auch Richtwert für vergleichbare Parameterbestimmungen sein (z. B. kleineres Vo­ lumen in geringerem Abstand). Der abgedeckte Winkelbereich des Objektes beträgt in diesem Beispiel etwa 20°.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht an eine bestimmte Ausführungs­ form gebunden. Während die Benutzung von elektrooptischen Verschlüssen und geeigneten Flachbildschirmen, bzw. gegebenenfalls modifizierten Kathoden­ strahlbildschirmen die effektivste und wahrscheinlichste Umsetzung ist, sind andere Implementierungen möglich. So kann der Bildschirm durch einen Dia- oder Filmprojektionsschirm ersetzt werden. Im Fall einer Diaprojektion sollen für jede anzuzeigende Perspektive ein Diaprojektor verwendet und diese synchroni­ siert mit den Shuttersegmenten umgeschaltet werden. Dies erfolgt durch elek­ trooptische oder mechanische Blenden im Lichtweg der Projektoren oder auch durch die Verwendung von Blitzlampen in den Projektoren. Die Blenden können separat oder in Verbindung mit dem Verschluß (2) auch in Form eines umlaufenden Bandes oder Rotors ausgebildet sein.

Um die Anforderungen an die Bildwiederholraten und Lichtstärken herabzu­ setzen, lassen sich die Bilder von z. B. zwei Bildschirmen durch einen halb­ durchlässigen Spiegel überlagern, so daß sich die Anzahl der wiederzugeben­ den Perspektiven und die erforderliche Leuchtstärke für einen einzelnen Bildschirm verringern.

Um ein kompakteres System zu realisieren, läßt sich der Lichtweg zwischen Bildschirm und Verschluß mit Hilfe eines oder mehrerer Spiegel falten.

Weiterhin können durch Verwendung mehrerer Verschlüsse und Bildschirme größere Winkelbereiche, bis hin zur vollen 360° Darstellung, realisiert werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur autostereoskopischen Bildwiedergabe mit mindestens einem System bestehend aus einem Bildschirm (1) und einem im optischen Strahlengang vor diesem Bildschirm angeordneten Lichtmodulator, der segmentweise in seiner optischen Transparenz gesteuert wird, wobei der Betrachter innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs vor dem Bildschirm positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtmodulator ein aus Verschlußsegmenten (3) bestehender Verschluß (2) dient und daß mittels einer Steuereinrichtung aus einem zeitlichen Multiplexverfahren ausgelesen und auf dem Bildschirm dargestellt werden, wobei jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt genau eine Perspektive der Szene dargeboten wird und synchron dazu ein dieser Perspektive zugeordnetes, optisch sperrend oder durchlässig schaltbares Verschlußsegment (3) geöffnet wird und daß sich die Bildwiederholungsrate der auf dem Bildschirm dargestellten perspektivischen Bildinformationen der Szene aus dem Produkt der Anzahl der darzustellenden Perspektiven einer Szene und der allgemein zur flimmerfreien Darstellung eines Bildes erforderliche Bildfrequenz ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (2) horizontal und/oder vertikal segmentiert ist um die entsprechenden Parallaxen sichtbar zu machen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Verschluß (2) LCD, PLZT oder andere elektrooptische Materialien oder auch mechanische Blenden wie ein umlaufendes Band oder Rotor eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg zwischen Bildschirm (1) und dem Verschluß (2) mittels eines oder mehrerer Spiegel gefaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dargebotenen Perspektiven einer Szene über eine Kathodenstrahlröhre, einen Videoprojektor, einen LCD-Projektor, einen LCD-, PLZT-, Plasma-, Elektrolumniszenz- oder ferroelektrischen Bildschirm (1) wiedergegeben oder von einem Dia- oder Filmprojektor auf einen Bildschirm (1), der als Mattscheibe oder Leinwand ausgebildet ist, projiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der verwendeten Diaprojektoren durch die Anzahl der vorhandenen Verschlußsegmente (3) bestimmt ist, wobei diese Projektoren so gesteuert werden, daß die dem jeweils geöffneten Verschlußsegment zugeordneten Projektoren wirksam sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Projektoren in deren Strahlengang mechanische oder elektrooptische Blenden vorgesehen und synchron zu den jeweils geöffneten Verschlußsegmenten (3) angesteuert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußsegmente (3) mechanisch als Rotor oder umlaufendes Band realisiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Diaprojektoren Blitzlampen verwendet und synchron zu den jeweils geöffneten Verschlußsegmentes (3) gezündet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Anzahl der darzustellenden Perspektiven und der erforderlichen Leuchtstärke für einen einzelnen Bildschirm, die Bilder von mehreren Bildschirmen mittels halbdurchlässiger Spiegel überlagert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Systeme bestehend jeweils aus Bildschirm (1) und Verschluß (2) nebeneinander angeordnet werden, um einen größeren Winkelbereich bis hin zur vollen 360° Darstellung zu realisieren.