WO1994027410A2 - Verfahren zur aufnahme und wiedergabe von bewegten und unbewegten dreidimensionalen bildern - Google Patents

Verfahren zur aufnahme und wiedergabe von bewegten und unbewegten dreidimensionalen bildern Download PDF

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Definitions

  • Three-dimensional vision is made possible in that the two eyes of a viewer perceive two different points from two perspectively different images.
  • the method according to patent application DE 40 04 739 A1 is only suitable for viewing on a predetermined horizontal viewing plane in which both eyes of the viewer must be located, for example in a vehicle in which the viewer always takes the same seat height.
  • the aim of this invention is therefore to develop a method with which a satisfactory autostereoscopic recording and reproduction of moving and still pictures is possible.
  • a vector image is a central perspective that is inverted in height and in relation to the recorded object.
  • Such a vector image can also be computed with a computer instead of obtained in terms of imaging technology, the coordinates of the points A ', B' and C being easily calculated from the coordinates of the points A, B and C, the object distance g and the image width b according to the ray set to let
  • Light rays are therefore emitted from the film level into different solid angles with different colors and brightness.
  • a selectively controllable two-dimensional optical filter (Fig. 3, for example an LCD display, hereinafter always called LCD display).
  • Fig. 3 for example an LCD display, hereinafter always called LCD display.
  • one point (pixel) is switched to permeable by one control electronics, while the rest are impermeable. This can e.g. line by line from top to bottom and within each line point by point from left to right.
  • the camera display and the LCD display can also be sized accordingly, in which case e.g. only every second point on every second line is switched to permeable. According to this principle, an almost infinite change in size of the imaging scale is also conceivable.
  • the selection of the correspondingly required pixels of the camera display and their combination to form a vector image can be made on a correspondingly built graphics card in a computer.
  • a two-dimensional, selectively controllable light source for example a television tube, hereinafter referred to as picture tubes
  • a two-dimensional, selectively controllable optical filter LCD display
  • a spatial distance b for example a few centimeters
  • the respective vector images can also be calculated by a computer, for example as part of a simulation program. It is also conceivable that the vector images originate from a suitably built video recorder
  • the picture tubes In order to obtain a moving picture that is known from cinema or television and is still reasonably flicker-free, the picture tubes should run through about 25 complete cycles every second, e.g. from top left to bottom right (a so-called Interlaced mode, interlaced mode, as it is used today on television) And for each light point of the picture tube, a complete current vector image must be shown on the LCD display If, for example, a resolution of approximately 600 lines of 800 pixels is used for both the picture tube and the LCD display, 480000 LCD display points have to be displayed 25 times per second for 480,000 white picture tube points, which is 5760 Billions of pixels per second A channel for the analog transmission of such an amount of information had to have a bandwidth of several thousand gigahertz.
  • Fig 5 The picture tube is not described horizontally line by line and within a line point by point, but column by column vertically and the respective columns e.g. from left to right, whereby one vertical column is completely illuminated and emits white light. All are on the picture tube Columns have been run through from left to right, so the left column continues with the first column.
  • the color and grayscale-capable LCD display which is arranged, for example, a few centimeters in front of the picture tube, the associated current vector image is added to the respective light column of the picture tube reproduced for horizontal three-dimensional display only
  • a vector image for a horizontal, three-dimensional representation is a central perspective that is inverted but reversed in height with respect to the recorded object and that is more or less compressed in the vertical direction.
  • a corresponding compression for a medium observer distance is expediently carried out on the recording side by means of a correspondingly dimensioned cylindrical attachment lens. A slight discrepancy in the reproduction is not perceived.
  • this can be done Compression in the program
  • moving three-dimensional images can also be recorded and reproduced, which, however, are only two-dimensional in the vertical direction.You can look around a corner of the house, for example, by moving the head horizontally, but not by moving the head vertically, e.g. over a wall If you turn your head until the eyes are no longer next to each other, but one above the other, the image loses its three-dimensional effect with decreasing horizontal eye relief
  • This system for horizontal 3-D display reduces the bandwidth of the transmission channel required for the transmission by a factor of 600 compared to the complete 3-D system described above for an image with, for example, 600 lines
  • the picture tube is again described vertically in columns. On the again, for example, a few centimeters in front of the picture tubes, there are color and grayscale capable
  • the LCD display shows a corresponding current vector image for each column of the picture tube, but no longer over the entire width of 800 points of the LCD display, but only over an image segment of, for example, 10 picture elements on the left and right of the one that is just illuminated Biotube column (Fig. 7).
  • the other points on the LCD display remain unused and are, for example, opaque. This again considerably reduces the channel bandwidth required for image transmission, in the example with 800 pixels in a complete line, of which only 20 are used by a factor of 40.
  • Factor 10 through digital transmission and image compression
  • factor 600 through only horizontal three-dimensional representation
  • factor 40 through reduction to a small viewing angle to the left and right of the optical axis.
  • the required bandwidth is thus reduced by a total of 240,000 and, depending on the fineness of the color representation, is of the order of about 10 to 20 megahertz, which is technically feasible today.
  • the permissible afterglow duration of the picture tube and the permissible inertia of the LCD display can be, for example, 40 times as large.
  • an image repetition frequency of 25 Hertz a maximum of 500 brightness changes per second are achieved by an LCD display Must be able to carry out the element (pixel). This value is achieved, for example, by Ferrok ⁇ stall displays with an active matrix today and even surpass picture tubes with a correspondingly short persistence
  • the image repetition frequency can also be reduced downwards.
  • the human eye can no longer resolve films that run at 16 frames per second into individual images. For example, if you approach this lowest limit with this system, or even even slightly lower at 12.5 frames / second, so with this system the two eyes of a viewer (see Fig. 5) eg for point A usually receive their light information at different times T1 and T2, since the whole process ren is based on temporal multiplexing. This results in an effective image repetition rate of around 25 Hertz for both eyes
  • the requirements for the bandwidth of the transmission channel, for the afterglow duration of the picture tube and for the speed of the LCD display can be halved again.
  • the field-picture method known from television Interlace mode
  • Fig. 12 A variant analogous to the example above is also conceivable on the recording side.
  • Corresponding graphics cards can also take over the synchronous, chronologically correct control of the picture tube and the LCD display as well as the supply of the LCD display with the respective vector images.
  • a prerequisite is a picture tube with a surface that is not excessively curved and a linear representation without pillow-shaped and clay-shaped distortions. This can be achieved today with appropriate electronic circuits.
  • a laser scanner or another flat backlit LCD display are also used instead of the picture tube.
  • Pixel frequency [Hz] 160 480 960 1920 1600 1600 1600 3200 6400 128
  • Stereo angle width [degrees] 25.75 25.75 25.75 49.13 49.13 49.13 49.13 84.87 84.87 84, smallest observer distance: [mm] 635.25 635.25 761, 25 468.83 765.63 961.63 1185.63 592.81 592.81 4512, largest viewing distance: [mm] 4200.00 2100.00 4200.00 4200.00 4200.00 4200.00 4200, 00 8400.00 16800,

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Abstract

Zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern befindet sich ein zweidimensionales, punktuell ansteuerbares optisches Filter in engem Abstand zu einer photoempfindlichen Oberfläche. Dabei werden in zeitlicher Abfolge verschiedene Punkte bzw. Spalten des optischen Filters durchlässig geschaltet und dadurch ein höhen- und seitenverkehrtes Bild des aufzunehmenden Gegenstands aufgenommen. Bei der Wiedergabe wird ein Apparat verwendet, der nach dem gleichen Prinzip arbeitet.

Description

Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von bewegten und unbewegten dreidimensionalen Bildern
Herkömmliche Bildwiedergabe-Einrichtungen wie Kino, Fernsehen oder auch eine Zeich¬ nung auf einem Blatt Papier sind dadurch gekennzeic-hnet, daß von jedem Punkt ihrer (zweidimensionalen) Darstellungsfläche Lichtstrahlen in alle Richtungen abgeschickt wer¬ den. Diese werden dann von einem Betrachter naturgemäß auch von beiden Augen wahr¬ genommen, wodurch ein zweidimensionaler Eindruck entsteht.
Dreidimensionales Sehen wird dadurch ermöglicht, daß die beiden Augen eines Betrachters von zwei verschiedenen Punkten aus zwei perspektivisch unterschiedliche Bilder wahrneh¬ men.
Zur Wiedergabe dreidimensionaler Bilder sind bereits eine Reihe verschiedener Verfahren bekannt. Die meisten davon sind darauf ausgelegt, daß den beiden Augen des Betrachters über zwei getrennte Kanäle zwei perspektivisch unterschiedliche Bilder zugeführt werden. Dazu werden bekanntlich Rot-/Grün-Brillen oder Polarisationsbrilien mit horizontaler I verti¬ kaler Polarisation oder Spiegelsysteme benutzt. Diese Verfahren sind jedoch nicht autoste- reoskopisch, d.h. bei einer Veränderung des Betrachter-Standorts ändert sich die wahrge¬ nommene Perspektive nicht automatisch.
Daneben sind auch bereits mehrere Verfahren zur Brillen-losen, autostereoskopischen Wiedergabe von Bildern bekannt, die jedoch mit unterschiedlichen Nachteilen behaftet sind:
Beim Verfahren gemäß Patentanmeldung US 5 132 839 werden durch einen speziellen Hinterleuchtungs-Apparat mit einer Linse auf einem davor angeordneten Schirm höhen- und seitenrichtig wiedergegebene Parallel-Projektionen über jeweils parallele Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen projiziert. Diese Parallel-Projektionen können jedoch nicht auf- nahmetechnisch gewonnen werden, sondern nur über ein Computer-System errechnet wer-
1 den. Und das menschliche Gehirn empfindet Parallel-Projektionen von größeren Szenen als unnatürlich, da es üblicherweise nur Zentral-Perspektiven empfängt.
Das Verfahren gemäß Patentanmeldung DE 40 04 739 A1 eignet sich nur für eine Betrach¬ tung auf einer vorgegebenen horizontalen Betrachtungsebene, in der sich beide Augen des Betrachters befinden müssen, beispielsweise in einem Fahrzeug, in dem der Betrachter immer die gleiche Sitzhöhe einnimmt.
In seiner Veröffentlichung in Applied Optics 1990, Vol. 29, No. 29, S. 4341 - 4342 be¬ schreibt A.R.L. Travis neben seiner bereits oben gennanten Patentanmeldung US 5 132 839 ein Verfahren, bei dem durch eine senkrechte Schlitzblende erreicht wird, daß die Au¬ gen eines Betrachters nur die zu ihrer jeweiligen Position zugehörigen Ansichten sehen können. Dieses Verfahren führt zu enormen Lichtverlusten der verwendeten Bildröhre, die umso größer sind, je mehr verschiedene Perspektiven dargestellt werden sollen, da die Schlitze entsprechend schmaler sein müssen. Diesem Verfahren entspricht auch die Patent- Anmeldung DE 41 23895 A1.
Ein Verfahren gemäß der Veröffentlichung von H. Bergmann in Bild & Ton 1991 , Bd.44, Heft 2, S. 74 - 79: Dreidimensionale Bildwiedergabe (Überblick zum Stand) mit einem Flüssig- kristall-Spiegelsystem ist sehr aufwendig und läßt nur wenige Tiefenebenen zu (im Beispiel fünf), wobei die Lichtstrahlen im Beispiel zusätzlich zu den Spiegelungen auf dem Hin- und Rückweg bis zu acht mal ein auf "durchlässig" geschaltetes LCD-Display durchdringen müssen. Auch hier sind die entsprechenden Lichtverluste also vorprogrammiert.
Bei einem Verfahren gemäß Patentanmeldungen US 4 717 949 und EP 0 316 465 A1 wer¬ den zwei oder mehr Ansichten gleichzeitig auf einem Display dargestellt, wobei durch hinter dem Schirm angeordnete senkrechte, permanent leuchtende Drähte erreicht wird, daß die Augen eines Betrachters jeweils nur die zu ihrer jeweiligen Position gehörige Ansicht wahr¬ nehmen können. Die Position der Leuchtdrähte ist dabei genau auf die Position des Be¬ trachters abgestimmt, so daß sich nur ein enger Betrachtungsbereich ergibt. Außerdem werden bei diesem räumlichen Multiplβxmg an das Display hohe Anforderungen hinsichtlich des Auflösungsvermögens gestellt
Alle diese Verfahren lassen wegen der geschilderten Nachteile noch keine zufriedenstel¬ lende autostereoskopische Darstellung zu
Ziel dieser Erfindung ist es also, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine zufrieden¬ stellende autostereoskopische Aufnahme und Wiedergabe von bewegten und unbe¬ wegten Bildern möglich ist.
Für echte dreidimensionale Bildwiedergabe auf einem flachen (zweidimensionalen) Bild¬ schirm, bei der ein Gegenstand durch Bewegen des Kopfes auch aus einer anderen Per¬ spektive, zum Beispiel von der Seite, betrachtet werden kann, (man kann also sozusagen um eine Ecke herumsehen), ist es erforderlich, daß die aus der Bildschirmflache austreten¬ den Lichtstrahlen beliebig vektoriell kontrolliert werden können Von jedem Punkt des (flachen) Bildschirms werden also in unterschiedliche Raumrichtungen in Farbe und Hellig¬ keit unterschiedliche Lichtstrahlen ausgesendet Dies wird heute erst teilweise für mono¬ chromatisches Licht durch die Laser-Holographie erreicht
Dieses Problem kann durch das im folgenden beschriebene neuartige autostereo¬ skopische Verfahren für ein vollständiges 3-D-Bildaufnahme- und Wiedergabe-System mit Hilfe von Vektorbildem gelöst werden.
Definition des Begriffs Vektorbild (siehe Abb. 1):
Bei der Aufnahme eines Vektorbildes werden von den verschiedenen Punkten A, B, und C eines aufzunehmenden Gegenstandes Lichtstrahlen in alle Richtungen ausgeschickt Einige dieser Lichtstrahlen treten durch ein kleines Loch L in der g entfernten Objektiv-Ebene hin¬ durch und treffen den in räumlichem Abstand b dahinter in der Film-Ebene angeordneten Film F (bzw Kamera-Display) an den Punkten A', B' und C Das auf dem Film erzeugte Bild
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ORIGINAL UNTERLAGEN A', B', C (praktisch ein mit einer klassischen Lochkamera gewonnenes Photo) bildet nun ein Vektorbild des Gegenstands A, B, C bezüglich des Punktes L
Definition: Ein Vektorbild ist eine zum aufgenommenen Gegenstand höhen- und sei¬ tenverkehrte Zentralperspektive.
Ein solches Vektorbild kann auch statt aufnahmetechnisch gewonnen mit einem Computer errechnet werden, wobei sich die Koordinaten der Punkte A', B' und C leicht nach dem Strahlensatz aus den Koordinaten der Punkte A, B und C, der Gegenstandsweite g und der Bildweite b errechnen lassen
Wird nun die Position des Lochs L auf der Objektiv-Ebene im zeitlichen Ablauf verändert, so können in der Film-Ebene auf einem bildweise durchlaufenden Film (bzw von dem Kamera- Display) nacheinander verschiedene Vektorbilder des Gegenstands bezüglich verschiede¬ ner Punkte L gewonnen werden
Bei der Wiedergabe eines Vektorbildes (Abb 2) befindet sich an der entsprechenden Stelle des Lochs in der Objektiv-Ebene nunmehr eine punktformige Lichtquelle L in der Leucht- Ebene, die Lichtstrahlen in alle Richtungen aussendet Einige dieser Lichtstrahlen treten durch die wiederum höhen- und seitenverkehrt durch das zugehörige Vektorbild wiederge¬ gebenen Punkte A', B' und C in der im Abstand b angeordneten Filmebene (bzw. des Dis¬ plays) hindurch
Durch diese Anordnung kann die vektoπelle Situation der vom Gegenstand A, B C ausge¬ schickten Lichtstrahlen bezüglich des einen Punktes L zum Zeitpunkt der Aufnahme voll¬ ständig reproduziert werden Es entsteht also der Eindruck eines im Abstand g angeordne¬ ten virtuellen Gegenstands A, B, C
Wird nun wiederum die Position der Lichtquelle L in der Leucht-Ebene im zeitlichen Ablauf synchron zum Aufnahme-Vorgang verändert und werden in der Film-Ebene die zur jeweili-
4 gen Position L zugehörigen Vektorbilder bereitgestellt, so kann die vektorielle Situation der vom Gegenstand A, B, C durch die Objektiv-Ebene hindurchgeschickten Lichtstrahlen voll¬ ständig reproduziert werden. Voraussetzung ist eine im Verhältnis zur Objektiv-Ebene aus¬ reichend groß dimensionierte Film-Ebene.
Von der Film-Ebene werden also Lichtstrahlen in unterschiedliche Raumwinkel mit unter¬ schiedlicher Farbe und Helligkeit ausgeschickt.
Nach diesem prinzipiellen Verfahren ist nun folgendes System zur Aufnahme und Wiedergabe dreidimensionaler Bilder denkbar
Vor einem Kamera-Display befindet sich im Abstand b in der Objektiv-Ebene ein punktuell ansteuerbares zweidimensionales optisches Filter (Abb. 3, z. B. ein LCD-Display, im fol¬ genden stets LCD-Display genannt). Auf dem LCD-Display wird von einer Steuer-Elektronik der Reihe nach jeweils ein Punkt (pixel) auf durchlässig geschaltet, während die übrigen undurchlässig sind. Dies kann z.B. zeilenweise von oben nach unten und innerhalb jeder Zeile Punkt für Punkt von links nach rechts erfolgen.
Um Aufnahmen in einem anderen Größenmaßstab zu erzielen, können das Kamera-Display und das LCD-Display auch entsprechend größer bemessen sein, wobei dann z.B. nur jeder zweite Punkt auf jeder zweiten Zeile auf durchlässig geschaltet wird. Nach diesem Prinzip ist auch eine nahezu stufenlose Größenänderung des Abbildungs-Maßstabs denkbar. Die Auswahl der entsprechend benötigten Bildpunkte des Kamera-Displays und ihre Zusam¬ mensetzung zu einem Vektorbild kann über eine entsprechend gebaute Graphikkarte in einem Computer erfolgen.
Ist rechts unten der letzte Punkt auf durchlässig geschaltet worden, so beginnt der Zyklus links oben wieder von vorne. So kann zu jedem Punkt des LCD-Displays auf dem Kamera- Display ein momentanes Vektorbild gewonnen werden. Diese Vektorbilder werden über einen Übertragungskanal (z.B. auch über Funkwellen) zu einer Wiedergabe-Einrichtung
(Abb. 4) übertragen:
5 Eine zweidimensionale, punktuell steuerbare Lichtquelle (z B eine Fernsehbtldrohre, im folgenden stets Bildrohre genannt) und ein zweidimensionales, punktuell steuerbares opti¬ sches Filter (LCD-Display) werden in räumlichem Abstand b (z B einige Zentimeter) hinter¬ einander aufgestellt Die Bildröhre sendet synchron zur oben beschriebenen Aufnahme- Einrichtung, z B zeilenweise von oben nach unten und innerhalb jeder Zeile Punkt für Punkt von links nach rechts weiße Lichtstrahlen gleicher Intensität halbkugelformig in den Raum aus
Auf einem im Abstand b, z B einige Zentimeter vor der Bildröhre angeordneten färb- und graustufenfahigen LCD-Display wird zu jedem Punkt der Bildröhre das entsprechende, ge¬ rade von der Aufnahme-Einrichtung übertragene momentane Vektorbild dargestellt Sind auf der Bildröhre alle Punkte z B von links oben nach rechts unten durchlaufen worden, so beginnt der Zyklus wiederum links oben Durch diese Anordnung können bewegte und un¬ bewegte dreidimensionale Bilder wiedergegeben werden
Ebenso können, wie schon weiter oben ausgeführt, die jeweiligen Vektorbilder auch von einem Computer, z B im Rahmen eines Simulationsprogramms, errechnet werden Auch ist denkbar, daß die Vektorbilder von einem entsprechend gebauten Videorecorder stammen
Dieses soeben beschriebene System zur Aufnahme und Wiedergabe von dreidimensiona¬ len Bildern stoßt bei höheren Graphik-Auflosungen allerdings noch auf die Grenzen des heutigen Stands der Technik
Um ein vom Kino oder Fernsehen her bekanntes fließend bewegtes Bild zu erhalten, das dazuhin noch halbwegs flimmerfrei ist, sollte die Bildrohre in jeder Sekunde etwa 25 kom¬ plette Zyklen, z B von links oben nach rechts unten, durchlaufen (Denkbar wäre auch ein sogenanntes Zwischenzeilen-Verfahren, Interlaced-Modus, wie es heute beim Fernsehen angewandt wird ) Und zu jedem Leuchtpunkt der Bildröhre muß auf dem LCD-Display ein komplettes momentanes Vektorbild wiedergegeben werden Setzt man sowohl bei der Bildröhre als auch beim LCD-Display jeweils z B eine Auflosung von etwa 600 Zeilen ä 800 Bildpunkten an, so müssen in jeder Sekunde 25 mal für jeweils 480000 weiße Bildrohrenpunkte 480000 LCD-Display-Punkte wiedergegeben werden, das sind 5760 Milliarden Bildpunkte pro Sekunde Ein Kanal zur Analog-Ubertragung einer sol¬ chen Informationsmenge mußte also eine Bandbreite von mehreren Tausend Gigahertz aufweisen Bei digitaler Bildubertragung mit Bildkompression, wie sie heute im Computer- Bereich bereits üblich ist, ließe sich diese Bandbreite etwa um den Faktor 10 bis 100 ver¬ kleinern, es wäre aber immer noch eine Bandbreite von ca 100 Gigahertz erforderlich Da¬ neben deuten sich Probleme bezüglich der Nachleuchtdauer der Bildröhre und der Trägheit des LCD-Displays an
Um dieses im Prinzip richtige Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von dreidimensio¬ nalen bewegten und unbewegten Bildern auch für höhere Graphik-Auflösungen nach dem heutigen Stand der Technik realisierbar zu machen, kann es in einigen Punkten kraftig re¬ duziert werden
a) Reduzierung auf nur horizontale Dreidimensionalität,
b) Reduzierung auf einen kleinen Betrachtungswinkel innerhalb weniger Grade links und rechts der optischen Achse,
c) Reduzierung der Bild-Wiederholfrequenz.
In den im folgenden beschriebenen Varianten des obigen Verfahrens wird der Einfachheit halber weiterhin mit einer Bildauflösung von 600 Zeilen ä 800 Bildpunkten gerechnet, die in etwa der Auflösung des gewohnten Fernsehbildes entspricht Selbstverständlich sind auch andere Bildauflösungen und andere Bild-Wiederholfrequenzen denkbar
zu a) Reduzierung auf nur horizontale Dreidimensionalität: Abb 5 Die Bildröhre wird z B nicht zeilenweise waagerecht und innerhalb einer Zeile Punkt für Punkt, sondern spaltenweise senkrecht und die jeweiligen Spalten z B von links nach rechts beschrieben, wobei jeweils eine vertikale Spalte komplett erleuchtet ist und weißes Licht ausschickt Sind auf der Bildröhre alle Spalten von links nach rechts durchlau¬ fen worden, so wird wieder ganz links mit der ersten Spalte fortgesetzt Auf dem wiederum z B wenige Zentimeter vor der Bildröhre angeordneten färb- und graustufenfähigen LCD- Display wird zur jeweiligen Leuchtspalte der Bildröhre das zugehörige momentane Vektor¬ bild für nur horizontal dreidimensionale Darstellung wiedergegeben
Diese Vektorbilder für nur horizontal dreidimensionale Darstellung können aufnahmetech¬ nisch ebenso wie die bisher verwendeten Vektorbilder gewonnen werden (Abb 1 ), wobei die Position des Lochs L nur noch auf auf einer horizontalen Linie z B von links nach rechts verändert wird Diese horizontale Linie geht sinnvollerweise durch die optische Achse des Systems
Es ist bei nur horizontal dreidimensionaler Aufnahme auch möglich, die Licht-Ausbeute bei der Aufnahme zu verbessern Dazu wird auf dem LCD-Display, das vor das Kamera-Display gesetzt ist, nicht nur jeweils ein Punkt, sondern ein senkrechter Spalt lichtdurchlässig ge¬ schaltet (Abb 6) Durch eine zylindrische Sammel-Linse bzw ein zylindrisches Linsensy¬ stem werden die vom Gegenstand, z B vom Punkt B, in Richtung des durchlässigen Spalts ausgesandten Lichtstrahlen wieder im Punkt B' gebündelt
Wie aus Abb 5 hervorgeht, müssen bei der nur horizontal dreidimensionalen Wiedergabe die zu den jeweiligen senkrechten Leuchtzeilen der Bildrohre gehörigen momentanen Vek¬ torbilder nach wie vor zwar seitenverkehrt, aber höhenrichtig dargestellt werden Außerdem ist, wie ebenfalls aus Abb 5 erkennbar ist, zur korrekten Wiedergabe des Seiten- tHöhenverhaltnisses eine leichte Stauchung der Vektorbilder in vertikaler Richtung nötig Die Ursache dafür liegt in der unterschiedlichen Entfernung zwischen Bildrohre und virtuel¬ lem Bild einerseits und zwischen vorgesetztem LCD-Display und virtuellem Bild anderer¬ seits Auch der Abstand des Betrachters zum LCD-Display spielt eine Rolle Der Faktor für die erforderliche Stauchung kann wiederum mit den Strahlensätzen aus der Geometrie leicht errechnet werden
Definition: Ein Vektorbild für nur horizontal dreidimensionale Darstellung ist eine zum aufgenommenen Gegenstand seitenverkehrte, aber höhenrichtige Zentralperspektive, die in vertikaler Richtung mehr oder weniger gestaucht ist.
Sinnvollerweise wird eine entsprechende Stauchung für einen mittleren Betrachter-Abstand gleich auf der Aufnahmeseite durch eine entsprechend dimensionierte zylindrische Vorsatz¬ linse vorgenommen Eine leichte Unstimmigkeit bei der Wiedergabe wird nicht wahrgenom¬ men Bei der Errechnung von Vektorbildern für nur horizontal dreidimensionale Darstellung mit einem Computer kann diese Stauchung im Programm berücksichtigt werden
Durch diese Anordnung können ebenfalls bewegte dreidimensionale Bilder aufgenommen und wiedergegeben werden, die allerdings in vertikaler Richtung nur zweidimensional sind Man kann zwar durch horizontales Bewegen des Kopfes zum Beispiel um eine Hausecke herumschauen, aber nicht durch vertikales Bewegen des Kopfes z B über eine Mauer hin¬ weg Dreht man den Kopf, bis die Augen nicht mehr nebeneinander, sondern übereinander sind, so verliert das Bild mit abnehmendem horizontalem Augenabstand zunehmend seine dreidimensionale Wirkung
Durch dieses System zur horizontalen 3-D-Darstellung wird die zur Übertragung erforderli¬ che Bandbreite des Ubertragungskanals gegenüber dem weiter oben beschriebenen voll- standigen 3-D-System bei einem Bild mit z B 600 Zeilen um den Faktor 600 verkleinert
zu b) Reduzierung auf einen kleinen Betrachtungswinkel innerhalb weniger Grade links und rechts der optischen Achse:
Die Bildröhre wird wiederum wie bei a) spaltenweise senkrecht beschrieben Auf dem wie¬ derum z B einige Zentimeter vor der Bildrohre angeordneten färb- und graustufenfähigen
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ORIGINAL UNTERLA E LCD-Display wird wie bei a) zu jeder Spalte der Bildröhre ein entsprechendes momentanes Vektorbild dargestellt, allerdings nicht mehr über die ganze Breite von 800 Punkten des LCD-Displays, sondern nur über ein Bildsegment von z.B. jeweils 10 Bildpunkten links und rechts der gerade erleuchteten Biidröhrenspalte (Abb. 7). Die anderen Punkte des LCD- Displays bleiben unbenutzt und sind z.B. undurchsichtig. Dadurch wird erneut die zur Bild¬ übertragung erforderliche Kanal-Bandbreite erheblich reduziert, im Beispiel mit 800 Bild¬ punkten in einer kompletten Zeile, von denen nur jeweils 20 benutzt werden, um den Faktor 40.
Insgesamt kann so gegenüber der weiter oben genannten Bandbreite von mehreren Tau¬ send Gigahertz folgende Reduzierung erreicht werden:
z.B. Faktor 10 durch digitale Übertragung und Bildkompression, Faktor 600 durch nur hori¬ zontal dreidimensionale Darstellung und Faktor 40 durch Reduzierung auf einen kleinen Betrachtungswinkel links und rechts der optischen Achse. Die erforderliche Bandbreite re¬ duziert sich somit insgesamt um den Faktor 240000 und liegt je nach Feinheit der Farbdar¬ stellung in der Größenordnung von etwa 10 bis 20 Megahertz, was heute technisch pro¬ blemlos realisierbar ist.
Es bietet sich nun an, das LCD-Display trotzdem voll auszunutzen. Auf der Bildröhre wer¬ den mehrere senkrechte Leuchtspalten gleichzeitig dargestellt, im obigen Beispiel 40. Auf der Bildröhre werden also nicht mehr der Reihe nach die Spalten 1 , 2, 3, ..., 800 erleuchtet, sondern zunächst gleichzeitig die Spalten 1 , 21 , 41 781. Danach werden gleichzeitig die
Spalten 2, 22, 42, .... 782 erleuchtet usw. Nach dem Durchgang 20, 40, 60, ..., 800 wird wieder mit den Spalten 1 , 21 , 41 , ..., 781 fortgesetzt (Abb. 8). Dies kann z.B. durch eine Graphikkarte in Verbindung mit einem Steuβrprogramm erreicht werden.
Gleichzeitig werden auf dem LCD-Display die Vektorbild-Ausschnitte der zu den jeweiligen Leuchtspalten zugehörigen Bildsegmente dargestellt.
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ORIGINAL UNTERLAGEN Dies hat zur Folge, daß die zulassige Nachleuchtdauer der Bildröhre und die zulassige Trägheit des LCD-Displays z B 40 mal so groß sein können Bei einer Bild- Wiederholfrequenz von 25 Hertz kommt man so auf maximal 500 Helligkeitswechsel pro Sekunde, die ein LCD-Display-Element (Pixel) ausfuhren können muß Dieser Wert wird z B von Ferrokπstall-Displays mit Aktiv-Matrix heute erreicht und übertreffen Auch Bildröh¬ ren mit entsprechend kurzer Nachleuchtdauer sind heute machbar
Bei dieser Parallel-Schreibweise mehrerer Leuchtspalten stellt sich der folgende (willkommene) Zusatz-Effekt ein (Abb 9)
Bewegt sich der Betrachter aus dem reduzierten Betrachtungsbereich (wenige Grade links und rechts der optischen Achse) heraus, so kann er unter Umstanden das Bild doch wie¬ derum räumlich richtig wahrnehmen, da sich Nachbar-Betrachtungsbereiche einstellen, die sich daraus ergeben, daß Display-Bildsegmente nicht von den eigentlich für diese Segmen¬ te vorgesehenen Leuchtspalten, sondern von den z B um 20 Spalten versetzten Nachbar- Leuchtspalten hinterleuchtet werden Voraussetzung für räumlich richtiges Sehen ist aller¬ dings, daß sich beide Augen des Betrachters in solchen Nachbar-Betrachtungsbereichen befinden
Sinngemäß können die obigen Ausfuhrungen auch auf der Aufnahmeseite zur Reduzierung auf einen kleinen Aufnahmewinkel innerhalb weniger Grade links und rechts der optischen Achse angewandt werden (Abb 10)
Auf dem LCD-Display vor dem Kamera-Display werden gleichzeitig mehrere senkrechte Spalten auf durchlassig geschaltet Auf dem Kamera-Display werden die Vektorbild- Ausschnitte in den jeweiligen Display-Segmenten erzeugt
zu c) Reduzierung der Bild-Wiederholfrequenz
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ORIGINAL UNTERLAGEN Auch die Bild-Wiederholfrequenz kann noch nach unten verkleinert werden Das menschli¬ che Auge kann schon Filme, die mit 16 Bildern pro Sekunde ablaufen, nicht mehr in Ein¬ zelbilder auflösen Geht man mit diesem System z B an diese unterste Grenze heran, oder sogar noch etwas darunter auf 12,5 Bilder/Sekunde, so erhalten doch die beiden Augen eines Betrachters bei diesem System (siehe Abb 5) z B für den Punkt A ihre Licht- Informationen meistens zu unterschiedlichen Zeitpunkten T1 und T2, da das ganze Verfah¬ ren ja auf zeitlichem Multiplexing aufbaut Damit ergibt sich für beide Augen zusammen immer noch eine effektive Bild-Wiederholfrequenz von etwa 25 Hertz
Dadurch können die Anforderungen an die Bandbreite des Ubertragungskanals, an die Nachleuchtdauer der Bildröhre und an die Geschwindigkeit des LCD-Displays noch einmal halbiert werden Um dennoch eine gute Flimmerfreiheit zu erhalten, kann wie schon ein¬ gangs erwähnt das vom Fernsehen bekannte Halbbild-Verfahren (Interlace-Modus) auch auf die senkrechten Leuchtzeilen entsprechend angewandt werden
Andere System-Varianten:
Es sind auch andere Varianten zur Reduzierung des ursprünglichen vollständigen 3-D- Systems denkbar Beispielsweise (Abb 11) können jeweils 10 Punkte links, rechts, oberhalb und unterhalb eines Leucht-Punkts der Bildrohre ein Bild-Segment auf dem LCD-Display bilden Die Bildröhre wird dann punktweise folgendermaßen beschrieben Zeilel Punkte 1 , 21 , 41, , 781 , danach Zeile 21 Punkte 1 , 21 , 41 , , 781 , danach Zeile 41 , , so daß sich ein leuchtendes Punktgitter ergibt Auf den zugehörigen Bild-Segmenten auf dem LCD- Display werden die zugehörigen Vektorbild-Ausschnitte dargestellt
Danach wird das nächste Punktgitter versetzt auf die Bildröhre geschrieben und auf dem LCD-Display wiederum in den zugehörigen Bild-Segmenten die zugehörigen Vektorbild- Ausschnitte dargestellt, bis auf der Bildröhre alle Leuchtpunkte aller Zeilen und Spalten erfaßt wurden Danach wird wieder von vorne begonnen Dadurch wird das System auf ei¬ nen kleinen Betrachtungswinkel links, rechts, oberhalb und unterhalb der optischen Achse reduziert, ohne daß die vertikale 3-D-Darstellung verlorengeht Man kann also um eine Ek-
12 ORIGINAL UNTERLAGEN ke herum und über eine Mauer hinwegsehen. Diese Variante könnte beispielsweise bei CAD-Systemen (Computer Aided Design) Anwendung finden.
Abb 12: Auch auf der Aufnahmeseite ist eine Variante analog zum obigen Beispiel denkbar.
Anwendungsbereiche:
Betrachtet man nun die technischen Anforderungen, die dieses autostereoskopische Ver¬ fahren zur Aufnahme und Wiedergabe von bewegten und unbewegten dreidimensionalen Bildern mit Hilfe von Vektorbildern stellt, so sind sie je nach Variante, Graphik-Auflösung und Bild-Wiederhofrequenz nach dem heutigen Stand der Technik durchaus realistisch und realisierbar, da schon kleine Personalcomputer mit Taktfrequenzen von 75 Megahertz und darüber arbeiten. Entsprechende Graphikkarten (Graphik-Subsysteme mit eigenem Prozes¬ sor) in Verbindung mit geeigneten Programmen können die synchrone, zeitlich korrekte Steuerung des Kamera-Displays, des vorgesetzten Displays und die Aufnahme der Vek¬ torbilder auf der Aufnahmeseite übernehmen.
Ebenso können entsprechende Graphikkarten die synchrone, zeitlich korrekte Steuerung der Bildröhre und des LCD-Displays sowie die Versorgung des LCD-Displays mit den jewei¬ ligen Vektorbildern übernehmen. Voraussetzung ist eine Bildröhre mit nicht zu stark ge¬ krümmter Oberfläche und linearer Darstellung ohne kissen- und tonπenförmige Verzeich¬ nungen. Dies läßt sich mit entsprechenden elektronischen Schaltungen heute erreichen. Ersatzweise könnte anstelle der Bildröhre z.B. auch ein Laser-Scanner bzw. ein weiteres, flächig hinterleuchtetes LCD-Display zum Einsatz kommen.
Somit sind z.B. dreidimensionale Darstellungen (CAD-Zeichnungen, Chemie-Moleküle, Si¬ mulationen etc.) mit ausreichender Graphik-Auflösung auf Computer-Monitoren denkbar. Aber auch im Bereich des Fernsehens ist eine Anwendung dieses 3-D-Verfahrens denkbar.
1 3
ORIGINAL UNTERLAGEN Abmessungen von 3-fX-Monitorsysteαιen Prototyp Monitor Monitor Monitor TV50 TV50cs TV50CS TV90hd TV90HD Ki
Kanalzahl: 32 16 32 64 64 64 64 128 256 5
Bildwiederholfrequenz 25 [Hz] 5 30 30 30 25 25 25 25 25
Pixelfrequenz: [Hz] 160 480 960 1920 1600 1600 1600 3200 6400 128
System-Parameter:
O » Systemgüte: 70 70 35 70 70 70 70 70 70 140 2 o Auflösung horizontal: 640 [Pixel] 640 640 800 1024 800 1024 1024 1024 2048 20 z Auflösung vertikal: 200 [Pixel] 480 480 600 768 600 600 600 1200 1200 12 > r Pixel- Abstand hör.: 0,36 [mm] 0,36 0,36 0,36 0,36 0,80 0,80 1,00 1,00 0,50 4, c Pixel- Abstand vert: 0,72 [mm] 0,36 0,36 0,36 0,36 0,80 0,80 1,00 0,50 0,50 4, z H W abgeleitete Werte: r Schirmbreite: 230,40 [mm] 230,40 230,40 288,00 368,64 640,00 819,20 1024,00 1024,00 1024,00 8192, ► o Schύmhöhe: 144,00 [mm] 172,80 172,80 216,00 276,48 480,00 480,00 600,00 600,00 600,00 4800,
M Z Schirmdiagonale: 271,70 [mm] 288,00 288,00 360,00 460,80 800,00 949,47 1186,83 1186,83 1186,83 9494,
Schirmdiagonale: 11 [Zoll] 12 12 15 19 32 38 47 47 47 3
Display-Abstand 25,20 [mm] 25,20 12,60 25,20 25,20 56,00 56,00 70,00 70,00 70,00 1120,
Vektor-Winkelbreite 0,82 [Grad] 0,82 1,64 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,41 0,
Stereo-Winkelbreite in Im: [mm] 228,57 228,57 228,57 457,14 457,14 457,14 457,14 914,29 914,29 914,
Anzahl Display-Segmente 20 40 25 16 13 16 16 8 8
Spaltenabstand [mm] 11,52 5,76 11,52 23,04 51,20 51,20 64,00 128,00 128,00 2048,
Stereo-Winkelbreite: [Grad] 25,75 25,75 25,75 49,13 49,13 49,13 49,13 84,87 84,87 84, kleinster Betrachterabstand: [mm] 635,25 635,25 761,25 468,83 765,63 961,63 1185,63 592,81 592,81 4512, größter Betrachterabstand: [mm] 4200,00 2100,00 4200,00 4200,00 4200,00 4200,00 4200,00 4200,00 8400,00 16800,

Claims

Patentansprüche :
Patentansprüche werden gestellt
1 für autostereoskopische Verfahren zur Wiedergabe von dreidimensionalen Bildern, bei denen sich in raumlichem Abstand neben und parallel zu einer zweidimensionalen, punk¬ tuell ansteuerbaren Lichtquelle ein zweidimensionales, punktuell ansteuerbares optisches Filter befindet, wobei in zeitlicher Abfolge verschiedene Punkte der Lichtquelle erleuchtet werden und gleichzeitig zu dem jeweils erleuchteten Punkt der Lichtquelle auf dem opti¬ schen Filter ein Vektorbild (hohen- und seitenverkehrte Zentralperspektive des darzustel¬ lenden Gegenstands) dargestellt wird
2 für autostereoskopische Verfahren zur Wiedergabe von horizontal dreidimensionalen Bildern, bei denen sich in raumlichem Abstand neben und parallel zu einer zweidimensiona¬ len, spaltenweise ansteuerbaren Lichtquelle ein zweidimensionales, punktuell ansteuerba¬ res optisches Filter befindet, wobei in zeitlicher Abfolge verschiedene vertikale Spalten der Lichtquelle erleuchtet werden und gleichzeitig zu der jeweils erleuchteten Spalte der Licht¬ quelle auf dem optischen Filter ein Vektorbild für nur horizontal dreidimensionale Darstel¬ lung (seitenverkehrte, aber hohennchtige Zentralperspektive des darzustellenden Gegen¬ stands, die in senkrechter Richtung mehr oder weniger gestaucht ist) dargestellt wird
3 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, bei denen gleichzeitig bzw nahezu gleichzeitig mehrere Punkte bzw vertikale Spalten der Lichtquelle erleuchtet sind und auf dem optischen Filter gleichzeitig in zu den jeweils erleuchteten Punkten bzw vertikalen Spalten zugeordneten Bildsegmenten Vektorbilder bzw Ausschnitte von Vektor- bildern dargestellt werden
4 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei es sich bei der Lichtquelle um eine Kathodenstrahlrohre handelt
1 5 ORIGINAL UNTERLAGEN 5 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei es sich bei der Lichtquelle um einen Laserprojektor mit Schirm handelt
6 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei es sich bei der Lichtquelle um ein hinterleuchtetes Flussigkristall-Dtsplay handelt
7 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei es sich bei dem optischen Filter um ein färb- und/oder graustuf enf ah iges Flussigkristall-Display handelt
8 für autostereoskopische Verfahren zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern, bei denen sich in räumlichem Abstand neben und parallel zu einem zweidimensionalen Auf¬ nahme-Display ein zweidimensionales, punktuell ansteuerbares optisches Filter befindet, wobei in zeitlicher Abfolge verschiedene Punkte des optischen Filters durchlassig geschal¬ tet werden, während die anderen undurchlässig sind, und gleichzeitig zu dem jeweils durchlassigen Punkt des optischen Filters auf dem Aufnahme-Display ein Vektorbild (hohen- und seitenverkehrte Zentralperspektive des aufzunehmenden Gegenstands) aufge¬ nommen wird
9 für autostereoskopische Verfahren zur Aufnahme von horizontal dreidimensionalen Bil¬ dern, bei denen sich in räumlichem Abstand neben und parallel zu einem zweidimensiona¬ len Aufnahme-Display ein zweidimensionales, spaltenweise ansteuerbares optisches Filter und davor oder dahinter parallel zum optischen Filter eine zylindrische Sammellinse bzw ein zylindrisches Linsensystem befindet, wobei in zeitlicher Abfolge verschiedene Spalten des optischen Filters durchlässig geschaltet werden, wahrend die anderen undurchlässig sind, und gleichzeitig zu der jeweils durchlassigen Spalte des optischen Filters auf dem Aufnahme-Display ein nur horizontal dreidimensionales Vektorbild (seitenverkehrte, aber hόhenπchtige Zentralperspektive des aufzunehmenden Gegenstands) hohenverkehrt auf¬ genommen wird
10 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, bei denen gleichzeitig mehrere Punkte bzw vertikale Spalten des optischen Filters durchlassig geschaltet werden,
16 wahrend die anderen undurchlässig sind, und gleichzeitig auf dem Aufnahme-Display in zu den jeweils durchlassigen Punkten bzw Spalten zugeordneten Bildsegmenten Vektorbilder bzw Ausschnitte von Vektorbildern aufgenommen werden
11 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, bei denen das Auf¬ nahme-Display und das optische Filter bezüglich der geometrischen Abmessungen und der Anzahl der Pixel so großzugig bemessen sind, daß durch Benutzung nur eines Teils der verfugbaren Pixel Verkleinerungen und Vergrößerungen des aufgenommenen Bildaus¬ schnitts (Makro- und Tele-Aufnahmen) gegenüber den Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10 möglich sind
12 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11 , wobei es sich bei dem Aufnahme-Display um eine färb- und/oder graustufenfahige Aufnahme-Rohre handelt
13 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11 , wobei es sich bei dem Aufnahme-Display um ein färb- und/oder graustufenfahiges Flussigkπstall-Aufnahme- Display handelt
14 für autostereoskopische Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11 , wobei es sich bei dem optischen Filter um ein Flussigkπstall-Display handelt
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ORIGINAL UNTERLAGEN
PCT/EP1994/001603 1993-05-19 1994-05-19 Verfahren zur aufnahme und wiedergabe von bewegten und unbewegten dreidimensionalen bildern WO1994027410A2 (de)

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US4367486A (en) * 1980-03-18 1983-01-04 Jesse B. Eichenlaub Three dimensional imaging system
GB2206763A (en) * 1987-07-10 1989-01-11 Adrian Robert Leigh Travis Three dimensional display apparatus

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Title
IMAGE TECHNOLOGY (JOURNAL OF THE BKSTS), Bd.75, Nr.1, Januar 1993, LONDON GB Seiten 6 - 11, XP335857 J.R. MOORE ET AL. 'The implementation of a multi-view autostereoscopic display' *

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