WO2000078056A1 - Projektionsvorrichtung und projektionsverfahren für simulierte dreidimensionale wiedergabe - Google Patents

Projektionsvorrichtung und projektionsverfahren für simulierte dreidimensionale wiedergabe Download PDF

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Christian Karmann
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    • H04N13/337—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using polarisation multiplexing

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for generating and displaying simulated 3D or pseudo-stereoscopic images, videos and celluloid films based on 2D or monoscopic image, video, television and film material.
  • each eye of the viewer becomes a partial image or the image of a stereoscopic overall image that matches each viewer eye separately and one above the other projected onto a suitable screen that is capable of reflecting polarized light.
  • the two partial images projected one above the other are polarized perpendicularly to one another (linearly), so that with the aid of commercially available linearly polarizing glasses, in which the polarization directions of the two linearly polarizing glasses are perpendicular to one another, a channel separation with respect to the stereoscopic representation is achieved for each observer eye.
  • the overall stereoscopic picture can be viewed in this way.
  • the known devices and methods do not offer the possibility of generating stereoscopic 3D representations from 2D sources that have already been produced and projected for viewing.
  • a simulated 3D or pseudo-stereoscopic reproduction is understood to mean that a normal two-dimensional image, video or film is made visible to the viewer virtually in or in front of the projection screen via a sstteerreeoosskkooppiisschchess T trreennnnmmiitttteell ((PPoollaarriiss, action glasses).
  • a simulated 3D or pseudo-stereoscopic effect is understood to mean that when viewing a simulated, pseudo-stereoscopic 3D image or video or film, the projection plane of the projection unit serves the viewer as a reference plane for his stereoscopic perception.
  • Figure 1 a device for simulated three-dimensional rendering of two-dimensional image or motion picture material by means of projection, in a schematic representation in a plan view;
  • Figure 2 another embodiment of a device according to the invention in a view acc. Fig. 1; such as
  • the 3D projection device (A) according to FIG. 1 is an optical device with which a simulated 3D reproduction is made possible via any projection unit (eg slide projector, projector, film projector).
  • the end user uses standard polarizing glasses to view such a 3D image / film.
  • the projection light cone emitted by the projection unit P is split into two partial beams or projection light cones F and G via a partially transparent mirror B (beam splitter).
  • the beam splitter B is adjustably mounted in the three spatial axes.
  • the transmittance of the beam splitter B depends on the components used in the system, in such a way that the overall brightness of the two images H and J projected onto the screen M by the projection light cones F and G is as identical as possible.
  • the projector light output must be increased as far as possible (compared to conventional 2D projection without the device).
  • the projection light cone G is projected directly onto the screen M without any further change in direction.
  • the projection light cone F is projected onto the screen M via the adjustable mirror C.
  • the mirror C is rotatably mounted so that the projected image H is in an (appropriate) arbitrary horizontal position. Shift to the projected image J may come to rest. As a result, the desired 3D effect is freely scalable or adjustable (both positive and negative relative to the screen M (reference plane)).
  • the mirror C can also be mounted laterally displaceably together with the polarization filter D in order to obtain a corresponding lateral displacement of the two projected images relative to one another by a lateral displacement of these two elements.
  • the image H is slightly larger than the projection light cone G. It must be tested for the specific application whether the slight differences in size of images H and J interfere with the viewing. If this is the case, the second version of the 3D projection device according to FIG. 2 is preferred.
  • the difference between the second version and the first version is that by inserting a further optical element (the two mirrors K and L; in FIG. 2; another correspondingly slightly magnifying optical element System would have the same effect)) it is ensured that the two projection light cones F and G have exactly the same length and thus deliver images H and J of the same size.
  • a further optical element the two mirrors K and L; in FIG. 2; another correspondingly slightly magnifying optical element System would have the same effect
  • Figures 1 and 2 represent a schematic representation of the 3D projection device, which is not to scale.
  • the projection takes place on a projection surface which is able to reflect polarized light identically polarized again.
  • the degree of this left or right-hand shift of the two projection light cones polarized perpendicular to one another relative to one another, and thus also the perceived strength of the simulated 3D or pseudo-stereoscopic effect, can be varied. In this way, an SD perception effect can be achieved for the user, which is very useful for objects recorded further away (see above) realistic (pseudo) stereoscopic perceptual effect.
  • the viewer wears polarization glasses as mentioned above, which, in analogy to the real stereoscopic representation, makes the respective desired image of the viewer visible to the corresponding eye of the viewer.
  • the projection takes place on a screen that is able to reflect polarized light identically polarized again, for example a metal-coated screen.

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Abstract

Ein Verfahren zur simulierten dreidimensionalen Wiedergabe von zweidimensionalem Stand- oder Laufbildmaterial mittels Projektion in einer Projektionsrichtung auf eine Projektionsfläche, sieht vor, dass die Projektion in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird; die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander polarisiert werden; die beiden polarisierten Teilstrahlen zur Erzeugung von zwei Teilbildern horizontal zueinander versetzt werden; die Teilbilder auf eine die Polarisationsrichtung nicht verändernde Projektionsfläche projiziert werden. Auf diese Weise wird erst mal eine simulierte dreidimensionale Wiedergabe von zweidimensionalem Bild- oder Laufbildmaterial möglich.

Description

Projektionsvorrichtung und Projektionsverfahren für simulierte dreidimensionale Wiedergabe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung und Darstellung von simulierten 3D- bzw. pseudo-stereos opischen Bildern, Videos und Zelluloid-Filmen ausgehend von 2D- bzw. monoskopischen Bild- , Video-, Fernseh- und Filmmaterial.
Verfahren zur Aufzeichnung und Darstellung von stereoskopischen Bildern, Videos oder Zelluloidfilmen sind bekannt, z.B. aus der WO 95/18512. Derartige Verfahren verwenden jedoch immer zwei Aufnahmequellen zur Erzeugung eines stereoskopischen Effekts, arbeiten also nicht mit monoskopischen Eingangsmaterial.
Nach dem Stand der Technik wird bei der Projektion eines stereoskopischen 3D-Bildes, -Filmes, -Videos über Projektionseinrichtungen jedem Auge des Betrachters ein Teilbild bzw. das zu jedem Betrachterauge passende Bild eines stereoskopischen Gesamtbildes separat und übereinander auf eine geeignete Leinwand projiziert, die in der Lage ist, polarisiertes Licht zu reflektieren. Die beiden ü- bereinander projizierten Teilbilder sind senkrecht zueinander (linear) polarisiert, so daß mit Hilfe einer handelsüblichen linear polarisierenden Brille, bei der die Polarisationsrichtungen der beiden linear polarisierenden Brillengläser senkrecht zueinander stehen, eine Kanaltrennung bezüglich der stereoskopischen Darstellung für jedes Betrachterauge erreicht wird. Das stereoskopische Gesamtbild kann so betrachtet werden.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren bieten keine Möglichkeit, aus bereits produzierten und zum Betrachten projizierten 2D-Quellen stereoskopische 3D-Darstellungen zu generieren.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine simulierte dreidimensionale Wiedergabe von zweidimensionalen Vorlagen bei Porektion auf eine Leinwand ermöglichen.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Für die folgende Beschreibung wird zunächst die verwendete Terminologie erläutert. Unter einer simulierten 3D- bzw. pseudo-stereoskopische Wiedergabe wird verstanden, dass ein normales zweidimensionales Bild, Video oder Film virtuell in oder vor der Projektionsleinwand über ein sstteerreeoosskkooppiisscchheess TTrreennnnmmiitttteell ((PPoollaarriiss,ationsbrille) für den Betrachter sichtbar gemacht wird. Unter einem simulierter 3D- bzw. pseudo-stereoskopischer Effekt wird verstanden, dass bei der Betrachtung eines simulierten, pseudo-stereoskopischen 3D- Bildes oder - Videos oder Films die Projektionsebene der Projektionseinheit dem Betrachter als Referenzebene für dessen stereoskopische Wahrnehmung dient. Projiziert man erstens zwei in Informationsgehalt und Größe im wesentlichen i- dentische Bilder jeweils senkrecht zueinander polarisiert auf eine geeignete Projektionsfläche (= Referenzebene) und verschiebt sie zweites dabei horizontal (=lateral) zueinander und betrachtet dieses Gesamtbild durch ein Trennmittel (Polarisationsbrille), so verschiebt sich die virtuelle Wahrnehmungsebene des angezeigten Gesamt-Bildes für den Betrachter vor oder hinter die Referenzebene. Mit anderen Worten scheint bei einer Verschiebung der beiden Projektionsbilder zueinander in die eine Richtung die virtuelle Wiedergabeebene hinter der Referenzebene, bei einer Verschiebung in die andere Richtung die virtuelle Wiedergabeebene vor der Referenzebene zu liegen.
Es zeigen:
Figur 1: eine Vorrichtung zur simulierten dreidimensionalen Wiedergabe von zweidimensionalem Bildoder Laufbildmaterial mittels Projektion, in einer schematischen Darstellung in einer Draufsicht;
Figur 2: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht gem. Fig. 1; sowie
Figur 3: eine Darstellung eines Betrachters des erfindungsgemäß erzeugten dreidimensionalen Bildes . Bei der 3D-Projektionsvorrichtung (A) gemäß Fig. 1 handelt es sich um ein optisches Gerät, mit dem über eine beliebige Projektionseinheit (z.B. Diaprojektor, Beamer, Filmprojektor) eine simulierte 3D-Wiedergabe ermöglicht wird. Zur Betrachtung eines solchen 3D-Bildes/Filmes benutzt der Endverbraucher eine handelsübliche Polarisationsbrille .
Der von der Projektionseinheit P ausgesandte Projektionslichtkegel wird über einen teildurchlässigen Spiegel B (Strahlenteiler) in zwei Teilstrahlen oder Projektionslichtkegel F und G aufgespaltet. Zur Justierung der beiden Projektionslichtkegel zueinander ist der Strahlenteiler B in den drei Raumachsen justierbar gelagert. Der Transmissionsgrad des Strahlenteilers B richtet sich nach den im System verwendeten Komponenten, in der Art, daß eine möglichst identische Gesamthelligkeit der beiden durch die Projektionslichtkegel F und G auf die Leinwand M projizierten Bilder H und J gegeben ist. Ferner ist zu berücksichtigen, daß zum Erreichen einer adäquaten Gesamthelligkeit (durch den Strahlenteiler, die optischen Glieder der Vorrichtung und der verwendeten Polfilter gehen jedem Auge mehr als 50% der Gesamthelligkeit verloren) die Projektorlichtleistung nach Möglichkeit anzuheben ist (im Vergleich zur herkömmlichen 2D-Projektion ohne die Vorrichtung) .
Der Projektionslichtkegel G wird ohne weitere Richtungsänderung direkt auf die Leinwand M projiziert.
Der Projektionslichtkegel F wird über den justierbaren Spiegel C auf die Leinwand M projiziert.
Der Spiegel C ist so drehbar gelagert, daß das projizier- te Bild H in (angemessener) beliebiger horizontaler Ver- Schiebung zum projizierten Bild J zu liegen kommen kann. Dadurch ist der gewünschte 3D-Effekt frei skalierbar bzw. einstellbar (sowohl positiv als auch negativ relativ zur Leinwand M (Referenzebene) ) .
Alternativ kann der Spiegel C zusammen mit dem Polarisationsfilter D auch lateral verschiebbar gelagert werden, um durch eine Lateralverschiebung dieser beiden Elemente eine entsprechende Lateralverschiebung der beiden projizierten Bilder zueinander zu erhalten.
Bevor die Teilstrahlen oder Projektionslichtkegel F und G die 3D-Projektions-Box A verlassen, werden sie über die Polarisationsfilter D und E senkrecht zueinander polarisiert. Betrachtet man mit einer Polarisationsbrille das Gesamtbild H+J, erhält das eine Auge des Betrachters nur das Licht des projizierten Bildes H und das andere Auge nur das Licht des projizierten Bildes J; ein 3D-Effekt entsteht (Fig . 3) .
Durch die zweimalige Umlenkung des Projektionslichtkegels F liefert dieser (in Abhängigkeit von der Entfernung der Projektionseinheit P von der Leinwand M und der in der Projektionseinheit eingesetzten Objektivbrennweite) ein ein wenig größeres Bild H als der Projektionslichtkegel G. Es muß für die konkrete Anwendung jeweils getestet werden, ob die geringfügigen Größenunterschiede der Bilder H und J die Betrachtung stören. Ist dies der Fall, ist die zweite Version der 3D-Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 2 zu bevorzugen.
Der Unterschied der zweiten Version zur ersten Version besteht darin, daß durch Einfügen eines weiteren optischen Gliedes (in der Figur 2 die beiden Spiegel K und L; (ein anderes entsprechend schwach vergrößerndes optisches System hätte denselben Effekt) ) gewährleistet wird, daß die beiden Projektionslichtkegel F und G exakt die gleiche Länge haben und somit gleich große Bilder H und J liefern.
Die Figuren 1 und 2 stellen eine nicht maßstabsgerechte Prinzipdarstellung der 3D-Projektionsvorrichtung dar.
Die Projektion erfolgt auf eine Projektionsfläche, die in der Lage ist polarisiertes Licht wieder identisch polarisiert zu reflektieren.
Durch die laterale Verschiebung der beiden Projektionslichtkegel relativ zueinander entsteht auf der linken und rechten Seite jedes projizierten Teilbildes jeweils ein Überhangbereich, der aber einfach mit einer entsprechenden Blende an beiden Projektionsöffnungen der Vorrichtung oder durch Kaschieren der Projektionsleinwand beseitigt werden kann.
Das Verfahren zur Erzeugung und Darstellung von simulierten pseudo-stereoskopischen Bildern, Videos oder Filmen ausgehend von monoskopischen (= 2D) Bildern, Videos bzw. Filmen die über eine Projektionseinheit auf einer Projektionsfläche wiedergegeben werden, zeichnet sich dadurch aus, dass eine monoskopische 2D-Bild oder -Video oder 2D- Filmquelle durch Lateralverschiebung der beiden durch Strahlungsteilung, Reflexion und Polarisierung des Originalprojektionslichtkegels der Projektionseinheit erzeugten senkrecht zueinander polarisierten Projektionsbilder als 3D-simuliertes, pseudo-stereoskopisches Bild wiedergegeben wird.
Das menschliche Auge nimmt reale Bilder nur bis zu einer maximalen Entfernung von ca. 10 m direkt stereoskopisch wahr. Reale Bilder, die weiter als 10 m vom Beobachter entfernt sind, werden nur aufgrund der Beobachtungserfahrung des Beobachters als räumlich empfunden. Diese physiologische Tatsache macht sich das hier vorgestellte Verfahren folgendermaßen zunutze:
Bei der Betrachtung eines 3D-simulierten bzw. pseudo- stereoskopischen Bildes oder Videos oder Filmes dient die Projektionsleinwand dem Betrachter B als Referenzebene (R) . Durch Strahlenteilung des projizierten 2D-Bildes und der lateralen Verschiebung der beiden gewonnenen, dann senkrecht zueinander linear polarisierten Projektionslichtkegel zueinander, wie es dieses Verfahren ermöglicht, verschiebt sich die virtuelle Wahrnehmungsebene des angezeigten Bildes oder Videos oder Films vor oder hinter die genannte Referenzebene R (=Projektionsebene) , je nach links- oder rechtsseitiger Verschiebung des einen Projektionslichtkegels relativ zum anderen. Mit anderen Worten scheint einmal die virtuelle Wiedergabeebene hinter der Referenzebene, bei einer entgegengesetzten Verschiebung der beiden Projektionslichtkegel zueinander vor der Referenzebene zu liegen. Diesen Effekt kann man auch durch Vertauschen der Polarisationsrichtung der beiden Polarisationsfilter vor den Projektionsöffnungen der Vorrichtung erreichen.
Der Grad dieser links- bzw. rechtseitigen Verschiebung der beiden senkrecht zueinander polarisierten Projektionslichtkegel relativ zueinander, und damit auch die wahrgenommene Stärke des simulierten 3D- bzw. pseudo- stereoskopischen Effektes, lässt sich variabel gestalten. Damit lässt sich für den Benutzer ein SD- Wahrnehmungseffekt erreichen, der ihm insbesondere bei weiter entfernt aufgenommen Objekten (s.o.) einen sehr realistischen (pseudo-) stereoskopischen Wahrnehmungseffekt ermöglicht.
Zur Betrachtung eines in solcher Weise dargestellten 3D- simulierten bzw. pseudo-stereoskopischen Bildes oder Laufbildes trägt der Betrachter eine wie oben benannte Polarisationsbrille, die analog zur echt stereoskopischen Darstellung dem entsprechenden Auge des Betrachters das jeweils gewünschte Projektionsbild sichtbar macht.
Die Projektion erfolgt auf eine Leinwand, die in der Lage ist polarisiertes Licht wieder identisch polarisiert zu reflektieren, also beispielsweise eine metallbeschichtete Leinwand.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur simulierten dreidimensionalen Wiedergabe von zweidimensionalem Stand- oder Laufbildmaterial mittels Projektion in einer Projektionsrichtung auf eine Projektionsfläche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem Strahlengang der Projektion wenigstens ein Strahlteilermittel vorgesehen ist, mit dem der Strahlengang in zwei Teilstrahlen zur Projektion von zwei Teilbildern aufgeteilt wird, dass Polarisationsfilter vorgesehen sind, die die Teilstrahlen senkrecht zueinander polarisieren, und dass Verschiebemittel zur lateralen Verschiebung der von den Teilstrahlen erzeugten Teilbilder gegeneinander vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das wenigstens eine Strahlteilermittel ein halbdurchlässiger Spiegel ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verschiebemittel wenigstens einen um eine senkrecht zur Verschieberichtung und zur Projektionsrichtung orientierte Schwenkachse schwenkbaren Spiegel umfasst .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein erster Teilstrahl vorgesehen ist, der an dem Strahlteilermittel abgelenkt und mit einem ersten seitlichen Versatz über einen Spiegel in die Projektionsrichtung zurück gelenkt wird, und dass ein zweiter Teilstrahl vorgesehen ist, der das Strahlteilermittel passiert.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite Teilstrahl hinter dem Strahlteilermittel von einem zweiten Spiegel seitlich abgelenkt und mit einem zweiten seitlichen Versatz über einen dritten Spiegel in die Projektionsrichtung zurück gelenkt wird, wobei die beiden Teilstrahlen die gleiche Länge aufweisen .
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Korrekturmittel vorgesehen sind, die die beiden Teilbilder auf eine im wesentlichen identische Größe abbilden .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strahlenteilermittel zur Justierung des Systems in allen drei Raumachsen einstellbar ist.
8. Verfahren zur simulierten dreidimensionalen Wiedergabe von zweidimensionalem Stand- oder Laufbildmaterial mittels Projektion in einer Projektionsrichtung auf eine Projektionsfläche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Projektion in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird;
- die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander polarisiert werden;
- die beiden polarisierten Teilstrahlen zur Erzeugung von zwei Teilbildern horizontal zueinander versetzt werden;
- die Teilbilder auf eine die Polarisationsrichtung nicht verändernde Projektionsfläche projiziert werden .
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der horizontale Versatz der Teilbilder einstellbar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Teilstrahlen auf Teilbilder gleicher Größe abgebildet werden, wozu Mittel (K, L) vorgesehen sind, die Teilstrahlen gleich lang machen oder einen Teilstrahl abweichender Länge vergrößern oder verkleinern.
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