WO2008046555A1 - Hmd-vorri chtung für benutzer mit eingeschränktem sichtfeld - Google Patents

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WO2008046555A1 PCT/EP2007/008851 EP2007008851W WO2008046555A1 WO 2008046555 A1 WO2008046555 A1 WO 2008046555A1 EP 2007008851 W EP2007008851 W EP 2007008851W WO 2008046555 A1 WO2008046555 A1 WO 2008046555A1
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Bernd Spruck
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Carl Zeiss Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an HMD device (Head M oun t EQL display device), which is particularly suitable for users with a visual field.
  • HMD device Head M oun t EQL display device
  • an HMD device with a head restraint on a user's head, a camera having a predetermined field of view and a display module, both of which are attached to the headgear, wherein in the upside down state of the headgear the predetermined field of view is larger than a visual field of a first eye of the user and the camera in the direction of the first eye captures an image of the field of vision and transmits it to the display module, which presents the image to the user's first eye so that the image is completely within the field of vision of the user lies. Since the predetermined field of view is larger than the field of view of the first eye of the user, the camera captures a larger area of the environment than the user could capture without the HMD device. This larger area is then presented to him adapted via the display module for his field of vision, so that he can perceive optical information from a wider area of the environment despite limited field of view.
  • a visual field is understood here as the area that the user without an HMD device can detect with an eye without eye movement.
  • the field of view of the camera is the area of the environment that the camera can record.
  • the display module may have a field of view in which the image is presented and which is smaller than the field of view of the camera. This makes it very easy to perform a desired Sehwinkeltransformation and the user visually offer the information of the image of the field of view of the camera environment.
  • the display module may include an imaging element having a plurality of pixels and an imaging unit that associates the pixels of the captured image with the pixels according to a predetermined transformation law.
  • the transformation can be predetermined so that image information corresponding to this area is transformed into areas that the user can still perceive.
  • the display module in this case may represent the (entire) image in the field of view surrounding the area. Even with a gap in the visual field (the field of view may be, for example, annular or annular), the entire image can be presented to the user so that he can perceive it.
  • the affected area of the visual field loss in the user can be determined and measured very accurately today, for example with a perimeter in terms of size and geometry. These data can then be used to specify a suitable transformation rule.
  • the HMD device is designed such that the user perceives the environment only via the HMD device and thus via the display module provided image. In this case, one also speaks of a video sea-through device.
  • the transformation rule can bring about a non-linear and / or a nonmonotonic assignment. So it is possible assignments that could not be realized visually or only with great effort.
  • the electronic assignment by means of the transformation rule also has the advantage that the HMD device can be used e.g. can be produced in a mass production and each individual HMD device can be optimally adapted by an appropriate setting of the transformation rule individually to the particular user. Thus, only the transformation rule must be selected accordingly. Further, it is also possible to adapt the transformation rule to further changes in the visual field limitation of a single user, which may occur over time.
  • the HMD device has two cameras, each of which receives an image for the left and right eye, which is also presented separately to the left and right eyes via the display module.
  • the display module receives an image for the left and right eye, which is also presented separately to the left and right eyes via the display module.
  • the display module offers the image (s) in particular as a virtual image / image.
  • the display module may be designed as in conventional HMD devices. It can in particular have an imaging element and imaging optics.
  • the imaging element may be a self-luminous or a non-self-luminous element having a plurality of independently controllable pixels.
  • a control unit is preferably provided, to which the recorded image is fed to the camera (s) and which then controls the imaging element accordingly.
  • the display module for each eye may have a display unit which is formed substantially the same.
  • the HMD device can still have a detection optics, which is preferably attached to the headgear and detects the eye movement of the user. Dependent on the eye movement is then aligned the field of view of the camera according to the determined line of sight. This can be done electronically or mechanically by turning the camera.
  • a display method for a user in which, in the direction of view of a first eye of the user, an image of the one lying in a predetermined field of view
  • the user can only be presented with the (entire) image in the field of view surrounding the area.
  • the image may be presented in a display field of view that is less than the predetermined field of view. This makes it particularly easy to perform the desired Sehwinkeltransformation.
  • an image-forming element having a plurality of pixels is used to present the image, and the pixels of the captured image are assigned to the pixels according to a predetermined transformation law.
  • the display method can be optimally adapted to the respective field of view restriction.
  • the performed assignment can be in particular a non-linear and / or a non-monotone assignment. Such an assignment can not be realized with purely optical means or only with extremely high expenditure.
  • an image can be taken for each eye of the user, which is then presented to the corresponding eye.
  • the image or the images are presented as a virtual image or virtual images.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a first embodiment of the HMD device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic view for explaining the normal visual field 7;
  • Fig. 3 is a schematic view for explaining the restricted field of view 6;
  • Fig. 4 is a schematic view for explaining the visual angle transformation performed by the HMD apparatus of Fig. 1;
  • Fig. 5 is a schematic view for describing another field of view limitation
  • Fig. 6 is a schematic view of a normal visual field
  • Fig. 7 is a schematic view for explaining the transformation performed in image formation
  • Fig. 8 is a schematic view for explaining a possible transformation for the bi-creation
  • Fig. 9 is a schematic view of a normal visual field
  • Fig. 10 is a schematic view showing the transformation performed in image formation
  • Fig. 11 is a schematic view of a normal field of view
  • Fig. 12 is a schematic view for explaining the transformation performed in image formation.
  • the latter comprises a head mount 1 which can be placed on the head (not shown) of a user and which is in the form of a spectacle frame.
  • the two eyes LA, RA are shown schematically as a circle in FIG. 1.
  • a first camera 2 and a first display unit 3 are attached to the head holder 1 for a right eye RA of the user.
  • a second camera 4 and a second display unit 5 are attached to the headgear 1 for the user's left eye LA. Since the two cameras 2 and 4 and the two display units 3 and 5 are formed and operated substantially the same, the function of the HMD apparatus with respect to the right eye RA of the user will be described below mainly.
  • the HMD device HV is designed so that the cameras 2, 4 record the environment in the direction of the user and display this environment via the display units 3, 5. The user thus no longer sees the environment directly, but only by means of the display units 3, 5.
  • Such an HMD device is often called a video sea-through device.
  • Fig. 2 in the normal field of view 7 in a plane E in front of the user are three objects 9, 10 and 11. It is assumed that the user's visual field 6 is limited due to a disease of the right eye RA. Due to the limited field of view 6, however, as illustrated in FIG. 3, the user sees only the central object 10 (cross) completely. The left and right objects 9, 11 (triangle and circle) he sees only partially.
  • the entire normal field of view 7 which a healthy user would detect with his right eye RA is recorded with all three objects 9-11 because the field of view 8 of the first camera 2 is designed to be in the plane E coincides with the normal visual field 7.
  • the captured image is transmitted from the first camera 2 to the first display unit 3, which presents the user the captured image so that all image information of the normal field of view 7 is projected into the limited field of view 6 that can only be detected by the user.
  • the user thus takes place a Sehwinkeltransformation so that he in turn can perceive all objects 9 - 11, as shown schematically in Fig. 4.
  • this Sehwinkeltransformation is achieved in that the field of view 8 of the first camera is greater than the field of view in which the first display unit 3 represents the captured image.
  • the field of view 8 1 is shown schematically in the image projection.
  • the camera can have an opening angle of 80 ° and the first display unit 3 can project the image at an opening angle of 40 °.
  • the user's restricted field of view 6 has an opening angle of 40 ° in a first direction
  • the user can perceive the environment with a field of view angle of 80 ° with the HMD device of FIG. 1 through the display via the first display unit 3.
  • Even with a limited field of view 6 with an opening angle of 20 ° the user would be able to perceive the environment with a visual field angle of 40 °.
  • the user-detectable environment area is thus doubled.
  • the HMD device HV thus transforms areas not previously visible to the user into an angular range in which the user can perceive an image.
  • the first display unit 3 is the same as the second display unit 5 is constructed.
  • the second display unit 5 is shown schematically that the display units 3, 5 each have an imaging element 12, an imaging optics 13 and a control unit 14.
  • the image data of the camera 2,4 are supplied via a line 15 of the control unit 14, which controls the imaging element 12 via a connection 16 so that the recorded image is displayed.
  • the recorded image is then presented by the imaging optics 13 to the user as a virtual image.
  • the imaging element here is a self-luminous element is used, an OLED module having a plurality of independently controllable pixels (not shown) for image generation.
  • the extension of the perceptual field of view for the user is achieved by the different fields of view and camera 2, 4 and display unit 3, 5.
  • control unit 14 it is possible to design the control unit 14 such that it performs a predetermined association between the pixels of the recorded image and the pixels of the imaging element 12.
  • transformations can be carried out that are not optically possible.
  • an optimal adaptation of the HMD device to the respective user is possible. Thus, only the exact visual field disturbance of the user has to be measured (for example with a perimeter). Based on this data, the transformation can then be determined, which the control unit 14 must perform.
  • FIG. 5 schematically shows a restricted field of view 6 of a user who, due to a disease in a central region 17 of the visual field 6, can not acquire image information.
  • the transformation to be performed by the control unit 14 is determined in this case so that the image information of the central area 17 '(FIG. 6) in the captured image that the user could not perceive due to its limited field of view 6 would be in a circle around the user central area 17 (FIG. 7).
  • the user is presented with the entire image information of the normal field of view 7 in the annular field of view area 18 ( Figure 5) that the user can still perceive.
  • Annular ring segments 21 and 22 transformed into the circular ring segments 23 and 24. It comes thereby to a distortion of the picture. However, it has been shown that a user who the
  • HMD device HV after a certain time has adjusted to this distortion and perceives the presented image undistorted.
  • each point P of the captured image is transformed into a point P 'which lies within the annulus 18.
  • the radius r 'of the point P' is calculated from the radius r of the point P according to the following formula 1
  • the fraction - 025 can be called the compression factor of the transformation. r max
  • FIGS. 9 and 10 An example of this transformation is shown in FIGS. 9 and 10.
  • the image to be detected is represented by the four letters A, B, C and D, the major part of the letter D being in the region 17 ', so that a user who can only perceive the circular ring 18 is the letter D would not see.
  • the area 17 ' is shown schematically in FIG. 9 for clarity.
  • each of the letters A-D has a part within the area 17 "( Figure 11, the area 17 'is shown schematically for clarity.)
  • Figure 12 all letters A - D lie completely within the annular area 18 and thus can be detected by the user.
  • the value of the radius r 0 is selected.
  • the value for the radius r 0 can in particular assume a value of 0.2 T n ⁇ x to 0.6 x max or from 0.2 T 013x to 0.4 T n ⁇ x .
  • the HMD device shown in Fig. 1 is designed for stereoscopic perception. Due to the large lateral distance of the two cameras 2, 4, the advantage is achieved that when using wide-angle lenses, the correspondingly larger stereo base is provided in order to perceive the same depth perception as in the natural view of the environment.

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Abstract

1. Es wird bereitgestellt eine HMD-Vorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Kopfhalterung (1 ), einer ein vorbestimmtes Sichtfeld (8) aufweisenden Kamera (2, 4) und einem Anzeigemodul (3, 5), die beide an der Kopfhalterung (1 ) befestigt sind, wobei im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Kopfhalterung (1) das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als ein Gesichtsfeld eines ersten Auges des Benutzers und die Kamera (2, 4) in Blickrichtung des ersten Auges ein Bild der im Sichtfeld (8) liegenden Umgebung aufnimmt und zum Anzeigemodul (3, 5) überträgt, das das Bild dem ersten Auge des Benutzers so darbietet, daß das Bild vollständig im Gesichtsfeld (6) des Benutzers liegt.

Description

HMD-VORRI CHTUNG FÜR BENUTZER MIT EINGESCHRÄNKTEM SICHTFELD
Die vorliegende Erfindung betrifft eine HMD-Vorrichtung (Head MounteQl Display-Vorrichtung), die insbesondere für Benutzer mit einer Gesichtsfeldeinschränkung geeignet ist.
Solche Gesichtsfeldeinschränkungen treten bei bestimmten Erkrankungen des Auges oder des zugehörigen Nervensystems auf. Wenn eine solche Gesichtsfeldeinschränkung dauerhaft ist und medikamentös nicht behandelt werden kann, wird heutzutage versucht, durch gezieltes Training der Augenbewegung eine gewisse Kompensation des eingeschränkten Gesichtsfeldes zu erzielen. Dieses Training ist jedoch für die Betroffenen mit großem Aufwand und einer erheblichen Umstellung der Sehtätigkeit verbunden.
Ferner wird versucht, mittels der Verwendung einer Prismenbrille eine Verbesserung zu erzeugen. Dies führt aber nur zu einem Versatz des wahrgenommenen Bildes, wodurch keine zusätzliche Sehinformation für den Betroffenen gewonnen wird. Der Betroffene kann die Umwelt daher nur in einem, für ihn sehr eingeschränkten Winkelbereich wahrnehmen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine HMD-Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Gesichtsfeldeinschränkung kompensiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine HMD-Vorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Kopfhalterung, einer ein vorbestimmtes Sichtfeld aufweisenden Kamera und einem Anzeigemodul, die beide an der Kopfhalterung befestigt sind, wobei im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Kopfhalterung das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als ein Gesichtsfeld eines ersten Auges des Benutzers und die Kamera in Blickrichtung des ersten Auges ein Bild der im Sichtfeld liegenden Umgebung aufnimmt und zum Anzeigemodul überträgt, das das Bild dem ersten Auge des Benutzers so darbietet, daß das Bild vollständig im Gesichtsfeld des Benutzers liegt. Da das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als das Gesichtsfeld des ersten Auges des Benutzers, wird mittels der Kamera ein größerer Bereich der Umgebung aufgenommen, als der Benutzer ohne HMD-Vorrichtung erfassen könnte. Dieser größere Bereich wird ihm dann über das Anzeigemodul für sein Gesichtsfeld angepaßt dargeboten, so daß er trotz eingeschränktem Gesichtsfeld optisch Informationen aus einem größeren Bereich der Umgebung wahrnehmen kann.
Unter Gesichtsfeld wird hier der Bereich verstanden, den der Benutzer ohne HMD-Vorrichtung mit einem Auge ohne Augenbewegung erfassen kann. Das Sichtfeld der Kamera ist der Bereich der Umgebung, den die Kamera aufnehmen kann.
Insbesondere kann das Anzeigemodul ein Sichtfeld aufweisen, in dem das Bild dargeboten wird und das kleiner ist als das Sichtfeld der Kamera. Damit ist es sehr einfach möglich, eine gewünschte Sehwinkeltransformation durchzuführen und dem Benutzer die Informationen des Bildes der im Sichtfeld der Kamera liegenden Umgebung optisch anzubieten.
Das Anzeigemodul kann ein bilderzeugendes Element mit einer Vielzahl von Pixeln und eine Bildeinheit aufweisen, die gemäß einer vorgegebenen Transformationsvorschrift die Bildpunkte des aufgenommenen Bildes den Pixeln zuordnet. Damit wird eine noch größere Flexibilität erreicht und es ist möglich, die HMD-Vorrichtung individuell auf die jeweilige Gesichtsfeldeinschränkung anzupassen.
Wenn die Gesichtsfeldeinschränkung z.B. darin besteht, daß ein gewisser Bereich innerhalb des Gesichtsfelds von dem Benutzer nicht mehr optisch wahrgenommen werden kann, kann die Transformation so vorgegeben werden, daß Bildinformationen, die diesem Bereich entsprechen, in Bereiche transformiert wird, die der Benutzer noch wahrnehmen kann. Das Anzeigemodul kann in diesem Fall das (gesamte) Bild in dem den Bereich umgebenden Gesichtsfeld darstellen. Selbst bei einer Lücke im Gesichtsfeld (das Gesichtsfeld kann z.B. ringförmig oder kreisringförmig sein) kann dem Benutzer das gesamte Bild so dargeboten werden, daß er es wahrnehmen kann.
Der betroffene Bereich des Gesichtsfeldausfalles bei dem Benutzer kann heutzutage z.B. mit einem Perimeter in Ausmaß und Geometrie sehr genau ermittelt und vermessen werden. Diese Daten können dann dazu benutzt werden, eine geeignete Transformationsvorschrift vorzugeben. Die HMD-Vorrichtung ist insbesondere so ausgebildet, daß der Benutzer die Umgebung nur noch über die HMD-Vorrichtung und somit über das Anzeigemodul bereitgestellte Bild wahrnimmt. In diesem Fall spricht man auch von einer Video-See-Through-Vorrichtung.
Die Transformationsvorschrift kann insbesondere eine nicht-lineare und/oder eine nichtmonotone Zuordnung bewirken. Es sind also Zuordnungen möglich, die optisch nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisiert werden könnten.
So können z.B. große Verschiebungen bei der Bilddarstellung mittels des Anzeigemoduls oder Lücken bei der Bilddarstellung verwirklicht werden. Es ist auch möglich, daß das Sichtfeld der Kamera in Unterabschnitte aufgeteilt wird, die jeweils verschieden transformiert werden.
Durch die elektronische Zuordnung mittels der Transformationsvorschrift wird ferner der Vorteil erreicht, daß die HMD-Vorrichtung z.B. in einer Massenproduktion hergestellt werden und jede einzelne HMD-Vorrichtung durch ein entsprechendes Festlegen der Transformationsvorschrift individuell auf den jeweiligen Benutze optimal angepaßt werden kann. Es muß somit nur die Transformationsvorschrift entsprechend gewählt werden. Ferner ist es auch möglich, die Transformationsvorschrift an weitere Änderungen der Gesichtsfeldeinschränkung eines einzelnen Benutzers anzupassen, die im Laufe der Zeit auftreten können.
Insbesondere weist die HMD-Vorrichtung zwei Kameras auf, die jeweils ein Bild für das linke und rechte Auge aufnehmen, das dem linken und rechten Auge auch jeweils separat über das Anzeigemodul dargeboten wird. In diesem Fall ist es auch möglich, die aufgenommenen Bilder für den Benutzer stereoskopisch darzubieten.
Das Anzeigemodul bietet das bzw. die Bilder insbesondere als virtuelles Bild/Bilder dar. Das Anzeigemodul kann wie bei herkömmlichen HMD-Vorrichtungen ausgebildet sein. Es kann insbesondere ein bildgebendes Element und eine Abbildungsoptik aufweisen. Das bildgebende Element kann ein selbstleuchtendes oder auch ein nicht-selbstleuchtendes Element sein, das eine Vielzahl von voneinander unabhängig ansteuerbaren Pixeln aufweist. Ferner ist bevorzugt eine Steuereinheit vorgesehen, der das aufgenommene Bild der Kamera(s) zugeführt wird und das dann das bildgebende Element entsprechend ansteuert. Insbesondere kann das Anzeigemodul für jedes Auge eine Anzeigeeinheit aufweisen, die im wesentlichen gleich ausgebildet ist.
Ferner kann die HMD-Vorrichtung noch eine Detektionsoptik aufweisen, die bevorzugt an der Kopfhalterung befestigt ist und die Augenbewegung des Benutzers detektiert. In Abhängigkeit der Augenbewegung wird dann das Sichtfeld der Kamera gemäß der ermittelten Blickrichtung ausgerichtet. Dies kann elektronisch oder auch mechanisch durch Drehen der Kamera erfolgen.
Es wird ferner ein Anzeigeverfahren für einen Benutzer bereitgestellt, bei dem in Blickrichtung eines ersten Auges des Benutzers ein Bild der in einem vorbestimmten Sichtfeld liegenden
Umgebung aufgenommen wird, wobei das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als ein
Gesichtsfeld des ersten Auges des Benutzers, und bei dem das Bild dem ersten Auge des
Benutzers so dargeboten wird, daß das Bild vollständig im Gesichtsfeld des Benutzers liegt.
Damit ist es möglich, daß ein Benutzer mit einer Gesichtsfeldeinschränkung optisch Informationen aus Bereichen wahrnehmen kann, die er ohne dieses Verfahren aufgrund seiner
Gesichtsfeldeinschränkung nicht erfassen könnte.
Insbesondere kann dem Benutzer, wenn sein Gesichtsfeld einen Bereich umschließt, in dem er keine Bildinformationen wahrnehmen kann, das (gesamte) Bild nur in dem den Bereich umgebenden Gesichtsfeld dargeboten werden.
Bei dem Verfahren kann das Bild in einem Anzeigesichtfeld dargeboten werden, das kleiner ist als das vorbestimmte Sichtfeld. Damit kann besonders einfach die gewünschte Sehwinkeltransformation durchgeführt werden.
Ferner ist es möglich, daß zum Darbieten des Bildes ein bilderzeugendes Element mit einer Vielzahl von Pixeln verwendet wird, wobei die Bildpunkte des aufgenommenen Bildes den Pixeln gemäß einer vorbestimmten Transformationsvorschrift zugeordnet werden. Durch diesen Schritt kann das Anzeigeverfahren optimal auf die jeweilige Gesichtsfeldeinschränkung angepaßt werden.
Die durchgeführte Zuordnung kann insbesondere eine nicht-lineare und/oder eine nichtmonotone Zuordnung sein. Eine solche Zuordnung ist mit rein optischen Mitteln nicht oder nur mit äußerst hohem Aufwand zu realisieren.
Ferner kann für jedes Auge des Benutzers ein Bild aufgenommen werden, das dann dem entsprechenden Auge dargeboten wird. Bevorzugt wird das Bild bzw. die Bilder als virtuelles Bild bzw. virtuelle Bilder dargeboten.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des normalen Gesichtsfeldes 7;
Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des eingeschränkten Gesichtsfeldes 6;
Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der mittels der HMD-Vorrichtung von Fig. 1 durchgeführten Sehwinkeltransformation;
Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Beschreibung einer anderen Gesichtsfeldeinschränkung;
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines normalen Gesichtsfeldes;
Fig. 7 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der durchgeführten Transformation bei der Bilderzeugung;
Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer möglichen Transformation für die Biiderzeugung;
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines normalen Gesichtsfeldes;
Fig. 10 eine schematische Ansicht zur Darstellung der durchgeführten Transformation bei der Bilderzeugung;
Fig. 11 eine schematische Ansicht eines normalen Gesichtsfeldes, und
Fig. 12 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der durchgeführten Transformation bei der Bilderzeugung.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen HMD-Vorrichtung HV umfaßt diese eine auf den Kopf (nicht gezeigt) eines Benutzers aufsetzbare Kopfhalterung 1 , die in Form eines Brillengestells ausgebildet ist. Für den Benutzer sind lediglich die beiden Augen LA, RA jeweils schematisch als Kreis in Fig. 1 eingezeichnet. An der Kopfhalterung 1 ist für ein rechtes Auge RA des Benutzers eine erste Kamera 2 sowie eine erste Anzeigeeinheit 3 befestigt. In gleicher Weise ist für das linke Auge LA des Benutzers eine zweite Kamera 4 sowie eine zweite Anzeigeeinheit 5 an der Kopfhalterung 1 befestigt. Da die beiden Kameras 2 und 4 sowie die beiden Anzeigeeinheiten 3 und 5 im wesentlichen gleich ausgebildet sind und betrieben werden, wird im folgenden hauptsächlich die Funktion der HMD- Vorrichtung mit Bezug auf das rechte Auge RA des Benutzers beschrieben.
Die HMD-Vorrichtung HV ist so ausgebildet, daß die Kameras 2, 4 die Umgebung in Blickrichtung des Benutzers aufnehmen und ihm diese Umgebung über die Anzeigeeinheiten 3, 5 anzeigen. Der Benutzer sieht somit die Umgebung nicht mehr direkt, sondern nur mittels der Anzeigeeinheiten 3, 5. Eine solche HMD-Vorrichtung wird häufig Video-See-Through- Vorrichtung genannt.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, liegen im normalen Gesichtsfeld 7 in einer Ebene E vor dem Benutzer drei Objekte 9, 10 und 11. Es wird angenommen, daß das Gesichtsfeld 6 des Benutzers aufgrund einer Erkrankung des rechten Auges RA eingeschränkt ist. Aufgrund des eingeschränkten Gesichtsfeldes 6 sieht der Benutzer, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, jedoch nur noch das mittlere Objekt 10 (Kreuz) komplett. Das linke und rechte Objekt 9, 11 (Dreieck und Kreisring) sieht er nur noch zum Teil.
Mit der ersten Kamera 2 wird das gesamte normale Gesichtsfeld 7, das ein gesunder Benutzer mit seinem rechten Auge RA erfassen würde, mit allen drei Objekten 9 - 11 aufgenommen, da das Sichtfeld 8 der ersten Kamera 2 so ausgelegt ist, daß es in der Ebene E mit dem normalen Gesichtsfeld 7 zusammenfällt. Das aufgenommene Bild wird von der ersten Kamera 2 zur ersten Anzeigeeinheit 3 übertragen, die dem Benutzer das aufgenommene Bild so darbietet, daß alle Bildinformationen des normalen Gesichtsfeldes 7 in das für den Benutzer nur noch erfaßbare eingeschränkte Gesichtsfeld 6 projiziert wird. Für den Benutzer erfolgt somit eine Sehwinkeltransformation, so daß er wiederum alle Objekte 9 - 11 wahrnehmen kann, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.
Bei der hier vorliegenden Ausführungsform wird diese Sehwinkeltransformation dadurch erreicht, daß das Sichtfeld 8 der ersten Kamera größer ist als das Sichtfeld, in dem die erste Anzeigeeinheit 3 das aufgenommene Bild darstellt. Für die zweite Anzeigeeinheit 5 ist das Sichtfeld 81 bei der Bildprojektion schematisch dargestellt.
So kann die Kamera beispielsweise einen Öffnungswinkel von 80° aufweisen und die erste Anzeigeeinheit 3 das Bild in einem Öffnungswinkel von 40° projizieren. Damit wird der für den Benutzer wahrnehmbare reale Blickwinkel verdoppelt. Wenn z.B. das eingeschränkte Gesichtsfeld 6 des Benutzers in einer ersten Richtung einen Öffnungswinkel von 40° aufweist, kann der Benutzer mit der HMD-Vorrichtung von Fig. 1 durch die Darstellung über die erste Anzeigeeinheit 3 die Umgebung mit einem Gesichtsfeldwinkel von 80° wahrnehmen. Selbst bei einem eingeschränkten Gesichtsfeld 6 mit einem Öffnungswinkel von 20° würde der Benutzer die Umgebung mit einem Gesichtsfeldwinkel von 40° wahrnehmen können. Der für den Benutzer erfaßbare Umgebungsbereich wird somit verdoppelt. Die HMD-Vorrichtung HV transformiert somit vorher für den Benutzer nicht sichtbare Bereiche in einen Winkelbereich, in dem der Benutzer ein Bild wahrnehmen kann.
Die erste Anzeigeeinheit 3 ist gleich wie die zweite Anzeigeeinheit 5 aufgebaut. Bei der zweiten Anzeigeeinheit 5 ist schematisch dargestellt, daß die Anzeigeeinheiten 3, 5 jeweils ein bildgebendes Element 12, eine Abbildungsoptik 13 sowie eine Steuereinheit 14 aufweisen. Die Bilddaten der Kamera 2,4 werden über eine Leitung 15 der Steuereinheit 14 zugeführt, die über eine Verbindung 16 das bildgebende Element 12 so ansteuert, daß das aufgenommene Bild darstellt wird. Das aufgenommene Bild wird dann mittels der Abbildungsoptik 13 dem Benutzer als virtuelles Bild dargeboten. Als bildgebendes Element wird hier ein selbst leuchtendes Element eingesetzt, ein OLED-Modul, das eine Vielzahl von voneinander unabhängig ansteuerbaren Pixeln (nicht gezeigt) zur Bilderzeugung aufweist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Erweiterung des wahrnehmbaren Gesichtsfeldes für den Benutzer durch die unterschiedlichen Sichtfelder und von Kamera 2, 4 und Anzeigeeinheit 3, 5 erreicht.
In einer Weiterbildung ist es möglich, die Steuereinheit 14 so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Zuordnung zwischen den Bildpunkten des aufgenommenen Bildes und den Pixeln des bildgebenden Elementes 12 durchführt. Damit können insbesondere Transformationen durchgeführt werden, die optisch nicht möglich sind. Darüber hinaus ist eine optimale Anpassung der HMD-Vorrichtung an den jeweiligen Benutzer möglich. So muß nur die genaue Gesichtsfeldstörung des Benutzers gemessen werden (beispielsweise mit einem Perimeter). Anhand dieser Daten kann dann die Transformation festgelegt werden, die die Steuereinheit 14 durchführen muß.
In Fig. 5 ist schematisch ein eingeschränktes Gesichtsfeld 6 eines Benutzers gezeigt, der aufgrund einer Erkrankung in einem zentralen Bereich 17 des Gesichtsfeldes 6 keine Bildinformationen erfassen kann. Die durch die Steuereinheit 14 durchzuführende Transformation wird in diesem Fall so festgelegt, daß die Bildinformationen des zentralen Bereiches 17' (Fig. 6) im aufgenommenen Bild, die der Benutzer aufgrund seines eingeschränkten Gesichtsfeldes 6 nicht wahrnehmen könnte, dem Benutzer in einem Kreisring um den zentralen Bereich 17 herum dargestellt werden (Fig. 7). Anders gesagt, werden dem Benutzer die gesamten Bildinformationen des normalen Gesichtsfeldes 7 in dem kreisringförmigen Gesichtsfeldbereich 18 (Fig. 5), den der Benutzer noch wahrnehmen kann, dargestellt.
Dies ist in Fig. 6 und 7 durch die eingezeichneten Unterteilungen, die natürlich nicht sichtbar sind und nur zur Erläuterung dienen, schematisch verdeutlicht. So wird das Kreissegment 19 des zentralen Bereiches 17' in das Kreisringsegment 20 transformiert. Entsprechend werden die
Kreisringsegmente 21 und 22 in die Kreisringsegmente 23 und 24 transformiert. Es kommt damit zwar zu einer Verzerrung des Bildes. Es hat sich aber gezeigt, daß ein Benutzer, der die
HMD-Vorrichtung HV trägt, sich nach einer gewissen Zeit auf diese Verzerrung eingestellt hat und das dargebotene Bild unverzerrt wahrnimmt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 beispielhaft eine spezielle Transformation angegeben, mit der es möglich ist, dem Benutzer die gesamte Bildinformation des normalen Gesichtsfeldes 7 in den für ihn nur noch erfaßbaren kreisringförmigen Gesichtsfeldbereich 18 darzustellen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird daher davon ausgegangen, daß das normale Gesichtsfeld 7 kreisförmig ist und einen maximalen Durchmesser Tm3x aufweist. Der Benutzer kann in einem kreisförmigen Bereich 17 mit einem Durchmesser von r0 keine Bildinformation wahrnehmen. Das eingeschränkte Gesichtsfeld 6 des Benutzers ist somit kreisringförmig mit einem äußeren Durchmesser von Tm3x und einem inneren Durchmesser von r0.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird noch angenommen, daß die Mittelpunkte des normalen Gesichtsfeldes 7 und des zentralen Bereiches 17 zusammenfallen, so daß mittels einer Stauchung des Bildes in radialer Richtung die gewünschte Transformation erreicht werden kann. Es wird somit jeder Punkt P des aufgenommenen Bildes in einen Punkt P' transformiert, der innerhalb des Kreisringes 18 liegt. Der Radius r' des Punktes P' wird gemäß der nachfolgenden Formel 1 aus dem Radius r des Punktes P berechnet
r'= ^ °- - r + r0 (1) max T — f
Der Bruch -025 kann als Kompressionsfaktor der Transformation bezeichnet werden. r max
Wenn der Punkt P(x,y) in kartesischen Koordinaten dargestellt wird, wird er auf den Punkt P'(x',y') transformiert, wobei dazu die nachfolgenden Formeln 2 - 5 verwendet werden können
=4*^7 (2)
γ = arccos — für y ≥ 0 (3a) r
x γ = - arccos — für y < 0 (3b) r
x' = r' • cos γ (4)
y1 = r1 • sin γ (5)
Ein Beispiel dieser Transformation ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. In Fig. 9 ist das zu erfassende Bild durch die vier Buchstaben A, B, C und D repräsentiert, wobei der größte Teil des Buchstabens D im Bereich 17' liegt, so daß ein Benutzer, der nur den Kreisring 18 wahrnehmen kann, den Buchstaben D nicht sehen würde. Der Bereich 17' ist zur Verdeutlichung in Fig. 9 schematisch eingezeichnet.
In Fig. 10 ist das Bild gezeigt, das dem Benutzer dargeboten wird. Durch die Transformation liegt nun der Buchstabe D vollständig im ringförmigen Bereich 18.
In Fig. 11 und 12 ist ein weiteres Beispiel dargestellt. In diesem Fall liegt bei jedem der Buchstabe A - D ein Teil innerhalb des Bereiches 17" (Fig. 11; der Bereich 17' ist zur Verdeutlichung schematisch dargestellt). Nach der Transformation wird dem Benutzer das in Fig. 12 gezeigte Bild dargeboten, bei dem alle Buchstaben A - D vollständig innerhalb des kreisringförmigen Bereiches 18 liegen und somit von dem Benutzer erfaßt werden können.
Je nach Schwere der Erkrankung (also Größe des Bereiches 17) wird der Wert des Radius r0 gewählt. Der Wert für den Radius r0 kann insbesondere einen Wert von 0,2 Tn^x bis 0,6 xmax oder von 0,2 T013x bis 0,4 Tn^x annehmen. Die in Fig. 1 gezeigte HMD-Vorrichtung ist für stereoskopische Wahrnehmung ausgelegt. Aufgrund des großen seitlichen Abstandes der beiden Kameras 2, 4 wird der Vorteil erreicht, daß bei Verwendung von Weitwinkelobjektiven die entsprechend größere Stereobasis bereitgestellt wird, um dieselbe Tiefenwahrnehmung wie bei der natürlichen Betrachtung der Umgebung wahrnehmen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. HMD-Vorrichtung mit einer auf den Kopf eines Benutzers aufsetzbaren Kopfhalterung (1 ), einer ein vorbestimmtes Sichtfeld (8) aufweisenden Kamera (2, 4) und einem Anzeigemodul (3, 5), die beide an der Kopfhalterung (1) befestigt sind, wobei im auf den Kopf aufgesetzten Zustand der Kopfhalterung (1) das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als ein Gesichtsfeld eines ersten Auges des Benutzers und die Kamera (2, 4) in Blickrichtung des ersten Auges ein Bild der im Sichtfeld (8) liegenden Umgebung aufnimmt und zum Anzeigemodul (3, 5) überträgt, das das Bild dem ersten Auge des Benutzers so darbietet, daß das Bild vollständig im Gesichtsfeld (6) des Benutzers liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gesichtsfeld (6) einen Bereich (17) umschließt, in dem der Benutzer keine Bildinformationen erfassen kann, und das Anzeigemodul (35) das
Bild in dem den Bereich (17) umgebenden Gesichtsfeld (6) darstellt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Anzeigemodul (2, 4) ein Sichtfeld (8') aufweist, in dem das Bild dargeboten wird und das kleiner ist als das Sichtfeld (8) der Kamera (2, 4).
4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Anzeigemodul (3, 5) ein bilderzeugendes Element (12) mit einer Vielzahl von Pixeln und eine Bildeinheit (14) aufweist, die gemäß einer vorgegebenen Transformationsvorschrift die Bildpunkte des aufgenommenen Bildes den Pixeln zuordnet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Transformationsvorschrift eine nicht-lineare Zuordnung bewirkt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Transformationsvorschrift eine nichtmonotone Zuordnung bewirkt.
7. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, die eine weitere Kamera, die an der Kopfhalterung befestigt ist, aufweist, so daß für jedes Auge (I_A, RA) des Benutzers eine
Kamera (2, 4) vorgesehen ist, die ein Bild aufnimmt, das mittels des Anzeigemoduls (3, 5) dem entsprechenden Auge (LA, RA) dargeboten wird.
8. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der das Anzeigemodul (3, 5) das Bild als virtuelles Bild darbietet.
9. Anzeigeverfahren für einen Benutzer, bei dem in Blickrichtung eines ersten Auges des Benutzers ein Bild der in einem vorbestimmten Sichtfeld liegenden Umgebung aufgenommen wird, wobei das vorbestimmte Sichtfeld größer ist als ein Gesichtsfeld des ersten Auges des Benutzers, und bei dem das Bild dem ersten Auge des Benutzers so dargeboten wird, daß das Bild vollständig im Gesichtsfeld des Benutzers liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Gesichtsfeld einen Bereich umschließt, in dem der Benutzer keine Bildinformationen erfassen kann, und das Bild in dem den Bereich umgebenden Gesichtsfeld dargeboten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Bild in einem Anzeigesichtfeld dargeboten wird, das kleiner ist als das vorbestimmte Sichtfeld.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , bei dem zum Darbieten des Bildes ein bilderzeugendes Element mit einer Vielzahl von Pixeln verwendet wird, wobei die Bildpunkte des aufgenommenen Bildes den Pixeln gemäß einer vorgegebenen Transformationsvorschrift zugeordnet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem aufgrund der Transformationsvorschrift eine nichtlineare Zuordnung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem aufgrund der Transformationsvorschrift eine nicht-monotone Zuordnung durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem für jedes Auge des Benutzers ein Bild aufgenommen und dem entsprechenden Auge (LA, RA) dargeboten wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem das Bild als virtuelles Bild dargeboten wird.
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