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DE19753040A1 - Method of generating 3D images for visual 3D perception based on virtual or real images for 3D vision in 3D video, 3D TV or 3D multimedia - Google Patents

Method of generating 3D images for visual 3D perception based on virtual or real images for 3D vision in 3D video, 3D TV or 3D multimedia

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Publication number
DE19753040A1
DE19753040A1 DE19753040A DE19753040A DE19753040A1 DE 19753040 A1 DE19753040 A1 DE 19753040A1 DE 19753040 A DE19753040 A DE 19753040A DE 19753040 A DE19753040 A DE 19753040A DE 19753040 A1 DE19753040 A1 DE 19753040A1
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Germany
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array
images
lens
computer
real
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DE19753040A
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Klaus Dr Koerner
Lajos Dr Nyarsik
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

The method involves using a rastered, computer-controlled and addressable light generating structure, e.g. an array of micro-optical components, e.g. a microlaser array or a microfiber array with fiber-coupled, computer-controlled light sources of different wavelengths or spectral distribution to represent a real or computed 3D object. The 3D image information exists in the form of a digital data set as 3D point cloud. A first objective with a telecentric output is associated with the light generating structure and a second micro-optical array, which is connected to a computer-controlled linear scanner, which is further associated with a second objective for generating virtual or real images. An Independent claim is also included for an arrangement for carrying out the method.

Description

1. Technisches Anwendungsgebiet1. Technical field of application

Das technische Anwendungsgebiet besteht in der Erzeugung von 3D-Bildern für die visuelle 3D-Wahrnehmung auf der Basis von virtuellen oder reellen Bildern für die 3D-Wiedergabe. Dabei ist klar, daß der 3D-Effekt erst durch das äußerst komplexe Zusammenwirken technischer Komponenten und des visuellen Sinnes des betrachtenden Subjekts entsteht. Im Extremfall muß dies nicht ein Mensch sein, sondern es kann auch ein Tier sein.The technical field of application is the creation of 3D images for the visual 3D perception based on virtual or real images for the 3D rendering. It is clear that the 3D effect is only due to the extremely complex Interaction of technical components and the visual sense of the contemplating subject arises. In extreme cases, this does not have to be human but it can also be an animal.

Hierbei geht es ganz allgemein um die 3D-Vision im 3D-Video-, bzw. 3D- Fernsehbereich, bzw. um 3D-Multimedia-Anwendungen des allgemein bekannten Sprachgebrauchs. Es können so beispielsweise 3D-Filme wiedergegeben werden. Auch die Wiedergabe von berechneten 3D-Computergraphiken auf der Grundlage der Darstellung von virtuellen oder reellen 3D-Bildern ist möglich. Die Bilddaten liegen vorzugsweise in Form von digital gespeicherten Daten vor, beispielsweise in Form einer Punktwolke. Der 3D-Eindruck kann farbiger Natur sein, und es können auch bewegte Objekte und Szenen dargestellt werden.This is generally about the 3D vision in 3D video or 3D TV area, or around 3D multimedia applications of the well-known Usage. For example, 3D films can be played back. Also the rendering of calculated 3D computer graphics on the basis the display of virtual or real 3D images is possible. The image data are preferably in the form of digitally stored data, for example in Shape of a point cloud. The 3D impression can be colored, and it can moving objects and scenes can also be displayed.

2. Stand der Technik2. State of the art

Die Erzeugung von virtuellen oder reellen 3D-Bildern (im herkömmlichen Sprachgebrauch) zur visuellen Wahrnehmung für die 3D-Wiedergabe basiert beim Stand der Technik auf der Erzeugung von zwei differentiell unterschiedlichen Bildern für das linke und das rechte Auge. Für diese Art der Betrachtung ist in vielen Fällen eine zweiäugige Betrachterbrille notwendig, die entweder zwei unterschiedliche Farbfilter für die beiden Augen oder zwei unterschiedlich eingestellte Polarisatoren aufweist.The generation of virtual or real 3D images (in the conventional Use of language) for visual perception for 3D rendering is based on State of the art in the generation of two differentially different images for the left and right eye. For this type of consideration is in many cases two-eyed goggles are required, which are either two different Color filter for the two eyes or two different polarizers having.

Auch gibt es Shutterbrillen, die abwechselnd ein Bild für das rechte und das linke Auge freigeben. Es gibt auch Brillen, in welchem in jedem Augenkanal ein separates Bild erzeugt wird. Obwohl die Qualität dieser 3D-Bildwiedergabe sehr gut sein kann, wird diese Technik jedoch aus oft sehr subjektiven Gründen abgelehnt und erfährt selbst im Hausgebrauch bisher keine sehr große Akzeptanz. Eine Ausnahme stellt die medizinische Operationstechnik dar. Hier trägt beispielsweise der Chirurg eine Spezialbrille, als Cyberbrille bezeichnet, s. VDI-Nachrichten vom 14.11.1997, Nr. 46, S. 3.There are also shutter glasses that alternate a picture for the right and the left Clear eye. There are also glasses in which there is a separate one in each eye canal Image is generated. Although the quality of this 3D image reproduction can be very good, However, this technique is rejected and experienced for often very subjective reasons So far, there has been very little acceptance, even in domestic use. An exception is made represents the medical surgical technique. Here, for example, the surgeon wears one Special glasses, called cyber glasses, see VDI News from November 14, 1997, No. 46, P. 3.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Position der Augenachsen des menschlichen Betrachters mittels elektronischer Kameratechnik zu bestimmen (Headfinder, Trucking System) und so von einer gemeinsamen Bildschirmoberfläche für das linke und das rechte Auge ein jeweils unterschiedliches Bild mittels spezieller Technik zu erzeugen. Dies ist jedoch nur für einen Beobachter möglich und stellt sicher eine gute technische Möglichkeit dar, schließt aber beispielsweise das 3D-Familienfernsehen mit mehreren Betrachtern aus.Another option is to determine the position of the eye axes human viewer using electronic camera technology (Headfinder, Trucking System) and so from a common screen interface a different image for the left and the right eye using special technology. However, this is only possible for one observer  and is certainly a good technical possibility, but closes, for example 3D family television with multiple viewers.

Letztendlich, basierend auf der von Nipkow vorgeschlagenen Technik, gibt es die Darstellung von 3D-Bildern mittels eines Shutters. Dazu wird im Echtzeitbetrieb das Perspektivitätszentrum eines Bildes ständig verändert und gleichzeitig wird nur ein Spalt des Bildes zur Betrachtung freigegeben. Der Shutter kann dabei mechanisch oder optoelektronisch aufgebaut sein. In jedem Fall ist durch die nur spaltweise Freigabe des Bildes das Bild recht lichtschwach, da nur ein sehr geringer Teil der Lichtenergie jeweils den Beobachter erreicht.Ultimately, based on the technique proposed by Nipkow, there is one Display of 3D images using a shutter. This is done in real time Perspective center of an image is constantly changing and at the same time only one Gap of the image released for viewing. The shutter can be mechanical or be built optoelectronic. In any case, it is only split by column Approval of the picture the picture is quite faint, since only a very small part of the Light energy reaches the observer.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die keine Laserstrahlung und/oder Spezialbrille benötigt und dabei die Tiefenschärfe und die Auflösung zu verbessern.The object of the invention is to provide a method and an apparatus which no laser radiation and / or special glasses required and the depth of field and improve the resolution.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch das Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this is achieved by the method and device according to the Claims 1 and 2. Advantageous refinements are in the subclaims specified.

3. Mit der Erfindung gelöste Aufgabe3. Problem solved with the invention

Die Erfindung löst die Aufgabe der Erzeugung von virtuellen und reellen 3D-Bildern für die visuelle Wahrnehmung der 3D-Gestalt technischer und natürlicher Körper im Raum sowie kompletter Szenen auch auf Film- oder Theaterbühnen. Außerdem wird die Wiedergabe von berechneten 3D-Computergraphiken auf der Grundlage der Darstellung von virtuellen oder reellen 3D-Bildern ermöglicht, die in Form einer 3D-Punktwolke vorliegen.The invention solves the task of generating virtual and real 3D images for the visual perception of the 3D shape of technical and natural bodies in the Space as well as complete scenes also on film or theater stages. Furthermore is based on the rendering of calculated 3D computer graphics the presentation of virtual or real 3D images, which is in the form of a There is a 3D point cloud.

Bewegte und farbige 3D-Szenen können mit einem sehr hohen Tiefeneindruck und mit hoher lateraler Auflösung in Form von virtuellen oder reellen 3D-Bildern für die visuelle Wahrnehmung als 3D-Objekte dargestellt werden. Der Applikationsbereich wird im Home-Bereich für das Fernsehen, die Videofilm-Wiedergabe, aber auch für Computeranwendungen, ganz allgemein im Multimedia-Bereich gesehen.Moving and colored 3D scenes can have a very high depth impression and with high lateral resolution in the form of virtual or real 3D images for the visual perception can be represented as 3D objects. The application area is used in the home area for television, video film playback, but also for Computer applications, generally seen in the multimedia field.

Auch im professionellen Bereichen wie in der Medizin, u. a. der chirugischen Operationstechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Simulationstechnik ganz allgemein, der rechnergestützten Konstruktion (CAD) sowie weiterer C-Techniken wird die Aufgabe der 3D-Darstellung von Daten gelöst. In der naturwissenschaftlichen Forschung können reale Daten oder Modelle, wie beispielsweise Moleküldarstellungen räumlich präsentiert werden. Gleiches gilt für DNA-Sequenzen in der Molekularbiologie und die Modellierung von Genen in der Gentechnik.Also in professional areas such as medicine, u. a. the surgical Surgical technology, aerospace, simulation technology in general, the computer-aided design (CAD) as well as other C-techniques is the Task of 3D representation of data solved. In the scientific Research can use real data or models, such as Molecular representations are presented spatially. The same applies to DNA sequences in molecular biology and the modeling of genes in genetic engineering.

Die Möglichkeit der räumlichen Darstellung von mathematischen Funktionen in Ausbildung und Forschung ist ebenfalls zu erwähnen, aber auch die allgemeine Schulausbildung. Nicht zu vergessen ist die Präsentation von Kunstobjekten und Modeartikeln. Wesentlich sind ebenfalls die Möglichkeiten zur Unterstützung der Orientierung von Personen und rechnergesteuerten Objekten im Raum. The possibility of spatial representation of mathematical functions in Education and research should also be mentioned, but also general School education. Not to forget the presentation of art objects and Fashion items. The possibilities to support the Orientation of people and computer-controlled objects in the room.  

Die 3D-Bilder können als virtuelle Bilder betrachtet werden, beispielsweise, indem der Betrachter wie vor einem Schirm sitzt und in einen Apparat blickt.The 3D images can be viewed as virtual images, for example by the viewer sits like in front of an umbrella and looks into an apparatus.

Aber auch die Erzeugung von reellen Bildern für die 3D-Großbildwiedergabe für ein größeres Publikum ist machbar. Dies ist mit einer 3D-Laser-Show vergleichbar.But also the generation of real images for 3D large-format reproduction for a larger audience is feasible. This is comparable to a 3D laser show.

4. Erreichte Verbesserungen und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik4. Improvements and advantages achieved compared to the prior art

Die Anwendung der Erfindung vergrößert den Tiefendarstellungsbereich, bzw. den Tiefeneindruck und die Bildqualität, also auch die Brillanz und die Punktdichte, bei der Wiedergabe von 3D-Bildern.The application of the invention increases the depth display area or Depth impression and the image quality, including the brilliance and the point density the playback of 3D images.

Auch wird die für die Bilderzeugung eingesetzte Energie optimal genutzt. Es entsteht ein helles Bild. Die Beobachtung des 3D-Bildes ist grundsätzlich durch mehr als eine Person möglich. Auf das Tragen einer Spezialbrille kann verzichtet werden.The energy used for image generation is also optimally used. It arises a bright picture. The observation of the 3D image is basically by more than one Possible person. It is not necessary to wear special glasses.

Auf die Verwendung von gerichteter Laserstrahlung, wie bei Laser-Projektoren notwendig, kann verzichtet werden.On the use of directional laser radiation, as with laser projectors necessary, can be dispensed with.

5. Grundzüge des Lösungsweges5. Principles of the solution

Es werden die Grundzüge des Verfahrens und der Anordnung zur Erzeugung von virtuellen und reellen 3D-Bildern für die visuelle Wahrnehmung gemeinsam beschrieben.The main features of the method and the arrangement for generating virtual and real 3D images together for visual perception described.

Das Verfahren zur Erzeugung von virtuellen und reellen 3D-Bildern für die visuelle Wahrnehmung besteht darin, daß mittels einer gerasterten, rechnergesteuerten und damit adressierbaren, lichtgebenden Struktur, die grundsätzlich volumenhafter oder flächiger Natur sein kann, beispielsweise ein Array aus mikrooptischen Bauelementen wie ein Mikrolaser-Array oder ein Mikrofaser-Array mit fasergekoppelten, rechnergesteuerten Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge, bzw. Spektralverteilung ein vorzugsweise planares selbstleuchtendes Teilbild, im Sinne eines beispielsweise achssenkrechten Schnittes durch ein reales oder berechnetes 3D-Objekt, also als Berandungskurve, dargestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dazu eine separate Lichtquelle mit einem rechnergesteuerten Mikro- Spiegel-Array (Direct Mirror Device = DMD) zu koppeln. Die Information über das darzustellende 3D-Bild liegt in Form eines digitalen Datensatzes, beispielsweise in Form einer Punktwolke vor.The process of creating virtual and real 3D images for the visual Perception is that by means of a screened, computer-controlled and thus addressable, light-giving structure that is basically voluminous or can be flat, for example an array of micro-optical Components such as a microlaser array or a microfiber array with fiber-coupled, computer-controlled light sources of different wavelengths, or spectral distribution a preferably planar self-illuminating partial image, in the sense of a for example, a perpendicular cut through a real or calculated one 3D object, i.e. as a boundary curve. However, it is also possible, a separate light source with a computer-controlled micro- Pair mirror array (Direct Mirror Device = DMD). The information about that 3D image to be displayed is in the form of a digital data record, for example in Form a point cloud.

Dieses vorzugsweise planare und selbstleuchtende Teilbild auf dem Array aus mikrooptischen Bauelementen, welches weiterhin als erstes Array bezeichnet wird, wird durch ein erstes Objektiv mit einem telezentrischen Ausgang, also telezentrisch auf der dem ersten Array abgewandten Seite, vorzugsweise als reelles Bild scharf abgebildet. Für die Schärfe besteht dabei ein Tiefenbereich, der sich mit geringerer Apertur des Objektivs auf der telezentrischen Seite vergrößert, wobei allerdings die Lichtstärke des Objektivs und damit die Helligkeit auch abnimmt. Dieser Tiefenbereich basiert auf der Zulassung eines akzeptablen Zerstreuungskreisdurchmessers für die zu beobachtenden Bildpunkte, der sich letztendlich aus dem optischen Gesamtaufbau und dem visuellen Auflösungsvermögen der betrachtenden Person bestimmt. Grundsätzlich kann auch dieses erste Array linear bewegt werden, nur wird dies als technisch nicht so vorteilhaft angesehen.This preferably planar and self-illuminating partial image on the array micro-optical components, which is also referred to as the first array, is through a first lens with a telecentric output, i.e. telecentric on the side facing away from the first array, preferably as a real image pictured. There is a depth range for the sharpness, which is less Aperture of the lens on the telecentric side enlarged, but the Luminous intensity of the lens and thus the brightness also decreases. This  Depth range is based on the approval of an acceptable Circle of confusion diameter for the pixels to be observed, the ultimately from the overall optical structure and the visual Resolving power of the viewer. Basically, too this first array can be moved linearly, only this is considered technically not so viewed advantageously.

Im Tiefenbereich der Schärfe des telezentrischen Objektivs, befindet sich ein weiteres Array mit mikrooptischen Bauelementen, welches weiterhin als zweites Array bezeichnet wird, mit mikrooptischen und fokussierenden, vorzugsweise passiven Bauelementen. Auf diesem zweiten Array entsteht das reelle Bild des planaren und selbstleuchtenden Teilbildes auf dem ersten Array.In the depth range of the focus of the telecentric lens, there is a Another array with micro-optical components, which continues to be the second Array is referred to with micro-optical and focusing, preferably passive components. The real image of the planar and self-illuminating partial image on the first array.

Weiterhin ist das zweite Array mit einem vorzugsweise linear arbeitenden, rechnersteuerbaren Präzisions-Scanner mit einer Bewegungsrichtung in Richtung der Achse des telezentrischen Objektivs verbunden.Furthermore, the second array with a preferably linear, computer-controlled precision scanner with a direction of movement in the direction of Axis of the telecentric lens connected.

Dabei besitzt der Scanner ein präzises Linearführungssystem, vorzugsweise ein Parallelfedersystem für die präzise lineare Bewegung des zweiten Arrays mit einem Hub in der Größenordnung von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern, jedoch im Tiefenbereich der Schärfe im telezentrischen Strahlengang.The scanner has a precise linear guide system, preferably a Parallel spring system for the precise linear movement of the second array with one Stroke on the order of a few millimeters to a few centimeters, however in the depth range of sharpness in the telecentric beam path.

Die Parallelfedern des Parallelfedersystems können vorteilhafterweise aus hochelastischem, einkristallinen Silizium bestehen.The parallel springs of the parallel spring system can advantageously be made of consist of highly elastic, single-crystalline silicon.

Dabei befindet sich der Scanner mit dem zweiten Array, vorzugsweise im Vakuum, und ist mit einem Hochleistungs-Linearmotor mit einem rechnergekoppelten Präzisionsweggeber gekoppelt. So wird erreicht, daß eine präzise lineare Vor- Rückwärtsbewegung mit beispielsweise 25 Hz Hubfrequenz entsprechend einer vorgegebenen Sollfunktion erreicht werden kann, ohne daß eine unerwünschte Dämpfung im Sinne einer Bremsung durch die Luft auftreten kann.The scanner is located with the second array, preferably in a vacuum, and is with a high-performance linear motor with a computer-coupled Precision encoder coupled. This ensures that a precise linear pre Backward movement with, for example, 25 Hz stroke frequency corresponding to one predetermined target function can be achieved without an undesirable Damping in the sense of braking by the air can occur.

Querbewegungen des Arrays zur optischen Achse können rechnergesteuert durchaus von Nutzen sein, wenn beispielsweise das zweite Array aus mehreren Teil-Arays besteht, die jeweils einen eigenen Linearmotor besitzen und so die mechanischen Bruchstellen praktisch unsichtbar gemacht werden sollen. So kann eine besonders große Aray-Fläche, beispielsweise für die Großbildprojektion dargestellt werden. Die Querbewegung wird bei der Bildpunktadressierung auf dem ersten Array berücksichtigt, ist also eingerechnet.Cross movements of the array to the optical axis can be computer controlled be useful if, for example, the second array consists of several Partial arays exist, each with its own linear motor and so the mechanical breakages should be made practically invisible. So can a particularly large Aray surface, for example for large-screen projection being represented. The lateral movement is in the pixel addressing on the the first array is taken into account, so is included.

In Abhängigkeit von der jeweiligen aktuellen, rechnergeführten Stellung des zweiten Arrays wird auf dem ersten Array jeweils ein Schnittbild der abzubildenden 3D- Struktur selbstleuchtend dargestellt. So werden beispielsweise bis zu 1000 selbstleuchtende und gegebenenfalls farbige Schnittbilder pro Sekunde auf dem ersten Array erzeugt. Je nach den technischen Möglichkeiten und Zielvorgaben kann eine höhere oder geringere Schnittbildfrequenz realisiert werden.Depending on the current, computer-controlled position of the second Arrays, a sectional image of the 3D Structure shown as self-illuminating. For example, up to 1000 self-luminous and possibly colored sectional images per second on the first Array created. Depending on the technical possibilities and targets, one higher or lower slice frequency can be realized.

Das Array besteht vorzugsweise aus konvexen Mikrolinsen, also mit fokussierender Wirkung. Dabei ist die Größe der Mikrolinsen so gewählt, daß jede Mikrolinse beispielsweise einem Bildpunkt entspricht. Durch die rechnergesteuerte Präzisionbewegung des zweiten Arrays mit etwa 25 Hz und innerhalb des Schärfebereiches des telezentrischen Objektivs entsteht so für den menschlichen Beobachter der Eindruck eines 3D-Bildes im Raum. Durch die Anordnung von fokussierenden Mikrolinsen mit einer relativ großen numerischen Apertur, beispielsweise 0,3 oder mehr wird von jedem leuchtenden Bildpunkt ein Lichtbündel in einen relativ großen Raumwinkelbereich abgestrahlt.The array preferably consists of convex microlenses, i.e. with focusing ones Effect. The size of the microlenses is chosen so that each microlens for example corresponds to a pixel. By the computer-controlled  Precision movement of the second array at approximately 25 Hz and within the The focus range of the telecentric lens is created for the human Observer the impression of a 3D image in space. By arranging focusing microlenses with a relatively large numerical aperture, For example, 0.3 or more of each luminous pixel becomes a light beam radiated in a relatively large solid angle range.

Dieses so entstehende Bild hat zwar schon einen 3D-Charakter für den Beobachter, weist jedoch nur eine relativ geringe Tiefe auf und ist relativ klein. Deshalb wird ein zweites Abbildungsobjektiv mit dem Ziel der Vergrößerung des Bildes und der Tiefe nachgeschaltet. Dabei kann die Abbildung des Bildes auf dem zweiten Linsenarray, welches als ein Zwischenbild angesehen werden kann, im Sinne der technischen Optik durch das zweite Objektiv virtuell oder reell erfolgen.This resulting picture already has a 3D character for the observer, however, has a relatively shallow depth and is relatively small. Therefore a second imaging lens with the aim of enlarging the image and the depth downstream. The image on the second lens array, which can be seen as an intermediate picture, in the sense of technical Optics can be done virtually or real through the second lens.

Wesentlich ist dabei, daß bei der virtuellen Abbildung mit beiden Augen gleichzeitig durch das zweite Objektiv geschaut wird. Dabei weist das zweite Array in Bezug zum zweiten Objektiv eine intrafokale Position mit dem Grenzfall der fokalen Position auf. In der fokalen Position des zweiten Arrays wird von einem Betrachter hinter dem zweiten Objektiv ein Bild im Unendlichen gesehen. Bei der linearen Bewegung des Arrays in Richtung des zweiten Objektivs entsteht das Bild als virtuelles Bild, welches jedoch mit dem Auge wie bei der Lupenbetrachtung ohne Schirm betrachtet werden kann.It is essential that the virtual image with both eyes at the same time is looked through the second lens. The second array points in relation to the second lens an intrafocal position with the limit case of the focal position. In the focal position of the second array, an observer is behind the second lens seen an image in infinity. With the linear movement of the Arrays in the direction of the second lens, the image is created as a virtual image, which, however, is viewed with the eye as in magnifying glass without a screen can be.

Für die Großbild-Projektion wird ein reelles Bild erzeugt. Dabei befindet sich das zweite Array jeweils in der extrafokalen Projektion des zweiten Abbildungsobjektivs, welches dann ein speziell angepaßtes Projektionsobjektiv darstellt. Die reellen Bilder entstehen in Lichtrichtung hinter diesem Objektiv, beispielsweise in einer Nebelwand oder einer Nebelkammer. Auch ist eine rechnergesteuerte dreidimensionale Matrix mit rechnergesteuerten Mikroreflektoren denkbar, die im 25 Hz-Takt in unterschiedlichen Tiefen, also im Raum, geschaltet werden, beispielsweise so, daß der Strahl auftrifft oder passieren kann. So entsteht ebenfalls ein 3D-Eindruck für den Beobachter. Auch Schleierwände sind für mehr künstlerische Vorhaben einsetzbar.A real image is generated for the large image projection. This is where second array each in the extrafocal projection of the second imaging lens, which then represents a specially adapted projection lens. The real pictures arise in the direction of light behind this lens, for example in a fog wall or a cloud chamber. Also is a computer controlled three dimensional matrix with computer-controlled microreflectors conceivable in 25 Hz intervals different depths, i.e. in the room, are switched, for example so that the beam hits or can pass. This also creates a 3D impression for the observer. Veil walls are also for more artistic projects applicable.

Bei der virtuellen Darstellung der Bilder kann als zweites Objektiv eine monolithische Linse mit einem Durchmesser deutlich oberhalb des Augenabstandes benutzt werden. Besser ist jedoch eine so große Linse in der Art einer Fresnel-Linse aus Teilstücken, auch Mikroteilstücken, zu gestalten, die hinsichtlich aller Abbildungsfehler, einschließlich der Farbfehler korrigiert sein sollte. Diese große Linse besitzt genau eine optische Achse. Auch hierbei können Mikrolinsen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können sogar mehrere Mikrolinsen in Lichtrichtung hintereinander angeordnet sein, um die Abbildungsfehler zu korrigieren, bzw. eine Optimierung der Abbildung zu erreichen.In the virtual representation of the images, a monolithic can be used as the second lens Lens with a diameter well above the eye relief is used become. However, a lens as large as a Fresnel lens is better To design sections, including micro-sections, with regard to all Aberrations, including color errors, should be corrected. This size Lens has exactly one optical axis. Microlenses can also be used here Come into play. For example, even several microlenses in the direction of light be arranged one behind the other to correct the aberrations, or one Achieve optimization of the mapping.

Bei der Gestaltung der großen Linse können alle Möglichkeiten des optischen Know­ hows der Abbildungskorrektur, einschließlich der Mikrostrukturierung für die Gestaltung der Linse eingesetzt werden. Auch modernste Mikro- Antireflexionstechniken können für die Oberflächengestaltung der Linse eingesetzt werden. Anstelle einer derartigen High-Tech-Linse kann auch für das zweite Objektiv auch ein mehrlinsiges Objektiv eingesetzt werden. When designing the large lens, all possibilities of optical know-how can mapping correction, including microstructuring for the Design of the lens can be used. Even the most modern micro Antireflection techniques can be used for the surface design of the lens become. Instead of such a high-tech lens can also be used for the second A multi-lens lens can also be used.  

Dabei kann das zweite Objektiv so mit einem luftdichten Rezipienten gekoppelt werden, daß das zweite Array, der Scanner, die Innenseite des zweiten Objektivs und die Rezipientenwände das bereits genannte ein Vakuum umschließen. Dabei besitzt der Rezipient ein transparentes Eintrittsfenster, durch welches das Licht aus dem telezentrischen Objektiv auf das zweite Array fällt.The second lens can be coupled with an airtight recipient that the second array, the scanner, the inside of the second lens and the recipient walls enclose a vacuum already mentioned. Here the recipient has a transparent entrance window through which the light comes out the telecentric lens falls on the second array.

Es ist auch denkbar, daß nur das zweite Array und der Scanner sich im Vakuum befinden. Hierbei stellen jedoch möglicherweise die schiefen Strahlen, die sich aufgrund der große Apertur der Mikrolinsen ergeben, ein Abbildungsproblem in Zusammenhang mit dem dann notwendigen Austrittsfenster dar. Es kann Astigmatismus auftreten.It is also conceivable that only the second array and the scanner are in a vacuum are located. However, this may result in the crooked rays that arise due to the large aperture of the microlenses result in an imaging problem Connection with the exit window then necessary. It can Astigmatism may occur.

Bei der Gestaltung des zweiten Arrays können die Kenntnisse der Dynamik bewegter elastischer Körper angewendet werden. Die aufgrund der nicht geringen Beschleunigungskräfte im zweiten Array durch den Hochleistungs-Linearmotor auftretenden dynamischen Verformungen des zweiten Arrays, welches aus Kunststoff bestehen kann, können in die Entstehung der Bilder für den 3D-Effekt eingerechnet werden. Schließlich ist die Oberflächenform des zweiten Arrays grundsätzlich frei wählbar. Die Form des Arrays zu einem bestimmten Zeitpunkt muß nur recht genau bekannt sein. So ist auch eine gekrümmte Form denkbar, beispielsweise im Sinne einer Massen- und Deformationsminimierung. Dies ist möglich, da alle Punkte für die Entstehung der einzelnen Bilder zeitlich und örtlich adressierbar sind.When designing the second array, knowledge of dynamics can be used moving elastic body can be applied. The due to the no small Acceleration forces in the second array thanks to the high-performance linear motor occurring dynamic deformations of the second array, which from Plastic can exist in the creation of images for the 3D effect be included. Finally, the surface shape of the second array basically freely selectable. The shape of the array at a given time only has to be known exactly. So a curved shape is also conceivable, for example in the sense of mass and deformation minimization. This is possible because all points for the creation of the individual images are temporally and locally are addressable.

Das zweite Objektiv kann auch ein Konkav-Spiegel, vorzugsweise in einer Off-axis- Anordnung, sein. Dabei befindet sich das zweite Array dabei in einer On-axis- Position. Zur Korrektur von Abbildungsfehlern kann auch die Kombination von Konkav-Spiegel und einer oder mehrere Linsen gewählt werden. Auch dieser Ansatz kann mit mikrooptischen Komponenten als Fresnel-Spiegel gestaltet werden. Wesentlich ist auch hier nur, daß dieser Spiegel eine einzige optische Achse besitzt.The second lens can also be a concave mirror, preferably in an off-axis Arrangement, be. The second array is in an on-axis Position. The combination of. Can also be used to correct aberrations Concave mirror and one or more lenses can be selected. This approach too can be designed with micro-optical components as a Fresnel mirror. It is only important here that this mirror has a single optical axis.

Es ist völlig klar, daß es bei der 3D-Visualisierung um Datenströme im Giga-Byte- Bereich pro Sekunde gehen kann. Dabei können auch Datenreduktionstechniken eingesetzt werden.It is completely clear that 3D visualization involves data streams in gigabyte Range can go per second. Data reduction techniques can also be used be used.

Die Bildaufnahme von realen 3D-Objekten und Szenen kann mit der von der gleichen Anmelderin mit der Priorität vom 5. 11.1997 eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Verfahren und Apparat zur Erzeugung einer 3D-Punktwolke für die Topometrie (3D-Videometrie) oder die 3D-Vision für Multimedia-Applikationen, (DE- 197 49 974.0-31)" realisiert werden.The image capture of real 3D objects and scenes can be done with that of the same applicant with the priority of 5 November 1997 filed patent application entitled "Method and apparatus for generating a 3D point cloud for the Topometry (3D video measurement) or the 3D vision for multimedia applications, (DE- 197 49 974.0-31) "can be realized.

6. Ausführungsbeispiele6. Embodiments

In der Fig. 1 wird der Apparat zur Erzeugung von 3D-Bildern für die visuelle 3D- Wahrnehmung auf der Basis von virtuellen oder reellen Bildern in den wesentlichen Komponenten dargestellt. Die auf einer adressierbaren lichtgebenden Struktur in Form einer Laserdioden-Matrix entstehende und rechnergesteuerte Lichtbildserie wird durch ein erstes Objektiv mit telezentrischem Ausgang abgebildet.In FIG. 1, the apparatus for generating 3D images for visual 3D perception on the basis of virtual or real images is represented in the essential components. The computer-controlled photo series, which is created on an addressable light-emitting structure in the form of a laser diode matrix, is imaged by a first lens with a telecentric output.

Das aktuelle Bild gelangt durch ein Fenster auf ein Mikrolinsen-Array mit fokussierenden Mikrolinsen. Jede Mikrolinse stellt einen Bildpunkt dar, von welchem ein weit geöffnetes Bündel aufgrund der relativ großen numerischen Apertur der Mikrolinsen, beispielsweise von 0,3 ausgeht. Das Mikrolinsen-Array ist mit einem rechnergesteuerten hochpräzisen Linear-Scanner verbunden. In der Laserdiodenmatrix werden die Bilder so erzeugt, daß ein reales oder virtuelles 3D- Objekt in Höhenschnitte zerlegt wird und die jeweils an der Oberfläche des 3D- Objektes liegenden Objektpunkte als Bildpunkte auf der Laserdiodenmatrix dargestellt werden. Das 3D-Objekt liegt als 3D-Punktwolke vor. Unter Beachtung der Abbildungsverhältnisse durch das 1. Objektiv wird der Linear-Scanner mit dem Mikrolinsen-Array so bewegt, daß das reale oder virtuelle 3D-Objekt, dessen 3D- Datensatz als Punktwolke und so als Vorlage für die Steuerung der Laserdiodenmatrix diente, in geometrisch ähnlichem Sinne aufgebaut wird.The current image comes through a window onto a microlens array focusing microlenses. Each microlens represents a pixel, of which a wide open bundle due to the relatively large numerical aperture of the Microlenses, for example starting from 0.3. The microlens array is with one computer-controlled high-precision linear scanner connected. In the Laser diode matrix, the images are generated so that a real or virtual 3D Object is broken down into vertical sections and each on the surface of the 3D Object lying object points as pixels on the laser diode matrix being represented. The 3D object is available as a 3D point cloud. Taking into account the Image relationships through the 1st lens, the linear scanner with the Microlens array so that the real or virtual 3D object, its 3D Data set as a point cloud and thus as a template for controlling the Laser diode matrix was used in a geometrically similar sense.

Zur ungehinderten Bewegung des Mikrolinsen-Arrays befindet sich der Linear- Scanner im Vakuum. Dadurch wird eine Behinderung der hochdynamischen Bewegung durch die Luftreibung ausgeschlossen.For the unimpeded movement of the microlens array, the linear Scanner in a vacuum. This will hamper the highly dynamic No movement due to air friction.

Die von den Mikrolinsen, die faktisch die Bildpunkte darstellen, des Mikrolinsen- Arrays ausgehenden Strahlenbündel werden durch ein zweites Objektiv geführt. Dies ist praktisch eine große Linse mit einer Lupenwirkung, beispielsweise mit einer Brennweite von 400 mm. Diese große Linse kann aus heutiger Sicht ein absolutes High-Tech-Produkt unter Einbeziehung aller modernen optischen Technologien darstellen mit dem Ziel der Korrektur der Abbildung des Mikrolinsen-Arrays unter den realen Bedingungen der Betrachtung des 3D-Bildes durch eine Gruppe von Personen aus unterschiedlichen Tiefen des Wohnraumes.The microlenses, which actually represent the pixels, of the microlens Arrays of outgoing beams are guided through a second lens. This is practically a large lens with a magnifying effect, for example one 400 mm focal length. From today's perspective, this large lens can be an absolute High-tech product incorporating all modern optical technologies represent with the aim of correcting the imaging of the microlens array below the real conditions of viewing the 3D image through a group of People from different depths of the living space.

Aufgrund der stets intrafokalen Lage des Mikrolinsen-Arrays entsteht im Sinne der technischen Optik ein virtuelles Bild, welches von einer oder mehreren Personen direkt wahrgenommen werden kann. Unter Beachtung der gesamten Abbildung von der Laserdiodenmatrix bis zum Auge des oder der Beobachter wird die Laserdiodenmatrix und der Linear-Scanner so gesteuert, daß einerseits ein 3D- Eindruck entsteht, der dem natürlichen Empfinden sehr nahe kommt. Andererseits sind spezielle, auch extrem verzerrende Effekte, speziell für Multimedia- Anwendungen, machbar.Due to the intrafocal position of the microlens array, the technical optics a virtual image of one or more people can be perceived directly. Taking into account the entire illustration of the laser diode matrix to the eye of the observer or the Laser diode matrix and the linear scanner controlled so that on the one hand a 3D Impression arises that comes very close to the natural feeling. On the other hand are special, even extremely distorting effects, especially for multimedia Applications, doable.

Fig. 2 zeigt die Entstehung des virtuellen Bildes beim Betrachter. Bei der Bewegung des Punktes A auf dem Mikrolinsen-Array von der Position 1 in die Position 2 entstehen die virtuellen Punkte A1' und A2' in der bekannten Art und Weise, nämlich in unterschiedlicher Tiefe und Größe. Diese Abbildungsverhältnisse müssen im Zusammenhang mit der 3D-Punktwolke in die Steuerungsinformation für die Laserdiodenmatrix und den Linear-Scanner umgerechnet werden. So entsteht im Zusammenhang mit der visuellen 3D-Wahrnehmung der 3D-Eindruck beim Betrachter. Fig. 2 shows the formation of the virtual image from the viewer. When point A on the microlens array moves from position 1 to position 2, virtual points A1 'and A2' are created in the known manner, namely in different depths and sizes. In connection with the 3D point cloud, these imaging ratios must be converted into the control information for the laser diode matrix and the linear scanner. This creates the 3D impression of the viewer in connection with the visual 3D perception.

Claims (1)

Anordnung zur Erzeugung eines Eindrucks von 3D-Bildern für die visuelle Wahrnehmung auf der Basis von virtuellen oder reellen Bildern für die 3D-Vision im 3D-Video-, bzw. 3D-Fernsehbereich, bzw. für 3D-Multimedia-Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer gerasterten, rechnergesteuerten und damit adressierbaren, lichtgebenden Struktur, die grundsätzlich volumenhafter oder flächiger Natur sein kann, beispielsweise ein Array aus mikrooptischen Bauelementen wie ein Mikrolaser-Array oder ein Mikrofaser-Array mit fasergekoppelten, rechnergesteuerten Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge, bzw. Spektralverteilung ein vorzugsweise planares selbstleuchtendes Teilbild, im Sinne eines beispielsweise achssenkrechten Schnittes durch ein reales oder berechnetes 3D-Objekt, dargestellt wird und die Information über das darzustellende 3D-Bild in Form eines digitalen Datensatzes als 3D-Punktwolke vorliegt und ein erstes Objektiv mit einem telezentrischen Ausgang der lichtgebenden Struktur zugeordnet ist und dem ersten Objektiv ein zweites mikrooptisches Array zugeordnet ist, welches mit einem rechnergesteuerten Linear-Scanner verbunden ist, dem wiederum ein zweites Abbildungsobjektiv zur Erzeugung von virtuellen oder reellen Bildern nachgeordnet ist.Arrangement for generating an impression of 3D images for visual perception on the basis of virtual or real images for 3D vision in the 3D video or 3D television area or for 3D multimedia applications, characterized in that that by means of a rastered, computer-controlled and thus addressable, light-emitting structure, which can be basically voluminous or flat, for example an array of micro-optical components such as a microlaser array or a microfiber array with fiber-coupled, computer-controlled light sources of different wavelengths or spectral distribution preferably planar self-illuminating partial image, in the sense of, for example, an axis-perpendicular cut through a real or calculated 3D object, and the information about the 3D image to be displayed is available in the form of a digital data record as a 3D point cloud and a first lens with a telecentric output illuminating n structure is assigned and the second lens is assigned a second micro-optical array which is connected to a computer-controlled linear scanner, which in turn is followed by a second imaging lens for generating virtual or real images.
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