DE19702329A1 - Betrachtungssystem für elektronische 3-D-Animation und 3-D-Betrachtungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betrachtungssystem für elektronische 3-D-Animation. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Betrachtungssystem für elektronische 3-D-Animation, die in einfacher und kostensparender Weise eine dreidimensionale Animationsbetrachtung ermöglicht.

Elektronische Animationsspiele, die elektronische Displays wie Video-Spiele und PC-Spiele verwenden, sind weit verbreitet. Eine Animation dieser Art verwendet Farbbilder, um einen dreidimensionalen Effekt ähnlich dem Effekt der Betrachtung von Fernsehbildern zu erzielen. Es erfolgt jedoch keine Verarbeitung der Bilder, um einen tatsächlichen dreidimensionalen Effekt zu erzielen, wenn Bilder von Tieren tatsächlich aus dem Bildschirm zu springen scheinen würden.

Viele Arten von Spielen wurden geschaffen, einschließlich solcher, die es dem Benutzer ermöglichen, den Inhalt des Spiels selbst zu ändern. Daher besteht ein Bedürfnis für stereoskope Bilder. Wenn z. B. eine Rakete abgeschossen wird, sollte diese den Anschein erwecken, aus dem Bildschirm in Richtung auf den Betrachter zu fliegen. Üblicherweise ist ein als stereoskope Fotographie bezeichnetes System vorhanden, und es wurden Fotographien mit zwei nebeneinander angeordneten Kameras aufgenommen. Die beiden Bilder werden einander während der Betrachtung überlagert. Wenn die sich ergebenden Fotographien von zwei unterschiedlichen Winkeln aus betrachtet werden, entsteht das Gefühl der Tiefe. Bei Anwendung dieses Prinzips wäre es möglich, eine elektronische Animation durch Darstellung eines vom linken Auge zu betrachtenden Bildes und eines vom rechten Auge zu betrachtendes Bildes zusammen auf einem einzigen Bildschirm darzustellen. Bei elektronischer Animation ergeben sich anders als bei statischen Bildern Beschränkungen aufgrund des Bildschirms und der Tatsache, daß sich die Bilder zeitlich ändern. Ein derzeit bekanntes Verfahren erfordert die Verwendung eines Videoformats, bei dem der Bildschirm vertikal halbiert ist und jedes der beiden Bilder eine Hälfte der Bildschirmfläche erhält. Wenn das Stereobild wiedergegeben wird, werden das Bild für das linke Auge und das Bild für das rechte Auge in festen Intervallen aufeinanderfolgend dargestellt. Der Betrachter trägt eine Brille mit Flüssigkristallblenden. Die Blenden auf der linken und rechten Linse der Brille sind mit dem Umschalten der Bilder synchronisiert, so daß das linke und das rechte Bild unterschieden werden. Das Nachbild auf der Netzhaut des Betrachters bewirkt den dreidimensionalen Effekt. Die Blenden dieses Systems tendieren dazu, ein Flackern des Bildes hervorzurufen, und dadurch eine Augenermüdung hervorzurufen. Da auch nur der halbe Bildschirm für jedes denselben Bildschirm betrachtende Auge zur Verfügung steht, wird die Auflösung verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu vermeiden.

Die Erfindung schafft ein 3-D-System, bei dem die linken und rechten Augenkomponenten eines 3-D-Bildes um einen Faktor 2 breitenkomprimiert und nebeneinander aufgezeichnet oder wiedergegeben werden. Ein Betrachter hat Vergrößerungslinsen für das linke und das rechte Auge, um die beiden nebeneinanderliegenden Bilder um den Faktor 2 in der Breite zu expandieren und ihre getrennte und gleichzeitige Betrachtung durch das linke und das rechte Auge einer Person zu ermöglichen. Die jedem Auge der betrachtenden Person dargebotenen Daten haben die gleiche scheinbare Breite wie das gesamte unkomprimierte Bild. Die Vermischung der beiden Bilder findet im Gehirn der Person wie bei der normalen Betrachtung statt. Wenn das wiedergegebene Bild ein Video-Bild ist, wird das Flackern der bekannten Systeme aufgrund des wiederholten Blendenöffnens und -schließens vermieden. Das Beobachtungsgerät kann in eine von einem Betrachter getragene Brille eingebaut sein.

Lösungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen bis 3 angegeben.

Die Arbeitsweise der Erfindung ist wie folgt:

Um eine elektronische Animation dreidimensional zu betrachten, muß das vom linken Auge gesehene Bild von dem vom rechten Auge gesehenen Bild verschieden sein, da das linke und das rechte Auge unterschiedliche Betrachtungswinkel haben. Wenn z. B. ein Baum betrachtet wird, sehen das linke und das rechte Auge unterschiedliche Bilder, da das linke Auge mehr die linke Seite des Baumes sieht, während das rechte Auge mehr die rechte Seite des Baumes sieht. Die Größe der Animationsdaten für das Bild für das linke Auge und das Bild für das rechte Auge werden auf die Größe eines Displayrahmens eingestellt. Die beiden unterschiedlichen Gruppen von Animationsdaten werden dann so komprimiert, daß die sich ergebenden Daten die gleiche Breite wie ein einziger Displayrahmen haben, da, wenn die beiden unterschiedlichen Animationsdatengruppen nebeneinander ohne Kompression wiedergegeben werden, das Bild zweimal so breit wie ein einzelner Displayrahmen wäre. Wenn die formierten Animationsdaten dann auf einem Displayrahmen wiedergegeben werden, werden das Bild des linken Auges und das Bild des rechten Auges nebeneinander auf einem einzigen Displayrahmen wiedergegeben, so daß beide Bilder halb so breit wie normal sind. Wenn z. B. Bilder einer Figur oder Person nebeneinander auf dem gleichen Bildschirm wiedergegeben werden würden, wäre in jedem Bild die Höhe korrekt, die Breite wäre jedoch halb so groß. Die Bilder werden dann mittels der Brille verdoppelt. Das Bild für das linke Auge wird mit dem linken Auge und gleichzeitig das Bild für das rechte Auge mit dem rechten Auge betachtet. Dies führt zu dem gleichen Effekt, wie wenn das linke und das rechte Auge gleichzeitig das linke Bild für das linke Auge und das rechte Bild für das rechte Auge in Originalgröße betrachten (d. h. jedes Bild füllt einen Displayrahmen aus). Das Bild für das linke Auge, das vom linken Auge betrachtet wird, und das Bild für das rechte Auge, das vom rechten Auge betrachtet wird, werden überlagert. Da nach links und rechts Tiefe vorhanden ist, ist die visuelle Wahrnehmung derart, daß der mittlere Teil des Bildes dreidimensional ist und zum Betrachter vorsteht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht eines Bildes des linken Auges,

Fig. 2 eine Aufsicht eines Bildes des gleichen Objekts für das rechte Auge,

Fig. 3 eine Aufsicht eines Bildes, das aus den nebeneinander angeordneten Bildern der Fig. 1 und 2 besteht,

Fig. 4 ein optisches 3-D-Betrachtungssystem gemäß der Erfindung und

Fig. 5 ein fotographisches 3-D-Aufzeichnungsgerät gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Bild 1 zur Betrachtung mit dem linken Auge eines Betrachters in einem einzigen Displayrahmen einer elektronischen Animation. Fig. 1 enthält eine Ansicht der linken Seite einer Stange B1, die von einer Kugel A1 vorsteht.

Fig. 2 zeigt ein Bild 2 in einem einzigen Displayrahmen, wie es der Betrachter mit dem rechten Auge sieht. Fig. 2 enthält eine Ansicht der rechten Seite einer Stange B2, die von einer Kugel A2 vorsteht.

Fig. 3 zeigt ein Bild 3, das nebeneinander das horizontal komprimierte Bild 1 und das horizontal komprimierte Bild 2 umfaßt. Die Bilder 1 und 2 sind horizontal so komprimiert, daß sie beide der Breite des Displayrahmens entsprechen. Das Bild 1 (Fig. 1) für das linke Auge und das Bild 2 (Fig. 2) für das rechte Auge füllen somit einen Displaybildschirm aus, die horizontal im Verhältnis 2 : 1 komprimiert sind, um ein komprimiertes Bild 31 für das linke Auge und ein komprimiertes Bild 32 für das rechte Auge zu erzeugen, die nebeneinander wiedergegeben werden. Bei normaler Betrachtung würde der Betrachter das Bild 3 sehen, wobei das komprimierte Bild 31 für das linke Auge und das komprimierte Bild 32 für das rechte Auge nebeneinander angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Bildes 3 auf einem Display 4, das durch ein 3-D-Betrachtungsgerät 5 für elektronische Animation betrachtet wird. Ein Rahmen 6 hat eine Vorderseite 6A, eine linke und eine rechte Betrachtungsöffnung 7A, 7B. Die Rückseite 6B des Rahmens 6 hat eine linke und eine rechte Betrachtungsöffnung 8A, 8B. Optische Breitenvergrößerungselemente 9A, 9B sind zwischen den vorderen Betrachtungsöffnungen 7A, 7B und den hinteren Betrachtungsöffnungen 8A, 8B angeordnet. Die Vergrößerungselemente 9A und 9B sind vorzugsweise halbzylindrische Linsen, deren Achsen bzw. zylindrische Teile parallel zueinander und vertikal orientiert sind.

Die nebeneinander angeordneten, horizontal komprimierten Bilder 31, 32 des Displays 4 gelangen durch die Betrachtungsöffnung 7A bzw. 7B, durchlaufen das Vergrößerungselement 9A bzw. 9B, die die Breite der Bilder um den Faktor 2 vergrößern, und die expandierten Bilder 31 und 32 werden dann zur hinteren Betrachtungsöffnung 8A bzw. 8B übertragen.

Das Vergrößerungselement 9A auf der linken Seite des Beobachtungsgerätes 4 expandiert das komprimierte Bild 31 des linken Auges auf der linken Hälfte des Bildes 3 des Displays 4 um den Faktor 2. Die Mittellinie des vergrößerten Bildes entspricht der Mittellinie des Betrachtungsgerätes 5.

Das Vergrößerungselement 9B auf der rechten Seite expandiert das komprimierte Bild 32 des rechten Auges auf der rechten Hälfte des Bildes 3 des Displays 4 um den Faktor 2, um nur die Breite des komprimierten Bildes 32 des rechten Auges zu vergrößern. Die Mittellinie des vergrößerten Bildes entspricht der Mittellinie des Beobachtungsgerätes 5. Somit werden die Bilder, die die Vergrößerungselemente 9A, 9B durchlaufen, auf der Netzhaut des Betrachters fokussiert, um ein Überlagerungsbild 12 zu erzeugen. Das Überlagerungsbild 12 entspricht dem Bild der Fig. 1 und dem Bild 2 der Fig. 2, die einander überlagert sind, jedoch in getrennten Augen, so daß ein 3-D-Effekt erzeugt wird. Das Bild 3, das auf dem Display 4 um die Hälfte komprimiert wurde, wird um den Faktor 2 vergrößert, so daß das sich ergebende Bild normale Abmessungen hat. Das linke Auge nimmt das Objekt unter einem Betrachtungswinkel gesehen von links und das rechte unter einem Betrachtungswinkel gesehen von rechts wahr, so daß links und rechts ein Tiefeneindruck entsteht, und der zentrale Teil scheint nach vorne vorzustehen, so daß ein dreidimensionaler Effekt erzielt wird. Da das Bild auf dem Display 4 um den Faktor 2 vergrößert wird, ist die Auflösung für jedes Auge halb so groß wie die ursprüngliche. Der Additionseffekt der Auflösung des linken und rechten Auges macht jedoch die vom Betrachter wahrgenommene Auflösung gleich der eines normalen, auf dem Display 4 wiedergegebenen Bildes.

Das linke und rechte Vergrößerungselement 9A, 9B sind vorzugsweise halbzylindrisch. Durch vertikale Orientierung der Längsachse wird nur die Breitendimension vergrößert. In bestimmten Anwendungsfällen kann eine leichte Abweichung von der zylindrischen Form erwünscht sein. Z. B. kann ein leicht ovaler Querschnitt die Tatsache kompensieren, daß das durch jedes Vergrößerungselement 9A, 9B betrachtete Bild nicht direkt vor seiner zugehörigen vorderen Betrachtungsöffnung 7A, 7B angeordnet werden kann.

Alternativ kann ein W-förmiger Spiegel zwischen dem Betrachtungsgerät 5 und dem Display 4 angeordnet werden. Geeignete halbzylindrische Formen von Spiegelflächen haben die gleiche breitenvergrößernde Funktion wie die halbzylindrischen Linsen, die das linke und rechte optische Breitenvergrößerungselement 9A, 9B bilden.

Wie zuvor beschrieben, werden somit zwei Animationsbilder, von denen jedes normalerweise auf ein Display 4 paßt, 2 : 1 komprimiert. Die beiden Bilder, die die Beobachtungen des linken und rechten Auges darstellen, werden in einem einzigen Rahmen des Displays 4 nebeneinander wiedergegeben. Somit ergibt sich keine Schwierigkeit bei der Formatierung des Bildes. Es muß somit nur der linke Teil des Bildes 3 mit dem linken Auge und der rechte Teil mit dem rechten Auge betrachtet werden können, wobei die Breite beider Bilder vergrößert wird. Somit kann bei geringen Kosten und ohne daß komplizierte Geräte erforderlich sind, eine 3-D-Betrachtung erreicht werden.

Das Betrachtungsgerät 5 kann irgendeine geeignete Form haben, vorzugsweise ist es in eine Brille eingebaut, die ein Betrachter trägt. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Betrachtungsgerät 5 bezüglich des Displays 4 fest angeordnet. Der Betrachter bewegt sich dann an eine Stelle, von wo er aus durch die Betrachtungsöffnungen 8A, 8B sehen kann. Eine andere Möglichkeit ist ein von Hand gehaltenes Betrachtungsgerät.

Fig. 4 zeigt ein Betrachtungsgerät 5, das vorzugsweise eine Linse in jeder hinteren Betrachtungsöffnung 8A, 8B hat.

Fig. 5 zeigt bei 36 ein fotographisches Aufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen von breiten reduzierten Bildern einer 3-D-Szene 38 nebeneinander auf einem Film. Eine linke und eine rechte Öffnung 40A, 40B sind in einem Gehäuse 42 beabstandet vor der entsprechenden linken und rechten Breitenreduzierungslinse 44A, 44B angeordnet. Der Abstand zwischen den Öffnungen 40A und 40B ist vorzugsweise etwa gleich einem normalen Abstand zwischen dem linken und rechten Auge einer Person. Die Linsen 44A, 44B erzeugen ggfs. mit zusätzlichen Linsenelementen (nicht gezeigt) ein linkes und ein rechtes breitenreduziertes virtuelles Bild 46A, 46B, die nebeneinander angeordnet sind. Eine Kamera 48 nimmt die virtuellen Bilder 46A, 46B auf einem einzigen Filmeinzelbild bzw. auf einer Bildebene einer Videokamera auf.

Die Linsen 44A und 44B können zylindrisch konkav sein, wie gezeigt ist, oder können zylindrisch konvexe Reflexionselemente sein.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind folgende:

• A. Ein 3-D-Betrachtungsgerät mit einer einzigen Displayeinheit ist einfach und leicht herzustellen.
• B. Die Herstellungskosten sind sehr gering, da die Formatierung der Bilddaten leicht ist und keine Notwendigkeit für gesonderte Bildverarbeitungsdaten besteht.
• C. Es ist nicht notwendig, komplizierte Geräte herzustellen. Die 3-D-Betrachtung kann mittels eines billigen und einfachen optischen 3-D-Betrachtungsgerätes 5 erfolgen.
• D. Das zu betrachtende Bild wird um die Hälfte komprimiert und direkt wiedergegeben. Der Benutzer sieht das Bild durch das Betrachtungsgerät, das die Breite um den Faktor 2 vergrößert. Die Überlappung der beiden Bilder im Gehirn des Betrachters stellt wieder etwa die gleiche Auflösung wie vor der Breitenkompression her, so daß das Bild sehr deutlich ist, und, da keine Blenden erforderlich sind, tritt kein Flackern auf. Hierdurch wir die Augenbeanspruchung verringert.
• E. Das Gerät kann zur 3-D-Fernsehaufzeichnung einfach durch Neuanordnung der Displayelemente verwendet werden. Beim 3-D-Fernsehen werden das linke und das rechte Bild durch Verschachtelungs- Displayelemente gleichzeitig wiedergegeben. Ein stereoskopischer Effekt wird dadurch erreicht, daß eine Parallaxensperre verwendet wird, die eine waschbrettförmige Platte sein kann, die als Lichtblende wirkt, oder eine linsenförmige Platte, die halbkreisförmige Linsen hat.
• F. Bei den üblichen Verfahren werden zwei Kameras zum Fotographieren der dreidimensionalen natürlichen Bilder benötigt. Gemäß der Erfindung können Fotographien einfach durch Verwendung eines Adapters gemacht werden, der breitenreduzierte Bilder nebeneinander auf einem fotographischen Film erzeugt.

Claims (3)

1. 3-D-Betrachtssystem, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines 3-D-Bildrahmens mit einem Bild des linken und einem Bild des rechten Auges, wobei der Bildrahmen einen einzigen Displayrahmen einnimmt, wobei die Erzeugungseinrichtung Mittel zur Breitenkompression des Bildes des linken Auges und des Bildes des rechten Auges hat, um ein kombiniertes Bild zu erzeugen, so daß, wenn sie nebeneinander einander im wesentlichen berührend wiedergegeben werden, das Bild des linken Auges und das Bild des rechten Auges zusammen eine Breite im wesentlichen gleich der Breite des Displayrahmens haben, einem Betrachtungsgerät zum Betrachten des Displayrahmens, das eine Einrichtung zur Vergrößerung der Breite des Bildes des linken Auges und des Bildes des rechten Auges um den Faktor 2 hat, und einer Einrichtung aufweist, um das Bild des linken Auges mit dem linken Auge und das Bild des rechten Auges mit dem rechten Auge eines Betrachters gleichzeitig betrachten zu können, so daß sich das Bild des linken Auges und das des rechten Auges vermischen und ein 3-D-Bild erzeugen.

2. 3-D-Betrachtungsgerät, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Rahmen (5), einer linken und einer rechten vorderen Betrachtungsöffnung (7A, 7B) in der Vorderseite des Rahmens, einer linken und einer rechten Betrachtungsöffnung (8A, 8B) in der Rückseite des Rahmens, einem optischen Vergrößerungselement (9A) im Rahmen axial ausgerichtet zwischen der linken vorderen Betrachtungsöffnung und der linken hinteren Betrachtungsöffnung, so daß ein Bild für das linke Auge, das durch die linke vordere Beobachtungsöffnung eintritt, horizontal um den Faktor 2 vergrößert wird, sowie einem rechten optischen Vergrößerungselement im Rahmen axial ausgerichtet zwischen der rechten vorderen Betrachtungsöffnung (7B) und der rechten hinteren Betrachtungsöffnung (8B) besteht, so daß ein Bild für das rechte Auge, das durch die rechte vordere Betrachtungsöffnung eintritt, horizontal um den Faktor 2 vergrößert wird, wobei ein Betachtungsfeld der vorderen Beobachtungsöffnung des linken Auges längs eines Betrachtungsfeldes der vorderen Betrachtungsöffnung des rechten Auges dieses im wesentlichen berührend verläuft, und der linke und der rechte Teil einer Szene einander im wesentlichen berühren.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das linke und das rechte optische Vergrößerungselement halbzylindrische Linsen (9A, 9B) sind.