专利名称：在图象显示装置上投影尤其是三维图象的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1前序部分的在图象显示装置上投影尤其是三维图象的系统。
通常在图象显示装置上显示三维物体是以二维显示方式进行的，其中观看者相对固定图象屏的观看角度及位置确定了相应的图象视图。在此情况下，观看者相对图象屏在空间座标中的位置必须通过合适的传感器来确定，及图象屏显示必须通过合适的控制装置(跟踪系统)相应地计算并调节。利用这种方法对于一个图象屏仅能使一个观看者在图象屏上观看到与其观看位置对应的物体图象，另外的观看者得到失真的图象。
在另一个用于观看在空间上固定的物体的虚象的方法中，对一个观看者固定配置了一个图象屏，其中观看者的相应位置通过跟踪系统来检测，并根据观看者的位置及观看角度实时地重新计算及显示图象。这种系统通常使用带有直接为观看者眼睛配置的显示装置、如LCD屏的头盔。但这种头盔是不方便的并仅能用于一个观看者。此外观看者的自然环境不能直接进入头盔。在该方法中也可用跟踪系统计算图象屏的位置及显示方向，以致不需要头盔。但在图象屏上保留单象显示。
实时的立体投影可使人深入地观看立体关系，例如可用明及暗来显示模型及部分模型或工件细节。在一个实时显示装置中，由计算机计算，可使物体直接地在视觉上改变。
在通过银幕上投影或图象屏上显示实时立体图象时基本使用两种方法，其中使用眼镜，它可使左及右眼接受不同的图象信息。
在无源方法中，眼镜的各镜片不同地偏振，例如彼此成90°或对流地循环。为此在银幕上的图象显示必须被无源地偏振。这例如可这样进行，即使用对左、右图象显示具有不同方向的偏振附件的投影器。
在有源技术中，不需要偏振滤光镜，而是通过顺序显示对左、右眼配置的图象信息进行图象分离。借助一个同步控制装置以相同的节拍转换一个液晶眼镜(光栅眼镜)，以使观看者的每个眼仅接受对该眼配置的图象信息。该光栅眼镜转换的节拍频率在此情况下决定了在何种程度上感觉到闪烁效应。
不管是有源还是无源技术，总是一个或多个人同时只能看到同一信息。例如需要立体地显示工作过程及操作以使观看者得到对其个人配置的一定状态空间的立体显示时，以及希望第二个人同时得到对这个人配置的状态空间，它们的图象不同，但不希望，对两个观看者显示同一图象。
在与一个物体自然形状相应的显示用现有的技术仅能通过全息图象显示实现，在该显示中多个观看者看到不同的图象。但是，一种实时全息大物体、如汽车，用另外的显示可能性是不能实现的并在不久的将来也是不可能的。
本发明的任务在于，提供一种在图象显示装置上尤其是投影三维并尤其是投影立体显示的系统，借助它可实现对多个观看者同时显示不同图象内容的近似全息图象。
该任务通过权利要求1中给出的发明来解决。本发明有利的进一步构型描述在从属权利要求中。
根据本发明，给出用于在一个图象显示装置上投影尤其是三维图象的系统，其中对观看者眼睛设置的图象显示与观看者相应位置有关，对观看者所设的传感器可测得观看者相应的位置，并根据观看者的观看位置在显示装置上显示一个分布在空间上的物体虚象。为了由多个观看者在同一图象显示装置上同时观感不同的三维图象显示，进行多个图象的同时显示，该多个图象分配到观看者的相应观看位置。各观看者配有图象分离装置，由此使观看者仅能得到根据其位置分配的显示图象。
借助根据本发明的系统可以作到，多个观看者从不同位置在图象显示装置上同时看到一个物体，其中每个人的观看角度相当于对固定物体虚象的实际观察角度。因此可作到，一个人看到物体的一个确定的透视图，而另一人同时看到物体的另外细节。
对观看者配置的图象显示可按时间顺序显示。图象分离装置是与图象显示同步的光栅眼镜，当显示对相应观看者设置的图象时，该光栅眼镜仅让该投影光通过。
在一个变型实施例中，同时进行对观看者分配的图象显示，其中图象在投影屏上被不同地偏振。在此情况下，图象分离装置是偏振眼镜，它仅让与偏振方向对应的、及给相应观看者的观看位置的图象通过。
在本发明的一个优选实施形式中设置使得每个观看者可以看到立体的投影，其中总是提供对其右及左眼分配的、通过图象分离器附加分离的图象。
当对于立体图象投影使用了光栅眼镜时，一个观看者的相应光栅眼镜在一个节拍频率周期内对每个眼睛打开让光通过的持续时间最好与观看者的数目成比例地减小，或者图象显示节拍频率与观看者的数目成比例地增加，由此因时间上相继显示该闪烁效应不被加强。
当该系统用于三维立体图象显示并尤其用于两个观看者时，该系统因此能同时地但使每人分开地得到配置的图象信息。由此能使例如共同进行的工作方法被极好地看到，好象在单个立体投影显示时可看到的。
根据本发明的系统在一个由计算机控制的图象屏上或在由计算机控制的投影装置上用来投影及显示三维图象信息尤其有利。
可使用按前后次序投影不同图象显示的单个投影装置。另一方式是可使用一种系统，其中对每个观看者配置一个投影装置。在使用根据本发明的系统及在两个观看者和立体投影的情况下，可用四种不同的显示顺序。每种顺序的选择取决于，应显示什么内容，因为要考虑不同通道之间的干扰；使用什么类型的光栅眼镜及何种投影技术。
在本发明的一个优选实施形式中，用于分离各观看者左/右信息的分离器是偏振装置，及用于在不同观看者之间分离观察图象的图象分离装置是光栅装置。这些配置也可互换使用。
作为偏振装置例如可使用在相应安装的投影器中的线性或圆形偏振滤光镜。为了观看，第一或第一组观看者得到具有第一偏振方向的光栅眼镜，及第二或第二组观看者得到具有第二偏振方向的光栅眼镜。偏振滤光镜可能有的光损耗通过对每个或每组观看者使用多个投影器来补偿。
最好投影面是一个圆柱形投影屏，其中固定地设置待观看物体的虚象。假如希望看到上/下信息时，在本发明的一个进一步构型中也可使用一个球形投影面，物体的虚象固定其内，其中投影屏从内部被投影。一个位于投影装置外部的观看者由此得到待观看的物体处于被投影面包围的空间中的虚象。在一种立体投影中物体也可被看成与投影面相切的物体，这视立体视窗的调节而定。
根据本发明的系统能使物体、包括大物体尤其是在立体观看时按照全息显示方式观看。被显示的物体可以是一物体的真实显示，也可以是计算机产生的图形，它们的构型可交互地变化。这类应用尤其可用于机械另件，汽车另件或其它产品的结构和设计。在圆柱形或球形投影面的情况下观看者可绕物体移动。另一变型是当观看者留在其位置上，物体虚象转动可实现相同效果。在此情况下，不需要跟踪系统。
在圆柱形或球形投影面的情况下被显示物品可均匀及无缝地显示。对此也可使用本身公知的图象处理方法改善其边缘，以免在相邻图象中出现边缘。
以下将借助一个实施例来详细说明本发明。其附图为
图1使用光栅眼镜的一种投影装置的概图；图2a-d对于两个观看者不同显示次序的示图；图3具有一个物体虚象显示的圆柱形投影装置；及图4具有一个内部显示的物体虚象的球形投影装置。
在图1中示出一个计算机1，它控制一个投影器5和/或一个监视器4并向它们传送图象信号。该计算机还对一个红外发送器2传送一个控制信号，后者对戴有光栅眼镜3的收看者传送红外信号。计算机被这样控制，即在监视器4或投影装置5上按前后顺序显示出图象，该图象可借助以相应节奏由红外控制转换的光栅眼镜3来观察，以致为观看者调节出一个立体图象。
通过投影器5或监视器4的显示装置控制及光栅眼镜3控制的基本原理对于一个或多个观看者无区别。在对多个观看者显示一个图象信息时，将简单地使用相应多数目的光栅眼镜。在使用图1的装置同时对于多个观看者显示不同的立体图象时，计算机应被这样控制，即以正确的编排对相应的观看者传送不同的图象顺序。
图2表示对于两个观看者不同图象顺序立体显示的四种变化可能性。左列的标记表示，1L=观看者1的左眼，1R=观看者1的右眼，2L=观看者2的左眼，2R=观看者2的右眼。
图2a表示在每个节拍频率的周期中的重复显示顺序1L,1R,2L,2R。图2b表示显示顺序1L,2L,1R,2R。图2c表示顺序1L,1R,2R,2L，而图2d表示顺序1L,2R,1R,2L。图2b及2d的显示顺序具有其优点，即一方面观看者的主观闪烁感觉小，这因为相对图2a及2c的顺序其显示时间顺序均匀，并因为时间间隔开使左右显示串扰明显减小。此外，当对第一及第二观看者的图象显示区别仅很小时，观看者显示之间的串扰也相对小。
虽然根据本发明的方法尤其在立体显示时相对单一显示增大了闪烁效应，但是该效应可通过提高显示节拍频率来减小，例如提高到160-180Hz，其中该值仅受到光栅眼镜最大开关频率的限制。
为了倍增观看者及同时显示图象的数目，光栅眼镜及投影装置可附加设置偏振滤光镜，它或者为不同线性或者为圆形偏振。因使用偏振滤光镜出现的光减弱可通过提高投影器的光强度、通过对每个观看者和/或每个偏振方向使用多个投影器或干脆通过对单个眼的每个图象显示使用多个投影器进行补偿。
虽然在该实施例中，仅涉及两个或四个观看者，但不言而谕，观看同一图象显示的观看者数目不被限制在两个或四个上，而是任意的。
图3表示一个投影装置，它包括一个圆柱状图象屏8，在其内部设有一个合适的环绕式投影装置。两个观看者6和7位于投影屏的外面。一个或多个投影器从内部将一个虚象投射到投影面上。该图表示一个汽车的虚象9。对于两个观看者需要两个图象显示，它们能通过合适的偏振滤光镜或光栅装置彼此分开。在使用一个偏振装置时将使用一个第一投影器，将图象在第一偏振方向上投射到投影屏上，并且第二投影器设有第二偏振装置，它最好提供一个与第一投影方向垂直的偏振方向。
当两个观看者戴上相应的偏振眼镜时，由投影器在圆柱形屏上投射的图象可分开地提供给各观看者。因此这两个观看者6及8仅各看到为他们相配的图象。例如，观看者8看到虚象9的细节10，而观看者7看到虚象9的细节11。
当无另外的措施，两观看者仅能观感到两个不同的图象，但这些图象可用本身公知的跟踪系统这样地计算并跟随，即当观看者6及7绕圆柱投射屏移动时这些图象总是被新计算，使得当观看者绕投射屏移动时物体虚象9看上去是固定的。由此使他经受一种错觉，就好象他能从所有侧面看到物体。当使用足够快的计算设备，以便根据观看者的停留地提供新计算的图象，对于观看者来说该物体虚象就象真实物体，观看者从不同侧面都能看到它。
图4表示一个球形投影装置12，其中可同样看到投影面内部的虚象。这里相对图3的显示还附加从上方及下方观看的可能性，以便能看到物体虚象的全貌。
当作为立体显示虚象时，一个虚象物体的错觉实际可被升高。观看者为此需戴图象分离器，以便对观看者的双眼配置出所设的立体图象。图象分离器既可为光栅装置又可为偏振装置。由此对于观看者，图象好象不是仅显示在一个平面上，而是好象空间中的虚象，其中通过单图象的相应调节可固定出立体透视图象，使被观看的物体对观看者来说好象从投影面平面分离开。由此可得到一个象全息显示图的视觉感受。
借助根据本发明的方法，因此可在一个银幕或一个显象屏上对两个或多个观看者提供完全不同的三维图象显示。这尤其对培训装置中在工作过程的视觉显示中具有很大优点。
虽然该实施例基本上涉及立体投影，但本发明并不受其限制，而也可包括单象显示，其中不同观看者可看不同的单象显示。
权利要求
1．用于在一个图象显示装置(4,8,12)上投影尤其是三维图象的系统，其中对观看者眼睛设置的图象显示(9)与观看者(6,7)相应位置有关，同时对观看者所设传感器可测得观看者相应位置，并根据观看者的观看位置在显示装置上显示一个分布在空间上的物体虚象(9)，其特征在于为了由多个观看者(6,7)在同一图象显示装置上同时观感不同的三维图象显示，进行多个图象的同时显示，该多个图象分配到观看者的相应观看位置，及各观看者配有图象分离装置，由此使观看者仅能得到根据其位置分配的显示图象。
2．根据权利要求1的系统，其特征在于对相应观看者分配的图象按时间顺序显示，及图象分离装置是与图象显示同步的光栅眼镜。
3．根据权利要求1的系统，其特征在于同时进行对相应观看者分配的图象显示，及图象分离装置是偏振眼镜(3)，它仅让与偏振方向对应的、及分配给相应观看者的观看位置的图象通过。
4．根据权利要求2或3的系统，其特征在于为了使观看者看到立体的物象，总是提供对其右及左眼分配的、并通过图象分离器分离的两个图象。
5．根据权利要求2或4的系统，其特征在于一个观看者的相应光栅眼镜在一个节拍频率周期内对每个眼睛打开让光通过的持续时间与观看者的数目成比例地减小。
6．根据权利要求5的系统，其特征在于在多个观看者的情况下，图象显示节拍频率与观看者的数目成比例地增加。
7．根据权利要求5或6的系统，其特征在于对于两个观看者显示图象时，以下列顺序进行图象显示a)左眼 观看者1右眼 观看者1左眼 观看者2右眼 观看者2b)左眼 观看者1左眼 观看者2右眼 观看者1右眼 观看者2c)左眼 观看者1右眼 观看者1右眼 观看者2左眼 观看者2d)左眼 观看者1右眼 观看者2右眼 观看者1左眼 观看者2。
8．根据权利要求4的系统，其特征在于分离器是偏振装置，及图象分离装置是光栅装置。
9．根据权利要求4的系统，其特征在于分离器是光栅装置，及图象分离装置是偏振装置。
10．根据权利要求1或2的系统，其特征在于图象显示装置是一个阴极射线管(4)或一个LCD显示器。
11．根据权利要求1的系统，其特征在于图象显示装置是一个投影屏。
12．根据权利要求11的系统，其特征在于图象显示装置是一个圆柱形投影屏(8)，图象从屏内侧投影到其表面上。
13．根据权利要求11的系统，其特征在于图象显示装置是一个球形投影屏(12)，图象从屏内侧投影到其表面上。
14．根据权利要求10-13中一项的系统，其特征在于由一个单顺序开关的投影装置显示不同的图象。
15．根据权利要求11,12或13之一的系统，其特征在于对偏振眼镜的每个偏振方向配置一个投影装置。
全文摘要
本发明涉及用于在一个图象显示装置(8,12)上投影尤其是三维图象的系统,其中传送到观看者眼睛的图象(9)与观看者(6,7)相应位置有关,同时对观看者设有可测得观看者相应位置的传感器,以使得观看者根据其位置在显示装置上看到显示在空间上的物体虚象。为了由多个观看者(6,7)在同一图象显示装置上观看不同的三维显示图象,该系统进行多个图象的同时投影,每个图象对应于观看者的相应位置。每个观看者配有图象分离装置,它能使观看者看到相应观看者位置的图象。借助本发明系统获得了显示物体虚象的接近全息显示的投影,尤其是在立体显示中。
文档编号G09F9/00GK1233328SQ97198671
公开日1999年10月27日 申请日期1997年9月30日 优先权日1996年10月9日
发明者阿蒂拉·黑格尔 申请人:赫尔穆特·谭