DE3419098A1 - Screen for spatial three-dimensional representation of images, graphics and other data - Google Patents
Screen for spatial three-dimensional representation of images, graphics and other dataInfo
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Abstract
Description
BildschirM zur räuMlich dreidinensionalen Darstellung SCREEN for three-dimensional representation
von Bildern, Graphiken und sonstigen Daten BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie Vorrichtungen zur Durchfuhrung dieses Verfahrens zur Darstellung raunlich-dreidimensionaler Bilder, Graphiken und sonstiger Daten nach den Oberbegriff des Anspruchs i. of images, graphics and other data DESCRIPTION The invention relates to a method and devices for performing this method Representation of rough three-dimensional images, graphics and other data the preamble of claim i.
Auf- verschiedenen Gebieten, wie beispielsweise in der zedizinischen Bildauswertung, der elektronischen Datenverarbeitung, sowie zur Simulation und Kontrolle von Aktivitäten iM dreidimensionalen Raum müssen dreidimensionale Bilder, Graphiken oder sonstige Daten einem oder Mehreren Betrachtern in einer adaquaten Form zugänglich genacht werden. Bekanntlich besitzt das nenschliche visuelle System die folgenden physiologischen Moglichkeiten zur Wahrnehmung der Dreidinensionalität ("Tiefe") eines Gegenstandes oder eines Bildes 1. Akkonodation, d.h. das Auge fokussiert auf verschiedene Tiefenebenen.In various fields, such as in the medical field Image evaluation, electronic data processing, as well as simulation and control of activities in three-dimensional space, three-dimensional images, graphics or other data accessible to one or more viewers in an adequate form to be slept. As is known, the human visual system has the following physiological possibilities for the perception of three-dimensionality ("depth") of an object or an image 1. Acconodation, i.e. the eye focuses on different depth levels.
2. Binokulare Konvergenz, d.h. der Abstand von Objektdetails zum Beobachter wird durch Triangulation genessen.2. Binocular convergence, i.e. the distance between object details and the observer is eaten by triangulation.
3. Binokulare Parallaxe, d.h. bein beidäugigen Sehen tritt der Stereo-Effekt auf.3. Binocular parallax, i.e. when seeing with both eyes, the stereo effect occurs on.
4. Monokulare Bewegungsparallaxe, d.h. bein Wechsel des Beobachter-Standortes ändert sich die Perspektive.4. Monocular movement parallax, i.e. when changing the observer's position the perspective changes.
Eine befriedigende dreidimensionale Bild-Darstellung Muss einen Betrachter all diese Möglichkeiten zur Tiefenwah'rnehmung bieten. Auserdem muss ein System zur dreidimensionalen Bildarstellung so schnell ansprechbar sein, dass bewegte Objekte dargestellt werden können.A satisfactory three-dimensional image representation needs a viewer offer all these possibilities for depth perception. There must also be a system to be able to address three-dimensional images so quickly that moving objects can be represented.
In der Literatur wurden sehr viele Methoden zur Darstellung dreidimensionaler Bilder vorgeschlagen CT. Okoshi: Threedimensional Imaging Techniques, Academic Press, New York, 1976, T. Okoshi: Three-dimensional Displays, Proc. IEEE, vol.68, Seite 548, 198Q1. Man kann diese Methoden wie folgt grob klassifizieren [A.W. Lohnann, N. Streibl: On the fundamentals of 3-D display, Proc. SPIE, vol.402, Seite 6, 1983): i. Überlagerung Mehrerer Bilder aus verschiedenen Perspektiven (z.B. Stereo-Betrachtungssysteme, Integral-Photographie, BildschirMe voM Projektions-Typ, etc.) 2. Holographische Methoden (z.B. dunne Hologramme, Volumen-Hologramme, computer-erzeugte Hologramme, etc.) 3. Uberlagerung von Schnittbildern und/oder Abtastung (z.B.There are many methods for rendering three-dimensional in the literature Images suggested CT. Okoshi: Three-dimensional Imaging Techniques, Academic Press, New York, 1976, T. Okoshi: Three-dimensional Displays, Proc. IEEE, vol. 68, p 548, 198Q1. One can roughly classify these methods as follows [A.W. Lohnann, N. Streibl: On the fundamentals of 3-D display, Proc. SPIE, vol. 402, page 6, 1983): i. Overlay of several images from different perspectives (e.g. stereo viewing systems, Integral photography, projection-type screens, etc.) 2. Holographic Methods (e.g. thin holograms, volume holograms, computer-generated holograms, Etc.) 3. Superposition of sectional images and / or scanning (e.g.
Varifocal-Spiegel-Verfahren, schrittweise Erregung von Fluoreszenz, bewegte Streuscheiben, nultidirektionale Strahlteiler, etc.) Die bisher vorgeschlagenen Methoden zur Darstellung dreidinensionaler Bilder haben jedoch jeweils Mindestens einen der folgenden Nachteile: i. Dem Betrachter werden nicht alle der obengenannten Tiefennerknale angeboten (z.B. bein Stereo-Betrachtungs-System).Varifocal mirror procedure, step-by-step excitation of fluorescence, moving diffusion disks, multidirectional beam splitters, etc.) The previously proposed However, methods for displaying three-dimensional images each have at least one any of the following disadvantages: i. Not all of the above will appear to the viewer Deep recognition channels are offered (e.g. with a stereo viewing system).
2. Das System ist in der Praxis nicht hinreichend schnell ansprechbar, um bewegte Objekte darzustellen (z.B. bei Holographie, Integralphotographie).2. In practice, the system cannot be addressed quickly enough, to represent moving objects (e.g. in holography, integral photography).
3. Die Daten werden häufig in einen nur einnal beschreibbaren Material aufgezeichnet (z.B. Photoxaterial).3. The data is often in a material that can only be written on once recorded (e.g. photo material).
4. Das SysteM erfordert Mechanisch bewegte Teile (z.B. bei Varifokal-Spiegel-SysteMen oder bei bewegten Streuscheiben).4. The system requires mechanically moving parts (e.g. with varifocal mirror systems or with moving lenses).
S. Das System erfordert grosse Energien aufgrund geringer Lichteffizienz (z.B. bei schrittweiser Erregung von Fluoreszenz oder bei Multidirektionalen Strahlteilern).S. The system requires high energies due to low light efficiency (e.g. with step-by-step excitation of fluorescence or with multidirectional beam splitters).
6. Die dreidinensionalen Daten Müssen zur Ausgabe vorverarbeitet werden (z.B. Berechnung Mehrerer Perspektiven).6. The three-dimensional data must be preprocessed for output (e.g. calculation of several perspectives).
Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde Es soll ein beliebig oft wiederbeschreibbarer, in Echtzeit ansprechbarer BildschirM hoher Lichteffizienz angegeben werden> der, ohne Mechanisch bewegte Teile zu besitzen, einen oder mehreren Beobachtern die Betrachtung dreidiMensionaler Bild-Infornationen und Graphiken ermöglicht, wobei alle vier obengenannten Möglichkeiten zur TiefenwahonehMung bestehen sollen.The invention is based on the following object often rewritable, real-time addressable screen with high light efficiency specified> who, without having mechanically moving parts, one or several observers looking at three-dimensional image information and graphics made possible, with all four of the above-mentioned possibilities for depth observation should.
Die beispielsweise in Forn von Schnittbildern vorliegenden dreidimensionalen Daten sollen ohne aufwendige Vorverarbeitung direkt durch den dreidimensionalen Bildschirm ausgegeben werden. Insbesondere soll die Berechnung von perspektivischen Projektionen der dreidimensionalen Bild-Informationen vermieden werden.The three-dimensional, for example, in the form of sectional images Data should pass through the three-dimensional Screen. In particular, the calculation of perspective Projections of the three-dimensional image information are avoided.
Zun bessern Verständnis der erfindungsgeMassen Lösung dieser Aufgabe sollen zunächst einige der verwendeten Begriffe erlautert werden: + Dreidinensionale Daten dienen zuM Ansteuern des Bild schirms.For a better understanding of the inventive solution to this problem some of the terms used should first be explained: + three-dimensional Data are used to control the screen.
+ Der BildschirM besteht aus Komponenten, die jeweils ein Bildteil erzeugen.+ The screenM consists of components, each one part of the picture produce.
+ KoMponenten sind vorzugsweise Platten, auf denen holographische Strukturen aufgezeichnet sind, die in Facetten un- terteilt sein können.+ Components are preferably plates on which holographic Structures are recorded, which in facets un- be divided can.
+ Bildteile sind Teile des sichtbaren dreidimensionalen Bildes} vorzugsweise Schnittbilder, die von den Komponenten in verschiedenen Tiefen uberlagert werden.+ Image parts are parts of the visible three-dimensional image} preferably Sectional images overlaid by the components at different depths.
+ Facetten dienen zur Erzeugung von einzelnen Bildelementen.+ Facets are used to create individual picture elements.
+ Bildelemente sind elementare Teile (vorzugsweise Punkte, Linien oder graphische Symbole) der Bildteile, aus denen das dreidiMensionale Bild zusammengesetzt ist.+ Image elements are elementary parts (preferably points, lines or graphic symbols) of the image parts that make up the three-dimensional image is.
Die Aufgabe wird erfindungsgenass folgendermassen gelöst Gemäss Anspruch i wird die Richtungs- bzw. Wellenlängen-Selektivitat gewisser Gitter-Strukturen ausgenutzt, um graphische oder Bild-InforMationen zu einen dreidimensionalen Bild zu uberlagern. Hierbei werden, parallel oder sequentiell, aus verschiedenen Richtungen bzw. Mit verschiedenen Wellenlängen verschiedene Bildteile (vorzugsweise Schnittbilder) auf eine Anordnung von richtungs- bzw. wellenlängeselektiven KoMponenten projiziert. Aufgrund ihrer Selektivität soll dann jede Komponente das Licht aus einer speziellen Beleuchtungsrichtung bzw. das Licht einer bestimmten Wellenlange in Richtung des Betrachters abbeugen und alles übrige Licht unbeeinflusst passieren lassen. Das gebeugte Licht scheint dann je nach Anordnung der KoMponente aus einer bestimmten Tiefenebene zu kommen. Fig. i zeigt dies scheMatisch für ein richtungsselektives Transmissions- System: Die Strahlen i und 3 (aus einer nicht gezeichneten Lichtquelle) fallen aus verschiedenen Richtungen auf die richtungsselektiven KoMponenten 5 und 6. In Fig. i beugt dann die KoMponente 5 (bzw. 6) den einfallenden Strahl i (bzw. 3) als Strahlenbündel 2 (bzw. 4) in die Richtung des Betrachters.According to the invention, the object is achieved as follows i becomes the directional or wavelength selectivity of certain grating structures exploited to convert graphic or image information into a three-dimensional image to overlay. Here are, parallel or sequential, from different directions or different parts of the image with different wavelengths (preferably sectional images) projected onto an arrangement of directional or wavelength-selective components. Because of their selectivity, each component should then emit the light from a special one Direction of illumination or the light of a certain wavelength in the direction of the Bend over the viewer and let all the rest of the light pass unaffected. That diffracted light then shines depending on the arrangement of the components from a certain Depth level to come. Fig. I shows this schematically for a directionally selective one Transmission System: The rays i and 3 (from a not drawn Light source) fall from different directions on the direction-selective components 5 and 6. In Fig. I, the component 5 (or 6) then diffracts the incident beam i (or 3) as a bundle of rays 2 (or 4) in the direction of the viewer.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäseen Verfahrens erfolgt durch Verwendung von Volumengitter-Strukturen und/oder Volumenhologrammen in Materialien, die dick im Vergleich zu den verwendeten Lichtwellenlängen sind. In diesen Komponenten wird die erforderliche Selektivität durch Bragg'sche Beugung erzielt. Des weiteren kann holographisch in dicken Phasenmaterialien (vorzugsweise Dichromatgelatine, siehe B.J. Chang, C.D. Leonard, Applied Optics, vol.An advantageous embodiment of the method according to the invention takes place by using volume grating structures and / or volume holograms in materials, which are thick compared to the wavelengths of light used. In these components the required selectivity is achieved by Bragg diffraction. Further can be holographically in thick phase materials (preferably dichromate gelatin, see B.J. Chang, C.D. Leonard, Applied Optics, vol.
18, Seite 2407, 1979) eine Beugungseffektivitat von nahezu 100% erzielt werden, d.h. Licht, das aus der geeigneten Richtung bzw. Mit der geeigneten Wellenlänge eingestrahlt wird, wird praktisch vollständig gebeugt) alles ubrige Licht wird nahezu vollstandig transMittiert (ohne Wechselwirkung nit der Gitterstruktur). Hinzu klonen praktische Vorteile bei der Erzeugung derartiger Volunengitter-Strukturen und/oder VoluMenholograMMen: sie sind einfach Mit handelsublichen Materialien auf holographischeM Wege herstellbar und kopierbar.18, page 2407, 1979) achieved a diffraction efficiency of almost 100% i.e. light coming from the appropriate direction or with the appropriate wavelength is irradiated, is practically completely diffracted) all the remaining light is almost completely transmitted (without interaction with the lattice structure). To clone practical advantages in the production of such volume lattice structures and / or Volume holograms: they are simple with commercially available materials on holographicM Paths can be produced and copied.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht der Bildschirm aus einer oder Mehreren holographischen KoMponenten) welche jeweils eine zweidiMensionale Anordnung von Fa cetten enthalten. Multi-Facetten HolograMMe wurden fruher zur Erzeugung und Verarbeitung von zweidiMensionalen Bildern und zum Abtasten verwendet (V. Gerbig, Optics CoMMunications> vol. 36> Seite 90> 198i; S.K. Case, V.In an advantageous embodiment of the invention, there is the screen from one or more holographic components) which each have a two-dimensional Order from Fa cetten included. Multi-facet holograms were made formerly used for generating and processing two-dimensional images and for scanning used (V. Gerbig, Optics CoMMunications> vol. 36> Page 90> 198i; S.K. Case, V.
Gerbig, Optics Communications, vol. 36, Seite 94, 198i; P.R. Haugen, H.Bartelt, S.K. Case, Applied Optics, vol.Gerbig, Optics Communications, vol. 36, page 94, 198i; P.R. Haugen, H.Bartelt, S.K. Case, Applied Optics, vol.
22> Seite 2822, 1983). Jede Facette ist ein Teilhologramm, welches im Fall des Bildschirms zur räumlich-dreidimensionalen Darstellung je ein Bildelement des dreidinensionalen Bildes erzeugt. Äls Bildelement werden vorzugsweise Punkte, Linien oder graphische Symbole iM dreidinensionalen RauM verwendet. Zur Erzeugung von Punkten werden die Facetten als Hologramme spharischer Wellen ausgebildet.22> page 2822, 1983). Each facet is a partial hologram, which in the case of the screen for three-dimensional representation, one picture element each of the three-dimensional image. As a picture element, points are preferably Lines or graphic symbols used in the three-dimensional space. To the generation The facets are formed from points as holograms of spherical waves.
Die Komponenten des dreidinensionalen BildschirMes konnen entweder stapelförmig angeordnet werden und/oder in ein oder Mehrere Multiplex-Hologramme integriert werden, was zu einer Einsparung von Bauelementen fuhrt.The components of the three-dimensional screen can be either be arranged in a stack and / or in one or more multiplex holograms be integrated, which leads to a saving of components.
Der Bildschirm kann auf verschiedene Arten angesprochen werden: i. Die Teile des dreidimensionalen Bildes (vorzugsweise Schnittbilder aus verschiedenen Tiefenebenen) werden aus verschiedenen Richtungen bzw. Mit verschiedenen Wellenlängen in den Bildschirm hineiprojiziert und durch diesen zu einem räumlich-dreidimensionalen Bild überlagert.The screen can be addressed in different ways: i. The parts of the three-dimensional image (preferably sectional images from different Depth levels) come from different directions or with different wavelengths projected into the screen and through it into a three-dimensional Overlaid image.
2. Ein oder Mehrere Abtaststrahlen erzeugen sequentiell durch Beleuchtung des dreidinensionalen Bildschirxs die Bildelemente, die bei hinreichend schneller Abtastung fur den Betrachter zu einen dreidiMensionalen Bild verschMelzen.2. One or more scanning beams generate sequentially by Illumination of the three-dimensional screen, the picture elements that are sufficient faster scanning for the viewer to merge into a three-dimensional image.
Weitere Merknale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Bei diesen Ausführungsbeispiel handelt es sich UM ein Transnissions-SysteM, das aus einen Stapel von richtungsselektiven, volu-Menholographischen Facetten-KoMponenten besteht, bei denen jede Einzelfacette eine sphärische Welle rekonstuiert. Bein TransMissions-SysteM wird das Licht bezogen auf die Beleuchtungsrichtung in Vorwärtsrichtung gebeugt. Zur Aufnahne der vo luMenholographischen Facetten-KoMponenten wird vorzugsweise Dichronatgelatine verwendet (einfache Handhabbarkeit, hohe Beugungseffektivität). Fig. 2 zeigt schenatisch die Wirkung einer einzelnen Komponente 5. Die parallelen Strahlenbundel 7 bzw. 10 konnen von einer nicht gezeichneten Lichtquelle und beleuchten die Facetten 9 bzw. 12. Diese Facetten rekonstruieren jeweils eine sphärische Welle, die von den virtuellen Punkten 8 und ii auszugehen scheint. Ein Betrachter iM Bereich 13 sieht dann gleichzeitig zwei Punke im Raun. UM einen ausgedehnten Beobachtungsbereich zu erhalten (nonokulare Bewegungsparallaxe)> MUSS der 6ffnungswinkel der spharischen Wellen ausreichend gross gewahlt werden. Die Anzahl der Facetten einer Komponente stiMMt Mit der Zahl der ansprechbaren Punkte pro Bildteil (Schnittbild) uberein. Fig. 3 zeigt schematisch die Kombination von zwei derartigen Facetten-Konponenten 5 bzw. 6 in verschiedenen Tiefenebenen. Die KoMponenten haben die Eigenschaft selektiv nur Licht aus der Richtung i bzw. 3 zum Beobachtungs-Bereich 13 zu beugen. Aufgrund der Anordnung der KoMponenten hintereinander erscheinen die virtuellen Punkte, die von den angesprochenen Facetten in den KoMponenten 5 bzw. 6 erzeugt werden, in verschiedenen Tiefen. Es zeigt sich, dass die Komponente 5 die Betrachtung des virtuellen Punktes 15 nicht wesentlich stört; ebensowenig behindert die Komponente 6 die Rekonstruktion des virtuellen Punktes 14. Daher kann nan viele derartige Komponenten hintereinander anordnen, ohne dass die Wirkung jeder EinzeikoMponente beeintrachtigt wird, sofern die spezifischen Beleuchtungsrichtungen der selektiven Einzelkomponenten sich ausreichend voneinander unterscheiden. ZUM Aufbau eines vollstandigen dreidinensionalen Bildschirmes werden in ForM eines Stapels so viele Facetten-KoMponenten hintereinander angeordnet, wie das dreidinensionale Bild später Tiefenebenen enthalten soll. Die nicht gezeichnete Beleuchtungseinrichtung MUSS die Schnittbilder, die in verschiedenen Tiefen dargestellt werden sollen, in den fur die Facetten-KoMponenten spezifischen Richtungen in den dreidinensionalen Bildschirm hineinprojizieren.Further features of the invention will emerge from the following description of an exemplary embodiment This exemplary embodiment is UM a Transmission system consisting of a stack of directionally selective, volu-menholographic There is a facet component in which each individual facet has a spherical wave reconstructed. In the transmission system, the light is related to the direction of illumination bent forward. For recording the volume holographic facet components dichronate gelatine is preferably used (easy handling, high diffraction efficiency). Fig. 2 shows schematically the effect of a single component 5. The parallel Beams 7 and 10 can illuminate from a light source (not shown) the facets 9 and 12 respectively. These facets each reconstruct a spherical wave, which seems to proceed from the virtual points 8 and ii. A viewer in the field 13 then sees two points in the space at the same time. UM an extensive observation area (nonocular movement parallax)> MUST be the opening angle of the spherical Waves are chosen to be sufficiently large. The number of facets of a component Coincides with the number of addressable points per image part (sectional image). 3 shows schematically the combination of two such facet components 5 or 6 in different Depth levels. The components have the Property selective only light from direction i or 3 to the observation area 13 to bend. Due to the arrangement of the components one behind the other, the virtual points, which from the facets mentioned in the components 5 resp. 6 can be generated at different depths. It can be seen that component 5 the observation of the virtual point 15 does not significantly interfere; neither handicapped the component 6 the reconstruction of the virtual point 14. Therefore nan can many arrange such components one behind the other without affecting the effect of each individual component is affected if the specific lighting directions of the selective Individual components differ sufficiently from one another. TO build a complete three-dimensional screens are in the form of a stack so many facet components arranged one behind the other, like the three-dimensional image later contain planes of depth target. The lighting device (not shown) MUST include the sectional images, which are to be displayed in different depths, in the for the facet components project specific directions into the three-dimensional screen.
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