WO1999009449A1

WO1999009449A1 - Verfahren und anordnung zum herstellen eines räumlich wiedergebbaren bildes

Info

Publication number: WO1999009449A1
Application number: PCT/EP1998/005254
Authority: WO
Inventors: Helmut Würz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2000-02-20
Also published as: DE19736158A1; EP1019776A1

Abstract

Zur Herstellung bzw. Erzeugung eines räumlich wiedergebbaren Bildes wird vorgeschlagen, in einem Vorgang mehrere vollständige Bilder eines abzubildenden Gegenstands aus seitlich versetzten unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen. Die Abbildungen werden vorzugsweise durch eine Reihe von zylindrischen Zerstreuungslinsen hindurch abgebildet, die in den Strahlengang vor dem Objektiv einer Kamera angeordnet werden. Das sich ergebende Bild, beispielsweise ein Papierbild oder ein Diapositiv, wird durch eine Reihe von nebeneinander liegenden zylindrischen Lupen betrachtet, deren Breite der Breite der einzelnen Abbildungen gleich ist. Das Verfahren ist auch bei CAD-Darstellungen und für ein räumlich wahrzunehmendes Fernsehen geeignet.

Description

Beschreibung:

Verfahren und Anordnung zum Herstellen eines räumlich wiedergebbaren Bildes

Die Erfindung geht aus von einem Bild, das von einem Betrachter ohne zusätzliches Hilfsmittel als räumliches Bild erkannt werden kann.

Es gibt eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen, mit denen Bilder von Gegenständen hergestellt werden können, die dann vom Betrachter als räumliches Bild aufgenommen werden können.

Es ist bekannt, dass auf einem zweidimensionalen Bildwiedergabemedium, beispielsweise einem bedruckten Blatt Papier oder einem Bildschirm, der Eindruck räumlicher Tiefe hervorgerufen werden kann, indem auf dem Bildwiedergabemedium ein sogenanntes Parallax-Panoramagramm dargestellt wird, das dann durch ein vor der Bildebene angeordnetes Linsenraster betrachtet wird. Bei dem Parallax-Panoramagramm handelt es sich um eine Darstellung des dreidimensionalen Objekts, die aus mehreren entsprechenden dem Linsenraster ineinander verschachtelten Teilbildern besteht. Das Linsenraster dient dazu, die Teil- bilder optisch voneinander zu trennen, so dass bei der

Betrachtung aus einer bestimmten Ansichtsrichtung jeweils nur das zu dieser Ansichtsrichtung gehörende Teilbild erkennbar ist. Hierzu wird das Linsenraster so vor dem Panoramagramm angeordnet, dass die Brennebene der Linsen im wesentlichen mit der Bildebene zusammenfällt. Das von einem Punkt in der Bildebene ausgehende Licht wird dann durch die Linsen in ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel gebrochen, das mit der Bildnormalen einen bestimmten Winkel bildet. Der Winkel zwischen der Ansichtsrichtung und der Bildnormalen ist nach den Gesetzen der geometrischen Optik durch den Abstand zwischen dem betrachteten Punkt und der optischen Achse der zugehörigen Linse bestimmt. Die gewünschte Zuordnung zwischen den Teilbildern und der Ansichtsrichtung lässt sich somit dadurch erreichen, dass die Teilbildelemente in geeigneten Positionen in Bezug auf das Linsenraster angeordnet werden. In der Praxis wird zumeist mit einem Linsenraster aus vertikal verlaufenden Zylinderlinsen gearbeitet, und der Betrachtungswinkel wird in der Horizontalen variiert, so dass insbesondere die unterschiedlichen Parallaxen für das linke und das rechte Augen des Betrachters wiedergegeben werden und somit der Eindruck räumlicher Tiefe entsteht.

Bei einem bekannten Verfahren (DE-OS 23 48 700) wird ein Gegenstand sequentiell mit einer Kamera aufgezeichnet. Zu diesem Zweck muss die Kamera zwischen den einzelnen Aufnahmen verschoben werden.

Ebenfalls bekannt ist ein Zusatzgerät (DE-OS 21 42 099) , das eine serienmäßige Kamera kontinuierlich bogenförmig um das Aufnahmeobjekt bewegt. Auch hier werden also mehrere Aufnah- men mit einer Kamera hintereinander angefertigt.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (DE-PS 26 11 717) werden ebenfalls sequentiell Belichtungen durchgeführt und eine Relativbewegung zwischen dem Original und den Lichtbün- dein durchgeführt.

Aus EP 0 583 766 AI ist ein Verfahren bekannt, bei dem die dreidimensionale Struktur des Objekts durch eine Folge von Bildern repräsentiert wird, die aus mehreren um eine zentrale Ansichtsrichtung herum variierenden Ansichtsrichtungen aufgenommen wurden. Die Bilddaten werden in einem Computer eingegeben, der das Parallax-Panoramagramm berechnet, das dann auf ein Bildwiedergabemedium gedruckt wird. Mit Hilfe des Computers können durch Interpolation noch weitere Zwi- schenbilder synthetisiert werden, die zusätzlichen Ansichtsrichtungen entsprechen.

In einer anderen Patentschrift DE 44 16 935 C2 wird für die Berechnung des Panoramagramms eines Objekts von einem dreidimensionalen Koordinatensystem (kartesisches) ausgegangen, das durch eine Menge von Vektoren definiert ist, wobei der Betrachter sich an einem bestimmten Ort in endlicher Entfernung zu dem Objekt befindet und der Blick stets auf einen bestimmten Ansichtszielpunkt gerichtet bleibt. Die Berechnung sieht hier vor, dass das Panoramagramm für jeden Punkt des dreidimensionalen Objekts mehrere jeweils unterschiedlichen Ansichtsrichtungen zugeordnete 2-D-Bildelemente enthält. Dies setzt voraus, dass hierfür hinreichend feine Linsenraster verwendet werden und die Linienelemente sich in der Brennebene der Linsen befinden.

In allen bisher bekannten Verfahren befinden sich die ineinander verschachtelten Teilbilder oder 2-D-Bildelemente in der Brennebene der Linsen und werden im Wesentlichen als paralleles Strahlenbündel gebrochen, das mit der Bildnormalen einen bestimmten Winkel bildet. Aus diesem Sachverhalt heraus ist es erforderlich, dass relativ feine Linsenraster verwendet werden, um eine entsprechend ausreichende Auflösung zu erreichen.

Die Auflösung des dreidimensionalen Bildes ist bei diesen Verfahren durch das Linsenraster bestimmt. Das Auflösungsvermögen des verwendeten Bildwiedergabemediums sollte ein Mehrfaches dieser Auflösung betragen, damit verschachtelte Teilbilder mit entsprechenden Details noch unter einer Linse dargestellt werden können. Dies führt z. B. bei Fernsehmonitoren schon zu größeren fast unlösbaren Problemen. Die horizontale Ausdehnung eines Bildpunktes bei einem 57-cra- Bildschirm beträgt in etwa 0,6 mm. Wenn man nun davon ausgeht, dass für den Aufbau eines Parallax-Panoramagramms mit vier Teilbildern pro Linse für jedes Teilbild 4 Bildpunkte verwendet werden, müsste die Einzellinse eine Breite von 9,6 mm haben. Da sich nun die Bildpunkte in der Brennebene der Linsen befinden, wird das Licht vom Monitor als jeweils paralleles Strahlenbündel in 4 verschiedene Richtungen abgelenkt. Dies hat zur Folge, dass das Bild nur noch 1/4 der Monitorauflösung hat und zudem Lücken in Form von dunklen Streifen aufweisen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine Anordnung zum Herstellen eines räumlich wiedergebbaren Bildes zu schaffen, die sich mit geringem

Aufwand durchführen lassen und auch bei grober Rasterung eine streifenfreie unverzerrte Ansicht ergeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor.

Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Anordnung mit den im Anspruch 15 genannten Merkmalen vor.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass von dem abzubildenden räumlichen Gegenstand mehrere vollständige Abbildungen erzeugt werden, die den Gegenstand aus mehreren seitlich versetzten Richtungen zeigen, wobei jeder einzelnen Linse jeweils eine vollständige Abbildung zugeordnet ist. Die Lage der Bildebene zum Linsenraster befindet sich nicht wie bei den bekannten Verfahren in der Brennebene der Linsen, sondern wie bei der Anwendung einer Lupe zwischen dem Brennpunkt und der Linse in einem ganz bestimmten Abstand, der zur Tiefe und Brennweite in Beziehung steht.

Zur Erzeugung der Bilder wird ein tatsächlich vorhandenes Linsenraster, das beispielsweise aus mehreren Zerstreuungslinsen besteht, verwendet. Dieses Linsenraster kann aller- dings auch rechnerisch nachgebildet werden. Das Raster wird mit den in den Zerstreuungslinsen erzeugten virtuellen Bildern als ein gesamtes Bild von einer Kamera abgebildet, wobei diese Abbildung auch wieder rechnerisch erfolgen kann.

Das erzeugte flächenhafte vollständige Bild des Gegenstands entspricht den aus jeweils benachbarten Ausgangspunkten im Abstand der Linsenbreite der Einzellinse des Linsenrasters aufgenommenen Einzelansichten des Gegenstands. Jedes Einzelbild besitzt gegenüber seinen Nachbarbildern in allen Bild- punkten oder Bildpunktmengen die parallaxe Unterschiede entsprechend ihrer Raumtiefe, die sich für jeden Bildpunkt oder Bildpunktmenge des gleichen Tiefenpunktes in einem konstanten Abstand von Bild zu Bild periodisch wiederholen, solange er in dem jeweiligen Bildausschnitt noch zu finden ist.

Es gilt:

b * f a = Abstand von Bild zu Bild a = b - b = Linsenbreite der Einzellinse

T + f des Linsenrasters f = Brennweite der Einzellinse des Linsenrasters T = Tiefe des virtuellen Bildpunktes im dreidimensionalen Raumbild

Grundsätzlich reicht die Aufzeichnung des Gegenstands aus zwei nebeneinander liegenden Richtungen aus, so dass zwei Abbildungen des Gegenstand erzeugt werden. Je größer jedoch die Zahl der einzelnen Abbildungen ist, desto besser ist die Wiedergabemöglichkeit für den Betrachter, d.h. desto größer wird der Winkel, der eine räumliche Wahrnehmung ermöglicht.

Wenn die Abbildungen bei der Betrachtung zwischen der Linse und dem Brennpunkt der Linse liegen, so liegt das Raumbild hinter dem Linsenraster. Die erzielte Wirkung ist mit einem Fenster vergleichbar, durch das man hindurchschauen kann.

Werden die Bilder hinter dem Brennpunkt der Lupen angeordnet, scheint das Raumbild vor dem Linsenraster zu liegen. Es entsteht der Eindruck, als würde der Gegenstand im Raum schweben.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Breite der Lupen gleich der Breite der Abbildungen ist. Dann ist beim Betrachten der Abbildungen jeweils eine Lupe in dem entsprechenden Abstand vor der Einzelabbildung angeordnet.

In nochmaliger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abbildungen in der seitlichen Richtung verkürzt hergestellt bzw. erzeugt werden. Dann behält das sich ergebende Gesamtbild etwa das gleiche Verhältnis von Höhe und Breite, so dass es von dem Betrachter leichter erkannt werden kann.

Abbildungen des Gegenstands aus den verschiedenen Richtungen können insbesondere in Weiterbildung optisch erzeugt werden, also mit Hilfe einer optischen Abbildung. Es ist jedoch ebenfalls möglich und wird von der Erfindung vorgeschlagen, dass die Abbildungen des Gegenstands rechnerisch erzeugt werden. Dies ist insbesondere dann von Wichtigkeit oder sinnvoll, wenn die abzubildenden Gegenstände geometrischer Art sind, also im Wesentlichen aus Linien bestehen. Diese Art der Erzeugung der Abbildungen kann beispielsweise dann vorgenommen werden, wenn es sich bei den Gegenständen um auch rechnerisch bestimmbare Gegenstände handelt, also beispiels- weise in CAD-Programmen. Da die Abbildungsgleichungen optischer Systeme bekannt sind, lassen sich die Abbildungen auch einfach berechnen. Es ist auch möglich, beispielsweise eine optische Abbildung auf einer elektrisch abtastbaren Einrichtung, beispielsweise einem CCD-Sensor, durchzuführen und die Wirkung der Linsen dann berechnen zu lassen. Dies ist auch bei normalen Bildern möglich, also nicht nur, wenn die abzubildenden Gegenstände aus Linien bestehen.

In nochmaliger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abbildungen gleichzeitig erzeugt werden. Dies bedeutet bei der Herstellung der Abbildungen auf optischem Weg, dass für ein stillstehendes Bild nur eine einzige Aufnahme erforderlich ist.

Insbesondere kann bei der Herstellung der Abbildungen vorgesehen sein, dass diese mit Hilfe einer Reihe nebeneinander liegender, insbesondere zylindrischer Zerstreungslinsen hergestellt werden, die in dem Strahlengang zur optischen Erzeugung der Abbildung angeordnet werden. Dies ist die ein- fachste Art, wie eine Vielzahl von Abbildungen des gleichen Gegenstands aus seitlich versetzten Richtungen auf einer ebenen Fläche erzeugt werden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Zerstreuungslinsen derart angeordnet und ausgebildet werden, dass die mit ihrer Hilfe erzeugten Abbildungen in einer Ebene mit geringem oder ohne seitlichen Abstand nebeneinander liegen.

Erfindungsgemäß können die Abbildungen beispielsweise auf einem fotografischen Film, also in einem Fotoapparat oder einer Filmkamera erzeugt werden, oder aber auch auf einem Monitor bzw. einem Bildschirm.

Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Anordnung mit den im Anspruch 15 genannten Merkmalen vor. Dabei kann die Einrichtung zum Betrachten des Bildes ein Teil des Bildes sein, oder aber ein Zusatzgerät, das der Betrachter in ähnlicher Weise wie eine Lupe oder ein Vergrößerungsgerät für Diapositive bei sich hat.

Insbesondere kann auch hier vorgesehen sein, dass die Breite der Lupen gleich der Breite der Abbildungen ist.

In nochmaliger Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Aufzeichnungsgerät derart ausgebildet ist, dass die Abbildungen in der seitlichen Richtung verkürzt hergestellt werden.

Das Aufzeichnungsgerät kann eine optische Kamera aufweisen oder von ihr gebildet sein. Ebenfalls möglich ist es, dass das Aufzeichnungsgerät eine Videokamera aufweist, falls räumliche Abläufe aufgenommen und wiedergegeben werden sollen.

Das Aufzeichnungsgerät kann ebenfalls derartig ausgebildet sein, dass es die Abbildungen rechnerisch ermittelt. Die Abbildungsgleichungen von optischen Einrichtungen wie Linsen, Spiegel oder dergleichen sind bekannt. Es ist daher möglich, eine Abbildung eines Gegenstands auch zu berechnen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Gegenstände ebenfalls in Form von Gleichungen oder nummerischen Werten vorliegen, wie beispielsweise bei CAD-Programmen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Aufzeichnungsgerät alle Abbildungen gleichzeitig oder quasi gleichzeitig erzeugt.

Eine Möglichkeit der Erzeugung mehrerer seitlich verkürzter Abbildungen besteht darin, die Abbildungen mit Hilfe einer Reihe nebeneinander liegender zylindrischer Zerstreuungslinsen herzustellen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Abbildungen auf einem Bildschirm erzeugt und/oder wiedergegeben werden. Darunter ist auch zu verstehen, dass die Abbildungen zunächst auf einer elektrisch abtastbaren Zwischenanordnung erzeugt und erst dann auf einem Bildschirm mit sichtbaren Informatio- nen erzeugt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, deren Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der fol- genden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines Bildes aus mehreren Abbildungen;

Fig. 2 die Anordnung zur Betrachtung des in Fig. 1 erzeugten Bildes; Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erklärung der Zusammensetzung mehrerer Abbildungen;

Fig. 4 den Strahlengang zur Erläuterung des Bilds;

Fig. 5 den Strahlengang bei drei nebeneinander liegenden Lupen;

Fig. 6 - 9 schematische Darstellungen zur weiteren Erläuterung.

Fig. 1 zeigt in einer ganz einfachen Übersicht eine Möglichkeit, wie von einem räumlichen Gegenstand 1 mit Hilfe eines optischen Systems eine Reihe von nebeneinander liegenden Ab- bildungen aus unterschiedlichen Richtungen in einer Bildebene 2 hergestellt werden können. Zur Herstellung einer Abbildung des Gegenstandes 1 ist ein optisches System vorhanden, das durch die schematisch dargestellte Linse 3 verwirklicht wird. Bei der Linse 3 kann es sich um ein fotografi- sches Objektiv handeln. Die Linse 3 würde normalerweise in der Bildebene 2 ein zweidimensionales Bild des Gegenstandes 1 herstellen. Vor der Linse 3 ist im Strahlengang zwischen dem Gegenstand 1 und der Bildebene 2 eine Einrichtung 4 zur Herstellung mehrerer einzelner Abbildungen angeordnet. Es han- delt sich um eine Reihe von nebeneinander liegenden zylindrischen Zerstreungslinsen 5, also beispielsweise um einen Glaskörper, der auf einer der beiden Seiten mit konkaven Rillen versehen ist. Auf jede der dadurch gebildeten Zylinderlinsen fällt ein Abbild des vollständigen Gegenstandes 1, wobei alle Zerstreungslinsen den Gegenstand 1 aus einer unterschiedlichen Richtung sehen. Diese unterschiedlichen Richtungen sind quer zur den Zylinderachsen der Linsen seitlich versetzt. Durch die Zerstreungslinsen 5 wird ein in dieser Richtung verkürztes Bild des Gegenstandes 1 erzeugt, das mit Hilfe der Linse 3 in der Bildebene abgebildet wird. Dadurch entstehen in der Bildebene 2 mehrere nebeneinander liegende Abbildungen 6 des Gegenstandes 1. Die Einrichtung 4 ist so ausgebildet, dass in der Bildebene 2 die einzelnen Abbildungen 6 des Gegenstandes 1 mit geringem oder ohne Abstand nebeneinander angeordnet sind.

Zum Betrachten der auf diese Weise hergestellten einzelnen Abbildungen 6, beispielsweise Farbfotografien, dient eine Betrachtungseinrichtung 7, die eine Vielzahl von zylindrischen Lupen 8 enthält. Die Breite der Lupen 8, anders ausgedrückt das Raster der Lupen 8 , entspricht exakt der Breite der einzelnen Abbildungen. Dadurch ist vor jeder einzelnen Abbildung eine einzelne Lupe 8 angeordnet, durch die diese Abbildung betrachtet werden kann. Der Abstand zwischen der

Bildebene 2 und der Betrachtungseinrichtung 7 ist so gewählt, dass die Bildebene 2 hinter oder vor der Brennebene der Lupen 8 liegt. Dadurch entsteht beim Betrachten der einzelnen Abbildungen jeweils ein virtuelles Bild, das vergrößert ist.

Die Größe des Rasters, d. h. die Breite der einzelnen Abbildungen 6 und der zylindrischen Lupen 8, kann dabei relativ groß sein.

Es ist möglich, beispielsweise die Betrachtungseinrichtung 7 als Teil des fertigen Papierbilds auszugestalten, aber auch, die Betrachtungseinrichtung 7 nach Art eines Bildbetrach- tungsgeräts für Diapositive auszubilden.

Das Entstehen des räumlichen Eindrucks durch die Betrachtung mehrerer Einzelabbildungen wird jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt schematisch zwei nebeneinander liegende Abbildungen in Form je eines Pfeils 9, wobei für jeden Pfeil 9 eine zylindrische Lupe 8 vorhanden ist. Da die Abbildungen des Gegenstands, im vorliegenden Fall die Pfeile 9a, 9b, aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen sind, liegen sie auch im Verhältnis zu ihren Lupen 8a, 8b an unterschiedlicher Stelle. Beim Betrachten des Pfeils 9a durch die Lupe 8a entsteht ein Bild b. Es gilt folgende Gleichung:

C (= Korrekturfaktor) / f = b / (T + f)

Oder anders ausgedrückt:

C = b * f / ( T + f)

Die Größen der Rasterbreite b und die Brennweite f sind in einem gegebenen Linsensystem konstant, so dass der Korrekturbeitrag C direkt von der Tiefe T des virtuellen Bildpunkts hinter dem Linsenraster abhängt. Die Spitze des Pfeils 9a ist in dem in Fig. 3 unteren Linsensystem gegenüber dem oberen System von den jeweiligen optischen Achsen aus gesehen um den Betrag C nach oben verschoben. Für den Abstand a des gleichen Tiefenpunkts von Bild zu Bild gilt dann:

a = b - C

Nun zu Fig. 4. Für die Bildgröße B und die Bildweite g gelten folgende Gleichungen:

B = G * f / ( T + f)

g = B * T / G

Beim Zusammensetzen der einzelnen Bilder zu einem räumlichen Gesamtbild, siehe hierzu die Fig. 5, enthält jedes einzelne Linsensystem des Linsenrasters eine verkleinerte Version des beim Betrachten erscheinenden Gesamtbilds mit den entsprechenden Unterschieden der Richtung bei der Abbildung. Der jeweilige Bildausschnitt entspricht in seiner Breite der jeweiligen Breite der Einzellinse des Linsenrasters.

Bei sphärischen Linsen wird eine Abbildung gleichmäßig vergrößert oder verkleinert dargestellt, horizontal und vertikal.

Bei einer vertikal verlaufenden Zylinderlinse wird das Bild nur horizontal vergrößert oder verkleinert.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Lage der Bildebene zum Linsenraster sich hier nicht wie bei den anderen Verfahren in der Brennebene der Linsen befindet, sondern wie bei der Anwendung einer Lupe zwischen Brennpunkt und Linse in einem ganz bestimmten Abstand, der zur Tiefe und Brennweite in Beziehung steht.

Dadurch werden die Lichtstrahlen eines Bildpunktes von einer Linse nicht mehr als paralleles Strahlenbündel abgestrahlt, sondern als divergierendes Bündel, in der Form dass die Bildpunkte eines gleichen Raumpunktes unter jeder Linse in rückwärtiger Verlängerung in einem virtuellen Raumbildpunkt konvergieren.

Folgendes Prinzip liegt dem beschriebenen Verfahren zugrunde:

Alle Punkte in der Bildvorlage, die ein und denselben räumli- chen virtuellen Punkt abbilden sollen, müssen so in der Bildvorlage platziert sein, dass die Strahlen nach der Brechung in rückwärtiger Verlängerung in diesem Raumpunkt konvergieren, d. h. sich in diesem Punkt schneiden. Diese Überlegungen gelten grundsätzlich sowohl für sphärische als auch für Zylinderlinsenraster.

Der wesentliche und entscheidende Vorteil bei dem von der Erfindung vorgeschlagenen neuen Verfahren gegenüber dem bisherigen Verfahren besteht darin, dass das bei den bekannten Verfahren notwendige, unterhalb des Auflösungsvermögens des Auges liegende feine Linsenraster hier nicht mehr erforderlich ist. Es können Rasterbreiten gewählt werden, die relativ groß sein dürfen, da auch große Einzelbilder ohne störenden Übergang kontinuierlich zu einem Gesamtbild zusammenfließen. Die obere Grenze der Rasterbreite ist abhängig von dem Betrachtungsabstand. Es müssen sich auf der Netzhaut des Auges im Bereich des Scharfsehens mindestens zwei Linsen des Lin- senrasters mit ihren Teilbildern und den Richtungsunterschieden abbilden.

Beispiel:

In kurzer Form wird nachfolgend unter Verwendung der zuvor entwickelten Gleichungen eine Methode für die Berechnung und zeichnerische Darstellung von 3-D-Bildern gezeigt. Diese Methode kann aber auch als Grundlage für die Berechnung und Darstellung durch entsprechende Computerprogramme genutzt werden. Als Beispiel dient ein Würfel.

1.) Rasterbreite b des Wiedergaberasters festlegen, z. B. 7 mm

2.) Brennweite f des Wiedergaberasters festlegen, z. B.

15 mm

3.) Tiefe T des Raumbildes festlegen, z. B. 30 mm für die vordere Würfelfläche 4. ) Berechnung der Bildgröße B = G * f 12 * 15 = = 4

(T+f) (30+15)

Bei Verwendung von zylindrischen Linsen für das Wiedergaberaster verkürzt sich das Bild nur in der Horizontalen.

5. ) Berechnung von Korrekturfaktor b * f 7 * 15 c = = = 2,33

(T+f) (30+15)

6.) Abstand a des gleichen Tiefenpunkts von Bild zu Bild berechnen a = b - c = 7 - 2,33 = 4,67

7.) Berechnete Bildgröße im Abstand a im Raster in der Bildebene platzieren. Bilddetails, die sich außerhalb des Bildausschnitts befinden, werden in diesem Bild nicht mehr dargestellt.

Tiefe der vorderen Würfelfläche 30 mm B = 4 mm c = 2,33 mm a = 4,67 mm

Die beschriebenen Rechenschritte 3 bis 7 für die Berechnung weiterer Tiefenpunkte wiederholen.

Tiefe der hinteren Würfelfläche 40 mm B = 3,27 nun c = 1,9 mm a = 5,1 mm

8.) Alle Eckpunkte der vorderen Würfelfläche mit den Eckpunkten der hinteren Würfelfläche durch Linien verbinden. Der Abstand g der Bildebene zum Linsenraster wird so berechnet, dass die mittlere Tiefe zwischen vorderer und hinterer Würfelfläche zugrunde gelegt wird.

f * T

(T + f)

Anwendungsgebiete

Neben der bereits erwähnten Erzeugung von Papierbildern, die mit Hilfe der Zylinderlupen betrachtet werden können, kann auch das Fernsehen mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens verbessert werden. Die Aufnahme mit optisch abbildenden Bauelementen bzw. Instrumenten und die Speicherung auf einer Photoschicht oder auf elektronischem Weg über Bildwandler kann mit Hilfe des Linsenrasters erfolgen. Für die Aufnahme wird ein Linsenraster mit Zerstreuungslinsen verwendet, und die verkleinerten virtuellen Teilbilder des Objekts im Linsenraster werden über das Kameraobjektiv auf der Speicherschicht abgebildet. In diesen Teilbildern sind die Richtungsunterschiede, die den jeweiligen Tiefen des Gegenstands entsprechen, schon vorhanden. Man erhält also eine komplett ge- rasterte Bildvorlage aus aus jeweils benachbarten Ausgangspunkten aufgenommenen Einzelabbildungen eines Gegenstands mit allen Informationen über den Raum, die Helligkeit und Farbe in einem einzigen Vorgang. Wenn nun für die Wiedergabe ein Linsenraster mit positiven Linsen im richtigen Größenverhält- nis verwendet und vor die Bildebene angebracht wird, erscheint das aufgenommene Objekt als dreidimensionales Raumbild. Ein solches Linsenraster kann beispielsweise direkt an dem Fernsehgerät angebracht werden, gegebenenfalls auch nachträglich. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die dreidimensionale Darstellung von CAD-Zeichnungen auf einem Bildschirm. In diesem Fall lassen sich die einzelnen Teilabbildungen mit Hilfe der bekannten Abbildungsgleichungen berechnen und in einem Raster auf dem Bildschirm darstellen, vor dem dann eine Vorsatzscheibe mit den zylindrischen Lupen in dem richtigen Raster angebracht werden kann.

Anhand der nachfolgenden paraxialen Bildkontruktionen (CAD- Zeichnungen mit einer Genauigkeit von 16 Stellen hinter dem Komma) kann zwischen den eingangs beschriebenen Gleichungen und der zeichnerischen Methode eine völlige Übereinstimmung festgestellt werden, die für eine Berechnung der Bilder als Grundlage erforderlich sind.

Bei einer theoretischen Zerstreuungslinse (Fig. 6) mit der Brennweite f = 20 mm wird ein Gegenstand mit der Größe G = 20 mm (großer Pfeil) der in einer Tiefe von T = 60 mm von den Hauptpunkten der Linse entfernt ist, als virtuelles Bild (kleiner Pfeil) mit der Größe B = 5 mm im Abstand g = 15 mm von den Hauptpunkten der Linse dargestellt.

Bei einer theoretischen Sammellinse (Fig. 7) mit der Brennweite f = 20 mm wird ein Bild mit der Größe B = 5 mm (kleiner Pfeil) im Abstand g = 15 mm von den Hauptpunkten der Linse als virtuelles Bild (großer Pfeil) mit der Größe G = 20 mm in einer Tiefe von T = 60 mm von den Hauptpunkten der Linse dargestellt.

Aus diesem Sachverhalt ist zu ersehen, dass wenn das von einem Objekt durch eine Zerstreuungslinse entstehende virtuelle Bild mit einer Sammellinse in der Anordnung als Lupe betrachtet wid, man das Bild wieder exakt als räumliches Objekt sieht. In der folgenden Darstellung wird anhand der zeichnerischen Methode überprüft, ob diese Erkenntnis auch auf ein Linsenraster mit insgesamt 5 Linsen übertragbar ist.

In Fig. 8 ist ein Linsenraster aus Zerstreuungslinsen und eine paraxiale Bildkonstruktion dargestellt, mit folgenden theoretischen Linsendaten:

Rasterbreite b = 22 mm Brennweite f = 22 mm

Werte:

Gegenstandsgröße G = 22 mm Tiefe T = 88 mm

Bildgröße B = 3,97 mm

Abstand a = 17,6 mm

Korrekturfaktor c = 4 , 4 mm

Bildabstand zum Raster g = 18,03 mm

Die berechneten Werte und die gezeichneten Werte stimmen völlig überein.

In Fig. 9 ist ein Linsenraster aus Sammellinsen in der Anordnung von Lupen dargestellt, mit den gleichen theoretischen Linsendaten wie oben:

Rasterbreite b = 22 mm Brennweite f = 22 mm

Mit den oben berechneten und gezeichneten Werten wurde die paraxiale Bildkonstruktion des virtuellen Raumbilds durchgeführt . Werte:

Bildgröße B = 3,97 mm

Abstand a = 17,6 mm

Korrekturfaktor c = 4 , 4 mm Bildabstand zum Raster g = 18,03 mm

virtuelle Raumbildgröße G = 22 mm Tiefe T = 88 mm

Aus diesem Ergebnis ist zu ersehen, dass bei identischen

Linsendaten für das Aufnahmeraster und das Wiedergaberaster das reelle Objekt und das virtuelle Raumbild in Größe und Raumtiefe völlig identisch sind.

Es vermittelt dem Betrachter den gleichen Raumeindruck wie das reale räumliche Objekt und wird wie in diesem Fall 1:1 wiedergegeben. Es berücksichtigt dabei die natürliche Sehensweise der menschlichen Anatomie (Physiologie) wie Augenabstand, Blicktiefe und Konvergenz der Sehachsen. Deshalb kann praktisch jeder die 3-D-Szene sehen und empfindet auch bei längerer Betrachtung keine Anstrengung. Dabei ist es möglich, die Augen auf nahe und entfernte Objekte zu fokussieren.

Diese Überlegung führte erfindungsgemäß zu einem Linsenraster mit Zerstreuungslinsen und die dadurch sich ergebende vorteilhafte Möglichkeit, fertige Teilbilder mit allen paralla- xen Unterschieden des dreidimensionalen Objekts in einem Zuge zu erhalten. Da diese Teilbilder nur virtuell vorhanden sind, muss das Linsenraster als gesamtes Bild abgebildet werden. Dies geschieht vorteilhaft mit einer handelsüblichen Kamera, dabei spielt es keine Rolle, ob dazu eine Foto-, Digitaloder Videokamera verwendet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines räumlich wiedergebbaren Bilds, bei dem 1.1 von dem abzubildenden Gegenstand (1) mehrere vollständige Abbildungen (6) erzeugt werden, die

1.2 den Gegenstand (1) aus mehreren seitlich versetzten Richtungen zeigen und

1.3 die in einer Ebene (2) nebeneinander mit geringem seitlichem Abstand angeordnet werden, und bei dem

1.4 vor den Abbildungen (6) eine Reihe nebeneinander liegender Lupen (8) angeordnet wird, die

1.5 von den Abbildungen (6) einen Abstand von mehr oder weniger als die Brennweite aufweisen und 1.6 von denen jede Lupe (8) einer Abbildung (6) zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Breite der Lupen (8) gleich der Breite der Abbildungen (6) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abbildungen (6) in der seitlichen Richtung verkürzt hergestellt bzw. erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Lupen Zylinderlupen (8) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen (6) optisch erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen (6) rechnerisch erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen (6) gleichzeitig erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen (6) mit Hilfe einer Reihe nebeneinander liegender Zerstreungslinsen (5) hergestellt bzw. erzeugt werden, die in den Strahlengang zur optischen

Erzeugung der Abbildungen (6) angeordnet werden und die in seitlicher Richtung zerstreuend wirken.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Zerstreuungslin- sen (5) derart angeordnet und ausgebildet werden, dass die mit ihrer Hilfe erzeugten Abbildungen (6) in einer Ebene (2) mit geringem oder ohne Abstand nebeneinander liegen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zerstreuungslinsen (5) zylindrische Linsen sind.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zerstreuungslinsen (5) in der Richtung quer zu ihrer Zerstreu- ungsrichtung als Sammellinsen wirken.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Abbildung mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen von Streuungslinsen und/oder zur Wiedergabe mindestens zwei übereinander angeordnete Reihen von Sammellinsen verwendet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , bei dem die Zerstreuungslinsen (5) rechnerisch simuliert werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abbildungen (6) auf einem Bildschirm erzeugt und/oder wiedergegeben werden.

15. Anordnung zur Herstellung bzw. Erzeugung eines räumlich wiedergebbaren Bildes, mit

15.1 einem Bildaufzeichnungsgerät (4), das

15.2 mehrere Abbildungen (6) eines Gegenstandes (1) aus seitlich versetzten Richtungen in einer Ebene (2) aufzeichnet, sowie mit

15.3 einer Bildbetrachtungseinrichtung (7), die

15.4 eine Reihe von nebeneinander angeordneten Lupen (8) aufweist, 15.5 von denen jede einer der Abbildungen (6) zugeordnet ist und 15.6 von dieser einen Abstand von weniger oder mehr als die Brennweite aufweist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, bei der die Breite der Lupen (8) gleich der Breite der Abbildungen (6) ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, bei der die Lupen Zylinderlupen (8) sind.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der das Aufzeichnungsgerät (14) derart ausgebildet ist, dass die Abbildungen (6) in der seitlichen Richtung verkürzt hergestellt werden.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der das Aufzeichnungsgerät eine optische Kamera aufweist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der das Aufzeichnungsgerät eine Videokamera aufweist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der das Aufzeichnungsgerät die Abbildungen (6) rechnerisch ermittelt.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei der das Aufzeichnungsgerät alle Abbildungen (6) gleichzeitig erzeugt.

23. Anordnung nach einem der Anspruch 15 bis 22, bei der die Abbildungen mit Hilfe einer Reihe nebeneinander liegender Zerstreuungslinsen (5) hergestellt werden, die in den Strahlengang zur Erzeugung der Abbildungen (6) ange- ordnet sind.

24. Anordnung nach Anspruch 23, bei der die Zerstreuungslinsen (5) Zylinderlinsen sind.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei der die zylindrischen Zerstreuungslinsen (5) derart angeordnet und ausgebildet sind, daß die mit ihrer Hilfe erzeugten Abbildungen (6) in einer Ebene (2) mit geringem oder ohne Abstand nebeneinander liegen.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, bei der die Abbildungen (6) auf einem Bildschirm erzeugt und/ oder wiedergegeben werden.

27. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, bei der der Gegenstand (1) als rechnerisches Modell vorliegt.