DE10134430A1

DE10134430A1 - Immersive stereoscopic projection system for use in virtual reality with software corrected projection onto a concave projection screen and floor and masking of non-visible regions

Info

Publication number: DE10134430A1
Application number: DE10134430A
Authority: DE
Inventors: Matthias Buck; Walter Gillner; Ralf Specht
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-01-30

Abstract

Projection system for presentation of virtual worlds and objects whereby, to achieve a high degree of reality, a projection system is produced that combines a floor projection and a circular projection with additional tracking of an observer. Software is used to ensure the correct perspective projection onto a concave projection screen of the circular projection and the masking out of non-visible areas of the circular and floor projections. An Independent claim is made for an arrangement for stereoscopic projection of an image.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur stereoskopischen Projektion von Bildern nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9. The invention relates to a method and arrangement for stereoscopic projection of images according to the generic terms of claims 1 and 9.

Die Erfindung ist bei der Entwicklung, Fertigung und Montage von Bauteilen und Konstruktionen anwendbar. Ziel ist es, Prototypen möglichst real und kostengünstig zu entwickeln. The invention is in the development, manufacture and assembly applicable to components and constructions. The goal is, To develop prototypes as realistically and inexpensively as possible.

Es ist bekannt, Bauteile oder Konstruktionen mit einem Rechner zu erstellen und diese dreidimensional darzustellen. Ausgabegeräte zur möglichst realitätsnahen Darstellung einer von einem Rechner geschaffenen, interaktiven, dreidimensionalen Umwelt (Virtual Reality (VR)) ermöglichen es, komplexe unüberschaubare Strukturen, wie zum Beispiel aus Versuchen oder Simulationen gewonnene Datensätze, anschaulich darzustellen. It is known components or constructions with a computer to create and present these in three dimensions. Output devices for the most realistic representation of a created by a computer, interactive, three-dimensional Environment (Virtual Reality (VR)) makes it possible to unmanageable structures, such as from experiments or Simulations obtained data sets to illustrate clearly.

Ein wichtiger Punkt ist dabei die möglichst realistische dreidimensionale Darstellung der berechneten Szenen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Arbeitsplatz-3D-Bildschirmen, bei denen die virtuelle Welt lediglich von außen, wie durch ein Fenster betrachtet wird, vermitteln immersive Projektionstechnologien dem Benutzer das Gefühl, in diese künstliche Welt einzutauchen, ein Teil von ihr zu sein. Die Benutzer können in die betrachteten Strukturen hineinspähen oder um sie herumgehen und sie somit leichter verstehen. In wissenschaftlichen oder technischen Anwendungen sind immersive Projektionstechniken eine große Hilfe bei der Suche nach Mustern, Verbindungen, Anomalien oder sonstigen Beziehungen. An important point is the most realistic three-dimensional representation of the calculated scenes. in the Unlike traditional workplace 3D screens, where the virtual world only from the outside, like through a Window is considered to convey immersive Projection technologies make the user feel in this to dive into the artificial world, to be a part of it. The Users can peek into the structures under consideration or walk around them, making them easier to understand. In scientific or technical applications are immersive Projection techniques are a great help in finding Patterns, connections, anomalies or other relationships.

Immersive Ausgabegeräte wurden ursprünglich als wissenschaftliche Visualisierungswerkzeuge entwickelt. Als erster Industriezweig hat die Automobilindustrie angefangen, die VR-Technologie in großem Stil einzusetzen. Hauptziele sind dabei die Verkürzung der Entwicklungszeit und gleichzeitige Reduzierung der Kosten beim Bau neuer Automobile. So können beim sogenannten virtuellen oder digitalen Prototyping zum Beispiel das Interieur eines Autos auf Ergonomie überprüft oder Wartungs- und Reparaturarbeiten simuliert werden noch bevor der erste Prototyp gebaut ist. Auch in anderen Industriezweigen, wie zum Beispiel der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Schiffs- und Anlagenbau spielt VR und damit die Verfügbarkeit hochwertiger, kostengünstiger immersiver Projektionssysteme eine immer größere Rolle. Immersive output devices were originally called developed scientific visualization tools. As first industry, the automotive industry has started to use the VR technology in a big way. Main goals are doing the shortening of development time and simultaneous Reduction of costs for the construction of new automobiles. So can in so-called virtual or digital prototyping for Example checking the interior of a car for ergonomics or Maintenance and repair work can be simulated even before the first prototype is built. Also in other industries, such as the aerospace industry or in the Ship and plant construction plays VR and thus the availability high quality, low cost immersive projection systems an increasingly important role.

Es gibt inzwischen eine Vielzahl unterschiedlicher immersiver Projektionssysteme. Sie unterscheiden sich zum Teil ganz erheblich in ihrer Bauweise, dem Immersionsgrad sowie den Kosten. There are now a variety of different immersive Projection systems. They differ in part completely Significant in their construction, the degree of immersion and the Costs.

Die wohl einfachsten dieser Systeme sind vor den Augen zu tragende Anzeigevorrichtungen (Head Mounted Display, (HMD)), bei welchen die 3D-Graphik auf die Gläser einer Brille projiziert wird. Ein derartiges Projektionssystem ist in DE 196 41 480 A1 beschrieben. Es werden keine teueren Aufbauten und Projektoren benötigt. Die Kosten für ein HMD sowie die benötigte Rechenleistung sind daher im Vergleich zu anderen Systemen gering. Weitere Vorteile sind der niedrige Platzbedarf sowie der hohe Immersionsgrad des einzelnen Benutzers. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch, dass das HMD nicht mehrbenutzerfähig ist. Für Präsentationen ist das HMD damit weniger geeignet. Weiterhin ist die maximal mögliche grafische Auflösung des Displays geringer als bei anderen Projektionssystemen. Probably the simplest of these systems are too obvious Head Mounted Display (HMD), in which the 3D graphics on the glasses of a pair of glasses is projected. Such a projection system is described in DE 196 41 480 A1 described. There are no expensive bodies and Projectors needed. The cost of an HMD and the required computing power are therefore compared to others Systems low. Further advantages are the low space requirement as well as the high degree of immersion of the individual user. On However, the major disadvantage is that the HMD is not is multi-user capable. For presentations, the HMD is with it less suitable. Furthermore, the maximum possible graphic Display resolution lower than others Projection systems.

Es sind weiterhin Projektionssysteme bekannt die einen Bildschirm mit großer Diagonale mit Abmessungen von ca. 1-1.5 m verwenden, auf welchem die 3D-Graphiken von vorn dargestellt werden. Aufgrund der relativ kleinen Projektionsfläche, sowie des Blicks auf einen Bildschirm, ist der Immersionsgrad deutlich geringer als beim HMD. Man hat, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Arbeitsplatz-3D-Bildschirm, das Gefühl die virtuelle Welt durch ein Fenster zu betrachten. Dafür sind solche Systeme jedoch eingeschränkt mehrbenutzerfähig. Sie empfehlen sich im wesentlichen als Einzelarbeitsplätze, welche gelegentlich für Präsentationen genutzt werden können und an denen Immersion nicht den allerhöchsten Stellenwert hat. There are still known projection systems the one Large diagonal screen with dimensions of approx. 1-1.5 m use on which the 3D graphics shown from the front become. Due to the relatively small projection screen, as well Looking at a screen, the degree of immersion is significantly lower than the HMD. One has, similar to one conventional workplace 3D screen, the feeling the to look at the virtual world through a window. For that are however, such systems are limited in multi-user capability. she are essentially recommended as a single workstations, which occasionally can be used for presentations and on Immersion does not have the highest priority.

Eine Weiterentwicklung der Systeme mit großen Bildschirmen sind Systeme bei denen die Bilder von hinten auf zwei ca. 2 × 1,5 m große, L-förmig angeordnete Mattscheiben projiziert werden. Die Bilder werden dabei abhängig von der Position des Benutzers berechnet. Durch diese benutzerabhängige Bilderzeugung sowie die Projektion auf zwei Flächen ist der Grad der Immersion deutlich größer als bei den zuvor beschriebenen Systemen. Der Knick zwischen den beiden Scheiben, auf welche projiziert wird, erzeugt für die Beobachter 17, die einen anderen Blickwinkel auf die Projektionsflächen haben, als der Beobachter, dessen Position bestimmt und aus dessen Blickrichtung die Bilder berechnet werden, jedoch große Verzerrungen. Hierdurch ist ein solches System für Präsentationen weniger geeignet. A further development of systems with large screens are systems in which the images are projected from behind on two approximately 2 × 1.5 m large, L-shaped focusing screens. The images are calculated depending on the position of the user. Due to this user-dependent image generation and the projection on two surfaces, the degree of immersion is significantly greater than in the systems described above. The kink between the two slices being projected produces large distortions for the observers 17 , who have a different angle of view from the projection surfaces than the observer, whose position is determined and from which the images are calculated. This makes such a system less suitable for presentations.

Des weiteren wird zur Projektion von 3D-Graphiken mit meist mehreren Projektoren eine große Leinwand verwendet. Die grafische Auflösung ist deutlich höher als bei den Systemen mit großen Bildschirmen. Die Systeme mit großen Leinwänden sind mehrbenutzerfähig und eignen sich sehr gut für Präsentationen. Der Immersionsgrad ist jedoch wesentlich geringer als beim HMD, da bei nur eine Ebene als Präsentationsfläche zur Verfügung steht. Furthermore, the projection of 3D graphics with mostly several projectors used a large screen. The graphical resolution is significantly higher than the systems with big screens. The big screen systems are multi-user capable and very suitable for presentations. However, the degree of immersion is much lower than in the HMD, because only one level is available as a presentation area stands.

Ein weiteres immersives Projektionssystem ist die Rundprojektion. Anstatt die 3D-Graphik auf eine große ebene Leinwand zu projizieren ist die Projektionsfläche Teil eines Zylinders. Der Öffnungswinkel variiert dabei i. a. zwischen 120 und 200 Grad. Dadurch, dass die Projektionsfläche teilweise um den Benutzer herum geht und somit fast sein gesamtes Sichtfeld abdeckt, ist der Immersionsgrad bei der Rundprojektion deutlich höher als bei den Systemen mit großen Leinwänden. Another immersive projection system is the Round projection. Instead of the 3D graphics on a large level Projecting the screen is part of a projection screen Cylinder. The opening angle varies i. a. between 120 and 200 degrees. Due to the fact that the projection area partially um the user walks around and thus almost his entire field of vision covers the degree of immersion in the round projection higher than the systems with large screens.

Desweiteren sind würfelförmige Projektionsräume (Computerized Automatic Virtual Environment, (CAVE))bekannt, bei denen ähnlich wie bei den Systemen mit L-förmig angeordneten Mattscheiben die 3D-Graphiken benutzerabhängig auf mehrere rechtwinkelig zueinander stehende Seiten projiziert werden. Bei den meisten heute existierenden CAVEs werden die Bilder auf vier Seiten projiziert: vorne, rechts, links, sowie auf den Fußboden. Bei solch einer vierseitigen CAVE (C4) erfolgt die Projektion auf den Boden von oben herab. Bei fünf- und sechsseitigen CAVEs (C5/C6) ist dies nicht mehr möglich, hier werden die Projektoren unter dem Fußboden angebracht, was den Aufbau noch wesentlich komplizierter und teurer macht. Die Standardmaße einer kleinen für ca. 6 Personen geeigneten CAVE sind 2,4 m × 2,4 m × 2,4 m. Die Ausmaße einer großen CAVE, welche sich für Gruppen von ca. 10 Personen eignet, sind 3 m × 3 m × 3 m. Obwohl die Projektoren die CAVE in der Regel nicht direkt beleuchten, wird ihr Bild meist über mindestens einen Spiegel umgelenkt uns man benötigt immer noch eine Raumhöhe von wenigstens vier Metern für den Aufbau einer kleinen vierseitigen CAVE. Der Immersionsgrad der CAVE ist, insbesondere bei der C6, sehr hoch. Allerdings sind dieses Systeme sehr teuer und lediglich eine Person hat eine optimale Darstellungsqualität. Die restlichen Personen sehen zum Teil starke Diskontinuitäten in Form von Richtungssprüngen an den Kanten des würfelförmigen Raumes. Bei sehr hellen Szenen treten weiterhin störende Übersprechungen, wie Spiegelungen bzw. wechselseitige Beleuchtung der Flächen, an den Kanten und in den Ecken des Würfels auf, welche zu einer deutlichen Kontrastreduktion führen. Furthermore, cube-shaped projection spaces (computerized Automatic Virtual Environment, (CAVE)), in which similar to the systems arranged with L-shaped Diffuse the 3D graphics user-dependent on several projected at right angles to each other. at Most of today's CAVEs will have their pictures on four sides projected: front, right, left, as well as on the Floor. With such a quadrilateral CAVE (C4), the Projection to the ground from above. At five- and Six-sided CAVEs (C5 / C6) this is no longer possible, here the projectors are placed under the floor what the Construction is much more complicated and expensive. The Standard dimensions of a small CAVE suitable for approx. 6 persons are 2.4 m × 2.4 m × 2.4 m. The dimensions of a large CAVE, which is suitable for groups of about 10 people are 3 m × 3 m × 3 m. Although the projectors do not usually direct the CAVE Illuminate, her picture is usually about at least one mirror diverted us you still need a ceiling height of at least four meters for building a small four-sided CAVE. The immersion level of the CAVE is, especially in the C6, very high. However, this is Systems very expensive and only one person has an optimal Display quality. The rest of the people see in part strong discontinuities in the form of directional leaps at the Edges of the cube-shaped space. For very bright scenes still disturbing crosstalk, such as reflections or mutual illumination of the surfaces, at the edges and in the corners of the cube, which leads to a clear Lead to contrast reduction.

Eine Variante der CAVE ist ein Projektionssystem (RAVE) bestehend aus drei Seitenwänden, welche auf Rollen gelagert sind. Die 3D-Graphiken werden auf die drei Seiten sowie den Boden projiziert. Die Seitenwände lassen sich zu einer großen Wand nebeneinander aufstellen, womit sich eine Projektionsfläche von 10 m Breite ergibt. Sie können jedoch auch rechtwinklig angeordnet werden wodurch man eine gewöhnliche vierseitige CAVE erhält. Der Vorteil gegenüber der CAVE ist die größere Flexibilität, so dass sich auch Präsentationen für mehr als 10 Personen ausrichten lassen. A variant of the CAVE is a projection system (RAVE) consisting of three side walls, which are mounted on rollers are. The 3D graphics will be on the three sides as well as the Soil projected. The side walls can be a large Put the wall next to each other, bringing a Projection surface of 10 m width results. You can, however to be arranged at right angles thereby making one ordinary four-sided CAVE receives. The advantage over the CAVE is the greater flexibility, so that also presentations for more than let 10 people align.

Im Unterhaltungsbereich finden sich schließlich noch die 3D- Kinos mit Projektionsflächen, die Teil einer Kugel sind, innerhalb der sich die Zuschauer befinden. Die 3D-Kinos haben Großbildleinwände mit Abmessungen von ca. 20 m × 27 m, auf denen speziell für diese Kinos hergestellte Filme gezeigt werden. Die Transformation der Bilder auf die Halbkugeln erfordert spezielle teure Aufnahme- und Wiedergabegeräte. Es wird sowohl aktives als auch passives Stereo eingesetzt. Der große Vorteil gegenüber der CAVE/RAVE Technologie ist, dass es keine Kanten im Projektionsraum gibt und somit keine sichtbaren Diskontinuitäten auftreten können. Trotz der gewaltigen Größe der Leinwand ist der Immersionsgrad der Systeme nicht so hoch wie bei einer CAVE, da der Benutzer die Szenen nur aus einer vorgegebenen Position betrachten kann. Daher und aufgrund der enormen Kosten spielt diese Kino-Technologie im wissenschaftlich/technischen Bereich keine Rolle. In the entertainment area, finally, the 3D Cinemas with projection screens that are part of a ball, within which the spectators are. The 3D cinemas have Large screens with dimensions of about 20 m × 27 m, on which specifically produced for these cinemas. The Transformation of images on the hemispheres requires special expensive recording and playback devices. It will both active as well as passive stereo used. the big advantage compared to the CAVE / RAVE technology is that there are no edges in the projection room and thus no visible Discontinuities can occur. Despite the huge size On the canvas, the immersion level of the systems is not that high as with a CAVE, since the user has only one scene can look at predetermined position. Therefore, and because of This cinema technology plays in enormous costs scientific / technical field does not matter.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur stereoskopischen Projektion eines Bildes anzugeben, welche eine benutzerabhängige realitätsnahe Darstellung mit hohem Immersionsgrad ermöglichen. The object of the invention is a method and an arrangement to indicate the stereoscopic projection of an image which a user-dependent realistic representation with high Envelopment level allow.

Dies Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und 9 angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by those specified in claim 1 and 9 Inventions solved. Advantageous developments of Inventions are specified in subclaims.

Das neuartige immersive Projektionsverfahren- und die Anordnungen sind eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Rundprojektion. Es vereint im wesentlichen die Vorteile aller bestehenden immersiven Projektionssysteme. Das Verfahren und die Anordnung beinhalten die Kombination von Rundprojektion und Projektion auf eine vor dem konkaven, insbesondere zylindrischen, Projektionsschirm gelegenen Bodenfläche. Zusätzlich kann ein optisches Infrarot-Ortungssystem (Tracking- System) die Position und Blickrichtung eines Beobachters ermitteln. Die Darstellung der virtuellen Szenen erfolgt dann in Abhängigkeit der Daten dieses Systems. Hierdurch wird der Immersionsgrad einer CAVE erreicht. Die Rundprojektion stellt dabei jedoch einen wesentlich größeren Raum zur Verfügung. Dieser ermöglicht es zum Beispiel ein komplettes Auto in Originalgröße darzustellen und sich um dieses herumzubewegen bzw. sich in es hineinzusetzen. Das System ist flexibel einsetzbar. So lässt es sich zum Beispiel für Präsentationen vor großen Gruppen auch als herkömmliche Rundprojektion ohne Ortung (Tracking) und Bodenprojektion nutzen. The novel immersive projection process and the Arrangements are a further development of the conventional ones Round projection. It essentially combines the benefits of all existing immersive projection systems. The procedure and the arrangement includes the combination of round projection and Projection on a front of the concave, in particular cylindrical floor surface located on the projection screen. In addition, an infrared optical positioning system (tracking System) the position and viewing direction of an observer determine. The presentation of the virtual scenes then takes place depending on the data of this system. This will be the Achieved degree of immersion of a CAVE. The round projection presents however, a much larger space available. This allows for example a complete car in Original size to represent and to move around this or to sit in it. The system is flexible used. This is the case for presentations, for example in front of large groups even as conventional round projection without Use tracking and ground projection.

Die vom Computer beobachterabhängig berechneten Bilder müssen perspektivisch korrekt auf den Boden sowie den konkaven Projektionsschirm projiziert werden. Hierbei sind eine Reihe von Problemen zu lösen. Zunächst muß die Position und Blickrichtung der Beobachter möglichst exakt ermittelt werden (Tracking). Anschließend ist die darzustellende Szene in Abhängigkeit dieser Daten zu erzeugen und korrekt auf den konkaven Projektionsschirm sowie den Boden zu projizieren. Dabei müssen mehrere Projektoren synchron angesteuert werden. Die bei der Projektion auf die zylinderförmige Leinwand, sowie den Boden, auftretenden Verzerrungen können nicht alleine mit Hilfe der Optik der Projektoren korrigiert werden. Sie müssen mittels spezieller Verfahren bei der Berechnung der Szenen mit berücksichtigt werden. Schließlich ist noch zu gewährleisten, dass die Bereiche der Zylinder- bzw. Bodenprojektion, die sich überlappen, ausgeblendet werden (Clipping). The computer-dependent calculated images must in perspective correctly on the ground as well as the concave Projection screen are projected. Here are a number to solve problems. First, the position and Viewing the observer be determined as accurately as possible (Tracking). Then the scene to be displayed is in Dependency of this data to generate and correct on the concave projection screen as well as to project the ground. Several projectors must be controlled synchronously. The projecting on the cylindrical screen, as well the floor, occurring distortions can not be alone with Help the optics of the projectors are corrected. You need to using special procedures in the calculation of scenes with be taken into account. Finally, it has to be ensured that the areas of the cylinder or ground projection that are overlap, be hidden (clipping).

Die folgenden Abschnitte beschreiben detailliert den Aufbau des Projektionssystems, die verwendete Hardware, das Tracking sowie die beobachterabhängige Bilderzeugung und das Clipping. Es zeigen: The following sections describe in detail the structure of the Projection system, the hardware used, the tracking as well Observer-dependent imaging and clipping. It demonstrate:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Boden- und Rundprojektion, Fig. 1 is a perspective view of a bottom and circular projection,

Fig. 2 einen Grundriß der Boden- und Rundprojektion nach Fig. 1, Fig. 2 is a plan of the bottom and round projection shown in FIG. 1,

Fig. 3 einen Aufriß der Boden- und Rundprojektion nach Fig. 1, Fig. 3 is an elevational view of the bottom and round projection shown in FIG. 1,

Fig. 4 ein Schema für eine beobachterabhängige Bilderzeugung, Fig. 4 is a schematic for an observer-dependent imaging,

Fig. 5 ein Schema für ein blickpunktabhängiges Rendering uaf die Bildebene, Fig. 5 is a diagram of a view-dependent rendering uaf the image plane,

Fig. 6 ein Schema für ein blickpunktabhängiges Texturmapping, Fig. 6 is a diagram of a view-dependent texture mapping,

Fig. 7 ein Schema für einen weiteren Renderschritt und Clipping, Fig. 7 is a diagram for another rendering step and clipping,

Fig. 8 ein Schema zur Verdeutlichung des Blickwinkelproblems, Fig. 8 is a diagram for illustrating the viewing angle problem,

Fig. 9 ein Schema für die Lösung des Blickwinkelproblems nach Fig. 8 durch Einfügen zweier Bildebenen, Fig. 9 is a scheme for solving the problem of view of Fig. 8 by inserting two image planes,

Fig. 10 ein Schema für die Lösung des Blickwinkelproblems nach Fig. 8 durch Positionskorrektur, Fig. 10 is a scheme for solving the problem of view according to FIG. 8 through position correction,

Fig. 11 ein Schema für einen ersten Renderschritt mit blickpunktabhängigen Rendering auf die Bildebene, Fig. 11 is a schematic for a first rendering step with viewpoint-dependent rendering to the image plane,

Fig. 12 ein Schema für einen zweiten Renderschritt mit kameraabhängigen Texturmapping, und Fig. 12 is a diagram for a second rendering step with camera-dependent texture mapping, and

Fig. 13 ein Schema zur Ausmaskierung der Bodenprojektion. Fig. 13 is a diagram for masking the floor projection.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für Elemente mit äquivalenten Wirkungen in den verschiedenen Figuren die selben Bezugszeichen verwendet. In the following description are for elements with equivalent effects in the different figures the same Reference numeral used.

Fig. 1 zeigt ein dreidimensionales Modell einer Projektionsanordnung. Die Projektionsanordnung besteht aus einen Rechner 1 mit einem Zentralprozessor 2 (CPU), der über ein Bussystem 3 mit einem Festplattenlaufwerk 4 (HD), einem wahlfreien Zugriffsspeicher 5 (RAM) und einem Nur-Lese-Speicher 6 (ROM) verbunden ist. Von außerhalb sind mit dem Bussystem 3 eine Tastatur 7 eine CAD-Station 8 und ein Bildschirm 9 verbunden. Der Zentralprozessor 2 dient zur zeitlichen Abstimmung und Kontrolle aller an das Bussystem 3 angeschlossenen Elemente. Der wahlfreie Zugriffsspeicher 5 dient zur Ablage von temporären Anweisungen oder Daten. Der Nur-Lese-Speicher 6 enthält unveränderliche Befehle, Daten und Programme, die für die korrekte Funktionsweise des Rechners 1 erforderlich sind. Die Festplatte 4 ist ein Speicher mit großer Kapazität, um ein Programm und Daten bei der Durchführung des Verfahrens zu speichern. Mit der CAD-Station 8 können Daten zu stillstehenden oder bewegten Bildern gewonnen und dem Rechner 1 zugeführt werden. Die Tastatur 8 ermöglicht die Dateneingabe durch eine Bedienperson. Zur Ausgabe von Daten für die Bedienperson dient der Bildschirm 10. Fig. 1 shows a three-dimensional model of a projection arrangement. The projection arrangement consists of a computer 1 with a central processor 2 (CPU), which is connected via a bus system 3 with a hard disk drive 4 (HD), a random access memory 5 (RAM) and a read-only memory 6 (ROM). From outside, a keyboard 7, a CAD station 8 and a screen 9 are connected to the bus system 3 . The central processor 2 is used for timing and control of all connected to the bus system 3 elements. The random access memory 5 is used to store temporary instructions or data. The read-only memory 6 contains invariable commands, data and programs required for the correct operation of the computer 1 . The hard disk 4 is a large-capacity memory for storing a program and data in performing the method. With the CAD station 8 , data on still or moving images can be obtained and fed to the computer 1 . The keyboard 8 allows data entry by an operator. To output data for the operator, the screen 10 is used .

Das Projektionssystem selbst enthält eine Leinwand 10 für eine Rundprojektion, eine Projektionsfläche 11 für eine Bodenprojektion, fünf Projektoren 12-16 und ein auf einen Beobachter 17 gerichtetes Infarot-Tracking-System 18. Der Beobachter 17 trägt am Kopf eine mit dem Tracking-System 18 zusammenwirkende Signalisierungsanordnung an einem Helm 19 mit Markierungen. Der Beobachter 17 trägt eine 3D-Shutter-Brille. Die Boden-Projektoren 16, 16 sind auf an der Decke angebrachte Spiegel 20, 21 gerichtet. Die Projektoren 12-16 und das Tracking-System 18 sind mit dem Bussystem 3 verbunden. The projection system itself includes a screen 10 for a round projection, a projection screen 11 for a ground projection, five projectors 12-16, and an infrared tracking system 18 directed to an observer 17 . The observer 17 carries at the head a cooperating with the tracking system 18 signaling arrangement on a helmet 19 with markings. The observer 17 wears a 3D shutter glasses. The floor projectors 16 , 16 are directed to ceiling-mounted mirrors 20 , 21 . The projectors 12-16 and the tracking system 18 are connected to the bus system 3 .

Der Beobachter 17 kann sich frei auf der dargestellten Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion bewegen. Das Tracking- System 18 bestimmt seine aktuelle Position und Blickrichtung und übermittelt diese an den Rechner 1. Dieser berechnet die darzustellende Szene in Abhängigkeit der ermittelten Daten. Im letzten Schritt werden die berechneten Bilder von fünf den Projektoren 12-16 auf die zylindrische Leinwand 10 sowie die Boden-Projektionsfläche 11 abgebildet. The observer 17 can move freely on the illustrated projection surface 11 of the floor projection. The tracking system 18 determines its current position and viewing direction and transmits them to the computer 1 . This calculates the scene to be displayed as a function of the determined data. In the final step, the calculated images of five projectors 12-16 are imaged on the cylindrical screen 10 and the bottom projection surface 11 .

Der Grundriß des Aufbaus des Projektionssystems ist in Fig. 2 zu sehen. Die Leinwand 10 der Rundprojektion ist Teil eines Zylinders mit einem Durchmesser von 7 Metern. Sie hat eine Höhe von 340 cm und ermöglicht ein horizontales Blickfeld von 200 Grad, wovon das System jedoch nur 180 Grad nutzt. Das vertikale Blickfeld beträgt im Projektionszentrum 22 ca. 44 Grad. 70 cm vom Zentrum 22 der Rundprojektion entfernt in Richtung Leinwand 10 beginnt die Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion. Sie ist schraffiert eingezeichnet. Unmittelbar vor der Boden- Projektionsfläche 11 stehen die Projektoren 15, 16 (P4 und P5). Diese projizieren die Bilder indirekt über die beiden an der Decke angebrachten Spiegel 20, 21 auf die Boden- Projektionsfläche. Direkt an der Decke des Raums, 110 cm vom Zentrum 22 der Rundprojektion weg von der Leinwand 10 entfernt, sind außerdem, in einem Winkel von 60 Grad zueinander, die Projektoren 12-14 (P1 bis P3) angebracht. Diese strahlen die zylinderförmige Leinwand 10 der Rundprojektion direkt an. The outline of the construction of the projection system can be seen in FIG . The screen 10 of the round projection is part of a cylinder with a diameter of 7 meters. It has a height of 340 cm and allows a horizontal field of view of 200 degrees, of which the system uses only 180 degrees. The vertical field of view is approximately 44 degrees in the projection center 22 . 70 cm from the center 22 of the round projection away in the direction of the screen 10 , the projection surface 11 of the floor projection begins. It is hatched drawn. Immediately in front of the ground projection surface 11 are the projectors 15 , 16 (P4 and P5). These project the images indirectly via the two ceiling-mounted mirrors 20 , 21 onto the floor projection surface. Also, at the ceiling of the room, 110 cm from the center 22 of the round projection away from the screen 10 , projectors 12-14 (P1 to P3) are mounted at an angle of 60 degrees to each other. These radiate the cylindrical screen 10 of the round projection directly.

Fig. 3 zeigt den Aufriß des Projektionssystems. Die Projektionsfläche 11 der Bodenprojektion ist eine 10 cm hohe Plattform. Durch die Platzierung der Projektoren P4 und P5 auf dem Boden direkt vor der Boden-Projektionsfläche 11 und die indirekte Beleuchtung der Boden-Projektionsfläche über die beiden Spiegel 20, 21 an der Decke des Raumes reduziert sich die Höhe des Aufbaus erheblich. Durch diese Anordnung läßt sich das gesamte System in einem Raum von lediglich 360 cm Höhe aufbauen. Fig. 3 shows the elevation of the projection system. The projection surface 11 of the floor projection is a 10 cm high platform. The placement of the projectors P4 and P5 on the ground directly in front of the floor projection surface 11 and the indirect illumination of the floor projection surface via the two mirrors 20 , 21 on the ceiling of the room significantly reduces the height of the structure. By this arrangement, the entire system can be built in a space of only 360 cm in height.

In Fig. 1 ist nur ein Rechner 1 exemplarisch dargestellt. Für die Bilderzeugung können mehrere spezielle Graphik-Rechner eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Projektionssystem mit vier Graphik-Pipelines aufgebaut sein. Drei davon steuern die Projektoren 12-14 an und werden für die Darstellung der Graphik auf der Leinwand 10 verwendet. Die vierte Graphik- Pipeline berechnet die Bilder für die Projektoren 15, 16 für die Bodenprojektion. Die Rechner können mit mehreren Prozessoren ausgestattet sein. In Fig. 1, only one computer 1 is shown as an example. For image generation, several special graphics calculator can be used. For example, the projection system may be constructed with four graphics pipelines. Three of them control the projectors 12-14 and are used to display the graphic on the screen 10 . The fourth graphics pipeline calculates the images for the projectors 15 , 16 for the floor projection. The computers can be equipped with several processors.

Als Projektoren 12-16 werden fünf, für stereoskopische Darstellungen geeignete sogenannte CRT-Projektoren verwendet, deren Einstellbereiche für die hier vorliegende Projektions- Geometrie angepasst sind. Die Projektoren 12-16 arbeiten jeweils mit 100 Hz Bildwiederholrate und einer Auflösung von 1280 × 1024 Bildpunkten. Um Effekte wie zum Beispiel Glanz möglichst realistisch darstellen zu können, besitzen die Projektoren 12-16 eine Leuchtkraft von mindestens 1000 Lumen. Durch eine exakte Justierung der Projektoren 12-16 wird erreicht, dass die Kante am Übergang zwischen Boden- und Rundprojektion nicht wahrzunehmen ist. Der sanfte und damit unsichtbare Übergang der drei, durch die Projektoren 12-14 beleuchteten, Bereiche auf der Leinwand 10 wird durch ein sogenanntes SOFT-EDGE-BLENDING Verfahren realisiert. As projectors 12-16 , five so-called CRT projectors suitable for stereoscopic representations are used whose adjustment ranges are adapted to the projection geometry present here. The projectors 12-16 each work with 100 Hz refresh rate and a resolution of 1280 × 1024 pixels. In order to be able to represent effects such as gloss as realistically as possible, the projectors 12-16 have a luminosity of at least 1000 lumens. By an exact adjustment of the projectors 12-16 it is achieved that the edge can not be perceived at the transition between ground and round projection. The gentle and therefore invisible transition of the three, illuminated by the projectors 12-14 , areas on the screen 10 is realized by a so-called SOFT-EDGE-BLENDING method.

Erst durch die Verwendung der 3D-Shutter-Brillen entsteht ein dreidimensionaler Eindruck. Bei diesen Brillen wird abwechselnd das linke bzw. rechte Glas undurchsichtig. Das entsprechende Auge hat dadurch nur dann freie Sicht auf die berechnete Szene, wenn auch das linke bzw. rechte Teilbild gezeigt wird. Die Projektoren 12-16 projizieren dabei synchron zu den Shutter- Brillen die Bilder für das linke bzw. rechte Auge auf die Leinwand 10. Hierdurch entsteht die Illusion einer dreidimensionalen Umwelt. Der große Vorteil von Shutter-Brillen gegenüber Brillen mit Polarisationsfiltern ist, dass sich der Beobachter 17 frei im Raum bewegen und seinen Blickwinkel frei wählen kann, da es keine Polarisationsebene gibt. Diese Freiheit wird allerdings durch die aktiven Komponenten der Brillen erkauft, welche komplizierter zu handhaben und wesentlich teurer sind als passive Systeme. Only by using the 3D shutter glasses creates a three-dimensional impression. In these glasses alternately the left and right glass is opaque. The corresponding eye therefore only has a clear view of the calculated scene, even if the left or right partial image is shown. The projectors 12-16 project the images for the left and right eye onto the screen 10 synchronously with the shutter glasses. This creates the illusion of a three-dimensional environment. The big advantage of shutter glasses over glasses with polarization filters is that the observer 17 is free to move in space and freely choose his viewpoint, since there is no polarization plane. However, this freedom is paid for by the active components of the glasses, which are more complicated to handle and much more expensive than passive systems.

Es ist weiterhin eine Brille verwendbar, die die Vorteile aktiver Shutter-Brillen mit der leichten Handhabung von Brillen mit Polarisationsfiltern verbindet. Ein derartige Brille beruht auf einer passiven Filter-Technologie und kommt ohne aktive Komponenten in den, dabei verwendeten, leichten und hellen Brillen aus. It is still usable glasses that have the advantages Active shutter glasses with the easy handling of glasses connects with polarizing filters. Such glasses are based on a passive filter technology and comes without active Components in the, used, light and bright Glasses off.

Das Tracking-System 18 übermittelt dem Rechner 1 die aktuelle Position des Beobachters 17, sowie seine Blickrichtung. The tracking system 18 transmits to the computer 1 the current position of the observer 17 , as well as its viewing direction.

Abhängig von diesen Informationen werden die Bilder vom Rechner 1 sozusagen aus der Sicht des getrackten Beobachters 17 berechnet. Für diese eine Person werden die Bilder also optimal dargestellt. Dabei sind am Rand des Projektions-Raumes spezielle Infrarot-Meßkameras installiert. Der zu trackende Beobachter 17 hat einen Helm 18 mit selbstreflektierenden Markern auf, deren Position von den Kameras ermittelt wird. Ein Vorteil dieser passiven, nicht selbstleuchtenden Marker ist, dass sie keine Stromversorgung benötigen und problemlos auch an der ohnehin zu tragenden Shutter-Brille befestigt werden können. Aus den gemessenen Daten berechnet der Rechner 1 Koordinatensätze, die die aktuelle Position und Orientierung bzw. Blickrichtung der Person beschreiben. Depending on this information, the images are calculated by the computer 1 so to speak from the perspective of the tracked observer 17 . For this one person, the images are displayed optimally. At the edge of the projection room special infrared measuring cameras are installed. The observer 17 to be tracked has a helmet 18 with self-reflective markers whose position is determined by the cameras. An advantage of these passive, non-luminescent markers is that they do not require a power supply and can easily be attached to the already-to-wear shutter glasses. From the measured data calculates the computer 1 sets of coordinates that describe the current position and orientation or line of sight of the person.

Durch das Tracking einer Person kann eine Szene sozusagen aus Sicht dieser Person berechnet und dargestellt werden. Für die nicht getrackten Beobachter 17 ist die Darstellung jedoch nicht ganz korrekt und es treten, insbesondere an Kanten, mehr oder weniger starke Verzerrungen auf. Da das Projektions-System nur eine Kante hat, nämlich den Übergang von der Boden- zur Zylinderprojektion, treten wesentlich weniger störende Verzerrungen auf als z. B. bei einer CAVE, welche zusätzlich zu den horizontalen Kanten beim Übergang vom Boden zu den Seitenwänden auch noch jeweils vertikale Kanten beim Übergang zwischen den Seitenwänden hat. By tracking a person, a scene can, so to speak, be calculated and displayed from the point of view of that person. For the non-tracked observers 17 , however, the representation is not entirely correct and more or less pronounced distortions occur, in particular on edges. Since the projection system has only one edge, namely the transition from the bottom to the cylinder projection, much less disturbing distortions than, for example, occur. B. in a CAVE, which in addition to the horizontal edges in the transition from the bottom to the side walls also still has vertical edges at the transition between the side walls.

Das Verfahren kann auch für mehrere Beobachter 17 durchgeführt werden, indem für jeden Beobachter 17 individuell visualisiert wird und somit für verschiedene Personen gleichzeitig ein optimales Bild zu erzeugen wird. The method can also be carried out for several observers 17 by individually visualizing for each observer 17 and thus simultaneously producing an optimal image for different persons.

Nachdem Position und Blickrichtung des Beobachters 17 durch das Tracking-System 18 ermittelt wurden, muß die virtuelle Szene in Abhängigkeit dieser Daten auf der zylinderförmigen Leinwand 10 sowie der Boden-Projektionsfläche 11 dargestellt werden. Dies geschieht jeweils in einem zweistufigen Prozeß, der anhand von Fig. 4 näher beschreiben werden soll. Zunächst wird eine Szene aus Sicht des Beobachters 17 perspektivisch korrekt auf einer virtuellen Bildebene dargestellt. Im einem zweiten Schritt erfolgt dann die Abbildung auf eine zylindrische Hilfsgeometrie bzw. eine Ebene, sowie die Projektion auf die zylindrische Leinwand 10 bzw. die Boden-Projektionsfläche 11. After the position and viewing direction of the observer 17 have been determined by the tracking system 18 , the virtual scene must be displayed as a function of this data on the cylindrical screen 10 and the ground projection surface 11 . This is done in each case in a two-stage process, which will be described in more detail with reference to FIG. 4. First, a scene from the point of view of the observer 17 is displayed correctly in perspective on a virtual image plane. In a second step, the imaging then takes place on a cylindrical auxiliary geometry or a plane, as well as on the projection of the cylindrical screen 10 or the bottom projection surface 11 .

In Abhängigkeit des Standpunkts und der Blickrichtung des Beobachters 17 muß das Bild 23 einer Szene auf der zylindrischen Leinwand 10 der Rundprojektion perspektivisch korrekt dargestellt werden. Dieses Rendering der Szene erfolgt in zwei Schritten. Depending on the viewpoint and the viewing direction of the observer 17 , the image 23 of a scene on the cylindrical screen 10 of the round projection must be displayed in perspective correctly. This rendering of the scene is done in two steps.

Im ersten Schritt wird die zylindrische Leinwand 10, wie in Fig. 5 dargestellt, in drei Bereiche 24-26 unterteilt. Jeder Bereich 24-26 wird von einem Projektor 12-14 beleuchtet, welcher jeweils durch eine Graphikpipeline des verwendeten Graphik-Rechners 1 angesteuert werden. Im ersten Rendering- Schritt wird das Bild für jeden der drei Bereiche 24-26 auf einer imaginären Bildebene 27-29 dargestellt. Diese Bildebenen 27-29 sind jeweils vor den Bildbereichen 24-26 innerhalb des Projektionszylinders 10 aufgespannt. Beim Blick auf eine der drei Bildebenen 27-29 ergibt sich für den Beobachter 17 im allgemeinen eine asymmetrische Sichtpyramide. Der Blick des Beobachters auf den mittleren Bereich 25 der Leinwand 10 ist genauer dargestellt. Die asymmetrischen Sichtpyramide des Beobachters 17 ist schraffiert eingezeichnet. In the first step, the cylindrical screen 10 , as shown in Fig. 5, divided into three areas 24-26 . Each area 24-26 is illuminated by a projector 12-14 , which are each driven by a graphics pipeline of the graphics computer 1 used. In the first rendering step, the image for each of the three regions 24-26 is displayed on an imaginary image plane 27-29 . These image planes 27-29 are respectively spanned in front of the image areas 24-26 within the projection cylinder 10 . When looking at one of the three image planes 27-29 , the observer 17 generally has an asymmetrical viewing pyramid. The observer's gaze on the central area 25 of the screen 10 is shown in more detail. The asymmetrical view pyramid of the observer 17 is hatched.

Nachdem die darzustellende Szene im ersten Schritt auf der imaginären flachen Bildebene 27-29 dargestellt wurde, muß sie in einem zweiten Schritt auf die zylindrische Leinwand 10 projiziert werden. Hierzu wird die zylindrische Leinwand 10 im Rechner 1 durch eine zylindrische Hilfsgeometrie 10' angenähert. Diese Hilfsgeometrie 10' ist aus Dreiecken aufgebaut. Die Anzahl der Dreiecke bestimmt dabei den Fehler, welcher bei der internen Annäherung der zylindrischen Leinwand 10 durch die Hilfsgeometrie 10' gemacht wird. Je größer die Anzahl der Dreiecke, desto genauer wird die zylindrische Leinwand 10 im Rechner 1 nachgebildet. Allerdings steigt damit auch der Berechnungsaufwand und die Anzahl der Bilder, die pro Sekunde berechnet werden können sinkt. Für eine flüssige Animation und damit ein hohes Maß an Realität ist eine hohe Anzahl von neuberechneten Bildern pro Sekunde jedoch sehr wichtig. In diesem Schritt muss also zwischen der Genauigkeit der Annäherung des Zylinders und der Anzahl der pro Sekunde darzustellenden Bilder abgewägt werden. Die auf die flache Bildebene gerenderte Szene wird schließlich, vom Standpunkt des Beobachters 17 aus, als Textur auf die zylindrische Hilfsgeometrie 10' abgebildet, so wie es in Fig. 6 dargestellt ist. After the scene to be displayed has been displayed in the first step on the imaginary flat image plane 27-29 , it must be projected onto the cylindrical screen 10 in a second step. For this purpose, the cylindrical screen 10 is approximated in the computer 1 by a cylindrical auxiliary geometry 10 '. This auxiliary geometry 10 'is constructed from triangles. The number of triangles thereby determines the error which is made in the internal approximation of the cylindrical screen 10 by the auxiliary geometry 10 '. The larger the number of triangles, the more accurate is the cylindrical screen 10 replicated in the computer 1 . However, this also increases the computational burden and the number of images that can be calculated per second drops. For a fluid animation and thus a high degree of reality, a high number of recalculated images per second is very important. In this step, it is necessary to weigh between the accuracy of the approximation of the cylinder and the number of images to be displayed per second. Finally, the scene rendered on the flat image plane is imaged as a texture on the cylindrical auxiliary geometry 10 ', as shown in FIG. 6, from the point of view of the observer 17 .

Das Resultat dieses Darstellungsprozesses ist im zweiten Renderschritt die beobachterabhängige Abbildung der Szene auf der zylindrischen Hilfsgeometrie 10'. Das dabei entstehenden Bild wird nun, aus der Sicht einer im Projektionszentrum stehenden Kamera, berechnet und von dem zuständigen Projektor 12-14 auf den entsprechenden Bereich 24-26 der Leinwand 10 projiziert. Wie in Fig. 7 gezeigt, sieht diese Kamera sieht nur die zylindrische Hilfsgeometrie 10' mit der aufgebrachten Textur. Der Hintergrund der Hilfsgeometrie 10' ist schwarz. An diesen Stellen wird kein Bild erzeugt. Die Projektoren 12-14 beleuchten automatisch lediglich die zylindrische Leinwand 10. Ein separater Clipping-Schritt um die Beleuchtung von Boden- Projektionsfläche 11 oder Decke zu vermeiden ist somit nicht mehr nötig. In the second rendering step, the result of this rendering process is the observer-dependent image of the scene on the auxiliary cylindrical geometry 10 '. The resulting image is now, from the perspective of a standing in the projection center camera calculated and projected by the responsible projector 12-14 on the corresponding area 24-26 of the screen 10 . As shown in Fig. 7, this camera sees only the cylindrical auxiliary geometry 10 'with the applied texture. The background of the auxiliary geometry 10 'is black. No image is created at these locations. The projectors 12-14 automatically illuminate only the cylindrical screen 10 . A separate clipping step to avoid the lighting of floor projection surface 11 or ceiling is therefore no longer necessary.

Im Gegensatz zur CAVE treten bei dem hier beschriebenen Aufbau Probleme auf, sobald sich der Beobachter 17 in einem kritischen Bereich in der Nähe der Leinwand 10 befindet. Steht er sehr nahe an bzw. hinter der imaginären Bildebene 27-29, so ergibt sich für ihn ein Blickwinkel von mehr als 180 Grad auf die zylindrische Leinwand 10, was in Fig. 8 naher gezeigt ist. Dieses Problem lässt sich auf mehrere Arten lösen. In contrast to the CAVE, problems arise in the structure described here as soon as the observer 17 is located in a critical area near the screen 10 . If it is very close to or behind the imaginary image plane 27-29 , it results for him a viewing angle of more than 180 degrees on the cylindrical screen 10 , which is shown in Fig. 8 closer. This problem can be solved in several ways.

Durch das Tracking ist die aktuelle Position des Beobachters 17 bekannt. Befindet er sich in dem kritischen Bereich, so kann das Bild anstatt auf eine, auf zwei Bildebenen gerendert werden. Hierzu wird zunächst ein Hilfspunkt 31 bestimmt, welcher möglichst nahe am Beobachter 17 auf der Leinwand 10 liegt. Dies kann zum Beispiel durch die Projektion der Beobachterkoordinaten auf die Leinwand 10 geschehen. Wie in Fig. 9 gezeigt, bestimmt dieser Hilfspunkt 31 zwei neue Bildebenen 32, 33. Befindet sich der Beobachter 17 nicht exakt in einem der beiden Schnittpunkte der ursprünglichen Bildebenen 27-29, so ist der Blickwinkel 34 des Beobachters 17 zu den beiden neuen Bildebenen 32, 33 nun jeweils kleiner als 180 Grad. Die Szene kann somit auf diesen beiden Bildebenen 32, 33 korrekt dargestellt werden. Durch dieses Vorgehen erhält man stets eine korrekte Darstellung der gesamten Szene. Allerdings wird dies durch doppelten Berechnungsaufwand erkauft, da die virtuellen Objekte und Welten nun anstatt auf eine Bildebene 28 auf zwei 32, 33 gerendert werden müssen. By tracking the current position of the observer 17 is known. If it is in the critical area, the image can be rendered on two image planes instead of one. For this purpose, an auxiliary point 31 is first determined, which is as close as possible to the observer 17 on the screen 10 . This can be done for example by the projection of the observer coordinates on the screen 10 . As shown in FIG. 9, this auxiliary point 31 determines two new image planes 32 , 33 . If the observer 17 is not located exactly in one of the two intersections of the original image planes 27-29 , the viewing angle 34 of the observer 17 to the two new image planes 32 , 33 is now each less than 180 degrees. The scene can thus be displayed correctly on these two image planes 32 , 33 . This procedure always gives a correct representation of the entire scene. However, this comes at twice the cost of computation, as the virtual objects and worlds now need to be rendered to two 32 , 33 instead of one image plane 28 .

Eine weitere vorteilhafte Lösung vermeidet das Problem des doppelten Rechenaufwands und beruht auf der Beobachtung, dass ein Beobachter 17, der sich sehr nahe an der Leinwand 10 befindet, kaum einen Unterschied wahrnimmt, wenn er sich von dieser ein wenig weg, bzw. auf sie zu bewegt. Stellt das Tracking-System 18 fest, dass der Beobachter 17 einen bestimmten Abstand zur Leinwand 10 unterschreitet, so wird seine Position korrigiert. Die Korrektur erfolgt dabei, wie in Fig. 10 dargestellt, durch Projektion der Beobachter- Koordinaten auf eine Ebene 35 etwas vor der eigentlichen Bildebene. Jede Beobachterposition vor der gestrichelten Linie wird zu einer Position auf dieser Linie korrigiert. Hierdurch ergibt sich wieder ein Blickwinkel 34 von weniger als 180 Grad, was eine korrekte Darstellung erlaubt. Die leichte Verschiebung der Szene wird dabei vom Beobachter 17 nicht wahrgenommen. A further advantageous solution avoids the problem of double the computational effort and is based on the observation that an observer 17 , who is very close to the screen 10 , hardly recognizes a difference when he moves away from it a little or towards it emotional. If the tracking system 18 determines that the observer 17 is below a certain distance from the screen 10 , then its position is corrected. The correction takes place, as shown in Fig. 10, by projection of the observer coordinates on a plane 35 slightly before the actual image plane. Each observer position before the dashed line is corrected to a position on that line. This again results in a viewing angle 34 of less than 180 degrees, which allows a correct representation. The slight shift of the scene is not perceived by the observer 17 .

Die Bodenprojektionsfläche ist in zwei Bereiche, einen linken und einen rechten, eingeteilt. Jeder dieser beiden Bereiche wird indirekt, über die Spiegel 20, 21 an der Decke, von einem Projektor 15, 16 beleuchtet. Bei der Bodenprojektion sind im wesentlichen zwei Probleme zu lösen. Zum einen kommt es, bei der hier gewählten Anordnung der Projektoren 15, 16 durch den Winkel des Strahlengangs bei der Bodenprojektion zu einer Trapezverzerrung, welche nicht komplett durch die Justagemöglichkeiten der Projektoren 15, 16 ausgeglichen werden kann. Diese Verzerrung muß daher schon bei der Berechnung der darzustellenden Szene mitberücksichtigt werden. The floor projection area is divided into two areas, one left and one right. Each of these two areas is illuminated indirectly, via the mirrors 20 , 21 on the ceiling, by a projector 15 , 16 . In the case of ground projection, essentially two problems have to be solved. On the one hand, in the arrangement of the projectors 15 , 16 selected here, the angle of the beam path in the ground projection leads to a trapezoidal distortion, which can not be completely compensated by the adjustment possibilities of the projectors 15 , 16 . This distortion must therefore already be considered in the calculation of the scene to be displayed.

Die Projektoren 15, 16 könnten auch so angeordnet werden, dass die auftretenden Trapezverzerrungen minimal und durch die Justagemöglichkeiten kompensierbar wären. Sie würden dann aber sehr störend im Blickfeld außenstehender Beobachter 17 liegen. Das zweite Problem ist das Problem des Clippings. Die Boden- Projektionsfläche 11 hat am Übergang zur Rundprojektion einen kreisförmigen Rand. Die Projektoren 15, 16 erzeugen jedoch zunächst einmal gerade Ränder. Um zu vermeiden, dass Teile der zylindrischen Leinwand 10 mit beleuchtet werden, müssen die entsprechenden Bereiche ausmaskiert werden. The projectors 15 , 16 could also be arranged so that the occurring trapezoidal distortions would be minimal and compensated by the adjustment options. But then they would be very disturbing in the field of external observers 17 . The second problem is the problem of clipping. The bottom projection surface 11 has a circular edge at the transition to the round projection. However, the projectors 15 , 16 initially produce straight edges. To avoid that parts of the cylindrical screen 10 are illuminated with, the corresponding areas must be masked out.

Das erste Problem wird, wie in Fig. 11 dargestellt, im wesentlichen analog zur Zylinderprojektion durch eine zweistufige Vorgehensweise gelöst. The first problem is, as shown in Fig. 11, solved essentially analogous to the cylinder projection by a two-step approach.

Im ersten Schritt wird die darzustellenden Szene beobachterabhängig auf einer Bildebene dargestellt. Diese Bildebene ist diesmal einfach die Boden-Projektionsfläche 11. Im zweiten Schritt wird diese Szene, wie ein Fig. 12 gezeigt, als Textur aus Sicht einer imaginären Kamera 35 auf die gleiche Bildebene abgebildet und anschließend auf die Boden- Projektionsfläche 11 projiziert. Hierdurch ergibt sich die perspektivisch korrekte Darstellung der Szene. In the first step, the scene to be displayed is displayed observer-dependent on an image plane. This image plane is simply the bottom projection surface 11 this time. In the second step, as shown in FIG. 12, this scene is imaged as a texture from the perspective of an imaginary camera 35 onto the same image plane and subsequently projected onto the ground projection surface 11 . This results in the perspective correct representation of the scene.

Die Ausmaskierung der Bereiche der Boden-Projektionsfläche 11, die sich mit der Rundprojektion überlappen, erfolgt, wie in Fig. 13 schematisch gezeigt, durch eine Maske 36 vor der imaginären Kamera 37 des Graphiksystems. Bei dieser Maske 36 handelt es sich dabei um ein Rechteck aus welchem die halbrunde Plattform der Boden-Projektionsfläche 11 herausgeschnitten ist. The masking out of the areas of the ground projection surface 11 which overlap with the round projection takes place, as shown schematically in FIG. 13, through a mask 36 in front of the imaginary camera 37 of the graphics system. In this mask 36 is a rectangle from which the semicircular platform of the ground projection surface 11 is cut out.

Durch den besonderen Aufbau wird eine, im Vergleich zu anderen Systemen mit gleichem Immersionsgrad, wesentlich bessere Raumausnutzung erreicht. Die Rundprojektion ermöglicht dabei ein wesentlich größeres Blickfeld, als die Projektion auf eine Wand, wie sie zum Beispiel bei einer CAVE/RAVE geschieht. Der dargestellte Aufbau erlaubt dabei die variable Nutzung, sowohl als herkömmliche Rundprojektion, als auch als immersives Projektionssystem mit Tracking und zugeschalteter Bodenprojektion. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Rechner
2 Zentralprozessor
3 Bussystem
4 Festplattenlaufwerk
5 Zugriffsspeicher
6 Nur-Lese-Speicher
7 Tastatur
8 CAD-Station
9 Bildschirm
10 Leinwand
11 Projektionsfläche
12-16 Projektoren
17 Aufbau
18 Trackingsystem
19 Helm
20, 21 Spiegel
22 Zentrum
23 Szenenobjekt
24-26 Bereich
27-29 Bildebene
30 Sichtpyramide
31 Hilfspunkt
32, 33 Bildebene
34 Blickwinkel
35 Ebene
36 Maske
37 Kamera
Due to the special structure, a significantly better space utilization is achieved compared to other systems with the same degree of immersion. The round projection allows a much larger field of view, as the projection on a wall, as it happens for example in a CAVE / RAVE. The structure shown here allows the variable use, both as a conventional round projection, as well as an immersive projection system with tracking and switched on floor projection. List of used reference numbers 1 computer
2 central processor
3 bus system
4 hard drive
5 access memory
6 read-only memory
7 keyboard
8 CAD station
9 screen
10 canvas
11 projection surface
12-16 projectors
17 construction
18 tracking system
19 helmet
20 , 21 mirrors
22 center
23 scene object
24-26 area
27-29 image plane
30 visual pyramid
31 auxiliary point
32 , 33 picture plane
34 viewing angles
35 level
36 mask
37 camera

Claims

1. A method for stereoscopic projection of an image, characterized by the steps of:
Determining the viewing direction and the position of the eyes of at least one observer ( 17 ) in a projection space, the projection space being defined by a projection screen ( 10 ) concave vertically from the viewpoint of the observer ( 17 ) and a horizontal plane projection screen surface ( 11 ) is limited,
Input of the viewing direction and the position reproducing data in a computer ( 1 ), and
Generating light beams with projectors ( 12-16 ) for simultaneously projecting the image onto the projection screen ( 10 ) and the ground projection surface ( 11 ) from different directions,
wherein control data for the projectors ( 12-16 ) are continuously calculated in the computer ( 1 ) from preset image data and the position and gaze data, the distortions occurring in the projection on the projection screen ( 10 ) and the ground projection surface ( 11 ) Getting corrected.

2. The method according to claim 1, characterized
that in the calculation of the control data in a first step, a scene from the point of view of the observer ( 17 ) is displayed in perspective on virtual image planes ( 27-29 ),
and in a second step the scene is created on a cylindrical auxiliary geometry as a texture representing an approximation of the projection surface ( 10 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that the projection screen ( 10 ) is divided into a plurality of areas ( 24-26 ), wherein the image planes ( 27-29 ) spanned in front of the areas ( 24-26 ) within the projection screen ( 10 ) become.

4. The method according to claim 2, characterized that the auxiliary geometry is formed from triangles.

5. The method according to claim 1, characterized in that in the case of the stay of the observer ( 17 ) in the vicinity of the projection screen ( 10 ), the image of the scene for the area concerned ( 25 ) on two image planes ( 32 , 33 ) is rendered in that the viewing angle of the observer ( 17 ) to the new image planes ( 32 , 33 ) is in each case less than 180 degrees.

6. The method according to claim 1, characterized in that in the case of the stay of the observer ( 17 ) in the vicinity of the projection screen ( 10 ), a correction of the position of the observer is made by the observer coordinates on a plane ( 35 ) before the image plane formed by the projection screen ( 10 ) are projected.

A method according to claim 1, characterized in that for masking out the areas on the floor projection surface ( 11 ) which overlap areas on the projection screen ( 10 ), a mask is used in front of the camera ( 37 ) of the graphics system has the concave contour of the projection screen ( 10 ).

8. The method according to claim 1, characterized in that in the calculation of the control data, the overlapping regions of the projections on the projection screen ( 10 ) and the bottom projection surface ( 11 ) are hidden.

9. Arrangement for the stereoscopic projection of an image,
consisting of a projection screen ( 10 ) concave vertically from the perspective of an observer ( 17 ) and a horizontal, level ground projection surface ( 11 ) forming a projection space encompassing at least one observer ( 17 ),
consisting of a plurality of projectors ( 12-16 ) for projecting an image onto the projection screen ( 10 ) and the ground projection surface ( 11 ) from different directions,
consisting of a device ( 18 , 19 ) for determining the viewing direction and the position of the eyes of at least one observer ( 17 ) in the projection space, and
consisting of a computer ( 1 ) in communication with the projectors ( 12-16 ) and said device ( 18 ).

10. Arrangement according to claim 9, characterized in that the horizontal ground projection surface ( 11 ) for an observer ( 17 ) is accessible.

11. Arrangement according to claim 9, characterized in that the means ( 18 ) for determining the viewing direction and the position of a head of the observer ( 17 ) seated signaling device ( 19 ).

12. Arrangement according to claim 9, characterized in that the vertical projection screen ( 10 ) is cylindrical.

13. Arrangement according to claim 9, characterized in that the vertical projection screen ( 10 ) spans a field of view of at least 180 degrees.

14. Arrangement according to claim 9, characterized in that for the projection on the horizontal floor projection surface ( 11 ) on the ceiling of the projection room mirrors ( 20 , 21 ) are mounted.