Title:
Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual-Reality-Displays und Verfahren zur Darstellung einer Virtual-Reality-Szene
Kind Code:
A1


Abstract:

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung einer virtuellen Realität mit nur einer Darstellungsfläche beschrieben. Dabei wird die Darstellungsfläche verschwenkbar angeordnet, so dass sie immer orthogonal zur Hauptblickrichtung des Betrachters ausgerichtet werden kann. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Immersion bei gleichzeitig geringen Herstellungs- und Betriebskosten.




Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102015220813A
Publication Date:
04/27/2017
Filing Date:
10/23/2015
Assignee:
Seibold, Andreas, Dipl.-Ing., 71394 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102006030923A1N/A2008-01-10



Foreign References:
EP19733462008-09-24
Attorney, Agent or Firm:
DREISS Patentanwälte PartG mbB, 70174, Stuttgart, DE
Claims:
1. Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual Reality Displays, umfassend,
– eine Darstellungsfläche (1) zum Erzeugen von Bildern, eine Tragstruktur (13, 17) und eine Säule (3), wobei die Darstellungsfläche (1) mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist, und wobei die Tragstruktur (13, 17) durch ein Gelenk (25) derart mit der Säule (3) verbunden ist, dass die Darstellungsfläche (1) um eine (erste) Schwenkachse (21) schwenkbar ist.

2. Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual Reality Displays, umfassend,
– eine Darstellungsfläche (51) zum Erzeugen von Bildern, eine Auflage (55) oder einen Fuß (59), wobei die Darstellungsfläche (51) durch ein Gelenk (25) derart mit der Säule Auflage (55) oder einen Fuß (59) verbunden ist, dass die Darstellungsfläche (1) um eine (erste) Schwenkachse (53) schwenkbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, dass der Fuß (59) in vertikaler Richtung teleskopierbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die (erste) Schwenkachse (21, 53) in horizontaler Richtung verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (25) in vertikaler Richtung entlang der Säule (3) verschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tragstruktur (13, 17) eine oder mehrere Rollen (37) angeordnet sind, und dass die Rollen (37) auf einer horizontalen oder geneigten Fläche abrollen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Tragstruktur (13, 17) und der Säule (3) ein Lenker (23) angeordnet ist, dass der Lenker (23) mit der Tragstruktur (13, 17) und der Säule (3) gelenkig verbunden ist, und dass der Lenker (23) beabstandet von dem Gelenk (25) mit der Tragstruktur (13, 17) und der Säule (3) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Linearantrieb (35) zum Verschwenken der Darstellungsfläche (1) vorhanden ist, dass ein erstes Ende des Linearantriebs (35) mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist, und dass ein zweites Ende des Linearantriebs (35) mit der Säule (3) oder einem anderen festen Punkt verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (35) manuell, elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Erfassung des Winkels der Darstellungsfläche (1) und/oder Mittel zur Positionserfassung der Darstellungsfläche (1) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsfläche (1) als Projektionsfläche ausgebildet ist und eine Projektionseinrichtung (7) fest mit der Tragstruktur (13, 17) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsfläche (1) ein Bildschirm (51) ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in horizontaler Richtung verfahrbar und/oder verschwenkbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einer Schnittstelle zur Ansteuerung der Bewegungen der Vorrichtung:
– über ein Zeigergerät (Maus etc.)
– über Daten aus dem Video-Stream zum Projektor bzw. zum Display:
Extraktion von Positionsdaten aus dem Datenstrom für einen automatischen Steuerungsablauf, z. B. von HDMI-Schnittstelle, an der in den Video-Stream eingebettete Daten abgegriffen werden (z. B. Farbinformation der ersten Pixel links oben in jedem Einzelbild entspricht einer Positionsangabe, eines Verschiebungsvektors etc.)

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual-Reality-Displays und ein Verfahren zur Darstellung einer Virtual-Reality-Szene mit verbesserter Immersion.

Unter Virtual Reality wird im Zusammenhang mit der Erfindung die realitätsnahe Darstellung von computergenerierten Bildern (= künstliche Welt) auf einer oder mehreren Darstellungsflächen (Displays) verstanden. Virtual Reality wird zunehmend häufiger bei der Entwicklung neuer Produkte anstelle von realen Prototypen eingesetzt. Das Erstellen einer Virtual-Reality-Szene benötigt, verglichen mit dem Bau von Prototypen, sehr viel weniger Zeit und verursacht sehr viel geringere Kosten.

Ein Maß für die Qualität eines Virtual-Reality-Systems ist die sogenannte Immersion. Immersion bezeichnet das Empfinden eines Anwenders, in eine virtuell erzeugte Umwelt einzutauchen und diese virtuelle Realität als "real" zu erleben.

Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten, eine Virtual Reality auf einer Darstellungsfläche zu erzeugen. Es gibt Bildschirme, die das Bild aktiv erzeugen. Weiter gibt es passive Darstellungsflächen (Leinwände), auf die ein Bild von vorne (d. h. in Blickrichtung des Betrachters) oder von der Rückseite aus mit Hilfe eines Projektors (Beamer) geworfen wird. Alle aus dem Stand der Technik bekannten Darstellungsflächen können bei der Realisierung der Erfindung eingesetzt werden. Daher ist im Weiteren zur sprachlichen Vereinfachung meist von einer Darstellungsfläche oder einem Display die Rede. Damit sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Darstellungsflächen gemeint.

Aus der DE 10 2006 030 923 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren zur interaktiven Präsentation einer virtuellen Realität mit Hilfe eines geschlossenen Raums ("CAVE“ = Cave Automatic Virtual Environment) bekannt. Diese Vorrichtung und das zugehörige Verfahren sind für eine horizontale Blickrichtung des Betrachters ausgelegt. Dazu werden mehrere vertikale Darstellungsflächen um den Anwender herum in Form eines Polygons angeordnet. Optional können an der Decke oder dem Boden weitere Darstellungsflächen angeordnet werden.

Diese Vorrichtung benötigt sehr viel Platz und ist sehr teuer in der Erstellung und im Betrieb. Ein weiteres prinzipbedingtes Problem von CAVEs sind die Übergänge zwischen verschiedenen Darstellungsflächen. An den Übergängen entstehen für den Anwender sichtbare Kanten, welche die Immersion verschlechtern. Außerdem sind die Abstände zwischen dem Auge des Anwenders und verschiedenen Punkten der Darstellungsflächen unterschiedlich. Diese Unterschiede gleicht das Auge durch Akkommodation und Konvergenz aus. Bei den CAVEs führen diese Effekte ebenfalls zu einer Beeinträchtigung der Immersion.

Aus der EP 1 973 346 A1 ist eine höhenverstellbare Anzeigetafel bekannt, die eine Projektionseinrichtung und eine Projektionsfläche umfasst. Die Projektionsfläche ist an einer Wand in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet. Die Projektionseinrichtung wiederum ist über Seile und Rollen so mit der Projektionsfläche gekoppelt, dass sie ohne weiteres Zutun den Verschiebungen der Projektionsfläche folgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Virtual-Reality-System bereitzustellen, das es ermöglicht, durch eine Anpassung an unterschiedliche Visualisierungsaufgaben und eine gute stereoskopische Darstellung eine professionelle virtuelle Umgebung mit guter Immersion zu schaffen und gleichzeitig den Raumbedarf sowie die Herstellungs- und Betriebskosten gegenüber herkömmlichen CAVEs signifikant zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Schwenken eines Virtual-Reality-Displays, umfassend eine Darstellungsfläche zum Erzeugen von Bildern, eine Tragstruktur und eine Säule, wobei die Darstellungsfläche mit der Tragstruktur verbunden ist und wobei die Tragstruktur durch ein Gelenk derart mit der Säule verbunden ist, dass die Darstellungsfläche um eine erste Schwenkachse schwenkbar ist.

(Hier sollten auch Versionen ohne Säulen berücksichtigt werden)

Dadurch hat die Darstellungsfläche einen Freiheitsgrad, der durch die erste Schwenkachse festgelegt wird. Damit ist es möglich, die Darstellungsfläche der Blickrichtung des Anwenders so nachzuführen, dass sie orthogonal zur Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Das hat verschiedene Vorteile.

Die Immersion ist sehr gut, obwohl nur eine Darstellungsfläche eingesetzt wird.

Üblicherweise haben die Darstellungsflächen, seien es Projektionsflächen oder selbstleuchtende Darstellungsflächen, in Richtung ihrer Normalen die größte Helligkeit und Farbbrillanz. Dies bedeutet, dass der Betrachter der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Darstellungsfläche in nahezu jeder Blickrichtung in den Genuss eines sehr hellen und farbbrillanten Bildes kommt.

Außerdem blickt der Betrachter auf eine Darstellungsfläche ohne Ecken und Kanten.

Vorzugsweise weist die Projektionsfläche eine Höhe von ungefähr einer erwachsenen Person auf und ist beim Schwenken auf einer Bodenfläche verschiebbar. Dabei kann die Projektionsfläche beim Schwenken immer Bodenkontakt haben und kann auf der Bodenfläche mit Hilfe von Rollen fahrbar sein.

Durch die Höhe der Projektionsfläche von ungefähr einer erwachsenen Person kann mit nur einer Darstellungsfläche eine gute Immersion durch eine hohe Abdeckung des menschlichen Sichtfelds (200° horizontal, 60° vertikal) bei normaler, entspannter Kopfstellung des Betrachters realisiert werden.

Infolgedessen wird eine sehr gute Immersion erreicht, obwohl die benötigte Technik zur Erzeugung eines Virtual-Reality nur wenig aufwendiger ist als bei einer herkömmlichen Virtual-Reality-Umgebung, wie sie als Powerwall mit einer vertikalen Darstellungsfläche bzw. als Workbench mit einer horizontalen Darstellungsfläche erforderlich ist.

Gegenüber sogenannten CAVEs hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den sehr großen Vorteil, dass der Platzbedarf sehr viel geringer ist und auch die Erzeugung eines Bilds sehr viel einfacher ist, weil immer nur eine Darstellungsfläche das gewünschte Bild bereitstellt. Die Probleme, die sich bei CAVEs am Übergang zwischen zwei benachbarten Darstellungsflächen stellen, entfallen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vollständig.

Weil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur eine Darstellungsfläche vorhanden ist und entsprechend auch nur ein Bild auf dieser Darstellungsfläche erzeugt werden muss, wird nur eine vergleichsweise geringe Rechenleistung zur Erzeugung der Bilder benötigt, der Energiebedarf ist relativ gering und es wird keine Kühlung des Raums benötigt, in dem sich die erfindungsgemäße Vorrichtung befindet und betrieben wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Schwenkachse in horizontaler Richtung verläuft. Dann ist es möglich, die Darstellungsfläche ausgehend von der "Normalstellung" (vertikal) nach unten zu schwenken, bis die Darstellungsfläche in etwa horizontal, das heißt parallel zum Fußboden, ausgerichtet ist.

Es ist ebenfalls möglich, die Darstellungsfläche ausgehend von der "Normalstellung" nach oben zu schwenken, bis die Darstellungsfläche über Kopf in etwa parallel zur Decke des Raumes ausgerichtet ist.

Durch das erfindungsgemäße Verschwenken der Darstellungsfläche um bis zu 180° können fast alle Perspektiven und Blickwinkel auf eine virtuelle Realität erzeugt werden, wobei die Darstellungsfläche im Wesentlichen orthogonal zur Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Daraus ergeben sich die oben genannten Vorteile.

(Einfachste Ausführungsform ohne Säule, wie Bildschirm bei einem Notebook, aber mit Antrieb; Vorteil: Darstellungsfläche klappt nach hinten weg und kommt so dem Betrachter nicht entgegen, Sicherheitsaspekt)

Um eine Höhenverstellbarkeit der Darstellungsfläche zu erreichen, ist weiter vorgesehen, dass das Gelenk in vertikaler Richtung entlang der Säule verschiebbar ist. Es ist nicht erforderlich, dass die Säule genau vertikal ausgerichtet ist; die Säule kann auch schräggestellt sein.

In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an der Tragstruktur eine oder mehrere Rollen angeordnet, die auf einer horizontalen oder geneigten Fläche abrollen. Diese Rollen stützen somit die Tragstruktur am unteren Ende ab und entlasten die Tragstruktur, das Gelenk und die Säule.

Alternativ zu den Rollen kann zwischen der Tragstruktur und der Säule ein Lenker angeordnet sein, wobei der Lenker sowohl mit der Tragstruktur als auch der Säule gelenkig verbunden ist. Die Gelenke zwischen dem Lenker mit der Tragstruktur einenends und der Säule anderenends haben einen Abstand zu dem Gelenk, welches die Tragstruktur mit der Säule verbindet.

Dann ergibt sich ein sehr einfaches System zum Verschwenken der Darstellungsfläche, das nur über einen Fuß der Säule und ggf. das obere Ende der Säule mit dem Boden bzw. der Decke eines Raums verbunden ist. Ansonsten wird keine Anbindung an das umgebende Gebäude benötigt.

Dadurch ergibt sich eine als "schwebend" wahrgenommene Darstellungsfläche, was ein ansprechendes Erscheinungsbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine weiter verbesserte Immersion zur Folge hat.

Um die Darstellungsfläche erfindungsgemäß verschwenken zu können, ist ein Linearantrieb vorgesehen, wobei dieser Linearantrieb manuell betätigt oder elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben werden kann. Als Linearantriebe sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Antriebe, wie zum Beispiel (Kugel-)Gewindespindeln, Zahnstangenantriebe oder Gewindespindeln einsetzbar. Ebenso sind Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder möglich.

Um die Darstellungsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestmöglich orthogonal zur Blickachse des Betrachters ausrichten zu können, sind Mittel zur Erfassung des (Schwenk-)Winkels der Darstellungsfläche oder der Tragstruktur vorgesehen.

Diese Mittel zur Winkelerfassung können herkömmliche Winkelsensoren sein, die mit der der Tragstruktur oder der Darstellungsfläche direkt oder mittelbar verbunden sind. Der Winkel kann wegen der einfachen Kinematik der Schwenkeinrichtung jedoch auch über einen Positionssensor des Linearantriebs oder einen Drehwinkelsensor eines elektrischen Antriebs des Linearantriebs erfasst werden. Über die Position bzw. den Drehwinkel des Linearantriebs kann unter Berücksichtigung der Kinematik der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Winkelposition der Darstellungsfläche berechnet werden.

Des Weiteren ist es möglich und vorteilhaft, dass ein Positionssensor der Darstellungsfläche zugeordnet ist, so dass die Position der Darstellungsfläche vor allem in vertikaler Richtung, aber auch in horizontaler Richtung, erfasst werden kann. Diese Information ist wichtig, um Bilder zu generieren, die genau auf den Abstand der Darstellungsfläche vom Auge des Betrachters hin optimiert sind und so eine bestmögliche stereoskopische Darstellung der gewünschten virtuellen Realität ermöglichen.

Alternativ ist es möglich, dass die Darstellungsfläche als Projektionsfläche ausgebildet ist und eine Projektionseinrichtung (Beamer) fest mit der Tragstruktur verbunden ist. Dabei ist es möglich, dass die Projektionseinrichtung aus der Blickrichtung des Betrachters das Bild auf die Darstellungsfläche wirft. Es ist aber auch möglich, dass die Projektionseinrichtung gewissermaßen von der Rückseite der Darstellungsfläche ein Bild auf die Projektionsfläche wird. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Darstellungsfläche selbstleuchtend ist, wie dies beispielsweise von LCD-Displays bekannt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die horizontal verlaufende Schwenkachse innerhalb der Vorrichtung verschiebbar ist, wobei die Verschieberichtung eine vertikale Komponente (Z-Achse) aufweist. Das bedeutet, dass die Schwenkachse vertikal (hoch / tief) bewegt werden kann, wobei sich dabei die Neigung der Projektionsfläche relativ zum Betrachter verändert. Der Winkel von der Projektionseinrichtung zur Projektionsfläche über den Galgen bleibt dabei unverändert.

Um weitere Freiheitsgrade zu haben und den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter zu vergrößern ist vorgesehen, dass die Vorrichtung in horizontaler Richtung verfahrbar ist.

Dann ist es möglich, die Darstellungsfläche auf den Betrachter zu oder vom Betrachter weg zu bewegen, bis der für eine gewünschte Virtuelle Realität optimale Abstand zwischen Anwender und Darstellungsfläche erreicht ist (X-Achse). Ebenso ist es möglich, die Darstellungsfläche aus Sicht des Anwenders nach links oder rechts zu verschieben (Y-Achse). In beiden Fällen kann die Säule auf einem Schlitten angeordnet werden, der die gewünschte Bewegung in Richtung der X-Achse und/oder der Y-Achse ausführt.

Alternativ dazu kann auch die Tragstruktur und mit ihr die Darstellungsfläche relativ zu der Säule bewegt werden.

Es ist auch möglich, dass die Darstellungsfläche in einer horizontalen Ebene auf einer Kreisbahn um den Betrachter herum bewegt wird, so dass der Betrachter gewissermaßen nicht nur nach vorne, sondern auch seitlich nach rechts oder links schauen kann. Unabhängig von der Blickrichtung des Anwenders trifft sein Blick orthogonal auf die nachgeführte und/oder verschwenkte Darstellungsfläche. Dadurch wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Einsatzbereich geschaffen, der einer CAVE mit fünf oder sechs Darstellungsflächen entspricht, obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine Darstellungsfläche benötigt.

Die Darstellungsfläche kann eben oder um eine Achse oder sphärisch gekrümmt sein. Dabei wird die Krümmung zumeist so gewählt, dass sich der Kopf des Betrachters im Mittelpunkt der Krümmung befindet. Dann nämlich haben die Augen des Betrachters zu jedem Punkt der Darstellungsfläche exakt den gleichen Abstand und die Konvergenz sowie die Immersion werden weiter verbessert.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer virtuellen Realität, wobei eine dieses Verfahren unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.

Dabei wird die Darstellungsfläche stets so verschwenkt und in axialer und/oder vertikaler oder horizontaler Richtung bewegt, dass der Betrachters senkrecht/orthogonal auf die Darstellungsfläche der Vorrichtung blickt. Die Steuerung der Darstellungsfläche kann dabei entweder manuell über eine Art Steuerknüppel vom Betrachter vorgenommen werden.

Es ist jedoch auch möglich, die Blickrichtung des Betrachters zu erfassen und die Darstellungsfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung so auszurichten, dass die Darstellungsfläche orthogonal zur Blickrichtung des Betrachters ausgerichtet ist. Selbstverständlich muss dann das auf der Darstellungsfläche erzeugte Bild der Virtual-Reality-Szene der Position der Darstellungsfläche entsprechend berechnet werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in den Ansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

1 bis 9 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

10 bis 12 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
in den weiteren Figuren weitere Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedene Ansichten. Nicht in allen Ansichten sind alle Bauteile sichtbar.

1 zeigt eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von vorne. Die Vorrichtung umfasst eine ebene Darstellungsfläche 1, die in der 1 vertikal ausgerichtet ist. Gehalten wird die Darstellungsfläche 1 von einer Tragstruktur, die in der 1 größtenteils von der Darstellungsfläche 1 verdeckt ist. An dieser Tragstruktur sind ein Tragarm 5 und eine Projektionseinrichtung 7 fest verbunden. Fest verbunden meint in diesem Zusammenhang, dass die relative Position von Projektionseinrichtung 7 und Darstellungsfläche zueinander während des Betriebs der Vorrichtung nicht geändert wird.

Die Vorrichtung kann optional mit einem Tracking-System bestehend aus zwei an den Enden des U-förmigen Bügels 15 befestigten Kameras 16 ausgerüstet sein, um Bewegungen und Befehlseingaben eines Betrachters zu detektieren. In der 2 ist die gleiche Vorrichtung in einer etwas anderen Perspektive dargestellt. Zur Veranschaulichung der Funktionsweise sind die Lichtstrahlen, welche von der Projektionseinrichtung 7 auf die Darstellungsfläche 1 projiziert werden, um dort das gewünschte Bild zu erzeugen, durch gestrichelte Linien 9 angedeutet.

Die Tragstruktur 13 ist gelenkig mit einer Säule 3 verbunden. Details dazu werden weiter unten erläutert. Über zwei Streben 11 kann die Säule 3 mit einer nicht dargestellten Decke des umgebenden Raumes verbunden werden. Die Teilung der Säule 3 in die zwei Streben 11 ermöglicht das Eintauchen der Projektionseinrichtung beim Verschwenken der Darstellungsfläche 1 in die von der Säule 3 aufgespannte vertikale Ebene.

In der 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ansicht von hinten dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Säule 3 bei diesem Ausführungsbeispiel bis an den Fußboden eines Raums reicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Säule 3 mit dem Boden verschraubt und auf diese Weise die gesamte Vorrichtung zwischen dem Boden und der Decke des Raums verankert.

In der 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Perspektive von schräg hinten dargestellt. Aus dem Vergleich der 4 mit den anderen Figuren wird deutlich, dass die Darstellungsfläche 1 gegenüber der Vertikalen um etwa 60° verschwenkt ist. Wegen der erfindungsgemäßen Kinematik hat sie sich auch nach unten bewegt.

In dieser Figur wird weiter deutlich, dass die Tragstruktur 13 nicht nur eine fachwerkartige Struktur aufweist, welche die Darstellungsfläche 1 hält, sondern darüber hinaus noch einen U-förmigen Träger 17 umfasst, der mit der eigentlichen Tragstruktur 13 verbunden ist. Der Träger 17 ist an dem in 4 oberen Ende gelenkig mit der Säule 3 verbunden. Das Gelenk ist in der 4 nicht sichtbar.

Eine Drehachse des nicht sichtbaren Gelenks ist als strichpunktierte Linie 21 in der 4 dargestellt. Die Drehachse 21 ist horizontal ausgerichtet. Dementsprechend macht die Darstellungsfläche 1 eine Schwenkbewegung um diese Drehachse, wenn die erfindungsgemäß Kinematik entsprechend betätigt wird.

Zwischen dem Träger 17 und der Säule ist ein Lenker 23 angeordnet. Dabei ist zu beachten, dass der Lenker 23 erstens beabstandet zu der Drehachse 21 des Gelenks positioniert ist und der Lenker 23 drehbar an der Säule 3 bzw. dem Träger 17 gelagert ist.

In der 5 ist eine Ansicht von vorne auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Darstellungsfläche 1 und ohne Tragstruktur 13 dargestellt. Dadurch sind der Träger 17, der Lenker 23 sowie die Gelenke und ein Linearantrieb, welche Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind, gut zu erkennen.

Der Träger 17 ist an seinem in 5 oberen Ende über ein Gelenk 25 an einem Schlitten 27 befestigt. Der Schlitten 27 bildet zusammen mit einer Führungsschiene 29 eine Linearführung und ist Teil der Säule 3.

An dem unteren Ende der Säule 3 ist ein weiteres Gelenk 31 vorgesehen. An diesem Gelenk 31 ist der Lenker 23 einenends befestigt. Das andere Ende des Lenkers 23 ist über ein weiteres Gelenk 33 gelenkig mit dem Träger 17 verbunden.

In der dargestellten Position, bei der der Träger 17 einen Winkel von etwa 60° mit der Vertikalen einschließt, ist gut zu erkennen, dass die drei Gelenke 25, 31 und 33 beabstandet voneinander sind. In Folge dessen hat der Lenker 23 einen Abstand von dem Gelenk 25, der größer als null ist.

Zwischen dem Schlitten 27 und dem unteren Ende der Säule 3 ist ein Linearantrieb 35 angeordnet. Mit Hilfe des Linearantriebs 35 ist es möglich, den Schlitten 27 in vertikaler Richtung relativ zu dem unteren Teil der Säule 3 bzw. dem Lager 31 zu bewegen (Z-Achse) verfahren. Dabei sorgt die Führungsschiene 29 dafür, dass der Schlitten 27 und mit ihm der Träger 17 und die nicht dargestellte Darstellungsfläche nicht kippen und nicht wackeln bzw. umfallen können.

Wenn nun der Linearantrieb 35 so angesteuert wird, dass er sich verkürzt, zieht er den Schlitten 27 in der 5 nach unten in Richtung des Gelenks 31. Infolgedessen wird der Träger 17 noch weiter in Richtung einer Horizontalen verschwenkt. Gleichzeitig bewegen sich der Träger 17 und mit ihm die Darstellungsfläche 1 weiter nach unten.

Wenn die Darstellungsfläche 1 bzw. der Träger 17 vertikal ausgerichtet werden soll, dann wird der Linearantrieb 35 so angesteuert, dass er den Schlitten 27 auf der Führungsschiene 29 in vertikaler Richtung nach oben bewegt.

In der 6 ist die gleiche Anordnung aus einer anderen Perspektive nochmals dargestellt. In dieser Perspektive lässt sich das Gelenk 33 besser erkennen.

Auch hier sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Tragstruktur 13 und die Darstellungsfläche sowie der Tragarm 5 und die Projektionseinrichtung 7 nicht dargestellt.

Die 7 zeigt die gleich Anordnung, wobei die Verkleidung der Säule sowie der U-förmige Bügel 15 und die Streben 11 wieder montiert sind.

Die 8 zeigt ein Detail aus der 7. In der 9 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Tragstruktur und Darstellungsflächen so dargestellt, dass der Träger 17 vertikal ausgerichtet ist. Diese Position nimmt die Vorrichtung ein, wenn die nicht montierte Tragstruktur 13 und die Darstellungsfläche 1 vertikal ausgerichtet sein sollen.

In den 10 bis 12 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Auch hier ist wieder eine Säule 3 vorhanden sowie eine Tragstruktur 13, auf der eine Darstellungsfläche 1 aufgespannt bzw. gehalten wird. Das Gelenk 25, welches den Träger 17 bzw. die Tragstruktur 13 mit der Säule verbindet, befindet sich am oberen Ende der Darstellungsfläche 1. Auch hier ist der Strahlengang von der Projektionseinrichtung 7 auf die Darstellungsfläche 1 durch unterbrochene Linien 9 angedeutet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel entfällt der Lenker 23. Stattdessen stützt sich die Tragstruktur 13 auf Rollen 37 ab, die auf dem Fußboden oder einer anderen horizontal verlaufenden Fläche abrollen.

Ein Linearantrieb 35 ist stark vereinfacht in der Art eines Gewindespindelantriebs schematisch dargestellt. Selbstverständlich können alle anderen Formen von Linearantrieben 35 auch bei dieser Ausführungsform eingesetzt werden.

Wenn man nun den Linearantrieb 35 so ansteuert, dass das Gelenk 25 zwischen Tragstruktur 13 und Säule 3 in vertikaler Richtung nach unten bewegt wird, dann führt dies dazu, dass die Darstellungsfläche 1 schräggestellt wird. In Folge dessen rollen die Rollen 37 über den Boden in Richtung des Betrachters.

Wenn die Darstellungsfläche 1 vollständig waagerecht ausgerichtet werden soll, muss der Betrachter einen Schritt zurücktreten, damit es nicht zu einer Kollision zwischen Darstellungsfläche 1 und dem Schienbein des Betrachters kommt.

In den 13 und 14 wird ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Darstellungsfläche ist ein Monitor 51, der auf einem Tisch (nicht dargestellt) stehen kann. Der Monitor 51 ist kleiner als eine Leinwand. Hier steht die Aufgabe im Vordergrund, mit einer einfachen technischen Lösung eine reine Schwenkbewegung um eine Querachse 53 auszuführen, um den Monitor 51 in so zu positionieren, dass die Objekte der virtuellen Szene aus der Darstellungsfläche des Monitors 51 herauszuragen scheinen und „greifbar“ werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vorgesehen, eine Standfläche 55 an welcher der Monitor 51 drehbar gelagert ist (siehe die Schwenkachse 53), eine direkte Anbindung der Schwenkachse 53 an den Monitor 51 und ein bevorzugt elektrischer Antrieb 57 zum Verschwenken des Monitors 51 um die Schwenkachse 53. Der Antrieb 57 kann eine Untersetzungsgetriebe aufweisen. Der Antrieb 57 kann als Drehantrieb, wie dargestellt, oder als Linearantrieb ausgeführt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf eine Tragstruktur verzichtet werden. Eine Säule ist ebenfalls nicht nötig.

Das in der 15 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel hat etliche Gemeinsamkeiten mit dem dritten Ausführungsbeispiel. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass anstelle der Standfläche 55 ein Fuß 59 vorgesehen ist, der höhenverstellbar sein kann (siehe den Doppelpfeil 61). Der Antrieb 57 ist am oberen Ende des Fußes 59 angebracht und erlaubt somit das Verschenken des Monitors 51 in einem weiten Bereich. Auch hier steht die Aufgabe im Vordergrund, mit einer einfachen technischen Lösung eine reine Schwenkbewegung um eine Querachse 53 auszuführen, um den Monitor 51 in so zu positionieren, dass die Objekte der virtuellen Szene aus der Darstellungsfläche des Monitors 51 herauszuragen scheinen und „greifbar“ werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf eine Tragstruktur verzichtet werden. Eine Säule ist ebenfalls nicht nötig.

Das in 16 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel hat viele Gemeinsamkeiten mit dem in den 13 und 14 dargestellten Ausführungsbeispiel. Der Antrieb 57 ist ein Linearantrieb, der in die Auflagefläche 55 integriert. Über einen Lenker 63 wird eine Linearbewegung des Schlittens 65 in eine Schwenkbewegung des Monitors 51 umgesetzt.

In den weiteren 17 bis 19 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die arstellungsfläche horizontal und vertikal mittels sphärischer Anbindung um Drehachsen bewegt werden, die sich vor der Darstellungsfläche befinden (zum Betrachter hin), hier kein ständiger Bodenkontakt der Unterkante der Darstellungsfläche gefordert, sondern Fokus auf hohe Beweglichkeit.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Darstellungsfläche ähnlich wie eine Roboter oder Bagger mit Hilfe eines Arms aus zwei bis vier Segmenten bewegt wird.

Vorteil: Hohe Beweglichkeit, Abfahren weitgehend beliebiger Kurven ohne Einschränkung durch Kinematik, geringes Geräusch bei hydraulischer Ausführung (Bagger), optional aber auch Elektromotoren (Roboter)

Anhand der 10 bis 12 und folgende wird deutlich, dass der Betrachter immer orthogonal auf die Darstellungsfläche 1 blickt. Dies hat den Vorteil, dass die stereoskopische Erzeugung eines Bilds, welches für die Perspektive des Betrachters geeignet ist, relativ leicht zu berechnen ist. Außerdem sind Konvergenz und Adaption, welche die Augen des Betrachters vornehmen müssen "passend" zu dem Abstand von dem Auge des Betrachters zur Darstellungsfläche 1 und der auf der Darstellungsfläche 1 dargestellten virtuellen Realität.

Anhand der 10 bis 12 lässt sich auch das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut veranschaulichen. Ausgangspunkt ist die Forderung, dass die Darstellungsfläche 1 möglichst genau orthogonal zur Hauptblickrichtung des Betrachters ausgerichtet sein soll.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens soll die Darstellungsfläche so verschwenkt und positioniert werden, dass sie orthogonal zur Hauptblickrichtung des Anwenders liegt.

Dazu ist es erforderlich die, die Blickrichtung des Anwenders zu erfassen oder zu berechnen. Es gibt verschiedene Verfahren zum Erfassen der Hauptblickrichtung des Betrachters. Alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Erfassung der Hauptblickrichtung können für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.

Es ist möglich, die Kopfposition und Blickrichtung eines Betrachters sowie Position und Ausrichtung eines Zeigergeräts stereoskopisch über zwei rechts und links oben am Virtual-Reality-System angebrachte (Infrarot-)Kameras zu erfassen. Diese Kameras strahlen unsichtbare Reflektoren an der Masterbrille, die der Betrachter trägt, und am Zeigergerät an. Afu diese Weise werden die gewünschten Positionen und Ausrichtungen erkannt und zur Steuerung des Systems eingesetzt.

Mit ausgefeilter Bildverarbeitung ist auch eine vollständige Erkennung einer oder mehrerer Betrachter denkbar, was eine Bewegungssteuerung durch Gesten ermöglicht.

Des Weiteren ist es möglich, dass der Betrachter über einen Steuerknüppel oder Joystick die Darstellungsfläche 1 entsprechend seinen Wünschen verschwenkt. Wenn diese Verschwenkbewegung abgeschlossen ist, kann von einem Prozessor das dazugehörige Bild der virtuellen Realität generiert und auf die Darstellungsfläche 1 projiziert werden. Bei besonders leistungsfähigen Prozessoren ist es möglich, das berechnete Bild, das auf der Darstellungsfläche zu sehen ist, in Echtzeit an die aktuelle Position und den aktuellen Schwenkwinkel der Darstellungsfläche anzupassen. Dann wird das berechnete Bild der virtuellen Realität kontinuierlich nachgeführt, so dass die Immersion nicht gestört wird, sondern noch verbessert wird.

Weiterhin kann die Positionssteuerung der Darstellungsfläche über eine Datenschnittstelle wie etwa eine Ethernet-Verbindung mittels LAN oder WLAN erfolgen, wobei die eingesetzte Virtual-Reality-Software beispielsweise neue Positionsdaten ausgibt, sobald in der Virtual-Reality-Szene eine neue Kameraposition angewählt wird. Zur Steigerung der Betriebssicherheit des Virtual-Reality-Systems ist eine bidirektionale Auslegung dieser Datenschnittstelle empfehlenswert, bei der die Steuereinheit des Virtual-Reality-Systems ihrerseits die Lage der Darstellungsfläche an die Visualisierungssoftware rückmeldet.

Die beschriebene Erfindung ist nicht nur in der Lage, eine Darstellungsfläche in bestimmte Positionen zu schwenken, in denen diese dann verharrt, sondern auch hoch dynamische Bewegungen während einer Virtual-Reality-Präsentation auszuführen. Hierzu eignet sich ein automatischer Steuerungsablauf, der seine Steuerbefehle aus eingebetteten Daten aus dem laufenden Videosignal an die Projektionseinrichtung (Beamer) oder das Display erhält.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102006030923 A1 [0005]
  • EP 1973346 A1 [0007]