DE69737797T2 - Eine programmierbare Lichtstrahlform verändernde Vorrichtung mit programmierbaren Mikrospiegeln - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine programmierbare Lichtstrahlformgebungsvorrichtung. Genauer gesagt lehrt die Erfindung ein Steuersystem und eine Mikrospiegelvorrichtung, die die Form von Lichtstrahlen ändern können, die hindurch laufen, und stellt verschiedene Effekte für diese geformten Lichtstrahlen bereit.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Technik bekannt, einen Lichtstrahl zu formen. Dies wird typischerweise mit einem Element durchgeführt, das als ein Gobo(Projektionsmaske) bekannt ist. Ein Gobo-Element ist gewöhnlicherweise entweder als eine Blende oder eine geätzte Maske ausgebildet. Das Gobo formt den Lichtstrahl wie eine Schablone in dem projizierten Licht.
  • Gobos sind einfache Ein-/Aus-Vorrichtungen: sie ermöglichen, dass ein Teil des Lichtstrahls durchlaufen kann und blockieren andere Teile, um diese anderen Teile am Durchlaufen zu hindern. Somit sind mechanische Gobos sehr einfache Vorrichtungen. Moderne Laser-geätzte Gobos gehen einen Schritt weiter, indem ein Grauskalaeffekt bereitgestellt wird.
  • Typischerweise werden mehrere unterschiedliche Goboformen erhalten, indem die Gobos in einer Kassette oder dgl. angeordnet werden, die gedreht wird, um zwischen den unterschiedlichen Gobos auszuwählen. Die Gobos selber können ebenfalls in der Kassette mit den beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5 113 332 und 4 891 738 beschriebenen Techniken gedreht werden.
  • Alle diese Techniken weisen den Nachteile auf, dass nur eine begrenzte Anzahl von Gobo-Formen bereitgestellt werden können. Diese Gobo-Formen müssen im Voraus festgelegt werden.
  • Es gibt keine Möglichkeit, irgendeine Art einer Grauskala in dem System bereitzustellen. Die Auflösung des Systems ist ebenfalls durch die Auflösung der Bearbeitung begrenzt. Dieses System ermöglicht keine Art und Weise, allmählich zwischen unterschiedlichen Gobo-Formen umzuschalten. Außerdem ist die Bewegung zwischen einem Gobo und einem anderen durch die maximal mögliche mechanische Bewegungsgeschwindigkeit des Gobo-Bewegungselements begrenzt.
  • Verschiedene Patente und Literaturstellen haben die Verwendung eines Flüssigkristalls als Gobo vorgeschlagen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5282121 eine solche Flüssigkristallvorrichtung. Unsere eigene anhängige Patentanmeldung schlägt dies ebenfalls vor. Es ist aber nie ein praktisches Flüssigkristallelement dieses Typs entwickelt worden. Die extrem hohen Temperaturen, die durch Blockieren einiger dieser hochintensiven Strahlen bewirkt wird, erzeugen ernorme Wärmemengen. Das Projektionsgate muß manchmal Strahlen mit Intensitäten über 10.000 Lumen und manchmal von nicht weniger als 2000 Watt blockieren. Die oben angegebenen Patentanmeldungen diskutieren verschiedene Techniken der Wärmebehandlung. Da die Lichtenergie aber durch ein Flüssigkristall-Array geleitet wird, muß ein Teil der Energie unweigerlich von dem Flüssigkristall gespeichert werden. Der Flüssigkristall ist aber an sich nicht in der Lage, diese Warme(menge) zu speichern, und die Phasen des Flüssigkristalls können in der Praxis durch eine solche Hitze destabilisiert werden. Daher hat der erforderliche große Umfang an Kühlung dies zu einer nicht praktizierbaren Aufgabe gemacht. Die Forschung, wie diese Aufgabe praktischer zu bewältigen wäre, wird fortgesetzt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem durch Bereitstellen einer digitalen Lichtstrahlform-Änderungsvorrichtung, z.B. eines Gobo, zu lösen, welcher vollkommen anders als irgendwelche vorbekannten Vorrichtungen arbeitet. Im einzelnen verkörpert diese Vorrichtung die Erkenntnis des Erfinders, dass viele Wärmeprobleme in einem solchen System gelöst werden, wenn die Lichtstrahlform- Änderungsvorrichtung selektiv das unerwünschte Licht ablenkt statt es zu blockieren.
  • Die bevorzugte Betriebsart der vorliegenden Erfindung verwendet eine digital gesteuerte Mikrospiegel-Halbleitervorrichtung. Jedes selektiv steuerbare mehrfachreflektierende Element könnte jedoch für diesen Zweck verwendet werden. Diese speziellen Optiken werden verwendet, um das gewünschte Bild mit einem Array von kleinen Spiegeln zu erzeugen, die bewegbar positioniert sind. Die Mikrospiegel sind in einem Array angeordnet, das das letztendliche Bild festlegen wird. Die Auflösung des Bildes ist durch die Größe der Mikrospiegel begrenzt: hier beträgt sie 17 μm an einer Seite.
  • Die Spiegel sind zwischen einer ersten Position, bei der das Licht auf das Feld eines Projektionslinsensystems gerichtet ist, oder einer zweiten Position, bei der das Licht von dem Projektionslinsensystem weggelenkt wird, bewegbar. Das von der Linse weggelenkte Licht wird als ein dunkler Punkt in dem resultierenden Bild auf dem beleuchteten Objekt erscheinen. Das Wärmeproblem wird gemäß dieser bevorzugten Betriebsart der Erfindung minimiert, da die Mikrospiegel das unerwünschte Licht reflektieren anstatt es zu absorbieren. Die absorbierte Wärme wird durch die Quantum-Imperfektionen des Spiegels und irgendwelche Zwischenräume zwischen den Spiegeln verursacht.
  • Eine integrierte Schaltung für einen digitalen Mikrospiegel wird gegenwärtig von Texas Instruments Inc., Dallas, Texas, hergestellt und in "an overview of Texas Instrument digital micromirror device (DMD) and its application to projection displays" beschrieben. Diese Anwendungsnotiz beschreibt die Verwendung einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung bei einem Fernsehsystem. Rot, Grün und Blau sowie auch Intensitätsgrauskalen werden in diesem System durch Modulieren der Mikrospiegelvorrichtung mit sehr hohen Geschwindigkeitsraten erhalten. Der Erfinder erkennt, dass dies perfekt arbeiten würde, um seine Ziele zu erreichen.
  • Eine weitere Offenbarung eines solchen DMD-Projektors wird in WO93/18620 vorgenommen.
  • Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung anzupassen, die klein dimensionierte bewegliche, digital steuerbare Spiegel hat, die Positionen einnehmen, die in bezug aufeinander geändert werden können, um sie als Lichtstrahlform-Änderungsvorrichtung in diesem Bühnenbeleuchtungssystem einzusetzen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen schattenlosen Folgespot bereitzustellen, der einen Beleuchtungsstrahl bildet, der annähernd die gleiche Form wie der Darsteller aufweist, und bevorzugterweise genau die gleiche Form wie der Darsteller. Die Strahlform des Strahlspots verfolgt ebenfalls den aktuellen Umriss des Darstellers. Das Spotlicht folgt dem Darsteller, wenn es den Darsteller beleuchtet. Dieser Vorgang könnte manuell durch eine Bedienungsperson oder über ein automatisches Nachführsystem, wie z.B. Wybron's Autopilot, durchgeführt werden.
  • Da der Strahl nicht den Körperumriss des Darstellers überlappt, wirft er keinen Schatten des Darstellers.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Aufgaben werden ohne weiteres mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen verstanden, in denen zeigen:
  • 1 ein einzelnes Pixelspiegelelement der bevorzugten Betriebsart in seiner ersten Position;
  • 2 das Spiegelelement in seiner zweiten Position;
  • 3 die Spiegelanordnung und ihre zugeordnete Optik;
  • 4 eine detaillierte Darstellung der durch die DMD ausgeführten Reflexion;
  • 5 ein Blockdiagramm der Steuerelektronik einer Bühnenbeleuchtungs-Spotvorrichtung;
  • 6 ein Ablaufdiagramm einer typischen Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Ablaufdiagramm des Betriebsablaufs von Randeffektvorgängen;
  • 8A ein Ablaufdiagramm einer ersten Technik zum Folgen eines Darstellers auf der Bühne;
  • 8B ein Ablaufdiagramm eines Korrelationsschemas;
  • 8C ein Ablaufdiagramm eines weiteren Korrelationsschemas;
  • 9A ein Blockdiagramm eines Farbprojektionssystems der vorliegenden Erfindung;
  • 9B ein Farbrad der vorliegenden Erfindung; und
  • 10 ein Blockdiagramm der schattenlosen Folgespotanordnung, die mit der vorliegenden Erfindung erhältlich ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die bevorzugte Ausführungsform beginnt hier mit einer kurzen Beschreibung von steuerbaren Spiegelvorrichtungen und der Art und Weise, in der die derzeit hergestellten Vorrichtungen arbeiten.
  • Arbeiten an halbleiterbasierten Vorrichtungen, die die Eigenschaften von durchlaufendem Licht abstimmen, sind seit den 1970ern im Gange. Es gibt zwei Arten von bekannten digitalen Mikrospiegelvorrichtungen. Eine erste Art wurde ursprünglich die formale Membranenanzeige genannt. Diese erste Art verwendet eine Siliziummembran, die mit einer metallisierten Polymermembran abgedeckt wurde. Die metallisierte Polymermembran arbeitete als ein Spiegel.
  • Ein Kondensator oder ein anderes Element wurde unter dem metallisierten Element angeordnet. Wenn der Kondensator eingeschaltet wurde, zog er die Polymermembran an und änderte die Richtung der resultierenden Reflexion.
  • Modernere Elemente verwenden jedoch einen elektrostatisch ausgelenkten Spiegel, der sich in der Position auf eine unterschiedliche Art und Weise ändert. Der Spiegel der bevorzugten Ausführungsform, der von Texas Instruments, Inc. entwickelt wurde und erhältlich ist, verwendet einen Aluminiumspiegel, der direkt durch Sputtern auf einem Wafer aufgebracht wird.
  • Die einzelnen Spiegel werden in 1 gezeigt. Jeder einzelne Spiegel umfasst eine quadratische Spiegelplatte 100, die aus reflektierendem Aluminium gebildet ist, die an einem hohlen Aluminiumhalter 102 auf biegsamen Aluminiumträgern ausladend ist. Jeder dieser Spiegel 100 umfasst zwei Stopp-Positionen: eine Lande-Elektrode, die es ihnen ermöglicht, in einer in 2 gezeigten ersten Position anzukommen, und eine weitere Elektrode, gegen die der Spiegel ruht, wenn er in seiner nicht ausgelenkten Position ist. Diese Spiegel sind digitale Vorrichtungen in dem Sinne, dass es zwei "erlaubte" Positionen gibt, wobei sie entweder in einer ersten Position, die Licht zu der Linse und somit zu dem beleuchteten Objekt reflektiert, und einer zweiten Position, bei der das Licht zu einer gestreuten Position reflektiert wird, sind. Lichtstreuung (d.h. selektive Lichtreflexion) dieser Art könnte ebenfalls mit anderen Mitteln, d.h. selektiv polarisierbaren Polymeren, elektronisch gesteuerten Hologrammen, Lichtventilen oder einem beliebigen anderen Mittel durchgeführt werden.
  • Der Betrieb der Dunkelfeldprojektionsoptik, die gemäß der bevorzugten Mikrospiegelvorrichtung verwendet ist, wird in 4 gezeigt. Die beiden bistabilen Positionen der bevorzugten Vorrichtungen sind vorzugsweise plus oder minus 10% von der Horizontalen.
  • Ein ankommendes Beleuchtungsbündel 303 trifft mit einem Bogen von weniger als 20° auf die digitalen Mikrospiegelvorrichtung 220 auf. Die Beleuchtung prallt von den Spiegeln in einer von zwei Richtungen 230 oder 232 abhängig von der Spiegelposition ab. In der ersten Richtung 230, der Position, die wir "an" nennen, wird die Information in der 0°-Richtung zu der Linse hin übertragen, die die Information zu der gewünschten Stelle fokussiert. In der zweiten Richtung des Spiegels, der Position, die wir "aus" nennen, wird die Information in die Richtung weg von der gewünschten Stelle gelenkt.
  • Das menschliche Auge kann keine Abläufe wahrnehmen, die schneller als etwa 1/30 Sekunden sind. Wichtig ist, dass die Spiegeldurchlaufzeit von geneigt links bis geneigt rechts von der Größenordnung von 10 μs ist. Dies ermöglicht, dass die Pixel im Betrieb um viele Größenordnungen schneller als die Nachbildwirkung bzw. Visionspersistenz des menschlichen Auges geändert werden können.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Lichtquelle 310 ist vorzugsweise eine Lichtquelle hoher Intensität, wie beispielsweise eine Xenon- oder Halogen-Metalldampflampe zwischen 600 und 1000 Watt. Die Lampe wird vorzugsweise von einem Reflektor des parabolischen oder ellipsoidförmigen Typs umgeben, der die Ausgabe von der Lampe 300 entlang eines ersten optischen Einfallswegs 305 lenkt.
  • Ein Farbüberblendungssystem 315, wie es beispielsweise in dem Patent Nr. US-5 426 476 des Erfinders beschrieben ist, kann vorgesehen sein. Alternativ könnte jedoch jedes andere Farbänderungssystem verwendet werden. Dieses Überblendungssystem stellt die Farbe des Lichts ein. Die Lichtintensität kann ebenfalls mit jeder Art eines zugeordneten Dimmers, entweder elektronischen, mechanischen oder elektromechanischen Mitteln, gesteuert werden. Bevorzugterweise könnte die DMD 320 verwendet werden, um die Strahlintensität zu steuern, wie hier beschrieben ist.
  • Der entlang des Wegs 305 projizierte Lichtstrahl trifft auf die als DMD 320 ausgebildete digitale Lichtänderungsvorrichtung bei Punkt 322 auf. Die DMD ermöglicht Vorgänge zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen. Wenn der Spiegel in der DMD nach rechts zeigt, wird der rechte Strahl entlang des Wegs 325 zu der Projektions-/Zoom-Linsenkombination 330, 332 reflektiert. Die Zoom-Linsenkombination 330, 332 wird verwendet, um das Bild von der DMD 320 auf das Objekt der Beleuchtung, vorzugsweise eine Bühne, zu projizieren. Die Größe und Schärfe der Qualität des Bildes kann daher durch Umpositionierung der Linse eingestellt werden. Wenn der Spiegel nach rechts geneigt wird, wird der Lichtstrahl entlang des Lichtwegs 335 von der Projektionslinse 330/332 weg projiziert. Die Pixel, die Lichtstrahlen aufweisen, die von der Linse weg projiziert werden, erscheinen als dunkle Punkte in dem resultierenden Bild. Die dunklen Punkte werden nicht auf der Bühne angezeigt.
  • Dieses DMD-System reflektiert Information von allen Pixeln. Somit wird minimale Energie in der DMD selbst oder irgendeiner der anderen Optiken absorbiert. Die Vorrichtung kann jedoch immer noch heiß werden, jedoch nicht annähernd so heiß, wie die Flüssigkristall-Gobos. Die Kühlung 325 kann immer noch notwendig sein. Die DMDs können mit irgendeiner der in (Bornhorst LCD) beschriebenen Techniken oder durch eine Wärmesenke und Konvektion oder durch Blasen von kalter Luft von einer Kühleinheit über die Vorrichtung gekühlt werden. Bevorzugterweise kann ein heißer oder kalter Spiegel in dem Weg des Lichtstrahls verwendet werden, um Infrarot aus dem Lichtstrahl zu reflektieren, um die übertragene Wärme zu minimieren. 3 zeigt einen heißen Spiegel 340, der Infrarot 332 zu der Wärmesenke 334 reflektiert. Ein kalter Spiegel würde mit einem gefalteten Strahlengang werden.
  • Dieses Grundsystem ermöglicht die Auswahl einer bestimmten Öffnungsform, mit der das Licht zu leiten ist. Diese Form wird dann hinsichtlich der Pixel festgelegt, und diese Pixel werden auf die DMD 320 abgebildet. Die DMD reflektiert selektiv Licht der geeignet geformten Öffnung auf die Bühne. Der Rest des Lichts wird wegreflektiert.
  • Der Mikrospiegel kann zwischen seinen Positionen in ungefähr 10 μs umgeschaltet werden. Eine übliche Zeit für die Frame-Auffrischrate, die die menschliche Visionspersistenz berücksichtigt, beträgt 1/60tel einer Sekunde oder 60 Hz.
  • Verschiedene Wirkungen können durch Modulieren der Intensität jedes Spiegelpixels innerhalb dieses Zeitrahmens ausgeführt werden.
  • Die monolithische Integration, die von Texas Instruments gebildet wird, umfasst Reihen- und Spalten-Decodierer darauf. Demgemäß muss das System der Erfindung diese nicht als Teil seines Steuersystems enthalten.
  • Der ausführliche Betrieb der DMD 320 wird in 3 gezeigt. Der Quellenstrahl wird in die Position 322 eingegeben, die die Information entweder zu der Bühne entlang des Wegs 325 oder weg von der Bühne entlang des Wegs 335 überträgt.
  • Die verschiedenen erzielbaren Wirkungen umfassen automatisches Intensitätsdimmen, Verwendung eines "schattenlosen Folgespots", harte oder weiche Strahlenränder, Shutter-Cut-Simulation, Gobo-Überblendung, Gobo-Spezialeffekte, stroboskopische Effekte, Farb-Gobos, Rotations-Gobos einschließlich absolute Positions- und Geschwindigkeitssteuerung und andere derartige Effekte und Kombinationen derselben. Alle diese Effekte können durch auf der Prozessorvorrichtung laufenden Software gesteuert werden. Bedeutsamerweise können die Eigenschaften des projizierten Strahls (Gobo-Form, Farbe etc.) durch Software gesteuert werden. Dies ermöglicht, jeden Softwareeffekt, der an irgendeinem Bild irgendeines Bildformats durchgeführt werden könnte, an dem Lichtstrahl durchzuführen. Die Software, die verwendet wird, ist vorzugsweise Bildverarbeitungssoftware, wie beispielsweise Adobe PhotoshopTM, Kai's Power Tools oder dgl., die verwendet werden, um Bilder zu manipulieren. Jede Art von Bildmanipulation kann auf dem Bildschirm abgebildet werden. Alle inkrementalen Änderungen an dem Bild können auf dem Bildschirm abgebildet werden, wenn sie auftreten.
  • Ein weiteres wichtiges Merkmal des Gobos ist seine Fähigkeit, unzusammenhängende Formen zu projizieren, die nicht durch eine Schablone gebildet werden können. Ein Beispiel sind zwei konzentrische Kreise. Ein Gobo eines konzentrischen Kreises benötigt eine physikalische Verbindung zwischen den Kreisen. Andere nicht verbundene Formen, die für eine Wiedergabe als Bild geeignet sind, können ebenfalls angezeigt werden.
  • Die durch die Software ausgeführten Effekte werden in drei unterschiedliche Kategorien gruppiert: Eine Randeffekt-Verarbeitung; eine Bildform-Verarbeitung; und eine Arbeitszyklus-Verarbeitung.
  • Das gesamte Steuersystem wird in Blockdiagrammform in 5 gezeigt. Der Mikroprozessor 500 arbeitet basierend auf einem Programm, das unter anderem das Ablaufdiagramm von 6 ausführt. Die Lichtformänderung arbeitet gemäß einem Schablonenumriss. Dieser Schablonenumriss kann irgendein Bild oder Bildabschnitt sein. Ein Bild von der Bildquelle 550 wird in einen Formatwandler 552 eingegeben, der das Bild von seiner ursprünglichen Form in ein digitales Bild umwandelt, das mit der Speicherung auf einem Computer kompatibel ist. Die bevorzugten digitalen Bildformate umfassen ein Bitmap-Format oder eine komprimierte Bitmap-Form, wie beispielsweise die GIF-, JPEG-, PCX-Formatdatei (1 Bit je Pixel), eine "BMP"-Datei (8 Bit/Pixel S/W oder 24 Bit/Pixel Farbe) oder eine geometrische Beschreibung (vektorisiertes Bild). Bewegtbilder könnten ebenfalls in irgendeinem Animationsformat, wie beispielsweise MPEG oder dgl., gesendet werden. Es sollte ersichtlich sein, dass jedes Bilddarstellungsformat verwendet werden könnte, um das Bild darzustellen, und das jede dieser Darstellungen verwendet werden kann, um Information zu erzeugen, die reflektierende Positionen des Arrays von reflektierenden Vorrichtungen modifizieren kann. Die vorliegende Spezifikation verwendet den Begriff "digitale Darstellung", um generell auf irgendeines dieser Formate Bezug zu nehmen, die verwendet werden können, um ein Bild darzustellen, und die durch Computer manipulierbar sind.
  • Das Bild 554 wird in einen Arbeitsspeicher 556 eingegeben. Das BMP-Format stellt jedes "Pixel"-Bildelement des Bildes durch eine Anzahl von Bits dar. Ein typisches Grauskala-Bitmap-Bild umfasst 8 Bits, die jedes Pixel darstellen. Ein Farbbild dieses Typs umfasst 8 Bits, die jeweils rote, grüne und blaue Darstellungen darstellen. Diese Farbdarstellung wird eine 24-Bit-Darstellung genannt, da 24 Bits für jedes Pixel notwendig sind. Die Beschreibung wird hier mit Bezug auf Grauskalabilder gegeben, obwohl es offensichtlich sein sollte, dass dieses System ebenfalls mit Farbbildern durch Formen detaillierter Abbildungen der Information verwendet werden können. Bitmaps sind am einfachsten zu verarbeiten, jedoch extrem verschwenderisch mit Speicherplatz.
  • Jeder Speicherbereich, der jedes Pixel darstellt, umfasst daher 8 Bits darin. Der Speicher 556 ist ein Bereich von 576 × 768 entsprechend der Anzahl von Spiegelelementen bei der bevorzugten Verwendung.
  • Dieses Bild wird als Bild Nr. x festgelegt und kann in einem nicht flüchtigen Speicher 520 (z.B. Flash-RAM oder Festplatte) für späteren Abruf daraus gespeichert werden. Ein wichtiges Merkmal besteht darin, dass die Bilder elektronisch gespeichert werden, und somit können diese Bilder ebenfalls in Echtzeit mit Bildverarbeitungssoftware elektronisch verarbeitet werden. Die Bildinformation kann in Bitmap-Form manipuliert werden, und folglich kann diese Bildverarbeitung in einer sehr schnellen Folge ausgeführt werden.
  • Das zu projizierende Bild wird durch den Prozessor 500 über den Kanal 560 an den VRAM 570 gesendet. Ein Leitungstreiber 562 und ein Leitungsempfänger 564 Puffern das Signal an beiden Enden. Der Kanal kann ein lokaler Bus innerhalb der Lampeneinheit oder eine Übertragungsleitung, wie beispielsweise ein serieller Bus sein. Die Bildinformation kann in jeder der oben beschriebenen Formen gesendet werden.
  • Standard- und allgemein verfügbare Bildverarbeitungssoftware ist verfügbar, um viele hier beschriebene Funktionen auszuführen. Diese umfassen beispielsweise Morphing, Drehen, Skalieren, Kantenunschärfebildung und andere Vorgänge, die hier beschrieben sind. Kommerzielle Bildverarbeitung kann beispielsweise "Kai's Power Tools", "CorelDraw!" oder "Morph Studio" verwenden. Diese Funktionen werden mit Bezug auf das Ablaufdiagramm von 6 gezeigt.
  • Der Schritt 600 stellt das System dar, das die Art des Vorgangs darstellt, der angefordert wurde: zwischen Randverarbeitung, Bildverarbeitung und Arbeitszyklusverarbeitung. Die Bildverarbeitungsvorgänge werden zuerst festgelegt. Kurz gesagt umfassen die Bildverarbeitungsvorgänge die Rotation des Bildes, Bildmorphing von Bild 1 zu Bild 2, dynamische Steuerung der Bildform und Spezialeffekte. Jedes dieser Verarbeitungselemente kann die Geschwindigkeit der Verarbeitung auswählen, um das Bild wirksam in Zeitscheiben zu unterteilen. Das Morphing synchronisiert vorzugsweise Schlüssel-Frames des Morphs mit gewünschten Zeitscheiben.
  • Der Schritt 602 legt den Vorgang fest. Wie oben beschrieben ist, kann dieser Vorgang Rotation, Positionsverschiebung und dgl. umfassen. Der Schritt 604 legt die Zeit oder die Geschwindigkeit des Vorgangs fest. Diese Zeit kann die Endzeit für die ganze oder einen Teil der Bewegung oder der Geschwindigkeit der Bewegung sein. Es sei bemerkt, dass alle die bei Schritt 602 ausgeführten Effekte das Bewegen eines Teils des Bildes von einer Position zu einer anderen erfordern.
  • Der Schritt 606 bestimmt das Intervall der Scheibenbildung abhängig von der Geschwindigkeit. Es ist wünschenswert, eine geeignete Menge in Scheiben zu bilden, so dass der Benutzer keine ruckartige Bewegung sieht. Idealerweise könnten wir die Bewegung der Bilder tatsächlich jeweils für ein Pixel in Scheiben schneiden, wobei dies jedoch für die meisten Anwendungen unnötig ist. Eine Scheibenbildung von 100 Pixel ist wahrscheinlich für alle Anwendungen ausreichend. Die Pixelscheiben werden bei Schritt 606 ausgewählt.
  • Der Schritt 608 rechnet mit der bei Schritt 604 eingegebenen Zeit oder Geschwindigkeit, um die notwendige Zeit für den Vorgang basierend auf dem Betrag der Positionsverschiebung für die Rotation über 100 Pixelscheiben zu bestimmen. Dies wird wie folgt durchgeführt. Die Verschiebung und Rotation der Position sowie die Sprite-Animation sind alles einfache Bewegungen. Bei beiden bewegen sich die Punkte des Bildes, die den Gobo festlegen, mit der Zeit. Es ist daher bedeutsam zu entscheiden, wie viel Bewegung es gibt und wie viel Zeit diese Bewegung in Anspruch nehmen wird. Eine Rate der Änderung von Punkten oder der Geschwindigkeit wird dann berechnet. Die Geschwindigkeit muss natürlich nicht berechnet werden, wenn sie bereits bei Schritt 604 eingegeben wurde.
  • Mit der Geschwindigkeit der Bewegung und der Pixel je Sekunde wird die Zeit zwischen Scheiben mit 100 Pixel je Scheibe geteilt durch die Geschwindigkeit in Pixel je Scheibe berechnet. Die Richtung der Bewegung wird durch diesen Vorgang festgelegt.
  • Daher wird das Bild bei Schritt 610 für jedes Zeitintervall neu berechnet. Dieses Bild wird die neue Gobo-Schablone an der neuen Stelle. D.h., der Umriss des Bildes wird vorzugsweise als das Gobo-Licht verwendet, in dem das Bild weitergeleitet wird, und Licht außerhalb des Bildes wird blockiert. Bei dem hier beschriebenen Farbsystem können aufwendigere Vorgänge an dem Bild durchgeführt werden. Beispielsweise ist dies nicht auf Schablonenbilder begrenzt und könnte beispielsweise konzentrische Kreise oder Buchstabentext mit Schriftartauswahl umfassen.
  • Zu jeder bestimmten Zeit wird das Bild in dem VRAM 570 als die Gobo-Schablone verwendet. Dies wird wie folgt ausgeführt. Jedes Element in dem Bild ist eine Grauskala von 8 Bits. Jedes 1/60tel einer Sekunde wird in 256 unterschiedliche Perioden in Zeitscheiben aufgeteilt. Ganz zweckmäßigerweise entspricht das 8 Bit-Pixelbild 28 = 256.
  • Ein Pixelwert von 1 gibt an, dass Licht an der Position des Pixels auf der Bühne gezeigt werden wird. Ein Pixelwert von Null gibt an, dass Licht an der Position des Pixels nicht auf der Bühne gezeigt werden wird. Jeder Grauskalenwert bedeutet, dass nur ein Teil der Intensität des Pixels gezeigt werden wird (für nur einen Teil der Zeit des 1/60tel einer Zeitscheibe von einer Sekunde). Somit wird jedes Element in dem Speicher auf ein Pixel der DMD, z.B. einen oder viele Mikrospiegel, angewendet, um dieses eine Pixel auf der Bühne anzuzeigen.
  • Wenn Randverarbeitung bei Schritt 600 ausgewählt wird, geht die Steuerung zu dem Ablaufdiagramm von 7 weiter. Die Randgraubildung kann als entweder eine allmähliche Randgraubildung oder eine abruptere Randgraubildung ausgebildet werden. Dies umfasst einen Bereich des gesamten Lichts, einen Bereich nur mit Teillicht und einen Bereich ohne Licht. Die Intensität des grauskalierten Umrisses wird kontinuierlich von voller Bildübertragung zu keiner Bildübertragung eingeteilt. Die Intensitätsveränderung wird durch Einstellen des Arbeitszykluses der An- und Auszeiten ausgeführt.
  • Der Schritt 700 erhält das Bild und legt seine Umrisse fest. Dies kann durch Bestimmen des Grenzpunktes zwischen Lichtübertragungsabschnitten (1en) und Lichtblockierabschnitten (0en) ausgeführt werden. Der Umriss wird in allen Richtung bei Schritt 702 ausgedehnt, um ein größeres jedoch konzentrisches Bild – ein ausgedehntes Bild zu bilden.
  • Der Bereich zwischen dem ursprünglichen Bild und dem ausgedehnten Bild wird mit der gewünschten Grauskalainformation gefüllt. Der Schritt 704 führt dies für alle Punkte aus, die zwischen dem Umriss und dem Ausdehnungsbild liegen.
  • Das neue Bild wird an den Speicher 570 bei Schritt 706 gesendet. Wie oben beschrieben ist, wird das Bild immer in dem Speicher verwendet, um die bildgeformte Information zu projizieren. Dies verwendet Standardanzeigetechnologie, wodurch das Anzeigesystem kontinuierlich mit in dem Speicher gespeicherten Daten aktualisiert wird.
  • Die Arbeitszyklusverarbeitung in dem Ablaufdiagramm von 6 wird verwendet, um Strobe-Effekte zu bilden und/oder Intensität einzustellen. In beiden Fällen wird das Bild im Speicher gespeichert und aus dem Speicher in periodischen Intervallen entfernt. Dieser Vorgang verhindert, dass irgendwelches Licht auf die Bühne bei diesen Intervallen projiziert wird, und wird somit als Maskieren bezeichnet. Wenn das Bild maskiert ist, werden alle Werte in dem Speicher Null, und dies projiziert somit reines Schwarz zu der Quelle hin. Dies wird für eine Zeit durchgeführt, die kürzer als die Visionspersistenz ist, so dass die Information nicht von dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Visionspersistenz mittelt das auf die Szene auftreffende Totallicht. Folglich sieht das Auge die Arbeitszyklusverarbeitung als eine unterschiedliche Intensität.
  • Der stroboskopische Effekt schaltet die Intensität an und aus, die von etwa 1 Hz bis 24 Hz reicht. Dies erzeugt einen Strobe-Effekt.
  • Diese und weitere Bildverarbeitungsvorgänge können (1) in jeder Projektionslampe basierend auf einem vorgespeicherten oder heruntergeladenen Befehl; (2) in der Hauptverarbeitungskonsole; oder (3) in beiden ausgeführt werden.
  • Ein wichtiger Aspekt der Erfindung stützt sich auf die Erkennung eines Problems durch den Erfinder, das in der Technik der Bühnenbeleuchtung existiert hat. Insbesondere beleuchtet, wenn ein Darsteller auf der Bühne ist, ein Spotlicht den Bereich des Darstellers. Der Erfinder der Erfindung erkannte jedoch ein Problem dabei. Insbesondere müssen wir, da wir wünschen, den Darsteller zu sehen, den Bereich des Darstellers beleuchten. Wenn wir jedoch außerhalb des Bereichs des Darstellers beleuchten, wird ein Schatten auf die Bühne hinter dem Darsteller geworfen. In vielen Fällen ist dieser Schatten unerwünscht.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, wenn sie zur Bühnenbeleuchtung eingesetzt wird, einen Bereich der Bühne zu beleuchten, der auf den Darsteller beschränkt ist, ohne irgendeine Stelle außerhalb des Bereichs des Darstellers zu beleuchten. Dies wird erfindungsgemäß durch eine vorteilhafte Verarbeitungsstruktur erreicht, die einen "schattenlosen Folgespot" bildet. Dies wird mit dem grundlegenden Blockdiagramms von 10 durchgeführt.
  • Die bevorzugte Hardware wird in 10 gezeigt. Ein Prozessor 1020 führt die mit Bezug auf die folgenden Ablaufdiagramme erläuterten Vorgänge aus, die unterschiedliche Wege zum Verfolgen des Darstellers festlegen. Bei allen diesen Ausführungsformen wird die Form des Darstellers auf der Bühne bestimmt. Dies kann durch (1) Bestimmen der Form des Darstellers durch ein Mittel, z.B. manuell, und Folgen dieser Form; (2) Korrelieren über das Bild, wobei nach einer menschlichen Körperform gesucht wird; (3) Infraroterfassung der Stelle des Darstellers gefolgt durch Expandieren dieser Stelle in die Form des Darstellers; (4) Bildsubtraktion; (5) Erfassung von speziellen Indizes an dem Darsteller, z.B. ein Ultraschalllichtstrahl oder jede andere Technik, sogar manuelles Verfolgen des Bildes durch beispielsweise einen Operator, der der Position des Darstellers auf einem Bildschirm mit einer Maus folgt, durchgeführt werden.
  • 8A zeigt ein Ablaufdiagramm von (1) oben. Bei Schritt 8001 befindet sich der Darsteller in dem Bild. Die das Bild aufnehmende Kamera ist vorzugsweise an der Lampe angeordnet, die die Szene beleuchtet, um Parallaxe zu vermeiden. Das Bild kann manuell bei jeder Lampe untersucht oder zu einem zentralen Prozessor für diesen Zweck heruntergeladen werden.
  • Sobald sie identifiziert sind, werden die Grenzen bzw. Umrisse des Darstellers bei 8005 ermittelt. Diese Grenzen werden beispielsweise durch abrupte Farbänderungen nahe dem identifizierten Punkt identifiziert. Bei Schritt 8010 werden diese Änderungen verwendet, um einen "Schablonen"-Umriss, der geringfügig kleiner als der Darsteller bei 8010 ist, festzulegen. Dieser Schablonenumriss wird als ein Gobo für das Licht bei 8015 verwendet.
  • Der Darsteller fährt fort, sich zu bewegen, und bei 8020 folgt der Prozessor der sich ändernden Umrissform. Die sich ändernde Randform erzeugt einen neuen Umriss, der 8010 zugeführt wird, wobei zu dieser Zeit eine neue Gobo-Schablone festgelegt wird.
  • Die oben beschriebene Alternative (2) ist eine Korrelationstechnik. Ein Ablaufdiagramm dieses Vorgangs wird in 8B gezeigt. Bei Schritt 8101 erhält die Kamera ein Bild des Darstellers, und der Darsteller wird innerhalb dieses Bilds identifiziert. Das ausgegebene Bild ist ein Kern für weitere spätere Korrelation. Die gesamte Szene wird bei Schritt 8105 erhalten. Die gesamte Szene wird gegen den Kern bei 8110 korreliert. Dies verwendet bekannte Bildverarbeitungstechniken.
  • Das obige kann durch (3) verbessert werden, wobei die Infraroterfassung den ungefähren Bereich für den Darsteller ergibt.
  • Wie vorher erläutert wurde, ist die DMD imstande, ihre Position sehr häufig zu aktualisieren: beispielsweise 106 mal in einer Sekunde. Dies ist viel schneller, als sich irgendein Bild der realen Welt bewegen könnte. 30 mal in einer Sekunde würde gewiss ausreichend sein, um die Bewegungen des Darstellers abzubilden. Demgemäß ermöglicht dies das Einstellen der Anzahl von Frame-Aktualisierungen je Sekunde. Eine Frame-Aktualisierungszeit von 30 je Sekunde ist für die meisten Anwendungen ausreichend. Dies minimiert die Last an dem Prozessor und ermöglicht, dass weniger kostspieliges Bildverarbeitungsgerät verwendet werden kann.
  • 8C zeigt die Bildsubtrahierungstechnik. Zuerst müssen wir ein Nullbild erhalten. Daher besteht der erste Schritt bei Schritt 800 darin, ein Bild der Bühne ohne dem/die Darsteller darauf zu erhalten. Dieses Nullbild stellt dar, wie die Bühne aussehen wird, wenn Darsteller nicht dort sind.
  • Zwischen Verarbeitungsiterationen kann der Prozessor andere Organisationsaufgaben ausführen oder einfach untätig bleiben.
  • Der Schritt 802 stellt den Anfang einer Frame-Aktualisierung dar. Ein Bild wird von der Videokamera 550 bei Schritt 804 erfaßt. Das Bild ist immer noch vorzugsweise in Einheiten von Pixeln angeordnet, wobei jedes Pixel einen Wert der Intensität und möglicherweise Rot, Grün und Blau für dieses Pixel umfasst.
  • Bei Schritt 806 wird das aktuelle Bild von dem nullgemachten Bild subtrahiert. Das Darstellerbild, das verbleibt, ist lediglich das Bild des/der Darsteller(s) und anderer neuer Elemente auf der Bühne. Der Computer bestimmt zu dieser Zeit, welches Teil dieses Bilds wir verwenden wollen, um den schattenlosen Folgespot zu halten. Dies wird bei Schritt 808 durch Korrelieren des Bildes, das verbleibt, gegen eine Referenz durchgeführt, um das passende Teil des Bildes zu bestimmen, das in einen schattenlosen Folgespot umzuwandeln ist. Das Bild des Darstellers wird von anderen Dingen in dem Bild getrennt. Vorzugsweise ist beispielsweise bekannt, was der Darsteller tragen wird, oder ein Bild einer eindeutigen Eigenschaft des Darstellers wurde genommen. Diese eindeutige Eigenschaft wird gegen das Darstellerbild korreliert, um den Darsteller lediglich am Ausgang des Schritts 808 zu bestimmen. Dieses Bild wird bei Schritt 810 digitalisiert: D.h., alle Teile dieses Bilds, die nicht der Darsteller sind, werden auf Nullen gesetzt, so dass Licht an diesen Positionen reflektiert wird. Auf diese Art und Weise wird ein Gobo-ähnliches Bild bei Schritt 810 erhalten, wobei dieses Gobo-ähnliche Bild ein sich änderndes ausgeschnittenes Bild des Darstellers ist. Ein optionaler Schritt 812 verarbeitet dieses Bild ferner, um Artefakte zu entfernen, und vorzugsweise, um das Bild geringfügig zu schrumpfen, so dass es dem Rand des Umrisses des Darstellers nicht zu nahe kommt. Dieses Bild wird dann zu dem VRAM bei Schritt 814 transferiert, wobei es zu dieser Zeit erneut in die DMD 1012 eingegeben wird, um eine Gobo-ähnliche Maske für die Lampe zu bilden. Dies ermöglicht, dass das Licht angemessen geformt werden kann, um mit dem Umriss des Darstellers 1004 übereinzustimmen.
  • Eine weitere Beleuchtungsvorrichtung verwendet die oben beschriebenen Techniken und das grundlegende System der Erfindung, um dem Lampen-Gobo Farbe zur Verfügung zu stellen. Dies wird mit Techniken durchgeführt, die in den frühen Tagen des Farbfernsehens postuliert wurden und die nun eine erneute Verwendung finden. Dieses System ermöglicht, dass farbige Gobos, und allgemeiner, dass jedes Videobild angezeigt werden kann.
  • 9A zeigt die Lampe 310 in einer Reihe mit einer sich drehenden mehrfarbigen Platte 902. 9B zeigt die drei Sektoren der Platte, einen roten Sektor 950, einen blauen Sektor 952 und einen grünen Sektor 954. Das Licht entlang des optischen Weges 904 wird gefärbt, indem es durch einen dieser Quadranten und dann durch die DMD 320 läuft. Die DMD 320 wird durch eine sich drehende Quelle 910 angetrieben, die mit dem Vorgang des Drehens der Farbplatte 902 synchronisiert ist. Das Video wird angetrieben, um nacheinander beispielsweise ein rotes Frame, dann ein grünes Frame, dann ein blaues Frame zu erzeugen. Das rote gefilterte Video wird im gleichen Moment transferiert, wenn der rote Sektor 950 in dem Lichtweg ist. So lange wie die unterschiedlichen Farben schneller als die Visionspersistenz des Auges umgeschaltet werden, wird das Auge sie zusammen mitteln, um eine vollfarbige Szene zu sehen.
  • Obwohl lediglich einige Ausführungsformen ausführlich oben beschrieben wurden, wird es für einen Fachmann ohne weiteres offensichtlich, dass viele Modifikationen ohne Abweichen von den Lehren der Erfindung möglich sind, wie sie in den folgenden Ansprüchen festgelegt sind.
  • Alle diese Modifikationen sollen durch die folgenden Ansprüche abgedeckt sein
  • Beispielsweise könnte jede richtungsablenkende Vorrichtung statt der DMD verwendet werden. Eine kundenspezifische Mikrospiegelvorrichtung würde lichtdurchlässig sein und dünne Spiegel aufweisen, die bei 90° zu dem Lichtstrahl "verstaut" sind, um zu ermöglichen, dass der Strahl weitergeleitet werden kann, und dass er abgeschaltet werden kann, indem er zu einer reflektierenden Position bewegt wird, um ausgewählte Pixel des Lichtstrahls zu verstreuen. Die Farbänderungsvorrichtungen könnte jede Vorrichtung sein, die dichroitische Filter umfasst.

Claims (3)

  1. Beleuchtungsvorrichtung, mit: einer Lichtquelle (300) einer Anordnung von elektrisch steuerbaren Spiegeln (320), die elektrisch so gesteuert sind, dass sie ihre Position ändern, um eine Formeigenschaft eines auftreffenden Lichtstrahls von der Lichtquelle (300) steuerbar zu ändern, gekennzeichnet durch eine Bilderzeugungsvorrichtung (550) zum Erhalten eines Bildes einer Szene (580), auf die die Lichtstrahlen projiziert werden, und ein Steuersystem (500,552–570), das so betätigbar ist, dass es mindestens ein Objekt innerhalb des Bildes identifiziert, so dass eine Schablone mit einer auf dem Umriss (584) des Objekts basierenden Form festgelegt wird, und die Schablone zur Steuerung der Positionen des Spiegels (320) verwendet wird, um dadurch eine äußere Form der projizierten Lichtstrahlen entsprechend der Schablone zu ändern.
  2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bilderzeugungsvorrichtung eine Kamera (550) ist.
  3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem (500,552–570) so konfiguriert ist, dass es die Umrissform eines Darstellers (584) in dem Bild der Szene (580) identifiziert.
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