3D-Displays

3D-Display (LCD)

Bei den projektiven 3D-Displays werden verschiedene Bilder etwa auf einem hochauflösenden LCD-Bildschirm wiedergegeben und in der menschlichen Wahrnehmung zu einem dreidimensionalen Eindruck verschmolzen.

© Philips

Nutzer in der virtuellen Welt waren bis jetzt oft einsam, abgekoppelt von der realen Welt durch Datenhandschuh und Shutterbrille. Nicht so bei der neuen Generation von Displays. Diese ermöglichen das Sehen und Bewegen von virtuellen 3D-Objekten und das ohne Hilfsmittel. Mit bloßem Auge sind die 3D-Objekte sichtbar und können mit einfachen Gesten bewegt werden. Es lassen sich beispielsweise Produkte im Internet realitätsnah präsentieren oder ein fremdes Land virtuell erkunden. Ermöglicht wird dies, in dem man das virtuelle Objekt vor das Display projiziert. Zur Erzeugung der Tiefenschärfe bzw. des 3D-Effekts werden zwei unterschiedliche Bilder – eines für das rechte und eines für das linke Auge generiert. Das Objekt wird also aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln dargestellt.

Wie erzeugen 3D-Displays den Tiefeneindruck?

Während bildliche Faktoren wie z.B. Perspektive, Textur, Schattenwurf, Verdeckung und Bewegung heute bereits durch gebräuchliche Hard- und Software auf 2D-Displays abgebildet werden, können die Kriterien zur Erzeugung von Tiefeneindrücken nicht erreicht werden. Hierfür sind weitere Aspekte, wie etwa Bewegungsparallaxe, Stereoparallaxe (Binokulare Disparität) oder Konvergenz notwendig. Unter Konvergenz versteht man das Zusammenlaufen von Lichtstrahlen in einem fokussierten Punkt im Raum. Dies wird allerdings noch von wenigen 3D-Displays unterstützt, wie etwa bei volumetrischen oder holographischen Verfahren. Die Effekte der Bewegungs- sowie Stereoparallaxe können hingegen schon recht gut durch die projektiven
3D-Displays nachgebildet werden.

Man bezeichnet als Stereoparallaxe den Winkel, welche zwei Strahlen aus zwei Kameras oder Augen bis zu einem gemeinsamen fokusierten Punkt einschließen. Der Abstand unserer Augen beträgt im Schnitt etwa 6,5cm. Der räumliche Eindruck wird durch unser visuelles System durch die Disparität (Unterschied, Abweichung) zweier Bilder, die mittels zweier Kameras in Augenabstand aufgenommen wurden, erzeugt. Dieser Effekt wird noch zusätzlich verstärkt, wenn sich durch Bewegung des Kopfes die wahrgenommene Szene ebenfalls perspektivisch mit ändert – Bewegungsparallaxe. Dieser Effekt wird auch als Lookaraound-Effekt bezeichnet, man kann also auch um die dargestellten Objekte herumschauen. 1

Kein Zusatzgerät durch Autostereoskopie

3D-Displays haben sich bis heute nicht richtig durchsetzen können, da man meist eine Spezialbrille oder eine entsprechende Aperatur benötigt. Das bedeutet, dass unhandliches und schweres Gerät getragen werden muss. Bei den autostereoskopischen Displays hingegen werden automatisch die richtigen, zum Stereo-Blick notwendigen unterschiedlichen Perspektivbilder in die Augen des Betrachters projiziert, ohne weiteres Zusatzgerät. Somit steigt der Komfort und die Flexibilität, was diese Displays auch für den kommerziellen Einsatz attraktiv macht.

Realisiert wird dies indem man über ein normales Display eine Glasplatte legt. Deren Oberseite besteht aus vielen Wölbungen, wodurch sich ein Linseneffekt ergibt. Somit werden vom linken und rechten Auge unterschiedliche Pixelspalten gesehen. Um nun einen Stereoeffekt zu erzeugen, müssen zwei verschiedene Bilder so gemischt werden, das die erste Spalte des linken Teilbildes neben der des rechten Teilbildes liegt, d.h. ungerade Spalten (1,3,5,...) gehören zum rechten Teilbild und gerade Spalten (2,4,6,...) zum linken Teilbild. Um dies zu erreichen, müssen zwei vom Computer erzeugt Signale via Multiplexer zu einem einzigen Signal gemischt werden. Die Darstellung ist jedoch blickwinkelabhängig. Deswegen ist die Linsenebene über dem eigentlichen Display verschiebbar, diese Verschiebung wird mittels eines Head-Tracking Systems, das auf dem 3D-Display befestigt ist, gesteuert, so das für den Benutzer eine relativ große Bewegungsfreiheit bei der Arbeit vor dem Display besteht. 2

Bewegungs- und Stereoparallaxe

Wird die Zahl der möglichen Bilder diskretisiert, so entstehen Zonen, in denen jeweils nur ein Bild wahrgenommen werden kann. Die Augen sehen bei geeignetem Abstand unterschiedliche Bilder (Stereoparallaxe) und bei genügend hoher Zahl erfährt man bei Kopfbewegung auch den Lookaround-Effekt. Ein stereoskopisches 3D-Display projiziert die Bilder in die zugehörigen Raumzonen und stellt so Bewegungs- und Stereoparallaxe nach.

© Rechen- und Kommunikationszentrum RWTH

Mehr Bewegungsfreiheit durch Head-Tracking

Trotz der Vorteile der immer weiter reifenden multi-view-Verfahren nehmen auch two-view-Techniken immer noch einen wichtigen Platz ein. Soll der Benutzer sich vor dem 3D-Display bewegen dürfen, so müssen hier die beiden projizierten Ansichten der Szene in Abhängigkeit der Augenpositionen angepasst werden. Daher werden mit Hilfe von Sensoren zu jeder Zeit die Augenpositionen des Betrachters ermittelt (head-tracking). So erhält der Betrachter immer die richtigen Bilder für das jeweilige Auge. Head-tracked
3D-Displays zeichnen sich dadurch aus, dass bei Kopfbewegungen die Bewegungsparallaxe für einen Betrachter leicht und exakt simuliert werden kann. Man hat keine diskreten Raumzonen, in welchen nur ein einzelnes Bild sichtbar ist, sondern kontinuierliche 3D-Sicht an jeder Stelle im Raum. Nachteile sind hier sowohl, dass die Betrachterzahl meist auf eine Person beschränkt ist als auch dass zusätzliche Hardware benötigt wird um die Augenpositionen zu bestimmen und die Sichtzonen dynamisch zu verändern. 1

Wie gehts weiter mit den 3D-Displays?

Im Augenblick löst ja bekanntlich der Flachbild-Fernseher die Röhre ab. Und dann? Was ist der nächste (Fort-)Schritt, der uns zum Kauf eines neuen Fernsehers bewegen wird? 3D, sagen große Hersteller wie Toshiba, Philips und Grundig. Lesen Sie in unserer nächsten Ausgabe, welche neuen Anwendungsbereiche sich durch 3D-Displays erschließen. Darüber hinaus gibt es einen Vorgeschmack über die uns zu erwartenden Technologien und Produkte.