Wie funktioniert 3D? Dazu habe ich im April 2013 eine Präsentation im Fach
“Sondergebiete der Technik” gehalten. Meine 12-seitige schriftliche Ausarbeitung
zum Thema findet ihr hier und könnt diese auch als PDF runterladen.
Alle Quellen sind in der PDF als Fußnote vermerkt.
PDF
Inhaltsverzeichnis:
- Was heißt Stereoskopie?
- Wie funktioniert Stereoskopie?
- Anaglyph Technik
- Polarisation (Passiv)
- Shutter Technik (Aktiv)
- Ohne Brille
- Formate und Wiedergabe
- 3D im Kino, Wohnzimmer und Internet
- 3D Kamera
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„Stereoskopie ist die Wiedergabe von Bildern mit einem räumlichen Eindruck von Tiefe, der physikalisch nicht vorhanden ist.“
Mit der Stereoskopie werden Bilder und Filme durch Hilfsmittel wie Brillen so dargestellt, dass ein räumlicher Eindruck entsteht. Besser bekannt ist diese Methode als „3D“. Vor allem durch verbesserte Technik kamen ab 2009 vermehrt 3D-Filme in die Kinos und seit 2010 nun auch 3D-Fernseher ins Wohnzimmer. Doch wie funktioniert der Effekt überhaupt und welche Technik steckt dahinter?
Wie funktioniert Stereoskopie?
Wie entsteht der dreidimensionale Effekt?
Unser Gehirn ist dafür verantwortlich. Es bekommt von jedem unserer Augen eine Bildinformation über den Sehnerv zugesendet. Das Gehirn setzt diese zu einem logischen 3D-Bild zusammen. Ohne unsere zwei Augen wären wir nicht in der Lage, Entfernungen abzuschätzen und wir würden oft daneben greifen.
Schema – Stereoskopisches Sehen
3D Bilder und Filme müssen also jedem Auge die richtige Information geben, damit unser Gehirn ein dreidimensionales Bild erstellen kann. Die beiden Bilder müssen eine horizontale Verschiebung von etwa 6,25 cm haben. Dies entspricht unserem Augenabstand.
Es gibt verschiedene Verfahren die gewährleisten, dass jedes Auge seine richtige Information bekommt. Die älteste ist die 1853 entstandene Anaglyph-Technik. Später kamen die Polarisation- und Active-Shutter-Technik hinzu. Im Folgenden werden diese Techniken erläutert.
Anaglyph Technik
Die Anaglyph-Technik ist die älteste Möglichkeit einer 3D-Projektion. Sie wurde schon 1853 von Wilhelm Rollmann erfunden, der die Idee hatte, „die Halbbilder komplementär einzufärben und übereinander zu legen“. Der Name wurde allerdings erst 1891 von Louis Ducos du Hauron geprägt. Rollmann benutzte die Farben Rot und Blau für seine Brille. Später wurde das Blau durch Cyan ersetzt, welches die Komplementärfarbe zu Rot ist. Dadurch sind die Bilder weniger anstrengend für die Augen und der Kontrast der Farben erhöht sich.
Die Methode der Komplementärfarbentrennung funktioniert auch mit anderen Farbpaaren: So gibt es Bilder und Filme in Grün-Magenta und Gelb-Blau.
Beispielbilder: Dasselbe Bild in 3 verschiedenen Anaglyphverfahren.
Rot-Cyan
Grün-Magenta
Gelb-Blau
Zum Betrachten der Anaglyphenbilder benötigt man jeweils eine andere geeignete Brille. Diese enthalten einen passenden Filter. Bei Rot-Cyan-Bildern sind die Filter auf dem rechten Auge cyan und auf dem linken Auge rot. Das rechte Auge sieht bedingt durch den Cyanfilter nicht mehr die Rotanteile, diese werden absorbiert. Das linke Auge hingegen hat auf der Brille einen roten Filter und sieht nicht mehr die Cyananteile. Dadurch entstehen zwei verschiedene Bilder mit einer Verschiebung von unserem Augenabstand.
Anaglyphenbrille mit Rot-Cyan Filtern
Anaglyphenbrille mit Grün-Magenta Filtern
Vorteile der Anaglyphentechnik sind, dass sie auf herkömmlichem Papier oder Bildschirmen gezeigt werden kann. Es ist keine spezielle Projektion notwendig. Einzige Voraussetzung ist die 3D-Brille. Diese sind im Vergleich sehr kostengünstig, da der Rahmen auch aus Papier hergestellt wird.
Nachteilig ist, dass die Farben nicht sehr brillant sind. Dies wurde allerdings mit der Wahl der Komplementärfarbe in Cyan minimiert, aber das Bild ist im Vergleich zu den folgenden Techniken schlecht.
Polarisation (Passiv)
Die Polarisations- oder auch Passivtechnik ist eine modernere Möglichkeit der 3D-Projektion. Die Firma IMAX veröffentlichte diese Projektionsmöglichkeit im Jahre 1971 in Toronto. Die beiden Bilder müssen auch hier wieder getrennt an das Auge gesendet werden.
3D Schema – Passive Polarisation
In der Grafik erkennt man das grundlegende Prinzip des passiven 3D-Verfahrens. Die Lichtstrahlen werden polarisiert. Das heißt sie werden in einem bestimmten Winkel ausgesendet und können nur aus diesem Winkel betrachtet werden. Man benötigt hierbei allerdings zwei Projektoren.
Die Lichtstrahlen fallen auf eine metallische, silberne Leinwand. Diese ist notwendig, damit das polarisierte Licht nicht wieder neutralisiert wird.
Die Polfilter in der 3D Brille sind horizontal und vertikal angeordnet. Nur die horizontalen Strahlen (hier grün) fallen durch das linke Glas und können von diesem Auge betrachtet werden. Die vertikalen Strahlen (hier blau) können nicht das linke Glas durchdringen. Dasselbe entsprechend umgekehrt auf der anderen Seite.
Vorteile dieser Projektion sind, dass die Bilder eine bessere Qualität im Vergleich zu Anaglyphen haben. Doch es ist nicht möglich ein FullHD Bild mit 1920×1080 Bildpunkten zu projizieren, da durch die Polarisation das Bild halbiert wird. Jedes Bild hat somit eine Höhe von 540 Pixeln. Wenn man weit genug vom Fernseher weg sitzt, fällt dies aber nicht mehr auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass durch Schräglage des Betrachters das Bild nicht richtig übertragen werden kann. Dieses Problem wurde mit der zirkularen Projektion minimiert.
Passivbrillen sind im Vergleich zu den Shutterbrillen leichter und kostengünstiger.
Passive Polarisations-Brille
Die Polarisationstechnik wird vor allem in Kinos genutzt. Wenn man die Brille absetzt erschein das Bild verwackelt/doppelt.
„Geisterbild“
Shutter Technik (Aktiv)
Eine andere Projektionsmöglichkeit ist die sogenannte Shutter-Technik. Hierbei wird eine Brille eingesetzt, die aktiv mitarbeitet. Sie schließt mit hoher Geschwindigkeit die Gläser der Brille abwechselnd über eine Kristallflüssigkeit. Der Fernseher sendet synchron die passenden Bilder entweder für das linke oder rechte Auge. Da das menschliche Auge träge ist, merkt es diesen Effekt nicht.
Schematische Darstellung der Shutter-Technik
Die Brillen waren hier lange das Problem, zu teuer, zu schwer und kabelbetrieben. Doch dank Infrarot-Technik und leichterer Bauteile sind sie nun für den Massenmarkt etabliert.
Vorteile der Shuttertechnik sind, dass auch mit geneigtem Kopf der 3D Effekt sauber funktioniert und das 3D Bild in Full HD (1920×1080) übertragen wird. Ein großer Vorteil ist, dass man ohne Brille ganz normal 2D schauen kann.
Jedoch ist der Preis ein Nachteil. Eine einzelne Brille kostet derzeit um die 100€ und sie sind nicht kompatibel zu anderen Herstellern. Ebenso ist dieses Verfahren am anstrengendsten für die Augen. Desweitern sind sie viel schwerer als Passive- oder Anaglyphenbrillen, da sie ein Innenleben mit Batterie beherbergen. Dies erklärt den Kostenfaktor.
ASUS Aktiv Shutter Brille
Ohne Brille
Seit einigen Jahren gibt es Geräte, die 3D Bilder projizieren aber keine Brille benötigen (Autostereoskopie). Dies ist auch nur mit einem Trick möglich. Der Bildschirm hat die doppelte Anzahl von Pixeln (in der Grafik die roten und grünen Blöcke). Durch ein Streifenmuster, der sogenannten Parallaxenbarriere bekommt jedes Auge seine für ihn bestimmten Bildpunkte zu sehen. Ein großer Nachteil davon ist, dass der Betrachter im richtigen Winkel und Abstand auf den Bildschirm schauen muss. Deshalb sind diese Geräte auch nur für einen Benutzer ausgelegt.
Toshiba entwickelte ein Notebook, welches die Parallaxen verschieben kann. Ein Scanner erfasst die beiden Augen und richtet es optimal aus.
Die Spielekonsole Nintendo 3DS benutzt eine Parallaxenbarriere für die brillenlose Projektion.
Autostereoskopie mit der Parallaxenbarriere – Schema
Doch auch Displays für mehrere Personen sind auf dem Markt. Diese nutzen aber nicht die Parallaxen, sondern Linsen um die jeweiligen Pixel richtig darzustellen. Durch noch mehr Bildpunkte können auch so Projektionen von bis zu 9 Personen gesehen werden, indem jeder Betrachter seine eigenen 2 Bildpunkte sieht (siehe Graphik unten rechts)
Autostereoskopie mit Linsen – Schema
3D-Spielekonsole ohne Brille – Nintendo 3DS 3D
Formate und Wiedergabe
Da man für 3D Filme zwei Videodateien braucht – eine fürs linke und eine fürs rechte Auge – gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Speicherung. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die beiden Sequenzen in einer Videodatei zu speichern. Dies hat den Vorteil, dass nicht ein Kanal verloren gehen kann. Außerdem kann der 3D-Wiedergabemodus gewechselt werden. Das heißt, ein Film kann anaglyph auf einem PC geschaut werden und Active-Shutter auf einem Fernsehgerät. Beides mal wird die gleiche Datei verwendet.
Die bekannteste Variante des 3D Formates ist das sogenannte „Side-by-side“. Hierbei werden die beiden Clips nebeneinander gestreckt und gespeichert.
Side by side
Beide Bilder sind nicht zu 100% identisch, sondern haben die Verschiebung von unserem Augenabstand.
Ein geeignetes Wiedergabeprogramm trennt die beiden Bilder und gibt sie im gewünschten 3D Modus wieder.
Eine weitere Speichermöglichkeit ist „TopBottom“, bei der dasselbe passiert. Hier sind die einzelnen Clips nicht nebeneinander, sondern übereinander angeordnet.
Top- Bottom
3D im Kino, Wohnzimmer und Internet
2009 ging ein weltweiter 3D-Boom los. Auslöser war der Film „Avatar- Aufbruch nach Pandora“ von James Cameron. Der Film spielte mehr als 2,7 Milliarden US-Dollar ein. Man merkte, dass 3D wieder boomte. Viele Filme wurden auch in 3D konvertiert, aber der große Erfolg der ehemaligen 2D-Filme blieb aus. 2012 kamen 37 stereoskopische Filme in die Kinos. In Kinos wird überwiegend die passive Projektion verwendet.
Auch 3D-Fernsehgeräte setzten sich immer mehr durch. Es gibt sowohl aktiv als auch passive. Doch es gibt bis jetzt nur einen dauerhaften 3D-Sender bei Sky (Pay-TV). Jeder vierte Fernsehapparat, der heutzutage verkauft wird ist bereits 3D-fähig.
3D Videos findet man nun auch vermehrt im Internet. Die Videoplattform YouTube unterstützt Side-by-side und Top-Bottom Videos und diese können stereoskopisch ausgegeben werden. Entweder anaglyph von einem normalen Bildschirm oder aktiv/passiv auf 3D-Bildschirmen.
YouTube 3D Player – 3D Modus wählen
3D Kamera
Auch gibt es nun Kameras, die 3D aufnehmen können. Doch nicht immer ist es ein stereoskopisches Bild. Nur dann, wenn auch 2 Videoquellen verwendet wurden, kann man von „echtem“ 3D reden. Die beiden Objektive müssen auch hier den menschlichen Augenabstand haben.
Je nach Hersteller werden die beiden Filme sofort in den jeweiligen 3D-Modus konvertiert. Immer häufiger haben die Kameras Displays die autostereoskopisch funktionieren. Panasonic hat Camcorder, die mit einem Aufsatzobjektiv 3D filmen können.
Panasonic Camcorder mit 3D Aufsatz
3D GoPro System
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