Stereo-Anzeige - Stereo display
Ein Stereodisplay (auch 3D-Display ) ist ein Anzeigegerät , das dem Betrachter mittels Stereopsis für binokulares Sehen eine Tiefenwahrnehmung vermitteln kann .
Typen – Stereoskopie vs. 3D
Die grundlegende Technik von Stereo - Displays ist Offset - Bilder darzustellen , die separat auf die linke und rechte Auge angezeigt. Diese beiden 2D-Offset-Bilder werden dann im Gehirn kombiniert, um die Wahrnehmung von 3D-Tiefe zu vermitteln. Obwohl der Begriff "3D" allgegenwärtig verwendet wird, ist es wichtig zu beachten, dass sich die Darstellung von dualen 2D-Bildern deutlich von der Darstellung eines Bildes in drei vollen Dimensionen unterscheidet . Der bemerkenswerteste Unterschied zu echten 3D-Displays besteht darin, dass die Kopf- und Augenbewegungen des Betrachters die Informationen über die angezeigten dreidimensionalen Objekte nicht erhöhen. Zum Beispiel holographische Displays haben keine solchen Einschränkungen. Ähnlich wie es in der Tonwiedergabe nicht möglich ist, allein mit zwei Stereolautsprechern ein vollständiges dreidimensionales Schallfeld nachzubilden, ist es ebenfalls eine Übertreibung der Fähigkeit, duale 2D-Bilder als "3D" zu bezeichnen. Der genaue Begriff "stereoskopisch" ist umständlicher als die gängige Fehlbezeichnung "3D", die sich nach vielen Jahrzehnten unbestrittenen Missbrauchs eingebürgert hat. Es ist zu beachten, dass, obwohl die meisten stereoskopischen Anzeigen nicht als echte 3D-Anzeigen gelten, alle echten 3D-Anzeigen auch stereoskopische Anzeigen sind, da sie auch die niedrigeren Kriterien erfüllen.
Stereo-Displays
Basierend auf den Prinzipien der Stereopsis , die von Sir Charles Wheatstone in den 1830er Jahren beschrieben wurden, liefert die stereoskopische Technologie dem linken und rechten Auge des Betrachters ein unterschiedliches Bild. Im Folgenden sind einige der technischen Details und Methoden aufgeführt, die in einigen der bemerkenswerteren entwickelten stereoskopischen Systeme verwendet werden.
Bilder nebeneinander
Die traditionelle stereoskopische Fotografie besteht darin, eine 3D-Illusion ausgehend von einem Paar von 2D-Bildern, einem Stereogramm, zu erzeugen . Der einfachste Weg, die Tiefenwahrnehmung im Gehirn zu verbessern, besteht darin, den Augen des Betrachters zwei verschiedene Bilder zu liefern, die zwei Perspektiven desselben Objekts darstellen, mit einer geringfügigen Abweichung, die genau den Perspektiven entspricht, die beide Augen beim binokularen Sehen natürlich erhalten .
Wenn eine Überanstrengung der Augen und eine Verzerrung vermieden werden sollen, sollte jedes der beiden 2D-Bilder vorzugsweise jedem Auge des Betrachters präsentiert werden, damit jedes vom Betrachter in unendlicher Entfernung gesehene Objekt von diesem Auge wahrgenommen werden sollte, während es geradeaus orientiert ist die Augen des Betrachters werden weder gekreuzt noch divergieren. Enthält das Bild kein Objekt in unendlicher Entfernung, wie beispielsweise einen Horizont oder eine Wolke, sollten die Bilder entsprechend näher beieinander stehen.
Die Side-by-Side-Methode ist extrem einfach zu erstellen, kann jedoch ohne optische Hilfsmittel schwierig oder unangenehm sein.
Stereoskop und Stereokarten
Ein Stereoskop ist ein Gerät zum Betrachten von Stereokarten, das sind Karten, die zwei separate Bilder enthalten, die nebeneinander gedruckt werden, um die Illusion eines dreidimensionalen Bildes zu erzeugen.
Transparenzbetrachter
Auf einer transparenten Unterlage gedruckte Stereoansichtspaare werden im Durchlicht betrachtet. Ein Vorteil der Transparenzbetrachtung ist die Möglichkeit eines breiteren, realistischeren Dynamikbereichs, als dies bei Drucken auf undurchsichtiger Unterlage praktisch ist; ein anderer ist, dass ein breiteres Sichtfeld präsentiert werden kann, da die Bilder, die von hinten beleuchtet werden, viel näher an den Linsen platziert werden können.
Die Praxis des Betrachtens von stereoskopischen Dias auf Filmbasis geht mindestens auf das Jahr 1931 zurück, als Tru-Vue begann, Stereoansichten auf 35-mm- Filmstreifen zu vermarkten , die durch einen tragbaren Bakelit- Betrachter geführt wurden. 1939 wurde als View-Master eine modifizierte und miniaturisierte Variante dieser Technologie eingeführt, bei der Pappscheiben mit sieben Paaren kleiner Kodachrome- Farbfilmfolien verwendet wurden .
Head-Mounted-Displays
Der Benutzer trägt normalerweise einen Helm oder eine Brille mit zwei kleinen LCD- oder OLED- Displays mit Vergrößerungslinsen, eines für jedes Auge. Die Technologie kann verwendet werden, um Stereofilme, Bilder oder Spiele zu zeigen. Head-Mounted-Displays können auch mit Head-Tracking-Geräten gekoppelt werden, was es dem Benutzer ermöglicht, sich in der virtuellen Welt umzusehen, indem er seinen Kopf bewegt, wodurch ein separater Controller überflüssig wird.
Aufgrund der schnellen Fortschritte in der Computergrafik und der fortschreitenden Miniaturisierung von Video- und anderen Geräten beginnen diese Geräte zu vernünftigeren Kosten erhältlich zu werden. Am Kopf getragene oder tragbare Brillen können verwendet werden, um ein durchsichtiges Bild zu betrachten, das der realen Welt auferlegt wird, wodurch eine sogenannte Augmented Reality entsteht . Dies geschieht, indem die Videobilder durch teilreflektierende Spiegel reflektiert werden. Die reale Welt kann durch den Teilspiegel gesehen werden.
Eine neuere Entwicklung bei holographischen Wellenleitern oder "wellenleiterbasierten Optiken" ermöglicht die Überlagerung von stereoskopischen Bildern über die reale Welt ohne die Verwendung von sperrigen reflektierenden Spiegeln.
Am Kopf befestigte Projektionsdisplays
Head-Mounted - Projektionsdisplays (HMPD) ähnlich ist zeigt Head-Mounted aber mit Bilder projiziert und auf einem retroreflektierenden Bildschirm , Der Vorteil dieser Technologie gegenüber Head-Mounted - Display ist , dass die Fokussierung und Vergenz Probleme nicht Fixierung erfordern mit korrigierende Augenlinsen. Zur Bilderzeugung werden Pico-Projektoren anstelle von LCD- oder OLED- Bildschirmen verwendet.
Anaglyphe
In einer Anaglyphe werden die beiden Bilder in einer additiven Lichteinstellung durch zwei Filter, einen Rot- und einen Cyanfilter, überlagert . Bei einer subtraktiven Lichteinstellung werden die beiden Bilder in den gleichen Komplementärfarben auf weißem Papier gedruckt. Brillen mit Farbfiltern in jedem Auge trennen das entsprechende Bild, indem sie die Filterfarbe auslöschen und die Komplementärfarbe Schwarz wiedergeben. Eine kompensierende Technik, allgemein bekannt als Anachrome, verwendet einen etwas transparenteren Cyan-Filter in den mit dieser Technik verbundenen patentierten Gläsern. Der Prozess rekonfiguriert das typische Anaglyphenbild so, dass es weniger Parallaxe aufweist .
Eine Alternative zum üblichen Rot- und Cyan-Filtersystem von Anaglyphen ist ColorCode 3-D , ein patentiertes Anaglyphensystem, das erfunden wurde, um ein Anaglyphenbild in Verbindung mit dem NTSC-Fernsehstandard zu präsentieren, bei dem der Rotkanal oft kompromittiert wird. ColorCode verwendet die Komplementärfarben Gelb und Dunkelblau auf dem Bildschirm, und die Farben der Brillengläser sind Bernstein und Dunkelblau.
Polarisationssysteme
Um ein stereoskopisches Bild zu präsentieren, werden zwei Bilder durch verschiedene Polarisationsfilter überlagert auf dieselbe Leinwand projiziert . Der Betrachter trägt eine Brille, die auch ein Paar Polarisationsfilter enthält, die anders ausgerichtet sind (im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn bei zirkularer Polarisation oder im 90-Grad-Winkel, in der Regel 45 und 135 Grad bei linearer Polarisation). Da jeder Filter nur ähnlich polarisiertes Licht durchlässt und das unterschiedlich polarisierte Licht blockiert, sieht jedes Auge ein anderes Bild. Dies wird verwendet, um einen dreidimensionalen Effekt zu erzeugen, indem dieselbe Szene in beide Augen projiziert wird, jedoch aus leicht unterschiedlichen Perspektiven dargestellt. Da beide Linsen dieselbe Farbe haben, können Menschen mit einem dominanten Auge, bei denen ein Auge mehr verwendet wird, außerdem die Farben richtig sehen, die zuvor durch die Trennung der beiden Farben negiert wurden.
Die zirkulare Polarisation hat gegenüber der linearen Polarisation den Vorteil, dass der Betrachter den Kopf nicht aufrecht halten und auf den Bildschirm ausrichten muss, damit die Polarisation richtig funktioniert. Bei linearer Polarisation führt das seitliche Drehen der Brille dazu, dass die Filter nicht mehr mit den Bildschirmfiltern ausgerichtet sind, wodurch das Bild verblassen und jedes Auge das gegenüberliegende Bild leichter sehen kann. Bei zirkularer Polarisation funktioniert der Polarisationseffekt unabhängig davon, wie der Kopf des Betrachters auf den Bildschirm ausgerichtet ist, z. B. seitwärts geneigt oder sogar auf den Kopf gestellt. Das linke Auge sieht weiterhin nur das dafür vorgesehene Bild und umgekehrt, ohne Fading oder Übersprechen.
Polarisiertes Licht, das von einem gewöhnlichen Kinobildschirm reflektiert wird, verliert typischerweise den größten Teil seiner Polarisation. Daher muss eine teure Silberleinwand oder eine aluminisierte Leinwand mit vernachlässigbarem Polarisationsverlust verwendet werden. Alle Polarisationsarten führen zu einer Verdunkelung des angezeigten Bildes und zu einem schlechteren Kontrast im Vergleich zu Nicht-3D-Bildern. Licht von Lampen wird normalerweise als zufällige Ansammlung von Polarisationen emittiert, während ein Polarisationsfilter nur einen Bruchteil des Lichts durchlässt. Als Ergebnis ist das Bildschirmbild dunkler. Diese Verdunkelung kann durch Erhöhen der Helligkeit der Projektorlichtquelle ausgeglichen werden. Wenn der anfängliche Polarisationsfilter zwischen die Lampe und das Bilderzeugungselement eingefügt wird, ist die auf das Bildelement auftreffende Lichtintensität ohne den Polarisationsfilter nicht höher als normal, und der auf den Bildschirm übertragene Gesamtbildkontrast wird nicht beeinflusst.
Eclipse-Methode
Bei der Eclipse-Methode blockiert ein Verschluss das Licht von jedem entsprechenden Auge, wenn das Bild des umgekehrten Auges auf den Bildschirm projiziert wird. Die Anzeige wechselt zwischen linkem und rechtem Bild und öffnet und schließt die Blenden in der Brille oder im Betrachter synchron mit den Bildern auf dem Bildschirm. Dies war die Grundlage des Teleview- Systems, das 1922 kurzzeitig verwendet wurde.
Eine Variante der Eclipse-Methode wird bei LCD-Shutterbrillen verwendet . Gläser mit Flüssigkristall , die das Licht synchron mit den Bildern auf dem Kino-, Fernseh- oder Computerbildschirm durchlassen, wobei das Konzept der Alternate-Frame-Sequenzierung verwendet wird . Dies ist die Methode, die von nVidia, XpanD 3D und früheren IMAX- Systemen verwendet wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass jede betrachtende Person eine teure elektronische Brille tragen muss, die mit dem Anzeigesystem unter Verwendung eines drahtlosen Signals oder eines angeschlossenen Kabels synchronisiert werden muss. Die Shutter-Brille ist schwerer als die meisten Polarisationsbrillen, obwohl leichtere Modelle nicht schwerer sind als einige Sonnenbrillen oder Deluxe-Polarisationsbrillen. Diese Systeme benötigen jedoch keine Silberleinwand für projizierte Bilder.
Flüssigkristall-Lichtventile arbeiten, indem sie Licht zwischen zwei Polarisationsfiltern drehen. Aufgrund dieser internen Polarisatoren verdunkeln LCD-Shutter-Brillen das Anzeigebild jeder LCD-, Plasma- oder Projektor-Bildquelle, was dazu führt, dass die Bilder dunkler erscheinen und der Kontrast geringer ist als bei normaler Nicht-3D-Betrachtung. Dies ist nicht unbedingt ein Nutzungsproblem; Bei einigen Display-Typen, die bereits sehr hell sind und einen schlechten grauen Schwarzwert aufweisen , können LCD-Shutter-Brillen die Bildqualität sogar verbessern.
Interferenzfiltertechnologie
Dolby 3D verwendet bestimmte Wellenlängen von Rot, Grün und Blau für das rechte Auge und verschiedene Wellenlängen von Rot, Grün und Blau für das linke Auge. Brillen, die die ganz bestimmten Wellenlängen herausfiltern, ermöglichen es dem Träger, ein 3D-Bild zu sehen. Diese Technologie eliminiert die teuren Silberbildschirme, die für polarisierte Systeme wie RealD erforderlich sind , das gängigste 3D-Anzeigesystem in Kinos. Es erfordert jedoch viel teurere Gläser als die polarisierten Systeme. Es wird auch als spektrale Kammfilterung oder Wellenlängen-Multiplex-Visualisierung bezeichnet
Auch das kürzlich eingeführte Omega 3D/ Panavision 3D- System verwendet diese Technologie, allerdings mit einem breiteren Spektrum und mehr "Zähnen" bis zum "Kamm" (5 für jedes Auge im Omega/Panavision-System). Durch die Verwendung von mehr Spektralbändern pro Auge entfällt die für das Dolby-System erforderliche Farbverarbeitung des Bildes. Die gleichmäßige Aufteilung des sichtbaren Spektrums zwischen den Augen gibt dem Betrachter ein entspannteres "Gefühl", da die Lichtenergie und Farbbalance fast 50-50 beträgt. Wie das Dolby-System kann das Omega-System mit weißen oder silbernen Bildschirmen verwendet werden. Es kann jedoch entweder mit Film- oder Digitalprojektoren verwendet werden, im Gegensatz zu den Dolby-Filtern, die nur auf einem digitalen System mit einem von Dolby bereitgestellten Farbkorrekturprozessor verwendet werden. Das Omega/Panavision-System behauptet auch, dass ihre Brillen billiger herzustellen sind als die von Dolby. Im Juni 2012 wurde das Omega 3D/Panavision 3D-System von DPVO Theatrical eingestellt, das es im Auftrag von Panavision unter Berufung auf "herausfordernde globale Wirtschafts- und 3D-Marktbedingungen" vermarktete. Obwohl DPVO seinen Geschäftsbetrieb auflöste, fördert und verkauft Omega Optical weiterhin 3D-Systeme auf nicht-Theatermärkten. Das 3D-System von Omega Optical enthält Projektionsfilter und 3D-Brillen. Zusätzlich zum passiven stereoskopischen 3D-System hat Omega Optical verbesserte Anaglyphen-3D-Brillen entwickelt. Die rot/cyanfarbenen Anaglyphengläser von Omega verwenden komplexe Metalloxid-Dünnfilmbeschichtungen und eine hochwertige getemperte Glasoptik.
Autostereoskopie
Bei dieser Methode ist keine Brille erforderlich, um das stereoskopische Bild zu sehen. Lentikularlinsen- und Parallaxenbarrieren- Technologien beinhalten das Auferlegen von zwei (oder mehr) Bildern auf demselben Blatt in schmalen, abwechselnden Streifen und die Verwendung eines Bildschirms, der entweder einen der beiden Bildstreifen blockiert (im Fall von Parallaxenbarrieren) oder gleich nutzt schmale Linsen, um die Bildstreifen zu biegen und den Eindruck zu erwecken, dass sie das gesamte Bild ausfüllen (bei Lentikulardrucken). Um den stereoskopischen Effekt zu erzeugen, muss die Person so positioniert werden, dass ein Auge eines der beiden Bilder sieht und das andere das andere sieht. Die optischen Prinzipien der Multiview-Autostereoskopie sind seit über einem Jahrhundert bekannt.
Beide Bilder werden auf eine hochverstärkte, gewellte Leinwand projiziert, die das Licht in spitzen Winkeln reflektiert. Um das stereoskopische Bild zu sehen, muss der Betrachter in einem sehr engen Winkel sitzen, der fast senkrecht zum Bildschirm steht, wodurch die Größe des Publikums begrenzt wird. Lenticular wurde von 1940 bis 1948 für die Theatervorführung zahlreicher Kurzfilme in Russland und 1946 für den Spielfilm Robinzon Kruzo . verwendet
Obwohl seine Verwendung in Theatervorführungen eher begrenzt war, wurde Lentikular häufig für eine Vielzahl von Neuheiten verwendet und wurde sogar in der Amateur-3D-Fotografie verwendet. Jüngste Anwendung ist die Fujifilm FinePix Real 3D mit einem autostereoskopischen Display, die 2009 auf den Markt kam . Weitere Beispiele für diese Technologie sind autostereoskopische LCD-Displays auf Monitoren, Notebooks, Fernsehern, Mobiltelefonen und Spielgeräten wie dem Nintendo 3DS .
Andere Methoden
Ein Autostereogramm ist ein Einzelbildstereogramm (SIS), entworfen , um die zu schaffen visuelle Illusion einer drei- dimensionalen (3D) Szene aus einem zweidimensionalen Bild im menschlichen Gehirn . Um 3D-Formen in diesen Autostereogrammen wahrzunehmen , muss das Gehirn die normalerweise automatische Koordination zwischen Fokussierung und Vergenz überwinden .
Der Pulfrich-Effekt ist eine psychophysische Wahrnehmung, bei der die seitliche Bewegung eines Objekts im Sichtfeld vom visuellen Kortex als eine Tiefenkomponente aufweisend interpretiert wird , aufgrund eines relativen Unterschieds in den Signalzeiten zwischen den beiden Augen.
Prismatische Brillen erleichtern das Quersehen sowie das Über-/Untersehen, Beispiele sind der KMQ-Viewer .
Wackelstereoskopie ist eine Bildanzeigetechnik, die durch schnelles Wechseln der linken und rechten Seite eines Stereogramms erreicht wird. Gefunden im animierten GIF- Format im Web.
3D-Anzeigen
Echte 3D-Displays zeigen ein Bild in drei vollen Dimensionen an . Der bemerkenswerteste Unterschied zu stereoskopischen Displays mit nur zwei 2D-Offset-Bildern besteht darin, dass die Kopf- und Augenbewegung des Betrachters die Informationen über die angezeigten dreidimensionalen Objekte erhöht.
Volumetrische Anzeige
Volumetrische Anzeigen verwenden einen physikalischen Mechanismus, um Lichtpunkte innerhalb eines Volumens anzuzeigen. Solche Displays verwenden Voxel anstelle von Pixeln . Volumetrische Displays umfassen multiplanare Displays, bei denen mehrere Displayebenen übereinander gestapelt sind, und rotierende Panel-Displays, bei denen ein rotierendes Panel ein Volumen überstreicht.
Andere Technologien wurden entwickelt, um Lichtpunkte in die Luft über einem Gerät zu projizieren. Ein Infrarotlaser wird auf das Ziel im Weltraum fokussiert und erzeugt eine kleine Plasmablase, die sichtbares Licht emittiert.
Holographische Displays
Die holographische Anzeige ist eine Anzeigetechnologie , die alle vier Augenmechanismen bereitstellen kann: binokulare Disparität , Bewegungsparallaxe , Akkommodation und Konvergenz . Die 3D - Objekte können ohne tragen spezielle Brille und keine betrachtet werden visuelle Müdigkeit wird für das menschliche Auge verursacht werden.
Im Jahr 2013 begann ein Unternehmen aus dem Silicon Valley, LEIA Inc, mit der Herstellung holografischer Displays, die sich gut für mobile Geräte (Uhren, Smartphones oder Tablets) eignen , die eine multidirektionale Hintergrundbeleuchtung verwenden und einen weiten Blickwinkel mit voller Parallaxe ermöglichen, um 3D- Inhalte ohne Brille zu sehen. Ihr erstes Produkt war Teil eines Mobiltelefons ( Red Hydrogen One ) und später in ihrem eigenen Android-Tablet.
Integrale Bildgebung
Integral Imaging ist eine autostereoskopische oder multiskopische 3D-Darstellung, dh sie zeigt ein 3D-Bild ohne die Verwendung einer speziellen Brille des Betrachters an. Dies wird erreicht, indem ein Array von Mikrolinsen (ähnlich einer Lentikularlinse ) vor dem Bild platziert wird, wobei jede Linse je nach Betrachtungswinkel anders aussieht. Anstatt ein 2D-Bild anzuzeigen, das aus jeder Richtung gleich aussieht, reproduziert es ein 3D- Lichtfeld und erzeugt Stereobilder, die bei Bewegungen des Betrachters eine Parallaxe aufweisen .
Komprimierende Lichtfeldanzeigen
Eine neue Displaytechnologie namens "compressive light field" wird entwickelt. Diese Prototyp-Displays verwenden geschichtete LCD-Panels und Komprimierungsalgorithmen zum Zeitpunkt der Anzeige. Die Designs umfassen Dual- und Multilayer-Bauelemente, die von Algorithmen wie Computertomographie und nicht-negativer Matrix-Faktorisierung und nicht-negativer Tensor- Faktorisierung gesteuert werden .
Probleme
Es ist ersichtlich, dass jede dieser Anzeigetechnologien Einschränkungen aufweist, sei es der Standort des Betrachters, eine umständliche oder unansehnliche Ausrüstung oder hohe Kosten. Die Darstellung artefaktfreier 3D-Bilder bleibt schwierig.