Stereodisplay

Stereodisplay (auch 3D-Display, veraltet Raumbildprojektion) bezeichnet die Anzeige von stereoskopischen oder dreidimensionalen Bildern für einen Tiefeneindruck durch stereoskopisches Sehen mittels eines Bildschirms oder durch eine Projektion. Eine verbreitete Nutzung besteht in der Darstellung von 3D-Filmen. Darüber hinaus gibt es viele Anwendungsgebiete, beispielsweise in Forschung, Entwicklung, Medizin und Militär. 350px|mini|3D-Volumendisplay

Unterscheidung zwischen Stereoskopie und 3D Die Technik von stereoskopischen Displays besteht darin, zwei für das linke und rechte Auge leicht unterschiedliche Bilder darzustellen. Die beiden Bilder werden dann im Gehirn für die Tiefenwahrnehmung kombiniert. Obwohl häufig dafür der Ausdruck „3D“ verwendet wird, ist meist die Bezeichnung „stereoskopisch“ korrekter. Denn es ist ein Unterschied, ob zwei 2D-Bilder angezeigt werden oder ob mehrere Bilder oder sogar eine räumliche Projektion dargestellt wird. Der größte Unterschied besteht darin, dass die Kopf- und Augenbewegungen eines Betrachters bei einem stereoskopischen Bild nicht zu mehr Informationen über ein dargestelltes Objekt führen, also weder die Bewegungsparallaxe simuliert wird noch auf eine variable Betrachtungsdistanz akkommodiert werden kann. Autostereoskopie, Holografie und Volumendisplays sind Beispiele für Verfahren, die solche Einschränkungen nicht oder nur zum Teil haben.

Stereo-Displays Allgemeines

Die Kanaltrennung bezeichnet bei stereoskopischen Betrachtungsmethoden die für die Augen nötige Trennung von linkem und rechtem Bild. Jedes Auge darf nur das ihm zugehörige Bild sehen. Der Idealfall ist eine hundertprozentige Kanaltrennung, bei der das rechte Bild für das linke Auge vollkommen unsichtbar ist und umgekehrt. Bei ungenügender Kanaltrennung entstehen Geisterbilder, Crosstalk oder Übersprechen genannt, welche die 3D-Wahrnehmung trüben und schlimmstenfalls zu Kopfschmerzen beim Betrachter führen können.Visual comfort of binocular and 3D Displays, Displays, Volume 25, Issues 2–3, August 2004, Pages 99–108 Crosstalk ist somit eine fehlerhafte Darstellung, bei der das Bild für das eine Auge auch für das andere Auge sichtbar ist. Dieser Effekt tritt vor allem in kontrastreichen Bildpartien auf. Verschiedene Verfahren beschäftigen sich mit der Reduktion des unerwünschten Übersprechens.Woods, A.J. (2010): Understanding Crosstalk in Stereoscopic Displays (Keynote Presentation) at 3DSA (Three-Dimensional Systems and Applications) conference, Tokyo, Japan, 19–21 May 2010 PDF.

Brillenbasierte Verfahren Die Kanaltrennung wird mit Hilfe einer Stereo- oder 3D-Brille erreicht, die der Betrachter tragen muss. Es gibt mehrere verschiedene technische Verfahren, die die Trennung in Links- und Rechtsbild herbeiführen können.

Anaglyphe Projektion mini|Typische moderne Anaglyphenbrille mit Rot/Cyan-Filtern, ähnlich anderen mit Rot/Grün- oder Rot/Blau-Filtern

Unter „Anaglyphenprojektion“ (aus griechisch ἀνά aná „auf“, „aufeinander“ und γλύφω glýphō „meißeln“, „gravieren“, auch „darstellen“) im ursprünglichen Sinne versteht man zwar grundsätzlich jede Stereoprojektion, bei der beide Teilbilder gleichzeitig auf dieselbe Projektionsfläche geschickt werden (auch die Polarisationsprojektion ist also streng genommen eine „Anaglyphenprojektion“), meist ist jedoch mit „anaglyphisch“ eine farbanaglyphische Darstellung gemeint: Zur Trennung der beiden Einzelbilder werden verschiedene Farbfilter in 3D-Brillen verwendet, ursprünglich Rot vor dem rechten Auge und Grün vor dem linken. Beim Ansehen des Films löscht der Rot-Filter das rote Filmbild aus, und das grüne Bild wird schwarz – der Grünfilter löscht das grüne Farbbild, und das rote wird schwarz. Da beide Augen nun unterschiedliche Bilder sehen, entsteht im Gehirn wieder ein räumliches Bild. Da das eine Auge ein „Rotbild“ sieht, das andere jedoch ein „Türkisbild“, interpretiert das Gehirn das meist als unbunt, also in Graustufen („Schwarzweißbild“).

Ende der 1970er Jahre verbesserte Stephen Gibson die Farbanaglyphentechnik mit seinem patentierten „Deep Vision“-System, das andere Filterfarben verwendet: Rot vor dem rechten Auge und Cyan vor dem linken. Inzwischen bietet auch die dänische Firma „Color Code“ ein eigenes Farbanaglyphen-System an. Die Filterfarben der „ColorCode“-Brillen sind Blau vor dem rechten Auge und Gelb vor dem linken. Für den Spielfilm „Journey to the Center of the Earth“ wurde 2008 in England ein weiteres Farbanaglyphenverfahren („Trio Scopics“) eingeführt, mit Grün vor dem linken Auge und Magenta vor dem rechten.

Vorteile des Verfahrens sind die äußerst einfachen und billigen Brillen und es funktioniert (für Standbilder) auch bei Druckerzeugnissen und (für Videos) über normale Farbfernseher oder mit normalen Farbmonitoren. Nachteil ist die Beschränkung auf Schwarz-Weiß-Ansichten für den Betrachter.

Polarisationsfiltertechnik mini|Eine RealD-Polarisationsfilterbrille

Bei dieser Projektionstechnik wird die Kanaltrennung mit linear (veraltet) oder zirkular polarisiertem Licht erreicht. Es befinden sich jeweils entgegengesetzte versetzte Polfilterfolien vor den Projektionsobjektiven und in den Polfilterbrillen der Betrachter. In Kinos werden hierzu zwei Projektoren verwendet; bei 3D-Fernsehern oder 3D-Computermonitoren ist meist ein Vorfilter verbaut, bei dem vor den geradzahligen Zeilen der Polarisationsfilter für das eine Auge und vor den ungeradezahligen Zeilen der Polfilter für das andere Auge eingebracht ist.

Bei Projektion wird zur Aufrechterhaltung des Polarisationsstatus des Lichts eine metallisch beschichtete Leinwand benötigt. Eine normale (matt-)weiße Leinwand reflektiert das Licht unter Verlust der Polarisation, wodurch die Kanaltrennung verloren geht.

Bei linear polarisiertem Licht sind rechtes und linkes Bild nur komplett zu trennen, wenn ein Winkel von 90° zwischen den Polfilter-Folien vor den Projektionslinsen besteht, ebenso bei den Filtern in der Brille. Der Kopf muss während der Bildbetrachtung stets gerade gehalten werden. Je schräger man den Kopf seitwärts neigt, desto schwächer wird die Kanaltrennung, es erscheinen „Geisterbilder“; bei 45° sind eigentliches Bild und Geisterbild gleich hell. Bei zirkular polarisiertem Licht, wie es moderne Verfahren wie Real-D verwenden, trifft das nicht mehr zu – man kann den Kopf ohne Nachteile frei neigen.

Ein weiteres Problem besteht in der uneinheitlichen Verwendung der Filter bei verschiedenen Herstellern von Brillen und Projektoren. Die Filter in der Brille müssen passend zu den Filtern im Projektor sein, sonst kommt es zu einer Vertauschung der Kanäle. Anwendung findet diese Technik außer im Privatbereich bei vielen IMAX-3D-Vorführungen und seit 2009 auch in vielen 3D-Kinos.

Der Vorteil der Polarisations-Projektionstechnik liegt in der hohen Farbtreue der gezeigten Bilder, auch sind die Brillen recht günstig und leicht und brauchen keinen Strom. Nachteilig ist der Helligkeitsverlust durch die verwendeten Filter und die höheren Kosten der metallischen Leinwand. Bei entsprechenden 3D-Fernsehern reduziert sich die Zeilenzahl auf die Hälfte.

Interferenzfiltertechnik Die Interferenzfiltertechnik ist ein seinerzeit bei DaimlerChrysler entwickeltes System zur stereoskopischen Wiedergabe. Das System wird von der INFITEC GmbH weiterentwickelt und vertrieben. Die Firma DOLBY Inc. wendet das Verfahren unter dem Namen Dolby 3D an. Es arbeitet nach einem Lichtwellenlängenfiltersystem (Wellenlängenmultiplex). Für jedes Auge wird jeweils ein Teil der vom Auge als Rot-Grün-Blau empfundenen Wellenlängen durchgelassen und der des anderen Auges sehr effektiv blockiert. Hierbei werden die Grundfarben der Bilder also für das linke und rechte Auge auf jeweils unterschiedliche überlappungsfreie Wellenlängenbereiche reduziert.Helmut Jorke, Markus Fritz: (PDF; 966 kB) Dabei arbeitet das Verfahren für den Betrachter scheinbar farbneutral, d. h., es kommt zu keinen sichtbaren Farbänderungen.

Bei dieser Betrachtungstechnik ist der Kopf beliebig neigbar, und es wird keine Silberleinwand benötigt. Darum kommt das Verfahren auch in Planetarien zum Einsatz. Die Brillengläser und Filter bestehen aus in einem Vakuumverfahren beschichtetem Glas und sind daher vergleichsweise teuer.

Erfolgt die Projektion von linken und rechten Bild abwechselnd mit einem Projektor (Filterrad zwischen Lampe und bildgebender Einheit bei Dolby 3D), benötigt dieses Verfahren einen Videoprozessor, der die Farbanteile der linken und rechten Ansicht unabhängig verändert, um die links und rechts unterschiedlichen Farbverfälschungen, die durch dieses Verfahren prinzipbedingt auftreten, wieder auszugleichen. Dies betrifft nahezu ausschließlich kommerzielle Kinos, bei denen die 3D-Projektion aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sequentiell erfolgt, die Farbkorrektur also 144 Mal je Sekunde wechseln muss. Werden linkes und rechtes Bild durch separate Projektoren erzeugt, kann die Farbkorrektur hingegen in den Einstellungen der Projektoren selbst erfolgen.

Neuere Filtersysteme (Infitec II, Omega 3D) lassen pro Seite mehrere Frequenzbänder durch. Dadurch werden die Farbverfälschungen auch ohne Bearbeitung des Videosignals schon weitgehend bis vollständig vermieden, abhängig vom tatsächlichen Lichtspektrum des jeweiligen Projektorexemplars.

Grundlage für die Farbkorrektur ist die Metamerie, die es ermöglicht, aus unterschiedlichen Spektren denselben Farbeindruck im Auge zu erzeugen. Das Wellenlängenmultiplex-Verfahren ist nur für Projektionen geeignet, jedoch nicht für den Druck von 3D-Bildern.

Shuttertechnik mini|LCD-Shutterbrille von XpanD.

Bei dieser Methode werden die beiden Bilder für das rechte und das linke Auge nacheinander auf eine normale, weiße Leinwand projiziert oder auf einem normalen Monitor angezeigt. Für einen Film mit 24 Bildern pro Sekunde müssen also in der gleichen Zeit 48 Bilder auf die Leinwand gebracht werden, was für moderne Projektoren kein Problem darstellt. Um Flimmern zu vermeiden, werden meist höhere Frequenzen gewählt, wobei dann jedes einzelne Bild mehrfach gezeigt wird. Der Projektor gibt während der Vorführung über Infrarotsignalgeber, welche sich oberhalb der Leinwand befinden, Steuerimpulse an die von den Zuschauern getragenen Shutterbrillen. Diese Brillen verdunkeln dann abwechselnd das rechte und das linke (LCD-)Brillenglas und sorgen so dafür, dass jedes Auge nur das für es bestimmte Bild sieht. Vorteile sind dabei die hohe Farbtreue und die Nutzbarkeit einer normalen Leinwand sowie die Unabhängigkeit von der Kopfneigung des Betrachters. Außerdem ist ein solches System trotz der höheren Kosten für die Shutterbrillen bis zu einer gewissen Publikumsgröße kostengünstiger, da im Gegensatz zum Polarisationsverfahren weder ein zweiter Projektor noch ein Polfilter für die Projektoren noch eine metallisierte Leinwand erforderlich sind und der Synchronisierungsaufwand wegfällt.

Zu Anfang wurden Shutterbrillen auch durch kabelgebundene Signale synchronisiert, die zugleich die Energie für die Shuttertechnik lieferten. Heutige Shutterbrillen haben meist eingebaute Akkus.

Beim „3D-ready“-Heimkino-Projektor (meistens DLP-Beamer) wird über den HDMI-1.3-Anschluss i. d. R. ein 120 Hz-3D-Videosignal von einer 3D-tauglichen PC-Grafikkarte zugeführt und als 2x60-Hz-3D-Video zeitsequentiell projiziert. Neben passenden 3D-Shutterbrillen (z. B. Nvidia 3D-Vision mit eigenem USB-Infrarot-Sender) kann man ggfs. preiswerte sogenannte „DLP-Link“-Shutterbrillen verwenden, die von einem Projektor-Weißimpuls zwischen den Videobildern synchronisiert werden und deshalb keinen Infrarot-Sender benötigen. Nur 3D-Projektoren mit HDMI-1.4a-Anschluss können direkt mit 3D-HD-Signalen von 3D-Blu-ray-Playern oder HDTV-Receivern gespeist werden.