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Stereo-Display
May 04, 2017

Eine Stereo-Anzeige (auch 3D-Anzeige) ist eine Anzeigevorrichtung, die in der Lage ist, Tiefenwahrnehmung an den Betrachter mittels Stereopsis für binokulare Sicht zu übertragen.


Typen - Stereoskopie vs. 3D

Die Grundtechnik der Stereo-Displays besteht darin, Offset-Bilder zu präsentieren, die separat zum linken und rechten Auge angezeigt werden. Beide dieser 2D-Offset-Bilder werden dann im Gehirn kombiniert, um die Wahrnehmung der 3D-Tiefe zu vermitteln. Obwohl der Begriff "3D" ubiquitär verwendet wird, ist es wichtig zu beachten, dass die Darstellung von Dual-2D-Bildern deutlich von der Darstellung eines Bildes in drei vollen Dimensionen abweicht. Der bemerkenswerteste Unterschied zu echten 3D-Displays ist, dass die Kopf- und Augenbewegungen des Beobachters nicht die Informationen über die dargestellten dreidimensionalen Objekte erhöhen. Zum Beispiel haben holographische Anzeigen keine solchen Einschränkungen. Ähnlich wie bei der Klangwiedergabe ist es nicht möglich, ein volles dreidimensionales Klangfeld nur mit zwei stereophonischen Lautsprechern neu zu erstellen, es ist ebenfalls eine Übertreibung der Fähigkeit, sich auf doppelte 2D-Bilder als "3D" zu beziehen. Der genaue Begriff "stereoskopisch" ist umständlicher als die gemeinsame falsche "3D", die nach vielen Jahrzehnten unbestrittener Missbrauch verankert wurde. Es ist zu beachten, dass, obwohl die meisten stereoskopischen Displays nicht als echte 3D-Display qualifizieren, alle realen 3D-Display sind auch stereoskopische Displays, weil sie auch die unteren Kriterien erfüllen.


Stereo-Displays

Basierend auf den Prinzipien der Stereopsis, die von Sir Charles Wheatstone in den 1830er Jahren beschrieben wurden, bietet die stereoskopische Technologie ein anderes Bild für die linken und rechten Augen des Betrachters. Im Folgenden sind einige der technischen Details und Methoden, die in einigen der bemerkenswertesten stereoskopischen Systeme, die entwickelt wurden, eingesetzt.


Side-by-Side-Bilder


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"Der frühe Vogel fängt den Wurm" Stereograph veröffentlicht 1900 von North-Western View Co. von Baraboo, Wisconsin, digital restauriert.

Die traditionelle stereoskopische Fotografie besteht darin, eine 3D-Illusion zu erzeugen, die von einem Paar von 2D-Bildern ausgeht, ein Stereogramm. Der einfachste Weg, die Tiefenwahrnehmung im Gehirn zu verbessern, besteht darin, den Augen des Betrachters zwei verschiedene Bilder zur Verfügung zu stellen, die zwei Perspektiven desselben Objekts darstellen, wobei eine kleine Abweichung genau den Perspektiven entspricht, die beide Augen natürlich im Binokularvisum erhalten.

Wenn Augenstörungen und Verzerrungen vermieden werden sollen, sollte jedes der beiden 2D - Bilder vorzugsweise jedem Auge des Betrachters präsentiert werden, so dass jedes Objekt, das von dem Betrachter gesehen wird, von diesem Auge gesehen wird, wenn es geradeaus gerichtet ist Die Augen des Betrachters sind weder gekreuzt noch divergiert. Wenn das Bild kein Objekt in unendlicher Entfernung, wie einen Horizont oder eine Wolke enthält, sollten die Bilder entsprechend näher beieinander liegen.

Die Seite-an-Seite-Methode ist extrem einfach zu erstellen, aber es kann schwierig oder unangenehm sein, ohne optische Hilfsmittel zu sehen.


Stereoskop und stereographische Karten

Ein Stereoskop ist ein Gerät zum Betrachten von stereographischen Karten, die Karten sind, die zwei getrennte Bilder enthalten, die nebeneinander gedruckt werden, um die Illusion eines dreidimensionalen Bildes zu erzeugen.


Transparenz-Zuschauer

Paare von Stereo-Ansichten, die auf einer transparenten Basis gedruckt werden, werden durch Durchlicht betrachtet. Ein Vorteil der Transparenzbetrachtung ist die Chance für einen breiteren, realistischeren Dynamikbereich, als es bei Drucke auf einer undurchsichtigen Basis praktisch ist. Ein anderes ist, dass ein breiteres Sichtfeld dargestellt werden kann, da die Bilder, die von hinten beleuchtet werden, viel näher an die Linsen gestellt werden können.

Die Praxis der Betrachtung von Film-basierten stereoskopischen Transparenzen stammt zumindest schon im Jahr 1931, als Tru-Vue begann, Sätze von Stereo-Ansichten auf Streifen von 35 mm Film zu vermarkten, die durch einen handgehaltenen Bakelit-Betrachter gefüttert wurden. Im Jahre 1939 wurde als View-Master eine modifizierte und miniaturisierte Variante dieser Technologie eingeführt, die Kartonscheiben mit sieben Paaren kleiner Kodachrome Farbfilmtransparente einsetzte.


Kopf-Displays

Der Benutzer trägt normalerweise einen Helm oder eine Brille mit zwei kleinen LCD- oder OLED-Displays mit Lupe, eine für jedes Auge. Die Technologie kann verwendet werden, um Stereo-Filme, Bilder oder Spiele zu zeigen. Head-mounted Displays können auch mit Head-Tracking-Geräten gekoppelt werden, so dass der Benutzer "umschauen" die virtuelle Welt, indem sie ihren Kopf, wodurch die Notwendigkeit für einen separaten Controller.

Wegen der schnellen Fortschritte in der Computergraphik und der fortgesetzten Miniaturisierung von Video und anderen Geräten werden diese Geräte zu vernünftigen Kosten verfügbar. Kopf- oder tragbare Gläser können verwendet werden, um ein durchsichtiges Bild zu betrachten, das auf die reale Weltanschauung auferlegt wird und die sogenannte Augmented Reality erzeugt. Dies geschieht durch das Reflektieren der Videobilder durch teilweise reflektierende Spiegel. Die reale Weltanschauung wird durch die reflektierende Oberfläche der Spiegel gesehen.


Anaglyphe

In einer Anaglyphe werden die beiden Bilder in einer additiven Lichteinstellung durch zwei Filter, eine rote und eine Cyan, überlagert. In einer subtraktiven Lichteinstellung werden die beiden Bilder in den gleichen komplementären Farben auf weißem Papier gedruckt. Gläser mit farbigen Filtern in jedem Auge trennen die entsprechenden Bilder, indem sie die Filterfarbe ausheben und die komplementäre Farbe schwarz machen. Eine Kompensationstechnik, die gemeinhin als Anachrome bekannt ist, verwendet einen etwas transparenten Cyan-Filter in den patentierten Gläsern, die mit der Technik verbunden sind. Prozess rekonfiguriert das typische Anaglyphenbild, um weniger Parallaxe zu haben.

Eine Alternative zu dem üblichen Rot- und Cyan-Filtersystem von Anaglyph ist ColorCode 3-D, ein patentiertes Anaglyph-System, das erfunden wurde, um ein Anaglyph-Bild in Verbindung mit dem NTSC-TV-Standard zu präsentieren, bei dem der rote Kanal oft kompromittiert wird. ColorCode verwendet die komplementären Farben von gelb und dunkelblau auf dem Bildschirm, und die Farben der Brillengläser sind bernsteinfarben und dunkelblau.


Polarisationssysteme

Um ein stereoskopisches Bild darzustellen, werden zwei Bilder über verschiedene Polarisationsfilter auf denselben Bildschirm überlagert. Der Betrachter trägt eine Brille, die auch ein Paar von Polarisationsfiltern enthält, die unterschiedlich (im Uhrzeigersinn / gegen den Uhrzeigersinn mit zirkularer Polarisation oder bei 90 ° -Winkeln, üblicherweise 45 und 135 Grad, mit linearer Polarisation) orientiert sind. Da jeder Filter nur das Licht durchläuft, das ähnlich polarisiert ist und das Licht unterschiedlich polarisiert, sieht jedes Auge ein anderes Bild. Dies wird verwendet, um einen dreidimensionalen Effekt zu erzeugen, indem man dieselbe Szene in beide Augen schiebt, aber aus leicht unterschiedlichen Perspektiven abgebildet ist. Darüber hinaus, da beide Linsen die gleiche Farbe haben, können Menschen mit einem dominanten Auge (Amblyopie), wo ein Auge mehr verwendet wird, den 3D-Effekt sehen, der zuvor durch die Trennung der beiden Farben negiert wurde.

Die zirkulare Polarisation hat einen Vorteil gegenüber der linearen Polarisation, da der Betrachter nicht den Kopf aufrecht und mit dem Bildschirm ausgerichtet sein muss, damit die Polarisation richtig funktioniert. Bei linearer Polarisation bewirkt das Drehen der Gläser seitwärts, dass die Filter aus der Ausrichtung mit den Siebfiltern herausgehen, wodurch das Bild verblasst und für jedes Auge den Gegenrahmen leichter zu sehen ist. Für die zirkulare Polarisation arbeitet die polarisierende Wirkung unabhängig davon, wie der Kopf des Betrachters mit dem Bildschirm ausgerichtet ist, wie z. B. seitlich gekippt oder sogar umgekehrt. Das linke Auge sieht nur noch das dafür vorgesehene Bild und umgekehrt, ohne zu verblassen oder zu übersehen.

Polarisiertes Licht, das von einem gewöhnlichen Kinofilm reflektiert wird, verliert typischerweise die meisten seiner Polarisation. So muss ein teurer silberner Bildschirm oder ein lackierter Bildschirm mit vernachlässigbarem Polarisationsverlust verwendet werden. Alle Polarisationsarten führen zu einer Verdunkelung des angezeigten Bildes und einem schlechteren Kontrast im Vergleich zu Nicht-3D-Bildern. Licht von Lampen wird normalerweise als zufällige Sammlung von Polarisationen emittiert, während ein Polarisationsfilter nur einen Bruchteil des Lichts durchläuft. Als Ergebnis ist das Bildschirmbild dunkler. Diese Verdunkelung kann durch Erhöhung der Helligkeit der Projektor-Lichtquelle kompensiert werden. Wenn das anfängliche Polarisationsfilter zwischen die Lampe und das Bilderzeugungselement eingefügt wird, ist die Lichtintensität, die auf das Bildelement auftrifft, nicht höher als normal ohne das Polarisationsfilter, und der Gesamtbildkontrast, der auf den Bildschirm übertragen wird, wird nicht beeinträchtigt.


Eclipse-Methode

Bei der Eclipse-Methode blockiert ein Shutter Licht von jedem geeigneten Auge, wenn das Bild des umgekehrten Auges auf den Bildschirm projiziert wird. Die Anzeige wechselt zwischen linken und rechten Bildern und öffnet und schließt die Rollläden in der Brille oder dem Betrachter synchron mit den Bildern auf dem Bildschirm. Dies war die Grundlage des Teleview-Systems, das 1922 kurz verwendet wurde.

Eine Variation der Eclipse-Methode wird in LCD-Shutter-Brillen verwendet. Gläser, die Flüssigkristall enthalten, der in der Synchronisation mit den Bildern auf dem Kino, dem Fernseh- oder Computerbildschirm durch das Konzept der alternativen Rahmensequenzierung durchläuft. Dies ist die Methode, die von nVidia, XpanD 3D und früheren IMAX-Systemen verwendet wird. Ein Nachteil dieser Methode ist die Notwendigkeit für jede Person, die teure, elektronische Gläser trägt, die mit dem Anzeigesystem mit einem drahtlosen Signal oder einem angeschlossenen Draht synchronisiert werden müssen. Die Shutter-Brillen sind schwerer als die meisten polarisierten Gläser, obwohl leichtere Modelle nicht schwerer sind als einige Sonnenbrillen oder luxuriöse polarisierte Gläser. [4] Allerdings benötigen diese Systeme keinen silbernen Bildschirm für projizierte Bilder.

Flüssigkristall-Lichtventile arbeiten durch Rotationslicht zwischen zwei Polarisationsfiltern. Aufgrund dieser internen Polarisatoren verdunkeln LCD-Shutter-Gläser das Anzeigebild einer beliebigen LCD-, Plasma- oder Projektor-Bildquelle, was dazu führt, dass Bilder dimmend erscheinen und der Kontrast niedriger ist als bei normaler Nicht-3D-Anzeige. Dies ist nicht unbedingt ein Nutzungsproblem. Für einige Arten von Displays, die schon sehr hell sind mit schlechten grau-schwarzen Ebenen, können LCD-Shutter-Brillen tatsächlich die Bildqualität verbessern.


Interferenzfiltertechnik

Dolby 3D verwendet spezifische 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 sehr spezifischen Wellenlängen herausfiltern, erlauben dem Träger, ein 3D-Bild zu sehen. Diese Technologie eliminiert die teuren Silber-Bildschirme für polarisierte Systeme wie RealD, die die häufigste 3D-Display-System in Theatern ist erforderlich. Es erfordert jedoch viel teurer Brillen als die polarisierten Systeme. Es wird auch als Spektralkammfilterung oder Wellenlängenmultiplexvisualisierung bezeichnet

Das neu eingeführte Omega 3D / Panavision 3D System nutzt diese Technologie auch mit einem breiteren Spektrum und mehr "Zähnen" zum "Kamm" (5 für jedes Auge im Omega / Panavision System). Die Verwendung von mehr Spektralbändern pro Auge beseitigt die Notwendigkeit, das Bild zu verarbeiten, das vom Dolby-System benötigt wird. Gleiches Aufteilen des sichtbaren Spektrums zwischen den Augen verleiht dem Betrachter ein entspannteres "Gefühl", da die Lichtenergie und die Farbbalance fast 50-50 betragen. Wie das Dolby-System kann das Omega-System auch mit weißen oder silbernen Bildschirmen verwendet werden. Aber es kann mit Film- oder Digitalprojektoren verwendet werden, im Gegensatz zu den Dolby-Filtern, die nur auf einem digitalen System mit einem Farbkorrekturprozessor von Dolby 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 vermarktet hat und dabei "herausfordernde globale Wirtschafts- und 3D-Marktbedingungen" nennt. Obwohl DPVO seine Geschäftstätigkeit auflöst, setzt Omega Optical fort, 3D-Systeme auf nicht-theatralischen Märkten zu fördern und zu verkaufen. Das 3D-System von Omega Optical enthält Projektionsfilter und 3D-Brillen. Neben dem passiven stereoskopischen 3D-System hat Omega Optical verbesserte Anaglyph-3D-Brillen produziert. Die Omega-Rot / Cyan-Anaglyphengläser verwenden komplexe Metalloxid-Dünnfilm-Beschichtungen und hochwertige geglühte Glasoptiken.


Autostereoskopie

Bei dieser Methode sind Gläser nicht notwendig, um das stereoskopische Bild zu sehen. Lentikuläre Linsen- und Parallaxenbarrieretechniken beinhalten die Auferlegung von zwei (oder mehr) Bildern auf demselben Blatt, in engen, abwechselnden Streifen und unter Verwendung eines Bildschirms, der entweder einen der beiden Bilderstreifen blockiert (im Falle von Parallaxenbarrieren) oder gleichermaßen verwendet wird Schmalen Linsen, um die Streifen des Bildes zu biegen und es zu scheinen, das gesamte Bild zu füllen (bei lentikulären Drucke). Um die stereoskopische Wirkung 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-Auto-Stereoskopie sind seit über einem Jahrhundert bekannt.

Beide Bilder werden auf einen hochwelligen, gewellten Schirm projiziert, der Licht unter spitzen Winkeln reflektiert. Um das stereoskopische Bild zu sehen, muss der Betrachter in einem sehr engen Winkel sitzen, der fast senkrecht zum Bildschirm ist und die Größe des Publikums begrenzt. Lentikular wurde für die Theateraufführung zahlreicher Shorts in Russland von 1940 bis 1948 und 1946 für den Spielfilm Robinzon Kruzo verwendet

Obwohl seine Verwendung in theatralischen Präsentationen eher begrenzt war, wurde Lentikulismus weithin für eine Vielzahl von Neuheiten verwendet und wurde sogar in der Amateur-3D-Fotografie verwendet. Zu den weiteren Beispielen für diese Technologie gehören autostereoskopische LCD-Displays auf Monitoren, Notebooks, Fernsehgeräten, Mobiltelefonen und Spielgeräten wie dem Nintendo 3DS. Die neue Anwendung beinhaltet die Fujifilm FinePix Real 3D mit einem autostereoskopischen Display, das 2009 veröffentlicht wurde.


Andere Methoden

Ein Autostereogramm ist ein Einzelbild-Stereogramm (SIS), das entworfen ist, um die visuelle Illusion einer dreidimensionalen (3D) Szene aus einem zweidimensionalen Bild im menschlichen Gehirn zu schaffen. Um 3D-Formen in diesen Autostereogrammen wahrnehmen zu können, muss das Gehirn die normalerweise automatische Koordination zwischen Fokussierung und Vergenz überwinden.

Der Pulfrich-Effekt ist eine psychophysische Wahrnehmung, bei der die laterale Bewegung eines Objekts im Gesichtsfeld durch die visuelle Kortex als eine Tiefenkomponente interpretiert wird, und zwar aufgrund einer relativen Differenz der Signalzeitpunkte zwischen den beiden Augen.

Prismatische Brillen machen das Cross-Viewing einfacher als auch über / unter-viewing möglich, Beispiele sind der KMQ Viewer.

Wiggle-Stereoskopie ist eine Bildanzeige-Technik, die durch schnell wechselnde Anzeige der linken und rechten Seiten eines Stereogramms erreicht wird. Gefunden im animierten GIF-Format im Web.


3D-Displays

Real 3D zeigt 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 Beobachters die Informationen über die dargestellten dreidimensionalen Objekte erhöht.


Volumendarstellung

Volumetrische Displays verwenden einen physikalischen Mechanismus, um Lichtpunkte innerhalb eines Volumens anzuzeigen. Solche Anzeigen verwenden Voxel anstelle von Pixeln. Volumetrische Displays umfassen multiplanare Displays, bei denen mehrere Display-Ebenen gestapelt sind, und rotierende Panel-Displays, bei denen ein rotierendes Panel eine Lautstärke durchläuft.

Andere Technologien wurden entwickelt, um Lichtpunkte in der Luft über ein Gerät zu projizieren. Ein Infrarot-Laser ist auf das Ziel im Raum fokussiert, wodurch eine kleine Blase aus Plasma erzeugt wird, die sichtbares Licht aussendet.


Holographische Anzeigen

Holographische Anzeige ist eine Anzeigetechnologie, die die Fähigkeit hat, alle vier Augenmechanismen zur Verfügung zu stellen: binokulare Disparität, Bewegungsparallaxe, Unterkunft und Konvergenz. Die 3D-Objekte können ohne das Tragen von speziellen Gläsern betrachtet werden und es wird keine visuelle Ermüdung für menschliche Augen verursacht.

Im Jahr 2013 startete eine Silicon Valley Company LEIA Inc die Herstellung von holographischen Displays, die für mobile Geräte (Uhren, Smartphones oder Tablets) mit einer multidirektionalen Hintergrundbeleuchtung gut geeignet sind und eine breite Vollparallax-Winkelansicht ermöglichen, um 3D-Inhalte ohne Brille zu sehen.


Integrierte Bildgebung

Integral Imaging ist eine autostereoskopische oder multiskopische 3D-Darstellung, dh es zeigt ein 3D-Bild ohne die Verwendung von speziellen Brillen seitens des Betrachters. Es erreicht dies, indem man eine Reihe von Mikrolinsen (ähnlich einer linsenförmigen Linse) vor dem Bild platziert, wobei jede Linse je nach Betrachtungswinkel anders aussieht. Also, anstatt ein 2D-Bild anzuzeigen, das aus jeder Richtung gleich aussieht, reproduziert es ein 4D-Lichtfeld, das Stereobilder erzeugt, die Parallaxe zeigen, wenn sich der Betrachter bewegt.


Kompressive Lichtfeldanzeigen

Es wird eine neue Displaytechnologie namens "compressive light field" entwickelt. Diese Prototyp-Displays verwenden zum Zeitpunkt der Anzeige geschichtete LCD-Panels und Komprimierungsalgorithmen. Entwürfe umfassen Dual- und Multilayer-Geräte, die durch Algorithmen wie Computertomographie und Nicht-Negativ-Matrix-Faktorisierung und nicht-negative Tensor-Faktorisierung angetrieben werden.