Hyperview : Maximalwert binokularer Perspektiven im Bildraster autostereoskopischer Raumbildsysteme

Grasnick, Armin

In zunehmenden Maße entwickeln sich dreidimensionale Daten, deren Erfassung, Verarbeitung und Darstellung, zu einer immer unentbehrlicheren Alltäglichkeit. Dabei werden 3D-Daten nicht nur als unterhaltsame Erweiterung der Darstellung im stereoskopischen Kino oder im Computerspiel genutzt, sondern gewinnen auch als unverzichtbare Eingangsdaten für räumliche Druckerzeugnisse, in der bildgebenden Diagnostik oder der Mikroskopie an Bedeutung. Für die geometrische Charakteristik der räumlichen Intensitätsverteilung des Lichtes im Objektraum wird zunehmend die Darstellung in Form eines Lichtfeldes genutzt. Die Darstellung eines Objektes durch ein „Lightfield“ entspricht dabei in der Regel der Aufnahme aus einer Vielzahl von Perspektiven und lässt sich so nicht nur durch fotografische Techniken aufzeichnen, sondern auch am Computer erzeugen und auswerten. Es ist nicht zu übersehen, dass in der Computervisualistik -dem „Computational Imaging“- sowohl die Erfassung von Bilddaten, als auch deren Verarbeitung in den vergangenen Jahrzehnten deutlich an Qualität zugenommen haben, was zu einer allgemeinen Akzeptanz und ausgedehnten Verbreitung auch der enthaltenen 3D-Technologie geführt hat. Der Unterschied zum „klassischen“ 3D zeigt sich mitunter schon im Namen: So werden beispielsweise bei der Bezeichnung moderner Verfahren gewohnheitsmäßig die Superlative „Super“, „Ultra“ oder „Hyper“ verwendet. Das hat unter anderem zu den Komposita „Superresolution“, „Ultrafast“ oder „Hyperspektral“ geführt, die neben anderen kreativen Wortschöpfungen Eingang in Wissenschaft gefunden haben und auch in deutschen Publikationen verwendet werden. Obgleich mit dem heutigen Stand der Computervisualistik nun eine ausgezeichnete Grundlage auch zur Darstellung von dreidimensionalen Daten gelegt wäre, sind bei der räumlichen Präsentation der 3D-Daten anhaltend noch einige Zugeständnisse zu machen. Die gegenwärtig erzeugbaren Raumbilder sind mehrheitlich außerstande, der Erwartungshaltung des Publikums hinsichtlich Realismus und Betrachtungskomfort zu genügen. Basierend auf dem Leitgedanken, dass eine akzeptierbare Illusion eines Objektes dem natürlichen Raumerleben desselben Gegenstandes möglichst ähnlich sein muss, wird zwangsläufig der Eliminierung realismusferner Darstellungen und unnatürlicher Betrachtungsweisen zukünftig außerordentliche Bedeutung zukommen. Untersucht man die derzeit vorhandenen Technologien zur 3D-Darstellung im Detail, so stellt man fest, dass jede verfügbare Technologie implizite Mängel in Qualität, Komfort oder technischer Machbarkeit offenbart und sich dadurch das grundsätzliche Potential der darstellenden 3D-Technologien nur unvollständig entfalten kann. Die Ungleichheit von empirischer Erwartung und physischer Realität ist nicht nur eine philosophische Hypothese, sondern führt beim Betrachten virtueller Raumbilder zu der Erfahrung einer kognitiven Divergenz. Diese Unstimmigkeit der Wahrnehmung provoziert physiologische Reaktionen, die umso drastischer ausfallen, je deutlicher die Abweichung zur Erwartung ausfällt. Die generelle Verwendung einer 3D-Brille zur Erzeugung der Raumillusion im 3D-Kino ist nunmehr seit Jahren eine nahezu akzeptierte Tatsache. Die Zusatzbrille wird als ein für die Erzeugung des Effektes unerlässliches Hilfsmittel zwar gebilligt, doch aufgrund der bisweilen auftretenden Sehbelastungen auch als die wesentliche Ursache zur Reduktion des Betrachtungkomforts angesehen. Diese Einschränkung wird besonders bei der Darstellung von Luftbildern mit starker negativer Parallaxe, bei der die Objekte vor dem Bildschirm erscheinen, deutlich. Die Augen des Betrachters konvergieren und akkommodieren gleichzeitig in einem unwillkürlich stattfindenden Zusammenspiel auf das virtuelle Objekt und nicht auf den darstellenden Bildschirm, der dadurch außerhalb der Fokusebene zu liegen kommt. Um die Anzeige wieder mit ausreichender Bildschärfe abzubilden, muss der Prozess von Akkommodation und Konvergenz unnatürlich entkoppelt werden. Zudem eliminiert die stereoskopische Brille ebenso die natürliche Bewegungsparallaxe, was zu einer weiteren Dissonanz zwischen Wahrnehmung und Erfahrung führt. Eine naheliegende Lösung zur Reduzierung der negativen Effekte ist der Verzicht auf die 3D-Brille. Seit der Erfindung der Integralfotografie im Jahre 1908 existiert ein Verfahren zur Darstellung eines Raumbildes und dessen Wahrnehmung auch ohne Brille. Es ist erwähnenswert, dass bereits dieses Verfahren die grundlegenden Probleme der brillenbasierten Systeme auflösen konnte: Die Integralfotografie liefert neben der Bewegungsparallaxe auch die Möglichkeit zur Akkommodation und Konvergenz auf das virtuelle Luftbild. Mit der gleichen Technologie lassen sich noch heute beeindruckende 3D-Standbilder erstellen, die Präsentation integralfotografischer Filme ist aber längst noch nicht Stand der Technik. Da die Integralfotografie zunächst ein rein fotografisches Verfahren war, bestand verfahrensbedingt eine hohe Auflösung im Aufnahme- und Wiedergabemedium. Das erlaubte eine große Anzahl gleichzeitig darstellbarer Perspektiven. Die Umsetzung der Integralfotografie auf heutige Flachbildschirme geht mit der Limitierung einer begrenzten Auflösung einher. Auch das modernste Flachdisplay verfügt nur selten über eine Auflösung, die mit dem Lippmannschen Film konkurrieren kann. Um diesen Mangel in der Informationsübertragung zu kompensieren, wurde eine Reduktion des integralfotografischen Ansatzes auf die horizontale Parallaxe vorgenommen, der unter der Bezeichnung „Multiview“ eine gewisse Verbreitung erfahren hat. Damit lassen sich zwar nunmehr auch Bewegtbilder darstellen, leider bringt diese Art von autostereoskopischen Bildschirmen nun wieder verschiedene Nachteile mit sich, von denen besonders der neuerlich auftretende Akkommodation-Konvergenz-Konflikt und der eingeschränkte Betrachtungsraum ins Gewicht fallen. Es ist bekannt, dass sich eine Verbesserung des Betrachtungskomforts schon durch die Erhöhung der Perspektivbildzahl im zweistelligen Bereich erreichen lässt. Dafür sind üblicherweise spezielle 3D-Bildschirme erforderlich. Hier wird gezeigt, dass sich bereits durch eine Veränderung der Datenpräsentation innerhalb der Pixelebene mittels Multiplexing höchster Perspektivbildzahlen (Hyperview) die kognitive Divergenz verringern lässt – ohne dass dazu die Hardware verändert werden muss. Durch die synchrone Projektion mehrerer Perspektivbilder in das Betrachterauge kann dabei auch der Konflikt aus Akkommodation und Konvergenz verringert werden. Die gleichzeitige Darstellung vieler Einzelbilder verursacht jedoch erfahrungsgemäß eine Verringerung der Bildschärfe. Es wurde daher untersucht, ob ein 3D-Bild auch dann noch wahrgenommen werden kann, wenn jedem einzelnen ansteuerbaren Element eines Bildschirms (dem Subpixel) eine andere Perspektivansicht zugewiesen wird, die einer Aufnahme aus einem etwas anderen Blickwinkel entspricht. In verschiedenen Versuchen wurden dabei mehrere Millionen unterschiedliche Einzelbilder erzeugt und im Rasterbild miteinander kombiniert. Das resultierende Raumbild wurde durch mehrfache Verwendung einzelner Bildpixel (Pixelrecycling) so manipuliert, dass die wahrgenommene Bildunschärfe trotz des gleichzeitigen Vorhandenseins vieler Horizontalwinkel des Lichtfeldes in der Pupille des Betrachters ausreichend ist, um den Raumeindruck zu erhalten. Das Rendering von mehreren Millionen Einzelbildern aus einem 3D-Modell und deren Kombination zu einem 3D-Bild war bisher überaus zeitaufwändig. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch Nutzung einer Hyperview-Matrix und Parallelisierung des Perspektivbild-Renderings die Rechenzeit selbst bei gleichzeitiger Berechnung höchster Bildzahlen im akzeptablen Rahmen bleiben kann. Es wurde der Beweis erbracht, dass durch die Nutzung des Hyperview-Multiplexing eine Optimierung autostereoskopischer Displays möglich und eine Verringerung negativer Systemeigenschaften bereits mit den Auflösungen aktuell verfügbarer Flachdisplays durchführbar ist.

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Grasnick, Armin: Hyperview. Maximalwert binokularer Perspektiven im Bildraster autostereoskopischer Raumbildsysteme. Hagen 2017. FernUniversität in Hagen.

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