Tech Talk 3D-Monitore
3D, die perfekte Illusion

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Neuartige 3D-Monitore bieten faszinierende räumliche Darstellung, ohne dass der Anwender eine 3D-Brille tragen muss. Der Artikel stellt die Grundlagen der 3D-Technik vor.

Faszination 3D

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3D-Darstellung übt auf den Menschen einen besonderen Reiz aus. Kein Wunder, dass zum Beispiel Fernsehsender immer wieder versuchen, Zuschauer mit 3D-Filmen vor den Bildschirm zu locken.

Die Resonanz auf die aufwändig gedrehten Streifen ist meist mäßig, denn kaum jemand möchte seinen Fernsehabend mit einer unbequemen Rot-Grün-Folienbrille auf der Nase verbringen, um ohne Farbdarstellung einen mäßigen 3D-Effekt zu erleben. Dasselbe gilt für Shutter-Brillen am PC: Zwar sind die damit erzielten Effekte sehr gut, die Brille ist in der Regel aber unbequem und außerdem für die Augen ermüdend.

Neuartige Stereo-3D-Monitore lassen die Faszination 3D am PC nun ganz ohne lästige Sehhilfe Realität werden und zwar nicht nur im professionellen Bereich: Auch für den Endkunden beginnt der Markt interessante Lösungen zu entwickeln. PC Professionell stellt die neue Welt der 3D-Darstellung vor.


Dank Barriere dreidimensional

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Die Arbeit mit ausgefeilter 3D-Technik ist in Wissenschaft, Medizin und Industrie kaum noch wegzudenken. Professionelle Stereo-3D-TFTs bewegen sich jedoch preislich um die 10 000 Euro zu viel für kleinere Unternehmen, Architekten, Designer oder gar Power-Gamer. Bewegung in den Markt bringt Sharps LL-151-3D. Das Modell ist mit 1500 Dollar deutlich preiswerter und zielt eher auf den Endanwender. Der 15-Zoll-TFT arbeitet mit der so genannten Parallaxen-Barriere-Technik. Per Knopfdruck kann zwischen 3D- und 2D-Modus umgeschaltet werden, so dass sich das Display auch für den Office-Bereich eignet.

Der 3D-Effekt entsteht, indem für das rechte und linke Auge des Betrachters ein jeweils leicht unterschiedliches Bild dargestellt wird. Um dies zu erreichen, werden zwei Panels hintereinander angeordnet. Während auf dem einen Bildschirm zwei Teilbilder dargestellt werden, dient das zweite Panel als Lichtbarriere. Aktiviert der Anwender den 3D-Modus, entsteht auf dem hinteren Display ein linienförmiges Muster. Dieses ist so angeordnet, dass jedes Auge des Betrachters nur eins der beiden Teilbilder wahrnimmt und der Eindruck räumlicher Tiefe entsteht. In der 2D-Darstellung ist die Muster-Barriere inaktiv.

Damit der Betrachter den 3D-Effekt wahrnehmen kann, muss er sich im richtigen Abstand und Winkel vor dem Bildschirm befinden. Ein »Sweet Spot Indicator« zeigt die richtige Position: Im unteren Bereich des Monitors ist ein rotes Band angebracht, das schwarz wird, sobald der Betrachter die optimale Position eingenommen hat. Sobald man sich aus diesem Bereich herausbewegt, ist der schöne 3D-Effekt dahin.

Wie bei allen 3D-Technologien muss die Grafikkarte die Inhalte in stereoskopische Form konvertieren, also das Signal in zwei Halbbilder splitten, bevor sie an das Display geschickt werden. Nvidia-Karten können mit einem kostenlosen Treiber (www.nvidia.de) jederzeit so weit 3D-tauglich gemacht werden können, dass sie mit einer Shutter-Brille oder eben einem Stereo-3D-Monitor wie dem Sharp die räumliche 3D-Darstellung ermöglichen. PC-Spiele wie »Alien vs. Predator« stellt der Sharp dann bereits in 3D dar. Die spezifizierte Reaktionszeit von 25 Millisekunden reicht allerdings nicht aus, um die Spiele schlierenfrei wiederzugeben.

So ganz heil ist die 3D-Welt beim Sharp-TFT trotzdem nicht: Die horizontale Auflösung ist im 3D-Modus effektiv halbiert, da die Pixel auf das linke und das rechte Stereobild verteilt werden. Neben der kleinen Bilddiagonale leidet im 3D-Modus die Bildqualität durch etwas matte Farben. Außerdem reduziert sich bei aktiviertem Barrieren-Display die eingestellte Helligkeit auf die Hälfte. Für die Arbeit in Design- und Architekturbüros oder für experimentierfreudige Gamer ist der Sharp-Monitor aber zweifellos eine interessante Lösung. Für den Einsatz im medizinischen Bereich reicht die Präzision der Darstellung allerdings nicht aus.


Prismenspiele mit 3D-Effekt

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Im medizinischen Bereich werden derzeit hauptsächlich Shutter-Brillen im Zusammenspiel mit Röhrenmonitoren eingesetzt, da diese eine sehr exakte Darstellung bei einer hohen Auflösung ermöglichen. So kann der Arzt an einem 3D-Modell des menschlichen Körpers oder eines Organs schwierige Operationen planen und Schwierigkeiten bereits im Vorfeld klären.

Langfristig dürfte sich aber auch in der Medizin die Arbeit ohne Brille durchsetzen. Eine Möglichkeit sind hier autostereoskopische Displays wie die Monitore von Seereal. Die TFTs sind mit Spezialfolien und integrierten Kameras versehen. Die Folie befindet sich auf dem Panel und besteht aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten Prismen. Diese trennen die beiden Teilbilder so auf, dass jeweils nur eines für jedes Auge sichtbar ist. Dabei werden die Bilder so angeordnet, dass die ungeraden Pixel-Spalten des TFT-Monitors für das linke Auge, die geraden für das rechte Auge zu sehen sind.

Leichte Bewegungen des Betrachters werden kompensiert, indem die im Monitor integrierte Kamera die Pupillenbewegung überwacht (Headtracking) und die Position der Prismenfolie mechnisch an die Augenstellung anpasst. Damit die Pupillenbewegung optimal erfasst wird, muss der Benutzer in einem Abstand von 55 bis 60 Zentimeter vor dem TFT sitzen.

Günstiger als die rund 10 000 Euro teuren Seereal-Modelle werden die Monitore von N4Dimension sein, die Mitte des Jahres auf den Markt kommen sollen: Diese Monitore sollen rund ein Drittel weniger kosten. N4Dimension setzt ebenfalls auf die Prismentechnik, verzichtet aber auf die mechanische Maskennachführung, mit denen die Seereal-TFTs die Pupillenbewegung des Benutzers kompensieren. Stattdessen werden bei den N4Dimension-Geräten die Subpixel elektronisch »nachjustiert« beziehungsweise den Augenbewegungen angepasst.

Ob nun mit mechanischer oder Pixel-Nachführung, der Blickwinkel des Betrachters bleibt bei diesen Lösungen eingeschränkt: Er sieht immer nur die aus zwei Bildern aufgebaute Szene. Darüber hinaus können diese Monitore lediglich von einer Person genutzt werden, da sich die Technik zur Bewegungskompensation auf ihre Pupillen fokussieren muss.

Anders sieht es bei den Multiuser-3D-Monitoren aus, die es zum Beispiel von X3D und Siemens gibt. Diese Modelle arbeiten ebenfalls mit einem Blendenraster vor dem Display, die Bildtrennung findet aber im Subpixelbereich statt. Diese Displays stellen nicht nur zwei, sondern bis zu zwölf Bildpaare gleichzeitig dar. Dadurch können mehrere Betrachter nebeneinander dreidimensionale Darstellungen sehen. Es entsteht eine Art holographischer Effekt, da der Benutzer das Objekt in 3D aus verschiedenen Positionen sehen kann. Indem er den Kopf leicht seitlich bewegt, kann er wie im realen Leben um das Objekt herumsehen. Der Nachteil gegenüber den autostereoskopischen Displays liegt in der deutlich geringeren Bildschärfe.


Räumliche Laserprojektion

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Noch einen Schritt weiter in die 3D-Welt geht der von der Universität Heidelberg entwickelte 3D-Bildschirm »Felix«. Das Projekt löst die Darstellung von 3D-Objekten von einem flächigen Bildschirm. Stattdessen werden sie mit Hilfe von Laserprojektion so dargestellt, dass sie von allen Seiten betrachtet werden können. Felix besteht aus einem rotierenden, schraubenförmigen Deflektor im Innern einer Plexiglaskuppel mit 30 Zentimetern Durchmesser. Die gewünschten Bilder werden mit Laserstrahlen auf den Deflektor projiziert, der mit 1200 Umdrehungen pro Minute rotiert und durch den auftreffenden Strahl einen frei im Raum stehende Leuchtpunkt produziert. Die plastischen Bilder setzen sich aus einer Vielz
ahl dieser so genannten »Voxel« (volume pixel) zusammen.

Mit Felix können Objekte mit einer Auflösung von maximal 10 000 Voxel dargestellt werden. Mehrfarbige Objekte werden realisiert, indem ein roter und ein grüner Laser verwendet werden. Mit verbesserten Lasern kann diese Technik in der Autoindustrie und in der Medizin große Dienste leisten. In den Kinderschuhen steckt dagegen noch Solid Felix. Hier sollen die Voxel mit Hilfe eines Lasers und Fluoreszenzanregung in einem transparenten Kristall erzeugt werden, an dessen Zusammensetzung allerdings derzeit noch intensiv geforscht wird.

Auch wenn der Weg zu einem Holodeck wie auf dem Raumschiff Enterprise noch weit ist, die Cebit zeigte deutlich, dass 3D-Darstellung ein Markt der Zukunft ist. Das Interesse auch bei Endkunden ist groß und relativ preiswerte Modelle wie der Sharp LL-151-3D rücken die 3D-Technologien aus dem rein professionellen Einsatz heraus. Es ist zu erwarten, dass die Preise für Stereo-3D-Monitore in den nächsten Jahren drastisch fallen werden und spätestens wenn das erste 3D-Display im Retailmarkt zu haben ist, wird es für die 3D-Revolution im großen Stil kein Halten mehr geben.


Weiterführende Infos

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3D-Competence-Center
Laserprojektion im Überblick
Technische Details zur Barriere-Technik
Anbieter von 3D-Monitoren


Grundlagen 3D-Technik

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Voraussetzung für räumliches Sehen ist, dass das linke und das rechte Auge unterschiedliche Bilder wahrnehmen. Das menschliche Gehirn setzt die beiden Teilbilder zu einem dreidimensionalen Gesamtbild zusammen, indem es aus den Differenzen der beiden Bilder die 3D-Information errechnet.

3D-Brille

Um künstlich einen 3D-Effekt zu erzeugen, müssen dem rechten und dem linken Auge also jeweils unterschiedliche Sehinformationen zugeführt werden und zwar Information, die der üblichen dreidimensionalen Wahrnehmung entspricht. Am einfachsten lässt sich der künstliche 3D-Effekt mit anaglyphen Brillen erzielen, die auch im Kino eingesetzt werden. Die Sehinformationen werden auf einem Auge mit einer roten, auf dem anderen mit einer grünen Folie gefiltert.

Um eine 3D-Darstellung zu erreichen, werden zwei überlappende Bilder jeweils in Komplementärfarben mit einer roten und blauen beziehungsweise mit einer roten und cyanfarbenen Struktur versehen. Mit der Brille kann jedes Auge nur jeweils eines der Bilder sehen. Nachteile dieser Variante der 3D-Darstellung: Farbige Bilder lassen sich nicht darstellen und für Menschen mit einer Farb-Sehschwäche ist sie gänzlich ungeeignet.

Mit dem neuesten Nvidia-Treiber lassen sich derartige 3D-Bilder auch einfach auf dem Monitor darstellen. Wählen Sie dazu in der Nvidia-Treiber-Einstellung Advanced Stereo Properties den Button Anaglyph Stereo. Bei 3D-Filmen oder Bildern errechnet der Treiber dann über die Tiefeninformation der Grafik ein rotes und cyanfarbenes Bild. Passende Bilder und Filme für anaglyphe 3D-Brillen können Sie unter www.3d-brillen.de herunterladen.

Polarisationsbrillen

Aus den Imax-Kinos sind die Polarisationsbrillen bekannt. Damit hier ein 3D-Effekt zustande kommt, werden die Filme bereits mit stereoskopischen Kameras aufgezeichnet und mit Hilfe zweier Projektoren polarisiert auf eine Spezial-Leinwand geworfen. Die Zuschauer bekommen Brillen, deren Gläser jeweils unterschiedlich polarisiert sind. So sieht in der Regel das linke Auge die Szene mit einem Polarisationsfilter von minus 45 Grad, das rechte mit einem Filter von plus 45 Grad. Aus den unterschiedlichen Bildern ergibt sich wiederum der dreidimensionale Eindruck in natürlichen Farben.

Nur für Röhrenmonitore: Shutter-Brillen

3D-Animationen auf PC-Monitoren lassen sich ohne Farbverfälschungen und Unschärfen mit Shutter-Brillen darstellen. Die »Brillengläser« der Shutter-Brille bestehen aus zwei kleinen TFTs. Ein handelsüblicher Röhrenmonitor gibt abwechselnd das linke und rechte Halbbild einer 3D-Szene wieder. Die TFT-Folien der Brille werden synchron im Takt des Monitorbilds für beide Augen abwechselnd durchsichtig oder blind geschaltet.

Der Vorteil ist, dass sich die physikalische Auflösung des Monitors komplett nutzen lässt. Der Nachteil: Da jedes Auge nur jedes zweite Bild sieht, ist die Bildwiederholrate gegenüber einer 2D-Darstellung effektiv halbiert. Je höher die Frequenz, desto flimmerfreier lässt sich das Bild wiedergeben. Deshalb sollte ein CRT-Monitor mindestens 120 Hertz darstellen können. Aktuelle TFTs sind selbst mit einer Reaktionszeit von nur acht Millisekunden noch zu langsam für diese Technik.