Computerhardware: Bildschirm: 3D

3D-Darstellung

Spielszenen heutiger Spiele sind dreidimensional. Es ist eine gewaltige Rechenarbeit nötig, um eine naturgetreue Darstellung zu erhalten. Die Oberflächen müssen berechnet, gefärbt und texturiert werden. Textur ist das Aussehen der Oberfläche: spiegelnd, matt, geriffelt, textil, geknittert, ... Es muss ermittelt werden, welche Teile eines Körpers durch davor befindliche Körper verdeckt werden. Lichtreflexe und Schattenwurf sind zu berechnen. Die Rechenarbeit wird zwischen der CPU und der Grafikkarte aufgeteilt. Vereinfacht gesagt, liefert die CPU die Umrisse und die GPU füllt sie aus. Die von der GPU durchzuführenden Berechnungen sind zahlreich, aber einfach und lassen sich gut parallelisieren (gleichzeitig ausführen). Deshalb haben Grafikkarten viele Prozessorkerne, sogenannte „Stream-Prozessoren“.

Heutige leistungsfähige GPUs verteilen die Rechenarbeit auf hunderte oder tausende Stream-Prozessoren, während die CPUs mit zwei bis acht Kernen auskommen müssen.

Der GPU-Hersteller NVIDIA glaubt, dass im Jahr 2015 bis zu 5000 Stream-Prozessoren in einer GPU stecken werden.

Echte 3D-Darstellung

Die ersten dreidimensionalen Filme wurden in den 30-er Jahren gedreht. Damals mussten die Zuschauer Rot-Grün-Brillen tragen. IMAX 3D wurde 1986 vorgestellt. Die Zuschauer tragen Polarisationsbrillen. Mehr als 400 Kinos weltweit benutzen die IMAX-Technologie. Mit dem Film „Avatar“ wurde 3D massentauglich.

Wie funktioniert räumliches Sehen? Beide Augen sehen einen Gegenstand in leicht unterschiedlichem Blickwinkel und liefern dem Gehirn etwas unterschiedliche Bilder. In den ersten Lebensjahren lernt das Gehirn, die kleinen Unterschiede auszuwerten und die Entfernung zu berechnen. Für Foto- und Filmaufnahmen werden zwei Kameras benötigt, die im Augenabstand aneinander befestigt sind. Sie nehmen zwei leicht unterschiedliche Filme auf, die später mit zwei Projektoren gezeigt werden können.

Wie kann man erreichen, dass jedes Auge nur „seine“ Bilder sieht? Man verwendet eine spezielle Brille. Zur Zeit gibt es vier Verfahren: Head-Up-Display, Rot-Grün-Brille, Shutterbrille und Polarisationsbrille.

Head-Up-Display

Man setzt vor jedes Auge einen eigenen kleinen Bildschirm. Allerdings sind diese Brillen teuer und schwer. Vielleicht erinnern Sie sich an Stereo-Bildbetrachter in Ihrer Kinderzeit, die wie ein Fernglas an die Augen gehalten wurden und jedem Auge etwas anderes zeigten.

Rot-Grün-Brille

Das Bild für das eine Auge wird durch ein Rotfilter geschickt, das andere durch ein Grünfilter. Mit der Brille sieht jedes Auge „sein“ Bild. Die Augen ermüden wegen der unterschiedlichen Farbbelastung, und für Farbfilme ist das Verfahren natürlich unbrauchbar.

Shutterbrille

Eine weit verbreitete Technik ist die mit „LCD-Shutterbrille“. Das Verfahren heißt XPanD und kommt ohne polarisiertes Licht aus. Der Zuschauer trägt eine Shutterbrille, deren Gläser mit Dünnschichttransistoren (TFT) beschichtet sind – die gleichen wie in den Flachbildschirmen. Die Projektoren werfen die Bilder für das rechte und linke Auge abwechselnd auf die Leinwand (oder den Bildschirm). Im gleichen Takt werden die TFT-Gläser abwechselnd undurchsichtig geschaltet. Der Taktwechsel ist so schnell, dass das Auge nichts spürt, bei Fernsehern z. B. 200 bis 240 Hertz. Der Taktwechsel der Brille(n) wird mit einem Infrarotsignal gesteuert.

Polarisationsbrille

Bei der „linearen Polarisation“ sind die Filter waagerecht und senkrecht angeordnet. Der 3D-Effekt geht verloren, wenn der Kopf geneigt wird. RealD ist ein weiterentwickeltes Verfahren, bei dem die „zirkulare Polarisation“ diesen Effekt vermindert. Die Filter vor den Projektoren und synchron dazu die Filter in den Brillen wechseln 60 mal pro Sekunde die Polarisationsrichtung um 45°. Das eine Auge sieht die rechtsdrehenden Bilder, das andere die linksdrehenden. Die Zirkularbrillen können vier verschiedene Ausrichtungen haben, so dass die zu einem Gerät bzw. in einem Kino passende Brille wahrscheinlich nicht für Displays eines anderen Herstellers passt.

Was ist Polarisation? Licht kann als elektromagnetische Schwingung betrachtet werden, bei der jede Welle in einer anderen Ebene schwingt. Das Licht von zwei synchronen Projektoren wird durch unterschiedliche polarisierte Filter geschickt. Ein senkrechtes Polarisationsfilter lässt nur die senkrecht schwingenden Lichtwellen durch. Von „schräg“ schwingenden Wellen wird nur die senkrechte Komponente durchgelassen. Für den anderen Projektor wird ein waagerechtes Filter verwendet. Die Zuschauer müssen Polarisationsbrillen tragen, die für das eine Auge nur die senkrechten, für das andere Auge nur die waagerecht polarisierten Wellen durchlassen. Die 3D-Brillen sind einfach zu benutzen und preiswert herzustellen. Leider lassen die Polfilter nur ein Drittel des vorhandenen Lichtes durch, so dass man sehr starke Projektoren braucht.

Bei dieser „linearen Polarisation“ sind die Filter waagerecht und senkrecht angeordnet. Man sollte den Kopf nicht neigen, weil sich die Bilder in einem Auge teilweise vermischen und das andere Auge schwarz sieht. Um diesen Effekt zu vermeiden, wurde das Verfahren „RealD“ entwickelt, bei dem die „zirkulare Polarisation“ diesen Effekt vermindert. Die Filter vor den Projektoren und synchron dazu die Filter in den Brillen wechseln 60 Mal pro Sekunde die Polarisationsrichtung um 45°. Das eine Auge sieht die rechtsdrehenden Bilder, das andere die linksdrehenden. Die Zirkularbrillen können vier verschiedene Ausrichtungen haben, so dass die zu einem Gerät bzw. in einem Kino passende Brille wahrscheinlich nicht für Displays eines anderen Herstellers passt.

Das Polarisationsverfahren kann man bereits für eigene 3D-Videos nutzen. Ein Camcorder für 3D-Videos kostet reichlich tausend Euro. Noch teurer wird die Technik für das eigene Heimkino: Man braucht zwei lichtstarke Beamer mit Polarisationsfiltern sowie Polarisationsfilterbrillen für jeden Zuschauer. Eins der Filter lässt die waagerechte Polarisation durch, das andere Filter die senkrechte. Außerdem wird eine silberbeschichtete Spezialleinwand benötigt, weil „normale“ Leinwand-Projektionsflächen die Polarisation des Lichtes zerstören würden.

Damit das Bild nicht flimmert, muss jedes der beiden Halbbilder mit mindestens 50 Hz gezeigt werden, also braucht man einen 100-Hz- oder 120-Hz-Bildschirm. Bei den TFT-Fernsehern geht die Tendenz zu 240 Hz.

Zwei neue autostereoskopische Verfahren kommen ohne Brille aus: Ein Linsenraster oder ein Streifenraster verdeckt die Hälfte des Bildes, so dass jedes Auge ein anderes Bild sieht.

Gegenüberstellung von Parallaxenbarrieren- und Linsenrastertechnik: Das rechte Auge sieht nur die rot hervorgehobenen Bildpunkte und das linke nur die grün markierten Flächen

Beim Linsenrasterverfahren wird die Oberfläche des Bildschirms mit winzigen Zylinderlinsen oder Prismen bedeckt, dadurch sieht jedes Auge andere Streifen des Bildes. Sie haben bestimmt einmal eine Ansichtskarte mit „Wackelbild“ in der Hand gehabt, die je nach Blickwinkel zwei verschiedene Bilder zeigt. Die Aufteilung in zwei Halbbilder verringert allerdings die Horizontalauflösung pro Bild. Erste Computermonitore mit Linsenraster-Folien wurden auf der CeBit 2005 gezeigt. Seit 2008 kann man die „Fujifilm FinePix Real 3D“ kaufen und damit 3D-Fotos schießen.

Alternativ kann mit einer Streifenmaske, der Parallaxenbarriere, jedem Auge ein anderer Streifen des Bildes gezeigt werden. Das Verfahren wurde bereits 1903 erfunden, doch erst 2001 kamen erste Displays auf den Markt − zu vierstelligen Preisen.

Nachteil: Der Kopf des Betrachters muss sich an einer optimalen Position befinden. Seitliche Kopfbewegungen verschlechtern das Bild. Manche Displays beobachten den Betrachter per Videokamera (sogenanntes Head-Tracking oder Eye-Tracking) und passen die Darstellung an die Kopfposition an. Weil das bei mehreren Betrachtern nicht geht, werden diese Displays als Single-User-Display bezeichnet.

Bei einem Multi-View-Display werden mehr als zwei Teilbilder erzeugt, dadurch können mehrere Personen zuschauen. Das Problem: Woher die üblichen fünf bis neun Teilbilder nehmen? Filme auf DVD und Blu-ray basieren auf jeweils zwei Bildern. Ein Multi-View-Display braucht fünf bis zehn Ansichten der gleichen Szene.

Forscher am Heinrich-Hertz-Institut haben eine Technologie entwickelt, die aus den vorliegenden Bilderpaaren eine Tiefenkarte erstellt - also eine Karte, die jedem Objekt einen eindeutigen Abstand zur Kamera zuweist. Daraus können beliebig viele Zwischenansichten berechnet werden, in Echtzeit. Auf der IFA 2012 war ein Funktionsmuster zu sehen.

Leider haben alle 3D-Technologien das gleiche Problem: Das menschliche Sehvermögen perfekt zu betrügen, ist noch nicht gelungen. Die Linse des Auges justiert sich auf die Entfernung zum Bildschirm bzw. zur Leinwand, doch die wahrgenommenen Objekte befinden sich in anderen Entfernungen davor oder dahinter. Das Betrachten längerer Filme kann bei empfindlichen Menschen zu Schwindelanfällen, Kopfschmerzen und Übelkeit führen, besonders wenn man den Kopf nicht genau senkrecht hält. Meine Enkel sehen sich Filme lieber in 2D an, wenn sie die Wahl haben.

Leider haben alle 3D-Technologien das gleiche Problem: Das menschliche Sehvermögen perfekt zu betrügen ist noch nicht gelungen. Das Betrachten längerer Filme kann zu Schwindelanfällen, Kopfschmerzen und Übelkeit führen, besonders wenn man den Kopf nicht senkrecht hält.

Es gibt erste Displays, die ohne Brille auskommen. Allerdings ist die Abhängigkeit von Blickwinkel und Betrachtungsabstand noch groß.

• http://de.wikipedia.org/wiki/Head-Up-Display