Licht & Displays 3D-Darstellungen
Schwebende Bilder im Raum
Die richtige Lichtstimmung und -helligkeit nützt der Gesundheit. Tages- und Kunstlicht sollen über ein intelligentes Lichtmanagement und neue Lichtquellen optimal kombiniert werden.
Ein bekanntes Bild aus "Krieg der Sterne": Luke Skywalker repariert den Roboter R2D2 und plötzlich flimmert ein dreidimensionales Bild der Prinzessin Leia in der Luft, das eigentlich nicht für ihn bestimmt war: "Helft mir, Obi Wan Kenobi, Ihr seid meine letzte Hoffnung!" In Science-Fiction-Filmen wie diesem ist die 3D-Multimedia-Kommunikation ein alter Hut. Ist sie aber in der Realität von heute noch Science-Fiction? Erste Erfahrungen konnten viele Fernsehzuschauer schon mit 3D-Sendungen sammeln, für die jedoch spezielle Brillen nötig waren, und das Ergebnis war meist wenig beeindruckend. Doch in Zukunft sollen 3D-Darstellungen viel leichter, bequemer und perfekter möglich sein.
Was wie eine Szene aus "Raumschiff Enterprise" oder "Krieg der Sterne" aussieht, ist eine Installation zur Zukunft der Medizintechnik im SiemensForum in München
Eigentlich ist es recht einfach, unserem Gehirn einen 3D-Eindruck vorzugaukeln. Unsere zwei Augen vermitteln uns eine räumliche Vorstellung, weil das linke Auge einen Gegenstand aus einem geringfügig anderen Winkel sieht als das rechte. Das Gehirn vereint die beiden Bilder und ermittelt die Entfernung der betrachteten Objekte. Lässt sich dies für 3D-Displays nutzen? Relativ verbreitet sind Bildschirme, die mit einer Frequenz von 120 Hz abwechselnd ein Bild für das rechte und das linke Auge zeigen; das jeweils andere Auge wird synchron durch eine so genannte Shutterbrille verdunkelt, so dass jedes 60 Bilder pro Sekunde sieht. Das Gehirn löst dieses schnelle Hin und Her nicht auf, es sieht deshalb nur ein Bild mit 3D-Effekt. Aber wer möchte schon gerne ständig eine unförmige Brille auf der Nase haben?
3D ohne Brille. Näher an einer komfortablen Lösung sind autostereoskopische 3D-LC-Displays, die Firmen wie Philips, Sanyo, Samsung sowie kleinere wie SeeReal Technologies in Dresden oder 4D-Vision aus Jena bereits verkaufen. Forschungsinstitute wie das Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin arbeiten an der Weiterentwicklung. Das Funktionsprinzip ist einfach: Vor ein LC-Display ist eine Platte aus stabförmigen Zylinderlinsen oder Prismen montiert. Diese lenken das Licht jeweils einer Pixelspalte zum einen und das der daneben liegenden Spalte zum anderen Auge des Betrachters, was bei entsprechender Zuordnung der Bilder einen räumlichen Eindruck bewirkt.
Bewegt sich aber der Zuschauer weiter nach vorne oder hinten oder nur einige Zentimeter nach links oder rechts, dann wird der Tiefeneindruck deutlich schlechter oder sogar umgekehrt: Der Horizont erscheint näher als der im Vordergrund stehende Baum. Als Gegenmaßnahme wurden Nachführungssysteme entwickelt, die das Linsenraster seitlich verschieben, wenn man den Kopf bewegt. "Aber der Anwender hält sich ohnehin unwillkürlich ruhig, wenn er merkt, dass seine Bewegung zu einer Verschlechterung des räumlichen Eindrucks führt, und nach spätestens einer Stunde hat er einen steifen Nacken", weiß Thomas Riegel, der bei Siemens auf dem Gebiet der Multimediakommunikation forscht und die Entwicklungen bei 3D-Displays mitverfolgt, aus eigener Erfahrung. Ein weiterer Nachteil der beweglichen Linsenraster ist, dass nur die Kopfposition einer Person verfolgt werden kann. Fest angebrachte Linsenraster können hingegen so berechnet werden, dass einige wenige derzeit je nach Hersteller fünf bis neun Personen gleichzeitig in den Bildschirm schauen können, wenn sie sich nicht bewegen.
3D-Fernsehen. Etliche Firmen suchen daher auch nach anderen Verfahren der 3D-Darstellung, denn Anwendungen gäbe es genug. Auf einer Sitzung der MPEG4-Standardisierungsgruppe Ende 2002 im japanischen Awaji wurde die Meinung vertreten, dass 3D innerhalb von zehn Jahren die nächste große Revolution in der TV-Geschichte einleiten könnte. In Europa bereitet das ATTEST-Konsortium (Advanced Three-dimensional Television System Technologies), ein Projekt europäischer Firmen und Institute, den Weg.
Eine der möglichen Anwendungen für 3D-Displays: Shoppen im Internet
Wichtige Forderungen an ein 3D-Fernsehsystem sind: Es muss kompatibel zur bisherigen 2D-Darstellung sein und die Umstellung muss bezahlbar sein. Auch in der Medizin sind viele 3D-Anwendungen denkbar. "Seit den 90er Jahren bieten wir Operationsmikroskope an, deren Bild mit Shutterbrille auf einem 3D-Monitor betrachtet werden kann", sagt Peter Andrews, Vertriebsleiter der Firma Zeiss in Oberkochen, "vielleicht werden autostereoskopische Displays den endgültigen Durchbruch bringen." Auch für minimal-invasive Operationen wären detaillierte 3D-Darstellungen hilfreich, da der Arzt damit genauer verfolgen könnte, wo seine Geräte gerade wirken. Das erste für medizinische Anwendungen geeignete 18-Zoll-3D-Display für mehrere Betrachter präsentiert Siemens Ende November 2003 auf einer Messe in Chicago. Siemens Automation and Drives hat die neuen Displays zusammen mit dem amerikanischen Kooperationspartner X3D Technologies entwickelt und will sie gemeinsam vermarkten. Sie liefern Ärzten präzise dreidimensionale Darstellungen nach dem autostereoskopischen Verfahren also ohne dass spezielle 3D-Brillen nötig wären. So lässt sich z.B. feststellen, ob ein Blutgefäß vor oder hinter einem anderen liegt. Die 3D-Darstellung bietet in nahezu allen Anwendungen der medizinischen Bilddarstellung Vorteile, bei Angiographiedaten ebenso wie bei Computer- oder Magnetresonanz-Tomographie oder Ultraschalluntersuchungen.
Virtuelle Fabriken. In der Anlagenplanung bringen 3D-Darstellungen Zeit- und Kostenvorteile. Siemens nutzt große 180 °-Stereoprojektionsflächen für die virtuelle 3D-Darstellung neuer Kraftwerke, Fabriken oder anderer Großanlagen. "Früher haben die Kunden drei bis vier Wochen gebraucht, um die Pläne für ein Kraftwerk zu prüfen, mit Virtual Reality geht das in drei bis vier Tagen", berichtet Dr. Detlev Teichmann, Projektleiter für Produktionsprozesse bei Corporate Technology. Auch billiger ist diese Vorgehensweise. Das Modell eines neuen ICE hat vor einigen Jahren 5 Mio. gekostet, für die Projektion hätte nur ein Bruchteil davon ausgegeben werden müssen. Auch Chemiker können 3D-Darstellungen gut brauchen, um etwa Biomoleküle dreidimensional betrachten zu können, und im Internet wimmelt es von Anwendungsmöglichkeiten: Wer ein Produkt kauft, möchte es sich zuvor genau ansehen, etwa im virtuellen 3D-Shop. Auch in 3D-Chaträumen, in denen sich jeder einen eigenen Vertreter (Avatar) aussuchen und sich mit diesem mausgesteuert frei bewegen kann, sehen Softwarehersteller wie Adobe, Macromedia und andere einen bedeutenden Markt. Zur Zeit wird hier die Raumtiefe noch durch die Beweglichkeit der Figuren vorgetäuscht.
Laser-Holografie. Könnte vielleicht die Holografie den Durchbruch bringen? Dabei wird ein Gegenstand mit einem Laser beleuchtet und auf einer fotografischen Platte die Überlagerung des reflektierten Lichts mit einem Referenzstrahl aufgenommen. Daraus lässt sich dann wiederum per Laserlicht ein dreidimensional im Raum schwebendes Bild zurückgewinnen. Leider funktioniert dieses Verfahren bisher nur mit unbewegten kleineren Objekten. Am Massachusetts Institute of Technology in Boston wurde in den 90er Jahren eine Weiterentwicklung, die Elektro-Holografie, entwickelt. Mit ihr lassen sich sogar Holo-Videos erzeugen, weil akusto-optische Elemente die Laserstrahlen in Echtzeit so beeinflussen, dass die überlagerten Wellen beim Betrachter als dreidimensionales Bild ankommen. Damit lassen sich auch im Rechner gespeicherte Modelle direkt dreidimensional visionalisieren. Doch die dafür notwendige Berechnung der gewaltigen Datenmengen konnte man bis heute nicht befriedigend lösen.
Eine andere Lösung schlug Rüdiger Hartwig von der Universität Heidelberg bereits in den 70er Jahren vor: eine transparente Helix aus Plexiglas, die mit einer Frequenz von 1 200 min-1 rotiert und von farbigen Lasern bestrahlt wird. Bei dieser Geschwindigkeit sieht man die Helix selbst nicht mehr, nur noch die Punkte, wo die Laserstrahlen auftreffen. Werden die Strahlen genügend schnell umgelenkt, kann man jeden Punkt im von der Helix überstrichenen Volumen beleuchten und dadurch ein 3D-Bild erzeugen. Ein solches, scheinbar frei im Raum schwebendes 3D-Display wäre etwa für die Flugraumüberwachung nützlich, weil dann die Fluglotsen gleichzeitig Kurs und Flughöhe eines Flugzeugs sehen könnten. Erstmals umgesetzt wurde diese Idee Mitte der 80er Jahre inzwischen wurde sie von einigen Firmen aufgegriffen und weiterentwickelt.
Projektion direkt ins Auge. Ganz ohne bildschirmähnliche Vorrichtung kommt ein Verfahren aus, das das Heinrich-Hertz-Institut auf der CeBIT 2003 vorgestellt hat. Dabei werden das rechte und das linke Bild mit zwei kleinen Projektoren punktgenau direkt in die beiden Augen projiziert. Der Betrachter sieht dann ein 3D-Objekt unmittelbar vor sich schweben. Wenn er seine Hand in eine computergesteuerte mechanische Vorrichtung steckt, kann er danach greifen, es sogar bewegen, drehen, oder er bekommt eine Rückmeldung über die Konsistenz des Gegenstands. Das Verfahren ist ideal, wenn man den Umgang mit einem geplanten neuen Produkt testen will. Es ist damit nicht einmal mehr notwendig, ein Modell herzustellen, man muss nur die Konstruktionsdaten in ein 3D-Bild umrechnen. Auch für die Internet-Nutzer hat es Vorteile: im virtuellen 3D-Shop der Zukunft könnte man das neue Federbett nicht nur von allen Seiten betrachten, sondern sogar spüren, wie es sich anfühlt. "Besonders interessant dabei ist, dass es ein ganz privates Bild ist", erzählt Dr. Siegmund Pastoor vom HHI, "ein außerhalb des Projektionsstrahls stehender Beobachter sieht nicht, warum der Anwender in der Luft herumtastet."
Und wann wird es soweit sein, dass wir wie R2D2 eine Prinzessin einfach in die Luft projizieren können? "Natürlich ist das möglich", ist sich Siemens-Forscher Thomas Riegel sicher, "man muss nur wie bei einer Fata Morgana in der Luft eine geeignete Grenzschicht erzeugen, etwa durch einen Druck- oder Temperaturgradienten, damit man daran Licht streuen kann." Wie das zu bewerkstelligen ist, weiß leider noch niemand, vielleicht hat ja George Lucas eine geniale Idee.
Bernhard Gerl