AUTOSTEREOSKOPISCHE 3D-DISPLAYS

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2 AUTOSTEREOSKOPISCHE 3D-DISPLAYS M. Andiel*, Dipl.Ing./ S. Hentschke, Prof.Dr./ A. Herrfeld, Dr. Universität Gesamthochschule Kassel, Institut für Periphere Mikroelektronik KURZFASSUNG Für die Vermittlung eines natürlichen Tiefeneindrucks bei der dreidimensionalen Darstellung werden verschiedene Displays vorgestellt, die jeweils andere Einsatzschwerpunkte haben. Den Displays ist gemeinsam, daß sie ohne zusätzliche optische Hilfsmittel beim Betrachter und ohne mechanisch bewegliche Teile auskommen. Beim autostereoskopischen Monitor werden zwei verschiedene Perspektiven elektronisch dem Betrachter so nachgeführt, daß er immer eine übersprechfreie Darstellung erhält. Beim holographischen Display werden eine Vielzahl von Perspektiven gleichzeitig gespeichert. Bei jeder Bewegung erhält der Betrachter einen anderen Ausschnitt zu sehen. We present two different displays to perceive a 3dimensional view. Both in common is that the user doesn t has to wear any glasses nor that mechanically moved parts are used. With the autostereoscopic monitor the stereoscopic view is adaptively controlled with electronically means to perceive a 3dimensional view with depth perception. On the holographical display an amount of images is stored at a time. With every movement an observer perceives a different view. EINLEITUNG Seit vielen Jahren werden am Institut für periphere Mikroelektronik (IPM) an der Universität Gesamthochschule Kassel Displays zur dreidimensionalen Visualisierung entwickelt. Dabei haben sich die Arbeiten auf sogenannte autostereoskopische Systeme konzentriert. Autostereoskopische 3D-Systeme haben den Vorteil, daß die Betrachter keine optischen Hilfsmittel tragen müssen. Zu diesen Hilfsmitteln zählen bei herkömmlichen 3D-Systemen z.b. Head-Mounted-Displays, Rot/Grün- oder auch Shutterbrillen. Die am IPM entwickelten 3D- Displays zeichnen sich alle dadurch aus, daß sie ohne diese Hilfsmittel eine volle dreidimensionale Wahrnehmung gestatten. Gegenüber anderen autostereoskopischen Monitoren bieten die am IPM entwickelten Monitore darüber hinaus den Vorzug, daß sie ohne mechanische Komponenten, die in Abhängigkeit der Betrachterposition nachgeführt werden müssen [1], auskommen. Alle bekannten Monitorsysteme werden ausschließlich als 3D-System aufgebaut. Systeme, die zwischen 2D und 3D umschalten können, benötigen weitere Scheiben, was die Kosten erhöht [2]. Bei dem im IPM entwickelten System kann die Rasterscheibe für eine konventionelle 2D-Ansicht entfernt werden, bzw. 2D und 3D gleichzeitig dargestellt werden. PERSONEN ADAPITVE MONITORE (PAM) Adaptive elektronische Subpixelnachführung Um bei den Personen Adaptiven Monitoren (PAM) ohne mechanische Komponenten auszukommen, werden die Pixel der jeweiligen linken und rechten Bildansicht elektronisch nach-

3 geführt. In Abhängigkeit der Betrachterposition sowie der jeweiligen Raster- und Monitorgeometrien werden die Bildpixel so angeordnet, daß eine getrennte Ansicht zweier Bilder ermöglicht wird (für eine ausführliche Darstellung s. [5]). Die Grundlage für die Betrachteradaption ist ein Differenzenfeld, das die Subpixelpositionen für die jeweilige Betrachterposition in x- und z-richtung speichert. Die Größe des Differenzenfeldes ist abhängig von der Stereoauflösung und der Monitorauflösung; es kann jederzeit erweitert werden, um sich neuen geometrischen Verhältnissen anzupassen. Der Algorithmus für die Berechnung des Differenzenfeldes für die Positionierung der linken und rechten Subpixel auf dem Bildschirm wird in einer Pseudocodedarstellung erläutert: Beginne Subpixeladaption //x und z Position des Betrachters ermitteln get(x); get(z) //Berechne Differenzenfeld unter Berücksichtigung der Raster- //und Bildschirmgeometrie for i Pixeldifferenzen do Pixeldifferenz i = f(i, x, z) //Generiere die Bildschirmmaske for jedes darzustellende Bildschirmpixel i do Subpixelfarbe r = n modulo 3 Speichere das Subpixel auf der entsprechenden Bildschirmpixelposition SP(n) = Bild(i, r) Erhöhe n if alle Subpixel des aktuellen Bildpixels gespeichert then erhöhe i, um das nächste Bildpixel zu ermitteln Ende Subpixeladaption N.B.: i = 0...max. Stereoauflösung, i repräsentiert das linke/rechte Bildpixel, das zu adaptieren ist; n = 0...3*(max. Bildschirmauflösung-1), n stellt die Subpixel des Bildschirms dar; r = 0...2, r ist die Subpixelfarbe eines Bildschirmpixels. Entsprechend der Stereoauflösung und der Monitorauflösung wird für die Berechnung des Differenzenfeldes eine typische Zeit von 1-2ms erreicht, die zur Zeit für die komplette Berechnung einer neuen Ansicht bei 3D-Darstellung hinzuzufügen ist. Wenn gleichzeitig zur Pixelnachführung noch jeweils andere Bildansichten für linkes und rechtes Auge, entsprechend der Betrachterposition, dargestellt werden, erhält der Benutzer die Möglichkeit um Objekte herum zu sehen. Aufbau Als Grundlage für die Systeme dienen handelsübliche TFT-Bildschirme mit digitaler Schnittstelle, eine hochwertige Graphikkarte und eine spezielle 3D-Software, die den oben beschrieben Algorithmus ausführt. Optional kann eine 3D-Maus verwendet werden zur einfacheren perspektivischen Einstellung. Das Prinzip des Systems ist in Abb. 1 dargestellt.

4 Abbildung 1: 3D-Monitorsystem. Zur Erzielung des 3D-Eindrucks dienen entweder preisgünstige Barriereraster oder aber hochwertige Zylinderlinsenraster. Dabei kann das Raster den ganzen Bildschirm bedecken für eine vollständige autostereoskopische Sicht oder aber es kann, je nach Anforderung, ein Teil des Bildschirms frei bleiben, um eine 2D-Ansicht zu erhalten. In diesem 2D-Fenster wird keine Subpixeladaption vorgenommen, so daß dort Text (Menüpunkte, Eingabewerte, etc.) problemlos gelesen werden kann. Für die Betrachternachführung eignen sich kommerziell erhältliche Head-Tracker-Systeme (basierend auf Infrarotstrahlung, Ultraschall, o.ä.) sofern sie über eine ausreichende Genauigkeit verfügen. Weitere Entwicklungen Zur Zeit befinden sich in unserem Institut mehrere autostereoskopische Monitore mit unterschiedlicher Bildschirmgröße. Darunter ist ein Laptop mit 15 Bildschirmdiagonale für mobile Einsatzmöglichkeiten. Jeweils passende Rasterscheiben stehen für die einzelnen TFT-Monitore zur Verfügung. Für jede Bildschirmgröße lassen sich Parallaxbarriereraster in kürzester Zeit kostengünstig herstellen, um auch diese neuen Bildschirme in ein autostereoskopischen System zu konvertieren. Für hohe Anforderungen an die autostereoskopische Sicht können auch hochwertige Zylinderrasterscheiben hergestellt werden. Aktuelle Entwicklungen in unserem Institut gehen dahin, bis zu drei Monitore parallel einzusetzen. Der oben beschriebene Algorithmus läßt sich diesbezüglich problemlos erweitern. Mit dem Einsatz mehrerer Monitore läßt sich ein dreidimensionaler Panoramaschirm erschaffen. HOLOGRAMMDISPLAYS (HOLODISP) Im Gegensatz zum PAM stellen die im IPM entwickelten Hologrammdisplays eine Vielzahl von Perspektiven gleichzeitig dar. Dadurch müssen nicht bei jeder Betrachterbewegung neue Perspektiven berechnet werden. Vielmehr wird dem Betrachter bei einer Positionsänderung eine neue Perspektive dargestellt. Des weiteren wird dieses Display durch die Vielzahl der vorhandenen Perspektiven mehrpersonenfähig. Das Hologrammdisplay ist ebenfalls wie der PAM autostereoskopisch, d.h. die Betrachter kommen ohne zusätzliche Betrachtungshilfsmittel aus. Für die Ausführung des Hologrammdisplays gibt es zwei verschiedene Methoden. Zum einen kann ein hochauflösender Film verwendet werden, auf den bis zu 100 verschiedene Perspektiven horizontal verschachtelt gespeichert werden. Dadurch erhält man eine recht kostengünstige und

5 dauerhafte Lösung zur Speicherung dreidimensionaler Hologrammbilder. Die zweite Möglichkeit besteht darin, hochauflösende Streudisplays zu benutzen, die sich sowohl beschreiben als auch löschen lassen. Diese Streudisplays kennen nur zwei Zustände, nämlich streuend oder transparent. Sie erzeugen keine Farbinformation, besitzen aber den Vorteil einer sehr feinen Auflösung. Durch zusätzliche Helligkeits- und Farbmasken sowie unter Verwendung eine geeigneten Codierung können jedoch Hologrammdisplays hergestellt werden, die eine volle Farbund Helligkeitsauflösung aufweisen. Damit erhält man die Möglichkeit, dynamische Szenen auf dem Hologrammdisplay darzustellen. Beiden Ausführungen ist gemein, daß sie die dreidimensionale Darstellung autostereoskopisch unter Verwendung eines Zylinderlinsenrasters erzeugen. Die Art der dargestellten Bilder auf dem Hologrammdisplay reicht von Aufnahmen natürlicher Szenen über rein computergenerierte Bilder bis hin zu gemischten Bildern, die sowohl natürliche als auch künstliche Elemente enthalten. Die Flexibilität, die man bei der Anordnung von benachbarten Perspektiven hat ermöglicht es, neben der natürlichen Darstellung auch unnatürliche Darstellungen abzubilden. So kann man z.b. eine medizinische 3D-Aufnahme derart abbilden, daß man bei einer seitlichen Bewegung des Kopfes um einen Untersuchungsgegenstand herum sehen kann. Das Hologrammdisplay hebt sich durch die genannten wesentlichen Merkmale von heute bekannten 3D-Displays ab. Insbesondere sind bekannte 3D-Displays stereoskopisch konzipiert, d.h. sie bieten dem Benutzer lediglich zwei Perspektiven an. Ferner benutzt das Hologrammdisplay keine Polarisations- oder Shutterbrillen und verwendet auch keinen Headtracker. Abbildung 2: Aufbau eines autostereoskopischen Hologrammdisplays. Die zur Zeit im IPM vorhandenen Muster haben eine Breite von bis zu 50 cm. Abb. 2 zeigt den Aufbau eines autostereoskopischen Hologrammdisplays unter Verwendung eines hochauflösenden Films für mehrere Benutzer.

6 SCHLUSS Die beschriebenen Displays sind neben ihrer 3D-Fähigkeit voll farbfähig und können im Prinzip jede beliebige 3D-Szene wiedergeben. Im Falle des HOLDISP können sogar mehrere Betrachter gleichzeitig ohne Betrachtungshilfsmittel dreidimensional sehen. All diese Eigenschaften eröffnen dem PAM und dem Hologrammdisplay eine große Palette an Anwendungen. Diese reicht von der Medizintechnik über die Architektur bis hin zur Werbebranche. Für den PAM ist auch der Bereich der Spiele und Simulation denkbar, da hier 3D-Ansichten positionsadaptiv generiert werden können. LITERATUR [1] Börner, R.: Vier autostereoskopische Einpersonen-Monitore mit Trackingsystem; In: FKT, 52. Jg., H. 12, 1998, S [2] Eichenlaub, J.: A novel low cost 2D/3D switchable autostereoscopic system for notebook computers and other portable devices; In: Proc. SPIE, Nr. 2409, 1995, S [3] Hentschke, S.; Herrfeld, A.; Kreuzer, E.M. u.a.: Hologram Display Model; In: IEEE, International conference on consumer electronics, Paper WPM P1.1, 1999, S [4] Hentschke, S.; Herrfeld, A.; Andiel, M. u. a.: Person Adaptive Autostereoscopic Monitor (PAM); In: IEEE, International conference on consumer electronics, Paper WPM P2.07, 2000, S [5] Herrfeld, A.; Hentschke, S.; Andiel, M. u. a.: Positionsadaptiver autostereoskoper Monitor (PAM) In: Electronic Displays, 1999, S

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