Holger Tauer Stereo 3D Grundlagen, Technik und Bildgestaltung SCHIELE & SCHÖN
1 Funktionsweise des räumlichen Sehens 1.1 Optische Physiologie 1.2 Neurophysiologie 1.3 Kenngrößen des Stereo-3D-Sehens
1 Funktionsweise des räumlichen Sehens Auf der Erde existiert eine Vielzahl unterschiedlichster Lebewesen. Im Lauf der Evolution haben sie sich an ihre jeweiligen Lebensräume optimal angepasst. Auch der Sehsinn ist entsprechend unterschiedlich ausgeprägt. Einige Lebensformen sehen infrarot, andere ultraviolett oder wie der Mensch im Bereich des weißen Lichts. Es gibt auch zahlreiche Arten, die gar nicht sehen, sondern andere Sinne zur Orientierung nutzen. So vielfältig wie die Sinne sind auch die Sinnesorgane. Allein beim Sehsinn lassen sich Facettenaugen, Grubenaugen, Flachaugen, Spiegelaugen und viele mehr unterscheiden. Manche Augen sind winzig klein. Sie bestehen lediglich aus einigen Lichtsinneszellen. Dagegen existieren in der Dunkelheit der Tiefsee Kalmare mit Augen so groß wie ein Fußball. Diese sind damit in der Lage, auch das geringste Quantum an Licht auszunutzen. Säugetiere verfügen über zwei horizontal voneinander getrennte Augen. Auch hier gibt es der Lebensweise entsprechend deutliche Unterschiede. Beutetiere wie Hasen oder Pferde verfügen durch ihre seitlich liegenden Augen über eine ausgezeichnete Rundumsicht, die allerdings mit einer starken Reduzierung der stereoskopischen Tiefenwahrnehmung verbunden ist. Dafür können solche Tiere oftmals die Augen unabhängig voneinander bewegen, um den Sichtbereich noch zu erweitern. Auch beim Menschen sind die Augen auf einer tieferen Bewusstseinsebene separat steuerbar. Beim Träumen können beispielsweise extreme Augenstellun- 2 Funktionsweise des räumlichen Sehens
gen auftreten. Durch das Erlernen der stereoskopischen Sehweise während der ersten Lebensmonate agieren die Augen im höheren Stadium des Wachseins aber synchron, wie bei fast allen Tieren mit vorwärts gerichteten Augen und der Fähigkeit des Stereo-3D-Sehens. Die räumliche Wahrnehmung beruht aber nicht ausschließlich auf der Stereoskopie, sondern in wesentlich größerem Maße auf sogenannten monoskopischen Tiefenindikatoren. Das sind Tiefenhinweise, die bereits mit einem einzelnen Auge erkennbar sind. Die Nutzung beider Augen, deren Sichtbereiche sich beim Menschen stark überlappen, macht jedoch sehr präzise Tiefenunterscheidungen besonders im greifnahen Bereich möglich. Für Menschen, aber beispielsweise auch für Affen ist dieser Bereich von großer Wichtigkeit, denn dadurch können sie ihre Hände besonders effektiv einsetzen. Das Gehirn generiert die Tiefeninformationen mithilfe der beiden leicht versetzten Perspektiven der menschlichen Augen. Da der Abstand der Augen nicht veränderbar ist, sind binokulare Tiefenbestimmungen (Stereo-3D-Sehen) nur bis zu einer bestimmten Maximalreichweite möglich. Für weiter entfernt liegende Objekte ist die Stereobasis zu klein, die Unterschiede der beiden Bilder für die Netzhaut nicht mehr registrierbar. Im Nahbereich gibt es ebenfalls eine Grenze. Befinden sich Objekte zu nah, wird der Abstand der Augen im Verhältnis zu groß und die Perspektiven sind zu verschieden. Zu Beginn dieses Grundlagenkapitels werden der strukturelle Aufbau und die Funktionsweise des menschlichen Auges betrachtet. Im ersten Unterkapitel Optische Physiologie geht es also um die Anatomie der Augen und um die Abbildung des einfallenden Lichts. Die Hauptgrundlage der menschlichen Wahrnehmung besteht aber in einem komplexen Prozess der Verarbeitung von neuronalen Signalen im visuellen System. Die Signale stammen einerseits von dem auf die Netzhaut projizierten und in bioelektrische Energie umgewandelten Bild, sowie andererseits aus Informationen, die von anderen Sinnen und dem Gedächtnis übermittelt werden. So entsteht immer ein von äußerst vielen verschiedenen Faktoren beeinflusstes subjektives Bild. Die Zusammenhänge werden im zweiten Unterkapitel Neurophysiologie beschrieben. Aus den unterschiedlichen Stationen beim Sehvorgang ergeben sich einige Kenngrößen, die prinzipiell bei allen Menschen gleich sind. Ihre Werte und Toleranzen unterscheiden sich jedoch bei jeder einzelnen Person. Für Stereo-3D ist das Wissen um die Kenngrößen von großer Bedeutung. Das dritte Unterkapitel vermittelt umfangreiche Grundkenntnisse dieser wichtigen Kenngrößen räumlicher Wahrnehmung. Funktionsweise des räumlichen Sehens 3
1.2 Neurophysiologie Der Sehapparat ist im Gegensatz zu der pixelorientierten Arbeitsweise einer Kamera völlig auf das Registrieren von Bewegungen und Strukturen ausgerichtet. Licht, das ins Auge fällt, wird in Nervenimpulse gewandelt und über Nervenfasern ins Gehirn weitergeleitet. Dort wird es über komplexe Nervenverknüpfungen verarbeitet. Die Neurophysiologie ist das Fachgebiet, das sich mit diesem Prinzip der neuronalen Verarbeitung beschäftigt. Beim Menschen lässt sich der Weg der visuellen Signale im Wesentlichen in drei Teile untergliedern: Netzhaut, Sehbahn und Sehrinde. 1.2.1 Netzhaut Das ins Auge einfallende Licht wird auf die Netzhaut projiziert. Zur Bilderkennung muss es aber erst in bioelektrische Signale umgewandelt werden. Dieser Vorgang findet innerhalb der Netzhaut statt. Da die Netzhaut ein ausgelagerter Bereich des Gehirns ist, beginnt bereits hier der neurologische Teil des Sehens. Belichtung Zur Wahrnehmung des Lichts verfügt die Netzhaut über zwei Arten von Rezeptoren. Aufgrund ihrer Form werden sie Zapfen und Stäbchen genannt. Die Rezeptoren enthalten lichtempfindliche Retinal-Moleküle, die auf Photonen (Licht) mit einer Formänderung reagieren. Dabei entsteht ein bioelektrisches Signal. Das Retinal muss anschließend wieder regene- Aufbau der Netzhaut Pigmentschicht Stäbchen Zapfen Bipolarzellen Horizontalzellen Amakrinzellen Ganglienzellen Axone zum Sehnerv Licht 10 Funktionsweise des räumlichen Sehens
riert werden, damit es seine ursprüngliche Form annimmt und erneut auf Licht reagieren kann. Die Regenerierung erfolgt über Stoffe aus der Netzhaut, weshalb die Zapfen und Stäbchen auch direkt in der Netzhaut, also auf der lichtabgewandten Seite liegen und die Zellen für die weitere Verarbeitung im Lichtstrom vorgelagert sind. Diese bipolaren Zellen sortieren die Signale der Rezeptoren über bestimmte Zwischenschaltungen vor und leiten sie an die Ganglienzellen weiter. Dabei erfolgt bereits eine Gewichtung der Informationen der einzelnen Rezeptoren (laterale Inhibition), wodurch sich Effekte wie die Machschen Bänder oder der Simultankontrast erklären lassen. Die Subjektivität des Sehsinns wird somit schon in der Netzhaut erkennbar. Rezeptoren Auf der Netzhaut sind rund sechs Millionen Zapfen und 120 Millionen Stäbchen in unterschiedlichen Konzentrationen verteilt. Stäbchen kommen an der Stelle des schärfsten Sehens, der Sehgrube, nicht vor. Dort befinden sich ausschließlich Zapfen. Daher ist die Sehgrube der Fokalpunkt des optischen Systems Hornhaut/Linse, sozusagen der Scanner beim Abtasten der Umgebung. Die Sehgrube ist so wichtig, dass die Signale ihrer rund 80.000 Zapfen mindestens im Verhältnis 1:1 (teilweise sogar bis 1:4) an die Ganglienzellen übertragen werden. Dadurch erhält das Sehzentrum im Gehirn aus diesem Bereich Daten, die die reine native Auflösung noch übertreffen. In den Randbereichen Nervenfasern der Netzhaut werden hingegen jeweils etwa 120 Sehgrube (Fovea) Rezeptoren auf eine Ganglienzelle geschaltet. Ganglienzellen münden immer in eine eigene Faser des Blinder Fleck Sehnerv Nervenfasern verlassen das Auge im Blinden Fleck i Laterale Inhibition Die Wahrnehmung verfügt über Mechanismen, welche die Kantenschärfe erhöhen. Bei der lateralen Inhibition unterdrücken Rezeptoren, die stark gereizt werden, benachbarte Rezeptoren, die nur wenig gereizt werden. So ist der Kontrast an diesen Stellen stärker als in der Realität. Die empfundene Schärfe steigt an und das Bild wird deutlicher. Bilder werden vom Sehzentrum auf Kanten und Linien ausgewertet. Durch die laterale Inhibition sind die Ausgangsbedingungen für diese Auswertung besser. Es kann aber durch die Verschaltung von bipolaren Zellen und Horizontalzellen in der Netzhaut auch zur Verstärkung von Signalen kommen. Funktionsweise des räumlichen Sehens 11
2 Psychologie des räumlichen Sehens 2.1 Tiefenhinweise 2.2 Binokularsehen 2.3 Teilbildkonflikte 2.4 Kompensationsprinzipien 2.5 Gestaltgesetze
2 Psychologie des räumlichen Sehens Im vorangegangenen Kapitel wurde die Funktionsweise des Sehens beschrieben. Nach vielen Jahren ist der Stand der Forschung über die physiologischen Aspekte des Sehvorgangs mittlerweile weit fortgeschritten. Wie die Seheindrücke jedoch zur Wahrnehmung von ganzen Figuren und Bildern führen, ist noch nicht geklärt. Klar ist aber, dass die Bildinformationen, die im visuellen Zentrum verarbeitet und ausgewertet werden, anschließend mit Informationen anderer Sinne, wie etwa Gehör, Geruch oder Geschmack, sowie mit der Erfahrung und Erinnerung verknüpft werden. Dabei wird die starke Subjektivierung oder Relativierung des Gesehenen deutlich. 42 Psychologie des räumlichen Sehens
Forscher auf dem Gebiet der Psychologie versuchen, die Vorgänge von der anderen Seite aus zu betrachten und beschäftigen sich mit den Auswirkungen, die sich aus der Funktionsweise des Sehens ergeben. Dazu untersuchen sie verschiedene psychologische Phänomene des menschlichen Sehens und ziehen daraus Schlüsse hinsichtlich der Arbeitsweise des Gehirns. Phänomene und optische Täuschungen treten auf, weil der menschliche Wahrnehmungsapparat im Verlauf der Evolution zahlreiche Strategien entwickelt hat, um das gigantische Datenaufkommen der sensorischen Informationen verarbeiten zu können. Dazu zählen vor allem die Bewertung und das Weglassen von Redundanz und die durch die spezielle Lebensweise des Menschen bedingte selektive Wahrnehmung. Für die stereoskopische Bildgestaltung sind solche Erkenntnisse von besonderer Relevanz. Dieses Kapitel befasst sich daher mit den Aspekten der psychooptischen Tiefenwahrnehmung. Dazu zählen die verschiedenen Tiefenhinweise, das Binokularsehen sowie Teilbildkonflikte. All das hat eine starke Bedeutung für die Bildgestaltung und die Rezeption stereoskopischer Bilder und wird in den gleichnamigen Unterkapiteln behandelt. Die räumliche Wahrnehmung unterliegt aufgrund ihrer Funktionsweise bestimmten Regeln. Die wichtigsten werden im Unterkapitel Kompensationsprinzipien zusammengefasst und dargestellt. Mit dem Unterkapitel Gestaltgesetze wird am Ende des Kapitels auf wichtige Aspekte aus der Gestaltpsychologie eingegangen, die für die Orientierung im Raum relevant sind. Psychologie des räumlichen Sehens 43
3 Wahrnehmung von Stereo-3D 3.1 Störeffekte und Artefakte 3.2 Visuelle Überforderung 3.3 Qualitätsaspekte 3.4 Optische Abbildungsfehler 3.5 Sehfehler
Eine Abbildung kann die Funktionsweise des Auges beim natürlichen Sehen nicht simulieren, da durch die Kamera keine sakkadischen Abtastbewegungen möglich sind. 3 Wahrnehmung von Stereo-3D Zwischen der Wahrnehmung der Realität und der Wahrnehmung stereoskopischer Bilder bestehen wichtige Unterschiede. Beim natürlichen Sehvorgang werden die interessanten Stellen der betrachteten Umgebung mit sakkadischen Augenbewegungen abgetastet. Die Augen fixieren einzelne Punkte separat und haben dabei jeweils optimale Disparitätsbereiche. Werden Bilder betrachtet, funktioniert das nicht. Im stereoskopischen Bild gibt es immer nur eine einzige Fixationsebene (Nullebene), die durch die Aufnahme und Teilbildausrichtung festgelegt wurde. Das Betrachten von Stereo-3D-Bildern kann daher nicht mit dem natürlichen Sehen gleichgestellt werden. Aufgrund der Unterschiede zum natürlichen Sehen kommt es beim Betrachten räumlicher Abbildungen zu einer ganzen Reihe von Besonderheiten. Mit diesen Besonderheiten befasst sich das Unterkapitel Störeffekte und Artefakte. Probleme beim Betrachten stereoskopischer Bilder können zu Schwierigkeiten der Bildverarbeitung im Sehzentrum führen. Sie machen sich als Visuelle Überforderung bemerkbar und werden im gleichnamigen Unterkapitel näher behandelt. 88 Wahrnehmung von Stereo-3D
Um Visuelle Überforderung zu vermeiden, gibt es bestimmte Werte und Empfehlungen, die im Unterkapitel Qualitätsaspekte behandelt werden. Generell lässt sich durch höhere Qualität die Gefahr von Visueller Überforderung beim Zuschauer verringern. Das darauf folgende Unterkapitel beschäftigt sich mit optischen Abbildungsfehlern. Diese spielen nicht nur in zweidimensionalen Bildern eine Rolle, sondern auch bei Stereo-3D. Hier sind einige Besonderheiten zu beachten, denn die zweidimensionalen Fehler der einzelnen Teilbilder können sich gegenseitig beeinflussen und dadurch eine störungsfreie Verschmelzung zu einem räumlichen Bild erschweren. Einem weiteren Aspekt der räumlichen Bildwahrnehmung widmet sich das Unterkapitel Sehfehler. Da diese nicht in jedem Fall dramatisch sind, bleiben sie oftmals unentdeckt. Dennoch spielen sie beim Betrachten räumlicher Bilder eine Rolle. Unter anderem gibt es auch Personen, die aufgrund spezieller Augenprobleme nur eingeschränkt oder gar nicht stereoskopisch sehen können. Wahrnehmung von Stereo-3D 89
Holger Tauer Stereo 3D Grundlagen, Technik und Bildgestaltung Die Geschichte der stereoskopischen Bilder ist 150 Jahre alt, lange Zeit jedoch konnte sich die Technologie nicht auf breiter Front durchsetzen. Auch im Kino brauchte der Schritt hin zur dritten Dimension viel Anlauf erst 20 Jahre nachdem IMAX mit dem 70-mm-Filmformat die 3D-Welt eroberte, begannen sich auch gewöhnliche Kinos ernsthaft für diese Technologie zu interessieren. Nun sind Aufnahme- und Wiedergabetechniken so ausgereift, dass immer mehr Filmemacher sich dieser Art der Produktion zuwenden und beeindruckenden Content in Stereo- 3D bereitstellen. Dieses Buch erklärt die Hintergründe und schildert detailliert die komplexen Abläufe der 3D-Technik. Der Autor informiert anschaulich über die physiologischen Grundlagen der räumlichen Wahrnehmung, führt durch alle Stufen der Filmentstehung und bringt dem Leser alle derzeitigen Wiedergabeverfahren näher. Welche Geräte sind die richtigen? Wie vermeide ich Artefakte und erziele die besten Effekte innerhalb des Tiefenspielraums? Diese und viele andere Fragen werden fachlich fundiert und dabei leicht verständlich beantwortet. Doch ohne ein Umdenken in der Gestaltung und Planung des gesamten Produktionsablaufs ist ein stereoskopisches Arbeiten kaum möglich. Diese Aspekte werden im Buch systematisch behandelt und unterstützen dadurch den 3D-Filmemacher bei der täglichen Arbeit. Auch Amateur- und Profifotografen kommen nicht zu kurz: Zahlreiche Illustrationen und anaglyphe Beispielbilder machen das Buch zu einem Werk mit überraschender Tiefe. Damit der Leser die Tiefenwahrnehmung problemlos erleben kann, liegt eine 3D-Brille natürlich mit dabei. SCHIELE & SCHÖN Der gelernte Fotograf und Diplom-Kameramann (FH) Holger Tauer zählt in Deutschland zu den wenigen Experten für Stereo-3D. Als Kameramann und Berater betätigt sich der Freiberufler an 3D- Filmprojekten aller Art und setzt mit seinen Filmen und Fotos in 3D Maßstäbe. An Kurzfilmen, Musikvideos, Feature- und Dokumentarfilmen in 2D und 3D ist er regelmäßig hinter der Kamera beteiligt und steigt dabei wenn nötig auch für Luftaufnahmen in Fluggeräte oder mit seiner Tauchausrüstung in die kalte Ostsee. Auf Reisen rund um die Welt fängt er spektakuläre Bilder ein und sucht dabei nach immer neuen Herausforderungen. Holger Tauer war für längere Zeit in Melbourne und Beijing, spricht Englisch und Chinesisch und lebt heute in Norddeutschland. Mit 3D-Brille ISBN 3-7949-07910 9 7 8 3 7 9 4 9 0 7 9 1 5 6 9 0 0 0