Forschungs- & Entwicklungsinformationsdienst der Gemeinschaft - CORDIS

Kamera ab für die moderne dreidimensionale Visualisierung

Dank des EU-finanzierten Projekts PROLIGHT-IAPP ist man extrem realistischer 3D-Technologie wieder einen Schritt näher gekommen, was letztlich für jeden, ob nun Arzt oder Architekt, von Nutzen sein wird.
Kamera ab für die moderne dreidimensionale Visualisierung
Dreidimensionale (3D) Visualisierung ermöglicht es einer Vielzahl von Spezialistinnen und Spezialisten, seien es Künstler oder auch Wissenschaftler, ihre Arbeit darzustellen und virtuell zu manipulieren. Hochrealistische Darstellungen bleiben dennoch eine echte Herausforderung. Stereoskopische Anzeigen (mit Brillen), die zwei zweidimensionale Bilder darstellen (mit linken und rechten horizontalen Disparitäten), zeigen den Betrachtern, wenn sie sich bewegen, immer noch die gleiche Szene. Autostereoskopische Displays gestatten zwar den Benutzern, auf Brillen zu verzichten und einige Veränderungen in der Szene zu erzeugen, in der Bewegung zeigen sich jedoch die Grenzen zwischen den Bildpaaren („Streifenartefakte“). Mit der zunehmenden visuellen Dichte bei Lichtfeldprojektionen nimmt man dieses Problem in Angriff, allerdings auf Kosten eines sehr hohen Datenvolumens, das erforderlich ist, um etwas realistisch Aussehendes entstehen zu lassen.

Das von der EU finanzierte PROLIGHT-IAPP-Projekt befasste sich mit diesem Problem der wirkungsvollen Erfassung, Analyse, Modellierung, Komprimierung und Wiedergabe realer Szenen. Zu diesem Zweck nutzte man moderne Signalverarbeitungsverfahren, ergänzt durch Erkenntnisse über Licht- und Lichtfeldeigenschaften, um großformatige, extrem realistische visuelle Szenen nachzubilden.

Reale 3D-Visualisierung mit vollständiger Parallaxe

Um die Welt dreidimensional wahrzunehmen, werden etliche visuelle Hinweise verwendet. Projektkoordinator Professor Atanas Gotchev erläutert dazu: „Erstens sehen beide Augen geringfügig verschiedene Perspektiven mit retinalen Disparitäten, die vom Gehirn verarbeitet werden, damit die Bildtiefe einen Sinn ergibt. Zweitens konzentrieren sich beide Augen auf das interessierende Objekt und die Rückmeldung, wie sich dabei die Brennweite der Linsen verändert, ist der entscheidende Hinweis. Bewegen sich die Menschen, verändern sie die Sichtperspektive und die Relativbewegung der betrachteten Objekte in Bezug auf den Hintergrund hängt von ihrer Entfernung ab. Weitere Hinweise sind Perspektiven, Schatten, relative Größen usw., die man mit einem einzelnen Auge sehen kann.“

Wirken diese Hinweise zusammen, wird „vollständige Parallaxe“ erreicht, bei der die Betrachter gleichzeitig die richtige Perspektive, korrekte Bildschärfe und Bewegungsparallaxe wahrnehmen, wenn sie sich horizontal und vertikal bewegen. Lichtfeldanzeigen können das durch eine ausreichend dichte Menge von Lichtstrahlen erreichen, welche auf die gleiche Weise auf Netzhäuten auftreffen, wie es Strahlen von realen Objekten tun.

Um eine derart dichte Menge von Strahlen erzeugen zu können, musste PROLIGHT-IAPP zunächst Informationen über Lichtstrahlposition und -richtung erfassen sowie Szenenstruktur und -geometrie erzeugen. Man experimentierte zu diesem Zweck mit Kombinationen von Aufnahmeeinstellungen von verschiedenen Sensorikgeräten. Dazu gehören Matrixkamera-Rigs, welche die horizontale und vertikale Parallaxenänderung erfassen, Kombinationen aus Kameras und Laufzeitsensoren (Time-of-Flight, ToF, zum Messen der Entfernungen von der Kamera zu den Objekten), Erstellen von Textur- und Tiefenkarten sowie kodierte Blenden, bei denen Masken eingesetzt werden, um auf Grundlage der Kenntnis von Fokussierung/Defokussierung an Informationen über eine Szene zu gelangen.

Professor Gotchev fasst zusammen: „Wir haben demonstriert, dass wir das kontinuierliche Lichtfeld vollständig aus dünnbesetzten Kamerasetups rekonstruieren und alle benötigten Strahlen unter Einsatz einiger neuartiger computergestützter Bildverarbeitungs- und Lichtfeldannäherungsansätze realisieren können.“ Das Team wollte außerdem die Kopfbewegungsparallaxe quantifizieren und entdeckte, dass, wenn Versuchspersonen in der Tiefe, in Stereo und Mono, variierende sinusförmige Muster gezeigt wurden, sie die Tiefenänderungen zweimal so wirkungsvoll wie bei vorhandener Bewegungsparallaxe (wenn bei Bewegung des Kopfs unterschiedliche Perspektiven zu sehen sind) unterscheiden konnten.

Zum Nutzen der europäischen Bürger im digitalen Zeitalter

Obgleich man über das Fachwissen verfügt, ist die nächste Generation von extrem realistischen Displays aufgrund des Preises von Komponenten wie etwa von Projektoren mit hoher Bildfrequenz vorerst nicht in Reichweite. Zur Vorbereitung hat PROLIGHT-IAPP jedoch einiges von der erforderlichen Hardware sowie ein neues Displaykalibrierverfahren entwickelt, was von hohem Stellenwert ist, wenn man an die 70 Millionen Strahlen in einer heute gängigen Lichtfeldanzeige und die rund 5 Milliarden Strahlen denkt, für vollständige Parallaxe gebraucht werden.

Bei der Beschreibung der treibenden Kräfte für diese neue digitale Technologie bekräftigt Professor Gotchev: „Lichtfeldbildgebung ist der neueste Trend in Sachen audiovisuelle Medien und verfügt über das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie die Menschen visuelle Informationen konsumieren und mit ihnen interagieren.“ Im Einklang mit der „Digitalen Agenda für Europa“ der EU, die einen Binnenmarkt für den digitalen Austausch von Inhalten und Dienstleistungen anstrebt, haben diese visuellen Technologien überdies einen Nutzen für die wissenschaftliche Forschung und Anwendung. So können beispielsweise Ärzte anatomische Bereiche zwecks verbesserter Prävention und Behandlung von Krankheiten sowie zur Weiterbildung darstellen. Weiter leitet der Professor ab, dass die „Lichtfeldbildgebung gleichermaßen in Bereichen von hoher Bedeutung ist, in denen die Anwesenheit des Menschen riskant oder unmöglich ist - zum Beispiel im Zusammenhang mit Naturkatastrophen. Darüber hinaus ist ein Nutzen für die Visualisierung von Daten wie etwa Big Data erkennbar, die sonst recht abstrakt bleiben.“

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

PROLIGHT-IAPP, 3D-Visualisierung, Lichtfeldprojektionen, Lichteigenschaften, vollständige Parallaxe, Bewegungsparallaxe, Anzeigebandbreite, Displaybandbreite, digitale Technologien, extrem realistische Visualisierung, ultrarealistische Visualisierung
Folgen Sie uns auf: RSS Facebook Twitter YouTube Verwaltet vom Amt für Veröffentlichungen der EU Nach oben