Aufnahme, Herstellung von Stereobildern

Bei der Auf­nahme von Stere­o­bildern wer­den zwei Stereo-Halb­bilder hergestellt, für jedes Auge eines. Während ein einzelnes Bild lediglich eine Vorstel­lung der räum­lichen Per­spek­tive ver­mit­telt, erre­icht man mit der bei­däugi­gen Betra­ch­tung von Stere­o­bildern eine echte Wahrnehmung der drit­ten Dimen­sion!

^{Bild 1:  Der Weg vom Motiv über die Stereoauf­nahme bis zur stere­oskopis­chen Betra­ch­tung}

Die ein­fach­ste Möglichkeit, Stere­o­bilder herzustellen, ist die Benutzung ein­er echt­en Stereokam­era (3D-Kam­era). Das ist eine Kam­era mit zwei gle­ichen Auf­nah­meob­jek­tiv­en, die mit nur einem Aus­lösen bei­de Halb­bilder gle­ichzeit­ig aufn­immt.

^{Bild 2: Zweiäugige echte Stereokam­era}

Den Abstand der Objek­tive nen­nt man Stere­oba­sis, sie soll für natür­lich wirk­ende Stereoauf­nah­men etwa 65mm (Augen­ab­stand) betra­gen. Da zur Zeit auf dem Markt nur sehr wenige indus­triell pro­duzierte echte Stereokam­eras zum Kauf ange­boten wer­den, haben sich in der Stere­oszene einige Alter­na­tiv­en etabliert:

→ Beim Kam­er­ages­pann wer­den zwei gle­iche Kam­eras nebeneinan­der mon­tiert und per Fern­s­teuerung gle­ichzeit­ig aus­gelöst. Dies kann mit einem exter­nen Aus­lös­er erfol­gen, durch Ein­griff in die Kam­era oder mit einem für diese Auf­gabe opti­mierten Firmware­hack (Stere­o­Da­ta Mak­er).

^{Bild 3: Stereo-Ges­pann aus zwei gle­ichen Kam­eras}

→ Beim Spiegel-Rig wer­den 2 Kam­eras und ein halb­durch­läs­siger Spiegel so mon­tiert, dass bei­de Kam­eras das Motiv in gle­ich­er Weise sehen kön­nen, sich gegen­seit­ig aber nicht behin­dern. Mit dieser Tech­nik sind beliebig kleine Stere­obasen möglich.

^{Bild 4: Spiegel-Rig Kon­struk­tion aus zwei Kam­eras und einem halb­durch­läs­si­gen Ober­flächen­spiegel}

→ Falls das Motiv völ­lig sta­tisch ist, kön­nen die linke und rechte Auf­nahme auch nacheinan­der erfol­gen. Die Kam­era wird hierzu auf einen Schiebeschlit­ten befes­tigt und die Kam­era zwis­chen den bei­den Auf­nah­men um die Stere­oba­sis ver­schoben. Ide­al für diese Tech­nik sind Table­top- und Makroauf­nah­men, ungeeignet dage­gen Land­schaften, da vorüberziehende Wolken oder sich auch bei leichtem Wind bewe­gende Blät­ter beim Betra­cht­en als störend emp­fun­den wer­den.

Infor­ma­tion: Die SIG DGS-Kam­era entwick­elt momen­tan auf der Basis des Rasper­ry Pi eine Stereokam­era.

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Bild­nach­weise: Bild 1,4: © Ger­hard P. Her­big, Bild 2: Fuji­film FinePix Real 3D W3, © Fuji­film Cor­po­ra­tion, Bild 3: SonyNEX 3D, ©Co van Ekeren

Rahmung, Montage, Postprocessing

Alle drei Begriffe bein­hal­ten mehr oder weniger das gle­iche: die Beschnei­dung und gegen­seit­ige Aus­rich­tung der bei­den Stere­o­halb­bilder. Erst durch die kor­rek­te Anord­nung wird aus zwei Stere­o­halb­bildern ein voll­w­er­tiges Stere­o­bild.

Während zu Analogzeit­en eher von Rah­mung oder Stere­o­di­arah­mung die Rede war, haben sich beim Dig­i­tal­bild die Begriffe Mon­tage, Stere­omon­tage oder auch Stere­o­bild­mon­tage durchge­set­zt.

Im kom­merziellen Kinobere­ich gab es schon immer die „Post­pro“ (Post­pro­cess­ing), die alle nachrangi­gen Bild­bear­beitung­sprozesse umfasst. Für den 3D-Film muss diese Post­pro nun min­destens um die stere­oskopis­che Beschnei­dung und die gegen­seit­ige Aus­rich­tung der Bilder erweit­ert wer­den.

Die Stere­o­bild­mon­tage set­zt sich aus zwei Kom­po­nen­ten zusam­men,
1.) der geometrischen Bild­ko­r­rek­tur und

2.) der stere­oskopis­chen Beschnei­dung der Bilder an den linken und recht­en Kan­ten.

1. Die geometrische Bildkorrektur

Die geometrische Bild­ko­r­rek­tur hat das Ziel, alle kor­re­spondieren­den Bild­punk­te im linken und recht­en Halb­bild auf gle­iche Höhe zu brin­gen. Falls diese Forderung nicht erfüllt ist, spricht der Stere­oskopik­er von Höhen­fehlern. Ursachen für Höhen­fehler kön­nen sein: ein sim­pler Höhen­ver­satz der Bilder, unter­schiedliche Größen oder Ver­drehun­gen der Bilder aber auch unter­schiedliche Aus­lösezeit­punk­te der Kam­eras (Syn­chron­fehler).

^{Bild 1: In einem kor­rekt mon­tierten Stere­o­bild darf es nur hor­i­zon­tale Ver­schiebun­gen kor­re­spondieren­der Bild­punk­te geben. Hier ist das linke Bild (deut­lich) zu hoch mon­tiert.}

Bei der geometrischen Bild­ko­r­rek­tur ver­sucht man mit allen sich bietenden geometrischen Bild­verän­derun­gen, also Ver­schiebun­gen, Skalierun­gen, Rota­tio­nen, aber auch Scherun­gen und Trapezverz­er­run­gen, die Höhen­fehler best­möglich im gesamten Bild her­auszurech­nen.

2. Die stereoskopische Beschneidung

Bei ein­er Stere­o­pro­jek­tion wird das Raum­bild inner­halb ein­er Öff­nung in ein­er schein­baren Wand wahrgenom­men. Diese Öff­nung wird Sche­in­fen­ster genan­nt. Durch die stere­oskopis­che Beschnei­dung der Halb­bilder wird die Lage des Raum­bildes rel­a­tiv zu diesem Sche­in­fen­ster fest­gelegt.

Ob ein Objekt hin­ter dem Sche­in­fen­ster, im Sche­in­fen­ster oder vor dem Sche­in­fen­ster zu sehen ist, ist auss­chließlich von der stere­oskopis­chen Beschnei­dung abhängig und nicht von der Auf­nahme selb­st!

^{Bilder 2a,b,c: Das gle­iche Stere­o­bild mit drei ver­schiede­nen Sche­in­fen­ster­mon­ta­gen: hin­ter dem Sche­in­fen­ster, im Sche­in­fen­ster und vor dem Sche­in­fen­ster.}

Für die Entschei­dung, wo das Motiv in Rela­tion zum Sche­in­fen­ster ange­ord­net wer­den soll, ist der Begriff Sche­in­fen­ster­rah­mung üblich. Obwohl naturgemäß ein kreativ­er Akt, kann auch diese Auf­gabe heute von automa­tis­ch­er Mon­tage­soft­ware über­nom­men wer­den.

3. Montagesoftware

Mit geeigneter Soft­ware kann sowohl die geometrische Bild­ko­r­rek­tur als auch eine geeignete Sche­in­fen­ster­mon­tage vol­lau­toma­tisch durchge­führt wer­den. Dies ist sowohl für einzelne Stere­o­bilder, kom­plette Verze­ich­nisse mit Stere­o­bildern sowie auch für Stere­ovideos möglich.

An dieser Stelle sollen zwei Pro­gramme für diese Auf­gaben genan­nt wer­den:
Der StereoPho­to Mak­er ist Free­ware und deshalb beson­ders für den Ein­stieg in die wun­der­bare Welt der Stere­oskopie geeignet. COSIMA ste­ht für COrrect Stereo IMAges und ist ein kom­merzielles Soft­ware­pro­dukt eines DGS-Mit­gliedes. Für die Inno­va­tion der vol­lau­toma­tis­chen Stere­o­bild­ko­r­rekur wurde Cosi­ma von der DGS 2006 der Deutsche Raum­bild­preis ver­liehen.

Infor­ma­tion: Es ist geplant, die math­e­ma­tis­che The­o­rie zur Stere­o­bild­mon­tage in der SIG Stere­o­bild- und Videoko­r­rek­tur aufzuar­beit­en. Diese SIG hat noch nicht begonnen.

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_{Bild­nach­weise: ©Ger­hard P. Her­big}

Wiedergabe, Betrachten von Stereobildern

Jedes Ver­fahren, das in der Lage ist, das linke Halb­bild auschließlich dem linken Auge zu zeigen und das rechte Halb­bild auschließlich dem recht­en Auge, ist zur Raum­bild­wieder­gabe geeignet. Tren­nt man die Meth­o­d­en nach dem Darstel­lungsmedi­um, kommt man auf fol­gende grobe Ein­teilung:

A. Methoden für 2D-Medien (z.B. Druck)

1. Stere­oblick (free view­ing)
2. Stere­o­be­tra­chter mit Lin­sen (Lorgnette)
3. Kreuzblick
4. KMQ
5. Anaglyphen­ver­fahren

B. Methoden, bei denen das Bild auf einem Monitor gezeigt wird

1. Polar­i­sa­tion­s­mon­i­tor
2. Shut­ter­mon­i­tor
3. Spiegel­box (Co-Box)
4. Autostere­oskopis­ch­er Mon­i­tor

C. Methoden, bei denen das Bild mit einem Projektor auf eine Leinwand projiziert wird

1. Polar­i­sa­tions-Pro­jek­tion
2. Shut­ter-Pro­jek­tion
3. Infitec-Pro­jek­tion

A1. Stereoblick (free viewing)

Bis etwa 6 cm Bild­größe lassen sich nebeneinan­der ange­ord­nete Stere­o­bilder ohne jedes weit­ere Hil­f­s­mit­tel direkt betra­cht­en. Die DGS ver­wen­det diese Meth­ode in ihrem stereo jour­nal oder auch auf dieser Home­page. Die Augen schauen dabei par­al­lel ins Unendliche, müssen aber in die Nähe fokussieren. Eine kleine Anleitung zum Erler­nen dieser Meth­ode find­et man hier.

^{Bild 1: Beim Stere­oblick betra­chtet das linke Auge nur das linke Bild und das rechte Auge nur das rechte Bild.}

A2. Stereobetrachter mit Linsen (Lorgnette)

Ver­wen­det man zusät­zlich eine Brille mit Sam­mellinsen, müssen die Augen nicht mehr auf die Nähe fokussieren, son­dern kön­nen entspan­nt in die Ferne schauen. Das Scharf­stellen auf die Nähe übern­immt jet­zt die Stere­o­brille. Dies passt auch wesentlich bess­er zur par­al­le­len Augen­stel­lung und ermöglicht deshalb ein  entspan­ntes Stere­ose­hen. Beim Holmes-Stere­oskop wer­den Pris­men­lin­sen einge­set­zt, um die Bild­größe auf etwa 70 bis 75 mm zu steigern.

^{Bild 2: Mit den Sam­mellinsen in der Lorgnette müssen wir nicht mehr auf die Nähe fokussieren und kön­nen nebeneinan­der gedruck­te Stere­o­bilder ohne Anstren­gung genießen.}

A3. Kreuzblick

Da uns Men­schen eine diver­gente Augen­stel­lung unan­genehm ist (sofern über­haupt möglich), lässt der freie Stere­oblick keine größeren Bilder als etwa den Augen­ab­stand zu. Tauscht man aber linkes und recht­es Stere­o­bild aus, kann man mit extremem nach innen Schie­len auch größere Bilder betra­cht­en.

^{Bild 3: Wer den Kreuzblick beherrscht, kann auch große Bilder freiäugig ohne Brille in 3D betra­cht­en.}

A4. KMQ

Die Erfind­er des KMQ-Ver­fahrens (benan­nt nach den Erfind­ern Christoph Koschnitzke, Rein­er Mehn­ert und Peter Quick) haben das linke und rechte Halb­bild  nicht nebeneinan­der, son­dern übere­inan­derange­ord­net. Entsprechende Pris­men in der KMQ-Brille lenken den Strahlen­gang so ab, dass die bei­den Halb­bilder wieder zu einem Stere­o­bild ver­schmolzen wer­den kön­nen.

^{Bild 4: Mit Hil­fe ein­er Pris­men­brille kön­nen die Halb­bilder auch übere­inan­der ange­ord­net wer­den.}

A5. Anaglyphenverfahren

Färbt man (zum Beispiel) das linke Bild rot und das rechte Bild cyan ein und druckt bei­de Bilder übere­inan­der, lassen sich beim Betra­cht­en die Halb­bilder wieder tren­nen, wenn man eine entsprechende Brille mit Farb­fil­ter­folien (Anaglyphen­brille) benutzt. Da die Farbe zur Tren­nung der Bilder benötigt wird, kön­nen die betra­chteten Objek­te selb­st nicht mehr far­big sein.

^{Bild 5: Mit der roten Seite der Brille sehen wir nur die roten (linken) Bil­dan­teile und mit der blau-grü­nen Seite nur die blau-grü­nen (recht­en) Bil­dan­teile.}

B1. Polarisationsmonitor

Die 3D-Mon­i­tore und 3D-Fernse­her mit pas­siv­er 3D-Tech­nik arbeit­en mit (zirku­lar) polar­isiertem Licht. Hier­bei wer­den (z.B.) alle Zeilen mit ger­aden Zeilen­num­mern links herum polar­isiert und alle Zeilen mit unger­aden Zeilen­num­mern rechts herum. Mit entsprechen­der Polfil­ter­brille sieht dann das linke Auge nur die ger­aden Zeilen und das rechte Auge nur die unger­aden. Die entsprechende Auf­bere­itung des Stere­o­bildes übern­immt entwed­er die Soft­ware zur Anzeige des Bildes (also der Play­er) oder der 3D-Fernse­her selb­st.

^{Bild 6: Pas­sive Polar­i­sa­tions­brille mit mod­ernem schlanken Design.}

B2. Shuttermonitor

Bei der Shut­tertech­nik wer­den das linke und das rechte Bild abwech­sel­nd angezeigt. Da bei dieser Tech­nik die 3D-Brille auf den Bild­wech­sel syn­chro­nisiert wer­den muss, nen­nt man sie auch aktiv.

^{Bild 7: Aktive Shut­ter­brille von Nvidia, die Elekro­nik ist im Gestell inte­gri­ert!}

B3. Spiegelbox (Cobox)

Ähn­lich wie beim Kam­era-Spiegel-Rig (siehe Tech­nik — Auf­nahme), lassen sich unter Ver­wen­dung eines halb­durch­läs­si­gen Spiegels auch zwei nor­male Com­put­er­mon­i­tore zu einem 3D-Sicht­gerät anord­nen. In Würdi­gung des nieder­ländis­chen 3D-Pio­niers Co van Ekeren wer­den diese Sicht­geräte auch Cobox­en genan­nt. Zur Bildtren­nung wird die schon vorhan­dene Polar­i­sa­tion der Mon­i­tore ver­wen­det, so dass außer der Polfil­ter­brille keine weit­eren optis­chen Ele­mente mehr notwendig sind.

^{Bild 8: Strahlen­gang bei der Cobox. Viele han­del­sübliche Mon­i­tore besitzen ab Werk schon die richtige Polar­i­sa­tion.}

B4. Autostereoskopischer Monitor

Als Autostere­oskopie beze­ich­net man alle 3D-Darstel­lungsmeth­o­d­en, welche ohne zusät­zliche Brillen auskom­men. Ein autostere­oskopis­ches Dis­play muß dazu min­destens zwei Bilder (für das linke und rechte Auge) gle­ichzeitg darstellen kön­nen. Zur Bildtren­nung wer­den diese Bilder vom Mon­i­tor in ver­schiedene Rich­tun­gen abges­trahlt. Rein tech­nisch kann dies durch (mikroskopisch kleine und) unmit­tel­bar auf der bilderzeu­gen­den Schicht aufge­brachte Lin­sen­raster oder Par­al­laxbar­ri­eren erre­icht wer­den. Im Ergeb­nis sieht jedes Auge nur das für dieses Auge vorge­se­hene Bild.

Man kann drei unter­schiedliche Typen autostere­oskopis­ch­er Mon­i­tore unter­schei­den:
Sin­gle-view Dis­play ohne Eye-Track­ing: Es gibt genau 2 Bilder und feste Abstrahlrich­tun­gen für einen Betra­chter. Dieser Betra­chter muß zur kor­rek­ten 3D-Wahrnehmung vor dem Bild­schirm eine bes­timmte Posi­tion ein­nehmen, anson­sten kön­nte ein Ver­tauschung der Links-Rechts-Zuord­nung passieren.
Sin­gle-view Dis­play mit Eye-Track­ing: Mit­tels zweier klein­er Kam­eras wer­den die Posi­tio­nen der Augen des Betra­chters erkan­nt und die Abstrahlrich­tun­gen der Bilder adap­tiv nachge­führt. In einem gewis­sen Winkel­bere­ich sind damit Fehlzuor­dun­gen der Bilder aus­geschlossen. Die Lin­sen­raster muß man sich dafür als optis­che Ele­mente mit elek­trisch bee­in­flußbaren Brechungsindices vorstellen. Entsprechende Pro­duk­te (Tablets, PC-Mon­i­tore) wur­den im Markt in den Jahren 2023/2024 einge­führt.
Mult-view Dis­play: Mit sehr vie­len Teil­bildern (bis zu 100) und einem sehr kleinen Abstrahlwinkel für jedes Teil­bild (etwa 1/2°) entste­ht ein Holo­gramm-ähn­lich­er Bildein­druck, bei dem man in gewis­sen Gren­zen um das Objekt herum­se­hen kann. Diese Darstel­lungsmeth­ode kommt dem natür­lichen Sehein­druck am näch­sten, allerd­ings auf Kosten ein­er stark reduzierten Auflö­sung: Bei 100 Teil­bildern verbleibt für jedes einzelne Teil­bild auch nur 1/100 der Mon­i­torau­flö­sung. Zum Zeit­punkt der Erstel­lung dieses Textes bietet nur Look­ing Glass diese Tech­nik an.

C1. Polarisations-Projektion

Diese Meth­ode wird in gle­ich­er Weise für analoge Dias angewen­det wie auch für dig­i­tale Inhalte. Das Bild zweier Pro­jek­toren respek­tive zweier Beam­er wird hier­bei übere­inan­der auf die Lein­wand pro­jiziert. Zur Tren­nung der Bild­in­for­ma­tion ver­wen­det man lin­ear oder zirku­lar polar­isiertes Licht. Damit die Pro­jek­tion­slein­wand das Licht nicht wieder depo­lar­isiert (und die bei­den Bild­in­for­ma­tio­nen untrennbar miteinan­der ver­mis­cht), benötigt sie eine met­allisierte Ober­fläche („Sil­ber­lein­wand“).

^{Bild 9: Anor­dung zur Pro­jek­tion mit zwei Beam­ern. Zur Licht­tren­nung wird hier lin­ear polar­isiertes Licht ver­wen­det. In dieser Weise find­en auch die Pro­jek­tio­nen bei den DGS-Ver­anstal­tun­gen statt.}

C2. Shutter-Projektion

Bei­de Halb­bilder kom­men aus einem Pro­jek­tor, abwech­sel­nd für das linke und das rechte Auge. Die Tren­nung kön­nte dann mit ein­er Shut­ter­brille (siehe oben) erfol­gen, die eben­falls abwech­sel­nd den linken und recht­en Sehstrahl frei­gibt. Häu­fig wer­den die Bilder noch zusät­zlich polar­isiert, dann reicht zur Bildtren­nung eine preis­gün­stige Pol­brille aus und auf eine aufwändi­ge und wartungsin­ten­sive Shut­ter­brille kann verzichtet wetr­den.

C3. Infitec-Projektion

Die deutsche Fir­ma Infitec ® ist die Erfind­erin der Bildtren­nung mit Inter­feren­z­fil­tertech­nik. Nach aktuellem Stand wer­den für das rechte Bild die mit­tleren Spek­tral­bere­iche der 3 Grund­far­ben ver­wen­det und für das linke Bild deren Rän­der. Obwohl ähn­lich wie bei der Anaglyphen­tech­nik zur Bildtren­nung die Far­ben benutzt wer­den, sind Far­bun­ter­schiede im linken und recht­en Bild so gut wie nicht mehr fest­stell­bar. Die Inter­feren­z­fil­tertech­nik benötigt keine Sil­ber­lein­wand und kann im weit­eren mit guter Löschung und gerin­gen Trans­mis­sionsver­lus­ten der Inter­feren­z­fil­ter­brillen punk­ten. Sie hat durch die Fa. Dol­by ® 3D weltweite Ver­bre­itung gefun­den.

^{Bild 10: Farb­tren­nung beim Inter­feren­z­fil­ter­ver­fahren nach Infitec. In bei­den Halb­bildern sind alle 3 Grund­far­ben vorhan­den.}

Übersichts-Tabelle

Infor­ma­tion: Die SIG Pro­jek­tion beschäftigt sich mit allen tech­nis­chen Aspek­ten der Polar­i­sa­tions-Pro­jek­tion mit 2 Beam­ern.

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_{Bild­nach­weise: ©Ger­hard P. Her­big}