Dreidimensionales Fernsehen in Echtzeit

01.09.2005 | Nürnberg
Ausgeklügelte Technologien für eine Weltneuheit

Mit der Live-Übertragung dreidimensionaler Fernsehbilder, die noch dazu ohne Hilfsmittel wie Shutter- oder Polarisationsbrillen und Trackingsysteme auskommt, betreten Grundig, X3D Technologies (künftig: Newsight GmbH), Jena, 3D-Image Processing (3D-IP), Augsburg, und Cobalt Enter-tainment, Hollywood, Neuland im Bereich der Fernsehübertragung. Dahinter stecken ausgeklügelte Technologien, die auf der Funktionsweise des menschlichen Sehens und neuronaler Prozesse ebenso basieren wie auf intelligenter Software, leistungsfähiger Hardware und speziellen Materialien. Im Folgenden werden, nach einer kurzen Einführung in die bekannten Verfahren des 3D-Films, die Komponenten der neuen Technologie vorgestellt.

1) Bisherige Verfahren

Ausgangspunkt des dreidimensionalen Fernsehens ist eine Stereokamera, deren zwei Objektive das Bild wie die menschlichen Augen aus zwei leicht unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen. Diese beiden Bilder sind die Grundlage des dreidimensionalen Films, egal in welcher Technologie sie aufgezeichnet und ausgestrahlt werden.

Die bekanntesten Technologien, die auch im Fernsehen und im Kino bereits zum Einsatz kommen, sind das farbanaglyphische Verfahren und die Polarisationsfiltertechnik. Beim farbanaglyphischen Verfahren werden die beiden Teilbilder mit unterschiedlichen Farbfiltern aufgenommen, üblich sind Rot- und Grün-Filter bzw. Rot- und Blau-Filter. Die beiden Teilbilder werden zusammengeführt und gemeinsam ausgestrahlt, so dass auf der Leinwand oder am Bildschirm ein rotes und ein grünes Bild leicht versetzt zu sehen sind. Zum Betrachten des Films bekommt der Zuschauer eine Brille, die ihrerseits die gleichen Filter wie die Kamera verwendet. Beim Ansehen des Films löscht der Rot-Filter das rote Filmbild und der Grünfilter das grüne Farbbild. Da beide Augen nun verschiedene Bilder sehen, entsteht im Gehirn ein räumliches Bild.

Ähnlich arbeitet die Polarisationsfiltertechnik. Hier wird die Trennung der beiden Bilder durch polarisiertes Licht erreicht. Die Aufnahme kann mit zwei entsprechend montierten Kameras erfolgen, für die Bildtrennung werden zwei jeweils um 90° versetzte Polfilterfolien vor die beiden Projektionsobjektive und in die Brillen der Betrachter gesetzt. Auch dadurch dringt immer nur eines der beiden Teilbilder in ein Auge vor, die beiden unterschiedlichen Bilder werden im Gehirn wieder zu einem räumlichen Bild zusammengefügt.

Der Vorteil dieser Methode ist die hohe Farbtreue, zu den Nachteilen gehört neben der be-ötigten speziellen Leindwand, dass der Zuschauer den Kopf exakt gerade halten muss. Ein schräg geneigter Kopf verdreht auch die Filter in den Brillen, der für die Kanaltrennung benötigte 90°-Winkel zwischen den Folien vor den Projektionslinsen und den Filtern in der Brille ist dann nicht mehr gegeben. Auf diese Weise entstehen "Geisterbilder", die mit 3D nicht viel zu tun haben. Aus diesem Grund verwendet man in letzter Zeit vor allem zirkular polarisiertes Licht, um den Zuschauern Kopfbewegungen zu ermöglichen.

Beide Verfahren sind also für ungetrübten Film- und Fernsehgenuss in 3D nicht wirklich geeignet, da der Zuschauer immer auf Hilfsmittel angewiesen ist und entweder keine Farbbilder sieht oder aber den Kopf starr gerade halten muss. Anders ist es bei dem Verfahren, das beim Live-3D-Fernsehen der vier Kooperationspartner Grundig, X3D, 3D-IP und Cobalt Entertainment zum Einsatz kommt. Hier wird von Anfang an konsequent eine Technologie eingesetzt, die ohne Farbfilter und ohne Brille auskommt.

2) Das neue Verfahren

a) Die Kamera

Bei der Aufnahme kommt eine neu entwickelte stereoskopische Kamera von Cobalt Entertainment zum Einsatz. Bei dieser Kamera sind zwei hochauflösende Industriekameras mit einem variablen zoomabhängigen Basisabstand in einem Gehäuse so montiert, dass sie sich wie die menschlichen Augen auf ein Objekt fokussieren können. Das heißt, dass die Linsen unabhängig voneinander so bewegt werden können, dass das zu fokussierende Objekt immer im Schnittpunkt der beiden Objektive liegt. Um eine genaue Vorstellung davon zu bekommen, hält man sich am besten den Zeigefinger in einer kurzen Entfernung vor die Augen und fokussiert darauf. Die Augen fangen sozusagen an zu schielen. Je weiter man nun den Finger von den Augen wegbewegt, desto stärker gelangen die Augen in eine parallele Stellung. Diese Funktionsweise des Auges zu imitieren und dabei eine absolute Synchronität der Kamerabewegungen zu erzielen ist die hohe Kunst beim Bau stereoskopischer digitaler Filmkameras.

Bei der Aufnahme mit dieser Kamera entstehen zwei HD-SDI Videostreams. Die beiden Streams zeigen die aufgenommene Filmsequenz aus leicht unterschiedlichen Perspektiven und müssen nun so unkomprimiert weiterverarbeitet werden, dass sie synchron und getrennt voneinander wiedergegeben werden können. Die besondere Herausforderung dabei ist der Anspruch, die aufgenommenen Bilder live zu übertragen. Denn pro Sekunde und Stream fallen 1.485 Gigabit an, die in Echtzeit umgerechnet und in ein für die Übertragung geeignetes Datenformat gebracht werden müssen.

b) Black Betty

Für die Speicherung auf digitalen Medien genügt es, wenn die Daten nachträglich, sozusagen "in aller Ruhe", umgerechnet und konvertiert werden. Schon heute ist es daher mög-lich, "Konserven" auf 3D-fähigen Monitoren wie sie beispielsweise von X3D hergestellt werden, ohne optische Hilfsmittel zu betrachten.

Das Augsburger Unternehmen 3D Image Processing (3D-IP) hat nun eine Hardware-Lösung entwickelt, mit der diese Rechenarbeit in Echtzeit realisiert werden kann. Das System mit dem wohlklingenden Namen "Black Betty" führt dabei vier aufeinander folgende Arbeitsschritte durch.

Im ersten Schritt, dem "Image Alignment" werden die Bilder exakt ausgerichtet. Dadurch wird sichergestellt, dass auch wirklich jedes Bilderpaar exakt zueinander steht und nicht verkantet oder verzerrt ist. Durch die "Geometry Extraction" werden aus den vorliegenden zwei Bildern die 3D-Informationen errechnet. Das zweite Bild wird dabei auf die Informatio-nen reduziert, die es vom ersten Bild unterscheiden (Disparity Encoding). Anschließend werden die Daten in MPEG4 codiert (z.B. mit Nero), wodurch sich die Datenmenge weiter reduziert. Die so entstehende Datenrate des HD-/3D-Materials entspricht in etwa derjenigen, die bei der Übertragung einer MPEG2-Datei im SD-Modus anfällt. Dadurch ist die Übertragung via Satellit oder Kabel zum Empfangsgerät des Fernsehzuschauers möglich, ein dreidimensionaler 90-Minuten-Film in HD kann auf einer handelsüblichen Double-Layer-DVD abgespeichert werden.

Damit ist auch die Live-Übertragung dreidimensionaler Fernsehbilder möglich. Für einen dreidimensionalen Bildeindruck muss allerdings der Abstand der beiden Bilder dem der menschlichen Augen in etwa entsprechen, damit das Gehirn zwei unterschiedliche Bilder wahrnehmen und zu einem dreidimensionalen Eindruck zusammenfügen kann. Die Ausstrahlung lediglich eines Stereo-Bildpaares würde nun bedeuten, dass der Zuschauer nur an wenigen definierten Stellen vor dem Bildschirm ein korrektes Bildpaar sehen kann und ein echtes 3D-Erlebnis hat. Denn wenn der Blick schräg auf den Bildschirm kommt, entspricht der Blickwinkel nicht dem Ausstrahlungswinkel und die beiden Bilder können vom Gehirn nicht verarbeitet werden.

Dieses Problem ist dadurch gelöst, dass man mehrere korrekte Bildpaare sozusagen "im Raum verteilt" und damit einen durchgängigen 3D-Effekt erzielt. Dafür errechnet die von 3D-IP entwickelte Hardware aus den zwei aufgenommenen Ansichten insgesamt acht Bilder, von denen der Betrachter jeweils etwa zwei mit unterschiedlichen Perspektiven sieht. Die acht Bilder werden anschließend für die Verarbeitung im TV-Gerät optimiert.

Die Erstellung dieser acht Ansichten (Rendering) und die Aufbereitung für die Wiedergabe durch den 3D-Fernseher (Mixing) erfolgt derzeit noch durch Black Betty. Bis Ende dieses Jahres werden diese Rechenoperationen in einem FPGA erfolgen, der dann grundsätzlich in einen Fernseher eingebaut werden kann. Dann ist es möglich, die Bilder als einen gemeinsamen MPEG4-Stream zum Beispiel über Satellit abzustrahlen. In diesem Stream wären dann das Vollbild und die ergänzenden Informationen für das zweite und damit für alle 8 Bilder enthalten.

c) Der Fernseher

Wenn aus dem MPEG4-Stream und den mitgelieferten Disparity-Informationen zwei bzw. acht vollständige Bilder errechnet wurden, die das Gehirn zu einem räumlichen Bild zusammensetzen kann, ist eine weitere Herausforderungen zu lösen. Es muss sichergestellt werden, dass mehrere Zuschauer von unterschiedlichen Plätzen vor dem Fernseher das optimale 3D-Erlebnis haben.

Diese Aufgabe wird von dem Spezialfilter erledigt, den X3D für den Einbau in einen handelsüblichen Grundig LCD-Fernseher entwickelt hat. Dieser Filter ersetzt die Brille vor den Augen des Zuschauers. Die acht Bilder werden durch den Filter so versetzt abgegeben, dass sie von den Augen im Wesentlichen als Einzelbilder aufgenommen werden können. Der Filter ist also im Grunde genommen eine Brille, die dem Fernseher aufgesetzt wurde.

Um nun sicherzustellen, dass mehrere Zuschauer gleichzeitig aus unterschiedlichen Positionen den Film in 3D sehen können, nutzt der Filter die jeweils acht unterschiedlichen An-sichten, die Black Betty von den zwei Teilbildern errechnet hatte und gibt die Lichtausbreitungsrichtungen der einzelnen Subpixel des Bildschirmes vor. Einfach gesagt bewirkt der Filter, dass einzelne Farbwerte der Pixel in verschiedenen Winkeln abgestrahlt werden. Dadurch werden die erzeugten Bildpaare unterschiedlich in den Raum ausgestrahlt, der 3D-Effekt ist also nahezu überall im Raum innerhalb des Betrachtungswinkels des Bildschirms sichtbar. Die Beschränkung auf acht Einzelbilder hat dabei ausschließlich praktische Gründe: Die Rechenarbeit für die acht Bilder lässt sich schnell genug erledigen, gleichzeitig wird damit ein Bereich abgedeckt, der groß genug für ein geselliges Fernseherlebnis ist.

Durch die Ausstrahlung von jeweils unterschiedlichen Bildpaaren kann der Zuschauer sich zudem nahezu frei im Raum bewegen und sieht doch immer ein dreidimensionales Bild. Lediglich an den Punkten, an denen er sozusagen von dem letzten Bild auf das erste wechselt, springt das gesamte Bild um, da sich die Perspektive auf das Geschehen verändert.

3) Die weitere Entwicklung

Durch die Kooperation von Grundig, X3D Technologies, 3D Image Processing und Cobalt Entertainment ist es erstmals gelungen, Stereo-Live-Bilder auf einem autostereoskopischen Multi-User-Display in mehr als zwei Ansichten darzustellen. Die vier Unternehmen haben damit den Grundstein für weitere Entwicklungen der 3D-Unterhaltungselektronik bis hin zum dreidimensionalen Live-Fernsehen gelegt.

Bis zur Serienreife des 3D-Fernsehers sind noch einige Aufgaben zu bearbeiten. Die wichtigste ist, den Wechsel eines Fernsehers vom 2D- zum 3D-Bild und zurück zu optimieren, da ein lediglich 3D-fähiger Bildschirm nur bedingt marktfähig wäre. Darüber hinaus müssen die notwendigen Schnittstellen für die Übergabe der 3D/HD-Daten an den Fernseher exakt definiert werden. Und nicht zuletzt gilt es, TV-Geräte zu entwickeln, die in der Lage sind, die Erstellung der acht Teilbilder, die Aufbereitung für den 3D-Fernseher und die Komplettierung der im Disparity-Mode vorliegenden Bilder (Disparity-Decoding) zu übernehmen. Denn nur wenn derartige Endgeräte am Markt sind, ist es für die Fernsehanstalten interessant, 3D-Material auszustrahlen. 3D-Fernseher würden dann die Disparity-Informationen nutzen, um räumliche Bilder zu generieren, herkömmliche 2D-Fernseher würde hingegen lediglich das Vollbild wiedergeben, ohne dass dies für den Zuschauer eine Einschränkung bedeuten würde.

Ziel der Kooperation ist es, bereits im Rahmen der Fußballweltmeisterschaft im Jahr 2006 Livebilder zu produzieren, mit denen die ersten Pilotgeräte vorgestellt werden können.

Drei starke Partner

Die Nürnberger Grundig Intermedia GmbH ist im Rahmen der Kooperation für die Schnittstellen zwischen den Empfangs- bzw. Wiedergabegeräten und dem 3D-TV-Gerät sowie für die Integration der im MPEG4-Format vorliegenden 3D-Daten in die Settop-Boxen und DVD-Player zuständig.

Die künftig unter Newsight firmierende X3D Technologies GmbH (Jena) ist einer der führenden Hersteller 3D-fähiger Displays. Im Rahmen des gemeinsamen Kooperationsprojektes übernimmt X3D die Aufgabe, Flat-TVs von Grundig mit einem Spezialfilter für die 3D-Wiedergabe zu versehen. Weiterhin liefert X3D Basisalgoritmen für die Rasterisierung der acht Bilder zu einem 3D-Bild.

Die Erstellung der Daten erfolgt durch das Augsburger Unternehmen 3D Image Processing (3D-IP). Das Unternehmen hat eine Hardware entwickelt, die aus zwei stereoskopischen Bildern in Echtzeit acht Ansichten des aufgenommenen Bildes errechnet und durch das Rendering, also die Berechnung der Bildübergänge, die Daten überhaupt erst videotauglich macht. Damit wird nun erstmals die 3D Film- und TV-Produktion natürlicher, bewegter Bilder und deren 3D Wiedergabe in Echtzeit möglich.

Die Quelle der Daten, also die Kamera wird den Kooperationspartner von der in Hollywood ansässigen Cobalt Entertainment zur Verfügung gestellt. Cobalt Entertainment - bekannt durch die Mitarbeit bei zahlreichen 3D-Filmen von Disney und für IMAX-Kinos - ist eines der führenden Unternehmen für 3D-Technologie und 3D-fähige Inhalte. Die neueste Kamera-Generation des Unternehmens ist gemeinsam mit der Hardware von 3D-IP der Schlüssel zum Live-3D-Fernsehen.

Quelle: Pressemeldung GRUNDIG Intermedia GmbH

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