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3D ohne Brille-Technologie des 55ZL2G

von Toshiba


Erleben Sie 3D ohne Brille – auf einem Fernseher im XL-Format. Beim Toshiba 55ZL2 sorgt modernste Displaytechnologie für ein perfektes Unterhaltungserlebnis, bei dem die sonst typische Brille für den 3D-Effekt überflüssig wird.

Abbildung 1: Einzellinse der Lenticular Lenslets

Abbildung 1: Einzellinse der Lenticular Lenslets

Einleitung:
Um 3D ohne Brille realisieren zu können, ist eine Reihe von Innovationen in Hardware und Software erforderlich gewesen:
• Hardware:
- Linsenschicht (Lenticular Lenslets), die Pixel für Pixel Licht in eine bestimmte Richtung bricht
- CEVO-ENGINE: Eine Multiprozessor-Plattform, die ausreichend Rechenleistung bietet, um in Real-Time neun Perspektiven aus jedem Original-Bild zu berechnen.
• Software:
- Integral Imaging System: Algorithmen, um aus den Stereoperspektiven neun verschiedene Perspektiven so zu berechnen, dass der Betrachter unterschiedliche Sitzpositionen einnehmen und den Kopf bewegen kann, ohne den 3D-Eindruck zu verlieren.

Das Prinzip des brillenlosen 3D
„3D ohne Brille“ beruht, wie schon bei den Versionen mit Brille, auf der Erkenntnis, dass das linke Auge eine leicht unterschiedliche Perspektive als das rechte Auge benötigt. Diese Perspektiven verschieben sich gegeneinander ungefähr um 6,5 cm, den normalen Augenabstand des Menschen.

Bei den herkömmlichen Technologien, die auf eine Brille zurückgreifen, werden diese beiden Perspektiven entweder nacheinander (Active Shutter) oder gleichzeitig aber in unterschiedliche Richtungen polarisiert (Polarisationsfilter) auf dem Bildschirm dargestellt. Die Brillen haben dabei die Aufgabe, dem Auge nur die jeweils zugehörige Perspektive zur Verfügung zu stellen.

Bei 3D ohne Brille werden die Augen über Linsen (Lenticular Lenslets) adressiert, die das Licht eines Pixels in eine definierte Richtung ablenken und damit nur ein Auge treffen. Die Pixel des Displays werden dabei jeweils einer Perspektive zugeteilt und das Licht an das jeweilige Auge gesendet. (Abbildung1: Einzellinse der Lenticular Lenslets)

Für einen PC reicht es beispielsweise aus, auf diese Weise zwei Perspektiven (Views) zu erzeugen – eine für das rechte, eine für das linke Auge des Betrachters. Eine integrierte Kamera beobachtet kontinuierlich die Position der Augen (Eye-Tracking), so dass die Perspektiven (Views) dem Auge immer folgen. So lässt sich 3D ohne Brille für eine Person erzeugen, was für die PC-Anwendung genügt. 3D-Filme auf einem Großbildfernseher aber möchten mehrere Zuschauer gleichzeitig genießen. Daher kommt beim 55ZL2G eine andere Funktionsweise zum Einsatz.

Abbildung 2: 3D ohne Brille mit Bewegungsfreiheit

Abbildung 2: 3D ohne Brille mit Bewegungsfreiheit

Bewegungsfreiheit für einen Zuschauer
Um dem Zuschauer das Bewegen des Kopfes zu ermöglichen, stellt der 55ZL2G jedem Betrachter neun Perspektiven (Views) des gleichen Bildes zur Verfügung, die jeweils um 6,5 cm verschoben sind. Diese werden mit Hilfe der Lenticular Lenslets so in den Raum adressiert, dass sie direkt nebeneinander liegen, ebenfalls um 6,5 cm verschoben. So entsteht eine „Viewing Zone“ für einen Betrachter. Selbst wenn der Zuschauer seinen Kopf während des Fernsehens bewegt, werden seinen Augen immer zwei der neun Views zugespielt, so wird dreidimensionales Sehen garantiert (Abbildung 2: Viewing Zone). Lägen diese neun Views scharf nebeneinander, würde der Betrachter es merken, wenn er bei einer Kopfbewegung von der einen in die andere Perspektive wechselt (Flipping). Toshibas Integral Imaging basiert daher darauf Flipping durch überlappende Views zu eliminieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Zuschauer seinen Kopf bewegen kann, ohne den 3D-Effekt zu verlieren.

„3D ohne Brille“ für mehrere Personen gleichzeitig
Die Zonen bestehen aus neun Views (Viewing Zone). Sie müssen für mehrere Personen gleichzeig erzeugt werden, damit man mit Freunden oder der ganzen Familie „3D ohne Brille“ sehen kann. Daher werden insgesamt fünf dieser Zonen in den Raum geschickt. Selbstverständlich können sich mehrere Personen innerhalb einer Zone aufhalten, so ist die Anzahl der Zuschauer kaum beschränkt.

Die Qualität des 3D-Effekts hängt stark von der Sitzposition im Raum ab, da die Perspektiven nur in einem bestimmten Sitzabstand das linke und das rechte Auge der Betrachter optimal treffen. Sitzt einer der Betrachter zu weit links oder zu weit rechts, kommt es zu Unschärfen und der 3D-Effekt ist stark beeinträchtigt. Um den 3D-Effekt für die jeweilige Sitzposition zu optimieren, setzt Toshiba die Technologie Face-Tracking ein.

Auf Knopfdruck analysiert eine im TV integrierte Kamera die im Raum befindlichen Zuschauer. Der TV berechnet dann die optimalen Winkel für die Perspektiven und verschiebt das Feld der fünf Viewing-Zonen, indem die Pixelzuteilung hinter den Linsen entsprechend verändert wird, um allen Betrachtern den möglichst optimalen 3D-Effekt zu bieten. Auf diese Weise muss sich nicht der Zuschauer die optimale Sitzposition im Raum suchen, sondern der Fernseher optimiert das Bild für die gewünschte Sitzposition.

Abbildung 3: 3D ohne Brille für mehrere Zuschauer gleichzeitig

Abbildung 3: 3D ohne Brille für mehrere Zuschauer gleichzeitig

Einzelne Technologien

Linsenschicht (Lenticular Lenslets) und aktiver Switch
Generell hat die Linsenschicht im 3D-Modus die Aufgabe, das Licht eines Pixels in die Richtung zu leiten, wo alle Pixel eines Views zusammenreffen und damit einen View erzeugen. Eine Linse deckt dabei neun Pixel ab. Jedes dieser neun Pixel gehört zu einem anderen View. Im 2D-Modus lässt der aktive Switch das Licht einfach passieren (2D/3D Switch), in Folge dessen können die Zuschauer vom vollen Potenzial des Quad Full HD-Panels profitieren.

CEVO-ENGINE
Die CEVO-ENGINE ist eine Multiprozessor-Plattform von Toshiba, die eine optimal abgestimmte Rechenleistung für die jeweiligen Einsatzbereiche bietet, weil je nach Funktionsumfang Prozessoren und Chips hinzugefügt werden können. Im April 2011 hat Toshiba erstmals die CEVO-ENGINE vorgestellt, die in den Modellen der WL- und YL-Serie sowie dem 55ZL1G eingesetzt wird. Die CEVO-ENGINE besteht aus einer 7-Kern Hauptprozessor-Einheit, einem Co-Prozessor und einem DRAM-Arbeitsspeicher mit 9,6 Gbit/s. Der Co-Prozessor konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der 3D-Bildqualität, während der Arbeitsspeicher die hohe Rechengeschwindigkeit unterstützt.

Für den 55ZL2G wurde dieser Plattform ein weiterer 7-Kern Prozessor hinzugefügt, der sich exklusive um die 3D ohne Brille-Berechnungen kümmert und in der Lage ist, neun unterschiedliche Views aus jedem stereoskopischen Bild zu errechnen. Zudem ist er dafür zuständig, die Zuteilung der Pixel so vorzunehmen, dass ein Feld aus fünf Viewing-Zonen mit jeweils neun Views entsteht. Dabei werden die Informationen des Face-Tracking berücksichtigt, um dieses Feld an der benötigten Stelle im Raum entstehen zu lassen.

Integral Imaging
Das Integral Imaging System sind die Algorithmen, die aus einem stereoskopischen Bild ein autostereoskopisches Bild berechnen – im Fall des 55ZL2G mit neun Views. Dabei bietet Integral Imaging Lösungen für viele der bisher diskutierten Hürden der Autostereoskopie:

1. Flipping: Flipping ist der Effekt, wenn das Auge von einem View in einen anderen wechselt. Das geschieht beispielsweise, wenn man den Kopf oder den Körper bewegt. Wenn die Views klar voneinander getrennt sind, also scharfe Grenzen aufweisen, bemerkt das Auge ein Flippen beim Übergang zwischen den Views. Daher überlappt Integral Imaging die Views geringfügig, sodass der Wechsel zwischen den Views kaum nach auffällt. Die Zuschauer können ihren Kopf also bewegen, ohne den 3D-Effekt zu verlieren.
2. Inverse Image: Herkömmliche brillenlose 3D-Verfahren teilen den Views genau zu, ob sie zum rechten Auge oder zum linken Auge gehören. Bewegt der Zuschauer seinen Kopf, dreht sich der 3D-Effekt um, weil nun das linke Auge die Perspektive für das rechte Auge sieht und das rechte Auge die Perspektive des linken Auges. Integral Imaging ordnet die Views so an, dass benachbarte Views immer ca. 6,5 cm Abstand, also den durchschnittlichen Augenabstand, haben. Wechselt man beispielsweise einen View nach rechts, wird die vorher rechte Perspektive zur linken und die nächstgelegene zur rechten. Der 3D Effekt kehrt sich nicht um, wenn man den Kopf bewegt.

2D zu 3D Konvertierung
Das brillenlose 3D ermöglicht eine fundamentale Veränderung des 3D-Erlebnisses. Konsumenten sind nur eine begrenzte Zeit bereit, eine Brille für den 3D-Genuss zu tragen. Ohne Brille jedoch kann 3D zum Alltagserlebnis werden. Als Folge werden immer mehr Content-Anbieter 3D bereitstellen. Dies wird jedoch noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Um dennoch alle Inhalte in 3D ansehen zu können und den Traum vom Alltags-3D jetzt schon zu erfüllen, verfügt der 55ZL2G über eine sehr leistungsfähige 2D zu 3D Konvertierung, die ebenfalls von der CEVO-ENGINE durchgeführt wird.

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