Aufbau

• Cornea / Hornhaut
• Humor aquosus / Kammerwasser
• Phakos / Linse
• Corpus vitreum / Glaskörper
• Retina: besteht aus Stäbchen (Helligkeiten) und Zäpfchen (Farben)

Räumliche Auflösung

• Empfindlich für elektromagnetische Strahlung ($\lambda = 400\,nm ... 760\,nm$)
• Sichtfeld: $170^\circ$ horizontal und $110^\circ$ vertikal
• Sehschärfe in einem Bereich von etwa $5^\circ$
• Fovea Centralis / Zentrum des Gelben Flecks: Region des schärfsten Sehens, viele Zäpfchen (ca. 1,5mm Durchmesser, Quelle Wikipedia)
• Foveola: ca. 0,33mm Durchmesser (Quelle: Wikipedia), (ca. 0,1mm Durchmesser oder $1^\circ$ des Field of Views, Quelle Vince 1995), Zentrum der Sehachse

Erwartete Größe

• Monokulares Tiefenkriterium
• Die wahrgenommene Tiefe eines Objektes wird mit der erwarteten Größe in Einklang gebracht.
• In der Regel wird von einer Größenkonstanz des Objektes ausgegangen, daher muss sich bei Änderungen die Entfernung geändert haben.
• Beispiel eines sich bewegenden Objektes (siehe rechts)

Atmosphärische Perspektive

• Monokulares Tiefenkriterium
• Durch die Atmosphäre
  • ... erscheinen entfernte Objekte bläulicher
  • ... wird der Kontrast geschwächt

Perspektive

• Monokulares Tiefenkriterium
• Rückschluss von der Größe eines Objektes auf dessen Distanz

Projektionen von 3D $\to$ 2D

Parallelprojektion

$\left( \begin{array}{c}x'\\ y'\\ 0\\ 1\end{array}\right) = \left( \begin{array}{ccc}1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0\\0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \left( \begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)$

Projektionen von 3D $\to$ 2D

Perspektivische Projektion

$ \left( \begin{array}{c}\frac{x'd}{(z+d)}\\ \frac{y'd}{(z+d)}\\ 0\\ 1\end{array}\right) = \left( \begin{array}{c}x'\\ y'\\ 0\\ \frac{(z+d)}{d}\end{array}\right) = \left( \begin{array}{ccc}1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0\\0 & 0 & \frac{1}{d} & 1 \end{array}\right) \left( \begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)$

$d$ ist der Abstand vom Betrachter zur Projektionsebene

Bewegungsparallaxe

• Monokulares Tiefenkriterium
• Objekte, die näher am Betrachter liegen, bewegen sich scheinbar schneller
• Objekte, die weiter entfernt sind, bewegen sich scheinbar langsamer

Texturgradient

• Monokulares Tiefenkriterium
• Texturen zeigen in der Nähe feinere Details
• Technisch ausgedrückt
  • in der Nähe können hohe Frequenzen wahrgenommen werden (feine Strukturen)
  • mit zunehmender Distanz nimmt der wahrnehmbare Frequenzbereich ab (z.B. wie rechts zu sehen nur noch Farbflecken)

Texturgradient / Hybrid Images

• Hybrid Images machen sich diesen Effekt zu Nutze
• Überblendung von Bildern mit unterschiedlichen Frequenzen
• In der Nähe sind die feinen Strukturen des einen Bildes stark zu erkennen.
• In der Ferne bleibt nur noch die tieffrequente Information des anderen Bildes.

Vergenzbewegung der Augen

• Ein Punkt im Raum wird fixiert, indem jedes Auge so ausgerichtet wird, dass das Licht aus diesem Punkt in die Foveola fällt.
• Dadurch entstehen entgegengerichtete Augenbewegungen, die Vergenzbewegungen.
• Wandert ein Punkt näher, so konvergieren die Augen. Entfernt er sich, divergieren die Augen.
• Die maximale Divergenz ist erreicht, wenn die Augen parallel ausgerichtet sind.

Vergenzbewegung der Augen

• Wie bei der Akkomodation könnten Informationen über die Muskelzustände als nicht-visuelles Tiefenkriterium verwendet werden.
• Es besteht ein Zusammenhang zwischen Akkomodation und Vergenz, da nachgewiesen wurde, dass reine Änderungen monokularer Akkomodation auch Vergenzbewegungen nach sich ziehen.

Kriterium: Lichtausbeute

• Bei einigen Verfahren teilen sich die Augen die Lichtmenge, daher ist die Lichtausbeute für das einzelne Auge geringer.
• Oft schluckt auch das Trennverfahren für die Bilder noch einen Teil der potentiellen Lichtausbeute.
• Die durch ein Verfahren erreichbare Helligkeit ist damit ein wichtiges Gütekriterium.

Kriterium: Farbtreue

• In manchen Verfahren erfolgt die Trennung direkt über Farbräume oder die Technik beeinflusst den möglichen Farbraum indirekt.
• Die Farbtreue eines Verfahrens ist daher ein wichtiges Gütekriterium.

Kriterium: Wiederholrate

• Für interaktive Darstellungen sind Wiederholraten > 30Hz pro Auge notwendig
• Die erreichbare Wiederholrate eines Verfahrens ist daher ein wichtiges Gütekriterium.

Anaglyph-Verfahren

• Entwickelt 1853 von Wilhelm Rollmann
  Rollmann, Wilhelm (1853). Zwei neue stereoskopische Methoden. In Poggendorf, J. C.: Annalen der Physik und Chemie. Ausgabe 90, Halle, Leipzig, S. 186f.
• Überlagerung der linken und rechten Perspektivenansicht in einem Bild
• farbliche Trennung der Ansichten
  • rot-grün
  • rot-blau
  • rot-cyan (Deep Vision von Stephen Gibson)
  • bernstein-blau (ColorCode 3-D)

Anaglyph-Verfahren

Shutter-Verfahren

• Abwechselnde (sequentielle) Präsentation der linken und rechten Perspektivenansicht.
• Trennung durch synchrones Abblenden des anderen Auges.
• Volle örtliche Auflösung des Mediums nutzbar
• Hohe Anforderungen an die Wiederholrate des Mediums (120 Hz)
• Heute im PC Bereich (NVIDIA 3D Vision) und bei 3D Fernsehern oft eingesetzt.
• War schon 1999 einmal beliebt (ELSA Revelator), dann jedoch für einige Jahre nicht mehr praktikabel, da die Röhrenmonitore vom Markt verschwanden.

Polarizationsverfahren

• Gleichzeitige Präsentation der linken und rechten Perspektivenansicht.
• Überlagerung der Perspektivenansichten durch Beschränkung auf bestimmte Polarisationsbereiche (früher linear, heute zirkular).
• Durch die Polarisationsfilter verringert sich die Lichtausbeute.
• Bei Projektionen werden spezielle Leinwände benötigt (metallisch).

Auto-Stereoskopie

• Spaltenweise alternierende Darstellung der linken und rechten Perspektive(n)
• Trennung mittels Streifenmasken, manchmal adaptiv mittels Head-/Eyetracking
• Multi-View Displays setzen dieses Prinzip mehrfach ein und erzeugen so 4 bis 8 parallele Perspektiven für unterschiedliche Blickwinkel
• Prinzip bekannt von "Wackelbildern" (Lenticularfolie)

3D Fernseher/Bildschirme

• Verfahren: Polarisation, Shutter, Auto-Stereoskopie
• Derzeit Konkurrenz zwischen Shutter und Polarisation
• Langfristig hat Shutter keine Chance
• Erste TV-Geräte mit Auto-Stereoskopie schon vorgestellt: Toshiba ZL2 Serie mit Quad-Full HD-Panels (3.840 x 2.160) und automatischer Linsenanpassung über Kamera

Head-Mounted Displays

• Verfahren: bauliche Kanaltrennung
• Heute mögliche Auflösungen liegen bei 1920x1200 pro Auge
• Field-of-View: bis $85^\circ$ vertikal und $185^\circ$ horizontal oder mehr möglich
• Pro: kein Ghosting, volle Immersion
• Contra: Simulator Sickness, keine visuelle Eigenwahrnehmung, schweres Gerät auf dem Kopf, kabelgebunden

PowerWall

• Verfahren: Polarisation, Laser, Shutter
• PowerWalls sind große, hochauflösende Displays
• Die Projektion muss nicht zwingend 3D sein, oft reicht auch alleine die Größe aus, um einen räumlichen Eindruck zu erhalten (Bsp. Elbe Dom, 360°).

CAVE

• Verfahren: Polarisation, Shutter
• Cave Automatic Virtual Environment (CAVE)
  Cruz-Neira, C. et. al. (1992). The CAVE: audio visual experience automatic virtual environment. Communications of the ACM, vol 35, no 6, pp. 65-72
• drei bis sechs Projektionsflächen, Anordnung im Würfel