Subpixel-Filterung für eine autostereoskopische Multiperspektiven-3-D-Darstellung hoher Qualität

Abstract

Die stereoskopische 3-D-Darstellung beruht auf der naturgetreuen Präsentation verschiedener Perspektiven für das rechte und linke Auge. Sie erlangt in der Medizin, der Architektur, im Design sowie bei Computerspielen und im Kino, zukünftig möglicherweise auch im Fernsehen, eine immer größere Bedeutung. 3-D-Displays dienen der zusätzlichen Wiedergabe der räumlichen Tiefe und lassen sich grob in die vier Gruppen Stereoskope und Head-mounted-Displays, Brillensysteme, autostereoskopische Displays sowie echte 3-D-Displays einteilen. Darunter besitzt der autostereoskopische Ansatz ohne Brillen, bei dem N≥2 Perspektiven genutzt werden, ein hohes Potenzial. Die beste Qualität in dieser Gruppe kann mit der Methode der Integral Photography, die sowohl horizontale als auch vertikale Parallaxe kodiert, erreicht werden. Allerdings ist das Verfahren sehr aufwendig und wird deshalb wenig genutzt. Den besten Kompromiss zwischen Leistung und Preis bieten präzise gefertigte Linsenrasterscheiben (LRS), die hinsichtlich Lichtausbeute und optischen Eigenschaften den bereits früher bekannten Barrieremasken überlegen sind. Insbesondere für die ergonomisch günstige Multiperspektiven-3-D-Darstellung wird eine hohe physikalische Monitorauflösung benötigt. Diese ist bei modernen TFT-Displays schon recht hoch. Eine weitere Verbesserung mit dem theoretischen Faktor drei erreicht man durch gezielte Ansteuerung der einzelnen, nebeneinander angeordneten Subpixel in den Farben Rot, Grün und Blau. Ermöglicht wird dies durch die um etwa eine Größenordnung geringere Farbauflösung des menschlichen visuellen Systems im Vergleich zur Helligkeitsauflösung. Somit gelingt die Implementierung einer Subpixel-Filterung, welche entsprechend den physiologischen Gegebenheiten mit dem in Luminanz und Chrominanz trennenden YUV-Farbmodell arbeitet. Weiterhin erweist sich eine Schrägstellung der Linsen im Verhältnis von 1:6 als günstig. Farbstörungen werden minimiert, und die Schärfe der Bilder wird durch eine weniger systematische Vergrößerung der technologisch unvermeidbaren Trennelemente zwischen den Subpixeln erhöht. Der Grad der Schrägstellung ist frei wählbar. In diesem Sinne ist die Filterung als adaptiv an den Neigungswinkel zu verstehen, obwohl dieser Wert für einen konkreten 3-D-Monitor eine Invariante darstellt. Die zu maximierende Zielgröße ist der Parameter Perspektiven-Pixel als Produkt aus Anzahl der Perspektiven N und der effektiven Auflösung pro Perspektive. Der Idealfall einer Verdreifachung wird praktisch nicht erreicht. Messungen mit Hilfe von Testbildern sowie Schrifterkennungstests lieferten einen Wert von knapp über 2. Dies ist trotzdem als eine signifikante Verbesserung der Qualität der 3-D-Darstellung anzusehen. In der Zukunft sind weitere Verbesserungen hinsichtlich der Zielgröße durch Nutzung neuer, feiner als TFT auflösender Technologien wie LCoS oder OLED zu erwarten. Eine Kombination mit der vorgeschlagenen Filtermethode wird natürlich weiterhin möglich und ggf. auch sinnvoll sein.

Stereoscopic 3-D representation is based on the lifelike showing of different perspectives to the right and the left eye. It achieves a steady growing relevance in medicine, architecture, design as well as in the field of computer games and in the cinema, in the future possibly in TV, too. 3-D display serve for additional reproduction of spatial depth and can be subdivided rawly into four groups: stereoscopes and head-mounted displays, eyeglasses systems, autostereoscopic displays as well as real 3-D-displays. Among these approaches, the autostereoscopic without glasses, where N≥2 perspectives are used, has a high potential. The best quality in that group can be achieved using Integral Photography, which supports horizontal and vertical parallax both. Admittedly, the procedure is very expensive, and hence is used only rarely. Precisely produced Lenticular Sheets offer the best compromise between performance and costs. They are superior to the already earlier discovered barrier masks in terms of light efficiency and optical properties. Particularly the ergonomically favourable Multi-View 3-D representation requires a high monitor resolution. Today modern TFT displays come along with quite a high one. An additional increase with the theoretical factor of three can be obtained by selective activation of the side by side arranged sub pixel of the colours red, green and blue. This is made possible by the approximately one magnitude lower colour resolution of the human visual system in comparison to luminance resolution. Thus the implementation of a sub pixel filtering working corresponding to the physiological conditions with the into luminance and chrominance separating colour model YUV is enabled. Furthermore, the sloping of the lenses in proportion 1:6 proves to be advantageous. Colour disturbances are minimised, and the sharpness of the images is increased by a lower systematic magnification of the technologically inevitable separating elements between the sub pixels. The degree of slanting is arbitrary. In that sense, the filtering can be understood as adaptive to tilt angle, although this value is an invariant for any particular 3-D monitor. The objective variable to be maximised is the parameter perspectives-pixel defined as product of number of perspectives N and the effective resolution per perspective. The ideal case of triplication isn't achieved practically. Measurements with the help of test images as well as character recognition tests yielded a value of a bit more than 2. Anyway, this can be seen as a significant improvement of the quality of the 3-D presentation. In the future, further improvements in terms of the objective variable by using higher resolutive technologies such as LCoS and OLED are expected. Of course, a combination of them with the proposed filtering method will continue and probably serve as a useful approach.