Photometrische und Radiometrische Grundlagen

(2) Ausgabegeräte
Vorlesung
„Virtuelle Realität und
Augmented Reality“
S. Müller
UNIVERSITÄT
KOBLENZ · LANDAU
Wiederholung




Geschichte: VR und AR
Immersion: Gefühl in die Datenwelten einzutauchen,
Teil der computergenerierten Welten zu werden
VR-Referenzmodell (Präsentation, Interaktion,
Objektverhalten)
Mixed-Reality-Continuum (Paul Milgram)
Mixed Reality
Continuum
Real
Environment
Augmented
Reality (AR)
UNIVERSITÄT
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Augmented
Virtuality (AV)
Virtual
Environment
S. Müller - 2 -
Monitor


„Desktop VR“, „Fishtank VR"
Vorteile:






Schon vorhanden
Preiswert
Auflösung bis zu 1900 x 1600
Vertraut (Akzeptanz)
Keine speziellen Voraussetzungen an die Umgebung
Nachteile:


Keine Immersion
Kleiner Bewegungsspielraum
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 3 -
HMD: „head mounted display“


Frühestes "echtes" VRDisplay
Vorteile:





Großer field-of-view,
Rundum-Display
Sehr gute Immersion
Mittlerer
Bewegungsspielraum
Low-end-Modelle sind
erschwinglich
Kaum spezielle
Anforderungen an die
Umgebung
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 4 -
„Datenbrillen“
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 5 -
Datenbrillen

LCDs:


Leicht
Niedrigere Auflösung
UNIVERSITÄT
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
CRTs:


Hohe Auflösung
Schwer, hohe Spannung am
Kopf
S. Müller - 6 -
CRT (Kathodenstrahlröhre)
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 7 -
Flachbildschirme
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 8 -
TFT (Thin Film Transistor)/LCD


Liegt Spannung an, also unter Einwirkung eines
elektrischen Feldes, sind die Flüssigkristalle gerade
ausgerichtet. Das polarisierte Licht wird am zweiten
Polarisationsfilter absorbiert. Damit kann das Licht an
dieser Stelle des TFT Bildschirms nicht austreten.
Für jedes Pixel 3mal (rgb)
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 9 -
HMD: Nachteile

Nachteile:






Auf Dauer unbequem
VR4
Verzerrungen
Reale Umgebung ist
Menschl.
ausgeblendet (insFOV
besondere User selbst)
Manipulation von realen
Steuerelementen schwierig
Jeder braucht einen HMD
(dafür hat jeder, potentiell,
eine korrekte Darstellung)
Eingeschränkter „Field-ofView“ (fov)
UNIVERSITÄT
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Datavisor
Großbildproj.
60o
200o
S. Müller - 10 -
120o
HMDs und AR


LCD Displays sind eigentlich durchsichtig
Für VR: dunkel abschotten und Hintergrundlampe



Für AR: Display direkt und „reales“ Licht wird zur
Hintergrundbeleuchtung



Kleine Fläche, wenig Leuchtdichte
Keine Blendung möglich
Problem: Polarisation schluckt viel Licht
Realität wird wie durch starke Sonnenbrille wahrgenommen
Große Hoffnung: z.B. OLEDs

Organische, licht-emittierende Dioden
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S. Müller - 11 -
Boom
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 12 -
Boom

Head-Coupled-Display (HCD)



auf "Galgen" montiert

Vorteile von HCDs
gegenüber HMDs:




Größere Auflösung, da CRTs
"Mal schnell weglegen" oder
"schnell mal durchschauen"
Geringe Last
Gutes Tracking ist eingebaut
UNIVERSITÄT
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Nachteile gegenüber HMDs:




Geringer
Bewegungsfreiraum
Nur eine Hand frei
Trägheit
Geringere Immersion
Haben sich nicht
durchgesetzt
S. Müller - 13 -
„Bildschirm“


Eine „Mattscheibe“ als
Fenster in die virtuelle
Realität
Pixel ist diffuser Strahler und
sieht von allen Seiten gleich
aus
UNIVERSITÄT
KOBLENZ · LANDAU



Gesucht: eine „Glasscheibe“
in eine virtuelle Welt
Für das Pixel müsste eine
LVK (Lichtstärke-VerteilungsKurve) berechnet werden
Von dem Pixel müsste eine
LVK dargestellt werden
S. Müller - 14 -
Autostereoskopische Displays
Dresden 3D, Heinrich-Hertz-Institut
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 15 -
Holographische Displays

Prototypen
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 16 -
Genereller Trend…


Immersive ProjektionsTechnologien (IPTs)
Stereo-Leinwände (Projektionen)



Vorteil: Team- und Diskussionsfähig
Sehr immersiv
Gibt es in den verschiedensten Konstellationen




Workbench
Holobench
CAVE
Panoramaprojektionen (ICONE)
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 17 -
Projektoren

CRT (KathodenstrahlProjektoren)


Teuer, laut, lichtschwach
Aber: genau/schwierig zu
kalibrieren und einzustellen
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 18 -
LCD



Liquid Chrystal Displays
Gleiche Technik, wie bei
LCD/TFT Bildschirmen, nur
statt Hintergrundlampe starke
Projektorlampe
Preiswert, leise, inzwischen
auch hell (z.B. 6000 ANSILumen)
  L  A 


Schlechte Bildentzerrung


Entspricht ca. 2000 cd/m2
bei 1 m2 Leinwand
Mechanisch oder Lens-shift
Kein „Schwarz“
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 19 -
DLP (Digital Light Processing)





Wie LCD Projektor nur ein
Objektiv
Auf einem Chip sind bis zu ca.
1 Mio kleine Spiegel in einem
Raster flächig angeordnet
Jeder Spiegel kann einzeln
elektronisch gekippt werden
Spiegel wendet sich vom
Farbrad ab -> schwarz. Sonst:
Je länger ein Spiegel auf die
Leinwand scheint, desto
kräftiger wird die Farbe.
Farblicht aus weißer
Lichtquelle durch Farbrad
UNIVERSITÄT
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

Besseres Schwarz
DMD: Digital Micromirror
Device/Display
S. Müller - 20 -
Laser-Projektor (Schneider)





Ein (tischgroßer)
Festkörperlaser erzeugt
Laserlicht, dass durch
Modulation in 3 Grundfarben
zerlegt wird.
Das Laserlicht wird durch
Drehrad mit Spiegeln
„gescannt“
Enormer Farbraum !
Das Bild ist immer scharf
(Prototyp)
Laser
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 21 -
Auf/Rückprojektion



Im Prinzip gibt es 2
Projektionsmöglichkeiten
„Aufprojektion“ heisst: der
Projektor hängt vor der
Leinwand und projiziert von
vorne (Bsp. Hörsaal)
Nachteile:


Man wirft eigenen Schatten
Leinwände sind nicht so
diffus -> HotSpots
UNIVERSITÄT
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


„Rückprojektion“: der
Projektor steht hinter der
Leinwand
Problem: Platz
Vorteil:


Kein Schatten
Bessere Leinwände, keine
Hotspots
S. Müller - 22 -
Beispiel
1



Ein Projektor hat einen
horiz./vertik. Öffnungswinkel
von 40 Grad
Die Leinwand sei 2m x 2m
Wie weit muss man den
Projektor von der Leinwand
aufstellen?
tan  
1
d
d

1

1
1
d

 2,75m
tan  tan 20
UNIVERSITÄT
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Alternativ: mit Spiegel(n)
S. Müller - 23 -
Leinwand-Typen
Leinwand
Leinwand
Leinwand
 Bild sieht von allen
Seiten gleich aus
 Lichtleistung wird
gleichverteilt,
Gesamtleistung
dunkler
 Bild in Richtung
Auditorium heller
 Bild sieht nicht von
allen Seiten gleich
aus
UNIVERSITÄT
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 Ideale RückproLeinwand
 „schwarze“
Leinwände
S. Müller - 24 -
Projektions-Artefakte

Hot-Spots


Man blickt sozusagen in die
Reflexion der Lichtquelle
Kleine „Peaks“, große
Wirkung



UNIVERSITÄT
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Leinwand wird nicht
gleichmäßig (uniform)
ausgestrahlt
Besonders störend, wenn 2
Leinwände zusammentreffen
(Lösung: edge-blendig)
Das Auge sieht die Probleme
nicht so stark, dafür aber z.B.
eine digitale Kamera
S. Müller - 25 -
Lösung: Ausgleichstextur
Transparente Ausgleichstextur
Farbraum, -Kurve
VR-System
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 26 -
Ausgleichstextur






UNIVERSITÄT
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Aus einem Bild der Leinwand
wird eine „inverse“,
transparente Textur gewonnen
Diese wird als letztes bei der
Bilddarstellung „über das Bild
gelegt“
Abdunklung der hellen
Bereiche (Aufhellen geht nicht)
Gut für Nicht-Uniformität
Bedingt gut für Hot-Spots
(blickpunktabhängig)
Farbkalibrierung und GammaKurve können gleich mit
erledigt werden.
S. Müller - 27 -
Stereoprojektion

Anaglyph



Rot, grün: Resultat nicht
wirklich farbig
Besser: amber, blue
Prinzip:



Bild wird für rechtes und
linkes Auge berechnet und
(in diesem Fall) gleichzeitig
dargestellt
Durch Brillen werden die
beiden Bilder wieder
getrennt
Für das Gehirn entsteht
dadurch ein 3D-Eindruck.
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 28 -
Polarisation (passive Projektion)




Es gibt zwei Projektoren
Auf dem Objektiv sind zwei
gegensätzlich geneigte
Polarisationsfilter angebracht
Die Bilder werden gleichzeitig
dargestellt
Der Betrachter trägt vor der
Leinwand ein
Polarisationsbrille, die die
beiden Bilder wieder trennt
Linear:
UNIVERSITÄT
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


Polarisation „schluckt“ Licht
2 Projektoren sind teuer,
bieten aber natürlich mehr
Licht
Lineare Polarisation: man
darf den Kopf nicht neigen
Circular:
S. Müller - 29 -
Aktive Projektion





Es gibt nur einen Projektor
Die Bilder für rechts/links
werden abwechselnd
nacheinander gezeigt.
Die Graphikkarten muss ca.
120 Hz darstellen können
Es wird ein Infra-Rot-Emitter
an die Karte angeschlossen,
der das Signal
(linkes/rechtes) Auge
überträgt
Eine „Shutter“-brille empfängt
das Signal und schaltet das
linke/rechte Auge schwarz
UNIVERSITÄT
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

Brillen haben Batterie und
sind nicht besonders robust
Polarisation generell: mitunter
schlechte Kanaltrennung
(Geisterbilder)
S. Müller - 30 -
Infitec




Entwicklung von
DaimlerChrysler
Erweiterung der AnaglyphTechnik; Kanaltrennung
linkes/rechtes Auge nicht
über 1 Farbe sondern
„eigenes rgb-System“
Sehr gute Kanaltrennung
Problem: die Leinwände
werden unterschiedlich farbig
wahrgenommen
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 31 -
Stereoprojektion


Heute am häufigsten
eingesetzt
Passiv:





2 Projektoren
Polarisation oder Infitec
Billige Brillen
Mehr Licht








1 Projektor
Shutterbrillen
Teure Brillen
Wenig Licht

UNIVERSITÄT
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

Geringere Hot Spots
Keine Verschattung
Braucht mehr Platz („nach
hinten“)
Aufprojektion

Aktiv:

Rückprojektion
Hot Spots
Verschattung
Räumlich oft die einzige
Möglichkeit
Oft werden mehrere
Leinwände nebeneinander
angebracht (z.B. 8m x 3 m)
(„Powerwall“)
S. Müller - 32 -
Stereoleinwände

Großprojektionen
UNIVERSITÄT
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
„Curved Screens“,
Panoramaprojektionen
S. Müller - 33 -
Projektion mit/ohne Tracking

Man muss für die 2 Augen eine
Position/Blickrichtung annehmen



Z.B. Mitte des Auditoriums
Eindruck umso schlechter, je
weiter man sich von diesem
„Optimalpunkt“ entfernt
Alternativ: man erfasst die
Position/Orientierung des
Betrachters („Tracking“) und
berechnet die Bilder für seine
tatsächliche Augposition


Vorteil: „holographischer“
Eindruck
Nachteil: Ein-Personen-Display
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 34 -
Workbench




Aktive, getrackte Rückprojektion
Alternativ: passiv mit
Circularpolarisation oder Infitec
Passiv mit Linearpolarisation ist
nicht möglich, da man unter
verschiedenen Richtungen auf
den Tisch sehen kann
Erweiterung: 2-Personen durch
Mehrfachshuttering (P1 links, P1
rechts, P2 links, P2 rechts…).
Problem Flackern bei 30 Hz.
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 35 -
Holobench


Aktive, getrackte Rückpro auf
2 aufeinander senkrecht
stehenden Leinwände
Großer Field-of-view, sehr
immersiv
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 36 -
CAVE






Cave Automatic Virtual
Environment
Anfangs aktiver, getrackter
Rückprojektions Würfel
Anfang 3,4,5 und inzwischen 6
Seiten CAVEs
„Faszinierendste und teuerste
1-Personen-Display der Welt.“
Inzwischen auch passive
Lösungen (mit schwarzen
Leinwänden)
5-Seiten CAVE: 10 Bilder pro
Zeiteinheit
UNIVERSITÄT
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S. Müller - 37 -
3-Seiten Cave
UNIVERSITÄT
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Spiegelanordnung
S. Müller - 38 -
6-Seiten Cave, Alborg, DK
5-Seiten Cave
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S. Müller - 39 -
Rechnerbetrieb


Früher/Heute


Betrieb mit Multi-Pipe SGI
ONYX-Maschinen (infinite
reality)
Kosten: > 1 Mio Euro
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Aktuell



PC-Cluster
Z.B. 5-Seiten CAVE, passiv:
10+1 PCs
Kosten: 11*aktueller ALDI
Preis (ca. 20.000 Euro)
S. Müller - 40 -
„Heye Wall“



Motivation: die Bildauflösung
hat sich in den letzte 20
Jahren nicht wirklich
verändert (ca. Faktor 2-4)
Einfache Projektoren sind
billig
Zusammenstellung eine
„gekachelten“ Bildes mit Hilfe
vieler Projektoren
NCSA: 4 x 5 Wall, mono
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S. Müller - 41 -
Tiled Wall

HEyeWall (IGD Darmstadt):






6 x 4 Meter Stereo Projektion
6 x 4 Bilder in Stereo
(Auflösung 1024 x
768/Teilbild)
48 Projektoren
PC-Cluster (48+1 PCs)
OpenSG
Gesamtauflösung 6144 x
3096 Pixel
Sehr hell
„under construction“
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S. Müller - 42 -
Zusammenfassung

Displays






Monitore
HMDs
HCDs
Autostereoskopische,
holographische Displays
Unterscheidung von VRProjektionen




Projektionen



LCD/TFT
DLP
Laser

IPTs




UNIVERSITÄT
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Aktiv/passiv
Aufpro/Rückpro
Getrackt/ungetrackt
Passiv: linear oder circular
polarisiert; Infitec
Stereoleinwände
Workbench/Holobench
CAVE
Heye Wall
S. Müller - 43 -