This forum contains results from the eponymous seminar from WS2012/2013. Each work from the students contains a summary of their results and the presentations attached (partly in German Language).
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ben
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Dreidimensionalen Hologramme [DEUTSCH]

Post by ben » 16.01.2014, 16:34

Stereoscopic 3D Visualization WS2012/13 – Ausarbeitung - Ben Sauer
Dreidimensionalen Hologramme

Einführung
Spätestens seit der Hologramm-Szene im 1977 erschienenen Star-Wars-Film sind dreidimensionalen Hologramme in dem Bewusstsein der Gesellschaft angekommen. Holografie gibt es schon seit Mitte des 20. Jahrhunderts und leitet sich von den griechischen Begriffen holos (vollständig, ganz) und -grafie (zeichnen, schreiben) ab. Es beschreibt also den Vorgang Objekte vollständig und somit von allen Seiten, aufzuzeichnen. Die Ersten Hologramme waren mithilfe von Lasern abgebildete statische Objekte auf Film, die zwar dreidimensional waren, allerdings auf einen zweidimensionalen Träger nur aus bestimmten Winkeln betrachtet werden konnten. Dieser Art von Hologrammen begegnet man noch täglich z.B. auf Geldscheinen, um ihre Echtheit zu bestätigen, da sie schwer nachzubilden sind. Sie haben allerdings wenig mit den heutigen Methoden zu tun, welche dreidimensionale Displays als Ziel haben. Diese Hologramme sollen in Zukunft jeglichen Inhalt dreidimensional anzeigen, damit man ihn von allen Seiten betrachten kann.

Techniken
Es gibt verschiedene Ansätze für die Erstellung von dreidimensionalen Displays. Jede Methode hat Vor- und Nachteile - jedoch ist noch keine perfekt ausgereift und marktfähig, dennoch bieten sie schon heute ein relativ gutes Ergebnis.
Es ist anzumerken, dass jedes der beschrieben Systeme kein Hologramm erstellt, wie es im Star Wars Film zu sehen ist. Sie alle bedienen sich unterschiedlicher Tricks um dem Menschlichen Auge vorzutäuschen, dass es sich um eine „echtes Hologramm“ handelt, welches frei in der Luft steht.

Hight-Speed-Projector System
Der Aufbau dieser Methode ist im Vergleich zu den anderen relativ einfach. Es besteht aus einem Projektor, welcher von oben ein Bild auf einen Spiegel projiziert. Dieser Spiegel steht auf einer Platte, die sich dreht. Je nachdem, wie viele Ansichtspunkte erscheinen sollen, muss der Projektor innerhalb von einer Umdrehung des Spiegels mehrere Bilder projizieren. Dieses geht nur mit Hochgeschwindigkeits-Projektoren, die momentan noch eine geringe Helligkeit und schlechte Farbwiedergabe haben. Da der Spiegel nur von einer Seite das Bild wiedergibt, muss dieser außerdem sehr schnell drehen, um ein gutes Bild erscheinen zu lassen.

Multi-Projektor System
Gegenüber dem Hight-Speed-Projector System müssen die Projektoren in diesem System nicht so leistungsfähig sein, da weniger Bilder pro Umdrehung projiziert werden müssen. Allerdings muss die Ausrichtung jedes Projektors sehr genau sein, um ein störungsfreies Bild anzuzeigen. Da der Spiegel von zwei Seiten die Bilder reflektiert, muss er nur halb so viele Umdrehungen wie der Spiegel im Hight-Speed-Projector System zu machen, um das Bild gleich gut anzuzeigen.

360-degree three-dimensional table-screen display using small array of high-speed projectors
Das in dem Paper vorgestellte Display ist eine Mischung aus einem High-Speed-Projector System und einem Multi-Projektor System. Die Projektoren sind oberhalb oder unterhalb des Schirm und außerhalb der Rotationsachse platziert. Um die unterschiedlichen Positionen der Projektoren auszugleichen, werden die Bilder mithilfe der Lense-Shift-Technik überlagert. Da jeder Projektor einen unterschiedlichen Kreis von Viewpoints generiert, ist nur eine horizontale Parallaxe möglich, da die Bilder in der Vertikalen zu stark verzerrt werden. Dieses Problem wurde durch eine Bildsynthese behoben, indem mehrere ähnliche Viewpoints auf einem Kreis um die Rotationsachse zusammengefasst werden und die Bilder so interpoliert werden, dass sie eine ähnliche vertikale Parallaxe haben.
Das vorgestellte Display wurde mit zwei Hochgeschwindigkeits-Projektoren umgesetzt und ein 3D Bild erstellt.

Floating three-dimensional display viewable from 360 degrees
Dieses System nutzt gegenüber den vorherigen, anstelle von Projektoren, ein 2D Display und ein 2D Linsenarray, wodurch viele gerichtete Bilder generiert werden können. Diese Bilder werden auf einen oder mehrere rotierende Spiegel projiziert, die sich innerhalb einer konkaven Spiegel-Hemisphäre befindet. Das Bild wird von den rotierenden Spiegeln in die Spiegel-Hemisphäre reflektiert, wo sich das Bild in der Mitte der Spiegel-Hemisphäre fokussiert. Dort wird für den Betrachter ein dreidimensionales Bild sichtbar. Das in dem Paper vorgestellte System wurde in einem Prototyp erfolgreich umgesetzt. Es wurde ein autostereoskopisches Bild generiert, welches von allen Seiten des System zu betrachten war.

LED Arrays
Anstatt Projektoren benutzen LED Arrays, wie der Name schon sagt, Dioden. Dadurch kann es auf Spiegel verzichten, denn LED-Streifen können direkt auf einem sich drehenden Teller montiert werden. Geräte, die dieses Verfahren nutzen sind, aufgrund der kompakten und sicheren Bauweise schon im Handel erhältlich, allerdings ist die Auflösung zur Zeit noch zu gering, um das von einem guten und ausgereiften Produkt gesprochen werden könnte.

Anwendungsbereiche und Ausblick
Da dreidimensionale Hologramme noch nicht wirklich alltagstauglich sind, bleiben Anwendungsbeispiele spekulativ. Momentan dienen sie als Hingucker auf Messen um Besucher anzulocken. Teilweise werden sie als Werbemittel eingesetzt. Für Professionelle und Produktive Anwendungsbereiche sind die Techniken noch nicht weit genug entwickelt und bis wir Hologramme wie Prinzessin Leia sie zum Kommunizieren nutzte werden auch noch einige Jahre vergehen. Der größte Nachteil der heutigen Technik liegt darin, dass sie große mechanische Bauteile nutzen, welche die Systeme groß und sehr laut werden lassen.
Sobald die Technik jedoch weit genug entwickelt ist werden sich viele unterschiedliche Anwendungsbereiche ergeben. Einige Ideen dazu geben uns heute schon Science-Fiction Literatur und Filme. Im ersten Schritt werden diese Hologramme wohl lediglich zur Wiedergabe von Informationen genutzt, da die natürliche Interaktion mit den Hologrammen durch Berührung in keinem der heutigen Ansätze möglich ist. Sobald diese Interaktion jedoch möglich ist wären Anwendungsbeispiele fast unbegrenzt. Interaktionen mit Maschinen und Menschen könnten real und für den Menschen natürlicher abgebildet werden und somit würde eine ganz neue Art der Interaktion entstehen.

Quellen
Shigeki Uchida and Yasuhiro Takaki, "360-degree three-dimensional table-screen display using small array of high-speed projectors", Proc. SPIE 8288, Stereoscopic Displays and Applications XXIII, 82880D (February 9, 2012); doi:10.1117/12.909603; http://dx.doi.org/10.1117/12.909603

Daisuke Miyazaki ; Nobuhiro Akasaka ; Kenta Okoda ; Yuki Maeda and Takaaki Mukai, "Floating three-dimensional display viewable from 360 degrees", Proc. SPIE 8288, Stereoscopic Displays and Applications XXIII, 82881H (February 9, 2012); doi:10.1117/12.907998; http://dx.doi.org/10.1117/12.907998

Markus C. Schulte von Drach,„Hologramme in Bewegung“, Süddeutsche Zeitung, Stand: 16.01.2014, http://www.sueddeutsche.de/wissen/zukun ... -1.1019545



Videos von Hologrammen
http://www.youtube.com/watch?v=YKCUGQ-uo8c
http://gl.ict.usc.edu/Research/3DTeleconferencing/
http://www.youtube.com/watch?feature=pl ... AS55_RngoQ
http://www.youtube.com/watch?v=UhnYeK13zfY
http://www.youtube.com/watch?v=T6dz24bZeRQ
http://www.youtube.com/watch?v=7pFughmGHJc
http://www.youtube.com/watch?v=TGbrFmPBV0Y
http://www.youtube.com/watch?v=Jbv0J6VKM5o
http://www.youtube.com/watch?v=6Tz5pNi6JRE
http://www.youtube.com/watch?v=yzIeiyzRLCw
http://www.youtube.com/watch?v=KfVS-npfVuY


PDF der Ausarbeitung im geschlossenen Bereich

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