Wie Autostereoskopische Monitore die Wahrnehmung von 3D-Bildern ohne Brille ermöglichen

Autostereoskopische Monitore stellen eine faszinierende Möglichkeit dar, dreidimensionale Bilder darzustellen, ohne dass der Benutzer eine spezielle Brille oder ein anderes Sehhilfsmittel tragen muss. Diese Monitore nutzen spezielle Optiken und/oder Hintergrundbeleuchtung, um ein stereoskopisches Bild zu erzeugen, das der Benutzer mit bloßem Auge wahrnehmen kann. Der Unterschied zu herkömmlichen Head-Mounted Displays (HMDs), bei denen jedes Auge ein leicht versetztes Bild sieht, besteht darin, dass autostereoskopische Displays beide Bilder auf einem einzigen Panel präsentieren.

Um diese Wirkung zu erzielen, verwenden autostereoskopische Displays eine spezielle Bildform, die als „spatial multiplexing“ bezeichnet wird. Dabei wird das Pixelarray so organisiert, dass die Bildspalten abwechselnd den linken und den rechten Augen zugeordnet werden. Dies führt zu einer Wahrnehmung eines einzelnen 3D-Bildes, das scheinbar im Raum schwebt. Zwei der häufigsten Technologien, die diese Art der „räumlichen Multiplexierung“ ermöglichen, sind Parallaxenbarrieren und Lentikulargläser.

Bei der Parallaxenbarriere handelt es sich um eine Schicht aus Flüssigkristallen, die direkt vor dem Display angebracht ist. In 2D-Modus wird die Schicht transparent, während sie im autostereoskopischen Modus die Lichtstrahlen so filtert, dass jedes Auge nur das Bild sieht, das für es bestimmt ist. Lentikulargläser sind eine passive Alternative, bei der eine transparente Kunststoffschicht mit einer Vielzahl von halbzylindrischen Linsensäulen versehen ist. Diese Linsen richten das Licht so aus, dass das Bild für jedes Auge separat wahrgenommen wird.

Ein aktiverer Ansatz zur Behebung dieser Einschränkungen wurde mit sogenannten „Ecomo 4D“-Displays entwickelt. Diese Displays können die Position des Benutzers in Echtzeit verfolgen und das Bild entsprechend anpassen. Diese Technik bietet mehr Flexibilität und verringert das Problem der eingeschränkten Bewegungsfreiheit, führt jedoch häufig zu störenden Geräuschen, wenn der motorisierte Mechanismus die Parallaxenbarriere verschiebt.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Auflösung bei autostereoskopischen Displays ist die Nutzung von temporärer Multiplex-Technologie. Hierbei werden die Pixelreihen der beiden Augen nicht gleichzeitig angezeigt, sondern abwechselnd in schneller Folge. Durch diese schnelle Umschaltung, die vom menschlichen Auge aufgrund seiner visuellen Trägheit nicht bemerkt wird, wird eine hohe Auflösung beibehalten, während gleichzeitig die 3D-Wahrnehmung erhalten bleibt. Ein solcher Mechanismus wird durch eine spezielle Hintergrundbeleuchtung erreicht, bei der einzelne Lichtspalten abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, um das richtige Bild für jedes Auge zu erzeugen.

Neben den technologischen Aspekten, die zur Erstellung von autostereoskopischen Displays notwendig sind, müssen auch die praktischen Herausforderungen berücksichtigt werden. Ein wesentliches Hindernis bleibt die Reduktion der Auflösung und die geringe Bewegungsfreiheit des Benutzers. Diese Einschränkungen können durch aktive Systeme mit Echtzeit-Tracking der Kopfbewegungen gemildert werden, aber auch diese Technologien haben noch mit gewissen Problemen zu kämpfen, wie etwa der Geräuschentwicklung oder der Komplexität der Implementierung.

Für den Leser ist es wichtig zu verstehen, dass autostereoskopische Displays eine vielversprechende Technologie sind, die jedoch immer noch einige Herausforderungen mit sich bringt. Während die Idee, 3D-Bilder ohne Brille zu erleben, verlockend ist, ist die Technologie noch nicht in der Lage, eine vollständige Lösung für alle Benutzerbedürfnisse zu bieten. Es bleibt abzuwarten, wie sich diese Technologien weiterentwickeln werden und ob sie eines Tages den Durchbruch zu einer wirklich breiten Anwendung finden können. Dennoch eröffnen sie neue Perspektiven in der visuellen Wahrnehmung und könnten in der Zukunft eine wichtige Rolle in Bereichen wie Virtual Reality, Medizin oder Unterhaltung spielen.

Wie können Mikro-LED-Wände und Holografische Displays die Zukunft der visuellen Darstellung in VR-Systemen verändern?

Mikro-LED-Wände und holografische Displays stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung großer, immersiver Anzeigetechnologien dar, die vor allem im Bereich der virtuellen Realität (VR) an Bedeutung gewinnen. Sie bieten neue Perspektiven für die visuelle Darstellung von 3D-Inhalten und lösen viele der Herausforderungen, die mit herkömmlichen Display-Technologien wie LCD- oder Projektor-basierten Wänden verbunden sind.

Die für Mikro-LED-Wände empfohlene Betrachtungsentfernung hängt von der Pixel-Pitch ab, also dem Abstand zwischen den einzelnen LEDs. Für eine Wand mit einem Pixel-Pitch von 1 mm wird eine Betrachtungsentfernung von etwa 3 Metern empfohlen, was für typische Anwendungen in großen Displays ideal ist. Bei größerem Pixel-Pitch, wie beispielsweise 3 mm, sollte der Abstand auf rund 9 Meter erhöht werden. Trotz der geringen Größe der Mikro-LEDs bieten diese Wände eine hohe Helligkeit, die die von Projektor-basierten Wänden deutlich übersteigt. Ein Beispiel hierfür ist die Samsung Wall, die eine Helligkeit von 1600 Candela pro Quadratmeter erreicht.

Ein weiterer bedeutender Fortschritt in der Display-Technologie ist die Entwicklung holografischer Wände. Diese ermöglichen nicht nur die Darstellung von 2D-Inhalten, sondern auch die Projektion von interaktiven 3D-Szenen. Die Technologie, die hinter solchen Displays steckt, wird unter anderem von der europäischen Firma Holografika entwickelt. Holografische Displays arbeiten mit Lichtfeld-Technologie, bei der eine Vielzahl von Lichtstrahlen so ausgerichtet wird, dass der Betrachter dreidimensionale Voxel wahrnimmt. Dies ermöglicht eine echte 3D-Wahrnehmung ohne den Einsatz von VR-Headsets.

Der Mechanismus dieser Displays basiert auf Mikro-Linsen, die das Licht von 2D-Mikro-LED-Anzeigeelementen modulieren. Diese Linsen sind entscheidend für die Wahrnehmung des dreidimensionalen Effekts. Die Holografika-Wand, die derzeit entwickelt wird, hat eine Helligkeit von etwa 1800 Candela pro Quadratmeter und eine besonders niedrige Helligkeit von nur 0,03 Candela pro Quadratmeter, wenn die Mikro-LEDs ausgeschaltet sind, was als „echtes Schwarz“ bezeichnet wird. Ein Nachteil der Technologie ist jedoch die größere Pixelgröße, die zu einer vergleichsweise niedrigen Auflösung führt.

Das holografische Display benötigt eine hohe Rechenleistung für die Echtzeit-Renderung der Szenen. Dies erfordert eine enorme Menge an Datenübertragung, was eine enge räumliche Nähe zwischen den Rechenressourcen und den holografischen Displays erforderlich macht. Daher ist die erste Generation holografischer Displays, wie die HoloVizio 722RC, noch relativ sperrig und schwer. Es wird jedoch erwartet, dass künftige Entwicklungen die Größe und das Gewicht dieser Wände erheblich reduzieren werden.

Ein wichtiger Aspekt bei der Betrachtung dieser neuen Technologien ist der hohe Energieverbrauch und die Notwendigkeit für eine ausgezeichnete Wärmeableitung, um eine Überhitzung der Mikro-LEDs zu vermeiden. Die Flip-Chip-Technologie, die in Mikro-LED-Wänden verwendet wird, verbessert die Wärmeableitung und erleichtert die Verdrahtung der LEDs. Trotzdem sind diese Wände aufgrund ihrer fortschrittlichen Technologie deutlich teurer als ältere LCD- oder Projektor-basierte Wände.

Abgesehen von den technischen Details sollte der Leser verstehen, dass die Wahl der richtigen Technologie nicht nur von der Bildqualität abhängt, sondern auch von der konkreten Anwendung. Während Mikro-LED-Wände für hochauflösende, immersive VR-Umgebungen ideal sind, könnten holografische Displays in der Zukunft eine noch tiefere Immersion und interaktive Möglichkeiten bieten. Es wird wichtig sein, die Balance zwischen Kosten, Technologie und gewünschter Benutzererfahrung zu finden.

Was ist Virtual Reality und wie hat sie sich entwickelt?

Virtual Reality (VR) hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft bereits seit den 1980er Jahren in diesem Bereich tätig ist, ist die breitere Nutzung und das Verständnis von VR erst in den letzten Jahrzehnten gewachsen. Doch trotz der zunehmenden Verbreitung gibt es immer noch Missverständnisse über das, was VR tatsächlich ausmacht. Um dies zu klären, ist es wichtig, zunächst festzulegen, was VR nicht ist.

Eine häufige Verwechslung tritt auf, wenn VR mit Augmented Reality (AR) gleichgesetzt wird. AR überlagert computergenerierte Grafiken oder Text auf reale Bilder. Ein populäres Beispiel hierfür ist das Spiel „Pokémon Go“, bei dem virtuelle Charaktere in die reale Welt eingefügt werden. Dies ist kein VR im strengen Sinne, da es sich immer noch um eine Erweiterung der realen Welt handelt und nicht um die Simulation einer völlig künstlichen Umgebung. VR hingegen geht weit darüber hinaus: Es schafft eine vollständig simulierte Welt, die mit den Eingaben des Nutzers interagiert.

Ein weiteres Missverständnis ergibt sich oft aus der Wahrnehmung von VR als eine Technologie, die ausschließlich auf bestimmte Geräte angewiesen ist – wie Head-Mounted Displays (HMDs) und Sensorhandschuhe. Auch wenn diese Geräte in den frühen Tagen von VR eine zentrale Rolle spielten, ist die heutige VR nicht auf diese Geräte beschränkt. VR-Erfahrungen können auch auf großen Displays oder sogar auf herkömmlichen Fernsehern genossen werden. Die Geräte, die für die Darstellung und Interaktion mit der virtuellen Welt notwendig sind, haben sich verändert und werden sich weiterhin entwickeln, aber die grundlegende Definition von VR bleibt bestehen.

Ein weiterer bedeutender Aspekt der VR ist ihre Fähigkeit, eine Vielzahl menschlicher Sinne zu aktivieren. Nutzer können nicht nur sehen und mit virtuellen Objekten interagieren, sondern auch deren Texturen fühlen, die Geräusche in einem dreidimensionalen Raum hören und sogar in einigen Experimenten virtuelle Objekte riechen. In Zukunft könnte VR sogar die Sinne des Schmeckens und Tastens weiter erforschen. Der Schlüssel zur erfolgreichen VR-Erfahrung liegt darin, wie gut diese verschiedenen Sinnesmodalitäten miteinander kombiniert werden, um ein immersives Erlebnis zu schaffen.

VR ist jedoch nicht nur eine technologische Plattform, sondern auch ein mächtiges Werkzeug, das in verschiedenen Bereichen Anwendung findet. In der Medizin können Chirurgen mit VR trainieren, ohne echte Patienten zu gefährden. Ingenieure können komplexe Maschinen oder Gebäude simulieren, bevor sie tatsächlich gebaut werden. Auch in der Ausbildung von Soldaten oder in der Kunst hat VR bereits Anwendung gefunden. Doch der wahre Fortschritt in der VR-Technologie hängt nicht nur von den Geräten ab, die genutzt werden, sondern vor allem von der menschlichen Kreativität und Vorstellungskraft. Es ist die Fantasie der Entwickler, die VR zu einem so wirkungsvollen Werkzeug macht, das in der Lage ist, reale Probleme zu lösen.

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Vorstellungskraft ist die Fähigkeit unseres Gehirns, Lücken in den wahrgenommenen Sinneseindrücken zu füllen. Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Wahrnehmung geometrischer Formen wie eines Dreiecks. Das menschliche Gehirn ist in der Lage, diese Form zu verstehen, auch wenn nicht alle Seiten tatsächlich vorhanden sind. Dieser kreative Aspekt, der oft als „Imagination“ bezeichnet wird, ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil von VR.

Die Entwicklung von VR ist keineswegs ein modernes Phänomen. Bereits 1962 meldete Morton Heilig das Patent für das erste VR-System, den „Sensorama Simulator“. Dieses Gerät bot eine Kombination aus 3D-Videowiedergabe, Stereo-Sound, Gerüchen, Wind und sogar einem vibrierenden Sitz. Diese erste VR-Erfahrung war somit eine frühe und primitive Form dessen, was später zu einem der bedeutendsten technologischen Fortschritte des 21. Jahrhunderts werden sollte.

Die zunehmende Integration von VR in verschiedene Disziplinen und die stetige Verbesserung der zugrunde liegenden Technologien deuten darauf hin, dass wir uns erst am Anfang einer neuen Ära der Interaktion mit digitalen Welten befinden. Während VR in der Vergangenheit vielleicht als futuristische Technik betrachtet wurde, ist sie heute ein fest etablierter Bestandteil vieler Industrien. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass VR mehr ist als nur eine neue Form der Unterhaltung oder eine technische Spielerei. Sie ist ein Werkzeug, das die Art und Weise, wie wir lernen, arbeiten und erleben, tiefgreifend verändern kann.

Wie der menschliche Körper haptische Wahrnehmung und Kontrolle nutzt: Erkenntnisse für die Gestaltung von Schnittstellen

Die menschliche Wahrnehmung und Kontrolle von Berührungen, Bewegung und Körperhaltung sind für die Gestaltung effektiver haptischer Schnittstellen von zentraler Bedeutung. Nociceptoren, die auf Temperaturen außerhalb des Intervalls von −15 bis 45 °C reagieren, lösen eine Schmerzreaktion im Cortex aus und bieten eine wichtige Grundlage für das Verständnis von Berührungswahrnehmungen. Ein weiteres entscheidendes Element ist die Propriozeption, die Wahrnehmung der Körperposition und -bewegung, die durch Nervenendigungen sowie durch die Pacini- und Ruffini-Körperchen an den Gelenken vermittelt wird. Die Intensität der Reizantwort der Rezeptoren ist dabei abhängig von der Gelenkposition, während die Frequenz mit der Geschwindigkeit der Bewegung korreliert. Die Genauigkeit, mit der der menschliche Körper seine Gliedmaßen positioniert, hängt von der propriozeptiven Auflösung ab, also der kleinsten Veränderung der Gelenkposition, die wahrgenommen werden kann. Diese „gerade noch wahrnehmbare Differenz“ ist an den Hüft- und Schultergelenken mit 0,2° bzw. 0,8° am geringsten, während sie an den Fingern mit 2,5° und den Zehen mit 6,1° am größten ist (Kalawsky 1993; Tan et al. 1994). Dies spiegelt das Bedürfnis des Körpers wider, kartesische Fehler an den Extremitäten zu minimieren, wobei die propriozeptiven Sensoren der Schultern und Hüften eine zentrale Rolle spielen.

Propriozeption wird durch Kinästhesie ergänzt, die die Muskelkontraktion oder -dehnung wahrnimmt. Dies geschieht über die Golgi-Sehnenorgane, die zwischen Muskeln und Sehnen angesiedelt sind, sowie über die Muskelspindeln zwischen den einzelnen Muskelfasern. Die Golgi-Sehnenorgane messen die Muskelspannung, während die Muskelspindeln die Dehnungsgeschwindigkeit des Muskels erfassen. Müdigkeit der Muskeln beeinflusst die Wahrnehmung der Kraft, wodurch die empfundene Kraftzunahme auch dann steigt, wenn die tatsächliche Krafteinwirkung gleich bleibt (Parker et al. 2017).

Die klinische Untersuchung von An et al. (1986) zeigte, dass Männer bei einem Kraftgriff eine maximale Kraftexekution von bis zu 400 N erreichen können, während die Handkraft von Frauen im Durchschnitt nur 60–80 % der männlichen Kraft beträgt. Der maximale Kontaktkraft hängt zudem vom Grifftyp und Geschlecht ab, wie in einer Untersuchung von Kong et al. (2014) gezeigt. Ein weiteres Problem ist, dass ein Benutzer nicht dauerhaft die maximale Kraft aufrechterhalten kann, ohne Unbehagen oder sogar Schmerzen zu erfahren. Beim Pinch-Griff beispielsweise wurden bereits bei nur 25 % der maximalen Kraft nach 10 Minuten Unbehagen und Schmerzen festgestellt (Wiker et al. 1989).

Eine weitere Herausforderung bei der Gestaltung von haptischen Schnittstellen ist die Fähigkeit des Benutzers, eine konstante oder zeitlich veränderliche Zielkraft zu verfolgen. Untersuchungen zeigen, dass Menschen konstante Zielkräfte und -momente besser verfolgen können als solche, die zeitlich variieren. In einer Studie von Srinivasan und Chen (1993) lag der Fehler bei der Verfolgung konstanter Zielkräfte zwischen 11 und 15 %, wobei größere Fehler bei größeren Zielkräften auftraten, die außerhalb der Ermüdungszone lagen. Die Fähigkeit, ein konstantes Moment zu verfolgen, wurde mit einem Fehler von 10–14 % realisiert (Jandura und Srinivasan 1994).

Ein Beispiel für eine haptische Schnittstelle, die vibrotaktile Rückmeldungen gibt, ist der „CyberTouch II“-Handschuh. Dieser Handschuh verwendet Miniaturaktoren an den Fingerspitzen, die eine präzisere taktile Rückmeldung bieten, da die Fingerspitzen über mehr sensorische Rezeptoren verfügen als der Handrücken. Durch die Miniaturisierung der Aktoren ist der Handschuh ergonomischer und bietet eine bessere Interaktivität. Dies ist besonders wichtig für die Schaffung immersiver und benutzerfreundlicher haptischer Systeme, die eine möglichst realistische Erfahrung bieten.

Die verschiedenen Mechanismen, wie die Stimulation der Hautrezeptoren durch mechanische Reize oder die direkte elektrische Stimulation der Nerven, sind relevante Techniken für die Entwicklung von haptischen Schnittstellen. Diese Technologien werden bereits in verschiedenen Geräten genutzt, um den Benutzern ein realistisches Feedback zu geben. Besonders vorteilhaft sind solche Geräte, die keine invasiven Techniken wie elektrostatische oder neuromuskuläre Stimulation erfordern, da solche Verfahren potenziell Risiken bergen.