Aufbruch in die dritte Dimension

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Der 3D-Film "Avatar" war ein Riesenerfolg für Hollywood, nun setzen auch TV-Sender und Hersteller von Fernsehern auf räumliche Bewegtbilder. Kann die Technologie halten, was sie verspricht?

Die Szenerie erinnert an ein Kirmesspektakel: Im achten Stock des Berliner Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) haben Wissenschaftler all das aufgebaut, was sie brauchen, um das menschliche Auge zu überlisten. Denn die perfekte optische Täuschung ist das Ziel von Ulrich Leiner, der im Fraunhofer-Institut die Abteilung Interaktive Medien leitet. Dazu bringt sein Team kleine Linsen oder feine Gitter auf handelsüblichen Computermonitoren an und lassen so das linke und das rechte Auge verschiedene Bilder sehen, obwohl beide Augen ein und denselben Bildschirm ins Visier nehmen.

Das im räumlichen Sehen geübte Gehirn konstruiert daraus ein drei-dimensionales Objekt, das im Raum zu schweben scheint. Die Wissenschaftler bezeichnen solche Monitore als "autostereoskopisch", da der Betrachter keine Brille mit gefärbten Gläsern oder speziellen Folien aufsetzen muss, um den 3D-Effekt zu erzielen. "Wir sagen: Der Monitor kriegt die Brille aufgesetzt", erklärt Leiner das Prinzip dahinter.

Jahrelang galten diese Monitore als ein Nischenprodukt – allenfalls zu gebrauchen als Eyecatcher auf Flughäfen oder Messen. Niedrige Auflösungen und eingeschränkte Blickwinkel machten den Forschern zu schaffen. Doch nun gewinnen sie und weitere Technologien für 3D-Darstellungen so sehr an Fahrt, dass sich selbst die Fraunhofer-Forscher im HHI verwundert die Augen reiben. In 3D produzierte Kinofilme wie "Avatar – Aufbruch nach Pandora" haben Millionen Zuschauer angelockt. Der Streifen von James Cameron über die blauhäutige Bevölkerung von Pandora gilt bereits als einer der erfolgreichsten Filme aller Zeiten und wurde unlängst mit drei Oscars ausgezeichnet.

Dabei war "Avatar" erst der Anfang: Die plötzlich wieder proppevollen Kinosäle haben die seit Jahren kriselnde Branche elektrisiert. Das in Deutschland gerade angelaufene 3D-Spektakel "Alice im Wunderland" hat in Nordamerika schon 116,3 Millionen US-Dollar eingespielt. Kein Wunder also, dass diverse Studios versuchen, bereits gezeigte Produktionen mit 3D aufzupeppen. Und George Lucas denkt darüber nach, seine "Star-Trek"-Trilogie nochmals abzudrehen – nur eben diesmal mit Stereokameras.

Auch die TV-Branche wittert das große Geschäft. Den ersten europäischen 3D-Kanal will der britische Bezahlsender BSkyB bereits im April starten, geplant sind unter anderem Live-Übertragungen von Fußballspielen aus der englischen Premier League. Erste Testvorführungen in einer Handvoll englischer Kneipen begeisterten die Zuschauer. Sky Deutschland zeigte Mitte März das Duell zwischen Bayer Leverkusen und dem Hamburger SV einem ausgewählten Zuschauerkreis in 3D. Von der anstehenden Fußball-WM in Südafrika will der japanische Elektronikkonzern Sony sogar einen 3D-Film drehen. Laut Aussage von Sony und Co. sollen die dafür tauglichen Fernseher ab Frühjahr 2010 in den Geschäften stehen. Der technische Standard für die Produktion von 3D-Filmen in der DVD-Nachfolge-Norm Blu-ray wurde bereits Ende 2009 vom entsprechenden Gremium, der Blu-ray Disc Association, beschlossen.

Auch Kinoketten sind daran interessiert, die Spiele der Fußball-Weltmeisterschaft in ihren Sälen mit 3D-Technik zu zeigen. "Die Zeit ist reif dafür", erklärt Sebastian Reichert, technischer Leiter bei der Kinokette Cinemaxx. Denn die Lichtspielhäuser haben in den vergangenen Monaten viel Geld in die räumliche Darstellung investiert. Allein Sony hat weltweit nach eigenen Angaben 1200 Säle mit 3D-fähigen Digitalprojektoren ausgerüstet, deren Stückpreis bei 90.000 Euro beginnt.

Bei Cinemaxx sind in der Regel zwei Säle je Kino-Komplex 3D-tauglich. "Wir wollen natürlich in diesen Sälen auch 3D-Filme zeigen", erklärt Reichert. "Nur dann können wir den Eintritt um bis zu drei Euro erhöhen." Binnen kürzester Zeit ist so ein ganz neuer Markt für 3D-Filme wie "Avatar" entstanden, auf dem die kontinuierliche Nachfrage durch die Kinobetreiber den 3D-Boom noch mehr verstärkt.

Dabei ist die Thematik nicht einmal neu. Die erste Stereografie-Welle schwappte in den fünfziger Jahren durch die Kinos. 160 Filme wurden gedreht, schon damals mussten die Zuschauer Brillen für den 3D-Effekt tragen. Perfekt war das Bild freilich nie, denn die zwei Projektoren liefen nur selten absolut synchron und waren kaum gleich hell. Viele Zuschauer bekamen daher vom längeren Zuschauen Kopfschmerzen, worauf 3D schnell aus den Kinos verschwand.

In den Achtzigern und Neunzigern gewann es durch Dutzende im Imax-Format produzierte Filme erneut an Aufmerksamkeit, jedoch wieder nur von kurzer Zeit. Nun jedoch soll 3D dank Digitaltechnik richtig durchstarten – so versprechen es zumindest die Hardware-Hersteller. Denn unscharfe Bilder und eingeschränkte Farben könne man ausschließen, wenn die Bilder für das linke und rechte Auge digital projiziert würden.

In praktisch allen Kinosälen wird dabei mit polarisiertem Licht gearbeitet. Ein Beamer wirft die Bilder für das rechte und das linke Auge an die Leinwand. Spezielle Folien vor der Linse polarisieren dabei die beiden Bilder unterschiedlich. Das Licht für das eine Auge schwingt in einer anderen Ebene als das für das andere. Weil die Zuschauer Brillen mit Polarisationsfiltern tragen, erhält jedes Auge nur das für es bestimmte Bild. Dessen Qualität ist bestechend. Dank einer Auflösung von rund 2000 mal 1000 Pixeln erscheinen selbst feinste Details extrem klar, was bei herkömmlichen Streifen in 2D nicht garantiert ist. Analoge Filmkopien auf 35 Millimeter sind nicht selten unscharf oder sogar zerkratzt.

Die Nachfrage nach 3D-Filmen könnte daher auch den lange angekündigten Systemwechsel von analogen 35-Millimeter-Projektoren hin zu leistungsstarken, in hoher Auflösung darstellenden Beamern beschleunigen. Das würde auch herkömmlichen Filmen zugutekommen. Statt als teure und empfindliche Filmrolle könnten somit sämtliche Streifen künftig via Datenleitung in das Kino gelangen. Verleiher würden so viel Geld für den Transport sparen, Kinos könnten ihr Programm flexibler gestalten und im Extremfall sogar in allen Sälen denselben Film zeigen.

Laut einer Studie der Unternehmensberatung Pricewaterhouse Coopers werden 2014 in Europa 15 bis 25 Prozent der Kinosäle 3D-tauglich sein, in den USA sogar bis zu 30 Prozent. Und auch in den Wohnzimmern sehen die Marktforscher eine schnelle Verbreitung der 3D-Technik: 15 bis 25 Prozent der US-Haushalte und bis zu 15 Prozent der europäischen Haushalte sollen in vier Jahren darüber verfügen.

Die 3D-Technologie innerhalb der eigenen vier Wände wird dabei aber auf einer anderen Technologie basieren. Fast alle TV-Geräte-Hersteller setzen auf sogenannte Shutterbrillen, deren Gläser aus Flüssigkristallbildschirmen bestehen und abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig geschaltet werden. Dies geschieht synchron zum Fernseher, vorausgesetzt, er besitzt eine Bildwiederholrate größer/gleich 120 Hertz und stellt abwechselnd ein Bild für das rechte und linke Auge dar.

Ein weltweit einheitlicher Standard für 3D-Fernsehen existiert bislang nicht, doch es ist klar, dass dieser nichts anderes sein wird als eine Erweiterung des HD-Standards auf zwei parallel übertragene Bilder. Die Aufbereitung der digitalen Daten für den Fernseher übernimmt dabei eine 3D-fähige Set-Top-Box, sodass im Grunde egal ist, in welcher Kodierung die Bilder aus dem Kabel oder vom Satelliten kommen.

Der Vorteil der Shutter-Technik besteht darin, dass jedes Auge die volle Bildschirmauflösung sieht, was beim Standard Full HD ähnlich beeindruckend ist wie im 3D-Kino. Zudem liefern die Fernseher auch ein exzellentes 2D-Bild. Allerdings drücken die batteriebetriebenen Brillen auf der Nase und sind mit über 100 Euro pro Zuschauer ein zusätzlicher Kostenfaktor. Wer zehn Freunde zum 3D-Filmabend nach Hause einladen will, wird sich das daher wohl zweimal überlegen. Für Computerspiel-Freaks, die in der Regel allein vor dem Monitor sitzen, ist die Anschaffung einer Brille dagegen weniger problematisch.

Im Prinzip könnten 3D-Fernseher auch mit polarisiertem Licht arbeiten – die Brillen dafür sind spottbillig. Doch bislang gehen nur wenige Hersteller diesen Weg – und meist auch nur bei ihren Prototypen. Denn in der Regel halbiert sich bei diesen Geräten die Auflösung, weil gerad- und ungeradzahlige Bildzeilen unterschiedlich polarisiertes Licht aussenden. Den dadurch bedingten Qualitätsverlust wollen viele Hersteller nicht riskieren.

So werden Shutterbrillen wohl die Einstiegstechnik in das 3D-Fernsehen bilden. Die Frage ist jedoch, ob sie dreidimensionales Fernsehen wirklich so attraktiv machen, dass sich genügend Konsumenten dafür entscheiden. Einige haben sich gerade erst einen HD-Fernseher gekauft, da trommeln die Hersteller schon kräftig für die nächste Gerätegeneration "3D ready". Dabei ist zumindest in Deutschland noch nicht einmal das HD-Fernsehen richtig angekommen.

"Was wir derzeit erleben, ist eine Art Testballon", sagt René de la Barré, der mit Leiner zusammen am HHI an autostereoskopischen Monitoren forscht. Er ist überzeugt, dass 3D-Brillen mittelfristig nur eine Übergangstechnik sind. "Wenn 3D durchstartet, dann wird die nächste Frage sein: Wie kommen wir von der Brille weg hin zur Autostereoskopie?" Das sagen auch Fernsehgeräte-Hersteller, die jetzt erst mal auf Shutterbrillen setzen.

"Das langfristige Ziel wird sein: 3D ohne Brille", meint ein TV-Experte von Sony. Wie lang der Weg bis zu solchen Fernsehern noch ist, kann freilich niemand sagen. Obwohl die entsprechenden Prototypen schon seit Jahren existieren, stufen die Marktforscher von Pricewaterhouse Coopers autostereoskopische Displays derzeit noch als "experimentell" ein. Autostereoskopische Displays müssen ebenfalls an das rechte und das linke Auge unterschiedliche Bilder liefern. Das Kunststück gelingt hier mit Tausenden von kleinen Linsen, die über den Pixeln liegen. Diese sogenannten "lentikularen Displays" funktionieren ganz ähnlich wie Wackelbilder

Das Licht einer Pixelreihe wird von den Linsen Richtung linkes Auge gelenkt, das Licht einer anderen Pixelreihe Richtung rechtes Auge. Damit jedoch die jeweilige Pixelreihe auf das richtige Auge abgebildet wird und sich so der gewünschte dreidimensionale Effekt einstellt, muss klar sein, wo sich gerade die Augen des Betrachters befinden. Daher übernimmt eine kleine Kamera, die in den Monitor integriert ist, das Verfolgen der Augen. So kann sich der Zuschauer auch vor dem Bildschirm bewegen, ohne den 3D-Effekt zu verlieren – allerdings nicht zu schnell.

Die zweite Technologie für Autostereoskopie nennt Fraunhofer-Forscher Ulrich Leiner "die Methode Lattenzaun". Ein feines Raster über der Anzeige aus Flüssigkeitskristall erlaubt jedem Auge nur den Blick auf einen Teil der Pixel. Weil jedes Auge verschiedene Pixel zu sehen bekommt, werden verschiedene Bilder an die Augen geliefert. Auch hier können kleine Kameras das Gesicht des Beobachters überwachen, um ein für ihn optimales Bild darzustellen. Ohne das sogenannte Tracking muss der Betrachter starr an einem ganz bestimmten Punkt vor dem Gerät sitzen.

Der Aufwand lohnt sich, denn die Qualität solcher 3D-Monitore ist durchaus beeindruckend, wie die räumliche Darstellung einer Molekül-Grafik im Vorführraum des HHI beweist. Dennoch sind diese Prototypen von einer industriellen Massenproduktion weit entfernt. Hauptmanko ist die niedrige Auflösung, die bei der Darstellung von computergenerierten Objekten nicht so auffällt. Denn von den 1920 mal 1080 Pixeln einer verbauten HD-Anzeige sehen das linke und das rechte Auge jeweils höchstens die Hälfte, weil der Bildschirm ja verschiedene Bilder für die beiden Augen produziert. Bildschirme mit höherer Auflösung könnten nach Meinung der Fraunhofer-Forscher dieses Manko ausgleichen.

Doch nicht nur die Darstellungsgüte wird über den Erfolg von 3D in Kinosälen und Wohnzimmern entscheiden, sondern auch das Handwerk, mit dem die Inhalte geschaffen wurden. "Bei 3D gibt's eine Reihe von Tücken", erklärt Fraunhofer-Forscher Leiner. Auch Alaric Hamacher, der mit seiner Münchner Firma Virtual Experience schon seit Jahren in 3D dreht und produ-ziert, kennt die Fallstricke: "Es kann beispielsweise zu widersprüchlichen Informationen kommen, wenn man Objekte anschneidet." Solche Bildteile könne man leicht versehentlich vor dem Bildschirm positionieren, als würden sie im Raum davor schweben. "Das Gehirn sagt aber zugleich: Verdecktes befindet sich hinter dem Bildschirm." Dieser Widerspruch irritiere den Zuschauer.

3D-Live-Produktionen, wie sie für Sportübertragungen angedacht sind, gelten dabei als ganz besondere Herausforderung. Wenn linke und rechte Kamera einen kleinen Höhenversatz haben, etwa wegen eines schlecht ausgerichteten Zooms, wird das Zuschauen schnell zur Tortur. Linkes und rechtes Auge sehen dann dasselbe Objekt nicht in einer Höhe, das Gehirn kann die Information nicht mehr verarbeiten. Bei einem Film sind solche Fehler in der Nachproduktion leicht zu korrigieren – live ist das schwieriger.

Auch beim Abstand von linker und rechter Kameralinse kann eine Menge schiefgehen. Gefilmt wird nämlich nicht ausschließlich im Augenabstand von rund 6,5 Zentimetern. Vielmehr passen Kameramänner die Distanz an die jeweilige Situation an, was mit dem sogenannten "Stereo Rig" kein Problem ist. Darin stecken zwei Fernsehkameras. Beim Arbeiten mit längeren Brennweiten müssen sie sich voneinander entfernen, wenn das Bild weiterhin räumlich wirken soll. Bei Nahaufnahmen ist es umgekehrt. Zudem muss beim Filmen berücksichtigt werden, ob die Aufnahmen später im Kino oder auf dem Fernseher laufen sollen.

Problematisch sind auch schnelle Schnitte mit einer starken Verschiebung des Schärfentiefepunktes. Bei actiongeladenen 3D-Kurzfilmen für Freizeitparks oder Science Center könne man durchaus mit solchen Effekten spielen, erklärt Hamacher. "Da soll den Leuten das Zeug ruhig um die Ohren fliegen", so der Stereofilmer aus München. Im Spielfilm gehe das jedoch nicht. Dies scheint auch James Cameron in "Avatar" beherzigt zu haben. Tatsächlich fällt auf, wie zurückhaltend der Regisseur 3D-Effekte einsetzt. Der Film ist ungewöhnlich ruhig geschnitten. Und nicht nur bei der inhaltlichen Tiefe habe Cameron gespart, wie Kritiker lästern, auch bei der stereografischen. Dies könnte jedoch gute Gründe haben. Denn eine vor "Avatar" erhobene Umfrage stellte fest: Ungefähr 20 Prozent der Besucher von 3D-Filmen mochten das Erlebnis 3D-Kino nicht. Zuschauer hätten dabei unter anderem über die Brille und ermüdete Augen geklagt.

Solche Schwierigkeiten sind für Hagen Stolle, technischer Leiter beim 3D-Spezialisten SeeReal, kaum überraschend. Von Brillen hält man bei dem Dresdner Unternehmen ohnehin wenig. Vor einigen Jahren hatte es bereits autostereoskopische Bildschirme favorisiert, inzwischen setzt es jedoch auf Holografie. Ein perfektes stereoskopisches Bild auf einem Fernseher sei nicht möglich, lautet Stolles Begründung. Man könne Tiefe nur eingeschränkt darstellen, ansonsten drohten Kopfschmerzen. "Das ist kein technisches Problem, sondern ein physiologisches", erklärt er und verweist auf Studien großer Displayhersteller.

"Bei Stereodarstellungen fokussiert das Auge auf die Ebene des Bildschirms" sagt Stolle. Die im Kopf entstehenden 3D-Objekte lägen je- doch davor oder dahinter. "Das macht dem Zuschauer auf Dauer Probleme." Im Kino könne man das tolerieren, denn da sitze man weit weg von der Leinwand. Zu Hause vor dem Fernseher sei die Situation anders. "In der Regel", erklärt der Experte, "können Sie eine Tiefendarstellung von 20 bis 30 Prozent des Abstands zum Display tolerieren, mehr nicht."

Stolle und seine 20 Kollegen favorisieren daher ihre holografische Methode. Bei einem herkömmlichen Fernseher, egal ob 2D oder 3D, entspricht die Anzeige dem Bildinhalt. Beim holografischen Fernseher sei das anders, sagt er. Dessen Anzeige erzeuge genau das Muster von Lichtwellen, das auch vom realen darzustellenden Objekt ausginge. Auge und Gehirn setzten diese von jedem Pixel ausgehenden Lichtwellen zu einem 3D-Bild zusammen. Wollte man ein echtes Hologramm mit einem Monitor darstellen, müsste dieser nicht nur über eine sehr viel bessere Anzeige als HD-Fernseher verfügen, es wären auch sehr aufwendige Berechnungen nötig.

Ein echtes Hologramm kann man nämlich von links, rechts, oben und unten betrachten – ähnlich wie ein reales Objekt im Raum. Für jede denkbare Position des Kopfes vor dem Bildschirm müsste damit ein holografischer Fernseher die passenden Bildinformationen berechnen und simultan ausgeben. Dann würde der Betrachter tatsächlich etwa ein Molekül von schräg rechts oben sehen, wenn er seinen Kopf dorthin bewegt. Doch wegen der Vielzahl der gleichzeitig zu erzeugenden 3D-Bilder ist dies praktisch unmöglich.

Die SeeReal-Entwickler bedienen sich jedoch eines Tricks, um das Problem radikal zu vereinfachen. Sie lassen von den Wellenmustern nur diejenigen berechnen, die sich tatsächlich in der Perspektive des Betrachters befinden. Das hochkomplexe Hologramm wird so auf kleine Teilhologramme reduziert, deren Rechenaufwand sich in Grenzen hält. "Wenn die sogenannte Wellenfront perfekt gemacht ist, kann das Gehirn nicht mehr unterscheiden, ob das Objekt real ist oder nicht."

In seinem Labor demonstriert das Dresdner Unternehmen an einem 20-Zoll-Monitor, was mit der Technologie prinzipiell möglich ist. Das Bild flimmert, auch die Farben kann man nur erahnen. Doch dreidimensionale Objekte lassen sich bis auf Armabstand heranholen und extrem weit nach hinten schieben. Die Illusion ist nicht perfekt, aber das Problem der eingeschränkten Tiefendarstellung hat der Prototyp tatsächlich nicht. Nicht nur computergenerierte Inhalte kann das Holodisplay darstellen, sondern auch mit Stereokameras aufgenommenes Filmmaterial.

Allerdings müssen zuvor aus den stereografischen Daten Bildpunkt für Bildpunkt die zugehörigen Tiefeninformationen berechnet werden. Dafür gebe es entsprechende Software, erklärt Stolle, dies sei kein Problem. Dennoch bleiben die SeeReal-Entwickler bisher den Beweis schuldig, ob ihr Ansatz jemals so kristallklare Videobilder liefern wird, wie sie die Systeme mit Brille bereits bieten. "Wir sind mit diversen Display-herstellern in Asien im Gespräch", berichtet Stolle. Es gebe konkrete Projekte mit zwei Unternehmen. Für Ende des Jahres kündigt er einen Prototypen von deutlich besserer Qualität an.

Der potenzielle Zuschauer auf dem Sofa wird dafür tief in die Geldbörse greifen müssen. "Der erste Holo-Fernseher wird teuer, aber das war bei den Plasma- und Flüssigkristallbildschirmen auch nicht anders", erklärt Stolle. Er setzt ganz auf den Wettbewerbsvorteil seiner technisch vermeintlich besseren Lösung: "Geräte mit Shutterbrille hat doch inzwischen fast jeder im Programm."

3D-Monitore ohne Brille haben freilich einen womöglich entscheidenden Nachteil: Sie funktionieren bislang am besten, wenn genau eine Person zentral vor ihnen sitzt. Und beim Display von SeeReal muss der Abstand ziemlich genau zwei Meter betragen. Bei Computerspielen und Konstruktionsarbeiten am Computer ist das kein Hindernis, für den TV-Markt wird dies jedoch die nächste Herausforderung darstellen. Aber wer weiß: Vielleicht finden 3D-Tüftler ja schon bald einen neuen Gauklertrick, um auch dieses Problem zu lösen. (bsc)