Stereoskopie

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Lernziel[Bearbeiten]

Lernziel: Erzeugung eines stereographischen Bildes aus zwei räumlich versetzen Einzelaufnahmen unter Vewendung von OpenSource z.B. LibreOffice Draw und LR-Maske für linkes und rechtes Auge - Abbildung erzeugt für die Wikiversity-Lerneinheit
Taschenstereoskop mit einem originalen Testbild. Verwendung für stereoskopische Darstellung eines 3D-Raumes.
VR-Headset - Verwendung von stereoskopischen Bilder - 3D-Vorschau
View of Boston, c. 1860; frühe Nutzung von stereoskopischen Karten für Ansicht einer Allee
Das Kaiserpanorama besteht aus einer Mehrstationenapparatur und erlaubt das betrachten von stereoskopischen Folien. Wurde von A. Fuhrmann um 1890 bereits patentiert.[1]
Eine frühe Gemäldedarstellung einer Stereoskopienutzung Jacob Spoel vor 1868

In dieser Lernressource wird als Lernziel eine erdreidimensional wahrnehmbares Bild erzeugt. Dabei werden aus zwei getrennten Standardbildern ein einziges stereoskopischen Bild erzeugt. Der 3D-Effekt ersteht durch die leicht horizont versetzten Einzelbilder. Die räumliche Versetzung erfolgt im Augenabstand, erzeugt so die dreidimenionale Wahrnehmung, wenn diese Einzelbilder getrennt dem linken und rechten Auge als Bildinformation angeboten werden. Mit einem VR-Headset können diese 3D-Szene angezeigt werden. Alle Methoden sollten mit kostengünstiger IT-Infrastruktur repliziert werden oder mit einem Smartphone und Anwendung OpenSource Software erstellt werden können.


Hauptschritte[Bearbeiten]

  • (Linkes und rechtes Auge) Erstellen Sie zwei verschiedene Bilder für das linke Auge und für das rechte Auge und lernen, wie man die Bilder mit verschiedenen Methoden erstellt.
  • die beiden Bilder im eigenen Bild kombinieren und eine Maske zum Bild hinzufügen
  • Erweitern Sie das Konzept zur Aufnahme von 3D-Videos mit zwei Action-Cams, die mit einer parallelen Ansicht in der Entfernung Ihrer Augen montiert sind
  • (Geometrie) Verwendung der Stereoskopie in der Geometrie

Einführung[Bearbeiten]

Stereoskopie (auch stereoskop oder stereo-Bildgebung) ist eine Technik zur Erstellung oder Verbesserung der Raumwahrnehmung in einem Bild mittels stereoskopischem Sehen[2] Das Wort Stereoskopie entstammt der griechische Sprache στερεός' (stereos) für fest, solide' und σκοπέω (skopeō) für sehen, betrachten.[3][4] Jedes stereoskopische Bild wird als Stereogramm bezeichnet. Ursprünglich bezeichnete Stereogramme ein paar Stereobilder, die mit einem Stereoskop betrachtet werden konnten.

Die meisten stereoskopischen Methoden präsentieren zwei Offset-Bilder getrennt zum linken und rechten Auge des Betrachters. Diese zweidimensionalen Bilder werden dann im Gehirn kombiniert und die dreidimensionale Wahrnehmung entsteht durch die Querdisparation der der beiden Augen. Diese Technik unterscheidet sich von 3D-Darstellung, wobei dabei .


Hintergrund[Bearbeiten]

Stereoskopie erzeugt die Illusion der dreidimensionalen Tiefe aus gegebenen zweidimensionalen Bildern.[5] Das menschliche Sehen, einschließlich der Wahrnehmung der Tiefe, ist ein komplexer Prozess, der zunächst mit der Erfassung von visuellen Informationen auf der Netzhaut beginnt und dann im visuellen Kortex mit einer Reihe weiterer Verarbeitungsschritte zu Form, Farbe, Kantenerkennung und Bewegung zu einer Wahrnehmungseindruck der Bildinformation zusammengesetzt wird. Ein zentraler Schritt innerhalb des Gehirns ist Verbindung von zwei getrennten visuelle Bilder auf den einzelen Augen zu einem dreidimensionalen Gesamteindruck der Raumsituation. Diese räumliche Interpretation ist für das Operieren im Raum wichtig, da damit die Beurteilung von relativen Entfernungen von Objekten zueinander und zum Betrachter analysiert werden. Diese Mechanismen, die das Gehirn verwendet, um relative Entfernungen abzuschätzen, sind u.a. in der Robotik für die Bewegungskontrolle im Raum von Bedeutung[6]

  • Stereoskopisches Sehen
  • Konvergenz des Auges - Objektverfolgung
  • Überlappung eines Objekts durch ein anderes
  • Wahrnehmung von Winkeln eines bekannten Objekts, die z.B. rechtwicklig sind aber im Bild nicht rechtwicklig dargestellt sind.
  • Fluchtpunktperspektive (Konvergenz paralleler Kanten in der bildlichen Darstellung)
  • Vertikale Position - für Objekte, die näher am Horizont im pespektivischen Bild positioniert sind, neigen wird dazu, diese als weiter weg wahrzunehmen)
  • Farbe, Kontrast, Sättigung und Farbe - in größerer Entfernung sind Objekte in der Regel blasser und die Farbeverteilung vrschiebt sich nach blau, da die Atmosphäre Rotanteile stärker absorbiert.
  • Änderung der Größe des strukturierten Musters - Detailsreichtum und Entfernungswahrnehmung

Bemerkung - klassische 3D-Darstellungen[Bearbeiten]

Alle oben genannten Punkte existieren bereits in klassischen zweidimensionalen Bildern, wie Gemälde, Fotografien und Fernsehen[7].

Unterschiedliche Bildinformationen für beide Augen[Bearbeiten]

Stereoskopie ist die Produktion der Illusion der Tiefe zweidimensionalen Bildinformationen, die jedem Auge genau die Bildinformationen liefert, die auch bei einer Wahrnehmung von Objekten im 3D-Raum vorhanden wäre. Da die beiden Bilder analog zur Wahrnehmung 3D-Raum analog im Gehirn interpretiert werden, entsteht die Illusion der Tief. Da alle Punkte des Bildes, das durch Stereoskopie erzeugt wird, unabhängig von ihrer Tiefe in der Originalszene in derselben Ebene fokussiert werden, geht diese Illusion verloren, wenn man sind im Raum bewegt, da sich die Abbildung einzelner Punkte nicht verändert. Daher ist die Illusion der Tiefe in der Stereoskopie unvollständig.

Raumlagesensoren[Bearbeiten]

Mobile Endgeräte besitzen Raumlagesensoren und können mit entsprechende Rechenleistung und einem vorhandenen 3D-Modell die Veränderung der Bildinformationen für beide Augen in Echzeit berechnen.

3D-Display[Bearbeiten]

Die meisten VR-Headsets verwenden diese stereoskopische Methode, um Bilder darzusellen. Es wurde bereits im Jahre von 1838 von Sir Charles Wheatstone erfunden,[8][9] und verbessert durch Sir David Brewster, der das erste tragbare 3D-Anzeigegerät machte.[10]

Wheatstone Stereoscope mit zwei Spiegeln
Stereoskop nach Brewster aus dem Jahr 1870

Stereoskopie wird u.a. in Photogrammetrie verwendet, in dem man von einem Objekt mehrere Einzelbilder aus unterschiedlichen Winkeln aufnimmt und dann die perspektivischen Transformationen von identifzierbaren Einzelpunkten in mehreren Bilder zu Berechnung eines 3D-Modells verwendet.

Die mathematische Analyse der Stereoskopie und deren projektiven Eigenschaften ist damit nicht nur der Betrachtung von Bildern nützlich, sondern auch für die Erstellung von 3D-Objekten, die dann mit VR-Headsets auch die Bewegung im Raum simulierbar machen.

Lernaufgaben[Bearbeiten]

  • ([3D Modelling]]]) Analysieren Sie, wie bei der 3D-Modellierung mit AR.js und Aframe das Prinzip der Stereoskopie verwendet werden kann, um 3D-Ansicht für die Erzeugung von räumlichen Anordnungen zu erstellen.
  • (Position der Augen - Perspektivische Transformation) Schließen Sie Ihr rechtes Auge und dann das linke Auge schnell hintereinander und vergleichen Sie die Bilder, die Sie nur mit einem Auge sehen. Können Sie für Objekte in unterschiedliche Entfernungen identifizieren, wie die sich in Position in Abhängigkeit von der Entfernung bewegen. Erklären Sie, warum die Evolution die Augen mehr auf einer Seite des Kopfes "platziert" hat, und damit eine schlechtere Rundumsicht zu haben (vergleiche Position der Augen bei Fluchttieren z.B. Pferden).
  • (LibreOffice Draw - LR-Maske) Starten Sie die LibreOffice Demo-Datei mit der LR-Maske (linke Augenmaske) und positionieren Sie die beiden Bilder für das linke Auge unter den linken Bereich und das Bild für das rechte Auge auf der rechten Seite des LibreOffice-Draw-Bildes.


Siehe auch[Bearbeiten]

Quellennachweis[Bearbeiten]

  1. ↑ The Kaiser (Emperor) Panorama. 9 June 2012..
  2. ↑ Der Logische Ansatz, 3D-Bilder zu sehen. www.vision3d.com von Optometrists Network. 2009-08-21
  3. ↑ στερεός Tufts.edu, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon', auf Perseus Digital Library
  4. ↑ σκοπέω, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus Digital Library
  5. ↑ Sauerbrei, I. (2020). Geometrie, Wahrnehmung und Wirkung von Tetraeder und Ikosaeder: Ansätze zu einer Grundlagenforschung zu 3D-Formwahrnehmug und Formwirkung (Doctoral dissertation, Technische Universität Wien).
  6. ↑ Gutmann, J. S., Fukuchi, M., & Fujita, M. (2008). 3D perception and environment map generation for humanoid robot navigation. The International Journal of Robotics Research, 27(10), 1117-1134.
  7. ↑ Wang, Xi (2021): Die Erforschung der Wahrnehmung durch die Augen. Ausgezeichnete Informatikdissertationen 2020. Bonn: Gesellschaft für Informatik e.V.. ISBN: 978-3-88579-775-3. pp. 349-358. Schoss Dagstuhl, Deutschland. 9.-12. Mai 2021
  8. ↑ Contributions to the Physiology of Vision.—Part the First. On some remarkable, and hitherto unobserved, Phenomena of Binocular Vision. By CHARLES WHEATSTONE, F.R.S., Professor of Experimental Philosophy in King's College, London. URL: https://www.stereoscopy.com/library/wheatstone-paper1838.html
  9. ↑ William Welling (1987) Photography in America: The Formative Years, 1839-1900 - University of New Mexico Press
  10. ↑ International Stereoscopic Union, 2006, "Stereoscopy", Numbers 65–72, S.18
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