SPECIAL: Alles Wissenswerte über die 3D-Darstellung von Bewegtbildern

08. Januar 2010 (phk/cr)

Einführung

3D ist in aller Munde, erst recht, seit „Avatar“ von James Cameron als bahnbrechender 3D-Film in den Kinos angelaufen ist und sich bezüglich des aktuellen Einspielergebnisses schon fest an die Fersen des bislang erfolgreichsten Films „Titanic“ (ebenfalls von James Cameron) geheftet hat. Wir möchten in diesem Special in den Themenkomplex 3D Einblick geben. 

Die Unterteilung:
1. Voraussetzungen für die Wahrnehmung in 3D
2. Geschichte des 3D Films im Kino
3. Die verschiedenen 3D Spielarten des Digitalzeitalters: Real D, XpanD, Dolby 3D und iMax 3D
4. Verschiedene 3D Brillen
5. Vorstellung: Der offizielle Blu-ray 3D Standard
6. 3D als Chance für Kino und Unterhaltungselektronik?

1. 3D sehen

Die Anordnung unserer Augen ist für unser 3-dimensionales Sehen verantwortlich. Wir nehmen jedes Objekt mit einem einzelnen Auge leicht versetzt wahr. Beide Bilder werden dann in unserem Gehirn zu einem Bild zusammengesetzt und es entsteht räumliche Tiefe. Aus zwei flachen bzw. 1-dimensionalen Bildern entsteht ein 3-dimensionales Bild. Dieses Prinzip machen sich die Produzenten zunutze, mit einer „Stereokamera“ wird dieselbe Szene gleich zweimal aufgezeichnet, im selben Abstand wie der unserer Augen. Die verschiedenen 3D-Techniken im Kinosaal sorgen dann für die korrekte Verteilung der links aufgenommenen Bilder an das linke Auge und die für rechts vorgesehenen Bilder auf das rechte Auge. Jede 3D-Technologie basiert auf diesem Prinzip, lediglich die Ausführung unterscheidet sich.

2. Geschichte des 3D-Films  im Kino

Die Idee, 3 Dimensionen in einen Kinofilm zu integrieren, ist nicht etwa aus diesem Jahrzehnt. Schon um etwa 1890 wurde in England von William Friese-Greene ein Patent angemeldet, dessen Technik 3D-Darstellung ermöglicht. Friese-Greenes Methode beinhaltete die Vorführung zwei getrennter Bilder auf einer Leinwand, die vom Zuschauer durch die Betrachtung eines Stereoskops zusammengeführt werden konnten. Leider war eine Verwendung dieser Technologie im Kino aufgrund der umständlichen Voraussetzungen nicht praktikabel. Die folgenden 25 Jahre blieb es, neben einiger weniger Testläufe beispielsweise im Astor-Theater in New York, eher ruhig um die Stereoskopie, bis sich das anaglyphe Verfahren mehr und mehr durchsetzte. Schon 1922 wurde der erste Spielfilm „The Power of Love“ mittels der anaglyphen Technik, die wohl bekannteste Methode durch Farbfilterung, aufgeführt. Besonders die geringen Produktionskosten machten dieses Verfahren populär. Trotz des Pionierstatus der Technologie wurde der Großteil der Spielfilme ab den 50er Jahren im Polarisationsverfahren aufgeführt. Der deutsche Spielfilm „Zum Greifen nah“ (1939) konnte schon in Polarisationspracht bewundert werden. Leider erforderte dieses Verfahren neben der dualen Projektion mit zwei Geräten eine spezielle silberne Leinwand und war nicht mit der Projektion auf mattem Weiß kompatibel. Trotz der geringen Produktionskosten des anaglyphen Verfahrens und den anspruchslosen Hardware-Voraussetzungen hat sich das aufwendigere Polarisationsverfahren aufgrund seiner besseren Farbauthentizität und weniger Nachzieheffekte schon kurz nach Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts im Cinema-Bereich durchgesetzt. So kam 1952 der erste Farbfilm „Bwana Devil“ im Polarisationsverfahren in die amerikanischen Kinos. Aufgrund der zwei gleichzeitig laufenden Projektoren und der begrenzten Lauflänge einer Filmrolle mussten öfters Pausen eingelegt werden, um die Filmrollen zu tauschen und leider entstanden bei kleinsten Unsauberkeiten leicht Probleme mit der Lippensynchronisation. Nach und nach setzten auch die großen Filmstudios auf die 3D-Technologie und Warner, Disney, Universal und Paramount produzierten vermehrt 3D-Filme sowohl anaglyph als auch polarisiert. In den folgenden 30 Jahren wurden einige erfolgreiche Filme produziert (Creature from the Black Lagoon), jedoch geriet die Polarisationstechnik durch die hohe Kostenaufwendung und der Synchronisationsproblematik der dualen Projektion immer mehr in die Kritik. Obwohl Mitte der 70er Jahre ein Überlagerungsverfahren entwickelt wurde, mit dem nur noch ein Projektor notwendig war, konzentrierten sich Filmemacher und Studios zu dieser Zeit verstärkt auf Weiterentwicklungen wie die Widescreen-Formate und 3D geriet etwas in den Hintergrund. Nachdem es lange Zeit ruhig war, begann IMAX in den 80er Jahren, Sachfilme in 3D auf 70mm Film zu drehen. Nach und nach wurden mehr Blockbuster-Filme zumindest partiell in 3D produziert, bis 2003 James Camerons „Geister der Titanic“ als erstes digital aufgenommenes Full-Feature in den IMAX-Sälen gespielt wurde. 2006 kamen die ersten animierten Filme „Open Season“, „The Ant Bully“ und „The Nightmare Before Christmas“ in RealD, XpanD und Dolby 3D. Diese Technologien, die auch beim aktuell laufenden Film „Avatar“ zum Einsatz kommen, möchten wir später genauer erläutern.

3. Die verschiedenen 3D Spielarten des Digitalzeitalters: Real D, XpanD, Dolby 3D und iMax 3D

Mit dem Eintritt ins digitale Filmzeitalter bekommt auch das Thema 3D wieder eine gestiegene Bedeutung – hier stellen wir verschiedene Technologien vor. 

Dolby 3D:

Dolby 3D agiert kostengünstig mit nur einem Beamer. Es wird im Kinoprojektor ein spezieller, nachrüstbarer Farbfilter zwischen Lampe und Optik installiert. Mittels des Farbrads werden die RGB-Werte leicht abgeändert, um unterschiedliche Wellenlängen für das rechte und linke Auge zu erzeugen (mehr unter Punkt 5). Sollen Filme herkömmlich in 2D wiedergegeben werden, kann man die Filtermimik deaktivieren. Die Zuschauer bekommen wiederverwendbare, passive 3D-Brillen aus Kunststoff, was das Müllaufkommen gegenüber Einmalbrillen deutlich senkt. Dolby setzt beim 3D-Effekt auf das Infitec-Verfahren (Interferenzfiltertechnik), daher kommen keine herkömmlichen Polarisationsfilterbrillen zum Einsatz (mehr unter Punkt 5). Dolby 3D funktioniert mit einer herkömmlichen Leinwand, allerdings ist die Einrichtung mit dem Farbrad relativ kostspielig (das Farbrad wird mit einem speziell entwickelten Dolby Filter-Controller angesteuert), das gilt auch für die Kunststoffbrillen für die Zuschauer. Dafür kann der Zuschauer ohne Einschränkungen bei der Wahrnehmung auch den Kopf neigen. 

Real D:

Auch bei Real D kommt nur ein Projektor zum Einsatz. Auch bereits vorhandene Beamer können verwendet werden, es findet nur eine Ergänzung des Equipments durch einen eigenen Projektor-Vorsatz statt. Als Leinwand allerdings muss man auf ein silberbeschichtetes Exemplar setzen. Die Zuschauer bekommen 3D-Brillen, die relativ preiswert herzustellen sind. Das Real D-System basiert auf einem elektrooptischen Modulator (ZScreen, erfunden vom US-Amerikaner Lenny Lipton). Es wird ein Projektor eingesetzt, der abwechselnd das rechte und das linke Bild projiziert und im Kreis polarisierendes Licht verwendet. Ein LCD-Bauteil vor dem Projektionsobjektiv polarisiert das Licht für das eine Auge im Uhrzeigersinn und für das andere Auge gegen den Uhrzeigersinn. Dieses Prinzip korrespondiert mit den Brillen der Zuschauer, deren Herzstück ein mit einer Verzögerungsplatte (ein optisches Gerät, das die Polarisation und Phase von durchgehendem Licht ändern kann und in diesem Fall das zirkulierende Licht in linear polarisierendes Licht umwandelt) kombinierter Polarisationsfilter (der das Licht nur in eine Richtung durchlässt) ist. Dadurch, dass die Orientierungen der Polarisationsfilter unterschiedlich ausfallen, sieht jedes Auge ein eigenes Bild. Die Bildwiederholrate liegt mit 72 Hz in einem Bereich, in dem praktisch kein Flimmern mehr sichtbar ist. Wie wir es auch schon von verschiedenen Flatscreens mit direkter 24p Wiedergabe kennen, wird jedes Filmbild (mit 24 Hz) dreimal projiziert. 
Um diese Technologie auch bezüglich der Leinwand angemessen darstellen zu können, kommt eine silberbeschichtete Leinwand zum Einsatz, die das Licht reflektiert. Projiziert man auf eine normale weiße Leinwand, geht durch auftretende Streueffekte die Polarisation kaputt. Damit sind wir bei den Nachteilen – zwar sind die Brillen einfach und kostengünstig herstellbar, dafür aber kostet die Silberleinwand ebenso viel Geld wie die Lizenzgebühren.

XPAND

Früher unter nuVision bekannt, verwendet diese Technik ein aktives Shutter-Brillensystem, welches das Bild für das linke und das rechte Auge abwechselnd projiziert. Dafür ist ein Synchronisationsverfahren notwendig, mit dessen Hilfe 3D-Daten von einem Server per Infratotverbindung zur Brille transportiert werden. Neu ist nun eine Bluetooth-Brille, die Anfang Januar vorgestellt wurde und einen besseren Datendurchsatz sowie mehr Verbindungssicherheit garantiert. Bei diesem System treten ebenfalls keine Beeinträchtigungen bei der Bildqualität auf, wenn man den Kopf neigt. XPAND benötigt nur einen Beamer. Hauptnachteil des Systems sind die hohen Brillenpreise und die Tatsache, dass die momentan eingesetzten Brillen fest eingebaute und nicht austauschbare Akkus besitzen, die nach 200 bis 300 Ladezyklen verbraucht sind. 

IMAX als Doppelprojektionssystem

Doppelprojektionssysteme verwenden ein Polarisationssystem und benötigen des Weiteren zwei Projektoren und zwei Polarisierer sowie ein Polarisationsfilter-Brillensystem. Letzteres ist recht preiswert, zudem liefert diese Mimik bedingt durch die zwei zum Einsatz kommenden Beamer auch für große Räume viel Helligkeit. Die sehr gute Trennung der Farbkanäle ist ein weiterer Vorzug. Aber Als weiterer Kostenfaktor wäre auch hier die zu erwerbende Silberleinwand aufzuführen. IMAX arbeitet nach diesem Prinzip. Es wird für jedes Auge ein Bild durch zwei Kameras aufgenommen und mittels Polarisationstechnik wiedergegeben. Nachteil dieser Technik ist zudem, dass der Zuschauer für ein optimales Seherlebnis praktisch mittig vor der Leinwand sitzen muss. 

4. Verschiedene 3D-Brillen

Shutterbrille

Zunächst zu nennen wäre die aktive Shutterbrille, wie sie auch in modernen 3D Konzepten für Consumer zum Einsatz kommt (z.B. Panasonic, Sony oder Samsung). Die Brillen „Gläser“ bestehen aus zwei kleinen Flüssigkeitskristall-Monitoren. Das Prinzip der LCD-Technologie kommt auch hier zum Tragen: Elektronisch werden die beiden LCD-Anzeigen zwischen lichtdurchlässig und lichtundurchlässig umgeschaltet – daher „aktiv“. So lässt sich wahlweise das linke oder das rechte Auge abdunkeln, um dem menschlichen Gehirn zwei getrennte Bilder für eine korrekte 3D Wahrnehmung anzuliefern. 

Farbfilterbrillen

Aus den Anfängen der 3D Ära in den 50er Jahren des vergangenen Jahrtausends stammt die Anaglyphenbrille (Farbfilterbrille). Bei diesem Konzept wird die Bildtrennung durch die Verwendung von Farbfiltern vorgenommen. Das rechte sowie das linke Halbbild sind in den überwiegenden Fällen mit Rot/Blau oder Rot/Grün eingefärbt. Nachteil dieser Brille war, dass man das Bild nur in schwarzweiß wahrnehmen konnte. Ende der 70er Jahre wurde dann die Farbanaglyphentechnik entwickelt – mit dem dafür patentierten „Deep Vision“ System. Diese Technologie wird dadurch gekennzeichnet, dass andere Filterfarben verwendet werden. So können – eingeschränkt – auch Farben vom Betrachter wahrgenommen werden. Die aus Dänemark stammende Forma „Color-Code 3D“ hat ebenfalls ein eigenes Farbanaglyphen-System entwickelt, hier kommen die Filterfarben Blau für das rechte und Gelb/Orange für das linke Auge zum Einsatz. 

Infitec-Verfahren

Dieses Verfahren arbeitet komplett farbneutral und wurde von der Firma Infitec (Interferenzfiltertechnologie) aus Ulm entwickelt und wird von Dolby in Lizenz verwendet. In einigen modernen digitalen 3D-Kinos kommt dieses System mit Dolby 3D-Brillen zum Einsatz. Die Bilder für das rechte und das linke Auge werden mit Grundfarben in unterschiedlichen Wellenlängen projiziert (Wellenlängen-Multiplexing). Das Lichtfilter trennt das Licht der Grundfarben Rot, Grün und Blau in jeweils zwei verschiedene Wellenlängen für das linke und das rechte Auge. Durch entsprechend trennscharfe Interferenzfilter in der wiederverwendbaren 3D Brille aus Kunststoff wird dafür gesorgt, dass jedes Auge jeweils nur ein Triplet an Grundfarben zu sehen bekommt. Die durch das Abweichen der Grundfarben – bedingt durch die unterschiedlichen Wellenlängen – begründeten Differenzen in der Farbwahrnehmung für das linke und das rechte Auge wird durch eine digitale Farbkorrektur vor der Projektion ausglichen, um ein subjektiv farbechtes Bild zu erreichen. 

Chroma Depth-Brillen

Diese Technik wurde von der Firma American Paper Optics entwickelt. Basis ist, dass bei einem Prisma Farben unterschiedlich stark gebrochen werden. Unter einem Prisma versteht man einen geometrischen Körper, der ein Vieleck als Grundfläche aufweist und dessen Seitenkanten parallel verlaufen sowie gleich lang sind. Die Chroma Depth-Brille enthält speziell entwickelte Sichtfolien, die aus extrem kleinen Prismen bestehen – je nach Farbe werden Lichtstrahlen aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich stark abgelenkt. Kommt nun bei einem Brillen „Glas“ eine Prismenfolie und beim anderen Glas eine normale Klarsichtfolie zum Einsatz, dann werden die beiden gesehenen Bilder , je nach Farbe, zueinander mehr oder weniger stark versetzt – und das menschliche Gehirn kann exakt aus dieser Differenz den 3D-Eindruck erzeugen. Vorzug dieser Technik ist es, dass man nicht auf 3D festgelegt ist, sondern die Bilder ohne unschöne Nebeneffekte auch in 2D betrachten kann. Nachteil: Farben sind nur beschränkt wählbar, da die Farben wie erläutert Informationen über die Bildtiefe und somit für die korrekte räumliche Wahrnehmung enthalten. Wird also die Farbe eines Objektes verändert, so ändert sich der Effekt der räumlichen Wahrnehmung. 

Polfilterbrillen/Polarisationsfilterbrille

Bei diesem Typ von Brille kommen zwei Polarisationsfilter zum Einsatz, welche beim einzelnen Auge um 90 Grad gedreht sind und nur das jeweils passend polarisierte Licht durchlassen. Die Folge: Jedes Auge erhält „sein“ eigenes Bild. Somit kommen Informationen aus zwei Bildern im Gehirn an, welches aus der visuellen Differenz einen Effekt dreidimensionaler Wahrnehmung erzeugt. 

5. Vorstellung: Der offizielle Blu-ray 3D Standard

Die Blu-ray Disc Association hat im Dezember 2009 die Festlegung der offiziellen Spezifikationen für die 3D Blu-ray angekündigt. Es werden Bilder in 1080p für das linke und für das rechte Auge ausgegeben, was durch den aktuellen HDMI Standard 1.4 auch unterstützt wird. Die vielen User, die HDMI 1.3 Komponenten nutzen, müssen, wollen sie in 3D Filme betrachten, mit einer verringerten Bildauflösung leben. Dadurch, dass für das linke und das rechte Auge jeweils ein Bild mit Full HD-Auflösung bereit gestellt wird, steigt natürlich das Datenvolumen einer 3D-BD beträchtlich. Blu-rax-Discs liegen mit einer Kapazität von 50 GB aber so hoch, dass auch ein 3D-Film nebst passenden HD-Audiotonspuren und Zusatzmaterial untergebracht werden kann. Der im BD-Spieler verbaute Chip muss für den 3D-Einsatz natürlich eine deutlich höhere Rechenleistung erzielen. Erste BD-Spieler mit 3D-Wiedergabefähigkeit wurden z.B. von Panasonic und Samsung auf der CES in Las Vegas dem Publikum präsentiert. Auch für die Playstation 3 (mit HDMI 1.3) ist ein Upgrade in Planung, so dass 3D BDSs abgespielt werden können. Allerdings aufgrund der Tatsache, dass die PS3 hardwareseitig nur über eine HDMI 1.3 Schnittstelle verfügt, steht nicht die volle 1080p Auflösung im 3D Betrieb zur Verfügung. Um 1080p in 3D genießen zu können, ist eine HDMI 1.4-Schnittstelle erforderlich, die alle relevanten 3D-Standards unterstützt und entsprechend umsetzen kann. Die Auswahl des Verfahrens für die 3D-Darstellung auf dem Fernseher oder auf der Leinwand bleibt dem jeweiligen Hersteller überlassen – ob mit Shutter- oder Polarisationsbrille, die 3 D-BD funktioniert mit beiden Systemen. 3D Blu-ray-Discs sind abwärts kompatibel, so laufen die Scheiben auch auf herkömmlichen BD-Spielern. Für die 3D-Wiedergabe auf Blu-ray-Discs wird der um „Multiview Video Coding“ erweiterte H-264-Video-Codec zum Einsatz kommen. Bei der Verwendung von MPEG4-MVC werden getrennte Bilder für das linke und das rechte Auge abgespeichert, hinzu kommen grafische 3D-Menüs und Untertitel in 3D. 

6. 3D als Chance für Kino und Unterhaltungselektronik?

Wir denken, dass das Aufkommen moderner 3D-Wiedergabeverfahren zunächst zu einer Renaissance großer Kinosäle führt – das Erlebnis „Kino“ ist wieder eine Eintrittskarte Wert. Welches der Projektions- und Brillensysteme sich durchsetzen wird, kann aktuell nicht gesagt werden, es ist daher von einer Koexistenz der verschiedenen Ansätze zumindest für die nächste Zeit auszugehen. Für die Zukunft werden noch weitere 3D-Systeme den Markt bereichern. Auf der IFA 2009 deutete sich schon an, was die CES 2010 endgültig bestätigte: Auch für den Consumerbereich ist 3D DAS Thema der nächsten Zeit. In einer breiten Zeitspanne von Frühjahr bis Ende 2010 werden die ersten Produkte verfügbar sein, die ein 3D-Erlebnis zu Hause ermöglichen. Durch den offiziellen Standard für 3D-Blu-rays und durch die Verabschiedung von HDMI 1.4 ist der Weg geebnet. Die Frage stellt sich allerdings, ob der Consumer, besonders in Europa, nach dem immer noch nicht abgeschlossenen Wandel von SD zu HD schon für die nächste Innovation und vor allem auch für die nächste Investition bereit ist. Hier wird die Zukunft zeigen, ob sich nur der harte Kern der technikbegeisterten „Early Adopters“, oder auch der „durchschnittliche“ Filmfreund zur Anschaffung eines 3D-Heimkinos entscheidet. Ganz maßgeblich hängt dies auch von der Preisgestaltung für Displays/Brillensysteme und entsprechende BD-Spieler ab. 

Text: Philipp Kind, Carsten Rampacher
10. Januar 2010

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