Ein Algorithmus für mehr 3D-Sehgenuss

Damit 3D-Filme kein Kopfweh verursachen, muss mit dem stereoskopischen Effekt sehr sorgfältig gearbeitet werden. Das ist bei Filmproduktionen aufwendig und teuer. Forscher von «Disney Research Zurich» präsentieren eine Methode zur nachträglichen Bearbeitung des Tiefeneindrucks von 3D-Bildern. Damit könnten zukünftig auch zweidimensionale Bilder vereinfacht in 3D umgewandelt werden.

Spätestens seit dem Kinoerfolg von «Avatar» sind dreidimensionale Filme in aller Munde. Im Kino hat sich die dritte Dimension bereits durchgesetzt. So hat zum Beispiel Walt Disney angekündigt, in Zukunft sämtliche Kinofilme in 3D zu produzieren. Ähnliches geschieht nun auch beim Fernsehen: Der britische Fernsehkanal BskyB will noch dieses Jahr einen reinen 3D-Kanal starten, in Japan strahlt BS 11 schon einen Teil des Programms in 3D aus und der Walt Disney-eigene Sportkanal ESPN hat an der WM in Johannesburg erstmals Fussballspiele dreidimensional übertragen.

3D-TV-Sets sind heute in jedem besseren Elektronikfachgeschäft zu kaufen . Das hat nicht nur für die Filmindustrie Konsequenzen, sondern auch für die Forschung: «Die gesamte Produktionskette, von den hochkomplexen 3D-Kameras über die Signalverarbeitung bis hin zur Ausstrahlung der Bilder über autostereoskopische LCD-Bildschirme, stellt uns vor komplett neue Herausforderungen», erklärt Aljosha Smolic. Er ist Mitarbeiter bei «Disney Research Zurich», einer Industriekooperation der ETH Zürich mit Walt Disney im Bereich der Videotechnologie.

Gegen Überforderung des menschlichen Gehirns

Smolics Forschungsgruppe hat eine Methode vorgestellt, wie bestehendes 3D-Filmmaterial optimiert und dessen Tiefenwirkung verbessert werden kann. «Wir müssen aufpassen, dass wir das menschliche Hirn mit 3D nicht überfordern, sonst wird die Technologie von den Konsumenten abgelehnt», befürchtet Smolic. So geschehen in der Vergangenheit, als erste 3D-Kinoexperimente bei Zuschauern Übelkeit und Kopfweh auslösten. Unser Hirn braucht für die dreidimensionale Illusion zwei leicht unterschiedliche Bilder im linken und rechten Auge. Je grösser diese «Verschiedenheit» der beiden Bilder, auch Disparität genannt, desto stärker ist der dreidimensionale Effekt.

Umso grösser ist aber auch die Gefahr einer Wahrnehmungsstörung beim Betrachter. Wenn ein Schauspieler in einem Film quasi aus dem Bildschirm hinausspringt, kann das irritierend sein. Damit 3D ein Genuss ist, muss beim Tiefeneindruck deshalb eine bestimmte «Komfortzone» eingehalten werden. Ein guter 3D-Kameramann schaut, dass der Tiefeneindruck stets in der Komfortzone liegt. Trotzdem müssen einzelne Szenen oft nachträglich am Computer bearbeitet werden, was sehr aufwändig ist.

Neuer Algorithmus

Mit einem von Smolic und seinem Team entwickelten Algorithmus können einzelne Bildpunkte für eine ausgeglichene Tiefenwirkung neu berechnet werden. Mit nicht-linearen Eingriffen können die Forscher auch Veränderungen auf einzelne Ebenen im Bild beschränken oder die Tiefenstruktur einer Filmszene auf der Basis von einzelnen Objekten verändern. Zudem beinhalten die Algorithmen eine zeitliche Komponente, da unsere dreidimensionale Wahrnehmung auch von der zeitlichen Beziehung der beiden Einzelbilder für das rechte und das linke Auge abhängt.

Dieses Set an Funktionalitäten – beschrieben in mehreren Algorithmen - stellen Smolic und sein Team nun für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Zum Testen der Wirksamkeit haben sie mehrere fehlerhafte 3D-Filmsequenzen mit ihrer Software neu berechnet. Die nachbearbeiteten Sequenzen wurden schliesslich zusammen mit dem Original einer Gruppe von 21 Probanden vorgeführt. 81 Prozent erkannten den Film mit dem grösseren Tiefeneindruck, womit für Smolic bewiesen ist, das die angewandten Bildmanipulationen in den meisten Fällen wirklich zu einem visuell wahrnehmbaren Effekt führten. Die Frage nach dem Originalvideo konnten 56 Prozent der Befragten nicht beantworten. 25 Prozent lagen mit ihrer Angabe richtig und 19 falsch. Daraus schliesst Smolic, dass es seinem Team gelungen ist, den Tiefeneindruck der Videos zu verändern, ohne dabei die Bildqualität zu verschlechtern: «Wären in unseren Videos Störungen aufgetaucht, so hätte die Mehrzahl der Probanden die Originale sofort erkannt.»

Korrekturen in Echtzeit

Smolics Software ist auch für 3D-Fernseh-Liveübertragungen interessant. Vor allem bei Sportübertragungen mit stereoskopischen Kameras ist es schwierig, den 3D-Effekt manuell stets im richtigen Bereich zu halten. Zu rasch springt ein Fussballspieler plötzlich aus dem komfortablen Tiefenbereich der Fernsehzuschauer hinaus. Ein Mikrochip in der Aufnahmekamera könnte die Disparität einer solchen Aufnahme in Echtzeit neu berechnen, so dass der stereoskopische Effekt wieder in der Komfortzone der Fernsehzuschauer liegt. Ein ähnlicher Chip könnte auch in 3D-Fernseher eingebaut werden, damit billige, fehlerhafte 3D-Produktionen in Echtzeit korrigiert werden. Die Stärke der Korrektur liesse sich zusätzlich über die Fernbedienung an die individuellen Bedürfnisse der Zuschauer anpassen, so Smolics Vision.

Auch die Umwandlung von zweidimensionalen Filmen in 3D-Filme könnte bald von Smolics Software profitieren. Da die Filmproduktion mit stereographischen Kameras für dreidimensionale Bilder sehr aufwendig und teuer ist, filmen viele Studios mit herkömmlichen Kameras und übertragen das Filmmaterial in monatelanger digitaler Nachbearbeitung in die dritte Dimension. So geschehen zum Beispiel beim kürzlich angelaufenen Disney-Film «Alice in Wonderland». Hunderte von Programmierern erstellen am Computer für jedes Bild eine leicht verschobene Kopie für den stereoskopischen 3D-Effekt ­– ein enormer Aufwand. Dieser Prozess könnte mit seinem Algorithmus wesentlich beschleunigt werde, so Smolic. Mussten die Programmierer nämlich bisher jedes Bild in seine Elemente zerlegen und für diese eine exakte «Tiefenkarte» erstellen, so kommt seine Methode auch ohne detaillierte Tiefeninformationen aus.

Erste Pilotsysteme für die beschriebenen Anwendungen wurden bereits entwickelt und getestet. Nun wollen die Forscher zusammen mit den amerikanischen Partnern von Walt Disney erste praxistaugliche Systeme entwickeln. Wann der erste Disneystreifen zu sehen ist, der unsere «Komfortzone» dank komplexer Mathematik im Hintergrund nicht mehr verlässt, lässt sich heute aber noch nicht sagen.

Quelle: Samuel Schlaefli, ETH Life