Einleitung

Wir leben in einer dreidimensionalen Welt und trotzdem existieren kaum Möglichkeiten, einen Gegenstand korrekt virtuell im Raum darzustellen. Viele dreidimensionale Displays zeigen nur eine Seite eines Objektes und dazu benötigt jeder Zuschauer auch noch eine Brille. Dabei sollte es doch so einfach sein wie in Science Fiction Filmen, wo raumfüllende interaktive Grafiken, Weltkarten und vieles mehr spielend leicht angezeigt werden. Auf YouTube stiess ich auf ein Video des USC Institute for Creative Technologies, in welchem ein Display genau dies kann. Ziel meiner Maturaarbeit war es, ein 3D Display, das ein komplettes Objekt darstellen kann, zu konstruieren und zu verstehen.

Funktionsweise

Im Video scheint die 3D Anzeige sehr einfach zu sein. Nur ein Beamer und ein drehender Spiegel sind nötig, um interaktive Objekte oder Videos in 3D darzustellen. Über dem schnell drehenden Spiegel, der in einem 45° Winkel angebracht ist, befindet sich ein Beamer, der Bilder nach unten projiziert. Der Beamer zeigt für alle potentiellen Zuschauerinnen und Zuschauer ein anderes Bild, welches nur genau dann angezeigt wird, wenn es vom Spiegel in die richtige Richtung reflektiert wird. So können mehrere Personen gleich- zeitig aus allen Richtungen sehen, was auf dem Display dargestellt wird. 

Der Beamer projiziert über einen Spiegel die zuvor ausgerechneten Bilder auf die Anzeigefläche. Sie ist in einem 45° Winkel angebracht, damit das Bild von möglichst vielen Standorten sichtbar ist. Die Anzeigefläche rotiert mit zehn bis zwanzig Umdrehungen pro Sekunde und immer wenn sie sich um einen gewissen Winkel gedreht hat, wird vom Beamer ein neues, leicht verändertes Bild angezeigt. So wird eine Raumaufteilung erreicht. Damit das Objekt erkennbar ist, darf aus jedem Ansichtswinkel nur ein einziges projiziertes Bild sichtbar sein. Die Anzeigefläche muss also aus einem Material bestehen, welches nur dann ein Bild anzeigt, wenn  die Anzeige genau rechtwinklig zum Betrachter steht. In allen anderen Fällen sollte nichts sichtbar sein, da es sonst zu Überlappungen der Raumsektoren käme.

Umsetzung

Konstruktion

Ich hatte die Möglichkeit, alle Bauteile mit einer CNC Maschine aus Plexiglas zu fräsen. Das bedeutet, dass ich jegliche Formen herstellen konnte, solange sie zweidimensional sind. Deshalb entschied ich mich für ein Design aus mehreren Platten, die über vier Aluminiumröhren übereinander befestigt sind. Damit die Platten in der Höhe unbeweglich sind, verwende ich zwei Aluminiumröhren mit unterschiedlichem Durchmesser, die ineinander passen. Um die Konstruktion möglichst flach zu halten, und um den Beamer einfach zu befestigen, leitet ein Spiegel das Licht auf die Anzeigefläche um. Der Motor und dessen Elektronik, sowie die Stromversorgung, befinden sich zwischen den beiden unteren Platten im Fuss der Konstuktion, der mit Holz verkleidet ist. Auf den Drehteller kann eine leichte und stabile Konstruktion gesteckt werden, die die Anzeigefläche in einem 45° Winkel hält.

Bildherstellung

Die Bilder, die vom Beamer angezeigt werden, erstellte ich in mehreren Schritten. Zu Beginn die Planung: Wie müssen diese Bilder überhaupt aussehen? Danach kommt die Erzeugung der Bilder mit der 3D Videosoftware Blender, gefolgt von der Nachbearbeitung mit Adobe Photoshop. Um die Bilder möglichst einfach zu erstellen, bildete ich die Situation in der 3D-Software nach. Anstelle des Beamers steht die Kamera. Sie zeigt nach unten auf einen Spiegel, der wie die Anzeigefläche meines Displays, um 45° geneigt ist. Direkt vor dem Spiegel befindet sich das Objekt, das dargestellt werden soll. Die verschiedenen Bilder entstehen, wenn der Spiegel mit dem Objekt rotiert. Der Spiegel dreht sich dabei um seinen Mit- telpunkt wie auch der Drehteller des Displays. Das Objekt bewegt sich auf einer Kreisumlaufbahn rotiert selbst aber nicht mit. Seine Ausrichtung bleibt im Vergleich zur Kamera immer gleich.

Ergebnis

Das fertig aufgebaute Display hat eine Grundfläche von 33 cm ∙ 33 cm und eine Höhe von 45 cm. Um das Display zu starten und ein Objekt anzuzeigen, muss das Gerät an die Stromversorgung angeschlossen werden. Sobald der Beamer läuft, müssen die Bilder mit dem PC auf den Beamer geladen werden.

Die dargestellten Objekte sind gut erkennbar und stehen Stabil an einem Ort, auch wenn man um das Display herumläuft. Es hängt stark vom dargestellten Objekt ab, wie überzeugend das Display wirkt. So wirkt eine Erdkugel, die von überall gesehen die selbe Form hat, nicht so überzeugend wie ein Auto, das eine neue Form annimmt, wenn man sich bewegt. Dies liegt auch daran, dass die 3D Objekte aufgrund der Limitationen des Beamers, nur mit einer binären Farbskala angezeigt werden können.

Technologien

Für meine Arbeit verwendete ich verschiedenste, teils sehr neue, Technologien.

Beamer

Das Herzstück meines Displays ist der Beamer von Texas Instruments, der DLP LightCrafter. Es ist ein kompakter LED Beamer. Als Bildwandler wird ein Digital Micromirror Device, kurz DMD, verwendet. Ein DMD besteht aus einer Anordnung von Spiegeln, die sich individuell umkippen lassen und so das Licht der LEDs entweder auf oder weg von der Projektionsfläche leiten. Jeder Spiegel ist dabei ein Pixel, welches an oder aus ist. Der Vorteil gegenüber einem handelsüblichen Projektor ist die höhere Geschwindigkeit. Der DLP kann monochrome Bilder mit einer Bildwiederholungsfrequenz von 4000 Hz anzeigen.

Anzeigefläche

Die Anzeigefläche muss die Eigenschaft haben, ein darauf projiziertes Bild nur in einem sehr engen Winkel wiederzugeben. Es gibt spezielle Folien für Computer- und Handydisplays, die diese Eigenschaft haben. Die sogenannten Blickschutzfolien verdunkeln die Sicht immer stärker, je mehr das Display vom Betrachter weggedreht wird. Handelsübliche Blickschutzfolien haben aber einen Sichtwinkel von über 30°. Nachdem ich beim ICT Graphics Lab nachgefragt habe, erfuhr ich, dass gebürstetes Aluminium genau diese Eigenschaften hat. Durch das waagrechte Bürsten der Aluminiumplatte entsteht in eine Richtung eine raue Oberfläche. Das von oben eintreffende Licht wird an der Oberfläche diffus Reflektiert. Dies geschieht aber nur auf der Ebene senkrecht zur Platte, da alle Kanten des Aluminiums genau waagrecht verlaufen, und das Licht nicht seitlich reflektiert werden kann.

Arbeit

Bei meiner Arbeit wurde ich massgeblich von meinen Onkel Bruno Eberle, meinen Vater Martin Kompis, und meinem Betreuer Marc Eyer unterstützt. Bruno stellte mir seine Einrichtung zur Verfügung und half beim Bau und der Konstruktion. Mein Vater erarbeitete den Schaltkreis, welcher für die Synchronisation des Motors und des Beamers zuständig ist. Marc Eyer stand immer zur Verfügung, wenn es darum ging, physikalische Fragen zu klären.

Vielen Dank!

Quellen

Das Youtube-Video, welches als Vorbild diente ist unter dem Folgenden linkt zu finden: http://www.youtube.com/watch?v=FF1vFTQOWN4 (04.03.2013)

Die genaue Quellenangabe finden Sie auf Seite 28 meiner Maturaarbeit.

Tagebuch

Zu Beginn analysierte ich das Video. Dabei achtete ich mich auf den Aufbau des gezeigten Displays und auf die Funktionsweise. Ich bestellte danach die nötigen Komponenten, wie z.B. den Beamer, und begann ein Konzept zu erarbeiten. Die Idee setzte ich später mit einer 2D Grafiksoftware um, bis ich einen Plan von jedem einzelnen Teil hatte. Mit einer CNC-Maschine fertigte ich dann die Konstruktion. Diese ist so gezeichnet, dass der Beamer, die Elektronik und der Motor pssgenau eingebaut werden können. Bevor ich etwas auf dem Display anzeigen konnte, setzte ich mich mit der 3D-Bildherstellung auseinander, und erstellte mehrere Objekte welche angezeigt werden können. Nach einer Testphase montierte ich alles und verkleidete die Elektronik mit Holz.

Eine detaillierte Beschreibung aller Arbeitsphasen finden Sie in meiner Maturaarbeit.