TV Technik

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Geschichte der Grundig 3D TV Entwicklung 1989-2008

 

4 Abb01

Abb. 1: Grundig Entwicklungsarbeiten vom 3D-TV 100 Hz Bildröhrengerät mit Shutterbrille zum brillenlosen autostereoskopischen 3D-LCD-TV Flachbildgerät (Grundig M 72-490 Reference; Grundig 3D Tharus 30; Brille Elsa)

Einführung

Dem Traum der Menschen von einer naturgetreuen Übertragung und Wiedergabe  von Szenen und Ereignissen in die eigenen vier Wände kommen heutige Fernsehgeräte mit neuester Signalverarbeitung und Displaytechnologie schon sehr nahe. Der flache Bildschirm an der Wand ist Realität geworden. Die großformatige, detailgetreue Wiedergabe, angepasst an die Physiologie des menschlichen Gesichtssinnes durch 16:9 und HDTV ermöglicht eine bisher nicht gekannte Einbezogenheit in das Geschehen auf dem Bildschirm. Dies wird mit Telepräsenz oder heute auch mit Immersion bezeichnet. Nun fehlte den hochauflösenden Bildern nur noch die dritte Dimension der realen Welt d.h. die räumliche Darstellung, was mit neueren 3D-Flachbildfernsehgeräten inzwischen auch möglich geworden ist.

Im Folgenden soll nun am Beispiel der GRUNDIG Fernsehentwicklung gezeigt werden, dass diese technische Innovation nicht plötzlich vom Himmel gefallen ist, sondern schon Jahrzehnte vorher Entwicklungsarbeiten geleistet wurden.

Geometrie des räumlichen Sehens

Bevor wir versuchen den Entwicklungsfortgang von 3D bei GRUNDIG zu schildern betrachten wir zum besseren Verständnis zunächst die geometrische Basis des räumlichen Sehens. Weil die beiden Augen horizontal um den Augenabstand (bei Erwachsenen ca. 60 bis 70 mm) voneinander getrennt sind, sehen wir dieselbe visuelle Szene von zwei unterschiedlichen Ausgangspunkten und damit aus zwei unterschiedlichen Perspektiven.

 

4 Abb02

 

Die Geometrie des räumlichen Sehens. Horizontaler Schnitt durch das rechte (AR) und linke Auge (AL) von oben gesehen

 

Abb. 2 veranschaulicht dies anhand eines horizontalen Schnitts durch das rechte (AR) und linke Auge (AL), der von oben gesehen wird. Um den Pfeil scharf und dreidimensional zu sehen schwenken die Augenmuskeln die Augen in den jeweils entsprechenden Winkel (Konvergenz) und der Muskel der Augenlinse sorgt durch Einstellung der richtigen Brennweite (Akkommodation) für eine scharfe Abbildung. Wie wir sehen können sind die Abbildungen des Pfeiles auf der Netzhaut des rechten und des linken Auges unterschiedlich. Jedes technische 3D-Verfahren, das eine originalgetreue Wiedergabe ermöglichen will, muss dafür sorgen dass diese zwei unterschiedlichen Perspektiven dem jeweils richtigen Auge wieder angeboten werden. In der Abb. 3 sehen wir wie jetzt an der Stelle der beiden Netzhäute des rechten und des linken Auges die beiden Bildaufnahmesensoren der rechten und der linken Kamera. Auch die beiden Kameras müssen im Normalfall im Augenabstand voneinander montiert sein. Wenn dies aufgrund der Baugröße nicht möglich ist, wie das z.B. bei professionellen Film- oder Fernsehkameras der Fall ist, wird dies mittels des optischen Strahlengangs  durch Spiegel und Prismen gewährleistet.

 

4 Abb03

Abb. 3: Horizontaler Schnitt durch rechte und linke Kamera (von oben gesehen). Bei der Aufnahme eines Stereobildes werden die beiden Augen durch die beiden Kameras ersetzt. 

Entwicklungsanstoß aus der Grundlagenforschung (Kernforschungszentum Karlsruhe)

Bei GRUNDIG kam der Anstoß im Januar 1989 durch das damalige Kernforschungszentrum Karlsruhe Abteilung Steuerungssysteme und Kommunikation (heute Forschungszentrum Karlsruhe). Dort wurde das weltweit erste 100 Hz Serienfernsehgerät, der GRUNDIG  Monolith 70-390/7, als Basis für einen kostengünstigen 3D-Monitor angedacht. Man wollte damit ein mit Greifarmen ausgestattetes fernsteuerbares Fahrzeug mit einer Stereokamera ausstatten damit die bedienende Person die Aktionen auch räumlich beurteilen kann. Heute würde man dies als Rescue-Roboter bezeichnen. Als Einsatzgebiete waren Situationen gedacht die für Menschen mit sehr großen Gefahren verbunden gewesen wären (z.B. radioaktive Strahlung, giftige Gase, Einsturzgefahr usw.).

Shutterbrillentechnik (LCD-Lichtventil)

Seit Anfang der 80er Jahre waren Liquid Crystal Shutters schnell genug um als Lichtventil für die 3D-Film- und 3D-Video-Technik eingesetzt werden zu können. Bei diesem Verfahren werden sequentiell hintereinander das Bild für das linke- und das rechte Auge gezeigt.

 

4 Abb04

Das Shutterbrillenverfahren. Die Brille lässt für das linke und das rechte Auge nur das zugehörige Kamerabild passieren.

 

Die Shutterbrille wird mit einem drahtlosen Synchronsignal angesteuert und die eingebaute Steuerelektronik sorgt dafür, dass dann jeweils das richtige Auge freie Sicht bekommt. Bei dem damals üblichen PAL/CCIR Standard beträgt die Halbbildfrequenz 50 Hz, es werden also 50 Halbbilder in der Sekunde auf dem Bildschirm gezeigt. Würde man nun jeweils aufeinanderfolgend ein linkes und ein rechtes Bild auf dem Bildschirm darstellen, so würde die Wechselfrequenz nur 25 Hz betragen. Es würde ein starker Rechts/Links-Flickereffekt entstehen der das System Auge/Gehirn zu stark belastet. Deswegen ermöglichte erst eine weitere technische Innovation in der Fernsehgerätetechnik, die sog. 100 Hz Technik, neben der Shutterbrille die Entwicklung eines kostenmäßig akzeptablen 3D TV-Systems.

Hintergrund für die Entwicklung der 100 Hz Technik war das Großflächenflimmern bei Bildröhren. Dabei zeigen große helle Bilder oder Bildteile ein deutliches Flimmern. Die Ursache dafür lag in der zu niedrigen Bildwechselfrequenz. Physiologische Untersuchungen erbrachten, dass bei Bildröhren Bildwechselfrequenzen von mindestens 70 Hz für eine flimmerfreie Bildwiedergabe erforderlich waren. Dies galt für Bildschirmarbeitsplätze mit Bildröhrenmonitoren in der EDV-Technik als Richtlinie. Hier sei kurz die Bemerkung eingeschoben, dass die  Anwendung von höheren Bildfrequenzen wie 100 Hz oder 200 Hz bei heutigen LCD-Flachbildgeräten eine andere augenphysiologische Ursache hat (siehe Anhang Literatur Maul, K. Die raffinierten Tricks der Bildverbesserer ).

Der Grundig Monolith 70-390/7, der ab Juli 1987 in limitierter Auflage produziert wurde, war nun als erstes Serien-Farbfernsehgerät mit 100Hz-Technik ausgestattet. Um schnellstmöglich ein großflächenflimmerbefreites Gerät fertigen zu können, wurde auf die Verwendung von kundenspezifischen Schaltkreisen verzichtet. Deshalb mussten als Speicherschaltkreise digitale CCD-Speicher (317 kBit) verwandt werden, da diese einen wesentlich geringeren Steueraufwand für die mit Standard-Logik-Schaltkreisen aufgebaute Speichersteuerung erforderten. Dieser digitale CCD-Speicher (SAA 9001 von Valvo) besaß eine serielle Struktur. Dies bedeutete bei Verwendung in einem Bildfrequenzwandler  (Scan Rate Converter) zur Halbbildverdopplung, dass zwei Halbbildspeicher benötigt wurden. Der eine wurde mit dem jeweils aktuellen „Sender“-Halbbild beschrieben, während der Inhalt des Anderen, der das vorherige Halbbild enthielt, zweimal auf dem Bildschirm dargestellt wurde. Bei 100 Halbbildwechseln in der Sekunde war selbst bei großen Helligkeitswerten kein Großflächenflimmern mehr erkennbar. Die Abb. 5 zeigt dieses Gerät mit den beiden aufgeklappten Platinen des mit Feature Box bezeichneten Moduls, das Bildspeicher und Speichersteuerung enthält. Wie zu sehen ist war diese Einheit mit fast 100 einzelnen Standard IC’s aufgebaut.

4 Abb05

Abb. 5: Erstes 100 Hz TV-Seriengerät Grundig M70-390/7 Text mit aufgeklappten Platinen der Feature Box  (Bildspeicher, Steuerschaltung, AD- und DA-Converter). Das Kernforschungszentrum Karlsruhe erweiterte das Gerät um eine weitere Feature Box um 3D-Betrieb zu ermöglichen. (Maul, K.; Müller, G. 1987 TV-Bild ohne Flimmern Funkschau Heft 14, 1987, Franzis Verlag)

Das Kernforschungszentrum Karlsruhe rüstete nun einen Grundig M70-390/7 mit einer weiteren Feature Box aus und erhielt so einen Prototyp eines 3D-Monitors für die Wiedergabe von räumlichen Bildern nach dem Shutterbrillenprinzip.  Über diesen Prototyp hinaus entfaltete das Kernforschungszentrum Karlsruhe keine weiteren Aktivitäten bezüglich des Grundig 100Hz TV Gerätes. Wahrscheinlich war die Zeit noch nicht reif für „Rescue-Roboter“ mit 3D-Bildübertragung zur Fernhandhabung. Der Grundig M70-390/7  (Digi I) wurde damals mit einer limitierten Auflage von ca. 3000 Stück gefertigt.

Entwicklungszusammenarbeit mit der Fa. Zeiss Oberkochen (Medizintechnik)

Um die Baugröße und die Anzahl der Schaltkreise zu verkleinern wurde schon 1988 die zweite Generation von Grundig 100 Hz Fernsehgeräten (Digi II) entwickelt und in den Fertigungsprozess überführt. Mit der inzwischen erfolgten Markteinführung von sogenannten Dual Port DRAM-Speichern erforderte nun die Halbbildverdopplung im Gegensatz zur ersten Grundig 100Hz-Generation nur mehr einen Halbbildspeicher. Um den hohen Datenstrom, den ein digitalisiertes Videosignal liefert mit den damaligen DRAM-Zugriffszeiten speichern zu können musste auf eine breite Parallelisierung  der Daten gesetzt werden. Es kamen neun DPRAM’s  mit jeweils 64k x4 also 256 kbit  zum Einsatz. Die Halbbildspeicherkapazität betrug damit ca. 2,3 Megabit. Die Speichersteuerung und das Ein- und Ausgangsinterface zu den Dualport-DRAM’s sowie die komplette Multistandard Farbdecodierung und Ablenkungsansteuerung wurde nun auf Basis digitaler Signalverarbeitung mit Large Scale Integration ICs realisiert, die bei Valvo (Philips Halbleiter) und Siemens Halbleiter  entwickelt unter dem Support der Grundig Fernsehentwicklung  mit ihrem spezifischen TV-Geräte und System-Wissen.

Aber erst mit der dritten Generation 100 Hz-Geräte (Digi III) wurden wieder 3D-Aktivitäten gestartet. Diese Geräte, die 1990 in Serienproduktion gingen, verfügten jetzt zusätzlich zur Halbbildverdopplung eine erweiterte digitale Signalverarbeitung zur Rauschunterdrückung und Reduzierung des Farbübersprechens des PAL-Standards (Crosscolor) sowie Eingänge zur separaten Y/C Verarbeitung für die nun erhältlichen S-VHS Videorecorder oder Camcorder. Das Elektroniklabor des  Geschäftsbereiches Medizinisch-Optische Geräte von Zeiss in Oberkochen hatte eine Erweiterung für das Grundig 100 Hz-Gerät M70-100 IDTV entwickelt, um dieses nachträglich tauglich für 3D-Wiedergabe nach dem Shutterbrillenprinzip zu machen. Dabei wurde ein weiterer Halbbildspeicher sowie eine kleine Steuereinheit in das Seriengerät eingebaut. In der Patentschrift DE 4134033 C1 „Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen Bildern“ vom 15.10.1991 ist explizit auf das Grundig Farbfernsehgerät 100 IDTV als Basis hingewiesen.

 

4 Abb04a

Auszug aus der deutschen Patentschrift DE 4134033 C1; Anmeldetag 15.10.91; Patentinhaber Fa. Carl Zeiss;  „Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen Bildern“; Hinweis auf die Grundig Farbfernsehgeräteserie M…-100 IDTV

 

Im Informationsblatt Med aktuell der Firma Zeiss Ausgabe Nr.: 28/91 über neue med-opt. Geräte heißt es dazu: „Neu: Räumliches Fernsehen in der Mikrochirurgie mit dem 3D-Videosystem von Carl Zeiss. Anlässlich der MEDICA ’91, die vom 20. -23. November 1991 in Düsseldorf stattfindet, werden die Messebesucher am Zeiss Stand eine hochinteressante Neuigkeit bestaunen (und bestellen) dürfen: Während der Ausstellung wird das System am Operationsmikroskop OPMI CS-I gezeigt, es lässt sich jedoch an alle Zeiss Operationsmikroskope, Untersuchungsmikroskope  und Spaltlampen anschließen. Anwendungen in der Endoskopie werden ebenfalls möglich sein. Das Kernstück des Systems bildet ein Fernsehgerät, welches alle signalverarbeitenden Komponenten enthält.“

Und in den VDI Nachrichten Nr.34 vom 21. August 1992 war die Meldung zu lesen: „Videosysteme für die Fertigung: Räumliche Fernsehbilder für den Einsatz in der Industrie,  z.B. in Verbindung mit Endoskopen oder fernsteuerbaren Manipulatoren, bietet Carl Zeiss Oberkochen, seit diesem Sommer an. Entwickelt wurde das neue System ursprünglich für die Medizin. Das neue 3D-Videosystem zeichne sich durch seinen kompakten Aufbau und seine einfache Bedienung aus, heben die Zeiss-Experten hervor. Zwei handelsübliche TV-Kameras sind an ein Fernsehgerät angeschlossen, welches das Kernstück des Systems bildet. Hier ist die Elektronik für die 3D-Bildaufzeichnung und  –wiedergabe eingebaut.“

Im August 1993 erhielt Konrad Maul von Fa. Zeiss die Mitteilung, dass das auf 3D-Wiedergabe erweiterte Grundig 100 Hz-Gerät M70-100 IDTV ein großer Erfolg sei. Gemessen natürlich an den in der Medizintechnik üblichen kleinen Stückzahlen.

Entwicklungszusammenarbeit mit der Fa. Wolf Endoskope (Medizintechnik)

Im Juni 1992 fand ein Gespräch zwischen der Grundig Fernsehentwicklung und der Forschung und Entwicklung der Fa. Richard Wolf Endoskope statt. Fa. Wolf war an uns herangetreten ob wir einen 3D-Monitor nach dem Shutterbrillensystem auf Basis unserer 100 Hz-TV-Seriengeräte für sie entwickeln und fertigen könnten. Als Einsatzgebiet war dort auch die Medizintechnik und speziell die minimal invasive Chirurgie angedacht.

Das von Fa. Zeiss gewählte Verfahren mit der Nachrüstung nur eines weiteren Halbbildspeichers in die digitale Signalverarbeitung des Grundig Gerätes mit dann nur einem A/D Konverter sowie nur einem Farbdecoder  hatte den gravierenden Nachteil, dass vertikale Auflösung sowie Bewegungsauflösung verloren ging. Fa. Wolf wollte für ihre Kunden aber die beste mögliche Performance des Stereobildes.

Deswegen machte der Verfasser den Vorschlag die von Fa. Wolf gewünschte Stereobildsequenz AR AL BR BL mittels zweier kompletter Feature-Boxen zu realisieren. Das Verfahren sei anhand der originalen Entwurfsskizze des Autors aus dem Jahre 1992 erläutert (Abb. 6).

4 Abb06

Prinzipschaltbild für einen Grundig 3D-Monitor basierend auf den Seriengeräten der 4. Generation 100 Hz wie z.B. M70-781 IDTV

 

Wir sehen auf der linken Seite die Eingänge der rechten und die linken Kamera. Die beiden Kameras sind mittels einer Synchronleitung (Gen Lock) miteinander verkoppelt und liefern jeweils ein FBAS-Signal. Die drei digitalen Signalverarbeitungsblöcke,  Analog/Digital Konverter (ADC) mit Digitalem Farbdecoder (DMSD), Halbbildspeicher und Digital/Analog Konverter DAC) stehen für die komplette digitale Signalverarbeitung, der sogenannten Featurebox, der Grundig 4. Generation (DigiIV) 100Hz Geräte wie z.B. dem M70-781 IDTV.

Einer der wichtigen Neuerungen bei dieser Serie war die Implementierung eines neuen Bildspeicher IC’s der Fa. Siemens Halbleiter. Es waren nun nur mehr drei SDA 9251 mit je 212k x 4bit Speicherkapazität anstatt der neun DPRAM’s mit je 256 kbit erforderlich um den Halbbildspeicher mit ca. 2,5 MBit zu bilden. Erreicht wurde dies durch die Implementierung von einem Schreibport und zwei unabhängigen Leseports in den Speicher IC. Wie schon erwähnt wurde aus Gründen der Performance diese komplette Featurebox noch einmal in das Gerät eingebaut. Dies hatte auch den Vorteil, dass Prüftechnik und Service beim 3D-Gerät mit nur einem Standardmodul kostengünstiger zu erreichen waren.  

 Am Ausgang  des Blocks ADC Digitaler Farbdecoder stand das decodierte Farbsignal als Luminanz (Helligkeit) sowie die beiden Farbdiffernzsignale U und V in  digitaler paralleler Form zur Verfügung. Im Halbbildspeicher wurde dann das jeweilige eingelesene Kamerahalbbild (50 Hz entsprechend 20 msec) mit doppelter Geschwindigkeit ausgelesen, sodass die Dauer halbiert wurde (100 Hz entsprechend 10 msec). Diese quasi in der Norm gewandelten digitalen 100 Hz Y, U, V Signale wurden dann im Block D/A Konverter (DAC) in analoge 100 Hz Y, U, V Signale gewandelt. Ein dreipoliger elektronischer Umschalter wählt nun, in der Prinzipskizze (Abb 6) nur einpolig gezeichnet, das für die Sequenz der 100 Hz Wiedergabe erforderliche Halbbild in der Reihenfolge AR AL BR BL aus dem D/A Ausgangssignal Rechts und dem D/A Ausgangssignal Links aus (Abb. 6 B Zeitdiagramm).

Wie aus dem Zeitdiagramm auch zu ersehen ist, konnte das Auslesen des 100 Hz  Halbbildes A und Halbbildes B jeweils erst 10 msec nach dem Beginn des Einlesens des 50 Hz Halbbildes A und Halbbildes B erfolgen. Dies war prinzipiell bedingt, da andernfalls sich noch Teile des vorhergehenden Halbbildes im Speicher befänden und fälschlicher Weise ausgelesen würden. Die Sequenz am Ausgang des Umschalters wurde an den Schaltkreis für  die Bildröhrenansteuerung weitergeleitet, der mit seiner Matrix die 100 Hz  R,G,B Signale generiert und die RGB-Endstufen ansteuert, die die Bildröhrenkathoden mit Signal versorgen. Der Block Vollbilderkennung und Displaysteuerung konnte in der praktischen Realisierung entfallen, denn die Signale zur  Steuerung des Displayumschalters und der Shutterbrille konnten aus vorhandenen Signalen der Feature Box gewonnen werden.

Kurz zum praktischen Aufbau. Wie schon erwähnt wurde ja ein normales Grundig Serien 100 Hz Fernsehgerät M70-781 IDTV so nachgerüstet, dass ein M70-781 IDTV 3D zur räumlichen Bildwiedergabe entstand. Dazu wurde die Steckbare Geräte Feature Box entfernt und eine Adapterplatine eingesteckt auf der zwei Feature Boxen für die Stereowiedergabe gesteckt werden konnten (Abb. 7). Weiterhin wurde die originale steckbare Buchsenplatte gegen eine neue für 3D entworfene getauscht. Diese Anschlussplatte enthielt die Anschlüsse für die rechte und linke Kamera (BNC und Hosiden Anschlussbuchsen) und die Anschlussbuchse für die Shuttersteuerung (SH). Für die VCR Aufnahme der Stereokameras und Wiedergabe der aufgenommenen Stereosignale waren ebenfalls Buchsen vorgesehen. Auch die Audiosignale wurden natürlich berücksichtigt. Abb. 8 zeigt die Anordnung der Anschlussbuchsen. Für ihr Gesamtkonzept benutzte Fa. Wolf Shutterbrillen und Infrarot-Sender von Stereo Graphics. Der Sender wurde an die Shuttersteuerung (SH) angesteckt).

Am 17.08.1993 erhielt die Grundig Fernsehentwicklung das VDE und CB Test Certificate des VDE Prüfinstituts für das Vorseriengerät. Die Serienfertigung hätte beginnen können. Leider konnte  Fa. Wolf im Gegensatz zu Zeiss das 3D-System nicht im Markt etablieren, sodass keine Serienfertigung erfolgte. 

 4 Abb07

MechanischerAufbau des M70-781 IDTV 3D; Mittels Adapterplatinen konnten die für die räumliche Wiedergabe benötigten zwei Feature Boxen in   das unveränderte Chassis gesteckt werden.

4 Abb08

Mechanischer Aufbau der Platte für die externen Anschüsse (Buchsenplatte des M70-781 IDTV 3D)

 

Entwicklungszusammenarbeit mit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Im April 1995 nahm Dr.-Ing. Wunderlich vom Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik Kontakt mit dem Autor auf. Einer der Tätigkeitsfelder des Instituts war die Untersuchung von Strömungsverhältnissen in Pumpen. So kann z.B. in Kreiselpumpen durch Flüssigkeits-Gas-Gemische bei zunehmender Pumpenleistung die Bildung einer Gasglocke zum Aussetzen der Pumpleistung führen. Diese Forschungsrichtung hatte ihren Hintergrund schon zu DDR Zeiten in der Unterstützung der Pumpenentwicklung für die sowjetische Erdölförderung. Um die Strömungsverhältnisse innerhalb der Pumpe zu untersuchen wurden durchsichtige „Fenster“ in die Pumpengehäuse eingebaut und durch diese Stereofotoaufnahmen, natürlich noch mit Film, gemacht. Anschließend wurden diese mittels zweier Diaprojektoren mit Polfiltern auf einen geeigneten Projektionsschirm projiziert und vom auswertenden Betrachter, der ebenfalls eine Polfilterbrille (Polfilter 3D-Technik siehe K. Maul „Quo vadis 3D“)  trug, mit Hilfe einer Traversiereinrichtung ausgemessen. Anschließend erfolgt mit Hilfe der bekannten Lage der im Objekt angebrachten Fixpunkte eine Umrechnung der Messwerte auf die Tiefenlage der gemessenen Bildpunkte.

Herr Dr. Wunderlich wollte nun den Nachteil einer zeitaufwendigen und mit Kosten verbundenen Bearbeitung des Filmmaterials durch den Einsatz von 3D-Videotechnik überwinden. Er hatte aber durch Messungen festgestellt, dass mit einer Anordnung, wie von Fa. Zeiss Oberkochen (siehe Beschreibung Seite 5) in das Grundig M70-100 IDTV 100 Hz-Seriengerät eingebaut,  die linken und rechten Bilder nicht aus gleichen Bewegungsphasen stammen. In der Strömungstechnik ist es aber wichtig, dass auch schnelle Bewegungsabläufe dreidimensional mit 50 Stereobildern  pro Sekunde dargestellt werden können. Wobei das linke und rechte Bild eines Stereobildes jeweils aus der gleichen Bewegungsphase stammen muss.

Die obigen Probleme waren aber mit dem Grundig Serien 100 Hz Fernsehgerät M70-781 IDTV 3D gelöst, das wir für Fa. Wolf Endoskope entwickelt hatten. Deswegen stellte ich Herrn Dr. Wunderlich eines dieser Pilotseriengeräte für seine Untersuchungen zur Verfügung. Seine Untersuchungen bestätigten, dass mit diesem Gerät Bewegungsabläufe optimal dargestellt werden konnten. Aus dieser Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Wunderlich entstand unser gemeinsames Deutsches und Europäisches Patent „Verfahren und Anordnung zur dreidimensionalen Videobildauswertung“ (EP 0 777 104 A2). Das Deckblatt dieses Patents ist in Abb. 9 gezeigt und enthält mit Fig.1 die Prinzipskizze der Erfindung. Anhand dieser soll nun die Funktion des Systems kurz beschrieben werden.

Mit 1 ist das auszumessende Objekt bezeichnet. Zwei mit 2 bezeichnete Videokameras liefern den rechten und den linken Bildauszug. Sie sind so aufgestellt, dass sich ihre optischen Achsen hinter dem Objekt schneiden. (Dies entspräche zum Beispiel einer Einstellung der beiden  Kameras auf das Pfeilende in der Abb. 3 zur Geometrie des räumlichen Sehens.)  Die beiden Kameras sind mittels ihrer Kamerasteuergeräte 3 synchronisiert und speisen ihre Signale in das Grundig 100 Hz Fernsehgerät M70-781 IDTV 3D, mit 5 bezeichnet, ein. 4 stellt die beiden Feature Boxen des Gerätes dar, die wie schon beschrieben jeweils getrennte Videosignalverarbeitungsschaltungen und Bildspeicher enthalten. Das virtuelle 3D-Bild ist mit 6 bezeichnet und wird bedingt durch die beschriebene Anordnung der Kameras vor dem Fernsehgerät erzeugt. Nur auf diese Weise ist eine Auswertung oder Vermessung des räumlichen Bildes des TV-Gerätes möglich. Die Infrarot-Shutterbrillensteuerung 7 sorgt für die Steuerung der Shutterbrille 8, sodass der Beobachter 9 mit dem linken Auge das Bild der linken Kamera und mit dem rechten Auge das Bild der rechten Kamera sieht. Die Travesiereinrichtung 10 dient zum Ausmessen des virtuellen 3D-Bildes. Mit dieser kann ein Lichtleiterkabel, dessen um 90° gebogene Spitze zum Beobachter zeigt, in den drei räumlichen Koordinaten verschoben werden und die jeweiligen Werte auf Skalen abgelesen werden. Anschließend erfolgt, wie schon erwähnt, mit Hilfe der Fixpunkte eine Umrechnung der Messwerte auf die Tiefenlage der gemessenen Punkte. "12" stellt eine Aufzeichnungseinrichtung dar, die entweder durch zwei synchronisierte Videorecorder oder durch einen Videorecorder mit zwei Videosignalspuren gebildet wird. Die Verwendung von Videoaufzeichnung ermöglicht zeitlich sehr lange Aufnahmen zu speichern und diese zu einem späteren Zeitpunkt auszuwerten.

Die auszumessenden Stereobilder können entweder durch „einfrieren“ der originalen Kamerasignale zum interessierenden Zeitpunkt im Bildspeicher (digitales 3D-Standbild) oder durch Wiedergabe der Magnetbandaufzeichnung zu einem gewählten Zeitpunkt. Fig. 2 und Fig. 3 des Patentes zeigen  Blockschaltbild und Zeitdiagramm der Erfindung. Dabei wurde die Entwurfshandzeichnung des Autors für das Grundig 100 Hz Fernsehgerät M70-781 IDTV 3D verwendet, das für Fa. Wolf Endoskope entwickelt wurde (vergleiche Abb. 6). Die Funktionsbeschreibung dazu wurde schon auf Seite 9 angegeben. Damit konnte Grundig quasi als „Spin Off“ auch einen sehr schönen Beitrag zur Erweiterung der Meßverfahren in der Strömungstechnik liefern.

 

4 Abb09

Abb. 9: Europäische Patentanmeldung EP 0 777 104 A2  Anmeldetag 27.11.1996 Verfahren und Anordnung zur dreidimensionalen Videobildauswertung

 

Erfinder: Konrad Maul und Dr. Bernd Wunderlich

 

4 Abb10

Europäische Patentanmeldung EP 0 777 104 A2  Anmeldetag 27.11.1996 - Verfahren und Anordnung zur dreidimensionalen Videobildauswertung

 

Entwicklungszusammenarbeit mit Fa. SYSDRAI (Consumer 3D)

Im April 1998 erhielt der Autor einen Anruf von Fa. SYSDRAI, die sich mit Datensystemen und Multimedia beschäftigten. Sie waren im Rahmen ihrer Marktuntersuchungen in den USA auf VHS-Kauf-Cassetten gestoßen, die in 3D produziert worden waren. Gedacht waren diese für die 3D-Wiedergabe mit einem Standard VHS-Videorecorder und einem Shutterbrillensystem, das zusammen mit einem normalen Fernsehgerät betrieben werden konnte. Voraussetzung dazu war, dass inzwischen auch bei Computerspielen die 3D-Technik Einzug gehalten hatte, so dass preiswerte Shutterbrillen, die mittels Kabel an einen Computer angeschlossen werden konnten oder sogar über eine Infrarotübertragung gesteuert wurden, nun verfügbar waren. Mit diesen Brillen und einem kleinen Zusatzgerät, das ebenfalls an das Ausgangssignal (FBAS) des Videorekorders angeschlossen wurde, und die synchronisierten Wechselimpulse für die Brillensteuerung generierte, konnte nun die Wiedergabe dieser 3D-VHS-Kaufcassetten erfolgen.

Die Aufzeichnungstechnik machte sich das Zeilensprungverfahren zunutze bei dem ja bekanntlich zwei Halbbilder sequentiell übertragen werden. Anhand der Abb. 14 sei nun kurz das Prinzip der Aufzeichnung erläutert. Die beiden Halbbilder des Fernsehsignals werden wie üblich mit A und B bezeichnet. Die folgenden Ziffern 0, 1, 2 geben die zeitliche Reihenfolge der Vollbilder an. Die Indizes L und R geben an ob die Halbbilder von der linken oder rechten Kamera stammen. Wir sehen nun, dass mittels eines Umschalters die folgende Signalfolge gebildet werden kann: A1L, B1R, A2L, B2R usw. Wie man sehen kann enthält jeweils ein Vollbild (Frame) ein Halbbild mit der Perspektive der linken und ein Halbbild mit der Perspektive der rechten Kamera. Damit kann passend in das zeitliche Raster des PAL/CCIR Systems ein 3D-Signal eingebaut werden, das von einem Standardvideoaufzeichnungsgerät aufgenommen und auf Video-Kauf-Cassetten vervielfältigt  werden kann. Auch senden ließe sich dieses Signal allerdings nicht rückwärtskompatibel zum Standard 2D Fernsehgerät.

Da das amerikanische NTSC-TV-System 60 Hz Vertikalfrequenz und damit 60 Halbbilder pro Sekunde darstellt ergaben sich  bei Stereobetrieb 30 Wechsel vom linken zum rechten Bild. Das sich ergebende Umschaltflimmern von 30 Hz ist aber für den Betrachter sehr störend. Wie wir Eingangs bei der Beschreibung des Shutterbrillen 3D-Systems gesehen haben würde beim damals üblichen PAL/CCIR-System die Umschaltsequenz nur 25 Hz betragen und wäre vollkommen inakzeptabel gewesen. Deswegen wurde bei Fa. Sysdrai die Überlegung angestellt, ob man nicht die inzwischen etablierte 100 Hz-Gerätetechnik für eine flimmerfreie Wiedergabe benutzen könnte und daraus resultierte die eingangs erwähnte Anfrage bei Grundig. Bei Grundig war inzwischen seit 1997 die Serienproduktion der sechsten Generation (DIGI VI) der 100 Hz Fernsehgeräte angelaufen. Diese enthielten Weiterentwicklungen, die der 3D-Wiedergabe entgegen kamen.

Zum ersten wurde in diesen Geräten eine weitere Störung des Standard-TV-Systems (PAL/CCIR sowie SECAM), das sogenannte Zwischenzeilenflimmern beseitigt. Bei Einführung des elektronischen Fernsehens mit 625 Zeilen und 25 Vollbildern pro Sekunde nach dem zweiten Weltkrieg wurde festgelegt das Zeilensprungverfahren zu verwenden. Dabei werden zunächst die ungeraden Zeilen eines Vollbildes also Zeile 1, 3, 5, 7 usw. bis Zeile 625 übertragen und danach die geraden Zeilen dieses Vollbildes also 2, 4, 6, 8 und so fort bis Zeile 624. Ein Vorteil dabei ist, dass dadurch zwei Halbbilder entstehen (A und B) mit jeweils nur 20 msec Dauer und sich dadurch eine Bildfrequenz von 50 Hz ergibt und damit das Großflächenflimmern stark verringert werden konnte als wenn Vollbilder mit 25 Hz Bildfrequenz übertragen worden wären.  Ein Übertragen des kompletten 625 Zeilenvollbildes mit einer Vollbildfrequenz von 50 Hz hätte natürlich auch das Großflächenflimmern reduziert aber die doppelte Übertragungsbandbreite erfordert. Da nun aber bei diesem Zeilensprungverfahren benachbarte Zeilen ja aus verschiedenen Halbbildern stammen tritt an horizontale Kanten des Fernsehbildes eine Flackererscheinung von 25 Hz auf. So springt z.B. bei einer Tennisübertragung die Kante der Grundlinie in diesem 25 Hz-Rhythmus. Um diese Störung zu beseitigen benötigte man einen Bildspeicher der beide Halbbilder, also alle 625 Zeilen eines Vollbildes abspeichern konnte.

Damit war es dann möglich das Vollbild nicht wie bisher nur in Halbbildwiederholung AABB, sondern auch in der Sequenz ABAB mit einer verdoppelten Zeilensprungsequenz wiederzugeben. Bezüglich der Synchronisation des Rasters spricht man von αβαβ anstatt wie bisher bei 100 Hz-Geräten mit nur einem Halbbildpeicher ααββ. Damit konnte man bei Fernsehbildern mit keinem oder nur sehr geringem Bewegungsanteil das Zeilenflimmern komplett eliminieren. Bei bewegten Objekten oder Kamerabewegungen (z.B. Schwenk) führte dieses einfache Verfahren aber zu Störungen an senkrechten Kanten (Auszahnen), weil ein Rücksprung in alte Bewegungsphasen erfolgte. Deswegen war ein Bewegungsdetektor erforderlich, der durch blockweisen Bildvergleich den Grad von Bewegungen im Fernsehbild feststellen konnte. Bei einer mittleren Bewegung wurden mittels einer Rechenvorschrift (Algorithmus) dann die Bildpunkte von benachbarten Zeilen so korrigiert, dass dies das Zwischenzeilenflimmern beseitigte.

Bei Grundig wurde ein Verfahren eingesetzt, dass auf dem Algorithmus von Prof. Dr. Schröder (Universität Dortmund) der für Grundig patentiert wurde, aufsetzte. Dabei wird das digitale Fernsehsignal in den vertikalen Höhen- und Tiefenanteil aufgespaltet und unterschiedlich prozessiert. Wurde vom Bewegungsdetektor sehr starke Bewegung signalisiert ging das System automatisch in den Rückfallmodus AABB mit der Rastersequenz ααββ. Bei Kinofilmen die ja mit 24 Bildern pro Sekunde gedreht werden und im Fernsehen mit 25 Vollbildern wiedergegeben werden sind die beiden Halbbilder A und B bezüglich der Bewegungsphase identisch. Also konnte man generell das Verfahren ABAB mit der Rastersequenz αβαβ ohne Umschaltung auf „Schröder Algorithmus“ oder Rückfallmodus verwenden. 

Firma Siemens Halbleiter setzte mit der Unterstützung der Grundig Fernsehentwicklung dieses Verfahren in einen digitalen CMOS-Signalprozessor um. Er wurde als Fieldmixer (SDA 9270) bezeichnet. Abb. 11 zeigt die Speicherplatte eines 100 Hz Seriengerätes der Serie DIGI VI z.B. M72-410 Reference. Es sind die sechs Speicherbausteine SDA 9251 mit je 212k x 4 Bit, die den Videovollbildspeicher mit rund 5 Megabit bilden, zu sehen. Links unten ist der Fieldmixer SDA 9270, oben rechts der Picture Prozessor SDA 9290 und oben links der Displayprozessor SDA 9280 angeordnet.

 

4 Abb11

Speicherplatte eines 100 Hz Seriengerätes der Serie DIGI VI z.B. M72-410 Reference. Es sind die sechs Speicherbausteine SDA 9251 mit je 212k x 4 Bit Speicherkapazität, die den Videovollbildspeicher mit rund 5 Megabit bilden. Links unten der Fieldmixer SDA 9270. Oben rechts der Picture Prozessor SDA 9290. Oben links der Displayprozessor SDA 9280.

 

Die zweite Weiterentwicklung der DIGI VI 100 Hz Geräteserie betraf die Erweiterung um einen VGA Eingang. Inzwischen hatte sich das Internet etabliert und ein großformatiges Fernsehgerät als Monitor für einen PC verwenden zu können stellte ein sehr gutes Gerätefeature dar. Da die Grundig 100 Hz-Geräte ja mit Zeilenablenkfrequenzen von 31,25 kHz liefen, die RGB-Endstufen für die 100 Hz Wiedergabe auf die doppelte Videobandbreite ausgelegt waren (10 MHz anstatt 5 MHz) und eine gleichstromgekoppelte Vertikalablenkung zum Einsatz kam war die Einführung eines VGA-Standard-Eingangs möglich. Dazu war ein VGA-Steckmodul entwickelt worden, das in jedes Gerät der DIGI VI Geräteserie nachgerüstet werden konnte. Abb. 12 zeigt die Standards die die Grundig Geräte dieser Serie beherrschten.

Schon zur Internationalen Funkausstellung 1997 hatte das Heinrich Herz Institut zwei Grundig M 95-410/9 Reference DIGI VI als 100 Hz-Monitore mit Shutterbrillen zur Präsentation ihrer 3D-Forschungen benutzt. Sie zeigten einen kompletten 3D-Signalweg am Beispiel von DVB-T Sender und DVB-T Empfänger. Dabei wurden für das rechte und linke Bildsignal jeweils ein MPEG 2 Datenstrom benutzt. Und damit natürlich zwei MPEG 2 Decoder auf der Empfängerseite. Die Bildqualität der übertragenen 3D-Testfilme war ausgezeichnet und der 3D-Effekt auf den großen 95 cm Bildschirmen überzeugend. Das empfängerseitige Blockschaltbild des Aufbaus zeigt Abb. 13.

 

4 Abb12

Auszug aus einer Grundig Mitteilung vom 05.09.1997 über die möglichen Eingangssignale beim Betrieb der Digi VI 100 Hz Geräteserie (z.B. M72-410 Reference) bei Nachrüstung mit einer VGA-Adapterplatte. Wie unter 4 zu sehen ist konnten diese Geräte als 100 Hz Monitor für 3D-TV Signale eingesetzt werden.

 

4 Abb13

Blockschaltbild der Empfängerseite des Messeaufbaus einer 3D-TV Übertragung mittels zwei MPEG 2 Datenströmen auf der Internationalen Funkausstellung 1999. Zur Darstellung wurde ein Grundig M95-410/9 Reference mit einer nachgerüsteter einer VGA-Adapterplatte benutzt.

 

Weiterhin hatte Grundig eine sogenannte Internet-Box WB 1 in das Geräteprogramm aufgenommen. Dies war der erste Versuch ein kleines Zusatzgerät zu kreieren, das einen Internetzugang nun auch auf dem Wohnzimmerbildschirm ermöglichte. Angeschlossen wurde die WB 1 über ein EuroAV-Kabel (Scart RGB) oder im Fall eines Grundig 100 Hz DIGI VI Gerätes mit nachgerüsteter VGA-Adapterplatte über ein VGA-Kabel.

Da Internetseiten ja aus viel Text und Bildern bestehen würden bei der Wiedergabe auf dem Fernsehgerät, dessen Ablenkung  im Gegensatz zum PC-Monitor im Zeilensprungverfahren (Erklärung  siehe oben) arbeitet, horizontale Kanten stark im 25 Hz-Rhythmus flickern. Ausweg wäre natürlich, wie schon erwähnt das DIGI VI Gerät über die VGA-Schnittstelle anzuschließen. Da aber die VGA-Adapterplatte ein Nachrüstmodul war, konnte man nicht davon ausgehen, dass jeder Kunde der eine Internet-Box WB 1 erwarb auch noch das Gerät mit VGA nachrüsten lassen würde. Deswegen wurde in die Gerätesoftware für die AV-Stellungen eine Einstellmöglichkeit vorgesehen. Der Kunde konnte im Bildschirmenü dem benutzten Euro AV Anschluss (Scartbuchse) die gewünschte Betriebsart zuordnen. Für die Internet-Box galt ja dasselbe, wie für die Wiedergabe von Kinofilmen. Zwischen den Halbbildern A und B findet keine Bewegung von Objekten statt. Damit kann man wie schon erwähnt den Fieldmixer per Software so einstellen, dass für den Bildinhalt ABAB und für die Synchronisation des Fernsehrasters αβαβ benutzt wird. Damit flickern die horizontalen Kanten nicht mehr mit 25 Hz sondern mit 50 Hz und dies wird dann vom menschlichen Gesichtssinn nicht mehr als störend empfunden. Auch bei der Wiedergabe von Fotografien vom Foto-CD- oder DVD-Player war dann diese Einstellung von großem Vorteil für die Bildqualität. Im Menü wurde für diese Einstellung die Kurzbezeichnung Foto-CD / Web Box gewählt. Diese Einstellmöglichkeit zusammen mit dem vorher erklärten Vollbildspeicher mit Fieldmixer war auch der Schlüssel dafür, dass jedes DIGI VI Seriengerät für die Wiedergabe von 3D im Shutterbrillensystem geeignet war.

Wie schon eingangs angeführt, kann man das Zeilensprungverfahren mit den beiden Halbbildern A und B dazu benutzen ein 3D-Signal einzufügen. Wie in Abb. 14 gezeigt ergibt das dann die Sequenz A1L, B1R, A2L, B2als Eingangssignal für das Grundig DIGI VI 100Hz-Gerät. Mit obiger Einstellung (Foto-CD / Web Box / 3D-TV) ergab sich dann nach der 100 Hz Konvertierung am Ausgang des Displayteils und damit auf der Bildröhre dargestellt die Sequenz    / A1L, B1R / A2L, B1/ A2L, B2R  /. Die Vollbilder sind jeweils durch die Schrägstriche zusammengefasst. Damit konnte ein flimmerfreies 3D-Bild mit dem normalen Serienstand der Grundig  DIGI VI 100 Hz Geräte dargestellt werden. Nachteil dieser einfachen Variante, wie schon eingangs erwähnt, war die geringere Bewegungsauflösung. Und zwar nicht nur wie bei der Wiedergabe von Kinofilmen eine Reduzierung auf 25 Bewegungsphasen pro Sekunde sondern auch noch zu einem Auszahnen von senkrechten Kanten bei schnellen Kameraschwenks oder schnellen Objektbewegungen, weil in vorhergehende Bewegungsphasen zurückgesprungen werden muss. Dies ist in obiger Sequenz am Vollbild / A2L, B1/ zu sehen, denn Halbbild B1R ist aus der vorhergehenden Bewegungsphase.

Die Abb. 15 zeigt das besprochene 3D-TV System wie es zum ersten Mal anlässlich der Internationalen Funkausstellung 1999 im Händlerzentrum des Grundig Standes unter Verwendung eines Seriengerätes DIGI VI M72-410 Reference der Fachpresse und Experten des Fachhandels vorgeführt wurde. Die Fa. Sysdrai war von Grundig beauftragt worden mit ihrem 3D-TV-Kamerasystem einen 3D-Präsentationsfilm für die Messe zu erstellen. Dieses Demo-3D-Video wurde auf eine digitale DV-Cassette kopiert um beste Qualität zu erreichen. Auf der Messe wurde dann ein Grundig Digital-Camcorder nach dem DV Standard zur Wiedergabe des vorproduzierten DV-Bandes verwendet. Damit wurde eine noch bessere Bildqualität als mit einem analogen VHS-Videorecorder erreicht. Die Firma Sysdrai hatte auch das kleine zusätzliche Steuermodul entwickelt, das über eine Scartbuchse des Fernsehgerätes mit dem 3D-FBAS-Signal versorgt wurde. Aus diesem Signal extrahierte eine kleine elektronische Schaltung die 50 Hz Bildsynchronimpulse und die Vollbildkennung, die zur Infrarot Steuerung der Shutterbrillen benötigt wurden. Als Shutterbrillen wurden die serienmäßigen Brillen der Firma Elsa eingesetzt. Die Vorführung hatte eine sehr gute Resonanz bei Fachautoren und Experten. Zur Hausmesse der Grundig Niederlassung in der Schweiz wurde die Präsentation im März des Jahres 2000 nochmals wiederholt. Leider konnte weder die Firma Sysdrai noch Grundig bei Anbietern von bespielten Video-Cassetten Interesse an der Produktion von 3D-Material wecken.  

 

4 Abb14

Zeitdiagramm bei Verwendung eines 100 Hz Seriengerätes der Serie DIGI VI z.B. M72-410 Reference zur 3D-Wiedergabe. Das Ausgangssignal des Umschalters ist das Eingangssignal des Fernsehgerätes (3D FBAS-Signal) und kann entweder wie gezeichnet Live von einer Stereokamera, von einem Videorekorder oder als Sendersignal kommen.

 

4 Abb15

Anordnung 3D-TV Präsentation im Händlerzentrum des Grundig Standes unter Verwendung eines 100 Hz Seriengerätes der Serie DIGI VI M72-410 Reference. Als Programmquelle wurde der Grundig digitale Camcorder verwendet. In diesem wurde das vorproduzierte DV-Band eingelegt. Damit wurde eine noch bessere Bildqualität als mit einem analogen VHS-Videorecorder erreicht.

Entwicklungszusammenarbeit mit X3D Technologies und 3D-Image Processing

Die Ära der LCD-Flachbildschirme wurde in der Grundig Fernsehentwicklung 2002/2003 mit dem Tharus 51 (LCD 51-9310), einem Gerät mit 20 Inch LCD Display, eingeleitet. Große Flachbildschirme, wie 42 Inch (also 107 cm Diagonale) ließen sich zu dieser Zeit nur mit Plasmadisplays realisieren.

Basis für das erste Grundig LCD-TV-Gerät war ein hochintegrierter Schaltkreis für die digitale Signalverarbeitung, der „Falconic“ von NXP (der früheren Philips Semiconductors). Dieser war für die Großflächenflimmer- und Zeilenflimmerbefreiung von 100 Hz Bildröhrenfernsehgeräten entwickelt worden. Der Ansatz war anders als beim vorher beschriebenen „Fieldmixer“ mit seinem Grundig-Algorithmus. Beim Falconic wurde grob gesprochen das Fernsehbild in Blöcke aufgeteilt und die jeweiligen Blöcke mit den Blöcken des vorhergehenden Bildes verglichen um so die Bewegung von einzelnen Blöcken zu ermitteln. Für diese bewegten Blöcke konnte dann der Bewegungsvektor, also seine Verschiebung in Pixeln und Zeilen ermittelt, werden. Damit wurde es dann möglich bei den zu berechnenden neuen Halbbildern bei der 100 Hz-Wiedergabe die bewegten Blöcke passend einzubauen (Bewegungsschätzung).

LCD-Flachdisplays benötigen eine progressive Ansteuerung, d.h. sie können nicht wie Bildröhren im Zeilensprungverfahren betrieben werden. Ein sogenannter „Deinterlacer“ muss aus den beiden Halbbildern A und B ein Vollbild errechnen mit dem das Display angesteuert werden kann. Da diese ersten kleinen LCD-TV-Displays nur eine Auflösung von 640 x 480 Pixeln (VGA-Standard) hatten wurde bei Grundig die Idee entwickelt diesen 100 Hz- Fernsehschaltkreis „Falconic“ als „Deinterlacer“ und „Scaler“ einzusetzen. Unter Skalierung versteht man die Umrechnung des 720  x 576 Pixel Bildinhaltes eines Pal/CCIR Vollbildes auf die Displaywerte, hier 640 x 480 Pixel. Damit entstand das erste LCD-TV-Gerät in Serie, das alle Funktionen eines richtigen „Highend“ 100 Hz-Röhrenfernsehgerätes auch besaß. Dieser Tharus 20 schnitt in den einschlägigen Testmagazinen hervorragend ab.

Die Entwicklungsarbeiten an den langsam verfügbar gewordenen größeren LCD-Displays, wie 23“, 26“ und 30“ wurden durch die Insolvenz der Grundig AG im Jahre 2003 unterbrochen. Der mörderische Preiskampf in der Unterhaltungselektronikbranche hatte den Fernsehbereich voll erfasst. Der Grundig Unterhaltungselektronikbereich wurde 2004 gemeinschaftlich von BEKO (Koc) und Alba übernommen und eine neue Gesellschaft, die Grundig Intermedia AG gegründet. In Nürnberg konnte sich eine kleine, bewährte Entwicklungsabteilung unter der Leitung des Autors weiter mit der Entwicklung von „Highend“ LCD-TV-Geräten befassen. Es entstand das Chassiskonzept G1 auf der Basis eines „Scalers“ der Firma Trident (inzwischen von Sigma Designs übernommen), das die nun üblichen LCD-Displays mit 1280 x 768 Pixeln (WXGA) ansteuern konnte. Als Bildschirmgrößen waren 26“ also 66 cm und 30“ also 76 cm damals verfügbar.

Anfang 2005 hatte die Firma 3D Image Processing bei Grundig Intermedia angefragt ob nicht Interesse bezüglich einer Zusammenarbeit an einem LCD-Fernseher mit brillenloser 3D-Wiedergabe bestünde. 3D Image Processing hatte sein 3D-RealTime Vision System unter anderem für einen namhaften Kunden der Fertigungsautomation entwickelt um damit z.B. Abstands- und Lagemessungen in automatisierte Fertigungsstraßen (Roboterhandhabung) durchführen zu können. Und hauptsächlich natürlich  um der generell wachsenden Nachfrage der Industrie nach in Echtzeit erstellten präzisen visuellen 3D-Modellen, 3D-Filmen und 3D-TV Inhalten für Designentwicklungen, Marketingaufgaben und Werbung nachzukommen zu können.

Für diese Anwendungen, wenn wir z.B. an die Werbung denken, ist die Benutzung von Brillen ein großes Handicap. Nehmen wir den Fall ein Werbespot oder eine Produktvorstellung soll in Verkaufsräumen laufen und die Kunden müssten beim Vorbeischlendern erst dazu gebracht werden Brillen aufzusetzen, dann  wäre der Erfolg wahrscheinlich nicht besonders umwerfend. Springt ihnen aber beim flüchtigen Blick auf den Bildschirm ein räumliches Bild quasi entgegen sollte dies für Interesse sorgen. Bevor wir auf den spezifischen Algorithmus von 3D Image Processing eingehen zunächst eine kurze Funktionserklärung des brillenlosen 3D Verfahrens.

 

4 Abb16

Prinzipdarstellung des brillenlosen Verfahrens für 2 Ansichten (Links und Rechts)

 

Ein Grundprinzip dazu wurde schon 1912 vom Schweizer Augenarzt Walter R. Hess als „Lentikular-Folien-Stereogramm“ patentiert. Bei einer Anwendung dieser Technik auf 3D-TV-Geräte wird eine Linsenrasterfolie (Fresnellinsenfilterfolie) direkt auf dem Flachdisplay (LCD oder Plasma) aufgebracht. Die Ansteuerung des Displays erfolgt dann so, dass vertikale Streifen des linken und rechten Bildes aufeinander folgen (was allerdings die örtliche Auflösung in der horizontalen Richtung halbiert). Der Abstand zwischen den Augen sorgt dafür, dass das linke Auge nur die linken Pixel-Streifen und das rechte Auge nur die rechten Pixel-Streifen sieht und damit das dreidimensionale Bild vom Betrachter gesehen werden kann. Praktisch ergibt sich aber ein sehr kleiner Bereich (kleiner Sweet Spot) in dem das Bild korrekt stereoskopisch gesehen werden kann. Deswegen wurden Systeme entwickelt, die mit einer Kamera die Augen des Betrachters erfassen und Distanz und Augenabstand ermitteln und danach die Linsenrasterplatte mechanisch verschieben. Oder die vorgesetzte Linsenrasterplatte ist fest fixiert und die Links-Rechts Pixelmuster werden in der Graphikkarte eines PC oder Notebook mit der Kamerainformation nachgesteuert um so den 3D Eindruck bei Kopfbewegungen beibehalten zu können. Diese Systeme sind für die damals angedachten Anwendungen sowie für ein im Heimbereich verwendbares 3D-TV-Gerät nicht brauchbar. Deswegen wurde ein Verfahren entwickelt, das mehrere Ansichten benutzt und damit den Winkelbereich aus dem 3D gesehen werden kann entsprechend vergrößert (großer Sweet Spot).

In Abb. 17 ist so ein Verfahren mit 5 Ansichten dargestellt. Es sind nun nicht wie vorher vertikale Streifen mit abwechselnder linken und rechten Ansicht sondern es folgen vertikale Streifen aus jeweils 5 Perspektiven aufeinander. Aufgrund des optischen Strahlenganges (Fresnellinsenfilterfolie) und des Augenabstandes sieht der Beobachter jeweils nur zwei Ansichten, im dargestellten Beispiel V4 und V2. Bewegt der Zuschauer den Kopf nach links wechselt er zu den Ansichten V5 und V3. Bei einer Kopfbewegung nach rechts sind es dann die Ansichten V3 und V1. D.h. es kommt nicht wie im Fall, wenn nur die rechte und die Linke Ansicht benutzt wird, dass bei Kopfbewegung der Raumeindruck zerstört wird.

Macht man dies wie in der Abb. 17 nach dem Prinzip der ausschließlich vertikal orientierten Linsenrasterfolie, verringert sich die horizontale Auflösung (Anzahl der Bildpunkte) bei fünf Ansichten um den Faktor fünf, was zu einer sehr bescheidenen Bildqualität führen würde. Deswegen werden bei diesem autostereokopischen Verfahren mit mehreren Ansichten die jeweiligen Pixel der Ansichten  in einem Muster in der Horizontalen und in der Vertikalen verteilt. Die Linsenrasterfolie muss natürlich entsprechend angepasst werden. Mit dieser Anordnung kann man dann einen in horizontaler und vertikaler Richtung ausgewogenen Auflösungsverlust erreichen.

 

4 Abb17

Prinzipdarstellung des brillenlosen Verfahrens für 5 Ansichten (Links und Rechts)

 

Nun aber wieder zurück zur Grundig 3D-Historie. Damals Anfang 2004 war HDTV noch nicht in Deutschland eingeführt und die mit SXGA  bezeichnete Auflösung von 1280 x 768 Pixel war bei LCD-TV-Geräten üblich. 3D Image Processing hatte den mit COBAM (Coherence Based Modelling) bezeichneten Algorithmus entwickelt und sich diesen patentieren lassen. Dieser simuliert und reproduziert das menschliche räumliche Sehen und die damit verbundenen neuronalen Prozesse. Einfach gesprochen berechnet er aus dem linken und rechten Bild einer Stereokamera eine sogenannte Tiefenkarte (Depth Map). In Abb. 18 ist dies schematisch dargestellt. Die Tiefenkarte gibt nun die Entfernung eines Punktes (Pixel) vom Betrachtungsort an.  In der Abb. 18 sind diese Werte in Form von Grauwerten dargestellt. Weiß für die nahe gelegenen Punkte wie z.B. die Schnauze der Drachenfigur und ganz schwarz z.B. für den entfernt liegenden Hintergrund. Die dazwischen liegenden Grautöne entsprechen den jeweiligen Entfernungen. COBAM berechnet nun mittels Tiefenkarte und eines virtuellen 3D-Modells die für das jeweilige brillenlose 3D-LCD-TV-Display benötigten Ansichten. Es waren zwar Verfahren bekannt die Ansichten mittels entsprechend ausgestatteter PC´s zu berechnen, aber eben nicht in Echtzeit. Es brauchte für eine lange Stereosequenz mehrere Stunden Rechenzeit. Eine Lifewiedergabe war damit nicht möglich.

 

4 Abb18

Prinzipdarstellung des brillenlosen Verfahrens nach dem COBAM Algorithmus von 3D-Image Processing

 

Grundig Intermedia nahm das Angebot zur Zusammenarbeit mit 3D Image Processing an. Hintergrund war auf der nächsten Funkausstellung die erste Lifeübertragung (Stereokamera zum Grundig 3D-LCD-TV Gerät) zu präsentieren. Und weitergehend eine limitierte Auflage dieser 3D-Tharus 30 zu fertigen um sie B2B (Business to Business) Kunden für Marketing und Werbezwecke anzubieten bzw. auch selber für diese Anwendungen zu nutzen. Damit konnte Grundig aufzeigen, dass der alte technische Pioniergeist noch vorhanden war.

3D Image Processing hatte die Aufgabe übernommen ihren Algorithmus für acht Ansichten in einem Versuchsaufbau mit mehreren digitalen Signalprozessoren und damit realtimefähig umzusetzen. Nach gelungener Präsentation sollte einer der namhaften Halbleiterhersteller im Bereich Videosignalprozessing dafür gewonnen werden einen hochintegrierten Schaltkreis für diesen Algorithmus zu bauen. Die Firma X3D Technologies, die Expertise in Gestaltung und Aufbringung der Fresnellinsenfolien für Flachdisplays hatte, übernahm die Aufbringung der Linsenrasterfolie für acht Ansichten. Die Grundig Fernsehentwicklung selektierte vor dem Aufbringen der Folie für den 3D-Umbau Seriengeräte Tharus 30 mit minimaler Pixelfehlerrate des LCD-Displays und gleichmäßiger Leuchtdichte auf der ganzen Displayfläche. Ferner unterstützte die Grundig Fernsehentwicklung bei der konstruktiven Anpassung des Folienrahmens an den Displayrahmen des Panels.

Rechtzeitig zur Internationalen Funkausstellung 2005 konnte dann tatsächlich das ganze System zum ersten Mal der Öffentlichkeit präsentiert werden. Die 3D-TV-Kamera nahm das menschliche Table Soccer Spiel oder eine Zaubershow am Grundig Stand live auf. Es wurden in Echtzeit die 8 Ansichten mit dem „Black Betty“ genannten Hardwareaufbau von 3D Image Processing berechnet und auf die 3D-Tharus 30 mittels digitaler DVI Schnittstelle (Digital Video Interface) übertragen auf denen dann die Show ohne Brille räumlich betrachtet werden konnte (siehe Abb. 19 und Abb. 20). Diese erste Livepräsentation kam bei Experten und Messebesuchern sehr gut an und hatte eine sehr gute Resonanz bei der Fachpresse.

 

4 Abb19

Internationale Funkausstellung 2005. Die am Ausleger befestigte Stereo-TV-Kamera nimmt live das menschliche Table Soccer Spiel auf

 

4 Abb20

Internationale Funkausstellung 2005. Die 3D-TV-Kamera nahm die Zaubershow am Grundig Stand live auf. Es wurden in Echtzeit die 9 Ansichten berechnet und auf die 3D-Tharus 30 mittels digitaler DVI Schnittstelle übertragen auf denen dann die Show ohne Brille räumlich betrachtet werden konnte. 

    

Wie eingangs schon erwähnt wurde nur eine kleine limitierte Auflage dieser 3D Tharus 30 Geräte gefertigt. Für eine Serienproduktion hätten damals für die folgenden Punkte schon Lösungen vorhanden sein müssen: 

Schaltbarer Strahlteiler (Auflösung): Durch das Vorsetzen der Fresnellinsenrasterfolie, die man ja nicht mehr vom 3D-TV Gerät entfernen kann, wurde die Auflösung auch bei der normalen nichträumlichen 2D-Wiedergabe reduziert. Das war natürlich für einen breiten Einsatz im Consumergerätemarkt nicht akzeptabel. Deswegen wurde an der Entwicklung elektrisch „abschaltbarer“ Filter gearbeitet.

Prinzipielle Verringerung der Auflösung: Wie wir gesehen haben beträgt bei 3D-Betrieb die Zahl der Pixel pro Ansicht bei z.B. acht Ansichten nur mehr ein Achtel der Panelpixelzahl. Kunden würden einen so starken Abfall der Auflösung nicht akzeptieren. Es musste also abgewartet werden bis man hochauflösende Panels mit akzeptablen Preisen für diese Applikation einsetzen können würde.

3D-Content nicht vorhanden: Damals gab es keine im Consumer-Markt verfügbaren 3D Quellen und damit auch kein Programmangebot seitens optischen Speichermedien wie DVD. Das HDTV-Medium Bluray war damals noch in der Entwicklungsphase.

Fernsehübertragungsstandard: Die Codierung mittels zweier MPEG 2 Videodatenströme also einen für das rechte Kamerabild und einen für das linke Kamerabild, wie es das Heinrich Hertz Institut, wie schon erwähnt, anlässlich der Internationalen Funkausstellung 1997 gezeigt hatte, scheitert ja daran, dass die doppelte Datenrate benötigt würde und im Empfänger zwei MPEG 2 Decoder vorhanden sein müssten. In heutigen Realisationen werden acht, neun oder sogar 15 Ansichten eingesetzt. Dies bedeutet aber nach wie vor bei einem HDTV-Bild mit 1920 x 1080 Bildpunkten und z.B. neun Ansichten eine Reduzierung auf 640 x 360 Bildpunkte (Pixel) und ist damit sogar etwas schlechter als Standard PAL Qualität. Um damit hochauflösendes Fernsehen (HDTV) in 3D realisieren zu können muss man Flachdisplays mit mehrfacher HDTV-Auflösung einsetzen. Es gibt zwar schon LC-Displays mit mehrfacher HDTV-Auflösung, die aber aufgrund der hohen Kosten bisher nur für sehr spezielle Anwendungen (z.B. Medizintechnik) eingesetzt werden konnten.

Zur Funkausstellung 2011 hatte die Firma Toshiba ihre ersten brillenlosen 3D-TV-Geräte vorgestellt. Diese Geräte benutzten ein Display mit der vierfachen HDTV Pixelzahl (3840 x 2160 Pixel also ca. 8 Megapixel) und basieren auf 9 Ansichten. Trotz des Panels mit der vierfachen HDTV Auflösung ergab sich bei 9 Ansichten nur mehr eine Auflösung von ca. 0,9 Megapixeln also weniger als die Hälfte der HDTV Pixelzahl. Zusätzlich zur reduzierten Pixelzahl kam noch die prinzipiell geringere Tiefenwirkung dieses Prinzips, sowie der hohe Gerätepreis im Vergleich zu 3D-Geräten mit 3D-Brillen, sodass diese brillenlosen 3D-TV-Geräte nach ca. einem Jahr wieder vom Markt verschwunden sind. Um bei zukünftigen brillenlosen 3D-TV-Geräten nicht in der Bildschärfe (Pixelzahl) abzufallen müsste das verwendete Display mindestens die 9 fache HDTV Auflösung besitzen. Dass die Flachdisplayhersteller an solchen Panels arbeiten konnte man auf der Funkausstellung 2011 sehen. Sharp zeigte einen Vorgeschmack eines zukünftigen Super-Hi-Vision Systems mit 16-facher HDTV Auflösung. Abschließend kann jedoch festgestellt werden dass dieses autostereoskopische Verfahren (basierend auf n-Ansichten) heute die einzige brillenlose 3D-Technik für den Heimbereich darstellt, die das Potential zur breiteren Umsetzung in der näheren Zukunft besitzt.

Ausblick

Wie wir gesehen haben hat sich die  Grundig Fernsehentwicklung frühzeitig mit der räumlichen Bildwiedergabe beschäftigt. Zunächst getrieben um fernbedienbare Handhabungsrobotern im Raum besser steuern zu können. Dann im Medizinischen Bereich um bei Untersuchungen und Operationen mit Endoskopen eine dreidimensionale Sicht zu haben. Und dann die erste Umsetzung, mittels bespielter analoger oder digitaler Videobänder, mit normalen 100 Hz Bildröhren TV-Serien-Geräten (Serie Digi VI) nur durch die Anwahl des 3D-Modes im Benutzermenü Filme stereoskopisch wiedergeben zu können . 2005 zeigte Grundig auf der Internationalen Funkausstellung dann die erste Live-3D-Übertragungsstrecke nach dem brillenlosen Verfahren (autostereoskopisch). D.h. Liveszenen wurden direkt auf die Grundig 3D THARUS 30 LCD-TV Geräte übertragen. Wie im vorrausgehenden schon explizit erklärt konnte damit noch nicht der Durchbruch in den Massenmarkt erreicht werden.

Nachdem der Koc-Konzern über Arcelik die Anteile von Alba übernommen hatte, gehörte die Grundig Intermedia AG zu 100 Prozent zur Koc Firmengruppe. Die neue Geschäftsführung beschloss im November 2008 die Grundig Fernsehentwicklung in Nürnberg zu schließen. Damit konnten die nach dem 3D-Kino-Boom (Avatar) 2009 einsetzenden 3D-TV Entwicklungsphasen nicht mehr von den erfahrenen deutschen Grundig-Entwicklungsingenieuren mit ihrer über viele Jahre erworbenen 3D-Kompetenz begleitet werden.  

Literaturverzeichnis

Holliman, N.                  3D Display Systems, Department of Computer Science, University of Durham, Durham 2005

Howard, I.P.                  Seeing in Depth, Volume I Basic Mechanisms, University of Toronto Press, Toronto, 2002

Howard, I.P.                  Seeing in Depth, Volume II Depth Perception, University of Toronto Press, Toronto, 2002

Maul, K.; Müller, G.        TV-Bild ohne Flimmern, Weltweit erstes 100 Hz TV-Gerät in Serienproduktion, Funkschau Heft 14, 1987

Maul, K.                        Die raffinierten Tricks der Bildverbesserer, Poing: Media Publishing Home Vision Heft 7, 2008

Maul, K.                        „Das räumliche Sehen“ physiologische und geometrische Grundlagen zu 3D / Stereo Vision / Stereopsis,              

Maul, K.                       Quo vadis 3D? Übersicht der 3D-Verfahren und deren Vor- und Nachteile 

Ponce, R.(et al.)           Stereopsis. Current Biology Volume 18 No 18, 2008

 

Copyright: Dipl.-Ing. (FH) Konrad L. Maul, Certified Counsellor




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