3D-Wahrnehmung - Universität Ulm

Hauptseminar: Modelling & Rendering
3D-Wahrnehmung
Sebastian Przewoznik
Abteilung Medieninformatik
Fakultät für Informatik
Universität Ulm
ÜBERBLICK
Als erstes geht dieses Seminar auf die Optik und die
Wahrnehmung ein. Anschließend befasst sich die Arbeit mit
Licht- und Schatteneffekten, daraufhin folgt die Perspektive mit
dem Effekt der Bewegungsparallaxe. Dann wird kurz auf die
Bewegung eingegangen. Anschließend wird die 3D-
Wahrnehmung mit Hilfe von Anaglyphenbrillen 1 besprochen und
zum Schluss wird die 3D-Wahrnehmung anhand von
Wahrnehmungstäuschungen erklärt.
1. EINLEITUNG
Wenn von neuen Medien die Rede ist, kann man natürlich nicht
ganz darauf verzichten, über jene Sinne und ihre Organe
(Sinnesorgane) zu sprechen, über die es den Menschen erst
möglich ist, in den Genuss eben jener Kommunikationsmittel zu
kommen. Sinnesorgane dienen dem Organismus zur
Wahrnehmung der sich permanent ändernden Umwelt. Sie sind
auf bestimmte adäquate Reize spezialisiert.
Im allgemeinen spricht man von den bekannten fünf Sinnen
Sehen, Hören, Tasten, Riechen und Schmecken, die unsere
Empfindungen steuern und dabei auch gleichzeitig von ihnen
beeinflusst werden. Die Sinneswahrnehmungen sind praktisch
verantwortlich für unsere bewusste biologische Existenz.
Im Rahmen dieses Seminars „3D-Wahrnehmung“ wird der
Bereich der Wahrnehmungen über die Augen näher beleuchtet, da
sie den größten Teil der Eindrücke, die das Gehirn empfängt und
weiterverarbeitet, ausmachen.
2. OPTIK UND WAHRNEHMUNG
2.1 Der Sehvorgang: Das Auge
Um im Vorfeld die grobe Funktionsweise des Auges beschreiben
zu können, wird es immer wieder gern mit einer Kamera
verglichen, wenngleich das Auge wesentlich leistungsfähiger ist,
abgesehen von der schlechteren Optik bezüglich der Abbildung
von Bildern auf der Netzhaut (Retina). Das abbildende optische
System des Auges, das also dafür verantwortlich ist, dass
überhaupt ein Bild auf der Netzhaut entsteht, wird durch die Linse
mit Ringmuskel und der Iris, einer Haut mit Loch (Pupille),
gebildet.
1
Spezielle Brille für das Betrachten von dreidimensionalen
Bildern oder Filmen
sp3@informatik.uni-ulm.de
Abb. 1: Der Sehvorgang
Den Sehvorgang kann man sich folgendermaßen vorstellen:
Das Auge wird durch die sechs Augenmuskeln auf den zu
betrachtenden Gegenstand willentlich ausgerichtet. Nun folgt eine
automatische Scharfeinstellung und Belichtung. Dabei wird die
Linse durch den sie umgebenden Ringmuskel derart verformt,
dass ein scharfes (umgekehrtes) Abbild auf der Netzhaut mit ihren
unzähligen Sehzellen entsteht. Als Resultat des Messvorgangs der
Helligkeit der ankommenden Informationen durch die Sehzellen
und ihrer Weiterleitung an das Gehirn über den Sehnerv, steht
eine direkte Steuerung des Lichteinfalls durch die Iris. Sie
vergrößert oder verkleinert die Pupille, so dass mehr oder weniger
Licht durch die Linse einfallen kann.
2.2 Biochemische Wahrnehmung: Die
Netzhaut
Die Netzhaut ist die biochemische Grundlage für die optische
Wahrnehmung. Es handelt sich um einen kleinen Bereich
fotosynthetischen Gewebes in der Nähe der Pupille.
Sie kleidet fast das ganze hintere Auge aus. Die Sinneszellen der
Netzhaut sind die Photorezeptoren (Zapfen und Stäbchen). Die
Information dieser Sinneszellen wird über den Sehnerv zum
Gehirn geleitet.
Die physische Basis für die Wahrnehmung ist daher die
Lichtreizung der Netzhaut. Das entsprechende Muster des
Lichtreizes auf der Netzhaut bestimmt, welche der Zellen das
Signal an das Gehirn weiterleiten. Im Gehirn werden daher alle
Signale der Netzhaut verarbeitet, was die Wahrnehmung
sozusagen perfekt macht. Egal, ob wir uns nun ein flaches Bild

oder die gigantischen dreidimensionalen Ausmaße des Grand
Canyons betrachten, unsere visuelle Wahrnehmung ist lediglich
auf eine Lichtreizung der Netzhaut zurückzuführen.
2.3 Visuelle Wahrnehmung: Verarbeitung
optischer Eindrücke im Gehirn
Wie schon erwähnt, empfängt das menschliche Auge die
Lichtstrahlen des Bildes und sendet zur visuellen Auswertung
Signale zum Gehirn. Die Daten, die das Auge liefert, werden im
Gehirn an verschiedenen Stellen verarbeitet (`visuelles Zentrum').
Der von beiden Augen erfasste linke Halbraum wird in der
rechten Hirnhälfte verarbeitet und entsprechend der rechte
Halbraum in der linken Hirnhälfte, was in Abbildung 2 deutlich
wird.
Abb. 2: Kreuzung der Sehnerven
Die Informationen, die vom Auge weitergeleitet werden, gehen
über den Sehnerv (Nervus opticus) zu einem Kreuzungspunkt
(Chiasma opticum), an dem die Informationen beider Augen
zusammenkommen und über die Sehbahn (Tractus opticus)
weitergeleitet werden. Über die rechte Sehbahn werden die
Informationen des linken Halbraums übertragen. Von der
Sehbahn gelangt die Information über ein weiteres Verteilzentrum
und über die Sehstrahlung zur Sehrinde. Im Gehirn (im Bereich
der Sehrinde) läuft der eigentliche Prozess des Sehens und der
Wahrnehmung ab. Hier werden Verknüpfungen hergestellt und
die Inhalte des "Gesehenen" mit bereits bekannten Eigenschaften
verglichen und bewertet.
Abb. 3: Weg der Information:
1 Linse, 2 Retina, 3 Sehnerv, 4 Verteilzentrum, 5 Sehrinde
Wir müssen begreifen, wie Auge und Gehirn die Lichtstrahlen
echter dreidimensionaler Objekte empfangen und interpretieren.
Nur so können wir Auge und Gehirn täuschen, die Lichtstrahlen
von einem zweidimensionalen Bild als dreidimensionale Objekte
zu sehen.
Für diese Zwecke ist es notwendig die Eigenschaften des Lichts
zu erwähnen. Wie wir wissen, strömt Lichtenergie in geraden
Linien (Lichtstrahlen) von allen Punkten in alle Richtungen aus,
wenn sie nicht durch irgendetwas abgelenkt oder gebrochen
werden. Wenn ein Lichtstrahl durch die Linse des Auges auf die
Netzhaut fällt, verursacht er eine biochemische Reaktion, worauf
ein Signal an das Gehirn geleitet wird – das macht den Sehprozess
aus.
2.4 Räumliches Sehen
Räumliches Sehen ist ein Verrechnungsergebnis des Gehirns, aus
den beiden Teilbildern, die das jeweilige Auge liefert. Zwar ist es
kein Problem für uns, uns in einer bekannten Umgebung mit nur
einem Auge zu orientieren, jedoch wird dies in unbekannten
Situationen erheblich schwieriger.
Ein Ausweg liefert da das Betrachten aus unterschiedlichen
Richtungen, wodurch ein umfangreicher Eindruck der räumlichen
Umgebung gewonnen werden kann. Das Betrachten aus
unterschiedlichen Richtungen erledigen die beiden Augen aus
einem Abstand von ca. 6-7 cm heraus. Dieses Phänomen, bei dem
die Augen zwei unterschiedliche Bilder wahrnehmen, nennt man
Querdisparation oder Stereopsie. Das Gehirn berechnet aus den
Unterschieden der beiden Bilder die entsprechenden
Tiefeninformationen, die besonders intensiv beim Betrachten
naher Gegenstände ausfällt.
Abb. 4: Das Phänomen der Querdisparation

2.5 Visuelle Wahrnehmung von Punkten und
Objekten
In den folgenden Abbildungen wird der Weg des Lichts in
verschiedenen Situationen visuell veranschaulicht. Wir verfolgen
die Lichtstrahlen von ihrem Ausgangspunkt (Punkt auf dem
wahrgenommenen Objekt) bis zum Punkt der Wahrnehmung
(Punkt, an dem Licht auf der Netzhaut trifft). Ziel der
Darstellungen ist, uns die Wahrnehmung von 3D-Objekten in der
natürlichen Welt und bei der Aufnahme von 2D-Bildern zu
verinnerlichen. Wir werden am Ende sehen, wie das Auge
getäuscht werden kann und wie wir ein 2D-Bild (oder eine
Bildfolge) für dreidimensional halten.
2.5.1 Einzelner Punkt
Abbildung 5 stellt die visuelle Situation für das einfachste Objekt
dar: ein einzelner Punkt als Lichtquelle. Aufgrund der
lichtbrechenden Eigenschaften der fokussierenden Linse treffen
alle von einem Punkt ausgehenden Lichtstrahlen auf der Netzhaut
wieder in einem Punkt zusammen. Die zu einem Punkt
gebündelten Lichtstrahlen werden auch im Gehirn als ein einziger
Punkt wahrgenommen.
Abb. 5: Wahrnehmung eines Punktes
2.5.2 Zwei Punkte
Abbildung 6 stellt die gleiche Situation mit zwei Punkten dar.
Abb. 6: Wahrnehmung von zwei Punkten
Es fällt auf, dass die Lichtstrahlen in der Abbildung 6 auf die
Netzhaut so einfallen, dass ein umgekehrtes Bild des eigentlichen
Objekts entsteht. Dieses Bild wird aber im Gehirn wieder richtig
herum gedreht.
2.5.3 Linien
Abbildung 7 stellt die Lichtstrahlen für eine Reihe gleich großer
Linienabschnitte dar, die sich in unterschiedlicher Entfernung
vom Auge befinden. Der Abschnitt 1a-1b, der dem Auge am
nächsten ist, wird auf der Netzhaut am größten dargestellt. Der
Abschnitt 3a-3b ist am weitesten vom Auge entfernt und hat das
kleinste Abbild auf der Netzhaut. Das ist nachvollziehbar – weiter
entfernte Objekte erscheinen kleiner.
Abb. 7: Unterschiedliche Wahrnehmung gleich großer Linien
In der Abbildung 8 werden verschieden große Linienabschnitte
dargestellt. Abschnitt 1a-1b ist am kleinsten und befindet sich
dem Auge am nächsten. Abschnitt 2a-2b ist etwas größer und
weiter entfernt, Abschnitt 3a-3b ist am größten und auch am
weitesten vom Auge entfernt. Die Lichtstrahlen dieser Abschnitte
treffen alle dieselben Punkte auf der Netzhaut. Die Wahrnehmung
der Abschnitte 1a-1b, 2a-2b und 3a-3b ist identisch, obwohl die
Abschnitte unterschiedlich groß sind. Dieses Phänomen kann man
sich dadurch erklären, dass die einfallenden Lichtstrahlen, die
vom Abschnitt 1a-1b ausgehen, sich mit denen, die von den
Abschnitten 2a-2b und 3a-3b ausgehen, überlagern. Da die
physische Wahrnehmung durch die auf die Netzhaut treffenden
Lichtstrahlen beeinflusst wird, werden alle drei Abschnitte als
identisch angesehen. Das lässt sich ebenfalls nachvollziehen, da
ein kleineres, näheres Objekt nicht zu unterscheiden ist von einem
größeren, aber ansonsten identischen Objekt, das weiter vom
Auge entfernt ist. Deshalb ist es beim Film auch möglich, für
Spezialeffekte mit spektakulären Explosionen oder Ähnlichem
Miniaturmodelle zu verwenden. Aus der Nähe gefilmt sieht das
Miniaturmodell aus wie das Original aus weiter Entfernung.
Abb. 8: Identische Wahrnehmung unterschiedlich großer
Linien
Da die Wahrnehmung vieldeutig ist, können wir ein Objekt
aussehen lassen wie ein anderes, wenn von diesem Objekt die
gleichen Lichtstrahlen auf das Auge fallen. So können wir auch
ein 2D-Bild erstellen, dessen Lichtstrahlen mit denen eines 3D-
Objekts übereinstimmen. In diesem Fall würde das Auge das 2D-
Bild als 3D-Objekt aufnehmen. Das ist auch das Prinzip des
Wunders Linearperspektive, einer Errungenschaft der
Renaissance.
Dies bedeutet allerdings nicht, dass ein 2D-Bild von allen
Standpunkten aus wie ein 3D-Objekt aussieht. Wenn sich der
Blickwinkel ändert, dann ändert sich auch die Zusammensetzung
der Lichtstrahlen. Die einfallenden Lichtstrahlen ändern sich bei
einem 2D-Bild nicht in gleicher Weise wie bei einem 3D-Objekt.
Nehmen wir als Beispiel ein Foto mit der Vorderansicht eines

Würfels. Sehen wir und den Würfel und das Foto vor vorn an, so
scheinen sie identisch. Heben wir unseren Kopf aber ein wenig
und schauen auf den Würfel, so können wir etwas von seiner
Oberfläche sehen. Bei dem Foto des Würfel erhalten wir so zwar
eine etwas andere Ansicht des Fotos, die Oberseite des Würfels
können wir dennoch nicht sehen. Ein Foto kann zwar von einem
Punkt aus dreidimensional erscheinen, aber nicht von allen
Blickwinkeln aus, weshalb es von unserem Gehirn schnell als
flache Projektion eines dreidimensionalen Objekts erkannt wird.
2.5.4 Würfel
Bisher waren die Lichtstrahlenabbildungen nur zweidimensional.
Abbildung 9 stellt einen 3D-Würfel dar und die Strahlen, die von
den Ecken des Würfels auf das Auge fallen.
Eine zweidimensionale Fläche durchschneidet die Lichtstrahlen
vom Würfel. Die Lichtstrahlen des Bildes auf dieser Fläche
stimmen mit den einfallenden Strahlen des dreidimensionalen
Würfels für den gegenwärtigen Blickwinkel überein. Über die
vom Auge empfangenen Lichtstrahlen können wir nicht
bestimmen, ob wir auf den eigentlichen 3D-Würfel schauen oder
auf ein 2D-Bild des Würfels. Oder anders herum, betrachten wir
das 2D-Bild, könnte es im Gehirn als 3D-Objekt angesehen
werden, was ja das Ziel der 3D-Grafik ist.
Abb. 9: Identische Wahrnehmung eines dreidimensionalen
Würfels und seines zweidimensionalen Abbildes.
2.6 Erkennung von Bildern: Einfluss von
Umwelterfahrungen
Visuelle Wahrnehmung ist durch Erwartungen und Erfahrungen
geprägt. Bilder, die diesen Erwartungen nicht entsprechen, sind
schwer zu interpretieren. Der Mensch nimmt z. B. grundsätzlich
an, dass das Licht von oben kommt (Sonne). Desweiteren erfolgt
die Bildwahrnehmung von links nach rechts und unterbrochene
Konturen werden in unserem Gehirn vervollständigt, was uns die
Abbildung 10 verdeutlicht.
Abb. 10: Liniendarstellung wird als Überlappung von Flächen
interpretiert
3. AUSWIRKUNG VON LICHT UND
SCHATTEN AUF RÄUMLICHES SEHEN
Seit jeher versuchen die Menschen mit verschiedenen Tricks und
Hilfsmitteln, Bildern mehr räumliche Tiefe und Plastizität zu
geben.
Die einfachste Möglichkeit räumliche Tiefe und Plastizität
vorzugaukeln, ist das Spiel mit Licht und Schatten. Schatten
entstehen durch die Lichtundurchlässigkeit von Gegenständen und
geben eine Information über die dreidimensionale Form und Lage
der Lichtquelle.
Schattierung ist ein sehr wirksames Darstellungsmittel, um
Tiefenhinweise bezüglich der Form wie Krümmungen,
Erhebungen und Mulden, also dreidimensionale Attribute eines
Objektes, in einer zweidimensionalen Abbildung hervorzuheben.
Dabei wird der Farb- bzw. Helligkeitsverlauf der Schattierung
durch die relative Orientierung von Teilen der Oberfläche
bezüglich der Lichtquelle bestimmt.
Schatten visualisiert die Verdeckung des Lichts durch ein anderes
Objekt. Abbildung 11 und 12 zeigt, wie wichtig Schatten für die
Darstellung räumlicher Tiefe sein kann. In Abbildung 11 haben
beide Kugeln die gleiche projizierte Größe, ihr Schatten lässt sie
jedoch in unterschiedlicher Entfernung erscheinen. Abbildung 12
zeigt wie eine Schattenprojektion auf eine Grundfläche die
Erkennbarkeit der Tiefenverhältnisse verbessern kann.
Abb. 11: Tiefenhinweise durch Schatten

Abb. 12: Schattenprojektion auf eine Grundfläche
Schattierung ist die ursprünglichste der wahrgenommenen
Hinweise zur Rekonstruktion räumlicher Tiefe.
Abb. 13: konvexe Form
Abb. 14: konkave Form
Obwohl in Abbildung 13 und 14 lediglich kreisförmige Hell-
Dunkel-Übergänge abgebildet sind, nehmen wir in der Abbildung
13 konvexe und in der Abbildung 14 konkave Formen wahr.
Diese Tiefenillusion entsteht, da unser Sehsystem ohne
zusätzliche Tiefenhinweise, von einer einzigen oberhalb der Szene
angeordneten Lichtquelle ausgeht.
Die Dominanz der Darstellung von Schatten für die
Wahrnehmung räumlicher Zusammenhänge ist von erheblicher
Bedeutung. Die Projektion von Schatten auf eine Grundfläche
verbessert enorm die Wahrnehmung räumlicher Beziehungen
zwischen Objekten. Eine genau Positionierung oder Skalierung
von Objekten ist dadurch möglich, wie es in Abbildung 15
deutlich wird.
Abb. 15: Seitliches Licht (rechts) macht die Form besser
erkennbar als frontales Licht (links)
Schatten können uns Informationen über die Gestalt eines
Objektes oder seine Distanz zu einem anderen Objekt oder einer
Oberfläche geben. Attached shadaw wird der Schatten genannt,
der auf das Objekt selber fällt, und uns Informationen über die
Form des Objektes liefert. Cast shadaw wird der Schatten
genannt, den das Objekt auf ein anderes Objekt oder auf eine
Oberfläche wirft und uns die relative Entfernung angibt.
3D-Effekte mit Licht und Schatten und perspektivische räumliche
Tiefe kennen wir auch von diversen Spielen. Aber wirklich
dreidimensional sehen wird erst möglich, wenn beiden Augen
perspektivisch unterschiedliche Bilder angeboten werden.
Derartige Bilder nennt man Stereogramme. Die räumliche
Wahrnehmung des Menschen beruht auf mehreren Aspekten, die
zum Teil angeboren, zum Teil erlernt sind, wie im Fall der
SIRDS 2 . Dabei wird das Raumbild in Graustufen umgewandelt
und mit einer Zufalls-Textur überzogen. Mit einer speziellen
(erlernbaren) Sehtechnik, also ohne technische Hilfsmittel, kann
man dann den 3-D-Effekt wahrnehmen. Der Mensch beherrscht
das räumliche Sehen mit beiden Augen - das sogenannte
binokulare Sehen - das räumliche Sehen mit einem Auge
entwickelt sich im Laufe seines Lebens.
4. MONOKULARE TIEFEN-
INFORMATION 3 : DIE PERSPEKTIVE
Die Perspektive liefert uns die Ursache dafür, dass man entfernte
Objekte weniger scharf sieht, weil man dabei durch die Luft, die
kleine Partikel wie Staub oder andere Verschmutzungen enthält,
durchschauen muss.
2
Single Image Random Dot Stereogram: Das Zufallspunkt-
Autostereogramm.
3
Tiefenkriterien, die sich einem unbewegten Bild, etwa einem
Foto, entnehmen lassen (z.B. Lineare Perspektive).

4.1 Lineare Perspektive
Projiziert man eine dreidimensionale Szene auf eine
zweidimensionale Bildfläche, so erhalten wir einen einfachen
geometrischen Effekt, die sog. lineare Perspektive. Parallele
Linien scheinen mit zunehmender Distanz immer mehr zu
konvergieren und im Fluchtpunkt, der sich meistens am Horizont
befindet, aufeinandertreffen (z.B. Eisenbahnschienen).
Abb. 16: Lineare Perspektive
4.2 Perspektivische Verkürzung
Durch die perspektivische Projektion (Zentralprojektion) werden
vom Betrachter entfernte Objekte kleiner dargestellt als nähere.
Das zugrundeliegende Verhältnis zwischen Größe und Entfernung
erlaubt die Abschätzung der Distanz zum Objekt sofern der
Betrachter die Größe des Objektes kennt und umgekehrt. Sind
jedoch weder Größe noch Entfernung zum Objekt bekannt, ist es
nicht möglich die projektive Mehrdeutigkeit aufzulösen.
5. AUSWIRKUNGEN DER BEWEGUNG
AUF DIE 3D-WAHRNEHMUNG:
BEWEGUNGSINDUZIERTE 4 TIEFEN-
KRITERIEN
Bei Bewegungen handelt es sich um wahrgenommene
Änderungen im Bild. Dabei werden Bildteile verschoben, eine
örtliche und zeitliche Auswertung der Änderung im Bild ist
notwendig. Nicht als Bewegung des Objektes wahrgenommen
werden, sollen beispielsweise hingegen Verdunkelung oder
Erhellung des Objektes oder das Absuchen der Szene mit einem
Scheinwerfer.
Ebenfalls ein wichtiger Punkt bei der Wahrnehmung von
Bewegung ist das Abstimmen mit vorhandenen Informationen
über die eigene Bewegung, so dass Eigenbewegung und
Bewegung des betrachteten Objektes unterschieden werden
können. Ein bekanntes Beispiel ist jenes, wo dem Betrachter eines
sich langsam bewegenden Zuges ohne Beachtung der restlichen
Umwelt nicht sofort offensichtlich erscheint, ob sich der
4 Tiefenkritierien, die aus der Bewegung des Beobachters oder der
Bewegung von Objekten in der Umwelt hervorgehen (z.B.
Bewegungsparallaxe).
betrachtete oder der Zug in dem der Betrachter sitzt in Bewegung
ist.
Durch die Bewegung gelangt der Betrachter zu einer Reihe von
leicht unterschiedlichen Bildern. Aus dieser Abfolge von Bildern
wird ein räumlicher Eindruck geschaffen, wobei zwei
Hauptmechanismen wirksam werden:
5.1 Die Bewegungsparallaxe
Das Konzept der Parallaxe ist für die Täuschung des Gehirns
wichtig, eine 2D-Szene für dreidimensional zu halten, mit dem
man einfache, aber überzeugende 3D-Darstellung erzeugen kann.
5.1.1 Definition der Parallaxe
Parallaxe ist das Phänomen, nach dem sich ein Objekt in
bestimmter Entfernung vom Betrachter schneller zu bewegen
scheint als ein weiter entferntes Objekt mit gleicher
Geschwindigkeit. Ein Beispiel aus dem täglichen Leben kann dies
verdeutlichen. Beim Fahren auf der Autobahn schaut man aus
dem Seitenfenster. Es fällt auf, dass die Bäume gleich neben der
Fahrbahn ziemlich schnell vorüberziehen, während weiter
entfernte Berge sich kaum zu bewegen scheinen. Diese
wahrgenommene Geschwindigkeitsdifferenz wird der
Parallaxeneffekt genannt.
Abb. 17: Das Phänomen der Bewegungsparallaxe
5.1.2 Entstehung der Parallaxe
Die geometrische Analyse in Abbildung 18 zeigt den Grund für
die Parallaxe. In dieser Abbildung haben wir zwei Punkte, einen
näher zum Auge (weiß) und einen weiter entfernt (schwarz).
Angenommen, beide Punkte bewegen sich die gleiche Strecke von
links nach rechts. Die wahrgenommene Bewegung ist die
Bewegung der von der Netzhaut aufgenommenen Punkte, welche
von der Geometrie der einfallenden Lichtstrahlen bestimmt wird.
Wie man mit Hilfe der Abbildung 18 unschwer erkennen kann, ist
die wahrgenommene Geschwindigkeit um so größer, je näher der
Punkt dem Auge ist. Mit anderen Worten, die wahrgenommene
Bewegung verhält sich umgekehrt zur Distanz vom Auge.

Abb. 18: Analyse der Parallaxe
5.1.3 Bedeutung der Parallaxe
Die Parallaxe ist von Bedeutung, weil sie dem Betrachter visuell
suggeriert, dass die Objekte unterschiedlich weit entfernt sind und
auf diese Weise die Illusion dreidimensionaler Tiefe hervorruft.
Wir sind in unserem täglichen Leben so an das Sehen und Erleben
von Parallaxen gewöhnt, dass jede der Parallaxe ähnliche
Bewegung leicht als Parallaxe interpretiert wird und ein Gefühl
von Tiefe entstehen lässt.
5.2 Der kinetische Tiefeneffekt
Dieser Spezialfall der Bewegungsparallaxe entsteht dort, wo sich
ein Objekt durch den Raum bewegt oder an der Stelle rotiert.
Auch hier gibt uns die Abfolge der wahrgenommenen
Bewegungen und Formen des Objekts Informationen über seine
räumliche Gestalt und seine Position im Raum.
Beispiel: Sehen wir einen Zug exakt von vorne, so fehlen uns
wichtige Informationen über die räumliche Beschaffenheit des
Zugs (z.B. die Länge). Bewegt sich aber der Zug neben uns
vorbei, so kann die räumliche Ausdehnung und Gestalt des Zuges
etwa eingeschätzt werden.
Abb. 19: Der kinetische Tiefeneffekt
6. 3D-WAHRNEHMUNG MIT HILFE VON
ANAGLYPHENBRILLEN
Es gibt eine große Anzahl verschiedener Möglichkeiten, Bilder
dreidimensional, also mit räumlicher Wirkung, darzustellen. Für
die meisten dieser Verfahren werden verschiedene Brillen
benötigt.
6.1 Arten von Anaglyphenbrillen
Die rot/grüne und die rot/blaue Anaglyphenbrille ist besonders
geeignet zur Betrachtung spezieller gedruckter Bilder
(Anaglyphe 5 ). Auch zur plastischen Darstellung von Anaglyphen-
Bildern auf Monitoren oder mit Video-Beamern geeignet.
Abb. 20: rot-grüne und rot-blaue Anaglyphenbrille
Die rot/cyan-Brille löst nach und nach die Verfahren rot/grün und
rot/blau ab. Sie ermöglicht eine bessere Farb-Darstellung als die
beiden anderen Techniken.
Abb. 21: rot-cyan Anaglyphenbrille
5 Ein in Komplementärfarben etwas seitlich verschoben
übereinander gedrucktes und projiziertes Bild, das beim
Betrachten durch eine Farbfilterbrille (Anaglyphenbrille) mit
gleichen Komplementärfarben räumlich erscheint.

6.2 Funktionsweise von 3D-Brillen
Beim Anaglyphen-Verfahren (rot/grün-Verfahren) werden mit
einer 3D-Kamera zwei Bilder aufgenommen. Bei dieser Kamera
sind zwei Linsen im Abstand von 7,5 cm nebeneinander
angebracht (Die 7,5 cm entsprechen in etwa dem
durchschnittlichen Abstand der Pupillen des Menschen). Diese
beiden Linsen fokussieren dasselbe Bild, durch ihren Abstand
zueinander jedoch aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln.
Dabei ist auf jeder der beiden Linsen ein (Farb-)Filter aufgebracht
(beim rot/grün Verfahren also auf der rechten Linse ein roter und
auf der linken ein grüner). Wird mit dieser Kamera nun ein Bild
geschossen, so sind auf diesem einen Bild die Bilder der beiden
Linsen übereinanderprojiziert sichtbar. Durch die
unterschiedlichen Aufnahmewinkel liegen die Kanten der
abgelichteten Gegenstände nicht unbedingt aufeinander, sondern
sie können sich auch überschneiden. Dadurch wirken diese Bilder
mit bloßem Auge betrachtet wie verwackelt. Betrachtet man das
Bild jedoch mit entsprechenden Farbfiltern vor den Augen
(rechtes Auge grün, linkes rot), so sieht jedes Auge nur noch das
Bild, das für dieses Auge vorgesehen ist. Aus den beiden
unterschiedlichen Bildern setzt das Gehirn wieder das
dreidimensionale Bild zusammen.
7. WAHRNEHMUNGSTÄUSCHUNGEN –
DER AMESSCHE RAUM ALS BEISPIEL
EINER OPTISCHEN TÄUSCHUNG
Von einer Wahrnehmungstäuschung sprechen wir dann, wenn uns
unsere Sinne nachweislich auf fehlerhafte Art die Erfahrung eines
Reizmusters vortäuschen. Die visuellen Wahrnehmungstäuschungen
sind demnach also falsche Interpretationen unseres
Wahrnehmungssystems.
Abb. 22: Der Ames-Raum: Ansicht vom speziellen
Betrachterstandort
Betrachtet man die Abbildung 22, so ist man überzeugt 2
verschieden große Menschen zu sehen.
Tatsache ist jedoch, dass sie gleich groß sind. Die Ursache dieser
Täuschung liegt in der Konstruktion des Raumes: die hintere
Wand, die Tür und die Fenster sind so geometrisch geformt, dass
der Raum vom Standpunkt der Bildaufnahme wie ein normales,
rechteckiges Zimmer wirkt. Tatsächlich ist der Raum aber so
gebaut, dass vom Betrachter aus, seine linke hintere Ecke fast
doppelt so weit entfernt liegt wie seine rechte.
Abb. 23: Der Ames-Raum: Blick von Aussen
8. ZUSAMMENFASSUNG: WARUM
SEHEN WIR DREIDIMENSIONAL?
Die Augen des Menschen funktionieren – vereinfacht gesagt – wie
die Linsen eines Fotoapparates. Jedes Auge kann deshalb auch
nur eine zweidimensionale Abbildung seiner Umwelt an das
Gehirn übermitteln. Aus den beiden Bildern, die das Gehirn von
den Augen übermittelt bekommt, kann dieses wieder eine
dreidimensionale Ansicht "zusammensetzen" (Abbildung 4).
Menschen mit Sehstörungen auf einem Auge haben deshalb oft
keine echte dreidimensionale Wahrnehmung, was Probleme z.B.
beim Schätzen von Entfernungen mit sich bringt. Auf diesem
Zusammenspiel zwischen den beiden Augen und dem Gehirn
beruht also der ganze "Trick" des dreidimensionalen Sehens.
9. QUELLEN
[1] http://home.wtal.de/schwebin/3d/basics3d.htm
[2] http://www.heise.de/ct/99/07/158/
[3] http://newmedia.idv.edu/fhtw95/s113616/augen.html
[4] http://www.jszw.de/3d_wahrnehmung/grundlagen_3d_
wahrnehmung.html
[5] http://www.jszw.de/3d_wahrnehmung/tiefe.html
[6] http://www.jszw.de/3d_wahrnehmung/modelle.html
[7] http://www.roost-optik.ch/3-dsehen.htm
[8] http://www.inf.fu-berlin.de/~behnke/cv/Intro.html