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Es mag vielleicht etwas anachronistisch klingen, wenn man sich zu Zeiten von Shutterbrillen noch mit Anaglyphentechnik beschäftigt. Dass diese Technik aber noch lange nicht veraltet sein wird, zeigt uns das Internet und fast täglich der Zeitungskiosk, wo in regelmäßigen Abständen Zeitschriften mit eindrucksvollen Anaglyphenbildern zu sehen sind.
Die Vorteile liegen auf der Hand: die Stereobilder dürfen beliebig groß sein, alle Medien, die für Flachbilder geeignet sind, eignen sich auch für Anaglyphenbilder, der Anwender muß keine komplizierte Betrachtungstechnik erlernen und das Hilfsmittel, eine Rot/Grün-Brille, ist als Pfennigartikel überall zu bekommen. Die Nachteile sehen wir dann später...
Das Grundprinzip der Bildtrennung mittels Anglyphentechnik ist leicht erklärt: Die beiden Stereo-Halbbilder werden in Komplementärfarben eingefärbt und 'übereinandergelegt' (in den Farbwerten addiert). Hierbei werden zweckmäßigerweise solche Farben verwendet, die später wieder eine gute Trennung ermöglichen, beispielsweise Rot und Grün oder Rot und Blau.
Die Trennung der beiden Halbbilder erfolgt durch eine sogenannte Anaglyphenbrille, deren eine Seite rot eingefärbt ist (in der Regel die linke Seite) und deren andere Seite grün oder blau eingefärbt ist (logischerweise dann die rechte). Wer so eine Anaglyphenbrille zur Hand hat, kann sich damit einmal folgende Grafik eines Farbkreises anschauen, und zwar erst durch die rot eingefärbte Seite der Brille und danach durch die blau eingefärbte Seite. (Für ein größeres Bild bitte auf die Grafik klicken!)
Farbkreis mit Komplementärfarben. Die Zahlentripel geben die Farbanteile für die 3 Grundfarben Rot-Blau-Grün an. |
Das Ergebnis überrascht nicht: Durch die rote Seite der Brille erscheint die rote Farbe weiß und die blaue Farbe schwarz, umgekehrt erscheint durch die blaue Seite der Brille die blaue Farbe weiß und die rote Farbe schwarz. Die Farbe kann also zur Bildtrennung verwendet werden: Schaut man durch eine Anaglyphenbrille auf ein Anaglyphenbild, sieht man mit dem linken Auge nur das linke (rot eingefärbte) und mit dem rechten Auge nur das rechte (blau eingefärbte) Bild.
Da die Farbe zur Trennung der Bilder benötigt wird, können die betrachteten Objekte selbst nicht mehr farbig sein. Anaglyphenbilder erscheinen deshalb grau! Man kann zwar versuchen, eine gewissen Färbung der Anaglyphenbilder zuzulassen (Echtfarbanaglyphen), dies ist aber immer mit einer Zunahme von Störbildern verbunden.
Die Farbdarstellung für Monitorbilder erfolgt durch einen 3-dimensionalen Farbvektor mit den Farbrichtungen rot, grün und blau. Für jede dieser Farben kann durch einen Zahlenwert zwischen 0 (kein Farbanteil) und 1 (100%iger Farbanteil) angegeben werden, wie hoch der Anteil der entsprechenden Farbe sein soll. Für viele Zwecke ist eine Auflösung von 8 Bit je Grundfarbe ausreichend, so dass häufig die Farbwerte auch durch ganze Zahlen zwischen 0 und 255 dargestellt werden (wie auch im dargestellten Farbkreis). Also wird die Farbe Rot durch das Zahlentripel (255 0 0), die Farbe Grün durch das Tripel (0 255 0) und die Farbe Blau durch (0 0 255) dargestellt. Die "Farbe" Schwarz besitzt keinerlei Farbanteile (0 0 0), die "Farbe" Weiß dagegen volle Farbanteile aller 3 Grundfarben (255 255 255). Sie können das in dem folgenden Farbwähler selbst ausprobieren (benötigt JavaScript).
Stellt man sich die 3 Farbachsen im Raum aufgespannt vor, erhält man einen Farbwürfel, der alle darstellbaren Farben enthält. Die Komplementärfarben stehen sich in diesem Farbwürfel diametral gegenüber. Die 8 Ecken werden durch die Grundfarben Rot (255 0 0), Grün (0 255 0), Blau (0 0 255), die Mischfarben Gelb (255 255 0), Cyan (0 255 255) und Magenta (255 0 255) sowie durch Schwarz (0 0 0) und Weiss (255 255 255) gebildet.
Der Farbwürfel (benötigt Java) enthält alle darstellbaren Farben. Falls die Ausführung des Java-Applets auf Ihrem Rechner zu viele Resourcen kostet, klicken Sie bitte auf den Würfel - er hält dann sofort an!
Das Wichtigste bei der Farbtrennung ist die Abstimmung der für die Stereobilder verwendeten Farben mit den Farbfolien der Anaglyphenbrillen. Hierbei sind die Störbilder so weit wie möglich zu unterdrücken. Schlecht unterdrückte Störbilder sind ein schwerer Mangel bei Anaglyphenbildern und entstehen bei schlechter Abstimmung der Farben mit der verwendeten Brille.
Insgesamt sind vier Anaglyphenbedingungen zu erfüllen. Wird nur eine davon verletzt, entstehen Störbilder:
Die Bedingungen 1) und 2) werden
Durchlaßbedingung
und die Bedingungen 3) und 4)
Sperrbedingung
genannt.
Die additive Farbmischung der verwendeten Anaglyphenfarben muß mit der Hintergrundfarbe des Papiers identisch sein!
Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, hilft keine Brille der Welt mehr! Aber - wie gesagt - diese Bedingung ist nur im Druck relevant, bei der Verwendung von Monitoren oder Beamern ist sie automatisch erfüllt. Im allgemeinen ist diese Bedingung im Druck aber nur sehr schwer einzuhalten. Es bedarf entweder sehr viel Erfahrung oder einer sehr effizienten Strategie, um befriedigende Anaglyphendrucke zu erhalten. Entsprechend unterschiedlich können die Ergebnisse ausfallen: Von exzellent bis katastrophal!
Häufig sieht man Anaglyphendrucke auf leicht gelblichem Papier. Da es keine so reine Druckfarben gibt, die sich zu sauberem Weiß addieren, sondern in der Regel nur zu einem bräunlich gelbem Farbton, ist dies der konsequente Weg, um überhaupt geeignete Farben zu finden, welche die Durchlaßbedingung erfüllen. So ist die Wahl von roter und grüner Farbe bei der Verwendung von gelbem Papier zumindest ein guter Ausgangspunkt, um zu störungsfreien Anaglyphen zu kommen.
Mit den heutigen Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung ist es aber durchaus möglich, auf dem eigenen Tintenstrahldrucker fast perfekte Anaglyphendrucke auf weißem Papier zu erzeugen. Dazu müssen mit einer Reihe von Testdrucken die RGB-Werte der linken Farbe, der rechten Farbe und des Hintergrundes ermittelt werden. Beschränkt man sich beim Hintergrund auf einen neutralen Grauwert, bleiben immer noch 7 Parameter zu bestimmen.
Schnell wird man bei diesen Experimenten erkennen, dass die linken Grün- und Blau-Werte und der rechte Rot-Wert zu null sowie die rechten Grün- und Blau-Werte identisch gesetzt werden dürfen und es sind nur noch 3 Parameter zu ermitteln. Mit zwei geeigneten Testgrafiken, die jeweils 2-dimensionale Verlaufsmuster der Farbe gegen den Hintergrund enthalten, kann dann
mit Hilfe der Anaglyphenbrille die zu verwendenden Farbwerte direkt aus den Testgrafiken abgelesen werden. (Solche Testgrafiken kann ich leider nicht zum Download anbieten, da sie a) mehrere Megabyte groß sind und b) bei kommerzieller Verwendung einer Nutzungsgebühr unterliegen.)
Das Anaglyphenbild muss dann genau mit diesen Farbwerten erzeugt werden und ist -
für die jeweiligen Umgebungsparameter wie Papiersorte, Tintensorte, Beleuchtungsquelle etc. - die optimale Lösung. Das Ergebnis ist jetzt nur noch von der Sperrfähigkeit der Brille
abhängig. Im Idealfall entstehen auf diesem Weg völlig störungsfreie Anaglyphendrucke.
Das folgende Porträt des Autors wurde auf diesem Weg erzeugt. Der französische 3D-Künster
Sylvain Arnoux hat es mit seiner genialen 3D-Zeichenmaschine gezeichnet.
Das obere Bild ist das Originalbild, das untere besitzt die nach dem oben beschriebenen Verfahren ermittelten optimalen Farbwerte für den Druck (deskjet hp 920c, Original Farbpatrone, weißes Papier, rot/cyan-Brille, Tageslicht). Achtung: Es ist nicht zur Ansicht auf dem Monitor bestimmt und liefert dort Störbilder!
Porträt Gerhard P.Herbig, gezeichnet von Sylvain Arnoux. Reine rot/cyan Farben zum Betrachten auf dem Monitor mit rot/cyan-Brille. Die Durchlaßbedingung ist auf dem Monitor immer perfekt erfüllt. Das Ergebnis ist nur noch von den Farben des Monitors und der Sperrfähigkeit der Brille abhängig. |
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Gleiches Porträt, jetzt aber mit optimierten Farben für den Anaglyphendruck. Ebenfalls zur Verwendung mit rot/cyan-Brille. Auf dem Monitor sind jetzt Störungen zu sehen, ausgeruckt mit einem hp deskjet 920c sollte sich ein perfekter Anaglyphendruck ergeben! |
Um die Sperrbedingung gut zu erfüllen, müssen solche Farben ausgesucht werden, welche die Brille gut löschen kann. Das müssen nicht unbedingt Komplementärfarben sein - je nach vorhandener Brille kann das Rot/Cyan, Rot/Blau oder eher Rot/Grün sein.
Im allgemeinen hat man als Anwender hier geringe Einflußmöglichkeiten. Entweder werden die Farben gut gelöscht oder eben nicht. Man kann lediglich verschiedene Brillen verschiedener Farben und verschiedener Hersteller miteinander vergleichen und eine geeignete Brille auswählen.
Röhrenmonitore liefern im allgemeinen recht saubere Spektralfarben, die sich auch wieder gut trennen lassen. Dagegen kann bei manchen TFT-Monitoren eine gewisse Überlappung der Farben beobachtet werden, die sich dann natürlich nicht wieder trennen lassen (beispielsweise wurde bei einem Laptop ein gewisser Blauanteil in der roten Farbe beobachtet - so ein Monitor ist zur Betrachtung von Anaglyphenbildern völlig ungeeignet). Im allgemeinen hat man als Anwender hier geringe Einflußmöglichkeiten. Entweder werden die Farben gut gelöscht oder eben nicht. Man kann lediglich verschiedene Brillen verschiedener Farben und verschiedener Hersteller miteinander vergleichen und eine geeignete Brille auswählen.
Hier folgen noch 2 Testgrafiken zum Testen von rot/cyan-Anaglyphenbrillen:
Brillentest für die rote Brillenfolie |
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Brillentest für die rote Brillenfolie |
Wie die 3 folgenden Bilder zeigen, sind bei dunklen Objekten vor hellem Hintergrund vor allem die Durchlaßbedingungen wichtig. Eine nicht perfekte Löschung wird vor hellem Hintergrund kaum wahrgenommen - wenn die eigene Farbe aber gegenüber dem weißen Hintergrund zu dunkel wahrgenommen wird, entstehen im Anaglyphenbild häßliche Schatten.
Rot/Cyan-Trennung bei hellem Hintergrund. |
Dieses Bild zeigt oben einen dunklen Balken vor hellem Hintergrund. In der mitteleren Reihe den rot eingefärbten Grauwert für das linke Halbbild und den cyan eingefärbten Grauwert für das rechte Halbbild (schwarz besitzt den Grauwert null und bleibt somit schwarz). Unten ist in diesem Bild die additive Farbüberlagerung beider Bilder, also das fertige Anaglyphenbild zu sehen. Der Hintergrund ist wieder weiß, weil rot und cyan Komplementärfarben sind. (Für ein größeres Bild bitte auf die Grafik klicken!)
Rot/Blau-Trennung bei hellem Hintergrund. |
Jetzt die gleiche Situation wie oben, aber mit der Farbe Blau anstatt Cyan. Da Rot und Blau keine Komplementärfarben sind, wird bei der additiven Farbmischung aus der Hintergrundfarbe ein Magenta (helles violett, rechts unten im Bild). Der Blick durch die Anaglyphenbrille auf das Bild unten rechts zeigt, dass dies ebenso erlaubt ist, ohne dass dadurch die Sperrbedingungen verletzt wären. (Für ein größeres Bild bitte auf die Grafik klicken!) Das Bild unten links zeigt dagegen fehlerhafte Anaglyphenfarben: Einfache rote und blaue Linien auf weißem Hintergrund verletzen hier die Regel 2 - der Fehler liegt aber nicht an den Farben Rot und Blau, sondern am Grünanteil des Hintergrunds.
Rot/Grün-Trennung bei hellem Hintergrund. |
Im nächsten Bild die gleiche Situation wie oben, jetzt aber mit der Farbe Grün. Auch Rot und Grün sind keine Komplementärfarben und die additive Farbmischung ergibt ein dunkles Gelb. Links unten der gleiche Fehler wie in Bild 3, nur stört jetzt der Blauanteil des weißen Hintergrundes. (Für ein größeres Bild bitte auf die Grafik klicken!)
Um die Bedingungen 1 und 2 (Durchlaßbedingungen) gut einzuhalten, ist also lediglich eine konsequente Anwedung der additiven Farbmischung der Anaglyphenhalbbilder notwendig. Dies ist - wie oben schon mehrfach erwähnt - im Druck äußerst schwierig, da dort die Farben subtraktiv gemischt werden, für Monitorbilder aber mit Einhaltung der Sperrbedingungen automatisch erfüllt.
Bei hellen Objekten vor dunklem Hintergrund sind vor allem die Bedingungen 3 und 4, also die Sperrbedingungen wichtig. Wenn die Sperrbedingungen nur unzureichend eingehalten werden, findet Übersprechen zwischen den Halbbildern statt und Störbilder sind die Folge.
Rot/Cyan-Trennung bei dunklem Hintergrund. |
Rot/Blau-Trennung bei dunklem Hintergrund. |
Rot/Grün-Trennung bei dunklem Hintergrund. |
Die letzten 3 Bilder sind äquivalent zu den Bildern mit hellem Hintergrund, jetzt aber mit dunklem Hintergrund. (Für ein größeres Bild bitte wieder auf die Grafiken klicken!) Beim Analysieren der Bilder mit der Anaglyphenbrille (immer nur durch eine Seite der Brille schauen) fällt auf, dass die rote Farbe durch die blau/grüne Brillenhälfte meist recht gut gelöscht wird, die blau/grüne Farbe durch die rote Brillenhälfte aber nur unzureichend: So wirkt beispielsweise ein Cyan-Farbfeld durch die rote Anaglyphenbrille betrachtet nicht schwarz sondern nur grau! Im Vergleich dazu wird die blaue Farbe wesentlich besser unterdrückt.
Um Sperrbedingungen einzuhalten, ist besonders auf ein geeignetes Rotfilter der Anaglyphenbrille und auf eine darauf abgestimmte Blau/Cyan-Färbung des Anaglyphenbildes zu achten. (Reines Cyan ergibt meist nur ein hellgrau und kein schwarz).
Im folgenden streben wir eine allgemeine Matrixdarstellung an, mit der jede Methode zur Generierung von Anagylphen einfach beschrieben werden kann. Wir setzen den Index $l$ für "links", den Index $r$ für "rechts" und den Index $a$ für "Anaglyphe". Mit $R$, $G$, $B$ werden die Rot-, Grün- und Blauanteile bezeichnet. Dann kann jede Anaglyphenmethode mit
beschrieben werden. $[bb A_l]$ und $[bb A_r]$ sind lineare Skalierungsmatritzen der linken und rechten Farben.
Im folgenden werden 4 verschiedene Methoden der Anaglyphenerzeugung vorgestellt:Hierzu werden zunächst getrennt für die linken und rechten Teilbilder die Grauwerte berechnet. Der Grauwert des linkes Bildes ($Grey_l$) erzeugt dann den Rotanteil im Anaglyphenbild und der Grauwert des rechten Bildes ($Grey_r$) entweder den Blauwert, den Grünwert oder den Blau- und Grünwert gleichzeitig:
Für die Grauwerte gilt:
Damit ergeben sich für ein echtes Rot-Cyan-Anaglyphenbild die beiden Anaglyphenmatritzen:
In Rot-Blau-Anaglyphenbildern fehlt der Grünanteil:
und in Rot-Grün-Anaglyphenbildern der Blauanteil:
Im Programm Cosima kann man stufenlos zwischen diesen drei Typen auswählen:
Die bisher vorgestellten Anagylphenbilder zeigen keinerlei Farbeindruck, da nur die Grauwerte der linken und rechten Bilder berücksichtigt werden. Es ist daher immerhin einen Versuch wert, mit den Originalfarben ein Anaglyphenbild zu erstellen. Man erhält dann:
und
Störungsfreie Anaglyphenbilder sind mit dieser Methode zwar nicht möglich, trotzdem sieht man solche Echtfarbenanaglyphen immer öfter (besonders in Zeitschriften), da sie dem unbewaffneten Auge zumindest ein paar Farben anbieten können. Im Stereobild sind besonders rote und gelbe Objekte sehr störend, da die rote Farbe nur auf den linken Kanal gemappt wird.
Immerhin ist ein Kompromiß möglich, wenn man den echten Anaglyphenbildern nur etwas Farbe beimischt:
und
Auch hier muss bei der Implementierung noch skaliert werden, um den Wertebereich der Farben nicht zu überschreiten.
Die lesenswerten Darstellungen auf der Seite http://www.3dtv.at/Knowhow/AnaglyphComparison_de.aspx haben mich veranlaßt, nochmals über optimale Anaglyphenfarben nachzudenken, denn der Farbraum "zwischen Blau und Grün" darf ja eigentlich unverändert dem rechten Auge angeboten werden.
Hierzu werden zunächst in einem ersten Schritt die Grauanteile links und rechts berechnet, wie es oben in (1) und (2) schon erfolgt ist. Der linke Grauanteil wird (wie gehabt) auf die rote Farbe gemappt und der rechte Grauanteil auf Grün und Blau, jetzt aber im Verhältnis dieser beiden Farben des Originalbildes:.
Wie man leicht erkennen kann, entsteht in Bildern mit identischem Blau- und Grünanteile ($B_r=G_r$) wieder ein echtes Anaglyphenbild, ansonsten werden die Farbanteile entsprechend dem Originalbild aufgeteilt. (Ein zusätzlicher oben nicht berücksichtigter Skalierungsfaktor sorgt wieder für eine Dynamikbegrenzung der Farben.)
Bei dieser zuletzt beschriebenen Methode werden die Farben bestmöglich erhalten, ohne aber Kompromisse bei der Farbtrennung einzugehen. Mehr Farben sind ohne Störungen nicht möglich! Doch sehen Sie selbst (rot-cyan-Brille verwenden):
Papagei Robi. Anaglyphenbild mit optimalen Farben ohne Kompromisse bei der Farbtrennung. Cosimaparameter: AnaglyphType = 3. |
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