Fokus-Probleme unterm Headset und (k)ein Ende in Sicht? Lichtfeld-Displays auf dem Prüfstand

23. Oktober 2020 Katrin Pape

Fokus-Probleme unterm Headset und (k)ein Ende in Sicht? Lichtfeld-Displays auf dem Prüfstand

In den letzten Jahren hat es eine Reihe von spannenden Entwicklungen auf dem VR-Headset-Markt gegeben – doch ein Problem ist weiterhin ungelöst: Der Akkommodanz-Vergenz-Konflikt . Lichtfeld-Displays könnten das ändern.

Alles im Blick: Multi-Fokus

Variable Brennpunkte ermöglichen dem Auge, unter dem VR-Headset flexibel hin-und her zu fokussieren. Bildquelle: giphy.com

In unserem Artikel über die Funktionsweise stereoskopischer VR-Headsets haben wir gesehen, dass diese zwar die Vergenz der Augen unterstützen (die Bewegung beider Augen, um zwei Bilder zu einem Bild unter der Dimension der Tiefe zu vereinen), nicht jedoch den Vorgang der Akkommodation, bei der jedes Auge dynamisch fokussieren kann.

Um unangenehme Schwindelgefühle bzw. eine Überanstrengung der Augen zu vermeiden, müssen beide Vorgänge, wie auch beim physiologischen Vorgang des Sehens in realen Welten, synchron verlaufen. Daher liegt ein VR-Entwicklungsschwerpunkt auf der Entkopplung des Vergenz-Akkommodations-Konfliktes.

Ein möglicher Ansatzpunkt ist z.B., den Abstand zwischen Auge und Display durch eine Vergrößerungslinse künstlich zu verlängern.

Eine Möglichkeit dazu bieten varifokale Ansätze (Mehrschichtanzeigen), bei denen die Brennweite unter Nutzung von Eyetracking dynamisch verschoben werden kann. So arbeitet die Mixed-Reality-Brille Magic Leap One mit zwei Brennweiten unter Verwendung farbspezifischer mehrschichtiger Wellenleiter, um Bilder aus zwei verschiedenen Fokusebenen zu generieren. Auch Facebooks Half-Dome-3-Prototyp vertritt einen ähnlichen Ansatz und soll mit mehreren LCDs sogar bis zu 64 Tiefenebenen abdecken.

Ein auf Windows-Mixed-Reality basierender Prototyp von Lemnis Technologies, orientiert sich zur Erzeugung variabler Brennpunkte an speziellen Alvarez-Linsen: mittels Eyetracking-Software justieren diese passend zum digitalen Fokuspunkt. Für das „Verifocal VR Kit“ gab es bereits den CES Innovation Award. Allerdings: Zur korrekten Fokus-Ermittlung (Fokusbereich 25cm bis unendlich) müssen die Sehstärken der User berücksichtigt und optische Verzerrungen beseitigt werden. Inzwischen gibt es mehrere Prototypen – marktreife Versionen der Technologie stehen noch aus.

Tiefenhinweise beim physiologischen Sehvorgang. Bildquelle: quizlet.com

Wissenschaftler vom Computational Imaging Lab in Stanford haben sich ebenfalls der Lightfield-Technologie verschrieben und präsentierten schon vor einigen Jahren Ansätze für ein 4D-Lightfield-Stereoskop mit zwei gestapelten LCDs bei einer Auflösung von 1280 x 800.

Der Prototyp setzt auf halbtransparente Displays, die in bestimmten Abständen zueinander verbaut sind. Jeweilige Bildinhalte werden auf verschiedenen Tiefenebenen gestaffelt und können dadurch einzeln fokussiert werden.

The Light Field Stereoscope - SIGGGRAPH 2015

Im Unterschied zu einem additiven multifokalen Display, arbeitet dieses (Near-Eye Lightfield-) Display mit einzelnen Bildinhalten, die das finale Bild multiplikativ zusammensetzen. Additive Multifokal-Displays können monokulare Tiefenreize nur ungenau reproduzieren, da zum Beispiel weiter entfernte Objekte helles Licht auf dunkle Vordergrund-Bereiche emittieren.

Eine multiplikativer Schichtung moduliert dagegen eine gleichmäßigere Hintergrundbeleuchtung. Nahbereich & Hintergrund lassen natürliche Akkommodation und eine Fokussierung auf verschiedene Schärfeebenen zu.Abhängig von Rotation des Kopfes und Position der Augen, werden die angezeigten Bilder unter korrekter Tiefenschärfe auch perspektivisch richtig wahrgenommen. Im Resultat lassen sich VR-Apps unter dem Headset wesentlich angenehmer erleben.

Um diesen Effekt erzielen zu können, kommen in Lichtfeld-VR-Displays z.B. Mikrolinsen zum Einsatz, die eine Vielzahl an Subimages mit leicht unterschiedlicher Parallaxe generieren. Dabei arbeitet jede Mikrolinse ebenfalls wie eine Vergrößerungslinse und stellt die Szene aus mehreren Betrachtungswinkeln dar.

Die Stanford-Entwickler verzichteten bei ihrem Prototypen auf ein solches Mikrolinsen-Array und synthetisierten das Lichtfeld durch 2 x 2 Bilder: d.h. pro Auge werden zwei Bilder mit unterschiedlicher Tiefenschärfe erstellt und auf beide Displays gelegt. Bilder auf dem vorderen Display sind auf Vordergrund-Bereiche fokussiert, Bildinhalte im hinteren Display auf jene im Hintergrund, wobei der Akkommodationsbereich in einem Abstand von 19-123 cm vor der Hauptlinse entsteht (87x 91 Grad FOV).

Der Nachteil dieser Technik ist die geringe Bildwiederholrate/ zu hohe Latenzzeiten und natürlich der Formfaktor.

Aussichten im Nahbereich

Bildquelle: pressesprecher.com

Die Entwicklung von Lichtfeld-Displays schien bislang leider auch von erheblichen Problemen mit Farbdarstellungen, visuellen Artefakten bzw. Tiefenfehlern des Renderbildes begleitet. Ursache hierfür ist die Schwierigkeit, 3D-Lichtfelder ohne Ungleichmäßigkeiten durch den Lichtleiter zu entkoppeln. Wie steht es also um den kommerziellen Einsatz von Lichtfeld-Displays?

Einige Präsenz am Entwicklungs-Rotor zeigt das Startup Avegant, das mit Lizenzierungen für Headset-Hersteller arbeitet und Digital Light Processing nutzt.

Joerg Tewes, Avegant: How Light Field Technology Will Change the Future of AR and XR

Auch CREAL arbeitet an einem Lichtfeld-Display. Durch eine Kombination von Lichtfeld-Technologie und Eyetracking/Foveated Rendering soll die Rechenleistung verringert werden und nur der Bereich im Sichtfeld der Fovea entsprechend vom Lichtfeld abgedeckt werden.

Durch die Integration von optischen Wellenleitern kann der Formfaktor von VR-Headsets kompakter gestaltet werden. Bei dünnen Formfaktoren leidet die finale Bildauflösung jedoch erheblich (bedingt durch proportionale Abhängigkeit von Brennweite & Auge-Display-Abstand).

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