Volumendisplay: Forscher lassen 3D-Bilder im Raum schweben
Wenn Obi-wan Kenobi in einem der Star-Wars-Filme mit seinen Jedi-Kollegen spricht, dann erscheint er als kleines flackerndes Hologramm auf einem Sockel. Anders als Lichtschwerter, Todessterne und Reisen in andere Galaxien ist das inzwischen keine Science-Fiction mehr.
Holographische(öffnet im neuen Fenster) oder volumetrische Displays(öffnet im neuen Fenster) heißen solche Einrichtungen. Sie ermöglichen es, Inhalte in zwei oder drei Dimensionen darzustellen. Bilder oder Texte werden projiziert – aber nicht auf ein flaches Medium wie eine Wand oder eine Leinwand, sondern in die Luft. Einige dieser Displays sind gerade auf den Markt gekommen.
Sie sind vielseitig einsetzbar, zum Beispiel in der Werbung oder bei Veranstaltungen. So manchem wird noch die virtuelle Auferstehung des Rappers Tupac Shakur in Erinnerung sein. Medizinern können diese Displays bessere Einblicke in den menschlichen Körper ermöglichen. Eine neue Entwicklung aus Japan soll vor allem im Fall einer Naturkatastrophe zum Einsatz kommen.
Holographische Displays regen zudem die Fantasie an: Wenn wir mit Freunden oder Verwandten kommunizieren, könnten diese als kleine, dreidimensionale Figuren aus Licht vor uns stehen. Wenn wir Bilder oder Präsentationen zeigen, könnten wir sie nicht mehr nur an die Wand projizieren, sondern sie frei im Raum schweben lassen.
Voxel werden auf ein Medium projiziert
Allerdings reflektieren Luftmoleküle nur wenig Licht. Deshalb wird ein Medium benötigt, auf das die Voxel projiziert werden können. Voxel, ein Koppelwort aus Volumetric und Pixel, ist ein Bildpunkt in einer dreidimensionalen Darstellung – also die 3D-Variante eines Pixels. Das Medium, auf das projiziert wird, kann fest oder flexibel sein, statisch oder rotierend.
Eine Möglichkeit ist eine Scheibe aus Milchglas, die schnell rotiert. Der Sockel muss standfest genug sein, damit die Rotation ihn nicht aus dem Gleichgewicht bringt. Eine Lichtquelle – ein Beamer oder ein Laser – projiziert in schneller Abfolge Lichtpunkte oder flache Bilder auf die Scheibe. Das menschliche Auge kann die Einzelbilder nicht unterscheiden – und so erscheint für den Betrachter auf der Scheibe ein dreidimensionales Bild.
Der Vogel sitzt im Käfig
Das Prinzip ähnelt dem des Thaumatrops(öffnet im neuen Fenster) . Das ist eine Scheibe, auf deren beiden Seiten verschiedene Bilder zu sehen sind – etwa ein Vogel und ein Käfig. Wird sie in Rotation versetzt, erscheint für das Auge das Bild eines Vogels im Käfig.
Das volumetrische Display kann aber mehr als das: Es zeigt ein 3D-Bild, das von allen Seiten angesehen werden kann. Ein Betrachter kann also darum herumgehen. Das US-Unternehmen Actuality Systems stellte vor einigen Jahren mit dem Perspecta Spatial 3D System(öffnet im neuen Fenster) ein solches Display vor.
Perspecta stellt CT-Bilder dar
Gedacht war das Perspecta Spatial 3D System für medizinische Anwendungen: Das System stellte das Bild eines Computertomographen dar. So sollte ein Arzt etwa den genauen Ort eines Tumors im Körper bestimmen können. Großen Erfolg hatte die Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology mit dem Produkt nicht: Actuality Systems wurde 2009 von dem US-Unternehmen Optics for Hire übernommen. Optics for Hire hat das Patent für das volumetrische Display verkauft.
Ein anderes Verfahren setzt das Unternehmen Soscho(öffnet im neuen Fenster) aus Weilheim in Oberbayern ein: Bei seinem volumetrischen Display mit der Bezeichnung Bollograph(öffnet im neuen Fenster) rotiert die Mattscheibe nicht, sondern bewegt sich auf und ab. Sie hebt und senkt sich mehrere hundert Mal in der Minute. Darauf werden dann Lichtpunkte projiziert, wodurch sich für das Auge ein 3D-Bild ergibt.
Der Bollograph wird besser
Erstmals präsentierten die Bayern ihren Bollographen 2008 auf der Cebit Hannover. Der Prototyp hatte eine Auflösung von 1,2 Megavoxeln. Im vergangenen Jahr(öffnet im neuen Fenster) stellte Soscho auf der Konferenz GO-3D 2013(öffnet im neuen Fenster) in Rostock den Nachfolger vor: Dieser Bollograph hat mit 18,1 Megavoxeln eine deutlich höhere Auflösung.
Bei Volumen(öffnet im neuen Fenster) bewegt sich hingegen nicht die Scheibe, sondern die Lichtpunkte bewegen sich: Das volumetrische Display besteht aus mehreren übereinanderstehenden Armen, auf denen Leuchtdioden (LED) angebracht sind. Die Arme rotieren und wenn die LEDs aufleuchten, entsteht ein dreidimensionales Bild. Wie die rotierende oder sich auf und ab bewegende Mattscheibe macht sich auch Volumen die Trägheit des menschlichen Auges zunutze.
Volumen stellt sieben Farben dar
Die LEDs sind farbig – Volumen kann also Bilder in sieben Farben mit einer Auflösung von einem Megavoxel darstellen. Der Vorgänger Visio(öffnet im neuen Fenster) war einfarbig und hatte eine Auflösung von 32.000 Voxeln. Für Visio wurden die beiden Entwickler Maximilian Mali und Sebastian Haushofer vom österreichischen Technikportal Futurezone im vergangenen Jahr ausgezeichnet(öffnet im neuen Fenster) . Visio und Volumen sind beides Projekte einer Wiener Oberschule.
Allerdings wäre es praktisch, wenn sich ein virtuelles 3D-Objekt nicht nur betrachten, sondern auch anfassen ließe.
Ein unsichtbares Display zum Anfassen
Mit einem 3D-Bild, das sich anfassen lässt, könnte sich ein Mediziner nicht nur die genaue Position eines Tumors im Körper als 3D-Bild anzeigen lassen. Er könnte diesen auch betasten. Bei einem volumetrischen Display wie Perspecta, Volumen oder dem Bollographen ist das indes nicht ratsam. Sie sind von einer Glaskugel umgeben, damit nicht zufällig ein ungeschickter Nutzer den rotierenden Scheiben oder Armen mit seinen Fingern zu nahe kommt.
Britische Forscher um Ben Long haben ein System entwickelt, das ganz anders funktioniert und mit dem sich virtuelle Objekte auch anfassen lassen. Ultrahaptics(öffnet im neuen Fenster) heißt das Display von der Universität in Bristol, das mit Ultraschall arbeitet.
Ultraschall erzeugt Druck
Es besteht aus kleinen Signalgebern, die in einer Matrix von 20 x 16 angeordnet sind. Die Signalgeber senden Ultraschallwellen aus. Hält der Nutzer eine Hand darüber, nimmt er die Wellen als Druck oder Widerstand wahr. Sichtbar machen lässt sich das, wenn die Ultraschallwellen auf eine Flüssigkeit gelenkt werden.
Ein Sensor zur Bewegungserkennung, der Leap Motion Controller , erkennt die Hände. Das System kann die Signalgeber dann so ansteuern, dass für den Nutzer der Eindruck entsteht, als ertaste er ein unsichtbares Objekt.
Unsichtbare Pyramiden rotieren
Das System kann geometrische Formen wie Kugeln oder Pyramiden erzeugen. Diese können sich auch bewegen, etwa rotieren. Auch mehrere Formen darzustellen, ist schon möglich. Die Auflösung ist jedoch noch recht grob – sehr feine Details lassen sich mit Ultrahaptics nicht modellieren.
Diese neue Version(öffnet im neuen Fenster) , die die Forscher um Long dieser Tage auf der Siggraph Asia(öffnet im neuen Fenster) vorstellen, ist jedoch schon deutlich besser als die erste aus dem vergangenen Jahr: Diese konnte nur Linien darstellen, etwa die Konturen einer Landkarte. Weiter verbessern wollen die Engländer ihr System, indem sie mehr und kleinere Ultraschallquellen einsetzen.
Museumsbesucher können Kunstwerke anfassen
"Berührbare Hologramme, immersive virtuelle Welten, die man fühlen kann, oder komplexe, berührbare Regler im freien Raum sind Möglichkeiten, um das System einzusetzen" , sagt Long(öffnet im neuen Fenster) . Anwendungsbereiche sieht er beispielsweise in der Medizin oder in Museen – Besucher bekämen so die Möglichkeit, wertvolle Ausstellungsstücke, die sie sonst nur ansehen können, zumindest virtuell einmal anzufassen. Das Team hat ein eigenes Unternehmen(öffnet im neuen Fenster) gegründet, um das haptische Display zu vermarkten.
Die Displays von Leia Display System(öffnet im neuen Fenster) hingegen sind so gut wie nicht zu spüren und ebenso wenig zu sehen. Und doch lassen sich Bilder darauf projizieren, so dass es scheint, als schwebten diese in der Luft.
Wabernde Bilder und ein auferstandener Rapper
Das polnische Unternehmen erschafft einen Bildschirm aus einem Schleier aus Wasserdampf. Für einen Betrachter ist er – vor allem bei wenig Licht – kaum sichtbar. Wird aber ein Beamer auf den Dampfschleier gerichtet, wird er zu einer Projektionsfläche.
Der deutsche Autohersteller Daimler hat ein von Leia kürzlich vorgestelltes System für die Präsentation eines Autos eingesetzt: Es sah aus, als durchbreche das Auto eine Wand. Dabei ist die Interaktion mit dem Display völlig harmlos – anders als bei volumetrischen Displays, die von einer Glaskugel umgeben sind, damit nicht zufällig ein ungeschickter Nutzer den rotierenden Scheiben oder Armen mit seinen Fingern zu nahe kommt.
Der Nutzer interagiert mit Leia
Wird das System um Sensoren ergänzt, kann der Nutzer mit dem Display interagieren. Die Sensoren erfassen seine Bewegungen und setzen sie in Steuerungsbefehle um. So kann er wie auf einem Touchscreen etwas eingeben. Es ist sogar möglich, das Display zu beschreiben.
Eine andere Möglichkeit ist, die Realität durch Darstellungen auf dem Display zu ergänzen: So kann etwa eine Tänzerin vor dem Display agieren. Auf dieses werden virtuelle Gegenstände oder Figuren projiziert, die die Tänzerin in ihre Show einbezieht.
Leia arbeitet an der dritten Dimension
Die Darstellung sei noch zweidimensional, sagt Daniel Skutela(öffnet im neuen Fenster) , Leia-Technikchef und Entwickler des Systems. Das bedeutet, ein 3D-Bild sieht ähnlich aus wie eine 3D-Darstellung auf einem herkömmlichen Monitor. Das Unternehmen arbeitet laut Skutela aber an der Dreidimensionalität.
Leia Displays gibt es derzeit in zwei verschiedenen Größen. Leia S 95 ist 95 Zentimeter breit und 65 Zentimeter hoch. Leia X 300, die Version für die große Bühne, ist 3 Meter breit und 2,5 Meter hoch. Falls die Bühne breiter ist, lassen sich auch mehrere X-300-Displays kombinieren. Anwendungen für das System gebe es viele, sagt Skutela. Die meisten Anfragen kommen aus der Veranstaltungsbranche.
Snoop Dogg lässt Tupac auferstehen
Welche Effekte sich mit einem schwebenden Display erzielen lassen, bewies 2012 der US-Musiker Snoop Dogg: Er ließ während seines Auftritts beim Coachella Valley Music and Arts Festival in Kalifornien seinen 1996 erschossenen Musikerkollegen Tupac Shakur wiederauferstehen . Tupac rappte zunächst allein. Später gesellte sich Snoop Dogg zu ihm auf die Bühne.
Auf der Bühne war eine Folie in einem Winkel von 45 Grad in Richtung des Publikums aufgespannt. Davor lag – für das Publikum nicht sichtbar – eine reflektierende Fläche. Darüber hing ein Beamer, der ein Video des Rappers auf die reflektierende Fläche projizierte. Diese wiederum spiegelte das Bild auf die Folie. Für das Publikum sah es so aus, als stehe Tupac für einen Song selbst auf der Bühne.
Doch es geht auch ohne Projektionsfläche, wie ein japanisches Unternehmen zeigt.
Die Luft leuchtet
Aerial Burton(öffnet im neuen Fenster) bringt bei seinem Display die Luft selbst zum Leuchten. So können die Japaner mitten in der Luft dreidimensionale Bilder aus Lichtpunkten erzeugen. Ein zusätzliches Medium brauchen sie dazu nicht.
Aber einen Laser: Der gibt Pulse ab, die an seinem Fokuspunkt die dort vorhandenen Moleküle zu einem Plasma ionisieren. Die Energie wird als Photon, also in Form von Licht abgegeben. Die Lichtpunkte blitzen nur für eine kurze Zeit auf. Der Laser sendet deshalb mehrere hundert Pulse in der Sekunde aus.
Der Laserpuls wird fokussiert
Der Laser hat eine Frequenz von 1 Kilohertz. Der Laserpuls wird durch ein Gerät geleitet, das Aerial Burton als 3D-Scanner bezeichnet: Der bestimmt die Richtung, in die ein Puls gesendet wird, und den Punkt, auf den er fokussiert wird.
Ihre Displaytechnik sei die einzige, die es ermögliche, Texte und Bilder in der Luft darzustellen, sagt Geschäftsführer Akira Asano dem japanischen Nachrichtenangebot Diginfo.tv(öffnet im neuen Fenster) . Gedacht ist das System in erster Linie für Notfalleinsätze. Dann kann es praktisch sein, Inhalte ohne einen Bildschirm in der Luft darzustellen: in welche Richtung Menschen ein gefährdetes Gebiet verlassen sollen, wo sie Hilfe, etwas zu essen oder eine Notunterkunft finden.
Aerial 3D wird transportabel
Dafür will Aerial Burton das System mobil machen: Es soll so gestaltet werden, dass es in einem Auto transportiert werden kann. Das transportable Display soll Anfang 2015 zur Verfügung stehen.
Sicher sind auch Einsätze im Unterhaltungsbereich denkbar. Allerdings ist die Auflösung derzeit noch relativ gering. Zwei Systeme(öffnet im neuen Fenster) hat das japanische Unternehmen im Angebot: Super Real Vision erzeugt 50.000 grüne Leuchtpunkte in der Sekunde in einem Volumen von zehn Kubikzentimetern. Bei der ersten Version, die 2006 vorgestellt wurde, waren es noch 1.000 Leuchtpunkte in der Sekunde.
Der Schmetterling hat zwei Kubikmeter Platz
Die Auflösung von Aerial Burtons neuem System Aerial 3D ist noch relativ gering: Es erzeuge aber 1.000 weiße Leuchtpunkte in der Sekunde, teilte Unternehmenschef Hideki Kimura Golem.de per E-Mail mit. Dafür ist das Volumen deutlich größer: Bis zu zwei Kubikmeter groß kann ein Schriftzeichen oder ein flatternder Schmetterling sein.
Die Bilder können bis fünf Meter über dem Laser in der Luft schweben. Allerdings arbeite das Unternehmen aus Kawasaki auf der japanischen Hauptinsel Honshu an beiden Systemen, sagt Kimura: "Unser Ziel ist, die Reichweite von Aerial 3D zu vergrößern und klarere Bilder mit Super Real Vision zu erzeugen."
Hinweise aus Licht
Einstweilen sind solche Displays noch Spezialanwendungen vorbehalten, Aerial 3D etwa ist für Katastropheneinsätze gedacht. Mit einem Laser sollen die Einsatzkräfte große, weithin sichtbare Hinweise in die Luft schreiben. Ein Männchen oder ein Schriftzeichen soll den Menschen zeigen, in welche Richtung sie sich in Sicherheit bringen sollen.
Es ist aber durchaus denkbar, dass solche Systeme künftig für daheim zur Verfügung stehen. Leia Display etwa arbeitet daran, die Geräte so zu verkleinern, dass sie für den Hausgebrauch eingesetzt werden können. Das werde aber noch etwas dauern, sagt Karolina Skutela von Leia Display Golem.de. Allerdings habe das Unternehmen auch schon einige wenige Leia S 95 an Privatkunden verkauft – sie machten "aus der Kaminattrappe einen Touchscreen in der Luft" .