Bäumle, B.

Menozzi, M.

von Buol, A.

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Die Rolle von Bewegungsparallaxe und Stereopsis für dieTiefenwahrnehmung an StereobildschirmenB. Baumle*, A. von Buol*, M. Menozzi*^Institut für Elektronik / * Institut für Hygiene und ArbeitsphysiologieZentrum, 8092 Zürich, SchweizEinleitungBewegungsparallaxe und Stereopsis sind zwei visu-elle Informationsquellen, die zur Wahrnehmung derRaumtiefe beitragen. In einem gemeinsamen Projektversuchen das IfE*und das IHA*die Bedeutung dieserbeiden und weiterer Faktoren für die Tiefenwahrneh-mung an Stereobildschirmen zu quantifizieren.Vorangehende Arbeiten [1] ergaben, dass die Stereop-sis alleine die wahrgenommene Raummetrik verzerrtund dass die Bewegungsparallaxe (z.B. bei Kopfbewe-gungen stattfindende Relativbewegungen der auf dieNetzhaut abgebildeten Sehobjekte) hilft, diese Verzer-rung zu reduzieren. Ziel unseres Forschungsprojektesist die Bestimmung des Einflusses von Bildauflösung,Bildrate, Latenzzeit (von der Erfassung der Kopfpo-sition bis zur Darstellung des gerechneten Bildpaa-res) und Bildqualität (Komplexität der Szene, Schat-tierung etc) auf die Geometrie des wahrgenommenenRaumes.l VersuchsaufbauDer Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus fol-genden Komponenten:• Grafiksystem zur Generierung der synthetischenStereobildpaare.• Stereobildschirm (mit "Polarizer" und dazu pas-sende, passiv polarisierende Brille).• Zwei optische 2D-Positionssensoren zur Bestim-mung der SD-Position mehrerer infrarot-LEDs.• Steuerrechner (PC)Als Grafikrechner wird der am IfE entwickelte Paral-lelrechner MUSIC ("Multiprocessor System with In-telligent Communication") eingesetzt [2], wodurch ei-ne hohe Grafikleistung und grösstmögliche Flexibilitätgewährleistet ist.Der verwendete Stereobildschirm von Tektronix ar-beitet bei 120 Hz Bildfrequenz wobei die Bilder fürdas linke und rechte Auge abwechslungsweise darge-stellt werden. Synchron dazu wird eine Flüssigkristall-Polarisierungsschicht unmittelbar vor dem MonitorPositions-sensorenIR-LEDsTekStereo·monitorr VK.| PC\"MUSIC"GrafiksystemAbbildung 1: Versuchsaufbau: Erfassung des Beob-achterstandpunktes mittels IR-LEDs, Positionssen-soren und PC. Übertragung der Beobachterkoordi-naten an das "M US IC"-Grafiksystem zur Berech-nung des Stereobildpaares.umgeschaltet, so dass durch die unterschiedlich po-larisierenden Brillengläser jedes Auge das für es be-stimmte Bild wahrnimmt. Die Vorteile gegenüber denweitverbreiteten Shutter-Brillen besteht im geringerenÜbersprechen der Bilder und im geringeren Gewichtder Brille.Das System zur Bestimmung der Beobachterpositi-on ist eine Eingenentwicklung der beiden Institutefür dieses Projekt. Die Positionen mehrerer infrarot-LEDs, die an der Brille (oder einem leichten Helm)befestigt sind, werden optisch von zwei "Kameras"erfasst, so dass durch einfache Triangulation auf ih-re 3D-Position geschlossen werden kann. Handelsübli-che optische Positionserfassungssysteme arbeiten mitCCD-Kameras mit einer maximalen Samplingrate vonca. 30 Hz. Problematisch ist dabei der Umstand, dassohne Zeitmultiplexing die Zuordnung der Lichtpunktenicht immer eindeutig (und/oder mit hohem Rechen-aufwand verbunden) ist. Deshalb werden hier anstelleder CCD-Chips analoge 2D-Positionssensoren ("Sei-spot" von United Detector Technology, USA) einge-setzt, die bei einer Samplingfrequenz von 10 kHz ar-beiten. Dies erlaubt das Zeitmultiplexing der LEDsund kürzere Latenzzeiten bei der Darstellung des Ste-reobildpaares.348 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996Eckdaten:Grafiksystem / Parallelrechner MUSIC:• 10 Prozessoren (iMOTOROLA DSP 96000) mit je60 MFlops. Maximal 63 Proz./3.7 G Flops.• 20 Dreiecke pro Sekunde und Prozessor.• Nahezu 200 Dreiecke/sec bei 10 Prozessoren.• Auflösung bis 1280x1024 (24-Bit RGB).Posi t ionserfassungssy stem:• Positionssensoren "Seispot" von UDT.• 10 kHz Samplingfrequenz (100 sec pro LED).• Genauigkeit: 1mm auf Im3 Arbeitsvolumen.2 MethodenMit dem beschriebenen System, wird der Einfluss vonBildauflösung, Bildrate, Latenzzeit und Detailreich-tum von Stereobildern am Bildschirm auf die wahrge-nommene Raumgeometrie erforscht. Für dieses Vorha-ben wird auf Techniken der Psychophysik [3] zurück-gegriffen. Prinzip des Versuches ist die Erfassung sys-tematischer und zufälliger Fehler mittels eines Ex-perimentes, bei dem eine auf dem Stereobildschirmvorgegebene geometrische Grosse an einem beliebi-gen Ort im stereoskopisch auf dem Bildschirm dar-gestellten Raum wiederhergestellt wird. Das einfach-ste Experiment umfasst die Vorgabe eines Abstandes(s. Abb. 2 Referenzabstand) in einer frontoparallelenEbene und die Nachbildung desselben Abstandes ent-lang einer beliebig ausgerichteten Gerade im stereo-skopischen Raum (s. Abb. 2 Testabstand). Bei Vorver-suchen hat sich gezeigt, dass der mit dieser Methodeerzeugte Raum nicht euklidisch wahrgenommen wird.Wie gezeigt [1], lässt sich durch Zufügen der Be-wegungsparallaxe als Tiefeninformation, die wahrge-nommene Raumgeometrie derart verbessern, dassStereobildschirm-EbeneReferenzabstandTestabstandStereomonitorAbbildung 2: Prinzip des Versuches zur Bestim-mung der wahrgenommenen Raumgeometrie. Nach-bildung eines in der Bildschirmebene (frontoparal-lel) vorgegebenen Abstandes (Referenzabstand) ent-lang einer beliebigen Gerade im stereoskopischenRaum (Testabstand).z [mm]20-H-20—H[mm]70cmAbbildung 3: Resultate des Versuches aus Abb. 2.Punkte = Endpunkte aller Einstellungen desTestabstandes in der horizontalen Ebene. (Abge-änderte Wiedergabe aus [1]).sie der euklidschen Geometrie nahe kommt. In Zu-kunft wird untersucht, wie die obengenannten Ein-flussgrössen die Geometrie der Resultate aus Abb. 3zu verändern vermögen. Als erste Parameter werdendie Latenzzeit für die Bildgenerierung und die Objekt-komplexität variiert. Dank des Einsatzes des MUSIC-Rechners kann die Latenzzeit auf Grössenordnungenverkürzt werden, die für die Wahrnehmung nicht mehrerfassbar sind. Die hohe Rechenleistung erlaubt zudemdie Durchführung der Versuche mit weitaus komple-xeren Objekten.3 ZusammenfassungDie wahrgenommene Raumgeometrie wird durchZufügen der Bewegungsparallaxe verbessert. Für dieNutzung dieser Erkenntniss bei der Darstellung vonObjekten am Stereobildschirm, muss die dafür erfor-derliche Rechenleistung zur Verfügung stehen. Diesekann bei Anwendung der Bewegungsparallaxe bis ca.das 100 fache dessen betragen, was eine Darstellungstatischer Stereobildpaare erfordert. Durch die quan-titative Erfassung des Beitrages verschiedener für dieTiefen Wahrnehmung wichtiger Faktoren, werden dieErgebnisse dieses Projektes ermöglichen, die Rechen-leistung effizienter zu nutzen, ohne die Arbeitsleistungdes Sehsystems des Menschen zu reduzieren.Literatur[1] A. Geiser: "Ergonomische Grundlagen für dasRaumsehen mit 3D Anzeigen". DISS.Nr. 10656, Zürich 1994.[2] B. Baumle, P. Kohler, A. Gunzinger:"Interactive Parallel Rendering on a Multipro-cessor System with Intelligent CommunicationControllers". 1995 Parallel Rendering Symp.,Oct. 30-31, Atlanta, pp. 89-95.[3] Gescheider G.G.: Psychophysics. LawerenceErlbaum Assoc., Hillsdale etc. 1985, 2nd Ed.Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 349

Die Rolle von Bewegungsparallaxe und Stereopsis für die Tiefenwahrnehmung an Stereobildschirmen

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