Warum kann eine kleine Gitterkarte es Menschen ermöglichen, eine reichhaltige dreidimensionale Welt zu erleben?

Eine kleine Karte kann unterschiedliche Bilder zeigen, wenn Sie sie in verschiedenen Winkeln schwingen, und es kann sogar so aussehen, als würde das Bild aus der Karte „springen“. Dieses magische visuelle Erlebnis ist Ihnen sicher bekannt. Man kann es in den Schaufenstern von Einkaufszentren, auf Werbetafeln und sogar in Anime-bezogenen Produkten sehen. Dieses optische Gerät namens „Gitterkarte“ hat mit seinen erstaunlichen visuellen Effekten auf den wichtigsten Plattformen für Furore gesorgt und wird in den verschiedensten Bereichen breit eingesetzt. Im Vergleich zu den magischen visuellen Effekten sind die dahinter stehenden optischen Prinzipien unserer Erforschung noch mehr würdig.

Bevor wir die 3D-Welt erleben, müssen wir zunächst verstehen, dass alle sichtbaren Objekte auf der Welt dreidimensional sind. Der Abstand zwischen den menschlichen Augen beträgt etwa 6 cm, was dazu führt, dass jedes Auge Objekte aus einem leicht unterschiedlichen Winkel wahrnimmt und leicht unterschiedliche Bilder sieht. Dieser winzige Unterschied in der Perspektive wird als binokulare Parallaxe bezeichnet und ist einer der Schlüsselfaktoren für die Erzeugung von 3D-Sehen. Wie in der Abbildung dargestellt, werden vor dem Betrachter ein Würfel und ein Kegel dargestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der beiden Augen unterscheiden sich auch die vom linken und rechten Auge wahrgenommenen Würfel- und Kegelbilder.

Abbildung 1 Binokulare Bildwahrnehmung

Wenn Sie nur Ihr linkes oder rechtes Auge verwenden, sehen Sie nur ein flaches Bild. Das vom linken Auge gesehene Bild befindet sich in einem etwas anderen Winkel als das vom rechten Auge gesehene Bild. Grund dafür ist die Parallaxe, die durch den Abstand zwischen den beiden Augen entsteht. Wenn beide Augen gleichzeitig sehen, kombiniert das Gehirn die beiden Bilder durch Parallaxenverarbeitung, um ein dreidimensionales Bild mit Tiefe zu erstellen.

Um das 3D-Sehen weiter zu verbessern, muss das Gehirn auch andere physikalische Tiefensignale wie Akkommodation, Konvergenz und Bewegungsparallaxe nutzen. Bei der Akkommodation passen die Augenmuskeln die Form der Linse an, um die Brennweite zu ändern, sodass wir Objekte in unterschiedlichen Entfernungen klar sehen können. Konvergenz ist der Unterschied im Winkel der Innenrotation der beiden Augen beim Beobachten desselben Objekts. Nahe Objekte erfordern einen größeren Konvergenzwinkel. Bewegungsparallaxe liegt vor, wenn sich nahe Objekte scheinbar schneller bewegen als entfernte Objekte, wenn wir unseren Kopf bewegen, was uns auch ein Gefühl von Tiefe vermittelt.

Die Realisierung von Gitterkarten nutzt diese Prinzipien hauptsächlich durch zwei Methoden: Schlitzgitter und Zylindergitter. Lassen Sie uns zunächst verstehen, was ein Gitter ist und was der Unterschied zwischen einem zylindrischen Gitter und einem Schlitzgitter ist. Ein Gitter ist ein weit verbreitetes und sehr wichtiges diffraktives optisches Element, das normalerweise auf der Grundlage des Fraunhofer-Beugungseffekts funktioniert. Ein Gitter besteht aus einer großen Anzahl von Schlitzen gleicher Breite und gleichen Abstands. Es handelt sich um ein optisches Element, das die Amplitude oder Phase des einfallenden Lichts periodisch modulieren kann. Der Ursprung der Gitter geht auf das Jahr 1819 zurück, als Fraunhofer ein Drahtgitter herstellte. Heutzutage werden Gitter im Allgemeinen durch das Eingravieren gleich breiter und gleichmäßig verteilter Rillen in flache Glas- oder Metallplatten hergestellt. Mit der Entwicklung von Theorie und Technologie sind Gitterbeugungseinheiten nicht mehr auf Schlitze beschränkt, sondern umfassen auch neue Gitter wie Kristallgitter, Ultraschallgitter und Kristallbrechungsindexgitter.

Ein Schlitzgitter fügt vor dem Bild eine Reihe von Schlitzen hinzu. Wenn wir durch diese Schlitze ein Bild betrachten, gelangen jeweils unterschiedliche Bildbänder in unser linkes und rechtes Auge. Da diese Bildstreifen durch Schlitze getrennt sind, unterscheiden sich die vom linken und rechten Auge wahrgenommenen Bilder geringfügig. Das Gehirn verarbeitet diese Unterschiede, um ein dreidimensionales Bild zu erstellen. Das Prinzip des Schlitzgitters ist einfach und die Produktionskosten sind gering, aber aufgrund der undurchsichtigen Natur des Schlitzes wird ein Teil des Lichts blockiert, wodurch die Helligkeit des Bildes abnimmt. Um den dreidimensionalen Effekt zu sehen, müssen die Betrachter aus einer bestimmten Position beobachten, da sich die Beobachtungsergebnisse sonst überschneiden oder verzerrt werden.

Das zylindrische Gitter fügt vor dem Bild eine Reihe vieler kleiner zylindrischer Linsen hinzu. Das Bild wird durch diese Zylinderlinsen gebrochen und gelangt jeweils in das linke und rechte Auge. Zylindergitter werden je nach Funktion in stereoskopische Gitter und veränderliche Bildgitter unterteilt: Stereoskopische Gitter sind dicker und haben eine stärkere dreidimensionale Wirkung. Die Dicke des variablen Bildgitters ist gering und es wird hauptsächlich verwendet, um unterschiedliche Bilder aus unterschiedlichen Winkeln darzustellen.

Abbildung 2 Prinzip der zylindrischen Gitter-Stereoabbildung

Beim Erstellen einer Rasterkarte werden mehrere Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen bzw. generiert. Die Bilder werden in dünne Streifen geschnitten und in einer bestimmten Reihenfolge zusammengesetzt. Über diese Bilder wird eine Linsenrasterlinse gelegt, wobei jede winzige Zylinderlinse das Licht in eine andere Richtung streut, sodass dünne Streifen jedes perspektivischen Bildes im richtigen Winkel an das Auge des Betrachters abgegeben werden. Wenn wir Lentikularstereogramme aus verschiedenen Winkeln betrachten, sehen das linke und das rechte Auge Bilder mit unterschiedlicher Perspektive, und das Gehirn kombiniert diese Bilder zu einem dreidimensionalen Bild, wodurch ein stereoskopischer visueller Effekt entsteht.

Nachdem wir das optische Prinzip der Gitterkartenabbildung verstanden haben, können wir den Prozess der Gitterkartenherstellung weiter untersuchen, der in die folgenden Hauptschritte zusammengefasst werden kann.

Um sicherzustellen, dass die endgültige Präsentation einen dreidimensionaleren Effekt hat, müssen zunächst Bilder mit vielen Ebenen und einem ausgeprägten Gefühl für die vertikale Tiefenschärfe ausgewählt werden. Außerdem gelten bestimmte Anforderungen an die Größe und Genauigkeit des Bildes. Nachdem Sie das Bild ausgewählt haben, legen Sie in Photoshop Ebenen darauf, trennen Sie das Muster entsprechend der Entfernung und Farbhelligkeit des Bildes in einzelne Ebenen und reparieren Sie jeden Teil, um das vollständige Muster sicherzustellen.

Nach Abschluss der Bildverarbeitung wird der Gitterabstand anhand der Linienanzahl des zylindrischen Gitters berechnet, um die Bildauflösung zu bestimmen. Stellen Sie den Tiefenschärfewert ein und legen Sie unterschiedliche Tiefenschärfewerte für die Nah-, Mittel- und Fernansicht fest. Die ausgewählte Ebene wird kopiert und entsprechend dem eingestellten Tiefenschärfewert verschoben, um mehrere Bilder zu erstellen, die für unterschiedliche Positionen des zylindrischen Gitters geeignet sind. Diese Bilder werden gerastert und zusammengefügt, um schließlich eine Bildkombination senkrecht zum zylindrischen Gitter zu bilden.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der 3D-Anzeigetechnologie wird sich der Anwendungsbereich von Gitterkarten als optische Geräte zur Darstellung dreidimensionaler Bilder erweitern. Die zukünftige 3D-Displaytechnologie wird sich in Richtung holografischer Projektion und volumetrischer Anzeige entwickeln. Diese Technologien bieten nicht nur ein realistischeres und intensiveres visuelles Erlebnis, sondern überwinden auch die Einschränkungen vieler aktueller 3D-Anzeigetechnologien, wie etwa Einschränkungen hinsichtlich Betrachtungswinkel und Auflösung.

Die Gitterkarte nutzt die einzigartigen Eigenschaften des zylindrischen Gittermaterials und realisiert den dreidimensionalen Effekt des flachen Bildes durch präzise Bildverarbeitung und hochpräzise Drucktechnologie. Diese Technologie bereichert nicht nur die Ausdruckskraft der Drucktechnik, sondern bringt auch ein neues visuelles Erlebnis in Werbung, Unterhaltung, Bildung und andere Bereiche. Mit der Weiterentwicklung der CGH-Technologie (Computer Generated Hologram) eröffnen sich für Gitterkarten künftig immer mehr Entwicklungsmöglichkeiten.

Verweise

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Autor: Cai Wenchui, Doktorand am Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Li Ming, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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