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Head-up-Displays mit Augmented Reality – Die Bedeutung der Farbsättigung und des Farbbereichs

| Autor / Redakteur: Mike Firth* / Benjamin Kirchbeck

Beispiel für die Darstellung eines AR-HUD.
Beispiel für die Darstellung eines AR-HUD. (Bild: Continental)

Dass die DLP-Technik in Head-up-Displays (HUDs) mit Augmented Reality (AR) immer beliebter wird, liegt zu einem großen Teil an den hellen, lebendigen Farben, die sich mit ihr erzeugen lassen. Worauf es hierbei im Detail ankommt, klärt dieser Beitrag.

Augmented Reality geeignete Head-up-Displays sind die nächste große Neuerung in der Automobilindustrie. Eine zentrale Bedeutung bei dieser Technik nimmt dabei die Farbsättigung und der Farbbereich ein. Um besser verstehen zu können, weshalb die Farbe bei AR-HUDs (wie im Titelbild) eine so entscheidende Rolle spielt, sollten zunächst die Begriffe Farbsättigung und Farbbereich definitiv werden.

Unter der Farbsättigung versteht man die Intensität einer Farbe in einem Bild. In Bild 1 etwa ist einfach erkennbar, welche Farbe die höhere Sättigung aufweist. Je geringer die Sättigung einer Farbe ist, umso matter erscheint sie. Technisch ausgedrückt, ist die Sättigung ein Maß dafür, wie rein eine Farbe ist. Hierbei wird die Farbe danach definiert, aus welchen Wellenlängen sie zusammengesetzt ist. Hat eine Farbe die volle Sättigung, besteht sie aus einer einzigen Wellenlänge und wird damit als die reinste Erscheinungsform dieser Farbe bezeichnet. Der Helmholtz-Kohlrausch-Effekt beschreibt, dass eine Farbe umso heller wahrgenommen wird, je größer ihre Sättigung ist. Ein weiterer interessanter Aspekt der Farbsättigung ist ihr Einfluss auf die Reaktionszeiten. Eine Untersuchung mit dem Titel „Capturing User Attention with Color” (Nutzung von Farbe, um die Aufmerksamkeit von Anwendern zu wecken) ergab, dass ein Beobachter umso schneller auf eine Farbe reagiert, je größer ihre Sättigung ist. Dies gilt insbesondere für rot, weshalb auf vielen Warnschildern die Farbe Rot benutzt wird.

Um eine Farbe präzise und konsistent auf verschiedenen Displays wiedergeben zu können, muss sie quantitativ gemessen werden, und genau hier kommt das Konzept des Farbbereichs (Gamut) ins Spiel. Der Farbbereich umfasst alle Farben, die von einem bestimmten System erzeugt werden können. Verschiedene Farbbereichs-Normen wie etwa Rec. 709 und Rec. 2020 der International Telecommunication Union (ITU) und NTSC (National Television System Committee) definieren unterschiedliche Umfänge des gesamten Farbspektrums, die von standardkonformen Systemen reproduziert werden müssen. Diese Standards weisen jeder Farbe bestimmte Farbkoordinaten zu, die diese Farbe eindeutig definieren und damit sicherstellen, dass die auf einem Display erzeugte Farbe auf einem anderen Display identisch dargestellt wird. Der von den einzelnen Standards definierte Farbbereich wird in einem XY-Chromatizitätsdiagramm (Bild 2) als Dreieck dargestellt. Diese Dreiecke entstehen, wenn man die äußersten Rot-, Grün- und Blau-Koordinaten (RGB) durch gerade Linien miteinander verbindet.

Je größer die von dem Dreieck umschlossene Fläche ist, umso mehr Farben kann der betreffende Standard erzeugen. In Automotive-Anwendungen wird häufig der NTSC-Standard zur Definition des reproduzierbaren Farbbereichs benutzt, und man drückt die Leistungsfähigkeit eines Displays üblicherweise als Prozentsatz des NTSC-Farbbereichs aus. Zum Beispiel erreichen LCD-Bildschirme 60 % NTSC oder weniger, was bedeutet, dass sie nur maximal 60 % der im NTSC-Farbbereich enthaltenen Farben reproduzieren können.

Zentrales Element der eingangs erwähnten DLP-Technologie ist das Digital Micromirror Device (DMD). DMDs enthalten ein Array aus einigen hunderttausend bis Millionen hochreflektiver Aluminium-Mikrospiegel (Bild 3), die extrem schnell geschaltet werden und die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau zu hellen, lebendigen Bildern mischen. Zu den Performance-Vorteilen der DLP-Technik gehört die Tatsache, dass die Schalteigenschaften eines DMD nicht temperaturabhängig sind. Steigende Temperaturen haben also keine Beeinträchtigung der Farbwiedergabe und der Bildqualität zur Folge, und man erhält deshalb bei -40 °C die gleiche hohe Farbsättigung wie bei +105 °C.

Die DLP-Technik ist eine reflektive Lösung und erzeugt folglich höhere Farbsättigungen als konkurrieren Techniken im Automotive-Bereich, wie etwa LCDs, die die Farben mithilfe einer weißen Hintergrundbeleuchtung und entsprechender Farbfilter erzeugen. Bei der DLP-Technik ist die Sättigung der Lichtquelle identisch mit der reproduzierten Sättigung. DLP-Lösungen machen es bei Verwendung von Festkörper-Lichtquellen mit hoher Farbsättigung (z. B. LEDs und Lasern) möglich, eine Farbsättigung von 91 % (mit LEDs) bis 100 % (mit Lasern) zu erreichen, sodass sich große Farbbereiche umsetzen lassen. Zum Beispiel unterstützt der Automotive-qualifizierte Chipsatz DLP3030-Q1 mit LEDs 125 % NTSC. Mit Lasern sind es sogar 172 % NTSC. Mit dieser Kombination aus Sättigung und Farbbereich können DLP-HUDs helle, lebendige Bilder erzeugen, die beim Fahren für ein besseres visuelles Erlebnis sorgen.

Die Bedeutung der Sonnenbelastung für Head-up-Displays mit Augmented-Reality

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01.06.18 - Augmented Reality geeignete Head-up-Displays sind die nächste große Neuerung in der Automobilindustrie. Doch es gibt mehrere Herausforderungen beim Design eines AR-Displays. Eine davon ist die Sonnenbelastung. lesen

* Mike Firth ist Marketing Manager bei Texas Instruments DLP Automotive

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