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Strukturierte Informationen: Augmented Reality mit 3D-Display im Auto

| Autor / Redakteur: Dr. Matthias Neundorf * / Hendrik Härter

Das gebogene Demoinstrument von Kyocera stellt 3D-Inhalte dar. Die nutzbare Tiefe für den 3D-Effekt bewegt sich zwischen 10 und 40 mm. Über Eye-Tracking werden die Bewegungen des Fahrers erfasst.
Das gebogene Demoinstrument von Kyocera stellt 3D-Inhalte dar. Die nutzbare Tiefe für den 3D-Effekt bewegt sich zwischen 10 und 40 mm. Über Eye-Tracking werden die Bewegungen des Fahrers erfasst. (Bild: Kyocera)

Zusätzliche Informationen in einem Auto müssen dem Fahrer strukturiert übermittelt werden. Kyocera arbeitet dazu an einem 3D-Display, mit dem sich unterschiedliche Informationen darstellen lassen.

Fahrerinformationssysteme im Automobil haben in den letzten Jahren einen grundlegenden Wandel erfahren. Die dargebotenen Informationen für Fahrer gehen heute weit über das hinaus, was zum reinen Führen des Fahrzeuges und zur Überwachung betriebsrelevanter Hinweise notwendig ist. Neben den typischen Infotainment-Anwendungen ist es wichtig, für den Fahrer relevante Informationen graphische und auch animiert umzusetzen.

Immer größere und höher auflösende Displays haben die technische Grundlage dafür geschaffen. Trotz der großen Vielfalt an Informationen sollte das Hauptaugenmerk beim HMI-Design immer darauf gerichtet sein, dem Fahrer Informationen strukturiert anzubieten, um ihn nicht zu überfordern.

Augmented Reality im Fahrzeug wird Wirklichkeit

Eine neue Dimension betraten Fahrerinformationssysteme mit den Head-up-Displays (HUD). Hier erfolgte erstmals eine optische Überlagerung von Fahrerinformationen, was zunächst in numerischer Form oder in einfachen Piktogrammen erfolgte, mit der vom Fahrer wahrgenommenen äußeren Umgebung. Das hat den Vorteil, dass der Fahrer nicht mit unnötigen Informationen konfrontiert wird und nicht stark abgelenkt wird. Zunehmend leistungsfähigere Head Units in Kombination mit höher auflösenden PGUs = Picture Generating Unit im Head-up-Display erlauben es, dass komplexere Bildinhalte mit der Realität verschmelzen.

Augmented Reality tritt so erstmals im Fahrzeug auf. Zeitgleich gewinnt das Thema 3D an großer Bedeutung, da eine dreidimensionale Umgebung für eine glaubwürdige Überlagerung ein ebenso dreidimensionales virtuelles Bild erfordert. Hierbei muss zwischen monokularer Pseudo-Dreidimensionalität und tatsächlicher binokularer Dreidimensionalität unterschieden werden. Erstere ist in Fahrzeugen bereits heute verbreitet, da sie mit klassischen zweidimensionalen Displays realisierbar ist. Ihrem Prinzip liegt die Tatsache zugrunde, dass das menschliche Auge in der Lage ist, auch in physikalisch zweidimensionale Bilder dreidimensionale Inhalte hineinzuinterpretieren. Beispielsweise suggerieren sich nach hinten verengende Muster und Texturen oder verringernde Dimensionen eine Tiefeninformation. Auch die Überlagerung von verschiedenen Objekten generiert eine scheinbare Wahrnehmung der Tiefe.

Wie die Augen 3D wahrnehmen

Für eine tatsächliche 3D-Wahrnehmung müssen den beiden Augen unterschiedliche Bilder präsentiert werden. Die Separation der Bilder kann entweder unmittelbar vor dem Auge erfolgen oder direkt vor dem Display. Im Falle einer Trennung vor dem Display muss der Bildschirm nicht zwangsläufig direkt betrachtet werden; die zwei separaten Bilder können auch durch eine nachgeschaltete Optik projiziert werden.

Das Prinzip einer Separation unmittelbar vor dem Auge findet weitläufige Anwendung im Kino oder in 3D-Fernsehern. Im Kino werden zwei Bilder, eines jeweils für das rechte Auge und eines für das linke Auge, simultan auf die Leinwand projiziert. Beide Bilder weisen eine um 90 Grad versetzte Polarisation des Lichtes auf, die durch das Einbringen von Polfiltern in den Strahlengang verursacht wird. In der Praxis wird anstatt einer linearen Polarisation durch eine zusätzliche sogenannte Lambda/4-Folie, die auch als Polymerverzögerungsfolie bekannt ist, häufig eine zirkulare Polarisation verwendet. Das Ergebnis bleibt für den Betrachter gleich: Durch eine Brille ohne die entsprechenden Polfilter sieht der Anwender nur Doppelbilder. Erst mit der speziellen Brille werden die beiden Bilder separiert. Der Orientierung der Polfilter in der Brille entsprechend, ist das für das linke Auge vorgesehene Bild so nur für dieses sichtbar und das für das rechte auch nur für das rechte Auge.

Im Umfeld des Home Entertainments gibt es noch eine ähnliche Umsetzung zur Bild-Separation mit „Shutter-Brillen“, auf die hier aber nicht näher eingegangen werden soll. Alle auf Brillen basierenden stereoskopischen Lösungen sind für Anwendungen im Fahrzeug ungeeignet, da sie die Betrachtung der natürlichen Umwelt verändern. Für die Anwendung im Fahrzeug kommen nur sogenannte autostereokopische Anwendungen in Frage. Das sind 3D-Systeme, die ohne Hilfsmittel wie Brillen ein dreidimensionales Bild liefern.

3D-Effekt: Display splittet Bilder auf

Das heißt, die Aufsplittung in zwei Bilder muss unmittelbar am Display erfolgen. Dazu gibt es zwei technische Ansätze: Der Einsatz von Lentikularlinsen oder einer Parallaxenbarriere. Im ersten Fall wird auf das LC-Display ein Array von zylinderförmigen Linsen aufgebracht. Das erfolgt meist in Form einer auf-laminierten Folie. Wenn die Größe der zylinderförmigen Linsen mit der Pixelgröße des LC-Displays korreliert, erfolgt durch sie eine Ausrichtung des aus dem LC-Display austretenden Lichtes, sodass beispielsweise gerade Pixel nur für das rechte Auge und ungerade nur für das linke sichtbar sind.

Im Falle einer Parallaxenbarriere wird der Lichtaustritt aus dem Display mechanisch durch eine Streifenmaske kontrolliert. So wird auch in diesem Fall erreicht, dass das Licht bestimmter Pixel nur ein Auge erreicht, das Licht anderer Pixel wiederum nur das andere Auge. Technisch kann die Parallaxenbarriere sowohl zwischen LC-Display und Betrachter oder zwischen LC-Display und Backlight angeordnet sein. Im ersten Fall blockiert sie den direkten Strahlengang zum Beobachter, im zweiten wird die Richtung der Display-Beleuchtung durch das Backlight gesteuert.

In jedem Fall wird die nutzbare Auflösung des LCDs verringert, da sich die physische Gesamtauflösung auf zwei Teilbilder verteilt. Gleiches gilt auch bei der Verwendung von Lentikularlinsen. Da die Barriere die Apertur der Gesamteinheit verringert, wird zusätzlich Helligkeit verloren, so dass das Backlight entsprechend leistungsstärker ausgelegt werden muss. Um Moiré-Muster zu vermeiden, verlaufen die Streifen der Parallaxenbarriere nicht parallel zu den Pixeln, sondern um einen Slant-Winkel geneigt. Werden sie nicht als festes Muster, sondern als schaltbares Muster über ein zweites Display ausgeführt, kann zwischen 2D und 3D umgeschaltet werden.

Um einen 3D-Effekt zu erhalten, müssen die Proportionen und Abstände sehr exakt eingehalten werden. Der Betrachter müsste in einer fixen Betrachtungsposition verharren, was im praktischen Einsatz im Fahrzeug unrealistisch ist. Trotzdem kann der 3D-Effekt unter veränderten Positionen des Betrachters aufrechterhalten werden. Dazu müssen die Bewegungen des Fahrers erfasst und das dargestellte Bild entsprechend nachgeführt werden (Eye-Tracking). Das geschieht mit einer im NIR-Bereich arbeitenden Kamera und entsprechender Software. Eine minimale Latenzzeit zur Bildnachführung senkt Irritationen des Betrachters.

Kombiinstrument mit 3D-Effekt

Kyocera hat dazu ein gebogenes 12,3''-Kombiinstrument-Display entwickelt. Die für einen 3D-Effekt ausnutzbare Tiefe bewegt sich von 10 mm vor dem eigentlichen Display bis 40 mm hinter dem Display. Diagonale: 12,3 Zoll, 1920 x 720 Pixel, Pixelpich: 152,4 µm x 50,8 µm, Advanced-Wide-View-Technik, Kontrastverhältnis 1200:1, Helligkeit:1000 cd/m², Displaykrümmung: 800 mm Radius. Das Eye-Tracking erfolgt mit einer Latenzzeit von einem Frame bei einer Framerate von 60 Hz. In Bezug auf das Design der Steuereinheit, mit der das Eye-Tracking und entsprechende Nachjustieren des Bildes vom Display erfolgt, hat Kyocera 14 Patente registriert, die teilweise in Kooperation mit der Osaka City University entstanden sind. In der Praxis haben NIR-Kameras zur Fahrerbeobachtung längst Einzug gehalten. Sie sollen möglichst unauffällig den Fahrer überwachen, um Rückschlüsse auf seine Kondition schließen zu können. Dazu gehört unter anderem, dass das Fahrzeug bei erkannter Müdigkeit eine Warnung ausgibt.

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* Dr. Matthias Neundorf ist Manager für das Business Development bei Kyocera.

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