Een leeuw op je schoot; Eerste prototypes digitale 3D-tv gelanceerd

Met de overstap naar digitale televisie kan ook codering voor diepte-zien aan het tv-signaal worden toegevoegd. Zelfs kan de kijker om het tafereel heen zien.

NU DE COMMERCIËLE televisiestations begonnen zijn hun signalen digitaal door te geven, en de rest zal volgen, is het mogelijk de kijker thuis stereoscopische beelden voor te schotelen waarmee hij diepte kan zien. Daartoe heeft elektrotechnisch ingenieur Ruggero Franich aan de Technische Universiteit Delft als eerste een coderingstechniek ontwikkeld om zulke signalen te comprimeren. Dit 'indikken' is nodig om de hoeveelheid te versturen informatie in de hand te houden. Dinsdag promoveerde Franich bij de Delftse vakgroep Informatietheorie op het proefschrift Disparity Estimation in Stereoscopic Digital Images.

Diepte-zien in het gewone leven is mogelijk omdat we twee ogen hebben die van hetzelfde tafereel een iets verschillend beeld opvangen. Beide gezichtspunten worden door de hersenen gecombineerd, met als gevolg een perceptie van diepte. Andersom kan deze sensatie worden opgewekt door linker- en rechteroog plaatjes voor te schotelen die iets ten opzichte van elkaar zijn verschoven. Al in de Victoriaanse tijd was er een soort viewmaster: een kastje met twee bijna identieke foto's, waarbij de positie van de camera over een oogafstand, zo'n 7,5 centimeter, is verschoven. Door een schot in het kastje krijgt elk oog één plaatje te zien. Het stereoscopische effect is verbluffend, al is er het nadeel dat je iets voor je ogen moet houden.

Hetzelfde principe wordt toegepast in series duo-plaatjes die elkaar in de tijd opvolgen: stereoscopische film of video. In headmounted displays, vooral toegepast in videospelletjes, krijg je een helm op met daarin voor ieder oog een apart beeldschermpje. De sensatie van diepte is krachtig en HMD's hebben al een aanzienlijke niche op de markt gevonden.

Met een 3D-bril op hoef je geen kastje voor je ogen te houden of een helm te dragen. De simpelste is die met gekleurde glazen: een groen en een rood. Door de beide afbeeldingen van de stereoscopische opname in groen en rood over elkaar heen af te drukken, krijgt ieder oog alsnog zijn eigen beeld. De Pukkie Planta-boekjes, in de jaren vijftig een groot succes, berusten op dit principe.

Uit dezelfde periode stamt de 3D-bioscoopfilm. Hitchkock's Dial M for Murder is met twee vlak naast elkaar geplaatste camera's gedraaid. Als in de bioscoop twee synchroon lopende projectors de beelden netjes over elkaar heen op het witte doek werpen, de een met verticaal gepolariseerd licht en de ander met horizontaal, ervaart de toeschouwer-met-bril in de zaal (het ene glas verticaal gepolariseerd, het andere horizontaal) een gevoel van diepte, zo sterk dat je als kijker zeer betrokken voelt en het lijkt alsof de leeuw van het witte doek zo bij je op schoot springt. Dat de 3D-film toch geflopt is, komt doordat de beelden heel precies over elkaar heen moeten vallen. Die passing ging in de praktijk vaak mis, met als gevolg een sterk verminderd stereoscopisch effect en schele hoofdpijn bij de kijker.

Andere methodes voor diepte-tv zijn brillenglazen met vloeibare kristallen en beeldschermen met lenticulaire, langwerpige lenzen. In het eerste geval worden de beelden voor linker- en rechteroog om en om uitgezonden en gaat één brilleglas steeds even 'dicht' door spanning op de vloeibare kristallen te zetten. Hierbij is de bril dus (via een draadloze infrarood verbinding) aangesloten op het tv-toestel. Bij een lenticulair systeem is geen bril meer nodig. Langwerpige, voor de beeldbuis geplaatste lenzen sturen de beelden voor beide ogen, die in elkaar afwisselende verticale kolommen op het scherm staan, ieder de juiste richting op. Nadeel is dat de kijker alleen op bepaalde plaatsen diepte waarneemt. Sanyo, een Japans elektronicabedrijf, heeft inmiddels een consumentenprototype van een dergelijke 3D-tv op de markt gebracht.

In de industriële wereld vindt 3D-tv al lang en breed toepassing. Wanneer robots in het radioactieve hart van kerncentrales onderhoudswerkzaamheden verrichten, worden ze op afstand op de vingers gekeken en gestuurd door een operator. Die kan veel beter beslissen als de robot voorzien is van een stereocamera: afstanden laten zich beter schatten, je hoeft niet op de tast te werken en de kans dat de robot bij een zwenkbeweging schade aanricht, is aanzienlijk kleiner. Hetzelfde geldt bij medische operaties met gebruikmaking van een een endoscoop.

COMPRESSIE

In het kader van het Europese DISTIMA-project, waarin naast de TU Delft ook onderzoeksgroepen uit Hannover, Thessaloniki en Berlijn participeren, en van de zijde van de industrie Siemens, PTT-Research, AEA-Technology en de Deutsche Bundespost, is gekeken hoe de 3D-keten - opnemen per stereoscopische camera, coderen, zenden via een ATM-kanaal, decoderen en weergeven op een beeldscherm - het beste vorm kan krijgen. Franich: “Het beeld dat in digitale vorm aanwezig is moet over een kanaal worden verstuurd. Daarvoor kiezen we het ATM-netwerk, wat staat voor asynchronous transfer mode, met de eigenschap dat je bits kunt krijgen in hoeveelheden en op tijdstippen zoals jij die wenst. Om de hoeveelheden te versturen bits in de hand te houden is compressie van de data onontbeerlijk. De standaard daarvoor is MPEG. Dat systeem maakt gebruik van het feit dat het ene tv-beeld sterk lijkt op het volgende, zodat je kunt volstaan met het doorsturen van een beeld en de aanwijzingen om daaruit het vervolgbeeld op te bouwen. Een foutsignaal herstelt eventuele afwijkingen.”

Bij stereoscopische televisie is er behalve redundantie in de tijd ook overtolligheid in informatie door de sterke gelijkenis tussen linker- en rechterbeeld. Franich: “Je zou voor links en rechts twee aparte, parallelle MPEG-stromen kunnen nemen, maar dat is zonde. Eerst dachten we dat we voor links een klassieke MPEG-stroom moesten nemen en de rechterbeelden daaruit opbouwen. De redenering was dat linker- en rechterbeeld meer gelijkenis zouden vertonen dan twee opeenvolgende beelden. Mooi niet. Een reden is dat de camera's iets verschillen, wat het vergelijken van de signalen links en rechts bemoeilijkt.”

Als gevolg van de verschillende hoeken waaronder linker- en rechteroog tegen een voorwerp aankijken, zullen de bijbehorende afbeeldingen ten opzichte van elkaar iets verschoven zijn. De mate waarin - de dispariteit - hangt af van de afstand van het voorwerp tot de camera: hoe verderaf, hoe groter de verschuiving. Franich heeft tijdens zijn promotie-onderzoek naar slimme methodes gezocht om voor elk 'blokje' van het beeld, bijvoorbeeld 8x8 pixels, de bijbehorende dispariteit te schatten en te coderen. Dat schatten vindt plaats via een genetisch algoritme: in een 'portfolio' van honderd oplossingen vinden volgens bepaalde regels 'mutaties' of 'kruisingen' plaats, waarna het optimum via een systeem van 'survival of te fittest' vanzelf komt bovendrijven.

FOUTSIGNAAL

Via het meegestuurde dispariteitsveld kan de ontvanger uit het linkerbeeld het rechter in elkaar zetten. Franich: “Ik heb een coder gebouwd die aan de linkerkant met klassieke MPEG werkt en rechts met een door mij aan de TU Delft uitgevonden stereoscopische MPEG-code. Die doet voorspellingen zowel in de tijd als voor links-rechts. Die gecombineerde aanpak werkt beter omdat beide methoden niet tegelijk zwak presteren en elkaar goed aanvullen. Zo blijft het foutsignaal beperkt. Technisch is het een kunstwerk maar het inbouwen van stereoscopische videocodering in de hardware is gecompliceerd. Maar het werkt en in Engeland is met DISTIMA-technologie onlangs nog een 3D tv-programma gemaakt.”

Een volgende stap is de camera's verder uit elkaar plaatsen. Als tv-kijker heb je dan de mogelijk om het voorwerp heen te kijken. Als het toestel weet waar de kijker zich bevindt, rekent hij de twee bijpassende beelden voor het diepte-effect probleemloos uit. Beweegt de kijker opzij, dan ziet hij het tafereel uit een andere hoek. Franich: “Met twee camera's is een draaiing van 30 graden het maximum. Anders verschillen linker- en rechterbeeld te veel om er nog mee uit de voeten te kunnen. Wil je meer, moet je er camera's bijzetten. Overigens, het synthetiseren van tussenbeelden gaat niet gepaard met een correctiesignaal, zodat de eisen aanzienlijk hoger liggen dan bij gewone MPEG.”

Resteert de vraag of de kritische consument er aan wil. Het debâcle met HDTV, de high definition television die uitstekende beelden levert waarop niemand zit te wachten, ligt nog vers in het geheugen. Voorlopig lijkt er vooral behoefte aan betere programma's.