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Vergenz, Parallaxe, Akkomodation

Vergenz

Wenn wir willentlich ein Objekt vor uns ansehen drehen wir beide Augäpfel so, dass das betrachtete Objekt im Zentrum des Sehfelds liegt - wir "zielen" praktisch mit den Augen auf dieses Objekt. Diese unterbewusst ausgeführte Augenbewegung nennt man "Vergenz". Dabei müssen die Augen je nach Abstand des Objektes mehr oder weniger stark "nach innen" gedreht werden, also "konvergieren" ("kon-" = "zusammen"); nur beim Blick in unendliche Weiten stehen die Augen fast parallel. Eine "divergente" Augenstellung, also mit auseinander laufenden Blickrichtungen, findet beim menschlichen Sehen nicht statt; wenn wir - zum Beispiel durch eine schlechte Stereoprojektion - dazu gezwungen werden, bereitet eine divergente Augenstellung schnell Kopfschmerzen.


 

Parallaxe

Der Winkel, um den die Augen "nach innen" gedreht werden müssen, gibt dem Gehirn einen wichtigen Hinweis auf die Entfernung des anvisierten Objektes: Bei paralleler Augenstellung ist das Objekt "unendlich" weit entfernt, je stärker sie konvergieren, desto näher muss das Objekt sein. Weil diese Information für die Stereoskopie von so zentraler Bedeutung ist, gibt man dem Winkel zwischen den Sehachsen einen Namen: er heißt "Parallaxe".

Aus dem Abstand der Augen zueinander (der sog. "Interokulardistanz" oder "Stereobasis" b) und dem Parallaxenwinkel α kann man mit den Mitteln der Geometrie leicht den Abstand d des betrachteten Objekts berechnen:

 

Natürlich führt unser Gehirn diese Berechnung nicht aktiv durch, sondern vergleicht beim Betrachten eines Gegenstandes einfach die Parallaxe der Augen mit Erfahrungswerten, entsprechend wissen wir zwar sehr genau wie weit der Gegenstand entfernt ist, aber eben nicht zahlenmäßig exakt. Der folgende Graph zeigt die Abhängigkeit der Parallaxe α vom Abstand d des betrachteten Gegenstandes ("Standardbasis" b = 6,5 cm, dem Durchschnittswert der meisten Menschen):

Man kann leicht erkennen, dass schon bei Abständen von nur einem Meter (d = 100 cm) die Parallaxe sehr klein wird (ca. 3,7°) und sich bei größeren Abständen nur noch sehr wenig ändert. Das bedeutet konkret, dass die Entfernungsschätzung auf Grund der Parallaxe umso besser funktioniert, je näher der Gegenstand ist; oder umgekehrt: je weiter entfernt ein Gegenstand ist, desto schlechter können wir seine Entfernung allein durch die Parallaxe einschätzen! Wenn man annimmt, dass Parallaxenunterschiede unter Δα = 1' (eine Winkelminute, also 1/60 Grad) nicht mehr auflösbar sind, sind Entfernungen über d = 200 m für uns praktisch schon "unendlich weit" entfernt...

Aber zum Glück verlässt sich unser Gehirn bei der Entfernungsschätzung nicht allein auf die Parallaxe:

Akkomodation

Wie das Objektiv einer Videokamera muss auch die Augenlinse abhängig von der Entfernung des betrachteten Objekts ständig aktiv "scharfgestellt" (fokussiert) werden. Dieser Vorgang wird als "Akkomodation" bezeichnet, er geschieht völlig unterbewusst, sobald wir ein Objekt fixieren. Normalerweise ist die Akkomodation an die Vergenzbewegung der Augen gekoppelt, d.h. schon beim "Anpeilen" eines neuen Ziels wird die Linse grob voreingestellt, so dass praktisch ohne Verzögerung wieder ein scharfes Bild entsteht. Diese Koppelung ist in früher Kindheit erlernt und kann nicht leicht aufgebrochen werden - Brillenträger, die neue Gläser mit anderer Stärke bekommen, brauchen daher einige Tage an Eingewöhnung bis ihr "Autofokus" wieder so schnell wie gewohnt funktioniert.

Trotzdem liefert auch die zum scharfen Sehen nötige Akkomodation dem Gehirn einen Hinweis auf die Entfernung des betrachteten Objektes. Allerdings ist diese Information - ähnlich wie bei der Parallaxe - nur im Nahbereich ausreichend feinstufig; spätestens ab zehn Metern Entfernung ist die Augenlinse der meisten Menschen nämlich bereits auf "unendlich" eingestellt.

Bildzerfall

Wenn wir einen Punkt fixieren, dürfte die Fusion streng genommen nur bei Objekten mit gleicher Parallaxe gelingen. Wenn wir z.B. ein Glas auf einem Bierdeckel betrachten, müssten wir also entweder das Glas oder den Bierdeckel als Doppelbild sehen, je nachdem welchen Gegenstand wir fixieren. Doch zum Glück kann unser Sehzentrum auch Gegenstände mit leicht abweichender Parallaxe noch fusionieren, verschiedene Experten geben hier bis zu 10 Winkelminuten als Fusionsgrenze an. Bei größeren Parallaxenunterschieden funktioniert dann zwar die Fusion nicht mehr, aber die störenden Doppelbilder werden vom Gehirn unterdrückt, so dass wir sie in der Regel nicht wahrnehmen. Erst wenn die Parallaxen zweier Objekte sich um mehr als 90 Winkelminuten (1,5°) unterscheiden, erkennt das Gehirn die beiden Bilder schließlich nicht mehr als zusammengehörig. Dann gelingt weder die Fusion noch die Doppelbild-Unterdrückung und das Bild "zerfällt": wir sind dann nicht mehr in der Lage, alle Teile des Bildes zu einer zusammenhängenden Szene zu vereinigen.

Beim realen Sehen kommt Bildzerfall in der Regel nicht vor, da Objekte mit so stark abweichender Entfernung nicht mehr scharf gesehen werden. Bei 3D-Darstellungen werden jedoch alle Bildteile auf der gleichen Bildebene angezeigt und können mit gleicher Akkomodation scharf gesehen werden. Daher müssen wir schon bei der Aufzeichnung stereoskopischer Bilder darauf achten, den Parallaxenunterschied zwischen den nächsten und weitesten Bildteilen auf weniger als 90 Winkelminuten zu begrenzen. Mit anderen Worten: wir müssen darauf achten, dass Nahpunkt und Fernpunkt der Aufnahmen nicht zu weit auseinander liegen! Von wo bis wo dieses sogenannte "Tiefenbudget" reicht, hängt von mehreren Faktoren sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Wiedergabe ab, wir besprechen die Zusammenhänge im Abschnitt über die Aufnahmeplanung.

Konfliktpotenzial

Bei den üblichen Verfahren zur Darstellung stereoskopischer Bilder und Filme können die beiden eben genannten "physikalisch messbaren" Entfernungshinweise einander widersprechen; nämlich dann, wenn die Augen auf einen Punkt vor oder hinter der Bildebene (Leinwand bzw. Bildschirm) gerichtet, aber genau auf die Bildebene scharf gestellt sind. Das Gehirn bügelt solche "Ungereimtheiten" in der Regel aus ohne dass uns die widersprüchlichen Informationen bewusst werden, allerdings entsteht dabei oft ein leichtes Schwindelgefühl. Dieses kann durch weitere widersprüchliche Sinneseindrücke verstärkt werden, z.B. wenn die Kamera sich bewegt, unser Gleichgewichtssinn aber keine Bewegung spürt.

Der Konflikt zwischen Akkomodation und Vergenz ist bei Kinovorführungen wesentlich geringer als am Monitor oder Fernseher, da Kinoleinwände in der Regel so weit vom Betrachter entfernt sind, dass die Augenlinsen ganz entspannt auf "unendlich" gestellt werden können und dann nicht mehr zur Entfernungswahrnehmung beitragen. Ähnliches gilt für die Präsentation per Beamer und - mit Abstrichen - auf großen Fernsehern.

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