Eine Projektarbeit im Fach Multimediale Systeme.
Beteiligt an der Arbeit sind folgende Personen:
Schon Ende des 19. Jahrhunderts wurden Projektoren verwendet, die bemalte Glasplatten an die Wand projizierten. Mit der Verbreitung von Kleinbilddias erfreuten sich Diaprojektoren wachsender Beliebtheit. Erst mit manueller, später mit automatischer Bedienung werden mittels eines Magazins die Dias in den Projektor befördert, von einer starken (Halogen)-Lampe durchstrahlt und an die Wand projiziert.
Ein Projektor (lat. proicere “vorwärtswerfen, hinwerfen”) ist ein optisches Gerät, das ein vergrößertes Bild eines Gegenstandes auf einer Projektionsfläche erzeugt. Ein Projektor dient allgemein dem Zweck, kleinformatige visuelle Inhalte so zu vergrößern, dass sie für ein größeres, körperlich anwesendes Publikum gleichzeitig sichtbar und nachvollziehbar werden.
Durchleuchtungsprojektoren durchstrahlen ein Medium, z. B. ein Diapositiv oder eine Schreibfolie.
Das Bild wird einfach zwischen Linse und Lampe gebracht, durch die Linse wird es dann vergrößert.
http://www.isi-online.de/xtra/xtras02.html
Auf einer rotierenden Scheibe ist ein dicker Ölfilm, der wird mit Elektronen beschossen, durch die Elektrostatischen Aufladungen deformierte sich das Öl und es entstanden helle und dunkle Flächen.
Ähnlich wie bei den Dias, es wird ein Film (Runde Rolle mit Bildern) von einer Rolle auf- und von der anderen abgespielt. Auf dem Weg zwischen den 2 Rollen läuft er wie bei den Dias zwischen Linse und Lampe. Das Licht selber ist dabei nicht konstant an, sondern wird ständig abgeblendet und nur dann aufgeblendet, wenn das jeweilige Einzelbild in Position ist (sonst würde man nur einen einfarbigen Streifen sehen).
LCD- Projektoren bestehen grundlegend aus einem LC-Display, welches dann von einer Lampe angestrahlt wird. Durch die Polarisation der Kristalle im Display wird an den einzelnen Pixeln jeweils Licht durchgelassen oder nicht durchgelassen.
Bei den Beleuchtungsprojektoren (oder auch Episkopen) wird ein Medium angestrahlt. Der gewünschte Teil des Lichts wird dann reflektiert und auf die Leinwand projiziert.
Die DLP™-Technologie wurde von Texas Instruments entwickelt. Sie basiert auf mikroskopisch kleinen Spiegeln die in Matrix-Form auf einem DMD (digital mirror device) Chip angebracht sind. Die Spiegel können zwei stabile Zustände einnehmen. Dabei wird das Licht in der einen Stellung so reflektiert, dass es auf einen Absorber im Gerät fällt. Der Pixel auf der Leinwand erscheint somit dunkel. In der der anderen Stellung erfolgt die Reflexion in Richtung der Linse und wird somit auf die Leinwand projiziert. Der Wechsel zwischen den zwei Zuständen erfolgt dabei sehr schnell (ca. 16 µs). Die Ansteuerung der Spiegel efolgt über elektrostatische Kräfte. Durch eine Pulsweitenmodulation können bis zu 256 verschiedene Helligkeitsstufen erreicht werden. Damit ist eine Darstellung von bis zu 16.7 Millionen Farben möglich.
Es gibt 3 Ausführungen von DLP-Projektoren: Single-Chip, Dual-Chip und Three-Chip.
Bei dieser Bauart ist nur 1 DMD-Chip verbaut. Das Licht der Hochdruckmetalldampflampe strahlt durch ein Farbrad, das sich zwischen Lampe und DMD befindet und sich mit ca. 3600 U/min dreht. Das Rad ist meist in 3 Sektoren unterteilt: Rot, Grün und Blau (die 3 Grundfarben). Bei manchen Geräten kommt noch ein Sektor für Weiß hinzu, um z.B. bei Präsentationen ein reineres, helleres Weiß anzeigen zu können. Allerdings geht dies auf Kosten der Sättigung. Der Chip wird dann mit dem Farbrad synchronisiert, so dass die Spiegel der Pixel für die entsprechende Farbe gedreht werden, wenn diese grad auf dem Farbrad in Position zwischen Lampe und DMD ist. Dies wird für jede der 3 Grundfarben einzeln gemacht und geschieht so schnell, das für den Zuschauer der Eindruck eines Gesamtbildes auf der Leinwand entsteht.
Ein störender Nebeneffekt bei dieser Bauart ist neben dem Lärm, der durch das sich sehr schnell drehende Farbrad erzeugt wird, der sogenannte Regenbogeneffekt, der durch die Teilbildprojektion jeder Farb ensteht. Dieser tritt vor allem bei schnellen bewegten Bildern auf und äußert sich darin, dass manche Menschen besonders an den Konturen von bewegten Objekten oder in kontrastreichen Bildbereichen das “Aufblitzen” der Teilbilder für jede Farbe sehen. Es gibt verschiedene Ansätze den Regenbogeneffekt zu mindern. Möglich ist eine Erhöhung der Drehfrequenz des Farbrades. Dies erzeugt allerdings wieder mehr Lärm. Besser ist der Ansatz von Farbrädern, die 6 Segmente (bzw. 7 Segment mit Weiß) haben, weil sie die 3 Grundfarben 2x enthalten
Bei dieser Bauart enhält das Farbrad die Farben Magenta und Gelb. Magenta ist durchlässig für die Farben Rot und Blau, Gelb ist durchlässig für die Farben Rot und Grün.
Hinter dem Farbrad werden nun die Farben über ein Farbteilprisma getrennt. Dadurch wird die gesamte Arbeit auf zwei DMD-Chips aufgeteilt und es können für Grün und Blau bis 50% und für Rot bis zu 300% hellere Bilder erzeugt werden. Dies ist deshalb von Vorteil, weil am Farbrad allein schon ca. 2/3 des Lichts verloren gehen und man braucht nun eine weniger helle Lampe für gleiche Bildqualität.
Diese Bauart verzichtet vollständig auf ein Farbrad. Das Licht wurd über ein Farbteilprisma in die 3 Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt und auf 3 DMD-Chips verteilt. Somit muss sich jeder DMD-Chip nur noch um eine Farbe kümmern und die Farben können parallel dargestellt werden, das heißt der Regenbogeneffekt wird vollkommen eliminiert. Außerdem geht kein Licht am Farbrad verloren, weshalb diese Geräte eine Lichtstärke von bis zu 12.000 ANSI-Lumen erreichen können.
Die LCoS (liquid crystal on silicon) Technologie basiert auf Mikrodisplays, Chips mit einer dünnen reflektierenden Silikonschicht, auf der Flüssigkristalle aufgebracht werden (trans-reflective displays). Diese sind wesentlich dünner als normale LCDs und sehr hochauflösend. Das Licht passiert je nach Stellung der Kristalle diese Schicht und wird von der reflektierenden Schicht zurückgeworfen. An den Stellen wo die Kristalle sperren, wird der Pixel dunkel.
Es gibt zwei verschiedene Bauformen: 1-Chip und 3-Chip.
Diese Geräte basieren auf dem Scrolling Color Prinzip. Dabei rollen Streifen mit den 3 Grundfaben Rot, Grün und Blau über das Display. Diese werden mit einer anamorphen Linse erzeugt. Das Scrollen wird mit 3 synchron rotierenden Prismen realisiert. Die Pixel im Display öffnen sich dann wenn die entsprechende Farbe gerade vorhanden ist.
Bei dieser Technik wird das Licht mittels dichroitischer Spiegel geteilt und auf 3 Displays - jedes für eine Grundfarbe - gelenkt. Dort werden dann die Kristalle entsprechend der Farben göffnet und das Licht kann passieren. Das reflektierte Licht wird dann wieder über Spiegel zusammengeführt und durch die Linse auf die Leinwand geworfen.
Röhrenprojektoren basieren auf Kathodenstrahlröhren (cathode ray tubes, kurz: CRT). Für jede Grundfarbe Rot, Grün und Blau gibt es eine Röhre. In jeder Röhre ist ein farbiger Phosphor, der durch den Elektronenstrahl zum Leuchten angeregt wird. Anders als CRT Monitore oder Fernseher haben die Röhren aber keine Lochmaske, wodurch eine sehr hohe Auflösung erreicht wird. Der farbige Strahl wird dann an die Leinwand projiziert. Wichtig ist dabei, dass die 3 Strahlen der einzelnen Farben für den entsprechenden Bildpunkt genau an der selben Stelle die Leinwand erreichen. Dazu ist eine meist sehr aufwendige Konvergenzeinstellung der Röhren nach Installation und Verrücken des Geräts notwendig. Dabei wird zunächst die grüne (mittlere) Röhre scharfgestellt. Dann richtet man die rote Röhre auf die grüne aus. Anschließend wird die blaue Röhre erst auf Rot und dann auf Grün ausgerichtet.
Der Vorteil von Röhrenprojektoren ist, dass sie einen hervorragenden Schwarzwert haben. Soll Schwarz dargstellt werden, wird die Röhre für den entsprechenden Punkt einfach ausgeschaltet. Damit wird eine Restheligkeit von unter 0,1 Lumen erreicht. Allerdings ist die Helligkeit von Röhrenprojektoren auch nach oben hin sehr begrenzt. Gute Geräte erreichen bis zu 250 Lumen, was aber für Heimkino im dunklen Raum (der Domäne für Röhrenprojektoren) völlig ausreicht.
Es gibt 3 typische Größen für Röhren: 7”, 8” oder 9”. Prinzipiell gilt: je größer die Röhre, desto höher die Auflösung. Außerdem wird zwischen den Typen ESF (elektrostatisch fokussiert) und EMF (elektromagnetisch fokussiert) unterschieden. Letztere haben ein feineren Elektronenstrahl, sind aber dementsprechend auch teurer. Ältere Modelle (Baseband) haben nur Ablenkfrequenzen von maximal 15-16 Khz und können daher nur Halbbilder im Interlaceverfahren darstellen. Die neueren Geräte unterstützen höhere Ablenkfrequenzen und ermöglichen daher den Einsatz eines Videoprozessors z.B. eines Line-Doublers.
Der Laserprojektor besteht prinzipiell aus zwei Teilen: einem Laserstrahlgenerator und einem Projektor. Im Generator wird ein Laserstrahl erzeugt und von einem akustooptische Modulator so moduliert, dass er seine richtige Farbe und Helligkeit bekommt. Dazu muss es für jede der 3 Grundfarben Rot, grün und Blau einen Modulator geben. Die einzelnen Strahlen werden dann mit dichroitischen Spiegeln wieder zusammengesetzt.
Dann wird der Strahl über einen bis zu 30 m langen Lichtwellenleiter zur Projektionseinheit übertragen, die vom Generator getrennt in einem anderen Raum platziert werden kann. Dort trifft er auf einen Polygonscanner, einen Spiegel der den Laserstrahl horizontal verteilt. Danach wird er noch über eine Prismaoptik und einen Galvanometerscanner vertikal verteilt. So wird das Bild ähnlich wie bei einem Fernseher oder Computerbildschirm Punkt für Punkt auf der Leinwand verteilt und zwar so schnell, dass für das menschliche Auge ein Gesamtbild entsteht.
Laserprojektoren können prinzipiel auf allen Oberflächen ein scharfes Bild darstellen wie z.B. gewölbte Flächen oder einen Wasserfall. Außerdem kann der Laserstarhl große Entfernungen vom Projektor zur leinwand überbrücken.
Einige Vorraussetzungen an die Umgebung machen den Betrieb eines Projektors manchmal schwierig: so braucht man immer eine weiße, plane Leinwand und der Abstand und Winkel zwischen Projektor und Leinwand muss sich in gewissen Grenzen bewegen.
Eine neue Entwicklung der Bauhaus Universität Weimar macht eine Leinwand vielleicht bald überflüssig. Der sogenannte Smart Projector ermöglicht es auf nicht-triviale, farbige Oberflächen zu projizieren. So sind z.B. Zimmerecken, gewölbte Flächen oder farbige Vorhänge als Projektionsfläche geeignet.
Der Smart Projector besteht prinzipiell aus 3 Teilen: einem Projektor, einer Kamera und einer Bildverarbeitung. Mit dem Projektor wird das Bild an die gewünschte Stelle projiziert und dann mit der Kamera gefilmt. Anschließend werden mit der Bildverabreitung geometrische Verzerrungen und farbliche Verfälschungen korrigiert.
Für die Bildkorrektur ist eine Kalibrierungsphase notwendig. In dieser werden zunächst geometrische Testmuster (Gitter, horizontale/vertikale Streifen) auf die Leinwand projiziert. Die Kamera wird am sogenannten sweet spot (der Bereich von dem aus die Zuschauer das Bild sehen) platziert und filmt, wie die entsprechenden Muster auf der Leinwand dargestellt werden. Daruas wird eine pixel displacement map erstellt, in der die Pixel der Kamera auf die Pixel des Projektors gemapt werden. Man erhält so eine feine Oberflächenkarte der Leinwand. Einige 3D-Scanner funktionieren auf die gleiche Art und Weise.
Die Farbkorrektur funktioniert ähnlich. Es werden Testbilder (z.B. komplett weiß oder schwarz) projiziert und ahnhand des dargestellten Resultats, kann die farbliche Beschaffenheit der Oberfläche erkannt werden.
Sowohl geometrische als auch farbliche Korrekturen werden in einer Tabelle gespeichert mit deren Hilfe dann jedes darzustellende Bild geometrisch und farblich vorverarbeitet wird, und so für den Zuschauer korrekt erscheint. Dazu wird moderne Hardwarebeschleunigung unterstützt: das Ausgangsbild wird an einen Pixel Shader übergeben und dann muss nur noch ein simples Rechteck mit Textur gerendert werden. Mit einer modernen Grafikkarte wie z.B. einer Nvidia GeForce FX6800GT erreicht man eine Echtzeitverarbeitung bis zu 100 FPS (Bilder pro Sekunde).
Hier sieht man die geometrische Korrektur bei Projektion auf eine strukturierte Wand in einer Raumecke.
Hier sieht man die Farbkorrektur bei Projektion auf einen karrierten Vorhang. Auch die Wellen des Vorhangs werden geometrisch korrigiert.
Nach der Kalibrierungsphase kann die Kamera entfernt werden. Da die pixel displacement map und die Farbkorrekturdaten in der Bildverarbeitung gespeichert sind, wird das Bild - solange der Projektor in seiner Position bleibt - für den Zuschauer weiterhin korrekt dargestellt.
Download: Video - Play Station 2 Spiel auf strukturierter Wand
Wie jede Technik hat natürlich der Smart Projektor nur begrenzte Möglichkeiten. Komplett absorbierdende Oberflächen wie Samt oder Oberfläche die nur eine Farbkomponente zu stark absorbieren sind auf bei Nutzung der Smart Projetors nicht als Leinwand geeignet. Auch die geringen Auflösungen und Farbräume handelsüblicher Kameras und Projektoren beschränken die Qualität der Pixel- und Farbmappings sehr stark. Hier ist eindeutig noch Potitial vorhanden.
Sehr praktisch ist auch die Möglichkeit mehrere Projektoren zu kombinieren um so Schatten von der Leinwand zu entfernen und die Lichtausbeute zu verbessern. Die Smart Projektor Technik kann auch zur Oberflächenvermessung eingesetzt werden, vorrausgesetzt Projektor und Kamera bieten entsprechende Auflösungen.
In Zukunft ist der Bau eines kompakten All-in-One-Geräts geplant, in dem Kamera, Projektor und Bildverarbeitungshardware sowie z.B. ein DVD-Payler integriert sind. Solch ein Geräte könnte das Heimkino revolutionieren.
Die immer günstigeren Preise und bessere Technik der Geräte sowie die steigende Qualität der multimedialen Inhalte sorgen dafür, dass Projektoren nicht nur in Schulen, Firmen oder Universitäten eingesetzt werden, sondern dass diese Geräte auch immer mehr in den Privatbereich Einzug erhalten.
LCD-Projektoren werden in Zukunft wohl an Bedeutung verlieren. Sie bieten zu geringe Auflösung, zu schlechte Lichtausbeute und schwache Kontraste. LCoS könnte als preiswerte Alternative LCD ablösen.
Auch DLP (v.a. Three-Chip) ist eine sehr fortgeschrittene Technologie, unter anderem wegen des sehr natürlichen Farbraums. Allerdings sind die Three-Chip Geräte noch sehr teuer.
Röhrengeräte haben Ihren Zenit schon lange überschritten. Sie sind einfach zu schwer, sowohl in Bezug auf Gewicht als auch auf Bedienung. Sie bleiben wohl den Heimkinoenthusiasten vorbehalten.
Eine Technolgie mit enormem Potential sind die Laserprojektoren. Jedoch sind diese so teuer und selten, dass sie sich in naher Zukunft wohl kaum auf dem Massenmarkt durchsetzen werden. Allerdings arbeiten die Entwickler in diesem Bereich an Mirkoprojektoren von der Größe eines Stücks Würfelzucker, die in mobilen Geräten wie PDAs oder Handys eingesetzt werden sollen.
Der Smart Projector ist eine sehr revolutionäre Entwicklung und hat gute Chancen sich im Heimkinobereich durchzusetzen, wenn er als leicht bedienbares All-In-One-Gerät verfügbar wird.