Projektionssysteme

Die Idee Schatten und Bilder an eine Wand zu werfen begeistert die Menschen schon seit Mitte des 15. Jahrhunderts. Heutzutage ist man bei weitem nicht mehr nur auf Bilder beschränkt.

Ob im Kino oder in der Einkaufsmeile, große sich bewegende Projektionen sind nicht mehr wegzudenken.

Im Folgenden werden auf

  • die Geschichte und die unterschiedlichen Arten von Projektorsystemen,
  • zwei Projektionsmethoden und
  • aktuelle und zukünftige Technologien bei der Reiser Simulation and Training GmbH (RST)

eingegangen.

Entwicklung von Videoprojektoren

Die Geschichte der Videoprojektoren reicht bis in die 1930er Jahre zurück. An der ETH Zürich wurde zu dieser Zeit das Eidophor-System (Bildträger-System) entwickelt. Technisch gesehen war das System das Erste, welches lichtstarke Bilder in hoher Auflösung liefern konnte – eine Kombination aus Fernsehbildröhre und Filmprojektor.

Abbildung 1: Entwurfsskizzen für das Eidophor-Verfahren.
Quelle: NGZ-Neujahrsblatt 1961

Bei dem Eidophor-System erzeugt ein Elektronenstrahl das Bild auf einem mit einer dünnen Schicht eines leitfähigen Öls überzogenen Hohlspiegel (Eidophor, also Bildträger, genannt), der sich gleichzeitig im Strahlengang eines Projektors befindet. Der Hohlspiegel erzeugt im Rhythmus des Fernsehbildes Reflexionsänderungen des Lichtstrahls, welche mittels eines Systems aus winzigen Spiegelbarren als Großbild auf der Leinwand sichtbar werden.

Das Eidophor-System wurde 1960 zum ersten Mal zur Live-Übertragung der Olympischen Spiele in Rom in Kinos eingesetzt.

Die Generation der Röhren-Projektoren, welche in den 1990er Jahren ihren Höhepunkt hatten, erzeugen das Bild direkt mit speziellen, auf große Helligkeit getrimmte Projektions-Bildröhren (Kathodenstrahlröhren). Dennoch muss der Raum meist komplett abgedunkelt werden. Für Farbprojektoren werden drei Röhren benötigt (blau, grün und rot), die genau aufeinander abgestimmt werden müssen, um Farbfehler zu vermeiden. Da derartige Projektoren das Bild zeilenweise ohne Pixel erzeugen sind sie sehr variabel in der Auflösung und können in der Regel alle vorkommenden Videonormen bis zu hochauflösenden Videos darstellen. Wegen der drei Projektionsröhren sind sie allerdings sehr sperrig und schwer (70 kg und mehr) und nur für den stationären Betrieb geeignet.

Abbildung 2: VDC Marquee 8500 Röhrenprojektor
Quelle: HCinema Projektoren-Datenbank
Abbildung 3: LCD-Projektion mit Farbteilung über dichroitische Spiegel
Quelle: ITWissen.info

Der Einsatz der zunächst u. a. für Handys benutzten Flüssigkristalldisplays (liquid crystal display, LCD) im Jahre 1971 führte zur Generation der LCD-Projektoren. Diese arbeiten wie Diaprojektoren – an der Stelle des Dias sitzt ein LCD-Display-Panel. Für jede der drei Grundfarben blau, grün und rot wird ein eigenes Panel benötigt. Preiswertere Geräte kommen mit nur einem LCD-Element aus, was aber zu einer schlechteren Bildqualität führt.

Ein DLP-Projektor (Digital Light Processing), der 1996 von der Firma Texas Instruments zur Marktreife gebracht wurde, verwendet ein DMD (Digital Micromirror Device) als Bildwandler und einen Mikrochip, auf dem sich für jeden einzelnen Bildpunkt ein winziger Kippspiegel befindet. Diese Art der Bilderzeugung kennt also nur die zwei Zustände hell und dunkel. Helligkeitsabstufungen werden durch unterschiedlich schnelles Kippen erreicht. Die Optik und das DMD sind gekapselt und dadurch weniger staubempfindlich und langlebiger. Zur Erzeugung farbiger Bilder dient ein schnell rotierendes Farbrad, dessen Sektoren abwechselnd rot, grün und blau durchlassen.

Heutzutage werden vor allem LCD und DLP Projektoren verwendet,
so auch bei den RST Simulatoren. Hauptsächlich werden DLP Projektoren mit einer Laserlichtquelle eingesetzt.

Abbilung 4: Prinzip Skizze DLP-Projektor
Quelle: beamerstation.de

Neben verschiedenen Arten von Projektoren gibt es auch unterschiedliche Projektionsmethoden:
Die Kollimator- und die Direkte-Projektion, welche nachfolgend näher beschrieben werden.

Kollimator-Projektion

Das wesentliche Merkmal einer kollimierten Anzeige ist, dass die Lichtstrahlen, die von einem bestimmten Punkt im Bild ausgehen, parallel sind. Die parallelen Strahlen haben zwei wesentliche Auswirkungen:

  1. Sie fokussieren die Augen des Betrachters im Unendlichen und haben keine Konvergenz, was den Eindruck erweckt, dass das Objekt weit entfernt ist.
  2. Es ändert sich der Winkel zu einem bestimmten Punkt im Bild nicht, wenn er von einer anderen Position aus betrachtet wird
Abbilung 5: Prinzip Skizze kollimierte Projektion
Quelle: SOARBYWIRE: Notes on a Collimated System

Verwendet wird die kollimierte Projektion vor allem in Full-Flight Simulatoren von Flugzeugen, da hier die Entstehung eines Tiefeneffekts und ein möglichst geringer Parallaxenfehler sehr wichtig sind und somit Objekte in weiter Ferne besser dargestellt werden können.

Die Kollimator-Projektion funktioniert folgendermaßen:

Ein Projektor wirft sein Bild auf einen Back Projection Screen. Dieser kollimiert die Lichtstrahlen und leitet sie auf den großen Collimating Mirror weiter. Von dort werden die parallelen Lichtstrahlen auf das Cockpit reflektiert.

In der Regel liefert eine solche Projektion ein Bild, das sich nicht näher als etwa 6 bis 10 m vom Betrachter entfernt befindet, wobei der Abstand über das Sichtfeld variiert.

Direkte-Projektion

Neben der kollimierten Projektion existiert noch die direkte Projektion, welche in den RST Simulatoren bisher ausschließlich Anwendung findet. Hintergrund ist, da RST bisher Helikopter Simulatoren produziert.

Bei Helikopter Simulatoren wird die direkte Projektion angewendet, da überwiegend Szenen in der Nähe des Cockpits dargestellt werden. Es kommt hierbei nicht, wie bei der kollimierten Projektion, auf die Objekte in der Ferne an. Für den Piloten ist es wichtig, dass er aus seinem Cockpitfenster schaut und die direkte virtuelle Umgebung (z.B. bei Start und Landung, sowie Bergungssequenzen) erkennen kann. Die Darstellung von Objekten in der Ferne ist für Helikopterpiloten beim Training eher untergeordnet.

Die Direkte-Projektion funktioniert folgendermaßen:

Die Projektionsleinwand benötigt keine spiegelnde Oberfläche, sondern eine weiße Beschichtung. Zum anderen wird kein parabolischer Spiegel zum kollimieren des Lichts benötigt. Somit sind die Kosten geringer und der Aufbau ist deutlich einfacher.

Die Projektoren werfen ihr Bild direkt auf die Leinwand. Die Anzahl der Projektoren ist abhängig von dem darzustellenden Sichtfeld (Field of View – Fläche, auf welcher die Simulationsumgebung dargestellt wird). Durch spezielle Programme wird der Überschneidungswinkel der Bildflächen berechnet und beseitigt, sodass sich ein durchgängiges Sichtfeld ergibt.

Abbilung 6: F-LIGHT LINE Simulator

In Anbetracht der oben beschriebenen Grundprinzipien ist es klar, dass keine der beiden Projektionsmethoden ein völlig genaues Bild für alle möglichen Objektabstände (nah vs. fern) liefert. Es ist wichtig, das visuelle System an den entsprechenden Ausbildungsinhalt bzw. das simulierte Luftfahrtzeug anzupassen.

Abbilung 7: Prinzip Skizze Kombination kollimierte und direkte Projektion

An einer Kombination aus Kollimator- und Direkter-Projektion wurde bei RST bereits gearbeitet. Die Idee war, im oberen Sichtbereich eine kollimierte Anzeige zu verwenden und im unteren eine direkte. Das Problem dabei ist, dass bei einer Kopfbewegung des Piloten (Positionsänderung) eine Verzerrung zwischen kollimierter und direkter Anzeige entsteht.

Die Verzerrung könnte durch den Einsatz eines Headtracking Systems und Softwarelösungen minimiert werden. Aufgrund der Entwicklungsrisiken hinsichtlich des Aufwands, der Dauer einer Realisierung sowie einer für den Kunden ausreichenden Qualität zur Darstellung des Sichtfelds, wurde das Projekt nach einem Versuchsaufbau gestoppt. Eine Umsetzung des Konzepts hätte dazu geführt, dass für Flugzeug- und Hubschrauber-Simulatoren ein Dom-Typ ausreichend gewesen wäre. 

Aktuelle und zukünftige Technologien

Bisher werden in Flugsimulatoren der RST ausschließlich direkte Projektionssysteme verwendet.

Um weitere Ausbildungsinhalte zu ermöglichen wird bei den Windensimulatoren auf AR-Technologie (Augmented Reality) zurückgegriffen. Dabei trägt das 3. Crew Mitglied eine AR-Brille. Der Trainingsnutzen wird in der Form gesteigert, dass dem Windenbediener beim Blick aus dem Hubschrauber das Windenseil und die Person für die Bergung, ein Avatar, dargestellt werden.

 

Abbilung 8: Third Crew Mitglied mit AR Brille in einem Full-Flight Simulator

Der Aufbau ist hierbei erheblich einfacher, als wenn solche Szenarien mithilfe von Projektoren dargestellt werden, da sich alle Elemente in der Brille darstellen lassen und kein separater Aufbau für die Projektoren von Nöten ist. Auch bei Full-Flight Simulatoren könnten in der Zukunft Projektionssysteme durch Virtual oder Argumented Reality Systeme ersetzt werden.
Weitere Informationen zu VR und AR Systemen finden sie in unserem Artikel zu Virtuelle Welten (https://www.reiser-st.com/die-virtuelle-welt/)

Eine andere Alternative zu den herkömmlichen Projektoren ist die Nutzung von großen LED Screens. Diese werden vor allem bei großen Werbetafeln oder auf Messen genutzt. Ein klarer Vorteil ist, dass der Raum nicht vollständig abgedunkelt werden muss und keine Berechnung der Überschneidungsflächen und keine extra Ausleuchtung von abgeschatteten Flächen benötigt wird. Eine zielgerichtete Verwendung ist aktuell nicht möglich, da die Videopanels bisher nur eine geringe Auflösung liefern.

 

RST arbeitet stets daran, das Training der Piloten realitätsnaher zu gestalten. Zusätzlich möchte RST das Produktportfolio mit neuen Technologien erweitern, sodass der umfangreiche Trainingsbedarf unserer Kunden abgedeckt werden kann. Das Ziel ist, einen großen Teil dazu beitragen, die Zukunft der Trainingssysteme/-geräte mit zu gestalten, um durch deutlich kleinere und noch originalgetreuere Simulationssysteme einen erheblichen Beitrag zur Flugsicherheit zu schaffen.

Abbilung 9: RST Metaversum 2024+