Stereodisplay

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Stereodisplay (auch: 3D-Display, veraltet: Raumbildprojektion) bezeichnet die Anzeige von stereoskopischen oder dreidimensionaler Bilder für einen Tiefeneindruck durch stereoskopisches Sehen mittels eines Bildschirm oder durch eine Projektion. Eine verbreitete Nutzung besteht in der Darstellung von 3D-Filmen. Darüber hinaus gibt es viele Anwendungsgebiete beispielsweise in Forschung, Entwicklung, Medizin und Militär.

Arten von Stereodisplays - Unterscheidung zwischen Stereoskopie und 3D[Bearbeiten]

Die Technik von stereoskopischen Displays besteht darin, zwei für das linke und rechte Auge leicht unterschiedliche Bilder darzustellen. Die beiden Bilder werden dann im Gehirn für die Tiefenwahrnehmung kombiniert. Obwohl häufig dafür der Ausdruck "3D" verwendet wird, ist die richtige Bezeichnung "stereoskopisch". Denn es gibt einen Unterschied darin, ob zwei 2D-Bilder angezeigt werden oder ob ein Bild wirklich in drei Dimensionen dargestellt wird. Der größte Unterschied besteht darin, dass die Kopf- und Augenbewegungen eines Betrachters bei einem stereoskopischen Bild nicht zu mehr Informationen über ein dargestelltes Objekt führen, man also beispielsweise nicht das Objekt von der Seite betrachten oder unscharf aufgenommene Objekte nicht scharf fokussieren kann. Holografie und Volumendisplays sind Beispiele für Verfahren, die solche Einschränkungen nicht haben. Man kann das Ganze auch mit der Reproduktion von Tönen vergleichen. Ähnlich wie es nicht möglich ist, den vollen Klang mit nur zwei Lautsprechern zu reproduzieren, so ist es auch übertrieben bei zwei 2D-Bildern von 3D zu sprechen. Obwohl somit die meisten stereoskopischen Displays keine echten 3D-Displays sind, so sind alle echten 3D-Displays auch stereoskopische Displays, da diese auch die geringeren Kriterien erfüllen.

Stereoskopische Anzeige[Bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten]

Hauptartikel: Stereoskopie

Die Kanaltrennung bezeichnet bei stereoskopische Betrachtungsmethoden, die für die Augen nötige Trennung von linkem und rechtem Bild. Jedes Auge darf nur das ihm zugehörige Bild sehen. Der Idealfall ist eine hundertprozentige Kanaltrennung, bei der das rechte Bild für das linke Auge vollkommen unsichtbar ist und umgekehrt. Bei ungenügender Kanaltrennung entstehen Geisterbilder, welche die 3D-Wahrnehmung trüben und schlimmstenfalls zu Kopfschmerzen beim Betrachter führen können. Geisterbilder sind somit eine fehlerhafte Darstellung, bei der das Bild für das rechte und das linke Auge vor allem in kontrastreichen Bildpartien vorübergehend auch für das falsche Auge sichtbar ist.

Polarisationsfiltertechnik[Bearbeiten]

Eine RealD Polarisationsfilterbrille
Hauptartikel: 3D-Polarisationssystem

Bei dieser Projektionstechnik wird die Kanaltrennung mit linear (veraltet) oder zirkular polarisiertem Licht erreicht. Es befinden sich jeweils entgegengesetzte versetzte Polfilterfolien vor den Projektionsobjektiven und in den Polfilterbrillen der Betrachter. In Kinos werden hierzu zwei Projektoren verwendet.

Zur Aufrechterhaltung des Polarisationsstatus des Lichts wird eine metallisch beschichtete Leinwand benötigt. Eine normale weiße Leinwand würde das Licht wieder zerstreuen, und die Kanaltrennung wäre aufgehoben. Der Vorteil dieser Projektionstechnik liegt in der hohen Farbtreue der gezeigten Bilder. Nachteilig ist der Lichtabfall durch die verwendeten Filter und die metallische Leinwand.

Bei linear polarisiertem Licht muss der Kopf während der Bildbetrachtung gerade gehalten werden. Hält man den Kopf schräg, ändert sich der zur Kanaltrennung nötige Winkel von 90° zwischen den Folien vor den Projektionslinsen und den Filtern in der Brille. Dadurch ist eine Kanaltrennung nicht mehr gegeben, es erscheinen „Geisterbilder“. Dies trifft auf moderne Verfahren wie Real-D nicht mehr zu, da diese zirkular polarisiertes Licht verwenden - man kann den Kopf ohne Nachteile frei bewegen.

Ein weiteres Problem besteht in der uneinheitlichen Verwendung der Filter bei verschiedenen Herstellern von Brillen und Projektoren. Die Filter in der Brille müssen passend zu den Filtern im Projektor sein, sonst kommt es zu einer Vertauschung der Kanäle. Anwendung findet diese Technik außer im Privatbereich bei vielen IMAX-3D-Vorführungen und seit 2009 auch in vielen 3D-Kinos.

Anaglyphe Projektion[Bearbeiten]

Typische moderne Anaglyphenbrille mit Rot/Cyan-Filtern, ähnlich anderen mit Rot/Grün- oder Rot/Blau-Filtern
Hauptartikel: Anaglyph 3D

Unter „Anaglyphenprojektion“ (aus griechisch ἀνά aná „auf“, „aufeinander“ und γλύφω glýphō „meißeln“, „gravieren“, auch „darstellen“) im ursprünglichen Sinne versteht man zwar grundsätzlich jede Stereoprojektion, bei der beide Teilbilder gleichzeitig auf dieselbe Projektionsfläche geschickt werden (auch die Polarisationsprojektion ist also streng genommen eine „Anaglyphenprojektion“), meist ist jedoch mit „anaglyphisch“ eine farbanaglyphische Darstellung gemeint: Zur Trennung der beiden Einzelbilder werden verschiedene Farbfilter in 3D-Brillen verwendet, ursprünglich Rot vor dem rechten Auge und Grün vor dem linken. Beim Ansehen des Films löscht der Rot-Filter das rote Filmbild aus, und das grüne Bild wird schwarz - der Grünfilter löscht das grüne Farbbild, und das rote wird schwarz. Da beide Augen nun unterschiedliche Bilder sehen, entsteht im Gehirn wieder ein räumliches Bild.

Ende der 1970er Jahre verbesserte Stephen Gibson die Farbanaglyphentechnik mit seinem patentierten „Deep Vision“-System, das andere Filterfarben verwendet: Rot vor dem rechten Auge und Cyan vor dem linken. Inzwischen bietet auch die dänische Firma „Color Code“ ein eigenes Farbanaglyphen-System an. Die Filterfarben der „ColorCode“-Brillen sind Blau vor dem rechten Auge und Gelb vor dem linken. Für den Spielfilm „Journey to the Center of the Earth“ wurde 2008 in England ein weiteres Farbanaglyphenverfahren („Trio Scopics“) eingeführt, mit Grün vor dem linken Auge und Magenta vor dem rechten.

Interferenzfiltertechnik[Bearbeiten]

Die Interferenzfiltertechnik ist ein von DaimlerChrysler entwickeltes System zur stereoskopischen Wiedergabe. Das System wird von der INFITEC GmbH vertrieben. Die Firma DOLBY Inc. wendet das Verfahren unter dem Namen Dolby 3D an. Es arbeitet nach einem Lichtwellenlängenfiltersystem. Für jedes Auge wird jeweils ein Teil der vom Auge als Rot-Grün-Blau empfundenen Wellenlängen durchgelassen und der des anderen Auges sehr effektiv blockiert. Hierbei werden die Grundfarben der Bilder also für das linke und rechte Auge auf jeweils unterschiedliche überlappungsfreie Wellenlängenbereiche reduziert.[1] Dabei arbeitet das Verfahren für den Betrachter scheinbar farbneutral, d.h. es kommt zu keinen sichtbaren Farbänderungen.

Bei dieser Betrachtungstechnik ist der Kopf beliebig neigbar, und es wird keine Silberleinwand benötigt. Darum kommt das Verfahren auch in Planetarien zum Einsatz. Die Brillengläser und Filter bestehen aus beschichtetem Quarzglas und sind vergleichsweise teuer. Dieses Verfahren benötigt zudem einen Videoprozessor, der die Farbanteile der linken und rechten Ansicht verändert, um die Farbverfälschungen, die durch dieses Verfahren prinzipbedingt einfließen, wieder auszugleichen. Dieser Videoprozessor ist in den meisten Projektoren bereits eingebaut. Anfänglich vorhandene Farbunterschiede durch die Verwendung unterschiedlicher Spektralbereiche für die Grundfarben Rot, Grün und Blau im linken und rechten Auge werden in den neueren INFITEC-Systemen vollständig durch Bildsignalbearbeitung kompensiert. Grundlage dafür ist die Metamerie, die es ermöglicht, aus unterschiedlichen Spektren denselben Farbeindruck im Auge zu erzeugen. Dieses Verfahren ist nur für Projektionen geeignet, jedoch nicht für den Druck von 3D-Bildern.

Shuttertechnik[Bearbeiten]

LCD-Shutterbrille von XpanD.
Hauptartikel: Shutter-3D-System

Bei dieser Methode werden beide Bilder nacheinander auf die weiße Leinwand projiziert. Für einen Film mit 24 Bildern pro Sekunde müssen also in der gleichen Zeit 48 Bilder auf die Leinwand gebracht werden, was für moderne Projektoren kein Problem darstellt. Um Flimmern zu vermeiden, werden meist höhere Frequenzen gewählt, wobei dann jedes einzelne Bild mehrfach gezeigt wird. Der Projektor gibt während der Vorführung über Infrarotsignalgeber, welche sich oberhalb der Leinwand befinden, Steuerimpulse an die von den Zuschauern getragenen Shutterbrillen. Diese Brillen verdunkeln jeweils wechselseitig das eingebaute LCD-Glas und sorgen so dafür, dass jedes Auge nur das für sich bestimmte Bild sieht. Vorteile sind dabei die hohe Farbtreue und die Nutzbarkeit einer normalen Leinwand sowie die Unabhängigkeit von der Kopfneigung des Betrachters. Außerdem ist ein solches System trotz der höheren Kosten für die Shutterbrillen bis zu einer gewissen Publikumsgröße kostengünstiger, da im Gegensatz zum Polarisationsverfahren weder ein zweiter Projektor noch ein Polfilter für die Projektoren noch eine metallisierte Leinwand erforderlich sind und der Synchronisierungsaufwand wegfällt.

Beim „3D-ready“-Heimkino-Projektor (meistens DLP-Beamer) wird über den HDMI-1.3-Anschluss i.d.R. ein 120 Hz-3D-Videosignal von einer 3D-tauglichen PC-Grafikkarte zugeführt und als 2x60-Hz-3D-Video zeitsequentiell projiziert. Neben passenden 3D-Shutterbrillen (z.B. Nvidia 3D-Vision mit eigenem USB-Infrarot-Sender) kann man ggfs. preiswerte sogenannte "DLP-Link"-Shutterbrillen verwenden, die von einem Projektor-Weißimpuls zwischen den Videobildern synchronisiert werden und deshalb keinen Infrarot-Sender benötigen. Nur 3D-Projektoren mit HDMI-1.4a-Anschluss können direkt mit 3D-HD-Signalen von 3D-Blu-ray-Playern oder HDTV-Receivern gespeist werden.

Autostereoskopie[Bearbeiten]

Ein weit verbreitetes autostereoskopisches Single-View-Display: Das Nintendo 3DS mit Parallaxbarrierentechnik
Hauptartikel: Autostereoskopie

Bei der Autostereoskopie werden keine Brillen für die räumliche Betrachtung benötigt. Eine frühe Anwendung war die Projektion auf „Drahtgitter-Leinwände“, die erstmals in Moskau 1930 durchgeführt wurde. Ein derartiges mechanisches Bildtrennsystem wurde bereits 1906 von Estanawe postuliert, der ein feines Gitter von Metalllamellen als Leinwand vorschlug. Bei der Projektion müssen die Zuschauer sehr genau vor der Leinwand platziert sein, sonst können die Augen nicht das jeweils für sie bestimmte Bild sehen. Verbessert wurde das System durch Noaillon, der das Raster zum Zuschauer geneigt anordnete und die nun radial angeordneten Rasterstreifen leicht hin- und herbewegte. Weiterentwickelt wurde das System von Iwanow, der statt eines mechanischen Parallelrasters 30.000 sehr feine Kupferdrähte als Leinwand verwendete. Das aufwendige Verfahren erlangte keine Serienreife. Nur ein einziges Kino wurde für das System umgebaut, das Moskva in Moskau, und auch dort wurden nur wenige Filme in diesem Verfahren gezeigt, so zum Beispiel 1940 Zemlja Molodosti, Koncert (Das Land der Jugend / Konzert) und 1947 der russische Spielfilm Robinzon Kruzo, der immerhin über 100.000 Zuschauer vorweisen konnte.

Mittlerweile findet die Autostereoskopie wieder neue Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise beim Nintendo 3DS, Handys, Computerbildschirmen und Fernsehern.

Head-Mounted Display[Bearbeiten]

Hauptartikel: Head-Mounted Display

Head-Mounted Displays oder Videobrillen sind vor den Augen getragene visuelles Ausgabegeräte, bei denen meist für das linke und rechte Auge getrennte Bildschirme vorhanden sind und die zwei Stereobilder so direkt vor dem jeweiligen Auge angezeigt werden können. Siehe z.B. Oculus Rift.

Weitere Verfahren[Bearbeiten]

Pulfrich-Verfahren[Bearbeiten]
Hauptartikel: Pulfrich-Effekt

Sogenannte „Pulfrich-Brillen“ mit hell/dunklen Filtern (z.B. „Nuoptix“), nutzen den „Pulfrich-Effekt“ für einen 3D-Eindruck bei seitlichen Kamerafahrten und wurden z. B. durch die RTL-Fernsehsendung Tutti Frutti Anfang der 1990er-Jahre sehr verbreitet. Bei dem Pulfrich-Verfahren handelt es sich nicht um eine echte stereoskopische Darstellung, da das Bild hier nur mit einer einzigen Kamera aufgenommen wird. Die beiden Perspektiven für das linke und rechte Auge kommen durch das verdunkelte Brillenglas zustande, das auf dem Pulfrich-Prinzip beruht. Die abgedunkelte Ansicht wird dabei dem Gehirn zeitverzögert weitergegeben, so dass zwei Ansichten aus unterschiedlichen Perspektiven (allerdings zeitlich versetzt) den Raumeindruck bilden. Dieses Verfahren ist nur sehr begrenzt einsetzbar, weil hier wichtige Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit dieses Verfahren als 3D-Verfahren überhaupt funktioniert. So muss die Kamera oder die Objekte immer (grundsätzlich und immerwährend) eine konstante, langsame, ausschließlich horizontale Bewegung durchführen. Wird nur eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt, tritt kein 3D-Effekt mehr ein.

ChromaDepth-Verfahren[Bearbeiten]
ChromaDepth-Brille mit Prismenfolie

Das ChromaDepth-Verfahren von American Paper Optics basiert auf der Tatsache, dass bei einem Prisma Farben unterschiedlich stark gebrochen werden. Die ChromaDepth-Brille enthält spezielle Sichtfolien, die aus mikroskopisch kleinen Prismen bestehen. Dadurch werden Lichtstrahlen je nach Farbe unterschiedlich stark abgelenkt. Die Lichtstrahlen treffen im Auge an unterschiedlichen Stellen auf. Da das Gehirn jedoch von geraden Lichtstrahlen ausgeht, entsteht der Eindruck, die unterschiedlichen Farben kämen von unterschiedlichen Standpunkten. Somit erzeugt das Gehirn aus dieser Differenz den räumlichen Eindruck (3D-Effekt). Der Vorteil dieses Verfahrens besteht vor allem darin, dass man ChromaDepth-Bilder auch ohne Brille (also zweidimensional) problemlos ansehen kann – es sind keine störenden Doppelbilder vorhanden. Außerdem können ChromaDepth-Bilder ohne Verlust des 3D-Effektes beliebig gedreht werden. Allerdings sind die Farben nur beschränkt wählbar, da sie die Tiefeninformation des Bildes enthalten. Verändert man die Farbe eines Objekts, dann ändert sich auch dessen wahrgenommene Entfernung. Dies bedeutet, dass ein rotes Objekt immer vor z. B. grünen oder blauen Objekten liegen wird.

Prismengläser-Brillen[Bearbeiten]

Eine Reihe von Verfahren nutzt auch den Effekt, dass Prismen den Strahlengang umlenken. So nutzt z.B. das Stereo-Sichtgerät SSG1b, auch unter dem Namen KMQ seit den 1980er Jahren bekannt, diesen Effekt. Vornehmlich für Bücher und Poster, wo es auf Farbtreue und Einfachheit ankommt. Es konnte aber schon früher am Bildschirm oder zur Projektion mit wenigen Zuschauern verwendet werden. Allerdings muss der Nutzer den passenden Abstand zum Bild beibehalten und seinen Kopf dauerhaft waagerecht halten. Ansonsten decken sich die Sehstrahlen beider Augen nicht mit den beiden Teilbildern, welche untereinander angeordnet sind. Daher rührt auch der englische Name des Verfahrens: Over-Under. Diese Einschränkungen sollen zukünftig von einem OpenHardware- bzw. OpenSource-Projekt Namens openKMQ für die Arbeit am Computer aufgehoben werden.

3D-Displays[Bearbeiten]

Volumendisplay[Bearbeiten]

Hauptartikel: Volumendisplay

Bei einem Volumendisplay werden physikalische Mechanismen genutzt, Lichtpunkte im Raum schwebend darzustellen, z. B. über leuchtende Voxel in Gas, Nebel oder auf einer schnell rotierenden Milchglas-Scheibe bzw. -Helix. Andere Lösungen nutzen mehrere LCD.

Eines der Prinzipien eines Volumendisplay besteht bei darin, die Projektionsfläche zu bewegen, sodass diese ein ganzes Volumen überstreicht. Wenn dies schnell genug geschieht und je nach Position der Fläche andere Inhalte projiziert werden, fasst das menschliche Auge auf Grund seiner Trägheit alles insgesamt zu einem geschlossenen 3D-Bild zusammen.

Ein Ansatz ist die Verwendung einer spiralförmig gewundenen Fläche, geformt wie eine Windung einer Archimedischen Schraube. Diese Fläche wird senkrecht montiert und rotiert um eine senkrechte Achse. Ein 2-D-Projektor projiziert auf einen Sektor dieser Fläche das Bild, also auf eine schräge Fläche, die insgesamt je nach aktuellem Rotationswinkel höher oder tiefer liegt. Der Projektor muss synchron zur Rotation auf diesen Ausschnitt diejenigen Informationen projizieren, welche zu den jeweiligen Höhenpunkten auf der schrägen Fläche passen. Der schottische TV-Pionier J.L. Baird meldete 1941 sein volumetrisches 3D - und Farb-TV-System zum Patent an. Aktuelle Laborsysteme (Japan, GB) verwenden u. a. Laserlichtquellen.

Sphären-Display[Bearbeiten]

Hauptartikel: Sphären-Display

Ein Spähren-Display ist eine Wiedergabegerät in Form einer Kugel, mit dessen Hilfe Benutzer dreidimensionale Objekte betrachten und mit ihnen interagieren können.

Möglich wird diese interaktive Visualisierung durch acht Projektoren im Taschenformat (Pico-Projektoren), die im Fußteil der Kugel untergebracht sind, sowie einer leistungsstarken Software, die das Zusammenspiel der einzelnen Projektoren koordiniert und für eine automatische Kalibrierung der Projektoren sorgt. Somit ist es möglich, Auflösung und Helligkeit der einzelnen, projizierten Bilder derart miteinander nahtlos zu verbinden, dass ein Rückgang der Qualität verhindert wird und eine einheitliche Darstellung einer 3D-Animation fast überall auf der Kugeloberfläche möglich wird. Dies gelingt vor allem durch den Einsatz einer Webcam, welche die Position der einzelnen Projektionen feststellt und ihren Beitrag zum Gesamtbild in der Kugel gezielt berechnet.

Um die Interaktion mit Menschen in der Umgebung zu ermöglichen, verwendet das Display sechs Infrarot-Kameras. Sie verfolgen die Bewegung der Zuschauer, die mit Hilfe eines Sensors gekennzeichnet sind. Durch die Daten der Kameras kann ein Computer ständig die virtuelle Szene perspektivisch bezogen auf die Position eines Betrachters korrigierten. Darüber hinaus ermöglicht eine Leap Motion-Schnittstelle die Steuerung und Interaktion der 3-D-Szenen und Animationen mit Gesten. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Animation zu beginnen oder vorwärts und rückwärts zu bewegen.[2]

Holographisches Display[Bearbeiten]

Hauptartikel: Holografie

Ein holographisches Display ermöglicht Bildprojektion in der Luft auf einer dünnen, praktisch unsichtbaren, nebelartige Oberfläche. In Verbindung mit Bewegungssensoren wie Kinect oder Leap Motion werden Nutzer in die Lage versetzt, aktive mit den projizierten Bildern durch Bewegungen und Gesten zu interagieren oder sogar durch das Bild hindurch zu laufen.

Erste Modelle solcher Projektoren nutzen oftmals einen dichten Vorhang aus Wasserdampf oder künstlichem Nebel als Projektionsfläche. So können zwar Bilder dargestellt werden, jedoch ist die Qualität der Bildwiedergabe nicht so hoch. Aufgrund der unebenen und instabilen Oberfläche des dichten Wasserdampfes wird die Projektion unscharf, sodass Texte oder Zahlen nicht klar lesbar sind. Neuere Modelle nutzen im Gegensatz einen sehr feinen und möglichst ungetrübten Dampfstrahl, der kaum sichtbar auf langer Distanz stabil bleibt. Dadurch wird eine höhere Bildqualität bei der Projektion erreicht.

Anwendungsmöglichkeiten für diese Technik werden überall dort gesehen, wo eine visuelle Präsentation von größter Bedeutung ist. Beispielsweise im Marketing-Bereich bei Unternehmen, die sich durch Originalität und Kundenengagement abheben wollen und auf die aufmerksamkeitserregenden Effekte eines solchen Hologramms bei Messen, Premieren, in Einkaufszentren oder Großveranstaltungen setzen. Aber auch im Bereich interaktive Museen wäre eine Einsatzmöglichkeit dieser Technik zu sehen.[3]

Fazit[Bearbeiten]

Die Entwicklungen von 3D-Displays umfassen universitäre, experimentelle bis kommerziell verfügbare mit verschiedenen Vor- und Nachteilen bei Auflösung, Bildqualität, Bewegungsfreiheit oder Preisen und entsprechend verschiedenen Anwendungsgebieten. Jede Technologie hat somit ihre Grenzen und die Darstellung von einwandfreien 3D-Bildern bleibt schwierig.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Helmut Jorke, Markus Fritz: „INFITEC - A NEW STEREOSCOPIC VISUALISATION TOOL BY WAVELENGTH MULTIPLEX IMAGING“ (PDF; 966 kB)
  2. Sphärisches Display ermöglicht 3D-Animationen
  3. Holographisches Display revolutioniert die Multimediawiedergabe

Literatur[Bearbeiten]

  • Leo.H. Bräutigam: Stereofotografie mit der Kleinbildkamera. Eine praxisorientierte Einführung in die analoge und digitale 3D-Fotografie. 2. Auflage 2004, mit Nachtrag "Digitale Stereo-3D-Fotografie 2014". Wittig Fachbuch, ISBN 978-3-930359-31-8.
  • Gerhard Kuhn: Stereofotografie und Raumbildprojektion. (Theorie und Praxis, Geräte, Materialien). 2., erweiterte und völlig neu gestaltete Auflage. vfv, Gilching 1999, ISBN 3-88955-119-X.
  • Peter A. Hagemann: Der 3-D-Film. (= Retrospektive 1980, ZDB-ID 997681-4). Herausgegeben von der Stiftung Deutsche Kinemathek zur Berlinale 1980. Nüchtern, München 1980.
  • David Hutchison (Hrsg.): Fantastic 3-D. A Starlog Photo Guidebook. Starlog Press, New York NY 1982, ISBN 0-931064-53-8 (englisch).
  • Thomas Abé: Grundkurs 3D-Bilder. Analoge und digitale Techniken. vfv, Gilching 1998, ISBN 3-88955-099-1.

Weblinks[Bearbeiten]