3D-дисплей
— 3D-дисплей это устройство отображения , способное передать глубину зрителю . Многие 3D-дисплеи представляют собой стереоскопические дисплеи, которые создают базовый 3D-эффект посредством стереопсиса , но могут вызывать напряжение глаз и утомление зрения. Новые 3D-дисплеи, такие как голографические дисплеи и дисплеи светового поля, создают более реалистичный 3D-эффект за счет сочетания стереопсиса и точного фокусного расстояния отображаемого контента. Таким образом, новые 3D-дисплеи вызывают меньше зрительного утомления, чем классические стереоскопические дисплеи.
По состоянию на 2021 год наиболее распространенным типом 3D-дисплея является стереоскопический дисплей , который используется практически во всем оборудовании виртуальной реальности . 3D-дисплеи могут располагаться рядом с глазами, как в гарнитурах VR, или на устройстве, расположенном дальше от глаз, например, на мобильном устройстве с поддержкой 3D или в 3D-кинотеатре .
Термин «3D-дисплей» также может использоваться для обозначения объемного дисплея, который может генерировать контент, который можно просматривать под всеми углами.
История
[ редактировать ]Первый 3D-дисплей был создан сэром Чарльзом Уитстоном в 1832 году. [1] Это был стереоскопический дисплей с элементарной способностью отображать глубину.
Стереоскопические дисплеи
[ редактировать ]Стереоскопические дисплеи обычно называют «стереодисплеями», «стерео3D-дисплеями», «стереоскопическими 3D-дисплеями», а иногда ошибочно называют просто «3D-дисплеями».
Основная технология стереоскопических дисплеев заключается в представлении смещенных изображений, которые отображаются отдельно для левого и правого глаза. Оба этих 2D-изображения затем объединяются в мозгу, чтобы создать ощущение 3D-глубины. Хотя термин «3D» используется повсеместно, представление двойных 2D-изображений явно отличается от отображения светового поля , а также от отображения изображения в трехмерном пространстве .
Наиболее заметное отличие от дисплеев, которые могут отображать полное 3D, заключается в том, что движения головы наблюдателя и изменение аккомодации глаз не изменяют визуальные эффекты, видимые зрителем. Например, некоторые голографические дисплеи не имеют таких ограничений.
Было бы преувеличением называть двойные 2D-изображения «3D». Точный термин «стереоскопический» более громоздкий, чем распространенное неправильное название «3D», которое укоренилось после многих десятилетий бесспорного неправильного использования. 3D-дисплеи часто называют также стереоскопическими дисплеями, поскольку они также соответствуют более низким критериям стереоскопичности.
Основываясь на принципах стереопсиса , описанных сэром Чарльзом Уитстоном в 1830-х годах, стереоскопическая технология обеспечивает разное изображение для левого и правого глаза зрителя. Ниже приведены некоторые технические детали и методологии, используемые в некоторых из наиболее известных стереоскопических систем, которые были разработаны.
Изображения рядом
[ редактировать ]
Традиционная стереоскопическая фотография заключается в создании трехмерной иллюзии, начиная с пары двухмерных изображений — стереограммы . Самый простой способ усилить восприятие глубины в мозгу — предоставить глазам зрителя два разных изображения, представляющих две перспективы одного и того же объекта, с небольшим отклонением, точно равным перспективам, которые оба глаза естественным образом получают при бинокулярном зрении .
Чтобы избежать зрительного напряжения и искажений, каждое из двух 2D-изображений предпочтительно должно быть представлено каждому глазу зрителя, чтобы любой объект, видимый зрителем на бесконечном расстоянии, воспринимался этим глазом, когда он ориентирован прямо перед собой. глаза зрителя не скрещиваются и не расходятся. Если на изображении нет объекта на бесконечном расстоянии, например горизонта или облака, изображения следует расположить соответственно ближе друг к другу.
Метод «бок о бок» чрезвычайно прост в создании, но его может быть сложно или неудобно просматривать без оптических средств.
Стереоскоп и стереографические карты
[ редактировать ]Стереоскоп — это устройство для просмотра стереографических карт, представляющих собой карты, содержащие два отдельных изображения, напечатанных рядом для создания иллюзии трехмерного изображения.
Прозрачность зрителей
[ редактировать ]
Пары стереоизображений, напечатанные на прозрачной основе, просматриваются в проходящем свете. Одним из преимуществ просмотра прозрачности является возможность получения более широкого и реалистичного динамического диапазона , чем это практически возможно при отпечатках на непрозрачной основе; во-вторых, может быть представлено более широкое поле зрения , поскольку изображения, освещенные сзади, могут быть расположены намного ближе к линзам.
Практика просмотра стереоскопических прозрачных пленок началась, по крайней мере, еще в 1931 году, когда Tru-Vue начала продавать наборы стереоизображений на полосах 35-миллиметровой пленки , которые подавали через ручной бакелитовый просмотрщик. В 1939 году был представлен модифицированный и миниатюрный вариант этой технологии, в котором использовались картонные диски, содержащие семь пар небольших Kodachrome цветных пленок , под названием View-Master .
Наголовные дисплеи
[ редактировать ]Пользователь обычно носит шлем или очки с двумя небольшими ЖК- или OLED- дисплеями с увеличительными линзами, по одному на каждый глаз. Технология может использоваться для показа стереофильмов, изображений или игр. Головные дисплеи также могут быть соединены с устройствами слежения за движением головы, что позволяет пользователю «осматривать» виртуальный мир, перемещая голову, устраняя необходимость в отдельном контроллере.
Благодаря быстрому развитию компьютерной графики и продолжающейся миниатюризации видео и другого оборудования эти устройства становятся доступными по более разумной цене. Для просмотра прозрачного изображения, наложенного на реальный мир, можно использовать очки, крепящиеся на голову, или носимые очки, создавая так называемую дополненную реальность . Это достигается путем отражения видеоизображений через частично отражающие зеркала. Реальный мир можно увидеть через частичное зеркало.
Недавняя разработка в области голографических волноводов или «оптики на основе волноводов» позволяет накладывать стереоскопические изображения на реальный мир без использования громоздких отражающих зеркал. [2] [3]
Наголовные проекционные дисплеи
[ редактировать ]Проекционные дисплеи, монтируемые на голову (HMPD), аналогичны дисплеям, монтируемым на голове, но изображения проецируются и отображаются на световозвращающем экране . Преимущество этой технологии перед дисплеем, монтируемым на голове, заключается в том, что проблемы фокусировки и вергенции не требуют устранения с помощью корректирующие линзы для глаз. Для генерации изображения используются пикопроекторы . вместо ЖК- или OLED- экранов [4] [5]
3D-очки
[ редактировать ]Системы активных жалюзи
[ редактировать ]
При использовании метода затмения затвор блокирует свет от каждого соответствующего глаза, когда изображение противоположного глаза проецируется на экран. На дисплее попеременно отображаются левое и правое изображения, а шторки очков или средства просмотра открываются и закрываются синхронно с изображениями на экране. Это было основой системы Teleview , которая некоторое время использовалась в 1922 году. [6] [7]
Разновидность метода затмения используется в ЖК-очках с затвором . Очки, содержащие жидкие кристаллы , которые пропускают свет синхронно с изображением на экране кинотеатра, телевидения или компьютера, используя концепцию попеременной последовательности кадров . Этот метод использовался nVidia, XpanD 3D и более ранними системами IMAX . Недостатком этого метода является необходимость для каждого смотрящего носить дорогие электронные очки, которые необходимо синхронизировать с системой отображения с помощью беспроводного сигнала или подключенного провода. Очки-затворы тяжелее большинства поляризационных очков, хотя более легкие модели не тяжелее некоторых солнцезащитных очков или поляризационных очков класса люкс. [8] Однако эти системы не требуют наличия серебряного экрана для проецируемого изображения.
Жидкокристаллические световые клапаны работают за счет вращения света между двумя поляризационными фильтрами. Из-за этих внутренних поляризаторов ЖК-очки-затворы затемняют изображение на дисплее любого источника изображения ЖК-дисплея, плазмы или проектора, в результате чего изображения кажутся более тусклыми, а контрастность ниже, чем при обычном просмотре без 3D. Это не обязательно проблема использования; Для некоторых типов дисплеев, которые уже очень яркие с плохим серовато- черным уровнем черного , ЖК-очки с затвором могут фактически улучшить качество изображения.
Анаглиф
[ редактировать ]
В анаглифе два изображения накладываются друг на друга в режиме аддитивного освещения через два фильтра: красный и голубой. При субтрактивном освещении два изображения печатаются в одинаковых дополнительных цветах на белой бумаге . Очки с цветными фильтрами в каждом глазу разделяют соответствующее изображение, подавляя цвет фильтра и делая дополнительный цвет черным. Компенсирующий метод, широко известный как Anachrome, использует немного более прозрачный голубой фильтр в запатентованных очках, связанных с этим методом. Процесс переконфигурирует типичное анаглифное изображение, чтобы оно имело меньший параллакс .
Альтернативой обычной системе анаглифных фильтров красного и голубого цвета является ColorCode 3-D , запатентованная анаглифная система, которая была изобретена для представления анаглифного изображения в сочетании с телевизионным стандартом NTSC, в котором красный канал часто подвергается риску. ColorCode использует дополнительные цвета желтого и темно-синего на экране, а цвета линз очков — янтарный и темно-синий.
Поляризационные системы
[ редактировать ]
Чтобы представить стереоскопическое изображение, два изображения проецируются на один и тот же экран через разные поляризационные фильтры . Зритель носит очки, которые также содержат пару поляризационных фильтров, ориентированных по-разному (по часовой стрелке/против часовой стрелки с круговой поляризацией или под углами 90 градусов, обычно 45 и 135 градусов). [9] с линейной поляризацией). Поскольку каждый фильтр пропускает только тот свет, который поляризован одинаково, и блокирует свет, поляризованный по-разному, каждый глаз видит разное изображение. Это используется для создания трехмерного эффекта путем проецирования одной и той же сцены в оба глаза, но изображенной с немного разных точек зрения. Кроме того, поскольку обе линзы имеют одинаковый цвет, люди с одним доминирующим глазом, у которого один глаз используется больше, могут правильно видеть цвета, что ранее сводилось на нет разделением двух цветов.
Круговая поляризация имеет преимущество перед линейной поляризацией в том, что зрителю не нужно держать голову вертикально и выравнивать ее по экрану, чтобы поляризация работала правильно. При линейной поляризации поворот очков вбок приводит к тому, что фильтры выходят за пределы совмещения с экранными фильтрами, что приводит к блеклости изображения и каждому глазу легче видеть противоположный кадр. При круговой поляризации эффект поляризации работает независимо от того, как голова зрителя расположена относительно экрана, например, наклонена вбок или даже перевернута. Левый глаз по-прежнему будет видеть только предназначенное для него изображение, и наоборот, без выцветания и перекрестных помех.
Поляризованный свет, отраженный от обычного киноэкрана, обычно теряет большую часть своей поляризации. дорогой серебряный экран или алюминизированный экран Поэтому приходится использовать с незначительными потерями поляризации. Все типы поляризации приводят к затемнению отображаемого изображения и снижению контрастности по сравнению с изображениями, отличными от 3D. Свет ламп обычно излучается в виде случайного набора поляризаций, тогда как поляризационный фильтр пропускает только часть света. В результате изображение на экране становится темнее. Это затемнение можно компенсировать увеличением яркости источника света проектора. Если первоначальный поляризационный фильтр вставлен между лампой и элементом формирования изображения, интенсивность света, падающего на элемент изображения, без поляризационного фильтра не превышает нормальную, и общий контраст изображения, передаваемого на экран, не изменяется.
Технология интерференционного фильтра
[ редактировать ]Dolby 3D использует определенные длины волн красного, зеленого и синего цветов для правого глаза и разные длины волн красного, зеленого и синего цветов для левого глаза. Очки, которые отфильтровывают очень специфические длины волн, позволяют владельцу видеть трехмерное изображение. Эта технология позволяет отказаться от дорогих серебряных экранов, необходимых для поляризованных систем, таких как RealD , которая является наиболее распространенной системой 3D-дисплея в кинотеатрах. Однако для этого требуются гораздо более дорогие очки, чем для поляризационных систем. Он также известен как спектральная гребенчатая фильтрация или мультиплексная визуализация длин волн.
Система Omega 3D/ Panavision 3D также использует эту технологию, но с более широким спектром и большим количеством «зубцов» на «гребенке» (в системе Omega/Panavision по 5 на каждый глаз). Использование большего количества спектральных полос на глаз устраняет необходимость цветовой обработки изображения, требуемой системой Dolby. Равномерное разделение видимого спектра между глазами дает зрителю более расслабленное ощущение, поскольку энергия света и цветовой баланс составляют почти 50-50. Как и система Dolby, систему Omega можно использовать с белыми или серебряными экранами. Но его можно использовать как с пленочными, так и с цифровыми проекторами, в отличие от фильтров Dolby, которые используются только в цифровых системах с процессором цветокоррекции, предоставляемым Dolby. Система Omega/Panavision также утверждает, что их очки дешевле в производстве, чем те, которые использует Dolby. [10] В июне 2012 года система Omega 3D/Panavision 3D была снята с производства компанией DPVO Theatrical, которая продавала ее от имени Panavision, сославшись на «сложные условия глобальной экономики и рынка 3D». [ нужна ссылка ] Хотя DPVO прекратила свою деятельность, Omega Optical продолжает продвигать и продавать 3D-системы на нетеатральных рынках. 3D-система Omega Optical содержит проекционные фильтры и 3D-очки. В дополнение к пассивной стереоскопической 3D-системе Omega Optical выпустила улучшенные анаглифные 3D-очки. В красно-голубых анаглифных очках Omega используются сложные тонкопленочные покрытия из оксидов металлов и высококачественная оптика из отожженного стекла.
Другой
[ редактировать ]Эффект Пульфриха — это психофизическое восприятие , при котором боковое движение объекта в поле зрения интерпретируется зрительной корой как имеющее компонент глубины из-за относительной разницы во времени сигнала между двумя глазами.
Призматические очки упрощают перекрестный обзор, а также делают возможным пере-/недостаточный обзор, например, средство просмотра KMQ .
Аутостереоскопия
[ редактировать ]
В этом методе для просмотра стереоскопического изображения не требуются очки. Технологии лентикулярной линзы и параллаксного барьера предполагают наложение двух (или более) изображений на один и тот же лист узкими, чередующимися полосами и использование экрана, который либо блокирует одну из двух полос изображений (в случае параллаксных барьеров), либо использует одинаково узкие линзы, чтобы сгибать полосы изображения и заполнять им все изображение (в случае лентикулярных отпечатков). Для создания стереоскопического эффекта человека необходимо расположить так, чтобы один глаз видел одно из двух изображений, а другой — другое. Оптические принципы многоракурсной автостереоскопии известны уже более века. [11]
Оба изображения проецируются на гофрированный экран с высоким коэффициентом усиления, который отражает свет под острыми углами. Чтобы увидеть стереоскопическое изображение, зритель должен сидеть под очень узким углом, почти перпендикулярным экрану, что ограничивает размер аудитории. Лентикуляр использовался для театральной постановки многочисленных короткометражных фильмов в России с 1940 по 1948 год. [12] а в 1946 году за полнометражный фильм «Робинзон Крузо». [13]
Хотя его использование в театральных представлениях было довольно ограниченным, лентикулярное изображение широко использовалось для создания множества новинок и даже в любительской 3D-фотографии. [14] [15] Недавнее использование включает Fujifilm FinePix Real 3D с автостереоскопическим дисплеем, выпущенную в 2009 году. Другие примеры этой технологии включают автостереоскопические ЖК-дисплеи на мониторах, ноутбуках, телевизорах, мобильных телефонах и игровых устройствах, таких как Nintendo 3DS .
Объемный дисплей
[ редактировать ]
Объемные дисплеи используют некоторый физический механизм для отображения точек света внутри объема. Такие дисплеи используют вокселы вместо пикселей . К объемным дисплеям относятся многоплоскостные дисплеи, которые имеют несколько совмещенных плоскостей отображения, и дисплеи с вращающейся панелью, где вращающаяся панель перемещает объем.
Были разработаны и другие технологии для проецирования световых точек в воздухе над устройством. Инфракрасный лазер фокусируется на пункте назначения в космосе, создавая небольшой пузырь плазмы, излучающий видимый свет.
Световое поле/голографический дисплей
[ редактировать ]Дисплей светового поля пытается воссоздать «световое поле» на поверхности дисплея. В отличие от 2D-дисплея, который показывает отдельный цвет для каждого пикселя, дисплей светового поля показывает отдельный цвет для каждого пикселя для каждого направления, в котором излучается световой луч . Таким образом, глаза с разных позиций будут видеть на дисплее разные изображения, создавая параллакс и тем самым создавая ощущение 3D. Дисплей светового поля подобен стеклянному окну: за стеклом люди видят трехмерные объекты, несмотря на то, что все лучи света, которые они видят, исходят из (сквозь) стекла.
Световое поле перед дисплеем можно создать двумя способами: 1) путем излучения разных световых лучей в разных направлениях в каждой точке дисплея; 2) путем воссоздания волнового фронта перед дисплеем. Дисплеи, использующие первый метод, называются дисплеями на основе лучей или светового поля . Дисплеи, использующие второй метод, называются дисплеями на основе волнового фронта или голографическими дисплеями . Дисплеи на основе волнового фронта работают так же, как голограммы . По сравнению с дисплеями на основе лучей, дисплей на основе волнового фронта не только восстанавливает световое поле, но также восстанавливает кривизну плоских волн и разности фаз волн в разных направлениях. [16]
Интегральная фотография — это один из лучевых методов с информацией о полном параллаксе. Однако существуют также лучевые методы, разработанные только с горизонтальным параллаксом. [16]
Голографические дисплеи
[ редактировать ]Голографический дисплей — это технология отображения , которая способна обеспечить все четыре механизма глаза: бинокулярное несоответствие , параллакс движения , аккомодацию и конвергенцию . объекты 3D- можно просматривать без использования специальных очков, и не утомляются глаза человека .
В 2013 году компания LEIA Inc из Силиконовой долины начала производство голографических дисплеев, хорошо подходящих для мобильных устройств (часов, смартфонов или планшетов), использующих многонаправленную подсветку и обеспечивающих широкий угол обзора с полным параллаксом для просмотра 3D- контента без необходимости использования очков. [17] Их первый продукт был частью мобильного телефона ( Red Hydrogen One ), а затем и собственного планшета Android. [ нужна ссылка ]
Интегральная визуализация
[ редактировать ]Интегральная визуализация представляет собой автостереоскопический или мультископический 3D-дисплей, то есть он отображает 3D-изображение без использования специальных очков со стороны зрителя. Это достигается путем размещения массива микролинз (похожих на лентикулярную линзу ) перед изображением, где каждая линза выглядит по-разному в зависимости от угла обзора. Таким образом, вместо отображения 2D-изображения, которое выглядит одинаково со всех сторон, оно воспроизводит 3D- световое поле , создавая стереоизображения, демонстрирующие параллакс при движении зрителя.
Дисплеи с компрессионным световым полем
[ редактировать ]Разрабатывается новая технология отображения под названием «сжимающее световое поле». В этих прототипах дисплеев используются многослойные ЖК-панели и алгоритмы сжатия во время отображения. Конструкции включают двойные [18] и многослойный [19] [20] [21] устройства, которые управляются такими алгоритмами, как компьютерная томография , неотрицательная матричная факторизация и неотрицательная тензорная факторизация.
Проблемы
[ редактировать ]Можно увидеть, что каждая из этих технологий отображения имеет ограничения, будь то местоположение зрителя, громоздкое или неприглядное оборудование или высокая стоимость. Отображение 3D-изображений без артефактов по-прежнему затруднено. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Холлиман, Николас С.; Доджсон, Нил А.; Фавалора, Грегг Э.; Покетт, Лахлан (июнь 2011 г.). «Трехмерные дисплеи: обзор и анализ приложений» (PDF) . Транзакции IEEE в области вещания . 57 (2): 362–371. дои : 10.1109/TBC.2011.2130930 .
- ^ «Новый голографический волновод дополняет реальность» . IOP Физический мир. 2014.
- ^ «Голографические дисплеи для виртуальной и дополненной реальности» . Исследования Майкрософт. 2017.
- ^ Мартинс, Р; Шаулов, В; Ха, Й; Роллан, Дж (2007). «Мобильный нательный проекционный дисплей» . Выбирайте Экспресс . 15 (22): 14530–8. Бибкод : 2007OExpr..1514530M . дои : 10.1364/oe.15.014530 . ПМИД 19550732 .
- ^ Хериц, Д; Саркади, Т; Луча, В; Ковач, В; Коппа, П. (2014). «Исследование 3D-проекционного дисплея с использованием световозвращающего экрана» . Выбирайте Экспресс . 22 (15): 17823–9. Бибкод : 2014OExpr..2217823H . дои : 10.1364/oe.22.017823 . ПМИД 25089403 .
- ^ Удивительное 3D от Хэла Моргана и Дэна Симмса Литтла, Broawn & Company (Канада) Limited, стр. 15–16.
- ^ « «Чоппер», статья Дэниела Л. Симмса» . 3dmovingpictures.com . Проверено 14 октября 2010 г.
- ^ «Самсунг 3D» . www.berezin.com . Проверено 2 декабря 2017 г.
- ^ Сделайте свои собственные стереоизображения Джулиус Б. Кайзер The Macmillan Company, 1955, стр. 271. Архивировано 26 февраля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ «Увидеть - значит поверить»»; Cinema Technology, Том 24, № 1, март 2011 г.
- ^ Окоши, Методы трехмерного изображения, Academic Press, 1976
- ^ Удивительное 3D от Хэла Моргана и Дэна Симмса Литтла, Broawn & Company (Канада) Limited, стр. 104–105.
- ^ «ASC: Зона лучей и «Тирания плоскостности» «Бейливик Джона Бейли» . 18 мая 2012 г.
- ^ Сделайте свои собственные стереоизображения Джулиус Б. Кайзер, компания Macmillan, 1955, стр. 12–13.
- ^ Сын Нимсло, Джон Деннис, Stereo World, май/июнь 1989 г., стр. 34–36.
- ^ Jump up to: а б Масахиро Ямагучи; Коки Вакунами. «Трехмерные представления на основе лучей и волнового фронта для голографических дисплеев» (PDF) .
- ^ Фаттал, Дэвид; Пэн, Чжэнь; Тран, Тхо; Во, Сонни; Фиорентино, Марко; Бруг, Джим; Босолей, Раймонд Г. (2013). «Разнонаправленная подсветка для широкоугольного трехмерного дисплея без очков». Природа . 495 (7441): 348–351. Бибкод : 2013Natur.495..348F . дои : 10.1038/nature11972 . ПМИД 23518562 . S2CID 4424212 .
- ^ Ланман, Д.; Хирш, М.; Ким, Ю.; Раскар, Р. (2010). «Адаптивные к контенту параллаксные барьеры: оптимизация двухслойных 3D-дисплеев с использованием факторизации светового поля низкого ранга» .
- ^ Вецштейн, Г.; Ланман, Д.; Гейдрих, В.; Раскар, Р. (2011). «Многослойное 3D: синтез томографических изображений для дисплеев светового поля на основе затухания и расширенного динамического диапазона» . Транзакции ACM с графикой (SIGGRAPH).
- ^ Ланман, Д.; Вецштейн, Г.; Хирш, М.; Гейдрих, В.; Раскар, Р. (2019). «Поля поляризации: отображение динамического светового поля с использованием многослойных ЖК-дисплеев» . Транзакции ACM в графике (SIGGRAPH Asia).
- ^ Вецштейн, Г.; Ланман, Д.; Хирш, М.; Раскар, Р. (2012). «Тензорные дисплеи: синтез компрессионного светового поля с использованием многослойных дисплеев с направленной подсветкой» . Транзакции ACM с графикой (SIGGRAPH).
