Параллаксный барьер

Сравнение параллакс-барьерного и лентикулярного автостереоскопических дисплеев . Примечание: рисунок не в масштабе. Линтикулы можно модифицировать и использовать больше пикселей для создания автомультископических дисплеев.

Параллаксный барьер — это устройство, размещаемое перед источником изображения, например жидкокристаллическим дисплеем , позволяющее показывать стереоскопическое или мультископическое изображение без необходимости носить зрителю 3D-очки . Размещенный перед обычным ЖК-дисплеем, он состоит из непрозрачного слоя с рядом точно расположенных щелей, позволяющих каждому глазу видеть разные наборы пикселей , создавая таким образом ощущение глубины за счет параллакса, создавая эффект, аналогичный тому, который лентикулярная печать. дает для печатной продукции и двояковыпуклые линзы для других дисплеев. Недостатком метода в его простейшей форме является то, что зритель должен находиться в четко определенном месте, чтобы ощутить трехмерный эффект. Однако в последних версиях этой технологии эта проблема решена за счет использования отслеживания лица для регулировки относительных положений пикселей и барьерных щелей в соответствии с расположением глаз пользователя, что позволяет пользователю воспринимать 3D-изображение из широкого диапазона положений. Еще одним недостатком является то, что количество пикселей по горизонтали, видимых каждым глазом, уменьшается вдвое, что снижает общее горизонтальное разрешение изображения.

История

Диаграмма Бертье: AB = стеклянная пластинка с ab = непрозрачными линиями, P = изображение, O = глаза, cn = заблокированные и разрешенные виды ( Le Cosmos 05-1896).

Принцип параллаксного барьера был независимо изобретен Огюстом Бертье, который опубликовал статью о стереоскопических изображениях, включая свою новую идею, проиллюстрированную диаграммой и изображениями с намеренно преувеличенными размерами переплетенных полос изображений. и Фредериком Э. Айвсом , который создал и продемонстрировал функциональное автостереоскопическое изображение в 1901 году. Примерно два года спустя Айвз начал продавать образцы изображений как новинки, что стало первым известным коммерческим использованием.

В начале 2000-х годов компания Sharp разработала электронное плоскопанельное приложение этой старой технологии для коммерциализации, на короткое время продав два ноутбука с единственными в мире 3D-ЖК-экранами, включая Actius RD3D . Эти дисплеи больше не поставляются компанией Sharp, но они по-прежнему производятся и дорабатываются другими компаниями, такими как Tridelity и SpatialView. Аналогичным образом, Hitachi выпустила первый мобильный телефон с поддержкой 3D для японского рынка, распространяемый компанией KDDI. В 2009 году компания Fujifilm выпустила цифровую камеру Fujifilm FinePix Real 3D W1 со встроенным автостереоскопическим ЖК-дисплеем с диагональю 2,8 дюйма. Nintendo также реализовала эту технологию на своей портативной игровой консоли Nintendo 3DS .

Приложения

Помимо фильмов и компьютерных игр, эта техника нашла применение в таких областях, как молекулярное моделирование. и безопасность аэропорта . Он также используется в навигационной системе модели Range Rover 2010 года . позволяя водителю просматривать (например) направления GPS, пока пассажир смотрит фильм. Он также используется в Nintendo 3DS. портативной игровой консоли и смартфоны LG Optimus 3D и Thrill, HTC's EVO 3D а также серия смартфонов Sharp Galapagos.

Эту технологию сложнее применить для 3D-телевизоров из-за необходимости обеспечения широкого диапазона возможных углов обзора. В 21-дюймовом 3D-дисплее Toshiba используется технология барьера параллакса с 9 парами изображений, обеспечивающая угол обзора 30 градусов.

Дизайн

Прорези в барьере параллакса позволяют зрителю видеть только левые пиксели изображения с позиции левого глаза и правые пиксели изображения с правого глаза. При выборе геометрии параллаксного барьера важными параметрами, которые необходимо оптимизировать, являются: разделение пиксель-барьер d, шаг барьера параллакса f, апертура пикселя a и ширина щели барьера параллакса b.

Схема поперечного сечения параллаксного барьера с обозначением всех его важных размеров.

Разделение пикселей

Чем ближе барьер параллакса к пикселям, тем шире угол разделения между левым и правым изображениями. Для стереоскопического отображения левое и правое изображения должны попадать в левый и правый глаз, а это означает, что изображения должны разделяться всего на несколько градусов. Расстояние между пикселем и барьером d для этого случая можно определить следующим образом.

Из закона Снелла: $n\sin x=\sin y$

Для малых углов: $\sin y\approx {\frac {e}{2r}}$ и $\sin x\approx {\frac {p}{2d}}\,.$

Поэтому: $d={\frac {rnp}{e}}\,.$

Для типичного автостереоскопического дисплея с шагом пикселя 65 микрометров, расстоянием между глазами 63 мм, расстоянием просмотра 30 см и показателем преломления 1,52 расстояние между пикселями и барьером должно составлять около 470 микрометров.

Подача

Шаг барьера параллакса в идеале должен быть примерно в два раза больше шага пикселей, но оптимальная конструкция должна быть немного меньше этого значения. Это изменение шага барьера компенсирует тот факт, что края дисплея рассматриваются под углом, отличным от угла центра, и позволяет левому и правому изображениям правильно нацеливаться на глаза со всех положений экрана.

а). Если бы барьер параллакса имел размер ровно в два раза больше шага пикселей, он был бы выровнен синхронно с пикселем по всему дисплею. Левый и правый вид будут излучаться под одинаковыми углами по всему дисплею. Видно, что левый глаз зрителя не получает левое изображение со всех точек экрана. Дисплей работает плохо. б). Если изменить шаг барьера, виды можно свести воедино, так что зритель будет видеть правильные изображения со всех точек экрана. в). Показывает расчет, определяющий необходимую высоту барьера. p — шаг пикселя, d — расстояние между барьерами пикселей, f — шаг барьера.

Оптимальная апертура пикселей и ширина барьерной щели

В системе параллаксного барьера для дисплея с высоким разрешением характеристики (яркость и перекрестные помехи) можно моделировать с помощью теории дифракции Френеля. Из этих симуляций можно сделать следующие выводы. Если ширина щели мала, свет, проходящий через щели, сильно преломляется, вызывая перекрестные помехи. Яркость дисплея также снижается. Если ширина щели велика, свет, проходящий через щель, не так сильно дифрагирует, но более широкие щели создают перекрестные помехи из-за геометрических траекторий лучей. Таким образом, конструкция страдает от перекрестных помех. Яркость дисплея увеличена. Таким образом, наилучшая ширина щели достигается за счет компромисса между перекрестными помехами и яркостью.

Позиция барьера

Обратите внимание, что барьер параллакса также можно разместить за пикселями ЖК-дисплея. В этом случае свет из щели проходит через левый пиксель изображения в левом направлении, и наоборот. Это дает тот же основной эффект, что и передний барьер параллакса.

Техники переключения

В системе барьера параллакса левый глаз видит только половину пикселей (то есть левые пиксели изображения), и то же самое верно и для правого глаза. Следовательно, разрешение дисплея снижается, и поэтому может быть выгодно создать барьер параллакса, который можно включать, когда требуется 3D, или выключать, когда требуется 2D-изображение. Одним из способов включения и выключения параллаксного барьера является его формирование из жидкокристаллического материала. Затем параллаксный барьер может быть создан аналогично тому, как формируется изображение на жидкокристаллическом дисплее.

Автостереоскопический дисплей с возможностью переключения между 2D и 3D. В 3D-режиме барьер параллакса формируется с помощью ЖК-ячейки аналогично тому, как создается изображение на ЖК-дисплее. В 2D-режиме ЖК-ячейка переключается в прозрачное состояние, так что параллаксного барьера не существует. В этом случае свет от пикселей ЖК-дисплея может идти в любом направлении, и дисплей действует как обычный 2D-ЖК-дисплей.

Временное мультиплексирование для увеличения разрешения

Временное мультиплексирование обеспечивает средство увеличения разрешения системы параллаксного барьера. В показанном дизайне каждый глаз может видеть изображение панели в полном разрешении.

Диаграмма, показывающая, как можно создать 3D с использованием параллаксного барьера, мультиплексированного по времени. В первом временном цикле щели в барьере располагаются обычным для трехмерного дисплея образом, и левый и правый глаз видят пиксели левого и правого глаза. В следующем временном цикле положения щелей меняются (возможно, поскольку каждая щель образована ЖК-затвором). В новом положении барьера правый глаз может видеть пиксели, которые были скрыты в предыдущем временном цикле. Эти непокрытые пиксели настроены на отображение правого изображения (а не левого изображения, которое они показывали в предыдущем временном цикле). То же самое справедливо и для левого глаза. Такое циклическое переключение между двумя положениями барьера и шаблон переплетения позволяет обоим глазам видеть правильное изображение из половины пикселей в первом временном цикле и правильное изображение из другой половины пикселей в другом временном цикле. Циклы повторяются каждые 50 секунд, так что переключение незаметно для пользователя, но у пользователя создается впечатление, что каждый глаз видит изображение со всех пикселей. Следовательно, дисплей имеет полное разрешение.

Проект требует дисплея, который может переключаться достаточно быстро, чтобы избежать мерцания изображения при смене изображений в каждом кадре.

Отслеживающие барьеры для большей свободы просмотра

В стандартной системе барьера параллакса зритель должен расположиться в соответствующем месте так, чтобы изображение левого и правого глаза могло быть видно левым и правым глазом соответственно. В «отслеживаемой 3D-системе» свобода просмотра может быть значительно увеличена за счет отслеживания положения пользователя и регулировки параллаксного барьера так, чтобы левое и правое изображение всегда было правильно направлено в глаза пользователя. Определить угол обзора пользователя можно с помощью камеры, обращенной вперед, над дисплеем и программного обеспечения для обработки изображений, которое может распознавать положение лица пользователя. Регулировку угла проецирования левого и правого изображения можно выполнить путем механического или электронного смещения параллаксного барьера относительно пикселей.

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи — это помехи, возникающие между левым и правым изображениями на 3D-дисплее. На дисплее с высокими перекрестными помехами каждый глаз может видеть слегка наложенное изображение, предназначенное для другого глаза. Восприятие перекрестных помех на стереоскопических дисплеях широко изучалось. Общепризнано, что наличие высоких уровней перекрестных помех на стереоскопическом дисплее вредно. К эффектам перекрестных помех на изображении относятся: ореолы и потеря контрастности, потеря 3D-эффекта и разрешения глубины, а также дискомфорт зрителя. Заметность перекрестных помех (двоений) увеличивается с увеличением контраста и увеличением бинокулярного параллакса изображения. Например, стереоскопическое изображение с высокой контрастностью будет демонстрировать больше ореолов на конкретном стереоскопическом дисплее, чем изображение с низкой контрастностью.

Измерение

Метод количественной оценки уровня перекрестных помех на 3D-дисплее включает измерение процента света, который отклоняется от одного изображения к другому.

Измерение перекрестных помех на 3D-дисплеях. Перекрестные помехи — это процент света, попадающего из одного изображения в другое. Измерения и расчеты, приведенные выше, показывают, как определяются перекрестные помехи при измерении перекрестных помех на левом изображении. Диаграммы a) нарисуйте измерения интенсивности, которые необходимо выполнить для различных выходных сигналов 3D-дисплея. Таблица б) описывает их назначение. Уравнение c) используется для определения перекрестных помех. Это соотношение утечки света из правого изображения в левое, но учтите, что несовершенный уровень черного ЖК-дисплея вычитается из результата, чтобы не изменить коэффициент перекрестных помех.

Перекрестные помехи в типичной 3D-системе на основе параллакс-барьера при наилучшем положении глаза могут составлять 3%. Результаты субъективных тестов Проведенные для определения качества 3D-изображений пришли к выводу, что для высококачественного 3D-изображения перекрестные помехи должны быть «не более 1–2%».

Причины и меры противодействия

Дифракция может быть основной причиной перекрестных помех. Было обнаружено, что теоретическое моделирование дифракции является хорошим предиктором экспериментальных измерений перекрестных помех в эмульсионных системах с параллаксным барьером. Эти моделирования предсказывают, что количество перекрестных помех, вызванных барьером параллакса, будет сильно зависеть от резкости краев щелей. Например, если пропускание барьера резко меняется от непрозрачного к прозрачному при его перемещении от барьера к щели, это приводит к широкой дифракционной картине и, следовательно, к увеличению перекрестных помех. Если переход более плавный, дифракция не будет распространяться так широко и возникнет меньше перекрестных помех.Это предсказание согласуется с экспериментальными результатами для барьера со слегка мягкими краями (шаг которого составлял 182 микрометра, ширина щели составляла 48 микрометров, а переход между непрозрачностью и пропусканием происходил на участке около 3 микрометров). Барьер со слегка мягкими краями имеет перекрестные помехи 2,3%, что немного ниже, чем перекрестные помехи от барьера с более жесткими краями, которые составляют около 2,7%. Моделирование дифракции также предполагает, что если бы края щели параллаксного барьера имели пропускание, уменьшающееся в области 10 микрометров, то перекрестные помехи могли бы стать равными 0,1.Обработка изображений является альтернативной мерой борьбы с перекрестными помехами. На рисунке показан принцип коррекции перекрестных помех.

Принцип коррекции перекрестных помех.

Существует три основных типа автостереоскопических дисплеев с параллаксным барьером:

• Ранние экспериментальные прототипы, которые просто помещали ряд прецизионных прорезей на обычный ЖК- экран, чтобы проверить, есть ли у него какой-либо потенциал.
  • Плюсы
    • Легко прикрепляется
  • Минусы
    • Самое низкое качество изображения
• Первые полностью разработанные «дисплеи с барьером параллакса» имеют точные щели в качестве одного из оптических компонентов над пикселями. Это блокирует каждое изображение от одного глаза и показывает его другому.
  • Плюсы
    • Дешевле для массового производства.
  • Минусы
    • Наименее эффективен с подсветкой ,
    • Требуется в два раза больше подсветки, чем обычные дисплеи
    • Маленькие углы обзора
• Новейшие и наиболее удобные дисплеи в таких продуктах, как Nintendo 3DS , HTC Evo 3D и LG Optimus 3D , имеют барьер параллакса не перед пикселями, а позади пикселей и перед подсветкой . Таким образом, вся ЖК-матрица видна обоим глазам, но, если смотреть с позиции каждого глаза, только одно из чересстрочных изображений в ней подсвечено сзади. Блики от видимых освещенных столбцов пикселей обычно делают соседние неосвещенные столбцы менее заметными.
  • Плюсы
    • Очистить изображение
    • Самый большой угол обзора
  • Минусы
    • Дороже для массового производства.
    • Использует на 20–25 % больше подсветки, чем обычные дисплеи.

См. также

• Аутостереоскопия
• HR3D

Внешние ссылки

СМИ, связанные с барьером Параллакса, на Викискладе?

• Видео, объясняющее, как работает барьер параллакса
• Принцип автостерео отображения — Java-апплет, иллюстрирующий идею