Параллакс барьер - Parallax barrier

Сравнение параллакс-барьера и линзовидный автостереоскопические дисплеи. Примечание: рисунок не в масштабе. Лентикулы можно изменять, и можно использовать больше пикселей для создания автомультикопические дисплеи

А параллакс барьер это устройство, размещенное перед источником изображения, например жидкокристаллический дисплей, чтобы показать стереоскопический или же мультископический изображение без необходимости носить зрителю 3D очки. Расположенный перед обычным ЖК-дисплеем, он состоит из непрозрачного слоя с рядом четко разнесенных щелей, позволяющих каждому глазу видеть разные наборы изображений. пиксели, чтобы создать ощущение глубины с помощью параллакс в эффекте, похожем на то, что лентикулярная печать производит для полиграфической продукции[1][2] и линзовидные 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 относительного положения пикселей и барьерных щелей в соответствии с положением глаз пользователя, что позволяет пользователю воспринимать трехмерное изображение из широкого диапазона положений.[3][4] Другой недостаток состоит в том, что количество пикселей по горизонтали, видимых каждым глазом, уменьшается вдвое, что снижает общее горизонтальное разрешение изображения.[5]

История

Схема Бертье: A-B = стеклянная пластина, с a-b = непрозрачными линиями, P = изображение, O = глаза, c-n = заблокированные и разрешенные виды (Le Cosmos 05-1896)

Принцип параллаксного барьера был независимо изобретен Огюстом Бертье, который опубликовал статью о стереоскопических изображениях, в том числе его новую идею, проиллюстрированную диаграммой и изображениями с преднамеренно преувеличенными размерами полос чересстрочного изображения.[6] и по Фредерик Э. Айвс, который сделал и выставил функциональное автостереоскопическое изображение в 1901 году.[7] Примерно два года спустя Айвс начал продавать образцы изображений в качестве новинок, что стало первым известным коммерческим использованием.

В начале 2000-х гг. Острый разработала приложение для электронных плоских панелей этой старой технологии к коммерциализации, на короткое время продав два ноутбука с единственными в мире 3D ЖК-экранами.[8] Эти дисплеи больше не поставляются Sharp, но все еще производятся и дорабатываются другими компаниями, такими как Треугольник и SpatialView. Аналогичным образом Hitachi выпустила первый 3D-мобильный телефон для японского рынка, распространяемый KDDI.[9][10] В 2009 году Fujifilm выпустила Fujifilm FinePix Настоящее 3D W1 цифровая камера, которая оснащена встроенным автостереоскопическим ЖК-дисплеем с диагональю 2,8 дюйма. Nintendo также реализовала эту технологию на своих последних портативных игровых консолях, Новая Nintendo 3DS и Новая Nintendo 3DS XL, после первого включения на предыдущей консоли Nintendo 3DS.

Приложения

Помимо фильмов и компьютерных игр, этот метод нашел применение в таких областях, как молекулярное моделирование[нужна цитата ] и охрана аэропорта.[11] Он также используется для навигационной системы в модели 2010 года. Range Rover,[12] позволяя водителю просматривать (например) направления GPS, в то время как пассажир смотрит фильм. Он также используется в Nintendo 3DS портативная игровая консоль[13] и LG смартфоны Optimus 3D и Thrill,[14] HTC EVO 3D[15] а также серию смартфонов Sharp Galapagos.

Эту технологию сложнее применить для 3D-телевизоров из-за требований к широкому диапазону возможных углов обзора. В 21-дюймовом 3D-дисплее Toshiba используется технология параллаксного барьера с 9 парами изображений, что обеспечивает угол обзора 30 градусов.[16]

Дизайн

Прорези в барьере параллакса позволяют зрителю видеть только левые пиксели изображения с позиции своего левого глаза, пиксели правого изображения - с правого глаза. При выборе геометрии параллаксного барьера важными параметрами, которые необходимо оптимизировать, являются: расстояние между пикселем и барьером d, шаг барьера параллакса f, апертура пикселя a и ширина щели барьера параллакса b.[17]

Схема поперечного сечения параллаксного барьера со всеми его важными размерами.

Разделение пикселей

Чем ближе барьер параллакса к пикселям, тем больше угол разделения между левым и правым изображениями. Для стереоскопического отображения левое и правое изображения должны попадать в левый и правый глаз, а это значит, что изображения должны быть разделены только на несколько градусов. Разделение пикселей и барьеров d для этого случая можно вывести следующим образом.

Из закона Снеллиуса:

Для малых углов: и

Следовательно:

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

Подача

Шаг параллаксного барьера в идеале должен быть примерно в два раза больше шага пикселей, но оптимальная конструкция должна быть немного меньше этого. Это возмущение шага барьера компенсирует тот факт, что края дисплея просматриваются под углом, отличным от угла в центре, это позволяет левому и правому изображениям соответствующим образом нацеливаться на глаза со всех позиций экрана.

а). Если бы параллаксный барьер имел ровно вдвое больший шаг пикселей, чем пиксели, он был бы выровнен синхронно с пикселем по всему дисплею. Левый и правый виды будут излучаться под одинаковыми углами по всему дисплею. Видно, что левый глаз зрителя не воспринимает левое изображение со всех точек экрана. Дисплей плохо работает. б). Если шаг барьера изменяется, виды могут сходиться, так что зритель видит правильные изображения со всех точек на экране. в). Показывает расчет, определяющий необходимый шаг барьера. p - шаг пикселя, d - расстояние между пикселями барьера, f - шаг барьера.

Оптимальная апертура пикселей и ширина барьерной щели

В системе параллакс-барьеров для дисплея с высоким разрешением характеристики (яркость и перекрестные помехи) могут быть смоделированы с помощью теории дифракции Френеля.[18] Из этого моделирования можно сделать следующие выводы. Если ширина щели мала, свет, проходящий через щели, сильно дифрагирует, вызывая перекрестные помехи. Яркость дисплея тоже уменьшилась. Если ширина щели велика, свет, проходящий через щель, не так сильно дифрагирует, но более широкие щели создают перекрестные помехи из-за геометрических траекторий лучей. Следовательно, конструкция страдает от перекрестных помех. Увеличена яркость дисплея. Следовательно, наилучшая ширина щели достигается за счет компромисса между перекрестными помехами и яркостью.

Положение барьера

Обратите внимание, что барьер параллакса также может быть размещен 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 параллаксный барьер.

Приемы переключения

В системе барьеров параллакса левый глаз видит только половину пикселей (то есть пиксели левого изображения), и то же самое верно 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 барьера параллакса является чтобы сформировать его из жидкокристаллического материала, барьер параллакса может быть создан аналогично тому, как изображение формируется на жидкокристаллическом дисплее.[19]

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

Временное мультиплексирование для увеличения разрешения

Временное мультиплексирование позволяет повысить разрешающую способность системы параллакс-барьеров.[20] В показанном дизайне каждый глаз может видеть панель в полном разрешении.

Диаграмма, показывающая, как можно создать трехмерное изображение с использованием временного мультиплексированного параллаксного барьера. В первом временном цикле щели в барьере расположены обычным образом для 3D-дисплея, и левый и правый глаза видят пиксели левого и правого глаза. В следующем временном цикле положения прорезей меняются (возможно, потому что каждая прорезь сформирована с ЖК-заслонкой). 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 и с левым глазом. Это циклическое переключение между двумя положениями барьера и шаблоном чересстрочной развертки позволяет обоим глазам видеть правильное изображение с половины пикселей в первом временном цикле и правильное изображение с другой половины пикселей в другом временном цикле. Циклы повторяются каждые 50 секунд, так что переключение не заметно для пользователя, но у пользователя создается впечатление, что каждый глаз видит изображение со всех пикселей. Следовательно, дисплей имеет полное разрешение.

Дизайн требует дисплея, который может переключаться достаточно быстро, чтобы избежать мерцания изображения, когда изображения меняются местами в каждом кадре.

Барьеры слежения для большей свободы просмотра

В стандартной системе параллакс-барьеров зритель должен располагаться в подходящем месте, чтобы левый и правый глаза могли видеть их левый и правый глаз соответственно. В «отслеживаемой трехмерной системе» свобода просмотра может быть значительно увеличена. отслеживая положение пользователя и регулируя барьер параллакса, чтобы левый и правый виды всегда были правильно направлены в глаза пользователя. Определение угла обзора пользователя может быть выполнено с помощью передней камеры над дисплеем и программного обеспечения для обработки изображений, которое может распознавать положение лица пользователя. Регулировка угла, под которым проецируются левый и правый виды, может выполняться механическим или электронным смещением параллаксного барьера относительно пикселей.[21][22][23]

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи - это помехи, которые существуют между левым и правым видами на 3D-дисплее. На дисплее с высокими перекрестными помехами каждый глаз может видеть изображение, предназначенное для другого глаза, слегка наложенное. Восприятие перекрестных помех на стереоскопических дисплеях широко изучено. Общеизвестно, что наличие высоких уровней перекрестных помех на стереоскопическом дисплее вредно. Эффекты перекрестных помех на изображении включают в себя двоение изображения и потерю контрастности, потерю 3D-эффекта и разрешения глубины, а также дискомфорт зрителя. Видимость перекрестных помех (двоение изображения) 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 низким контрастом.[24]

Измерение

Методика количественной оценки уровня перекрестных помех на 3D-дисплее включает измерение процента света, который отклоняется от одного изображения к другому.[18]

Измерение перекрестных помех на 3D-дисплеях. Перекрестные помехи - это процент света, просачивающегося от одного изображения к другому. Приведенные выше измерения и расчеты показывают, как определяются перекрестные помехи при измерении перекрестных помех на левом изображении. На диаграммах а) схематично показаны измерения интенсивности, которые необходимо выполнить для различных выходных данных трехмерного дисплея. В таблице б) описывается их назначение. Уравнение c) используется для получения перекрестных помех. Это отношение утечки света из правого изображения в левое, но обратите внимание, что несовершенный уровень черного ЖК-дисплея вычитается из результата, так что он не меняет коэффициент перекрестных помех.

Перекрестные помехи в типичной 3D-системе на основе параллакс-барьера при лучшем положении глаз могут составлять 3%. Результаты субъективных тестов [25] проведенный для определения качества изображения 3D, пришли к выводу, что для высококачественного 3D перекрестные помехи должны быть «не более чем примерно 1-2%».

Причины и меры противодействия

Дифракция может быть основной причиной перекрестных помех.[18] Было обнаружено, что теоретическое моделирование дифракции является хорошим предиктором экспериментальных измерений перекрестных помех в системах эмульсионных барьеров параллакса. Это моделирование предсказывает, что количество перекрестных помех, вызванных параллаксным барьером, будет сильно зависеть от резкости краев щелей. Например, если пропускание барьера резко меняется от непрозрачного к прозрачному по мере того, как он перемещается от барьера к щели, это создает широкую дифракционную картину и, следовательно, больше перекрестных помех. Если переход более плавный, то 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 непрозрачность и пропускание возникали в области около 3 микрометров). Барьер с более мягкими краями имеет перекрестные помехи 2,3%, что немного ниже, чем перекрестные помехи от барьера с более жесткими краями, составляющие около 2,7%. Моделирование дифракции также предполагает, что если бы края щели параллаксного барьера имели пропускание, которое уменьшается в области 10 микрометров, то перекрестные помехи могут стать равными 0,1. Обработка изображений является альтернативной мерой противодействия перекрестным помехам. На рисунке показан принцип коррекции перекрестных помех.[26]

Принцип коррекции перекрестных помех.

Есть три основных типа автостереоскопический дисплеи с барьером параллакса:

  • Ранние экспериментальные прототипы, которые просто делали серию точных прорезей на обычном ЖК-дисплей экран, чтобы увидеть, есть ли у него потенциал.
    • Плюсы
      • Легко прикрепляется
    • Минусы
      • Самое низкое качество изображения
  • Первые полностью разработанные "дисплеи с барьером параллакса" имеют прецизионные прорези в качестве одного из оптических компонентов над пикселями. Это блокирует каждый изображение от одного глаза и показывает его другому.
  • Новейшие и самые удобные дисплеи в таких продуктах, как Nintendo 3DS, HTC Evo 3D, и LG Optimus 3D, имеют барьер параллакса не перед пикселями, а за пикселями и перед подсветка. Таким образом, вся ЖК-матрица видна обоим глазам, но, если смотреть с позиции каждого глаза, только одно из чересстрочных изображений на нем подсвечивается сзади. Блики из явно освещенных столбцов пикселей, как правило, делает соседние неосвещенные столбцы менее заметными.
    • Плюсы
      • Четкое изображение
      • Самый большой угол обзора
    • Минусы

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ховард, Билл (2003). "Обзоры журнала PC - Sharp Actius RD3D". www.pcmag.com. Получено 2008-01-25.
  2. ^ «Регистр - 3D ЖК-экран Sharp: как же тогда это работает?». www.theregister.co.uk. 2004 г.. Получено 2008-01-25.
  3. ^ нет указанных авторов. (2015). New Nintendo 3ds. 28 декабря 2016 г., веб-сайт Nintendo of America Inc: https://www.nintendo.com/3ds/new-nintendo-3ds/
  4. ^ Норрис, Эшли (2002-12-06). «Guardian Unlimited - Специальные отчеты - Возвращение 3D». Лондон: www.guardian.co.uk. Получено 2008-01-25.
  5. ^ "Лучше 3-D без очков". Получено 1 июля 2011. Принципиально новый подход к трехмерным дисплеям без очков может сэкономить электроэнергию, расширить угол обзора и сделать трехмерные иллюзии более реалистичными.
  6. ^ Бертье, Огюст. (16 и 23 мая 1896 г.). «Стереоскопические изображения большого формата» (на французском языке). Космос 34 (590, 591): 205–210, 227–233 (см. 229–231).
  7. ^ Айвз, Фредерик Э. (1902). "Новая стереограмма". Журнал Института Франклина. 153: 51–52. Дои:10.1016 / S0016-0032 (02) 90195-X. Перепечатано в Бентоне «Избранные статьи на трехмерных дисплеях».
  8. ^ «Переключаемые 2D / 3D дисплеи» (PDF). Четкая белая бумага. В архиве (PDF) с оригинала 30 мая 2008 г.. Получено 2008-06-19.
  9. ^ "Wooo ケ ー タ イ H001 | 2009 | カ イ | au by KDDI". Au.kddi.com. Архивировано из оригинал 4 мая 2010 г.. Получено 2010-06-15.
  10. ^ «Hitachi представляет 3,1-дюймовый 3D-дисплей IPS». News.softpedia.com. 2010-04-12. Получено 2010-06-15.
  11. ^ Твист, Джо (2004-06-09). «BBC NEWS - Технологии - Простые 3D-рентгеновские снимки для воздушной безопасности». news.bbc.co.uk. Получено 2008-01-25.
  12. ^ "Электронная брошюра Land Rover, PDF (стр. 19)" (PDF). www.landrover.com. 2011 г.. Получено 2011-12-29.
  13. ^ «Nintendo представляет портативную игровую консоль 3DS». www.bbc.co.uk. 2010-06-15. Получено 2010-06-17.
  14. ^ «LG представляет первый в мире трехмерный смартфон». www.cnn.com. 2011 г.. Получено 2011-02-15.
  15. ^ HTC EVO 3D, от GSMArena
  16. ^ «Мобильный дисплей Toshiba рекламирует 21-дюймовый 3D-телевизор высокой четкости без очков, что вызывает удивление». Engadget. 27 апреля 2010 г.
  17. ^ Ямамото, Хироцугу (октябрь 2000 г.). «Оптимальные параметры и зоны обзора стереоскопического полноцветного светодиодного дисплея с использованием параллакс-барьера». IEICE Trans Electron. E83-c № 10.
  18. ^ а б c Монтгомери, Дэвид Дж. (2001). «Характеристики системы плоских дисплеев, конвертируемой между 2D и автостереоскопическим 3D режимами». В лесу, Эндрю Дж; Болас, Марк Т; Мерритт, Джон О; Бентон, Стивен А. (ред.). Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности VIII. 4297. С. 148–159. CiteSeerX  10.1.1.197.3858. Дои:10.1117/12.430813. S2CID  122846572.
  19. ^ «Переключаемые 2D / 3D дисплеи» (PDF). Четкая белая бумага. В архиве (PDF) с оригинала 30 мая 2008 г.. Получено 2008-06-19.
  20. ^ Патент США US6476850, Кеннет Эрби, «Аппарат для создания стереоскопического дисплея» 
  21. ^ Патент США 5808792, Грэм Джон Вудгейт, Дэвид Эзра, Николас Стивен Холлиман, Бэзил Артур Омар, Ричард Роберт Мозли, Джонатан Харролд, "Автостереоскопический дисплей и метод управления автостереоскопическим дисплеем", выпущенный 9 февраля 1995 г. 
  22. ^ Мазер, Джонатан (июнь 2011 г.). «3D телевизор без очков». Мир физики. 24 (6): 33–36. Bibcode:2011PhyW ... 24f..33M. Дои:10.1088/2058-7058/24/06/34.
  23. ^ https://web.archive.org/web/20121014123843/http://www.humansinvent.com/#!/7741/the-3d-journey-inventing-a-real-life-holodeck/, заархивировано из оригинал на 2012-10-14, получено 2012-06-25 Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  24. ^ Эндрю Вудс (2010), Понимание перекрестных помех на стереоскопических дисплеях (PDF), получено 2012-09-21
  25. ^ Ацуо Ханадзато; и другие. (2000), «Субъективная оценка перекрестных помех в стереоскопических дисплеях», SID
  26. ^ Патент США 8144079, Джонатан Мэзер, Дэвид Дж. Монтгомери, Грэм Р. Джонс, Дайана У. Кин, "Многоканальный дисплей и контроллер отображения", выпущенный 26 января 2005 г. 

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Параллакс барьер в Wikimedia Commons