Параллаксный барьер

Устройство 3D-визуализации

Сравнение параллакс-барьерных и лентикулярных автостереоскопических дисплеев . Примечание: рисунок не в масштабе. Лентикулы можно модифицировать и использовать больше пикселей для создания автомультископических дисплеев

Параллаксный барьер — это устройство, размещаемое перед источником изображения, например, жидкокристаллическим дисплеем , чтобы позволить ему отображать стереоскопическое или мультископическое изображение без необходимости для зрителя надевать 3D-очки . Размещенный перед обычным ЖК-дисплеем, он состоит из непрозрачного слоя с серией точно расположенных щелей, что позволяет каждому глазу видеть разный набор пикселей , тем самым создавая ощущение глубины посредством параллакса в эффекте, аналогичном тому, что создает лентикулярная печать для печатной продукции ^{[1] [2]} и лентикулярные линзы для других дисплеев. Недостатком метода в его простейшей форме является то, что зритель должен быть расположен в четко определенном месте, чтобы испытать 3D-эффект. Однако последние версии этой технологии решили эту проблему, используя отслеживание лица для регулировки относительного положения пикселей и щелей барьера в соответствии с расположением глаз пользователя, что позволяет пользователю испытывать 3D из широкого диапазона положений. ^{[3] [4]} Другим недостатком является то, что горизонтальное количество пикселей, видимых каждым глазом, уменьшается вдвое, что снижает общее горизонтальное разрешение изображения. ^[5]

История

Диаграмма Бертье: AB = стеклянная пластина, где ab = непрозрачные линии, P = изображение, O = глаза, cn = закрытые и разрешенные виды ( Le Cosmos 05-1896)

Принцип параллаксного барьера был независимо изобретен Огюстом Бертье, который опубликовал статью о стереоскопических изображениях, включая его новую идею, проиллюстрированную диаграммой и изображениями с намеренно преувеличенными размерами переплетенных полос изображения, ^[6] и Фредериком Э. Айвзом , который создал и продемонстрировал функциональное автостереоскопическое изображение в 1901 году. ^[7] Примерно два года спустя Айвз начал продавать образцы изображений в качестве новинок, что стало первым известным случаем коммерческого использования.

В начале 2000-х годов Sharp разработала электронное плоскопанельное приложение этой старой технологии для коммерциализации, недолгое время продавая два ноутбука с единственными в мире 3D ЖК-экранами, включая Actius RD3D . ^[8] Эти дисплеи больше не доступны у Sharp, но все еще производятся и дорабатываются другими компаниями, такими как Tridelity и SpatialView. Аналогичным образом, Hitachi выпустила первый 3D-мобильный телефон для японского рынка под дистрибуцией KDDI. ^{[9] [10]} В 2009 году Fujifilm выпустила цифровую камеру Fujifilm FinePix Real 3D W1 , которая оснащена встроенным автостереоскопическим ЖК-дисплеем размером 2,8 дюйма по диагонали. Nintendo также реализовала эту технологию на своей портативной игровой консоли Nintendo 3DS .

Приложения

Помимо фильмов и компьютерных игр, эта технология нашла применение в таких областях, как молекулярное моделирование ^{[ требуется ссылка ]} и безопасность аэропортов . ^[11] Она также используется в навигационной системе Range Rover 2010 года выпуска ^[12] , позволяя водителю просматривать (например) указания GPS, пока пассажир смотрит фильм. Она также используется в портативной игровой консоли Nintendo 3DS ^[13] и смартфонах LG Optimus 3D и Thrill [ ^14] , HTC EVO 3D ^[15], а также в серии смартфонов Sharp Galapagos.

Эту технологию сложнее применять для 3D-телевизоров из-за необходимости широкого диапазона возможных углов обзора. 21-дюймовый 3D-дисплей Toshiba использует технологию параллаксного барьера с 9 парами изображений, чтобы покрыть угол обзора в 30 градусов. ^[16]

Дизайн

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

Поперечный разрез параллаксного барьера со всеми обозначенными важными размерами.

Разделение пикселей

Чем ближе барьер параллакса к пикселям, тем шире угол разделения между левым и правым изображениями. Для стереоскопического дисплея левое и правое изображения должны попадать в левый и правый глаза, что означает, что виды должны быть разделены всего на несколько градусов. Разделение пиксельного барьера d для этого случая можно вывести следующим образом.

Из закона Снеллиуса: ${\displaystyle n\sin x=\sin y}$

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

Поэтому: ${\displaystyle d={\frac {rnp}{e}}\,.}$

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 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 другим углом по сравнению с центром, это позволяет левому и правому изображениям нацеливаться на глаза соответствующим образом из всех положений экрана.

a). Если бы шаг параллаксного барьера был ровно в два раза больше шага пикселей, он был бы выровнен синхронно с пикселем по всему дисплею. Левый и правый виды были бы излучаемы под одинаковыми углами по всему дисплею. Видно, что левый глаз зрителя не получает левое изображение со всех точек экрана. Дисплей работает некорректно. b). Если шаг барьера изменен, виды можно заставить сходиться, так что зритель видит правильные изображения со всех точек экрана. c). Показывает расчет, который определяет необходимый шаг барьера. p — шаг пикселя, d — разделение пиксельного барьера, f — шаг барьера.

Оптимальная апертура пикселя и ширина щели барьера

В системе параллаксного барьера для дисплея с высоким разрешением производительность (яркость и перекрестные помехи) можно моделировать с помощью теории дифракции Френеля. ^[18] Из этих симуляций можно вывести следующее. Если ширина щели мала, свет, проходящий через щели, сильно дифрагирует, вызывая перекрестные помехи. Яркость дисплея также уменьшается. Если ширина щели большая, свет, проходящий через щель, не дифрагирует так сильно, но более широкие щели создают перекрестные помехи из-за геометрических путей лучей. Поэтому конструкция больше страдает от перекрестных помех. Яркость дисплея увеличивается. Поэтому наилучшая ширина щели определяется компромиссом между перекрестными помехами и яркостью.

Положение барьера

Обратите внимание, что параллаксный барьер может также располагаться за пикселями ЖК-дисплея. В этом случае свет из щели проходит через левый пиксель изображения в левом направлении и наоборот. Это создает тот же базовый эффект, что и передний параллаксный барьер.

Методы переключения

В системе параллаксного барьера левый глаз видит только половину пикселей (то есть пикселей левого изображения), и то же самое верно для правого глаза. Поэтому разрешение дисплея уменьшается, и поэтому может быть выгодно сделать параллаксный барьер, который можно включать, когда требуется 3D, или выключать, когда требуется 2D-изображение. Один из методов включения и выключения параллаксного барьера — сформировать его из жидкокристаллического материала, тогда параллаксный барьер можно создать аналогично тому, как формируется изображение на жидкокристаллическом дисплее. ^[19]

Автостереоскопический дисплей, переключаемый между 2D и 3D. В 3D-режиме параллаксный барьер 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 2D-ЖК-дисплей.

Временное мультиплексирование для повышения разрешения

Временное мультиплексирование обеспечивает возможность повышения разрешения системы параллаксного барьера. ^[20] В показанной конструкции каждый глаз способен видеть полное разрешение панели.

Диаграмма, показывающая, как можно создать 3D с помощью мультиплексированного по времени 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 щелей изменяются (возможно, потому что каждая щель образована затвором LC). В новом положении барьера правый глаз может видеть пиксели, которые были скрыты в предыдущем временном цикле. Эти открытые пиксели настроены на показ правого изображения (а не левого изображения, которое они показывали в предыдущем временном цикле). То же самое верно и для левого глаза. Это циклическое переключение между двумя положениями барьера и шаблон переплетения позволяют 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 из всех пикселей. Следовательно, дисплей кажется имеющим полное разрешение.

Для этой конструкции необходим дисплей, который может переключаться достаточно быстро, чтобы избежать мерцания изображения при смене кадров.

Отслеживание барьеров для большей свободы просмотра

В стандартной системе параллаксного барьера зритель должен расположиться в подходящем месте, чтобы левый и правый вид могли быть видны его левым и правым глазом соответственно. В «отслеживаемой 3D-системе» свобода просмотра может быть значительно увеличена путем отслеживания положения пользователя и регулировки параллаксного барьера так, чтобы левый и правый вид всегда были правильно направлены на глаза пользователя. Определение угла обзора пользователя может быть выполнено с помощью фронтальной 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 быть выполнена путем механического или электронного смещения параллаксного барьера относительно пикселей. ^{[21] [22] [23]}

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи — это помехи, которые существуют между левым и правым видом на 3D-дисплее. На дисплее с высоким уровнем перекрестных помех каждый глаз может видеть изображение, предназначенное для другого глаза, слабо наложенным друг на друга. Восприятие перекрестных помех на стереоскопических дисплеях широко изучалось. Общепризнано, что наличие высоких уровней перекрестных помех на стереоскопическом дисплее вредно. Эффекты перекрестных помех на изображении включают: двоение и потерю контрастности, потерю 3D-эффекта и разрешения глубины, а также дискомфорт зрителя. Видимость перекрестных помех (двоения) увеличивается с увеличением контрастности и увеличением бинокулярного параллакса изображения. Например, стереоскопическое изображение с высоким контрастом будет демонстрировать больше двоения на определенном стереоскопическом дисплее, чем изображение с низким контрастом. ^[24]

Измерение

Метод количественной оценки уровня перекрестных помех от 3D-дисплея заключается в измерении процента света, который отклоняется от одного вида к другому. ^[18]

Измерение перекрестных помех в 3D-дисплеях. Перекрестные помехи — это процент света из одного вида, просачивающегося в другой вид. Измерения и расчеты выше показывают, как определяются перекрестные помехи при измерении перекрестных помех в левом изображении. Диаграммы a) схематически показывают измерения интенсивности, которые необходимо выполнить для различных выходов с 3D-дисплея. Таблица b) описывает их назначение. Уравнение c) используется для выведения перекрестных помех. Это отношение утечки света из правого изображения в левое изображение, но обратите внимание, что несовершенный уровень черного ЖК-дисплея вычитается из результата, так что он не меняет отношение перекрестных помех.

Перекрестные помехи в типичной 3D-системе на основе параллаксного барьера при наилучшем положении глаз могут составлять 3%. Результаты субъективных тестов ^[25], проведенных для определения качества изображения 3D-изображений, показывают, что для высококачественного 3D перекрестные помехи должны быть «не более 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 с эмульсионным параллаксным барьером. 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 его перемещения от барьера к щели, то это создает широкую дифракционную картину и, следовательно, больше перекрестных помех. Если переход более плавный, то дифракция не будет распространяться так широко, и будет производиться 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 непрозрачным и пропускающим происходил в области около 3 микрометров). Барьер с немного мягкими краями имеет перекрестные помехи 2,3%, что немного ниже перекрестных помех от барьера с более жесткими краями, которые были около 2,7%. Моделирование дифракции также предполагает, что если края щели параллаксного барьера имели пропускание, которое уменьшалось в области 10 микрометров, то перекрестные помехи могли бы стать равными 0,1. Обработка изображений является альтернативной мерой противодействия перекрестным помехам. На рисунке показан принцип, лежащий в основе коррекции перекрестных помех. ^[26]

Принцип коррекции перекрестных помех.

Существует три основных типа автостереоскопических дисплеев с параллаксным барьером:

• Ранние экспериментальные прототипы просто помещали ряд прецизионных щелей на обычный ЖК- экран, чтобы проверить его потенциал.
  • Плюсы
    • Легко крепится
  • Минусы
    • Самое низкое качество изображения
• Первые полностью разработанные «барьерные дисплеи Parallax» имеют прецизионные 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 эффективно при подсветке ,
    • Требуется в два раза больше подсветки, чем для обычных дисплеев.
    • Малые углы обзора
• Новейшие и самые удобные дисплеи, в таких продуктах, как Nintendo 3DS , HTC Evo 3D и LG Optimus 3D , не имеют параллаксного барьера перед пикселями, а за пикселями и перед подсветкой . Таким образом, вся матрица ЖК-дисплея видна обоим глазам, но с точки зрения каждого глаза подсвечивается только одно из перемежающихся изображений в ней. Блики от видимых освещенных столбцов пикселей, как правило, делают соседние неосвещенные столбцы менее заметными.
  • Плюсы
    • Очистить изображение
    • Наибольший угол обзора
  • Минусы
    • Более дорого для массового производства
    • Использует на 20–25 % больше подсветки, чем обычные дисплеи

Смотрите также

• Автостереоскопия
• HR3D

Ссылки

1. Howard, Bill (2003). "Обзоры PC Magazine - Sharp Actius RD3D". www.pcmag.com. Архивировано из оригинала 20 апреля 2008 года . Получено 25 января 2008 года .
2. "The Register - 3D LCD от Sharp: как это работает?". www.theregister.co.uk. 2004. Получено 25 января 2008 г.
3. авторы не указаны. (2015). New Nintendo 3ds. 28 декабря 2016 г., Nintendo of America Inc. Сайт: https://www.nintendo.com/3ds/new-nintendo-3ds/
4. Норрис, Эшли (6 декабря 2002 г.). «Guardian Unlimited — Специальные репортажи — Возвращение 3D». Лондон: www.guardian.co.uk . Получено 25 января 2008 г.
5. "Better glasses-free 3-D" . Получено 1 июля 2011 г. Принципиально новый подход к 3D-дисплеям без очков может сэкономить электроэнергию, расширить угол обзора и сделать 3D-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. Айвс, Фредерик Э. (1902). «Новая стереограмма». Журнал Института Франклина . 153 : 51–52. doi :10.1016/S0016-0032(02)90195-X.Перепечатано в книге Бентона «Избранные статьи по трехмерным изображениям».
8. "2D/3D Switchable Displays" (PDF) . Sharp white paper . Архивировано (PDF) из оригинала 30 мая 2008 г. . Получено 19 июня 2008 г. .
9. "Wooooケータイ H001 | 2009年 | 製品アーカイブ | au от KDDI" . Au.kddi.com. Архивировано из оригинала 4 мая 2010 года . Проверено 15 июня 2010 г.
10. "Hitachi представляет 3,1-дюймовый 3D IPS-дисплей". News.softpedia.com. 12 апреля 2010 г. Получено 15 июня 2010 г.
11. Твист, Джо (9 июня 2004 г.). "BBC NEWS - Технологии - Простые 3D-рентгеновские снимки для обеспечения безопасности на воздушном транспорте". news.bbc.co.uk . Получено 25 января 2008 г.
12. "Land Rover e-brochure PDF (стр. 19)" (PDF) . www.landrover.com. 2011 . Получено 29 декабря 2011 .
13. "Nintendo представляет портативную игровую консоль 3DS". www.bbc.co.uk. 15 июня 2010 г. Получено 17 июня 2010 г.
14. "LG представляет первый в мире 3-D смартфон". www.cnn.com. 2011. Получено 15 февраля 2011 .
15. HTC EVO 3D, из GSMArena
16. "Toshiba Mobile Display рекламирует 21-дюймовый 3D HDTV без очков, вызывая удивление". Engadget . 27 апреля 2010 г.
17. Ямамото, Хироцугу (октябрь 2000 г.). «Оптимальные параметры и области просмотра стереоскопического полноцветного светодиодного дисплея с использованием параллаксного барьера». IEICE Trans Electron . E83-c № 10.
18. Монтгомери, Дэвид Дж. (2001). «Характеристики системы отображения с плоской панелью, преобразуемой между 2D и автостереоскопическим 3D режимами». В Вудс, Эндрю Дж.; Болас, Марк Т.; Мерритт, Джон О.; Бентон, Стивен А. (ред.). Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности VIII . Т. 4297. С. 148–159. CiteSeerX 10.1.1.197.3858 . doi :10.1117/12.430813. S2CID  122846572. 
19. "2D/3D Switchable Displays" (PDF) . Sharp white paper . Архивировано (PDF) из оригинала 30 мая 2008 г. . Получено 19 июня 2008 г. .
20. Патент США US6476850, Кеннет Эрбей, «Устройство для создания стереоскопического изображения» 
21. Патент США 5808792, Грэм Джон Вудгейт, Дэвид Эзра, Николас Стивен Холлиман, Бэзил Артур Омар, Ричард Роберт Мозели, Джонатан Харролд, «Автостереоскопический дисплей и метод управления автостереоскопическим дисплеем», выдан 9 февраля 1995 г. 
22. Mather, Jonathan (июнь 2011 г.). «3D-телевизор без очков». Physics World . 24 (6): 33–36. Bibcode : 2011PhyW...24f..33M. doi : 10.1088/2058-7058/24/06/34.
23. "Архивная копия". Архивировано из оригинала 16 июня 2011 года . Получено 11 октября 2012 года .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
24. Эндрю Вудс (2010), Понимание перекрестных помех в стереоскопических дисплеях (PDF) , получено 21 сентября 2012 г.
25. Ацуо Ханазато и др. (2000), «Субъективная оценка перекрестных помех в стереоскопических дисплеях», SID
26. Патент США 8144079, Джонатан Мазер, Дэвид Дж. Монтгомери, Грэм Р. Джонс, Диана У. Кин, «Многоэкранный многоэкранный дисплей и контроллер дисплея», выдан 26 января 2005 г. 

Внешние ссылки

Медиа, связанные с Parallax barrier на Wikimedia Commons

• Видео, объясняющее, как работает параллаксный барьер
• Принцип автостереодисплея - Java-апплет, иллюстрирующий идею