3D-дисплей — это устройство отображения , способное передавать глубину зрителю. Многие 3D-дисплеи являются стереоскопическими дисплеями, которые создают базовый 3D-эффект с помощью стереопсиса , но могут вызывать напряжение глаз и зрительное утомление. Более новые 3D-дисплеи, такие как голографические и световые полевые дисплеи, создают более реалистичный 3D-эффект, объединяя стереопсис и точное фокусное расстояние для отображаемого контента. Более новые 3D-дисплеи таким образом 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 быть дисплеями, расположенными около глаз, как в VR-гарнитурах, или они могут находиться 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, способного генерировать контент, который можно просматривать со всех сторон.
Первый 3D-дисплей был создан сэром Чарльзом Уитстоном в 1832 году. [1] Это был стереоскопический дисплей, имевший элементарную способность отображать глубину.
Стереоскопические дисплеи обычно называют «стереодисплеями», «стерео3D-дисплеями», «стереоскопическими 3D-дисплеями» или иногда ошибочно просто «3D-дисплеями».
Основная техника стереоскопических дисплеев заключается в представлении смещенных изображений, которые отображаются отдельно для левого и правого глаза. Оба этих 2D-смещенных изображения затем объединяются в мозге, чтобы дать восприятие 3D -глубины. Хотя термин «3D» используется повсеместно, представление двойных 2D-изображений отчетливо отличается от отображения светового поля , а также от отображения изображения в трехмерном пространстве .
Наиболее заметное отличие от дисплеев, которые могут показывать полное 3D, заключается в том, что движения головы наблюдателя и изменение аккомодации глаз не изменят визуальные образы, которые видит зритель. Например, некоторые голографические дисплеи не имеют таких ограничений.
Преувеличением является 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.
Традиционная стереоскопическая фотография заключается в создании 3D-иллюзии, начинающейся с пары 2D-изображений, стереограммы . Самый простой способ усилить восприятие глубины в мозге — 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 .
Если необходимо избежать зрительного напряжения и искажения, желательно, чтобы каждое из двух 2D-изображений было представлено каждому глазу зрителя, так чтобы любой объект на бесконечном расстоянии, видимый зрителем, воспринимался этим глазом, когда он направлен прямо вперед, глаза зрителя не должны быть ни скрещенными, ни расходящимися. Если на изображении нет объекта на бесконечном расстоянии, например, горизонта или облака, изображения должны быть расположены соответственно ближе друг к другу.
Метод «бок о бок» чрезвычайно прост в реализации, но его может быть сложно или неудобно просматривать без оптических приспособлений.
Стереоскоп — это устройство для просмотра стереографических карт, которые представляют собой карты, содержащие два отдельных изображения, напечатанных рядом, чтобы создать иллюзию трехмерного изображения.
Пары стереоизображений, напечатанных на прозрачной основе, просматриваются в проходящем свете. Одним из преимуществ просмотра на прозрачной основе является возможность более широкого, более реалистичного динамического диапазона , чем это практично с отпечатками на непрозрачной основе; другим является то, что может быть представлено более широкое поле зрения, поскольку изображения, подсвеченные сзади, могут быть размещены гораздо ближе к линзам.
Практика просмотра стереоскопических диапозитивов на основе пленки восходит как минимум к 1931 году, когда Tru-Vue начала продавать наборы стереоизображений на полосках 35-мм пленки , которые подавались через ручной бакелитовый просмотрщик. В 1939 году была представлена модифицированная и миниатюрная вариация этой технологии, использующая картонные диски, содержащие семь пар небольших цветных диапозитивов Kodachrome , как View-Master .
Пользователь обычно надевает шлем или очки с двумя небольшими ЖК- или OLED -дисплеями с увеличительными линзами, по одному для каждого глаза. Технология может использоваться для показа стереофильмов, изображений или игр. Наголовные дисплеи также могут быть соединены с устройствами отслеживания положения головы, что позволяет пользователю «осматривать» виртуальный мир, двигая головой, что устраняет необходимость в отдельном контроллере.
Благодаря быстрому развитию компьютерной графики и продолжающейся миниатюризации видео и другого оборудования эти устройства начинают становиться доступными по более разумной цене. Надеваемые на голову или носимые очки могут использоваться для просмотра прозрачного изображения, наложенного на реальный вид мира, создавая то, что называется дополненной реальностью . Это делается путем отражения видеоизображений через частично отражающие зеркала. Реальный мир можно увидеть через частичное зеркало.
Недавняя разработка в области голографических волноводов или «волноводной оптики» позволяет накладывать стереоскопические изображения на реальный мир без использования громоздких отражающих зеркал. [2] [3]
Проекционные дисплеи с головным креплением (HMPD) похожи на дисплеи с головным креплением, но с изображениями, проецируемыми и отображаемыми на световозвращающем экране . Преимущество этой технологии перед дисплеем с головным креплением заключается в том, что проблемы фокусировки и вергенции не требуют исправления с помощью корректирующих линз для глаз. Для создания изображений используются пикопроекторы вместо ЖК- или OLED- экранов. [4] [5]
При методе затмения затвор блокирует свет от каждого соответствующего глаза, когда изображение противоположного глаза проецируется на экран. Дисплей чередует левое и правое изображения, а также открывает и закрывает затворы в очках или просмотрщике синхронно с изображениями на экране. Это было основой системы Teleview , которая использовалась недолгое время в 1922 году. [6] [7]
Разновидность метода затмения используется в очках с ЖК-затвором . Очки, содержащие жидкий кристалл , который пропускает свет синхронно с изображениями на экране кинотеатра, телевизора или компьютера, используя концепцию чередующейся последовательности кадров . Этот метод используется в системах nVidia, XpanD 3D и более ранних системах IMAX . Недостатком этого метода является необходимость для каждого человека, просматривающего изображение, надевать дорогие электронные очки, которые должны быть синхронизированы с системой отображения с помощью беспроводного сигнала или подключенного провода. Очки с затвором тяжелее большинства поляризованных очков, хотя более легкие модели не тяжелее некоторых солнцезащитных очков или поляризованных очков класса люкс. [8] Однако эти системы не требуют серебряного экрана для проецируемых изображений.
Жидкокристаллические световые клапаны работают, вращая свет между двумя поляризационными фильтрами. Благодаря этим внутренним поляризаторам затворные очки LCD затемняют изображение на дисплее любого источника изображения LCD, плазмы или проектора, в результате чего изображение выглядит тусклее, а контрастность ниже, чем при обычном просмотре без 3D. Это не обязательно проблема использования; для некоторых типов дисплеев, которые и так очень яркие с плохими серыми уровнями черного , затворные очки LCD могут фактически улучшить качество изображения.
В анаглифе два изображения накладываются в условиях аддитивного света через два фильтра: один красный и один голубой. В условиях субтрактивного света два изображения печатаются в тех же дополнительных цветах на белой бумаге. Очки с цветными фильтрами в каждом глазу разделяют соответствующее изображение, отменяя цвет фильтра и делая дополнительный цвет черным. Компенсирующая техника, обычно известная как Anachrome, использует немного более прозрачный голубой фильтр в запатентованных очках, связанных с этой техникой. Процесс перенастраивает типичное анаглифное изображение, чтобы оно имело меньший параллакс .
Альтернативой обычной системе красного и голубого фильтров анаглифа 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 скомпрометирован. ColorCode использует на экране дополнительные цвета: желтый и темно-синий, а цвета линз очков — янтарный и темно-синий.
Для представления стереоскопического изображения два изображения проецируются на один и тот же экран через разные поляризационные фильтры . Зритель надевает очки, которые также содержат пару поляризационных фильтров, ориентированных по-разному (по часовой стрелке/против часовой стрелки с круговой поляризацией или под углом 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, где один глаз используется больше, могут видеть цвета правильно, что ранее сводилось на нет разделением двух цветов.
Круговая поляризация имеет преимущество перед линейной поляризацией, поскольку зрителю не нужно держать голову прямо и на одной линии с экраном, чтобы поляризация работала правильно. При линейной поляризации поворот очков вбок приводит к тому, что фильтры выходят из совмещения с фильтрами экрана, что приводит к выцветанию изображения и для каждого глаза легче видеть противоположный кадр. При круговой поляризации эффект поляризации работает независимо от того, как голова зрителя выровнена с экраном, например, наклонена вбок или даже перевернута. Левый глаз по-прежнему будет видеть только предназначенное для него изображение, и наоборот, без выцветания или перекрестных помех.
Поляризованный свет, отраженный от обычного киноэкрана, обычно теряет большую часть своей поляризации. Поэтому необходимо использовать дорогой серебряный экран или алюминизированный экран с незначительной потерей поляризации. Все типы поляризации приведут к затемнению отображаемого изображения и ухудшению контрастности по сравнению с не-3D изображениями. Свет от ламп обычно излучается как случайный набор поляризаций, в то время как поляризационный фильтр пропускает только часть света. В результате изображение на экране темнее. Это затемнение можно компенсировать, увеличив яркость источника света проектора. Если начальный поляризационный фильтр вставлен между лампой и элементом формирования изображения, интенсивность света, падающего на элемент изображения, не будет выше, чем обычно без поляризационного фильтра, и общая контрастность изображения, передаваемого на экран, не будет затронута.
Dolby 3D использует определенные длины волн красного, зеленого и синего цвета для правого глаза и различные длины волн красного, зеленого и синего цвета для левого глаза. Очки, которые отфильтровывают очень определенные длины волн, позволяют владельцу видеть 3D-изображение. Эта технология устраняет необходимость в дорогих серебряных экранах, необходимых для поляризованных систем, таких как RealD , которая является наиболее распространенной системой 3D-дисплеев в кинотеатрах. Однако она требует гораздо более дорогих очков, чем поляризованные системы. Она также известна как спектральная гребенчатая фильтрация или визуализация с мультиплексированием длин волн
Система Omega 3D/ Panavision 3D также использует эту технологию, хотя с более широким спектром и большим количеством «зубцов» на «гребне» (по 5 на каждый глаз в системе Omega/Panavision). 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 световая энергия и цветовой баланс составляют почти 50/50. Как и система Dolby, система Omega может использоваться с белыми или серебряными экранами. Но ее можно использовать как с пленочными, так и с цифровыми проекторами, в отличие от фильтров Dolby, которые используются только в цифровой системе 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 прекращена компанией DPVO Theatrical, которая продвигала ее от имени Panavision, ссылаясь на «сложные глобальные экономические и 3D-рыночные условия». [ требуется цитата ] 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 усовершенствованные анаглифные 3D-очки. Красно-голубые анаглифные очки Omega используют сложные тонкопленочные покрытия из оксида металла и высококачественную отожженную стеклянную оптику.
Эффект Пульфриха — это психофизическое восприятие , при котором боковое движение объекта в поле зрения интерпретируется зрительной корой как имеющее глубинный компонент из-за относительной разницы во времени сигнала между двумя глазами.
Призматические очки облегчают перекрестное наблюдение, а также делают возможным пере- или недонаблюдение, примерами чего являются очки KMQ .
В этом методе очки не нужны, чтобы увидеть стереоскопическое изображение. Технологии лентикулярных линз и параллаксного барьера включают наложение двух (или более) изображений на один и тот же лист в узких чередующихся полосах и использование экрана, который либо блокирует одну из полос двух изображений (в случае параллаксных барьеров), либо использует одинаково узкие линзы, чтобы согнуть полосы изображения и заставить его заполнить все изображение (в случае лентикулярных отпечатков). Для создания стереоскопического эффекта человек должен быть расположен так, чтобы один глаз видел одно из двух изображений, а другой — другое. Оптические принципы многовидовой автостереоскопии известны уже более столетия. [11]
Оба изображения проецируются на гофрированный экран с высоким коэффициентом усиления, который отражает свет под острым углом. Чтобы увидеть стереоскопическое изображение, зритель должен сидеть в очень узком углу, который почти перпендикулярен экрану, что ограничивает размер аудитории. Линзовидный проектор использовался для театрального показа многочисленных короткометражек в России с 1940 по 1948 год [12] и в 1946 году для полнометражного фильма «Робинзон Крузо» [13]
Хотя его использование в театральных постановках было довольно ограниченным, лентикуляр широко использовался для различных новинок и даже использовался в любительской 3D-фотографии. [14] [15] Недавнее использование включает Fujifilm FinePix Real 3D с автостереоскопическим дисплеем, выпущенным в 2009 году. Другие примеры использования этой технологии включают автостереоскопические ЖК-дисплеи на мониторах, ноутбуках, телевизорах, мобильных телефонах и игровых устройствах, таких как Nintendo 3DS .
Объемные дисплеи используют некий физический механизм для отображения точек света внутри объема. Такие дисплеи используют воксели вместо пикселей . Объемные дисплеи включают многоплоскостные дисплеи, которые имеют несколько плоскостей отображения, сложенных друг на друга, и вращающиеся панельные дисплеи, где вращающаяся панель выметает объем.
Другие технологии были разработаны для проецирования световых точек в воздухе над устройством. Инфракрасный лазер фокусируется на точке назначения в пространстве, создавая небольшой пузырек плазмы, который излучает видимый свет.
Дисплей светового поля пытается воссоздать «световое поле» на поверхности дисплея. В отличие от 2D-дисплея, который показывает отдельный цвет на каждом пикселе, дисплей светового поля показывает отдельный цвет на каждом пикселе для каждого направления, куда распространяется световой луч . Таким образом, глаза из разных положений будут видеть разные изображения на дисплее, создавая параллакс и, таким образом, создавая ощущение 3D. Дисплей светового поля похож на стеклянное окно, люди видят 3D-объекты за стеклом, несмотря на то, что все световые лучи, которые они видят, исходят из (через) стекло.
Световое поле перед дисплеем может быть создано двумя способами: 1) путем излучения различных 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 реконструирует световое поле, но и реконструирует кривизну плоских волн и разности фаз волн в разных направлениях. [16]
Интегральная фотография — один из методов на основе лучей с полной информацией о параллаксе. Однако существуют также методы на основе лучей, разработанные только с горизонтальным параллаксом. [16]
Голографический дисплей — это технология отображения , которая способна обеспечить все четыре механизма глаза: бинокулярную диспаратность , параллакс движения , аккомодацию и конвергенцию . 3D- объекты можно просматривать без специальных очков, и это не вызовет зрительного утомления у человеческих глаз.
В 2013 году компания из Кремниевой долины LEIA Inc начала производство голографических дисплеев, хорошо подходящих для мобильных устройств (часов, смартфонов или планшетов), использующих многонаправленную подсветку и позволяющих широкоугольный обзор 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 их собственного планшета Android. [ требуется ссылка ]
Интегральное изображение — это 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, он воспроизводит 3D- световое поле , создавая стереоизображения, которые демонстрируют параллакс при движении зрителя.
Разрабатывается новая технология отображения, называемая «компрессионное световое поле». Эти прототипы дисплеев используют многослойные ЖК-панели и алгоритмы сжатия во время отображения. Конструкции включают двойные [18] и многослойные [19] [20] [21] устройства, которые управляются такими алгоритмами, как компьютерная томография и неотрицательная матричная факторизация и неотрицательная тензорная факторизация.
Каждая из этих технологий отображения может иметь ограничения, будь то местоположение зрителя, громоздкое или неприглядное оборудование или высокая стоимость. Демонстрация 3D-изображений без артефактов остается сложной задачей. [ необходима цитата ]