Paralaxová bariéra - Parallax barrier

Srovnání paralaxové bariéry a čočkovitý autostereoskopické displeje. Poznámka: Obrázek nemá měřítko. Lenticules can be modified and more pixel can be used to make automultiskopické displeje

A paralaxová bariéra je zařízení umístěné před zdrojem obrazu, například a displej z tekutých krystalů, aby bylo možné zobrazit a stereoskopický nebo multiskopický obraz bez nutnosti nosit diváka 3D brýle. Je umístěn před běžným LCD displejem a skládá se z neprůhledné vrstvy se sérií přesně rozmístěných štěrbin, které každému oku umožňují vidět jinou sadu pixelů, takže vytváří pocit hloubky paralaxa v efektu podobném jakému čočkovitý tisk vyrábí pro tištěné výrobky[1][2] a čočkové čočky pro ostatní displeje. Nevýhodou metody v její nejjednodušší formě je, že divák musí být umístěn na dobře definovaném místě, aby zažil 3D efekt. Nedávné verze této technologie však tento problém vyřešily pomocí sledování obličeje k úpravě relativních poloh pixelů a bariérových štěrbin podle umístění očí uživatele, což uživateli umožňuje zažít 3D ze široké škály pozic.[3][4] Další nevýhodou je, že počet vodorovných pixelů viditelných každým okem je snížen na polovinu, což snižuje celkové vodorovné rozlišení obrazu.[5]

Dějiny

Berthierův diagram: A-B = skleněná deska, s a-b = neprůhledné čáry, P = obrázek, O = oči, c-n = zablokované a povolené pohledy (Le Cosmos 05-1896)

Princip paralaxové bariéry nezávisle vynalezl Auguste Berthier, který publikoval článek o stereoskopických obrazech včetně jeho nové myšlenky ilustrované schématem a obrázky se záměrně přehnanými rozměry prokládaných obrazových pásů,[6] a tím Frederic E. Ives, který vytvořil a vystavil funkční autostereoskopický snímek v roce 1901.[7] Asi o dva roky později začal Ives prodávat vzorky vzorků jako novinky, první známé komerční využití.

Na začátku 2000s, Ostrý vyvinuli elektronickou aplikaci této staré technologie na plocho pro komercializaci a krátce prodali dva notebooky s jedinými 3D LCD obrazovkami na světě.[8] Tyto displeje již nejsou k dispozici od společnosti Sharp, ale stále se vyrábějí a dále vyvíjejí od jiných společností, jako je Věrnost a SpatialView. Podobně Hitachi vydala první 3D mobilní telefon pro japonský trh distribuovaný společností KDDI.[9][10] V roce 2009 společnost Fujifilm vydala Fujifilm FinePix Real 3D W1 digitální fotoaparát, který je vybaven vestavěným autostereoskopickým LCD o rozměrech 2,8 ". Nintendo implementovala tuto technologii také na své nejnovější přenosné herní konzole, Nové Nintendo 3DS a Nové Nintendo 3DS XL, po prvním zahrnutí na předchozí konzoli, Nintendo 3DS.

Aplikace

Kromě filmů a počítačových her si tato technika našla uplatnění v oblastech, jako je molekulární modelování[Citace je zapotřebí ] a letištní ochranka.[11] Používá se také pro navigační systém v modelu 2010 Range Rover,[12] umožňuje řidiči sledovat (například) pokyny GPS, zatímco cestující sleduje film. Používá se také v Nintendo 3DS ruční herní konzole[13] a LG Smartphony Optimus 3D a Thrill,[14] HTC EVO 3D[15] stejně jako Sharp's Galapagos série smartphonů.

Tato technologie je pro 3D televizní přijímače těžší aplikovatelná z důvodu požadavku na širokou škálu možných pozorovacích úhlů. 21palcový 3D displej Toshiba využívá technologii paralaxní bariéry s 9 páry obrázků, které pokrývají úhel pohledu 30 stupňů.[16]

Design

Štěrbiny v paralaxové bariéře umožňují divákovi vidět pouze levé obrazové pixely z polohy jejich levého oka, pravé obrazové pixely z pravého oka. Při výběru geometrie paralaxové bariéry jsou důležité parametry, které je třeba optimalizovat; separace d - bariéra pixelu d, rozteč bariéry paralaxy f, clona pixelu a a šířka štěrbiny bariéry paralaxy bariéry b.[17]

Průřez paralaxovou bariérou se všemi důležitými rozměry.

Oddělení pixelů

Čím blíže je paralaxová bariéra k pixelům, tím širší je úhel oddělení mezi levým a pravým obrazem. U stereoskopického zobrazení musí levý a pravý obraz zasáhnout levé a pravé oko, což znamená, že pohledy musí být odděleny pouze o několik stupňů. Separace pixelové bariéry d pro tento případ lze odvodit následovně.

Ze Snellova zákona:

Pro malé úhly: a

Proto:

U typického auto-stereoskopického zobrazení s roztečí pixelů 65 mikrometrů, roztečí očí 63 mm, pozorovací vzdáleností 30 cm a indexem lomu 1,52 musí být separace pixelové bariéry asi 470 mikrometrů.

Rozteč

Rozteč paralaxové bariéry by měla být v ideálním případě zhruba dvojnásobná než rozteč pixelů, ale optimální design by měl být o něco menší. Tato odchylka od výšky bariéry kompenzuje skutečnost, že okraje displeje jsou pozorovány pod jiným úhlem než úhel středu, což umožňuje, aby levý a pravý obraz vhodně cílil oči ze všech pozic obrazovky.

A). Pokud by paralaxová bariéra měla přesně dvojnásobnou rozteč pixelů, byla by synchronizována s pixelem přes celý displej. Levý a pravý pohled by byly vyzařovány ve stejných úhlech po celém displeji. Je vidět, že levé oko diváka neobdrží levý obraz ze všech bodů na obrazovce. Displej nepracuje dobře. b). Pokud je upravena výška bariéry, lze provést konvergování pohledů, takže divák vidí správné obrázky ze všech bodů na obrazovce. C). Zobrazuje výpočet, který určuje potřebnou výšku bariéry. p je výška pixelu, d je separace pixelové bariéry, f je výška bariéry.

Optimální clona pixelu a šířka štěrbiny bariéry

V paralaxním bariérovém systému pro displej s vysokým rozlišením lze výkon (jas a přeslech) simulovat Fresnelovou difrakční teorií.[18] Z těchto simulací lze odvodit následující. Pokud je šířka štěrbiny malá, světlo procházející štěrbinami se silně rozptýlí a způsobí přeslech. Rovněž se sníží jas displeje. Pokud je šířka štěrbiny velká, světlo procházející štěrbinou se tak málo nerozkládá, ale širší štěrbiny vytvářejí přeslech kvůli geometrickým paprskovým cestám. Proto design trpí více přeslechy. Jas displeje se zvýší. Proto je nejlepší šířka štěrbiny dána kompromisem mezi přeslechy a jasem.

Bariérová poloha

Pamatujte, že paralaxová bariéra může být také umístěna za LCD pixely. V tomto případě světlo ze štěrbiny prochází levým obrazovým pixelem ve směru doleva a naopak. To vytváří stejný základní efekt jako přední paralaxová bariéra.

Techniky přepínání

V paralaxním bariérovém systému vidí levé oko pouze polovinu pixelů (tj. Pixely levého obrazu) a totéž platí pro pravé oko. Proto je rozlišení displeje sníženo, a proto může být výhodné vytvořit paralaxní bariéru, kterou lze zapnout, když je potřeba 3D, nebo vypnout, když je vyžadován 2D obraz. Jednou z metod zapnutí a vypnutí paralaxové bariéry je aby se vytvořil z materiálu z tekutých krystalů, může být vytvořena paralaxová bariéra podobným způsobem, jako je obraz vytvořen na displeji z tekutých krystalů.[19]

Autostereoskopický displej, který lze přepínat mezi 2D a 3D. Ve 3D režimu je bariéra paralaxy tvořena LC buňkou, podobně jako je vytvářen obraz na LCD. V režimu 2D je buňka LC přepnuta do průhledného stavu, takže neexistuje paralaxní bariéra. V tomto případě může světlo z pixelů LCD jít jakýmkoli směrem a displej funguje jako normální 2D LCD.

Časový multiplex pro zvýšení rozlišení

Časový multiplexování poskytuje prostředky ke zvýšení rozlišení paralaxního bariérového systému.[20] V zobrazeném designu je každé oko schopno vidět plné rozlišení panelu.

Diagram ukazující, jak lze 3D vytvořit pomocí časově multiplexované paralaxové bariéry. V prvním časovém cyklu jsou štěrbiny v bariéře uspořádány konvenčním způsobem pro 3D zobrazení a levé a pravé oko vidí pixely levého a pravého oka. V příštím časovém cyklu se změní pozice štěrbin (možné, protože každá štěrbina je vytvořena s LC závěrkou). V nové pozici bariéry může pravé oko vidět pixely, které byly skryty v předchozím časovém cyklu. Tyto nekryté pixely jsou nastaveny tak, aby zobrazovaly pravý obrázek (spíše než levý obrázek, který se zobrazil v předchozím časovém cyklu). Totéž platí pro levé oko. Toto cyklování mezi dvěma polohami bariéry a prokládaným vzorem umožňuje oběma očím vidět správný obraz z poloviny pixelů v prvním časovém cyklu a správný obraz z druhé poloviny pixelů v druhém časovém cyklu. Cykly se opakují každých 50 vteřin, takže přepínání není pro uživatele patrné, ale uživatel má dojem, že vzhled každého oka vidí obraz ze všech pixelů. Následně se zdá, že displej má plné rozlišení.

Návrh vyžaduje displej, který lze přepínat dostatečně rychle, aby nedocházelo k blikání obrazu, protože obrázky zaměňují každý snímek.

Sledovací bariéry pro větší svobodu sledování

Ve standardním paralaxním bariérovém systému se musí divák umístit na vhodné místo tak, aby pohledy z levého a pravého oka byly viditelné jejich levým a pravým okem. Ve „sledovaném 3D systému“ lze značně zvýšit volnost pohledu sledováním polohy uživatele a nastavením paralaxové bariéry tak, aby levý a pravý pohled vždy směřoval do očí uživatele správně. Identifikaci zorného úhlu uživatele lze provést pomocí kamery směřující dopředu nad displej a softwaru pro zpracování obrazu, který dokáže rozpoznat polohu tváře uživatele. Nastavení úhlu, pod kterým se promítá levý a pravý pohled, lze provést mechanickým nebo elektronickým posunutím paralaxové bariéry vzhledem k pixelům.[21][22][23]

Přeslech

Přeslech je interference, která existuje mezi levým a pravým zobrazením na 3D displeji. Na displeji s vysokým přeslechem je každé oko schopno slabě překrýt obraz určený pro druhé oko. Vnímání přeslechu na stereoskopických displejích bylo široce studováno. Obecně se uznává, že přítomnost vysokých úrovní přeslechů ve stereoskopickém zobrazení je škodlivá. Účinky přeslechů v obraze zahrnují: duchování a ztrátu kontrastu, ztrátu 3D efektu a rozlišení hloubky a nepohodlí diváka. Viditelnost přeslechů (duchů) se zvyšuje se zvyšujícím se kontrastem a zvyšováním binokulární paralaxy obrazu. Například stereoskopický obraz s vysokým kontrastem bude na konkrétním stereoskopickém displeji vykazovat více duchů než obraz s nízkým kontrastem.[24]

Měření

Technika kvantifikace úrovně přeslechů z 3D zobrazení zahrnuje měření procenta světla, které se odchyluje od jednoho pohledu k druhému.[18]

Měření přeslechů na 3D displejích. Přeslech je procento světla z jednoho pohledu unikajícího do druhého pohledu. Výše uvedená měření a výpočty ukazují, jak je přeslech definován při měření přeslechů na levém obrázku. Diagramy a) načrtněte z 3D zobrazení měření intenzity, která je třeba provést pro různé výstupy. Tabulka b) popisuje jejich účel. Rovnice c) se používá k odvození přeslechu. Jde o poměr úniku světla z pravého obrazu do levého obrazu, ale všimněte si, že nedokonalá úroveň černé LCD se od výsledku odečte, takže nezmění přeslechový poměr.

Přeslech v typickém 3D systému založeném na paralaxové bariéře v nejlepší poloze očí může být 3%. Výsledky subjektivních testů [25] provedené za účelem stanovení kvality obrazu 3D obrazů dochází k závěru, že u vysoce kvalitního 3D by přeslech neměl být „větší než přibližně 1 až 2%“.

Příčiny a protiopatření

Difrakce může být hlavní příčinou přeslechů.[18] Bylo zjištěno, že teoretické simulace difrakce jsou dobrým prediktorem experimentálních přeslechových měření v bariérových systémech emulzní paralaxy. Tyto simulace předpovídají, že množství přeslechů způsobených paralaxovou bariérou bude vysoce závislé na ostrosti okrajů štěrbin. Například pokud přenos bariéry prudce přechází z neprůhledné na průhlednou, jak se pohybuje od bariéry ke štěrbině, vytváří to široký difrakční obrazec a následně více přeslechů. Pokud je přechod plynulejší, potom se difrakce nebude šířit tak široce a bude se vytvářet méně přeslechů. Tato předpověď odpovídá experimentálním výsledkům pro bariéru s mírně hranami (jejíž rozteč byla 182 mikrometrů, šířka štěrbiny byla 48 mikrometrů a přechod mezi neprůhledné a transmisivní se vyskytly v oblasti přibližně 3 mikrometrů). Mírně měkká hrana má přeslech 2,3%, což je o něco nižší než přeslech od bariéry s tvrdšími hranami, který byl asi 2,7%. Difrakční simulace také naznačují, že pokud by okraje štěrbin bariéry paralaxy měly přenos, který klesá v oblasti 10 mikrometrů, pak by přeslech mohl být 0,1. Zpracování obrazu je alternativním přeslechovým protiopatřením. Obrázek ukazuje princip korekce přeslechů.[26]

Princip korekce přeslechů.

Existují tři hlavní typy autostereoskopický displeje s paralaxovou bariérou:

  • Rané experimentální prototypy, které jednoduše nasadily řadu přesných štěrbin LCD obrazovce, abyste zjistili, zda má nějaký potenciál.
    • Profesionálové
      • Snadno připojitelné
    • Nevýhody
      • Nejnižší kvalita obrazu
  • První plně vyvinuté „paralaxové bariérové ​​displeje“ mají přesné štěrbiny jako jednu z optických komponent nad pixely. To blokuje každý obraz z jednoho oka a ukazuje to na druhé.
    • Profesionálové
    • Nevýhody
      • Nejméně efektivní s podsvícení,
      • Vyžaduje dvakrát tolik podsvícení než běžné displeje
      • Malé pozorovací úhly
  • Nejnovější a nejpohodlnější displeje v produktech, jako je Nintendo 3DS, HTC Evo 3D, a LG Optimus 3D, nemají paralaxovou bariéru před pixely, ale za pixely a před podsvícení. Celá matice LCD je proto vystavena oběma očím, ale při pohledu z polohy každého oka je podsvícen pouze jeden z prokládaných obrazů. Oslnění z viditelně osvětlených sloupců pixelů má tendenci dělat sousední neosvětlené sloupce méně nápadnými.
    • Profesionálové
      • Jasný obraz
      • Největší pozorovací úhel
    • Nevýhody
      • Dražší pro masová produkce
      • Používá o 20–25% více podsvícení než běžné displeje

Viz také

Reference

  1. ^ Howard, Bill (2003). „Recenze PC Magazine - Sharp Actius RD3D“. www.pcmag.com. Citováno 2008-01-25.
  2. ^ „Registr - Sharpův 3D LCD: jak to tedy funguje?“. www.theregister.co.uk. 2004. Citováno 2008-01-25.
  3. ^ žádní uvedení autoři. (2015). Nové Nintendo 3ds. 28. prosince 2016, web Nintendo of America Inc: https://www.nintendo.com/3ds/new-nintendo-3ds/
  4. ^ Norris, Ashley (06.12.2002). „Guardian Unlimited - Zvláštní zprávy - Návrat 3D“. Londýn: www.guardian.co.uk. Citováno 2008-01-25.
  5. ^ „Lepší 3D brýle bez brýlí“. Citováno 1. července 2011. Zásadně nový přístup k 3-D displejům bez brýlí by mohl ušetřit energii, rozšířit pozorovací úhel a učinit 3-D iluze realističtějšími.
  6. ^ Berthier, Auguste. (16. a 23. května 1896). „Images stéréoscopiques de grand format“ (ve francouzštině). Kosmos 34 (590, 591): 205–210, 227-233 (viz 229-231)
  7. ^ Ives, Frederic E. (1902). „Nový stereogram“. Journal of the Franklin Institute. 153: 51–52. doi:10.1016 / S0016-0032 (02) 90195-X. Přetištěno v Bentonu „Vybrané články n Trojrozměrné displeje“.
  8. ^ „Přepínatelné displeje 2D / 3D“ (PDF). Ostrý bílý papír. Archivováno (PDF) z původního dne 30. května 2008. Citováno 2008-06-19.
  9. ^ „Wooo ケ ー タ イ H001 | 2009 年 | 製品 ア ー カ イ ブ | au KDDI“. Au.kddi.com. Archivovány od originál dne 4. května 2010. Citováno 2010-06-15.
  10. ^ „Hitachi přichází s 3,1-palcovým 3D IPS displejem“. News.softpedia.com. 12. 04. 2010. Citováno 2010-06-15.
  11. ^ Twist, Jo (06.06.2004). „BBC NEWS - Technology - Easy 3D X-paprsků pro leteckou bezpečnost“. news.bbc.co.uk. Citováno 2008-01-25.
  12. ^ „Elektronická brožura Land Rover PDF (strana 19)“ (PDF). www.landrover.com. 2011. Citováno 2011-12-29.
  13. ^ „Nintendo představuje ruční herní konzoli 3DS“. www.bbc.co.uk. 2010-06-15. Citováno 2010-06-17.
  14. ^ „LG představuje první 3-D smartphone na světě“. www.cnn.com. 2011. Citováno 2011-02-15.
  15. ^ HTC EVO 3D, od GSMArena
  16. ^ „Mobilní displej Toshiba nabízí 21palcovou 3D HDTV bez brýlí, zvedá pár obočí“. Engadget. 27.dubna 2010.
  17. ^ Yamamoto, Hirotsugu (říjen 2000). "Optimální parametry a oblasti sledování stereoskopického plnobarevného LED displeje pomocí paralaxové bariéry". IEICE Trans Electron. E83-c č. 10.
  18. ^ A b C Montgomery, David J. (2001). „Výkon plochého zobrazovacího systému převáděného mezi 2D a autostereoskopickým 3D režimem“. In Woods, Andrew J; Bolas, Mark T; Merritt, John O; Benton, Stephen A (eds.). Stereoskopické displeje a systémy virtuální reality VIII. 4297. str. 148–159. CiteSeerX  10.1.1.197.3858. doi:10.1117/12.430813. S2CID  122846572.
  19. ^ „Přepínatelné displeje 2D / 3D“ (PDF). Ostrý bílý papír. Archivováno (PDF) z původního dne 30. května 2008. Citováno 2008-06-19.
  20. ^ US patent US6476850, Kenneth Erbey, „Přístroj pro generování stereoskopického displeje“ 
  21. ^ US patent 5808792, Graham John Woodgate, David Ezra, Nicolas Steven Holliman, Basil Arthur Omar, Richard Robert Moseley, Jonathan Harrold, „Autostereoskopické zobrazení a způsob ovládání autostereoskopického zobrazení“, vydáno 9. února 1995 
  22. ^ Mather, Jonathan (červen 2011). "3D TV bez brýlí". Svět fyziky. 24 (6): 33–36. Bibcode:2011PhyW ... 24f..33M. doi: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/, archivovány z originál dne 14.10.2012, vyvoláno 2012-06-25 Chybějící nebo prázdný | název = (Pomoc)
  24. ^ Andrew Woods (2010), Porozumění přeslechu na stereoskopických displejích (PDF), vyvoláno 2012-09-21
  25. ^ Atsuo Hanazato; et al. (2000), „Subjektivní hodnocení rušení přeslechů na stereoskopických displejích“, SID
  26. ^ US patent 8144079 „Jonathan Mather, David J. Montgomery, Graham R. Jones, Diana U. Kean,„ Zobrazení s více zobrazeními a řadič zobrazení “, vydáno 26. ledna 2005 

externí odkazy

Média související s Paralaxová bariéra na Wikimedia Commons