I display a cristalli liquidi che consentono agli spettatori di guardare le immagini in 3D sono l’ultima storia di successo nel settore dell’elettronica-l’unico problema è che sono necessari occhiali speciali. Ma, come spiega Jonathan Mather, la tecnologia a cristalli liquidi è ideale anche per i display 3D “senza occhiali”
“Wow, è incredibile” è stata la reazione di almeno un visitatore alla Mostra estiva di scienze dello scorso anno alla Royal Society di Londra. Il loro entusiasmo non era dovuto principalmente alla presenza della Regina, che aveva precedentemente aperto la mostra come parte delle celebrazioni del 350 ° anniversario della società. Piuttosto, la loro eccitazione è stata verso il basso per gli ultimi display a cristalli liquidi in mostra da Sharp Laboratories di Oxford. Gli spettatori sono stati in grado di guardare le immagini in movimento in 3D su un laptop, senza la necessità di occhiali speciali. Potevano vedere i piccioni che venivano nutriti in Piazza San Marco, a Venezia, con gli uccelli che apparentemente scendevano dalle loro spalle, o potevano indulgere in un’avventura 3D mentre inseguivano i cattivi nel gioco interattivo per computer Quake.
Il display 3D senza occhiali in mostra alla Royal Society era solo l’ultimo esempio della rivoluzione operata dai display a cristalli liquidi, che ora consentono di visualizzare immagini in movimento su tutto, dai telefoni cellulari e televisori a schermo piatto da 46 pollici ai giochi elettronici personali portatili e l’iPad e altri dispositivi tablet. Eppure è sorprendente pensare che siano passati solo 40 anni da quando è stato depositato il brevetto chiave che ha segnato la nascita del moderno display a cristalli liquidi-una tecnologia così riuscita che il suo acronimo, LCD, è immediatamente riconosciuto anche dai non scienziati. Sebbene i diodi organici emettitori di luce (OLED), i plasmi e l ‘ “inchiostro elettronico” stiano cambiando anche la natura del display moderno, sono le notevoli proprietà dei cristalli liquidi che sono ora all’avanguardia nella tecnologia di visualizzazione 3D.
Imaging in 3D
Guardare le immagini in 3D senza occhiali è un’esperienza davvero sorprendente, ma diamo prima un’occhiata a come questo si adatta ad altre tecniche di imaging 3D. Ci sono tre tecniche principali – stereoscopico, olografico e volumetrico – che operano tutti sugli stessi principi indipendentemente dal fatto che lo schermo utilizza cristalli liquidi, plasmi o OLED. Ognuno di essi hanno vantaggi e svantaggi in termini di realismo, complessità, dimensioni e costi, ma il metodo più commercialmente praticabile, che viene utilizzato nella maggior parte dei televisori 3D prendendo la strada alta dalla tempesta, comporta mostrando una prospettiva diversa di un’immagine a ciascuno dei nostri occhi. Questa tecnica “stereoscopica” imita il mondo reale, dove ogni occhio vede una prospettiva diversa e il cervello “fonde” le due immagini insieme per creare una percezione 3D dell’ambiente circostante (figura 1a).
Il compito di visualizzare separatamente le immagini all’occhio destro e sinistro è stato affrontato in una varietà di modi ingegnosi nel corso degli anni. Sperimentato nei cinema fin dal 1950, l’approccio che molte persone avranno familiarità con coinvolge l’utente che indossa occhiali con lenti separate di colore rosso e blu sull’occhio sinistro e destro, rispettivamente. L’idea qui è che un’immagine sia divisa in canali rossi, verdi e blu, con l’occhio sinistro che vede solo l’immagine rossa e l’occhio destro che vede solo le immagini verdi e blu.
I sistemi più recenti eliminano le lenti colorate e utilizzano invece occhiali che trasmettono e bloccano alternativamente la luce a ciascun occhio. In altre parole, le lenti agiscono come “persiane ottiche” in modo che in qualsiasi momento un occhio possa vedere un’immagine fissa, ma l’altro non può. Se etichettiamo le successive immagini fisse di un film L1, R1, L2, R2, L3, R3 e così via, l’occhio sinistro vede solo le “scene L” e l’occhio destro vede solo le “scene R”. Questi occhiali richiedono vari bit di elettronica per farli funzionare, mentre le scene stesse vengono aggiornate a frequenze di tipicamente 120 Hz o 240 Hz. (Un approccio alternativo-comune con schermi di proiezione trovati nei pub per guardare lo sport su-è per le scene L e R da visualizzare con diverse polarizzazioni, che richiede all’utente di indossare occhiali scuri contenenti lenti con diverse polarizzazioni.)
Le immagini prodotte con questo approccio stereoscopico possono saltare fuori dallo schermo con sorprendente realismo. Tuttavia, le immagini stereoscopiche non sono perfette perché tutti gli oggetti al loro interno sono a fuoco, indipendentemente dalla loro posizione 3D prevista. Nel mondo reale, al contrario, diverse profondità di un’immagine 3D sono a fuoco in diverse posizioni. Una tecnica per creare immagini 3D che si occupa correttamente della messa a fuoco è l’olografia (figura 1b). Gli ologrammi vengono creati registrando in un materiale fotosensibile il modello di interferenza creato quando la luce riflessa coerente da un oggetto si sovrappone a un fascio di riferimento coerente della stessa lunghezza d’onda. Il modello viene memorizzato come un cambiamento di assorbimento, indice di rifrazione o spessore del materiale fotosensibile e una copia dell’oggetto può essere ricreata illuminando il modello con un laser di lettura. Un ologramma 3D è essenzialmente come avere una pila di immagini 2D ad alta risoluzione, in cui ogni immagine rappresenta un piano di immagine diverso.
Il grande vantaggio con un ologramma 3D è che la percezione della tridimensionalità di uno spettatore è totale perché per passare dal guardare un oggetto vicino alla parte anteriore della scena a un oggetto sul retro, lo spettatore deve regolare la messa a fuoco dei propri occhi. Sfortunatamente, creare e controllare i fronti d’onda ottici con sufficiente precisione per generare immagini olografiche realistiche richiede display con densità di pixel tipicamente migliaia di volte superiori a quelle degli LCD commerciali di oggi, oltre a quantità prodigiose di potenza di elaborazione del computer per gestire i volumi di dati necessari. Quindi, sebbene le loro immagini siano superiori, è ancora necessaria un’ulteriore innovazione tecnica prima che i display olografici diventino una realtà commerciale.
La stereoscopia, al contrario, si basa sul fatto che il nostro cervello è bravo a dedurre la profondità dai nostri occhi destro e sinistro con prospettive diverse di un’immagine. In pratica ciò significa che un display stereoscopico può creare un’immagine 3D utilizzando solo il doppio della quantità di dati di cui un display “normale” ha bisogno per creare un’immagine 2D, motivo per cui si stanno dimostrando così promettenti dal punto di vista commerciale.
Il terzo approccio alla creazione di display 3D consiste nell’eliminare i pixel 2D convenzionali disposti su un piano e utilizzare invece i pixel 3D, volumetrici o “voxel”. Un modo per creare tali voxel consiste nell’utilizzare proiettori che brillano su uno schermo rotante (figura 1c). Sincronizzando i proiettori con lo schermo, la luce può essere riflessa dallo schermo in qualsiasi posizione all’interno del volume cilindrico che spazza fuori. Sebbene i display volumetrici possano creare una forte impressione 3D, un inconveniente è che la luce proiettata nel volume del display è libera di propagarsi in tutto questo spazio. Questo può rendere gli oggetti trasparenti, con oggetti presumibilmente nascosti dietro gli altri che tendono a “brillare attraverso” quelli di fronte. Anche i display volumetrici tendono ad essere abbastanza ingombranti.
Stereoscopia senza occhiali
Finora abbiamo descritto i display stereoscopici 3D basati su occhiali, ma ciò che tutti vogliono è eliminare del tutto gli occhiali. Si tratta di un’area di ricerca attiva perseguita probabilmente da tutte le principali aziende di display e da cui stanno iniziando ad emergere nuovi prodotti di consumo. Nintendo, ad esempio, ha già rilasciato la sua console di giochi Nintendo 3DS senza occhiali, mentre i telefoni cellulari 3D sono disponibili da Sharp.
Tutti questi display senza occhiali sono basati sulla stereoscopia e la sfida è garantire che immagini diverse siano dirette a ciascun occhio. Ci sono tre metodi principali per raggiungere questo obiettivo, ognuno dei quali ha i suoi vantaggi e svantaggi a seconda di cosa potrebbe essere utilizzato per. L’approccio più comune è dove l’utente deve sedersi in una posizione fissa davanti allo schermo, e questo viene utilizzato, ad esempio, sul Nintendo 3DS, sul telefono cellulare LYNX 3D SH-03C di Sharp e sul display sul retro della fotocamera Fujifilm W3 3D. Il prossimo approccio prevede il monitoraggio del display della posizione di visualizzazione dell’utente, e anche se attualmente non ci sono prodotti che utilizzano questo attualmente sul mercato, i prototipi sono stati mostrati alle fiere del settore negli ultimi anni. La virata finale è “multi view”, che si trova già in alcuni televisori 3D senza occhiali, anche se non hanno ancora fatto grandi incursioni nel mercato in parte perché non è facile generare multi-view 3D senza cambiare gli standard di trasmissione.
Il metodo “posizione fissa” presuppone che l’utente visualizzi il display a testa in modo che il suo sguardo sia a 90° rispetto al display stesso (figura 1a)-un’ipotesi valida per la maggior parte dei dispositivi mobili. L’immagine è separata in piccole strisce L, R, L, R, L, R, con tutte le immagini L inviate all’occhio sinistro e tutte le immagini R inviate all’occhio destro per mezzo di un dispositivo fisico noto come “barriera di parallasse” (figura 2). Questa tecnica, che è nota da quasi 70 anni, potrebbe ovviamente essere applicata a qualsiasi immagine-siano esse foto o dipinti-non solo a un display LCD, a condizione ovviamente che le immagini a destra ea sinistra possano essere interlacciate in strisce di immagine a destra ea sinistra per lavorare con la barriera di parallasse.
Uno svantaggio della barriera di parallasse è che, poiché ad ogni occhio è permesso vedere solo la metà dei pixel, la luce che viaggia nella direzione “sbagliata”, cioè da una striscia L all’occhio destro o dalla striscia R all’occhio sinistro, viene assorbita dalla barriera. Questo riduce l’intensità dal display di circa la metà e riduce la risoluzione. In termini pratici, ciò significa che quando il display viene utilizzato in modalità 2D convenzionale, la barriera di parallasse deve essere rimossa. Nella maggior parte dei display 3D, come il telefono cellulare 3D di Sharp, ciò si ottiene facendo la barriera da uno strato di cristalli liquidi che può essere acceso o spento elettricamente.
Sarebbe ovviamente molto più efficiente fare a meno di una barriera di parallasse e utilizzare invece lenti, che sono trasparenti, per reindirizzare la luce L e R all’occhio appropriato. Infatti, i ricercatori hanno già sviluppato lenti cilindriche di alta qualità utilizzando cristalli liquidi che possono fare proprio questo. Il principio è semplice: poiché l’indice di rifrazione dei cristalli liquidi varia con la tensione, le lenti realizzate con questi materiali possono essere attivate “on” quando viene applicata una tensione e “off” quando la tensione viene rimossa. Queste lenti cilindriche a cristalli liquidi prendono il posto della barriera di parallasse, reindirizzando la luce nella direzione corretta (figura 3). È probabile che questa tecnologia raddoppierà l’efficienza dei display 3D senza occhiali in futuro, con molte aziende note per svolgere attivamente ricerche su di essi.
Uno svantaggio della tecnologia parallax è che l’utente deve sedersi in una certa posizione rispetto allo schermo. La tecnica “posizione di visualizzazione tracciata”, al contrario, consente di visualizzare gli schermi 3D senza occhiali da qualsiasi angolazione monitorando la posizione della testa dell’utente. Ciò potrebbe essere ottenuto, ad esempio, montando un laptop con una webcam rivolta in avanti per identificare la posizione del viso e degli occhi dell’utente. In effetti, questa tecnologia è già comune in molte fotocamere digitali vendute sulla strada principale per garantire che un volto diventi automaticamente il centro dell’attenzione. Tutto ciò che è quindi necessario per la visualizzazione 3D senza occhiali è una barriera di parallasse regolabile automaticamente che può cambiare l’angolo in cui vengono viste le immagini destra e sinistra. La fotocamera può quindi identificare la posizione dell’utente, mentre la barriera di parallasse dirige le prospettive sinistra e destra con l’angolo appropriato.
Questa regolazione può essere eseguita utilizzando algoritmi di face-tracking scritti su chip di elaborazione delle immagini, che funzionano in modo molto efficiente, il che significa che non è richiesta troppa potenza di elaborazione. La fotocamera può anche monitorare quanto un utente è seduto dallo schermo e regolare le immagini di conseguenza. In pratica, lo spettatore può muoversi fino a 30 cm dalla distanza di visione ideale, mentre il loro movimento da lato a lato è limitato a circa ±30° dal normale. Ospitare più di un utente è in linea di principio possibile, ma la complessità del sistema è notevolmente aumentata. Oltre al fatto che lo spettatore è libero di muoversi, l’altro vantaggio del sistema di visualizzazione della posizione tracciata è che se l’immagine proviene da una scena generata dal computer, il punto di vista potrebbe essere regolato in base alla posizione dell’utente. Ad esempio, un visualizzatore potrebbe letteralmente guardare intorno al lato di un oggetto (un cubo dire) per portare volti precedentemente invisibili di esso in vista.
Per quanto riguarda il terzo metodo per la generazione di occhiali-free 3D – multi-view – il suo obiettivo è quello di lavorare con una vasta gamma di posizioni di visualizzazione e più spettatori. Per fare ciò, il display emette non solo due prospettive, ma in genere otto o più. L’utente può quindi posizionare gli occhi per vedere le prospettive 1 e 3, o 2 e 4, ecc., in modo che l’effetto 3D possa essere ottenuto da una vasta gamma di angolazioni. Un sistema multi-view con, diciamo, otto viste richiede una risoluzione otto volte maggiore rispetto a un sistema 2D, e un po ‘ di ingegno è necessario per sintetizzare le otto viste o trasmetterle nella larghezza di banda televisiva disponibile. Tuttavia, questa tecnologia è probabilmente il più forte concorrente per la televisione 3D senza occhiali, con Philips e Toshiba che hanno già lanciato sul mercato un televisore multi-view.
Fast forward
Come abbiamo discusso, Sharp ha già progettato e costruito uno schermo a cristalli liquidi su uno dei suoi telefoni cellulari che funziona come una barriera di parallasse commutabile. Utilizzato in tandem con un tradizionale display a cristalli liquidi dotato di dati di input stereoscopici, questo sistema offre immagini 3D senza occhiali di alta qualità. Tuttavia, l’industria dei media elettronici ha una visione del futuro in cui i display 3D non sono solo un prodotto di nicchia ma parte integrante della vita moderna. Ciò significa che i sistemi home-cinema che mostrano film in 3D, giochi per computer in riproduzione con un ambiente 3D coinvolgente, e le fotografie delle vacanze di essere presentato con profondità.
Possiamo quindi aspettarci che una varietà di metodi di generazione 3D diventi disponibile per le diverse applicazioni, e all’interno di ciascun metodo possiamo aspettarci tecnologie ottiche migliorate e nuove tecnologie correlate come quelle che consentono l’interazione 3D. È altamente probabile che tutti questi dispositivi sfrutteranno le particolari proprietà elettro-ottiche dei cristalli liquidi. I prodotti esposti alla Royal Society exhibition la scorsa estate, che stanno già arrivando sul mercato quest’anno, sono solo l’inizio.