Optisk fysikk

«Wow, det er fantastisk» var minst en besøkendes reaksjon på fjorårets Sommervitenskapsutstilling På Royal Society I London. Deres entusiasme var ikke først og fremst på Grunn Av Tilstedeværelsen Av Dronningen, som tidligere hadde åpnet utstillingen som en del av foreningens 350-årsjubileumsfeiring. Snarere var deres spenning ned til de nyeste flytende krystallskjermene på showet Fra Sharp Laboratories I Oxford. Seerne kunne se bevegelige bilder I 3D på en bærbar pc – uten behov for spesielle briller. De kunne se duer blir matet I St Marks Square, Venezia, med fuglene tilsynelatende synkende fra sine skuldre, eller de kunne nyte EN 3D-eventyr som de forfulgte skurkene i det interaktive dataspillet Quake.

den brillefrie 3d-skjermen på Royal Society var bare det siste eksempelet på revolusjonen som ble utført av flytende krystallskjermer, som nå tillater bevegelige bilder å bli sett på alt fra mobiltelefoner og 46-tommers flatskjerm-tv til håndholdte personlige elektroniske spill og iPad og andre nettbrett. Likevel er det utrolig å tro at det bare er 40 år siden nøkkelpatentet ble innlevert som markerte fødselen til det moderne flytende krystallskjermbildet – en teknologi så vellykket at akronymet, LCD, umiddelbart gjenkjennes selv av ikke-forskere. Selv om organiske lysdioder (Oled), plasma og «elektronisk blekk» også endrer naturen til den moderne skjermen, er det de bemerkelsesverdige egenskapene til flytende krystaller som nå er i forkant MED 3D-skjermteknologi.

Bildebehandling I 3D

Å Se på bilder I 3D uten briller er en virkelig forbløffende opplevelse, men la oss først se på hvordan dette passer inn med ANDRE 3d-bildeteknikker. Det er tre hovedteknikker – stereoskopisk, holografisk og volumetrisk – som alle opererer på samme prinsipper uansett om skjermen bruker flytende krystaller, plasma eller Oled. De har hver fordeler og ulemper når det gjelder realisme, kompleksitet, størrelse og kostnad, men den mest kommersielt levedyktige metoden, som brukes i hoveddelen AV 3D-tvene som tar high street med storm, innebærer å vise et annet perspektiv på et bilde til hver av våre øyne. Denne «stereoskopiske» teknikken etterligner den virkelige verden, hvor hvert øye ser et annet perspektiv og hjernen «smelter» de to bildene sammen for Å skape EN 3d-oppfatning av omgivelsene (figur 1a).

oppgaven med separat visning av bilder til venstre og høyre øye har blitt taklet på en rekke geniale måter gjennom årene. Utprøvd på kinoer så langt tilbake som 1950-tallet, vil tilnærmingen som mange vil være kjent med, innebære at brukeren bruker briller med separate røde og blåfargede linser på henholdsvis venstre og høyre øye. Tanken her er at et bilde er delt inn i røde, grønne og blå kanaler, med venstre øye ser bare det røde bildet og høyre øye ser bare de grønne og blå bildene.

nyere systemer fjerner fargede linser og bruker i stedet briller som vekselvis overfører og blokkerer lys til hvert øye. Med andre ord fungerer linsene som «optiske skodder» slik at det ene øyet kan se et stillbilde, men det andre kan ikke. Hvis vi merker de påfølgende stillbildene Av en film L1, R1, L2, R2, L3, R3 og så videre, ser venstre øye bare » l-scenene «og høyre øye ser bare»R-scenene». Disse brillene krever ulike biter av elektronikk for å få dem til å fungere, mens scenene selv oppdateres ved frekvenser på typisk 120 Hz Eller 240 Hz. (En alternativ tilnærming-vanlig med projeksjonsskjermer funnet i puber for å se sport på – er At L-og r-scenene skal vises med forskjellige polariseringer, noe som krever at brukeren bruker mørke briller som inneholder linser med forskjellige polariseringer.)

bildene som produseres ved hjelp av denne stereoskopiske tilnærmingen, kan hoppe ut av skjermen med overraskende realisme. Stereoskopiske bilder er imidlertid ikke perfekte fordi alle objekter i dem er i fokus, uavhengig AV DERES tiltenkte 3d-posisjon. I den virkelige verden, derimot, er forskjellige dybder AV ET 3D-bilde i fokus på forskjellige posisjoner. En teknikk FOR å lage 3D-bilder som omhandler fokus på riktig måte, er holografi (figur 1b). Hologrammer opprettes ved å registrere i et lysfølsomt materiale interferensmønsteret opprettet når sammenhengende reflektert lys fra et objekt overlapper med en sammenhengende referansestråle med samme bølgelengde. Mønsteret lagres som en endring i absorpsjon, brytningsindeks eller tykkelse av det lysfølsomme materialet, og en kopi av objektet kan gjenskapes ved å belyse mønsteret med en avlesningslaser. ET 3d-hologram er egentlig som å ha en stabel med høyoppløselige 2d-bilder, hvor hvert bilde representerer et annet bildeplan.

den store fordelen MED et 3d-hologram er at en seers oppfatning av tredimensjonalitet er total fordi for å skifte fra å se på et objekt nær forsiden av scenen til et objekt på baksiden, må seeren justere øynene sine fokus. Dessverre, å skape og kontrollere optiske bølgefronter med tilstrekkelig presisjon for å generere realistiske holografiske bilder krever skjermer med pikseltettheter som vanligvis er tusenvis av ganger høyere enn det som finnes i dagens kommersielle Lcd-Skjermer, samt utrolige mengder dataprosessorkraft for å håndtere de mengder data som trengs. Så selv om bildene deres er overlegne, er det fortsatt nødvendig med ytterligere teknisk innovasjon før holografiske skjermer blir en kommersiell virkelighet.

Stereoskopi, derimot, er avhengig av at hjernen vår er god til å avlede dybde fra våre høyre og venstre øyne med forskjellige perspektiver på et bilde. I praksis betyr dette at en stereoskopisk skjerm kan lage ET 3D-bilde med bare dobbelt så mye data som en «normal» skjerm trenger for Å lage ET 2D-bilde, og det er derfor de viser seg så kommersielt lovende.

den tredje tilnærmingen til å lage 3d-skjermer er å gjøre unna med konvensjonelle 2d-piksler arrangert i et plan og i stedet bruke 3D, volumetriske piksler eller»voxels». En måte å lage slike voxels på er å bruke projektorer som skinner på en spinnskjerm(figur 1c). Ved å synkronisere projektorene med skjermen, kan lyset reflekteres av skjermen i hvilken som helst posisjon innenfor det sylindriske volumet som det feier ut. Selv om volumetriske skjermer kan skape et sterkt 3d-inntrykk, er det en ulempe at lyset som projiseres inn i volumet på skjermen, er fri til å forplante seg gjennom dette rommet. Dette kan gjøre elementer gjennomsiktig, med objekter angivelig skjult bak andre tenderer til å «shimmer gjennom» de foran. Volumetriske skjermer pleier også å være ganske store.

Brillefri stereoskopi

Så langt har Vi beskrevet brillebaserte stereoskopiske 3d-skjermer, men hva alle ønsker er å gjøre unna med brillene helt. Dette er et aktivt forskningsområde som forfølges av sannsynligvis alle store skjermer, og fra hvilke nye forbrukerprodukter nå begynner å dukke opp. Nintendo, for eksempel, har allerede gitt ut sin glassfrie Nintendo 3ds – spillkonsoll, mens 3d-mobiltelefoner er tilgjengelige fra Sharp.

alle slike brillefrie skjermer er basert på stereoskopi, og utfordringen er å sikre at forskjellige bilder rettes mot hvert øye. Det er tre hovedmetoder for å oppnå dette, som hver har sine egne fordeler og ulemper, avhengig av hva det kan brukes til. Den vanligste tilnærmingen er hvor brukeren må sitte i fast stilling foran skjermen, og dette brukes for eksempel På Nintendo 3ds, Sharps LYNX 3D SH-03C mobiltelefon og i displayet på Baksiden Av Fujifilms W3 3d-kamera. Den neste tilnærmingen innebærer at skjermen sporer brukerens visningsposisjon, og selv om det for øyeblikket ikke er noen produkter som bruker dette på markedet, har prototypedesign blitt vist på industriutstillinger de siste årene. Den endelige takten er «multi view», som allerede finnes i noen brillefrie 3D-tver, selv om de ikke har gjort store innhugg i markedet ennå, delvis fordi det ikke er lett å generere multi-view 3D uten å endre kringkastingsstandarder.

«fast posisjon» -metoden forutsetter at brukeren ser på skjermen head-on slik at blikket er på 90° til selve skjermen (figur 1a) – en antagelse som gjelder for de fleste mobile enheter. Bildet er delt inn i små striper L, R, L, R, L, R, med alle l-bildene som sendes til venstre øye og alle R-bildene som sendes til høyre øye ved hjelp av en fysisk enhet kjent som en «parallax barriere» (figur 2). Denne teknikken, som har vært kjent i nesten 70 år, kan selvfølgelig brukes på bilder – det være seg bilder eller malerier – ikke bare EN LCD-skjerm, forutsatt at venstre og høyre bilder kan interlaced i venstre og høyre bildestriper for å jobbe med parallax barrieren.

en ulempe med parallaksebarrieren er at fordi hvert øye får lov til å se bare halvparten av pikslene, absorberes lys i «feil» retning – dvs. fra En l – stripe til høyre øye eller Fra r-stripen til venstre øye-av barrieren. Dette reduserer intensiteten fra skjermen med omtrent halvparten og reduserer oppløsningen. I praksis betyr dette at når skjermen brukes i konvensjonell 2d-modus, bør parallaxbarrieren fjernes. I DE FLESTE 3d-skjermer, for Eksempel Sharps 3d-mobiltelefon, oppnås dette ved å lage barrieren fra et flytende krystalllag som kan slås på eller av elektrisk.

det ville selvfølgelig være mye mer effektivt å dispensere med en parallaxbarriere og i stedet bruke linser, som er gjennomsiktige, for å omdirigere L-og r-lyset til riktig øye. Faktisk har forskere allerede utviklet sylindriske linser av høy kvalitet ved hjelp av flytende krystaller som kan gjøre nettopp det. Prinsippet er enkelt: da brytningsindeksen for flytende krystaller varierer med spenning, kan linser laget av disse materialene slås «på» når en spenning påføres og » av » når spenningen fjernes. Disse sylindriske flytende krystalllinsene tar plass til parallaxbarrieren, omdirigerer lyset i riktig retning (figur 3). Denne teknologien vil trolig doble effektiviteten til brillefrie 3d-skjermer i fremtiden, med mange selskaper kjent for å aktivt utføre forskning på dem.

en ulempe med parallax-teknologien er at brukeren må sitte i en bestemt posisjon i forhold til skjermen. «Tracked viewing position» – teknikken gjør DET derimot mulig Å se 3d-skjermer uten briller fra alle vinkler ved å spore brukerens hodeposisjon. Dette kan oppnås ved for eksempel å montere en bærbar pc med et fremovervendt webkamera for å identifisere plasseringen av brukerens ansikt og øyne. Faktisk er denne teknologien allerede vanlig i mange digitale kameraer som selges på high street for å sikre at et ansikt automatisk blir sentrum av fokus. Alt som trengs for brillefri 3d-visning er en automatisk justerbar parallaxbarriere som kan endre vinkelen der venstre og høyre bilder blir sett. Kameraet kan deretter identifisere brukerens posisjon, mens parallaksebarrieren styrer venstre og høyre perspektiv i riktig vinkel.

denne justeringen kan utføres ved hjelp av ansiktssporingsalgoritmer skrevet på bildebehandlingsbrikker, som opererer svært effektivt, noe som betyr at det ikke kreves for mye prosessorkraft. Kameraet kan også overvåke hvor langt en bruker sitter fra skjermen og justere bildene tilsvarende. I praksis kan betrakteren bevege seg opp til 30 cm fra den ideelle visningsavstanden, mens deres side-til-side-bevegelse er begrenset til ca. ±30° Det er i prinsippet mulig å imøtekomme mer enn en bruker, men systemets kompleksitet økes betydelig. I tillegg til at betrakteren er fri til å bevege seg rundt, er den andre fordelen med sporet-visningsposisjonssystemet at hvis bildet skjer fra en datagenerert scene, kan synspunktet justeres i henhold til brukerens posisjon. For eksempel kan en seer bokstavelig talt se seg rundt på siden av et objekt (en kube si) for å bringe tidligere usynlige ansikter av det til syne.

som for den tredje metoden for å generere brillefri 3D-multi-view-målet er å jobbe med et bredt spekter av visningsposisjoner og flere seere. For å gjøre dette viser displayet ikke bare to perspektiver, men vanligvis åtte eller flere. Brukeren kan da plassere øynene for å se perspektiver 1 og 3, eller 2 og 4, etc, SLIK AT 3D-effekten kan oppnås fra et bredt spekter av vinkler. Et multi-view-system med åtte visninger krever åtte ganger større oppløsning enn ET 2d-system, og det kreves noe oppfinnsomhet for å syntetisere de åtte visningene eller overføre dem i den tilgjengelige tv-båndbredden. Likevel, denne teknologien er trolig den sterkeste kandidat for briller-fri 3D-tv, Med Philips og Toshiba begge har allerede lansert en multi-view tv på markedet.

Fast forward

Som vi har diskutert, Har Sharp allerede designet og bygget en flytende krystallskjerm på en av sine mobiltelefoner som fungerer som en byttbar parallaxbarriere. Brukes sammen med en konvensjonell flytende krystallskjerm utstyrt med stereoskopiske inngangsdata, gir dette systemet høykvalitets brillefrie 3D-bilder. Den elektroniske mediebransjen har imidlertid en visjon om fremtiden der 3D-skjermer ikke bare er et nisjeprodukt, men en integrert del av det moderne liv. Det betyr hjemmekinoanlegg som viser 3d-filmer, dataspill som spilles MED et oppslukende 3d-miljø, og feriefotografier blir presentert med dybde.

Vi kan derfor forvente at en rekke 3d-generasjonsmetoder blir tilgjengelige for de forskjellige applikasjonene, og innenfor hver metode kan vi forvente forbedrede optiske teknologier og nye relaterte teknologier som de som muliggjør 3d-interaksjon. Det er høyst sannsynlig at alle slike enheter vil utnytte de spesielle elektrooptiske egenskapene til flytende krystaller. Produktene som Vises på Royal Society-utstillingen i fjor sommer, som allerede kommer på markedet i år, er bare starten.