fizyka optyczna

wyświetlacze ciekłokrystaliczne, które pozwalają widzom oglądać obrazy w 3D to najnowsza Historia sukcesu w branży elektronicznej – jedynym problemem jest to, że wymagane są specjalne okulary. Ale, jak wyjaśnia Jonathan Mather, technologia ciekłokrystaliczna jest również idealna do wyświetlaczy 3D „bez okularów”

wizja w 3D

„Wow, to niesamowite” była reakcja przynajmniej jednego gościa na zeszłoroczną letnią wystawę naukową w Royal Society w Londynie. Ich entuzjazm nie wynikał przede wszystkim z obecności Królowej, która wcześniej otworzyła wystawę w ramach obchodów 350-lecia Towarzystwa. Ich emocje były raczej związane z najnowszymi wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi z Sharp Laboratories w Oksfordzie. Widzowie mogli oglądać ruchome obrazy w 3D na laptopie-bez konieczności stosowania specjalnych okularów. Mogli zobaczyć gołębie karmione na Placu św. Marka w Wenecji, z ptakami najwyraźniej schodzącymi z ich ramion, lub mogli oddać się przygodzie 3D, gdy ścigali złych facetów w interaktywnej grze komputerowej Quake.

bez okularów wyświetlacz 3D pokazany w Royal Society był tylko najnowszym przykładem rewolucji, jaką przyniosły wyświetlacze ciekłokrystaliczne, które teraz umożliwiają oglądanie ruchomych obrazów na wszystkich urządzeniach, od telefonów komórkowych i 46-calowych telewizorów płaskoekranowych po ręczne osobiste Gry elektroniczne i iPady i inne tablety. Jednak zadziwiające jest myślenie, że minęło zaledwie 40 lat od momentu zgłoszenia kluczowego patentu, który oznaczał narodziny nowoczesnego wyświetlacza ciekłokrystalicznego-technologii tak udanej, że jej akronim, LCD, jest natychmiast rozpoznawany nawet przez nie – naukowców. Chociaż organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED), plazmy i „elektroniczny atrament” również zmieniają charakter nowoczesnego wyświetlacza, to niezwykłe właściwości ciekłych kryształów są obecnie w czołówce technologii wyświetlania 3D.

obrazowanie w 3D

oglądanie obrazów w 3D bez okularów jest naprawdę zdumiewającym doświadczeniem, ale najpierw spójrzmy, jak to pasuje do innych technik obrazowania 3D. Istnieją trzy główne techniki-stereoskopowe, holograficzne i objętościowe – wszystkie działają na tych samych zasadach, niezależnie od tego, czy ekran wykorzystuje ciekłe kryształy, plazmy czy OLED. Każdy z nich ma zalety i wady pod względem realizmu, złożoności, wielkości i kosztów, ale najbardziej opłacalna metoda, która jest używana w większości telewizorów 3D biorących szturmem główną ulicę, polega na pokazaniu innej perspektywy obrazu każdemu z naszych oczu. Ta „stereoskopowa” technika naśladuje rzeczywisty świat, w którym każde oko widzi inną perspektywę, a mózg „łączy”oba obrazy, tworząc trójwymiarową percepcję otoczenia (rysunek 1a).

zadanie oddzielnego wyświetlania obrazów dla lewego i prawego oka zostało rozwiązane na wiele pomysłowych sposobów przez lata. Testowane w kinach już w latach 50., podejście, z którym wielu ludzi będzie zaznajomionych, polega na tym, że użytkownik nosi okulary z oddzielnymi czerwonymi i niebieskimi soczewkami na lewym i prawym oku, odpowiednio. Chodzi o to, że obraz jest podzielony na czerwone, zielone i niebieskie kanały, przy czym lewe oko widzi tylko czerwony obraz, a prawe tylko zielone i niebieskie obrazy.

nowsze systemy usuwają kolorowe soczewki i zamiast tego używają okularów, które naprzemiennie przepuszczają i blokują światło dla każdego oka. Innymi słowy, soczewki działają jak „okiennice optyczne”, tak że w każdej chwili jedno oko może zobaczyć nieruchomy obraz, ale drugie nie. Jeśli oznaczymy kolejne nieruchome obrazy filmu L1, R1, L2, R2, L3, R3 i tak dalej, wtedy lewe oko widzi tylko „sceny L”, a prawe oko widzi tylko „sceny R”. Okulary te wymagają różnych elementów elektronicznych, aby działały, podczas gdy same sceny są aktualizowane na częstotliwościach typowo 120 Hz lub 240 Hz. (Alternatywne podejście-wspólne z ekranami projekcyjnymi znajdującymi się w pubach do oglądania sportu – polega na tym, że sceny L i R mają być wyświetlane z różnymi polaryzacjami, co wymaga od użytkownika noszenia ciemnych okularów zawierających soczewki o różnych polaryzacjach.)

obrazy wykonane przy użyciu tego stereoskopowego podejścia mogą wyskoczyć z ekranu z zaskakującym realizmem. Jednak obrazy stereoskopowe nie są doskonałe, ponieważ wszystkie obiekty w nich są w centrum uwagi, niezależnie od ich zamierzonej pozycji 3D. W świecie rzeczywistym natomiast różne głębokości obrazu 3D są ustawione w różnych pozycjach. Jedną z technik tworzenia obrazów 3D, która poprawnie radzi sobie z ostrością, jest holografia (rysunek 1b). Hologramy powstają poprzez zapisanie w materiale światłoczułym wzoru interferencji powstałego, gdy koherentne światło odbite od obiektu pokrywa się ze spójną wiązką odniesienia o tej samej długości fali. Wzór jest zapisywany jako zmiana absorpcji, współczynnika załamania światła lub grubości materiału światłoczułego, a kopię obiektu można odtworzyć, oświetlając wzór laserem odczytywanym. Hologram 3D jest zasadniczo jak stos zdjęć 2D o wysokiej rozdzielczości, gdzie każdy obraz reprezentuje inną płaszczyznę obrazu.

dużą zaletą hologramu 3D jest to, że postrzeganie trójwymiarowości przez widza jest całkowite, ponieważ aby zmienić widok z obiektu z przodu sceny na obiekt z tyłu, widz musi dostosować ostrość swoich oczu. Niestety, tworzenie i kontrolowanie światłowodów optycznych z wystarczającą precyzją do generowania realistycznych obrazów holograficznych wymaga wyświetlaczy o gęstości pikseli Zwykle tysiące razy większej niż w dzisiejszych komercyjnych monitorach LCD, a także ogromnej mocy obliczeniowej komputera do obsługi ilości potrzebnych danych. Tak więc, chociaż ich obrazy są lepsze, nadal wymagane są dalsze innowacje techniczne, zanim wyświetlacze holograficzne staną się rzeczywistością komercyjną.

stereoskopia polega natomiast na tym, że nasze mózgi są dobre w wyprowadzaniu głębi z prawego i lewego oka o różnych perspektywach obrazu. W praktyce oznacza to, że wyświetlacz stereoskopowy może stworzyć obraz 3D używając tylko dwukrotnie większej ilości danych niż „normalny” wyświetlacz potrzebny do stworzenia obrazu 2D, dlatego są one tak obiecujące pod względem komercyjnym.

trzecim podejściem do tworzenia wyświetlaczy 3D jest wyeliminowanie konwencjonalnych pikseli 2D ułożonych w płaszczyźnie i zamiast tego użycie pikseli 3D, wolumetrycznych lub „wokseli”. Jednym ze sposobów tworzenia takich wokseli jest użycie projektorów świecących na obracającym się ekranie (rysunek 1c). Synchronizując projektory z ekranem, światło może być odbijane od ekranu w dowolnej pozycji w cylindrycznej objętości, którą wyrzuca. Chociaż wolumetryczne wyświetlacze mogą tworzyć silne wrażenie 3D, jednym z problemów jest to, że światło rzutowane na objętość wyświetlacza może swobodnie rozprzestrzeniać się w tej przestrzeni. Może to sprawić, że przedmioty będą przezroczyste, a przedmioty rzekomo ukryte za innymi będą „prześlizgiwać się” przez te z przodu. Wolumetryczne wyświetlacze również wydają się być dość nieporęczne.

stereoskopia bez okularów

do tej pory opisywaliśmy stereoskopowe wyświetlacze 3D oparte na okularach, ale wszyscy chcą całkowicie pozbyć się okularów. Jest to aktywny obszar badań prowadzonych przez prawdopodobnie każdą większą firmę wyświetlaczy i z którego obecnie zaczynają się pojawiać nowe produkty konsumenckie. Nintendo, na przykład, wypuścił już swoją bez okularów konsolę do gier Nintendo 3DS, podczas gdy telefony komórkowe 3D są dostępne od Sharp.

wszystkie takie wyświetlacze bez okularów są oparte na stereoskopii i wyzwaniem jest zapewnienie, że różne obrazy są skierowane do każdego oka. Istnieją trzy główne metody osiągnięcia tego celu, z których każda ma swoje zalety i wady w zależności od tego, do czego może być wykorzystana. Najczęstszym podejściem jest sytuacja, w której użytkownik musi siedzieć w ustalonej pozycji przed ekranem, a jest to stosowane na przykład w Nintendo 3DS, telefonie komórkowym SHARP LYNX 3D SH-03C i na wyświetlaczu z tyłu aparatu Fujifilm W3 3D. Następne podejście polega na wyświetlaniu śledzenia pozycji oglądania użytkownika i chociaż obecnie na rynku nie ma produktów wykorzystujących to, prototypowe projekty zostały pokazane na wystawach branżowych w ostatnich latach. Ostatnim halsem jest „multi view”, który znajduje się już w niektórych telewizorach 3D bez okularów, chociaż nie poczyniły one jeszcze dużych postępów na rynku, częściowo dlatego, że nie jest łatwo wygenerować multi-view 3D bez zmiany standardów nadawania.

metoda „stałej pozycji” zakłada, że użytkownik widzi wyświetlacz głową, więc jego wzrok jest pod kątem 90° do samego wyświetlacza (rysunek 1A)-założenie, które jest ważne dla większości urządzeń mobilnych. Obraz jest podzielony na małe paski L, R, L, R, L, L, R, przy czym wszystkie obrazy L są wysyłane do lewego oka, a wszystkie obrazy R są wysyłane do prawego oka za pomocą fizycznego urządzenia znanego jako „bariera paralaksy” (ryc. 2). Ta technika, znana od prawie 70 lat, może być oczywiście stosowana do każdego obrazu-czy to Zdjęcia, czy obrazy-nie tylko wyświetlacz LCD, pod warunkiem oczywiście, że lewy i prawy obraz może być przeplatany w lewe i prawe paski obrazu, aby pracować z barierą paralaksy.

wadą bariery paralaksy jest to, że ponieważ każde oko może widzieć tylko połowę pikseli, światło poruszające się w” złym ” kierunku – tj. od paska L do prawego oka lub od paska R do lewego oka – jest pochłaniane przez barierę. Zmniejsza to intensywność wyświetlania o około połowę i zmniejsza rozdzielczość. W praktyce oznacza to, że gdy wyświetlacz jest używany w konwencjonalnym trybie 2D, należy usunąć barierę paralaksy. W większości wyświetlaczy 3D, takich jak telefon komórkowy Sharp 3d, osiąga się to poprzez stworzenie bariery z warstwy ciekłokrystalicznej, którą można włączać lub wyłączać elektrycznie.

o wiele wydajniej byłoby zrezygnować z bariery paralaksy i zamiast tego użyć soczewek, które są przezroczyste, aby przekierować światło L i R do odpowiedniego oka. Rzeczywiście, naukowcy opracowali już wysokiej jakości cylindryczne soczewki wykorzystujące ciekłe kryształy, które mogą to zrobić. Zasada jest prosta: ponieważ współczynnik załamania światła ciekłych kryształów zmienia się wraz z napięciem, soczewki wykonane z tych materiałów mogą być włączane „po przyłożeniu napięcia i” wyłączane „po usunięciu napięcia. Cylindryczne soczewki ciekłokrystaliczne zastępują barierę paralaksy, kierując światło we właściwym kierunku (Rysunek 3). Technologia ta prawdopodobnie podwoi w przyszłości wydajność wyświetlaczy 3D bez okularów, a wiele firm będzie aktywnie prowadzić badania nad nimi.

jedną z wad technologii paralaksy jest to, że użytkownik musi siedzieć w określonej pozycji względem ekranu. Technika „śledzonej pozycji oglądania” pozwala natomiast na oglądanie ekranów 3D bez okularów pod dowolnym kątem, śledząc pozycję głowy użytkownika. Można to osiągnąć na przykład poprzez zamontowanie laptopa z kamerą internetową skierowaną przodem do kierunku jazdy, aby zidentyfikować lokalizację twarzy i oczu użytkownika. Technologia ta jest już powszechna w wielu aparatach cyfrowych sprzedawanych na ulicach, aby zapewnić, że twarz automatycznie staje się centrum ostrości. Wszystko, co jest potrzebne do oglądania 3D bez okularów, to automatycznie regulowana bariera paralaksy, która może zmieniać kąt widzenia lewego i prawego obrazu. Kamera może następnie zidentyfikować pozycję użytkownika, podczas gdy bariera paralaksy kieruje lewą i prawą perspektywę pod odpowiednim kątem.

ta regulacja może być przeprowadzona za pomocą algorytmów śledzenia twarzy zapisanych na układach przetwarzania obrazu, które działają bardzo wydajnie, co oznacza, że nie jest wymagana zbyt duża moc obliczeniowa. Kamera może również monitorować odległość użytkownika od ekranu i odpowiednio dostosowywać obrazy. W praktyce widz może poruszać się do 30 cm od idealnej odległości oglądania, podczas gdy ich ruch w bok jest ograniczony do około ±30° od normalnego. W zasadzie możliwe jest przyjęcie więcej niż jednego użytkownika, ale znacznie zwiększa się złożoność systemu. Oprócz swobodnego poruszania się widza, inną zaletą systemu śledzenia pozycji oglądania jest to, że jeśli obraz pochodzi ze sceny Wygenerowanej komputerowo, punkt widzenia można dostosować do pozycji użytkownika. Na przykład, widz może dosłownie rozejrzeć się po boku obiektu (powiedzmy sześcianu), aby ukazać jego niewidoczne wcześniej twarze.

jeśli chodzi o trzecią metodę generowania bez okularów 3D-multi-view – jej celem jest praca z szerokim zakresem pozycji oglądania i wieloma widzami. Aby to zrobić, wyświetlacz wyświetla nie tylko dwie perspektywy, ale zazwyczaj osiem lub więcej. Użytkownik może następnie ustawić oczy, aby zobaczyć perspektywy 1 i 3 lub 2 i 4 itp., dzięki czemu efekt 3D można osiągnąć z szerokiego zakresu kątów. System multi-view z, powiedzmy, ośmioma widokami wymaga ośmiokrotnie większej rozdzielczości niż system 2D, a pewna pomysłowość jest wymagana do syntezy ośmiu widoków lub przesyłania ich w dostępnej przepustowości telewizyjnej. Niemniej jednak technologia ta jest prawdopodobnie najsilniejszym konkurentem dla telewizorów 3D bez okularów, a zarówno Philips, jak i Toshiba wprowadziły już na rynek telewizor multi-view.

przewiń do przodu

jak już omówiliśmy, Firma Sharp zaprojektowała i zbudowała ciekłokrystaliczny ekran na jednym ze swoich telefonów komórkowych, który działa jako przełączalna bariera paralaksy. Używany w połączeniu z konwencjonalnym wyświetlaczem ciekłokrystalicznym wyposażonym w stereoskopowe dane wejściowe, system ten zapewnia wysokiej jakości obrazy 3D bez okularów. Jednak branża mediów elektronicznych ma wizję przyszłości, w której wyświetlacze 3D są nie tylko produktem niszowym, ale integralną częścią współczesnego życia. Oznacza to systemy kina domowego pokazujące filmy 3D, gry komputerowe odtwarzane z wciągającym środowiskiem 3D i zdjęcia z wakacji prezentowane z głębią.

możemy zatem oczekiwać, że różne metody generowania 3D staną się dostępne dla różnych aplikacji, a w ramach każdej metody możemy spodziewać się ulepszonych technologii optycznych i nowych powiązanych technologii, takich jak te umożliwiające interakcję 3D. Jest wysoce prawdopodobne, że wszystkie takie urządzenia będą wykorzystywać szczególne właściwości elektrooptyczne ciekłych kryształów. Produkty prezentowane na wystawie Royal Society zeszłego lata, które już w tym roku trafiają na rynek, to dopiero początek.

Leave a Reply

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.