Optical physics

liquid-crystal displays that let viewers watch images in 3D are the latest success story in the electronics industry – the only problem being that special spectacles are required. Mas, como Jonathan Mather explica, de cristal líquido a tecnologia também é ideal para “sem óculos” displays 3D

Uma visão em 3D

“Uau, isso é incrível” foi, pelo menos, um visitante da reação de no ano passado o Verão da Ciência Exposição na Royal Society, em Londres. Seu entusiasmo não se deveu principalmente à presença da Rainha, que já havia aberto a exposição como parte das celebrações do 350º aniversário da sociedade. Em vez disso, sua emoção se resumia às mais recentes exibições de cristal líquido em exibição nos laboratórios Sharp em Oxford. Os espectadores puderam assistir imagens em movimento em 3D em um laptop-sem a necessidade de óculos especiais. Eles podiam ver pombos sendo alimentados em St Marks Square, Veneza, com os pássaros aparentemente descendo de seus ombros, ou eles poderiam entrar em uma aventura 3D enquanto perseguiam os bandidos no jogo de computador interativo Quake.

a tela 3D sem óculos em exibição na Royal Society foi apenas o último exemplo da revolução provocada por telas de cristal líquido, que agora permitem que imagens em movimento sejam vistas em tudo, desde telefones celulares e televisores de tela plana de 46 polegadas até jogos eletrônicos pessoais portáteis e o iPad e outros tablets. Mas é incrível pensar que é só 40 anos desde que a chave de registo de patente que marcou o nascimento da moderna tela de cristal líquido, uma tecnologia tão bem sucedida que a sua sigla, LCD, é instantaneamente reconhecida até mesmo por não-cientistas. Embora os diodos emissores de luz orgânicos( OLEDs), plasmas e “tinta eletrônica” também estejam mudando a natureza da tela moderna, são as propriedades notáveis dos cristais líquidos que agora estão na vanguarda da tecnologia de exibição 3D.

imagens em 3D

assistir imagens em 3D sem óculos é uma experiência verdadeiramente surpreendente, mas vamos primeiro ver como isso se encaixa com outras técnicas de imagem 3D. Existem três técnicas principais-estereoscópicas, holográficas e volumétricas – todas operando nos mesmos princípios, independentemente de a tela usar cristais líquidos, plasmas ou OLEDs. Cada um tem vantagens e desvantagens em termos de realismo, complexidade, tamanho e custo, mas o mais comercialmente viável método, que é usado na maioria dos televisores 3D tomar a rua pela tempestade, envolve mostrando uma perspectiva diferente de uma imagem para cada um dos nossos olhos. Essa técnica “estereoscópica” imita o mundo real, onde cada olho vê uma perspectiva diferente e o cérebro “funde” as duas imagens para criar uma percepção 3D do ambiente (figura 1A).

a tarefa de exibir imagens separadamente para o olho esquerdo e Direito foi abordada de várias maneiras engenhosas ao longo dos anos. Testado em cinemas já na década de 1950, a abordagem com a qual muitas pessoas estarão familiarizadas envolve o usuário usando óculos com lentes coloridas vermelhas e azuis separadas no olho esquerdo e direito, respectivamente. A ideia aqui é que uma imagem seja dividida em canais vermelhos, verdes e azuis, com o olho esquerdo vendo apenas a imagem vermelha e o olho direito vendo apenas as imagens verdes e azuis.

sistemas mais recentes eliminam as lentes coloridas e, em vez disso, usam óculos que transmitem e bloqueiam alternadamente a luz para cada olho. Em outras palavras, as lentes atuam como “persianas ópticas” para que, a qualquer momento, um olho possa ver uma imagem estática, mas o outro não. Se rotularmos as sucessivas imagens estáticas de um filme L1, R1, L2, R2, L3, R3 e assim por diante, o olho esquerdo vê apenas as “cenas L” e o olho direito vê apenas as “cenas R”. Esses óculos exigem vários bits de eletrônica para fazê-los funcionar, enquanto as próprias cenas são atualizadas em frequências de tipicamente 120 Hz ou 240 Hz. (Uma abordagem alternativa-comum com telas de projeção encontradas em pubs para assistir esportes – é que as cenas L E R sejam exibidas com diferentes polarizações, o que exige que o usuário use óculos escuros contendo lentes com diferentes polarizações.)

as imagens produzidas usando esta abordagem estereoscópica podem saltar para fora da tela com realismo surpreendente. No entanto, as imagens estereoscópicas não são perfeitas porque todos os objetos neles estão em foco, independentemente da posição 3D pretendida. No mundo real, em contraste, diferentes profundidades de uma imagem 3D estão em foco em diferentes posições. Uma técnica para criar imagens 3D que lida com o foco corretamente é a holografia (figura 1b). Os hologramas são criados gravando em um material fotossensível o padrão de interferência criado quando a luz refletida coerente de um objeto se sobrepõe a um feixe de referência coerente do mesmo comprimento de onda. O padrão é armazenado como uma mudança na absorção, Índice de refração ou espessura do material fotossensível e uma cópia do objeto pode ser recriada iluminando o padrão com um laser de leitura. Um holograma 3D é essencialmente como ter uma pilha de imagens 2D de alta resolução, onde cada imagem representa um plano de imagem diferente.

a grande vantagem com um holograma 3D é que a percepção de tridimensionalidade de um espectador é total porque, para mudar de olhar para um objeto perto da frente da cena para um objeto na parte de trás, o espectador precisa ajustar o foco de seus olhos. Infelizmente, criar e controlar frentes de onda ópticas com precisão suficiente para gerar imagens holográficas realistas requer monitores com densidades de pixels normalmente milhares de vezes maiores do que os encontrados nos LCDs comerciais de hoje, bem como quantidades prodigiosas de poder de processamento de computador para lidar com os volumes de dados necessários. Portanto, embora suas imagens sejam superiores, ainda é necessária mais inovação técnica antes que as telas holográficas se tornem uma realidade comercial.A Estereoscopia, em contraste, depende do fato de que nossos cérebros são bons em deduzir a profundidade de nossos olhos direito e esquerdo com diferentes perspectivas de uma imagem. Na prática, isso significa que uma tela estereoscópica pode criar uma imagem 3D usando apenas o dobro da quantidade de dados que uma tela “normal” precisa para fazer uma imagem 2D, e é por isso que eles estão se mostrando tão promissores comercialmente.

a terceira abordagem para fazer displays 3D é acabar com os pixels 2D convencionais dispostos em um plano e, em vez disso, usar 3D, pixels volumétricos ou “voxels”. Uma maneira de criar esses voxels é usar Projetores brilhando em uma tela giratória (figura 1c). Ao sincronizar os projetores com a tela, a luz pode ser refletida da tela em qualquer posição dentro do volume cilíndrico que varre. Embora as telas volumétricas possam criar uma forte impressão 3D, um obstáculo é que a luz projetada no volume da tela é livre para se propagar por todo esse espaço. Isso pode tornar os itens transparentes, com objetos supostamente escondidos atrás de outros tendendo a” brilhar ” aqueles na frente. Displays volumétricos também tendem a ser bastante volumosos.

estereoscopia sem óculos

até agora, descrevemos displays 3D estereoscópicos baseados em óculos, mas o que todos querem é acabar com os óculos completamente. Esta é uma área ativa de pesquisa que está sendo perseguida por provavelmente todas as grandes empresas de displays e da qual novos produtos de consumo estão começando a surgir. A Nintendo, por exemplo, já lançou seu console de jogos Nintendo 3DS sem óculos, enquanto os telefones celulares 3D estão disponíveis na Sharp.

todos esses monitores sem óculos são baseados em estereoscopia e o desafio é garantir que diferentes imagens sejam direcionadas a cada olho. Existem três métodos principais para conseguir isso, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens, dependendo do que possa ser usado. A abordagem mais comum é onde o usuário tem que se sentar em uma posição fixa na frente da tela, e isso é usado, por exemplo, no Nintendo 3DS, no telefone celular LYNX 3D Sh-03C da Sharp e na tela na Parte Traseira Da Câmera W3 3D da Fujifilm. A próxima abordagem envolve o rastreamento da exibição da posição de visualização do Usuário e, embora atualmente não haja produtos usando isso atualmente no mercado, os projetos de protótipos foram exibidos em exposições do setor nos últimos anos. A aderência final é “multi view”, que já é encontrada em alguns televisores 3D sem óculos, embora eles não tenham feito grandes incursões no mercado ainda em parte porque não é fácil gerar multi-view 3D sem alterar os padrões de transmissão.

o método “posição fixa” assume que o usuário visualiza a tela de frente para que seu olhar esteja a 90° da própria tela (figura 1A)-uma suposição válida para a maioria dos dispositivos móveis. A imagem é separada em pequenas listras L, R, L, R, L, R, com todos os L as imagens enviadas para o olho esquerdo e todos os R as imagens enviadas para o olho direito, por meio de um dispositivo físico conhecido como “barreira paralaxe” (figura 2). Esta técnica, que é conhecida há quase 70 anos, poderia, é claro, ser aplicada a qualquer imagem – sejam fotos ou pinturas-não apenas um display LCD, desde que as imagens esquerda e direita possam ser entrelaçadas em listras de imagem esquerda e direita para trabalhar com a barreira de paralaxe.

uma desvantagem da barreira de paralaxe é que, como cada olho pode ver apenas metade dos pixels, a luz que viaja na direção “errada” – ou seja, de uma faixa L para o olho direito ou da faixa R para o olho esquerdo – é absorvida pela barreira. Isso reduz a intensidade da tela em cerca de metade e reduz a resolução. Em termos práticos, isso significa que, quando a tela está sendo usada no modo 2D convencional, a barreira de paralaxe deve ser removida. Na maioria dos monitores 3D, como o celular 3d da Sharp, isso é conseguido fazendo a barreira de uma camada de cristal líquido que pode ser ligada ou desligada eletricamente.É claro que seria muito mais eficiente dispensar uma barreira de paralaxe e, em vez disso, usar lentes, que são transparentes, para redirecionar a luz L E R para o olho apropriado. De fato, os pesquisadores já desenvolveram lentes cilíndricas de alta qualidade usando cristais líquidos que podem fazer exatamente isso. O princípio é simples: como o índice de refração dos cristais líquidos varia com a tensão, as lentes feitas com esses materiais podem ser ligadas quando uma tensão é aplicada e desligadas quando a tensão é removida. Essas lentes cilíndricas de cristal líquido substituem a barreira de paralaxe, redirecionando a luz na direção correta (Figura 3). Essa tecnologia provavelmente dobrará a eficiência dos monitores 3D sem óculos no futuro, com muitas empresas conhecidas por estarem realizando pesquisas ativamente sobre eles.

uma desvantagem da tecnologia parallax é que o usuário precisa se sentar em uma determinada posição em relação à tela. A técnica de” posição de visualização rastreada”, em contraste, permite que as telas 3D sejam visualizadas sem óculos de qualquer ângulo, rastreando a posição da cabeça do Usuário. Isso pode ser conseguido, por exemplo, ajustando um laptop com uma câmera web voltada para a frente para identificar a localização do rosto e dos olhos do Usuário. De fato, essa tecnologia já é comum em muitas câmeras digitais vendidas na rua Para garantir que um rosto se torne automaticamente o centro do foco. Tudo o que é necessário para a visualização 3D sem óculos é uma barreira de paralaxe automaticamente ajustável que pode alterar o ângulo em que as imagens esquerda e direita são vistas. A câmera pode então identificar a posição do usuário, enquanto a barreira de paralaxe direciona as perspectivas esquerda e direita no ângulo apropriado.

este ajuste pode ser realizado usando algoritmos de rastreamento facial gravados em chips de processamento de imagem, que operam de forma muito eficiente, o que significa que não é necessário muito poder de processamento. A câmera também pode monitorar a que distância um usuário está sentado da tela e ajustar as imagens de acordo. Na prática, o espectador pode se mover até 30 cm da distância de visualização ideal, enquanto seu movimento lado a lado é limitado a cerca de ±30° do normal. Acomodar mais de um usuário é, em princípio, possível, mas a complexidade do sistema é significativamente aumentada. Além do espectador ser livre para se mover, a outra vantagem do sistema de posição de visualização rastreada é que, se a imagem for de uma cena gerada por computador, o ponto de vista pode ser ajustado de acordo com a posição do Usuário. Por exemplo, um espectador poderia literalmente olhar ao redor do lado de um objeto (um cubo, digamos) para trazer rostos anteriormente invisíveis dele à vista.

quanto ao terceiro método para gerar óculos-3D – Multi-view – seu objetivo é trabalhar com uma ampla gama de posições de visualização e vários visualizadores. Para fazer isso, a tela produz não apenas duas perspectivas, mas normalmente oito ou mais. O usuário pode então posicionar seus olhos para ver as perspectivas 1 e 3, ou 2 e 4, etc, de modo que o efeito 3D pode ser alcançado a partir de uma ampla gama de Ângulos. Um sistema Multi-view com, digamos, oito visualizações requer resolução oito vezes maior do que um sistema 2D, e alguma engenhosidade é necessária para sintetizar as oito visualizações ou transmiti-las na largura de banda de televisão disponível. No entanto, essa tecnologia é provavelmente a mais forte candidata à televisão 3D sem óculos, com Philips e Toshiba já tendo lançado uma televisão Multi-view no mercado.

avanço rápido

como discutimos, a Sharp já projetou e construiu uma tela de cristal líquido em um de seus telefones celulares que funciona como uma barreira de paralaxe comutável. Usado em conjunto com uma exposição convencional do líquido-cristal fornecida com dados estereoscópicos da entrada, este sistema dá imagens 3D vidros-livres de alta qualidade. No entanto, a indústria de mídia eletrônica tem uma visão do futuro em que as telas 3D não são apenas um produto de nicho, mas parte integrante da vida moderna. Isso significa Sistemas de cinema em casa mostrando filmes 3D, jogos de computador sendo jogados com um ambiente 3D imersivo e fotografias de férias sendo apresentadas com profundidade.Podemos, portanto, esperar que uma variedade de métodos de geração 3D se torne disponível para as diferentes aplicações e, dentro de cada método, podemos esperar tecnologias ópticas aprimoradas e novas tecnologias relacionadas, como aquelas que permitem a interação 3D. É altamente provável que todos esses dispositivos explorem as propriedades eletro-ópticas particulares dos cristais líquidos. Os produtos expostos na exposição da Royal Society no verão passado, que já estão chegando ao mercado este ano, são apenas o começo.

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