ecranele cu cristale lichide care permit spectatorilor să vizioneze imagini în 3D sunt cea mai recentă poveste de succes din industria electronică-singura problemă fiind că sunt necesare ochelari speciali. Dar, după cum explică Jonathan Mather, tehnologia cu cristale lichide este ideală și pentru afișajele 3D „fără ochelari”
„Wow, asta e uimitor” a fost reacția cel puțin a unui vizitator la Expoziția științifică de vară de anul trecut la Royal Society din Londra. Entuziasmul lor nu s-a datorat în primul rând prezenței Reginei, care a deschis mai devreme expoziția ca parte a sărbătorilor de 350 de ani ale societății. Mai degrabă, entuziasmul lor a fost până la cele mai recente afișaje cu cristale lichide expuse de la Sharp Laboratories din Oxford. Spectatorii au putut viziona imagini în mișcare în 3D pe un laptop – fără a fi nevoie de ochelari speciali. Au putut vedea porumbei hrăniți în Piața St Marks, Veneția, cu păsările aparent coborând de pe umeri sau s-au putut răsfăța într-o aventură 3D în timp ce îi urmăreau pe băieții răi în jocul interactiv pe computer Quake.
afișajul 3D fără ochelari prezentat la Royal Society a fost doar cel mai recent exemplu al Revoluției provocate de afișajele cu cristale lichide, care permit acum vizualizarea imaginilor în mișcare pe orice, de la telefoane mobile și televizoare cu ecran plat de 46 inci la jocuri electronice personale de mână și iPad și alte dispozitive comprimat. Cu toate acestea, este uimitor să ne gândim că au trecut doar 40 de ani de la depunerea brevetului cheie care a marcat nașterea afișajului modern cu cristale lichide-o tehnologie atât de reușită încât acronimul său, LCD, este recunoscut instantaneu chiar și de non – oamenii de știință. Deși diodele organice emițătoare de lumină (OLED), plasmele și „cerneala electronică” schimbă, de asemenea, natura afișajului modern, proprietățile remarcabile ale cristalelor lichide sunt acum în fruntea tehnologiei de afișare 3D.
imagistica în 3D
vizionarea imaginilor în 3D fără ochelari este o experiență cu adevărat uluitoare, dar să ne uităm mai întâi la modul în care acest lucru se potrivește cu alte tehnici de imagistică 3d. Există trei tehnici principale – stereoscopice, holografice și volumetrice – toate funcționând pe aceleași principii, indiferent dacă ecranul folosește cristale lichide, plasme sau OLED-uri. Fiecare are avantaje și dezavantaje în ceea ce privește realismul, complexitatea, dimensiunea și costul, dar metoda cea mai viabilă din punct de vedere comercial, care este utilizată în cea mai mare parte a televizoarelor 3D care iau cu asalt strada principală, implică arătarea unei perspective diferite a unei imagini pentru fiecare dintre ochii noștri. Această tehnică ” stereoscopică „imită lumea reală, unde fiecare ochi vede o perspectivă diferită, iar creierul” îmbină ” cele două imagini pentru a crea o percepție 3D a împrejurimilor (figura 1a).
sarcina de a afișa separat imagini la ochiul stâng și Drept a fost abordată într-o varietate de moduri ingenioase de-a lungul anilor. Încercată la cinematografe încă din anii 1950, abordarea cu care mulți oameni vor fi familiarizați implică faptul că utilizatorul poartă ochelari cu lentile separate de culoare roșie și albastră pe ochiul stâng și, respectiv, drept. Ideea aici este că o imagine este împărțită în canale roșii, verzi și albastre, ochiul stâng văzând doar imaginea roșie, iar ochiul drept văzând doar imaginile verzi și albastre.
sistemele mai recente elimină lentilele colorate și folosesc în schimb ochelari care transmit alternativ și blochează lumina către fiecare ochi. Cu alte cuvinte, lentilele acționează ca „obloane optice”, astfel încât în orice moment un ochi poate vedea o imagine statică, dar celălalt nu poate. Dacă etichetăm imaginile statice succesive ale unui film L1, R1, L2, R2, L3, R3 și așa mai departe, atunci ochiul stâng vede doar „scenele l”, iar ochiul drept vede doar „scenele R”. Aceste ochelari necesită diferite biți de electronice pentru a le face să funcționeze, în timp ce scenele în sine sunt actualizate la frecvențe de obicei 120 Hz sau 240 Hz. (O abordare alternativă-comună cu ecranele de proiecție găsite în pub – uri pentru a viziona sportul-este ca scenele L și R să fie afișate cu polarizări diferite, ceea ce impune utilizatorului să poarte ochelari întunecați care conțin lentile cu polarizări diferite.)
imaginile produse folosind această abordare stereoscopică pot sări de pe ecran cu un realism surprinzător. Cu toate acestea, imaginile stereoscopice nu sunt perfecte, deoarece toate obiectele din ele sunt focalizate, indiferent de poziția lor 3d intenționată. În lumea reală, în schimb, diferite adâncimi ale unei imagini 3D sunt focalizate în poziții diferite. O tehnică pentru crearea de imagini 3D care se ocupă corect de focalizare este holografia (figura 1b). Hologramele sunt create prin înregistrarea într-un material fotosensibil a modelului de interferență creat atunci când lumina reflectată coerentă dintr-un obiect se suprapune cu un fascicul de referință coerent de aceeași lungime de undă. Modelul este stocat ca o modificare a absorbției, a indicelui de refracție sau a grosimii materialului fotosensibil și o copie a obiectului poate fi recreată prin iluminarea modelului cu un laser citit. O hologramă 3D este, în esență, ca având un teanc de imagini 2D de înaltă rezoluție, în cazul în care fiecare imagine reprezintă un plan de imagine diferit.
marele avantaj al unei holograme 3D este că percepția privitorului asupra tridimensionalității este totală, deoarece pentru a trece de la privirea unui obiect din fața scenei la un obiect din spate, privitorul trebuie să ajusteze focalizarea ochilor. Din păcate, crearea și controlul fronturilor de undă optice cu suficientă precizie pentru a genera imagini holografice realiste necesită afișaje cu densități de pixeli de obicei de mii de ori mai mari decât se găsesc în LCD-urile comerciale de astăzi, precum și cantități prodigioase de putere de procesare a computerului pentru a gestiona volumele de date necesare. Deci, deși imaginile lor sunt superioare, este încă necesară o inovație tehnică suplimentară înainte ca afișajele holografice să devină o realitate comercială.
Stereoscopia, în schimb, se bazează pe faptul că creierul nostru este bun la deducerea adâncimii din ochii noștri drepți și stângi având perspective diferite ale unei imagini. În practică, acest lucru înseamnă că un afișaj stereoscopic poate crea o imagine 3D folosind doar de două ori cantitatea de date de care are nevoie un afișaj „normal” pentru a face o imagine 2D, motiv pentru care se dovedesc atât de promițătoare din punct de vedere comercial.
a treia abordare a realizării afișajelor 3D este de a elimina pixelii 2D convenționali aranjați într-un plan și de a folosi în schimb pixeli 3D, volumetrici sau „voxeli”. O modalitate de a crea astfel de voxeli este utilizarea proiectoarelor care strălucesc la un ecran rotativ (figura 1c). Prin sincronizarea proiectoarelor cu ecranul, lumina poate fi reflectată de pe ecran în orice poziție din volumul cilindric pe care îl mătură. Deși afișajele volumetrice pot crea o impresie 3D puternică, o problemă este că lumina proiectată în volumul afișajului este liberă să se propage în acest spațiu. Acest lucru poate face obiectele transparente, obiectele presupuse ascunse în spatele altora având tendința de a „străluci” prin cele din față. Afișajele volumetrice tind, de asemenea, să fie destul de voluminoase.
stereoscopie fără ochelari
până acum am descris afișaje 3D stereoscopice pe bază de ochelari, dar ceea ce își dorește toată lumea este să elimine complet ochelarii. Acesta este un domeniu activ de cercetare urmărit probabil de fiecare companie majoră de afișaje și din care încep să apară noi produse de consum. Nintendo, de exemplu, și-a lansat deja consola de jocuri Nintendo 3DS fără ochelari, în timp ce telefoanele mobile 3D sunt disponibile de la Sharp.
toate aceste afișaje fără ochelari se bazează pe stereoscopie, iar provocarea este să se asigure că diferite imagini sunt direcționate către fiecare ochi. Există trei metode principale de realizare a acestui lucru, fiecare dintre acestea având propriile avantaje și dezavantaje, în funcție de ce ar putea fi utilizat. Cea mai obișnuită abordare este aceea în care utilizatorul trebuie să stea într-o poziție fixă în fața ecranului, iar acest lucru este utilizat, de exemplu, pe Nintendo 3DS, telefonul mobil LYNX 3d Sh-03C al Sharp și pe afișajul din spatele camerei W3 3D a Fujifilm. Următoarea abordare implică afișarea urmăririi poziției de vizionare a utilizatorului și, deși în prezent nu există produse care să utilizeze acest lucru în prezent pe piață, proiectele de prototipuri au fost prezentate la expozițiile din industrie în ultimii ani. Abordarea finală este „multi view”, care se găsește deja în unele televizoare 3D fără ochelari, deși nu au făcut încă mari incursiuni pe piață, parțial pentru că nu este ușor să generați 3D multi-view fără a schimba standardele de difuzare.
metoda „poziție fixă” presupune că utilizatorul vizualizează afișajul frontal, astfel încât privirea sa să fie la 90 de centimi față de afișajul propriu-zis (figura 1a)-o ipoteză valabilă pentru majoritatea dispozitivelor mobile. Imaginea este separată în dungi minuscule L, R, L, R, L, R, Toate imaginile L fiind trimise la ochiul stâng și toate imaginile R fiind trimise la ochiul drept prin intermediul unui dispozitiv fizic cunoscut sub numele de „barieră de paralaxă” (figura 2). Această tehnică, cunoscută de aproape 70 de ani, ar putea fi aplicată, desigur, oricărei imagini – fie că sunt fotografii sau picturi – nu doar unui afișaj LCD, cu condiția ca imaginile din stânga și din dreapta să poată fi intercalate în dungi de imagine din stânga și din dreapta pentru a lucra cu bariera de paralaxă.
un dezavantaj al barierei de paralaxă este că, deoarece fiecărui ochi i se permite să vadă doar jumătate din pixeli, lumina care călătorește în direcția „greșită” – adică de la o bandă L la ochiul drept sau de la banda R la ochiul stâng – este absorbită de barieră. Aceasta reduce intensitatea de pe afișaj cu aproximativ jumătate și reduce rezoluția. În termeni practici, aceasta înseamnă că atunci când afișajul este utilizat în modul 2D convențional, bariera de paralaxă trebuie eliminată. În majoritatea afișajelor 3D, cum ar fi telefonul mobil 3D al lui Sharp, acest lucru se realizează prin realizarea barierei dintr-un strat de cristal lichid care poate fi pornit sau oprit electric.
desigur, ar fi mult mai eficient să renunțăm la o barieră de paralaxă și să folosim în schimb lentile, care sunt transparente, pentru a redirecționa lumina L și R către ochiul adecvat. Într-adevăr, cercetătorii au dezvoltat deja lentile cilindrice de înaltă calitate folosind cristale lichide care pot face exact asta. Principiul este simplu: deoarece indicele de refracție al cristalelor lichide variază în funcție de tensiune, lentilele fabricate din aceste materiale pot fi pornite „pe” atunci când se aplică o tensiune și „oprite” atunci când tensiunea este îndepărtată. Aceste lentile cilindrice cu cristale lichide iau locul barierei de paralaxă, redirecționând lumina în direcția corectă (figura 3). Este posibil ca această tehnologie să dubleze eficiența afișajelor 3D fără ochelari în viitor, multe companii cunoscute efectuând în mod activ cercetări asupra acestora.
un dezavantaj al tehnologiei parallax este că utilizatorul trebuie să stea într-o anumită poziție în raport cu ecranul. În schimb, tehnica” poziției de vizionare urmărite ” permite vizualizarea ecranelor 3D fără ochelari din orice unghi, urmărind poziția capului utilizatorului. Acest lucru ar putea fi realizat, de exemplu, prin montarea unui laptop cu o cameră web orientată spre înainte pentru a identifica locația feței și a ochilor utilizatorului. Într-adevăr, această tehnologie este deja comună în multe camere digitale vândute pe high street pentru a se asigura că o față devine automat Centrul de focalizare. Tot ceea ce este necesar pentru vizualizarea 3D fără ochelari este o barieră de paralaxă reglabilă automat, care poate schimba unghiul la care sunt văzute imaginile din stânga și din dreapta. Camera poate identifica apoi poziția utilizatorului, în timp ce bariera de paralaxă direcționează perspectivele stânga și dreapta la unghiul corespunzător.
această ajustare poate fi efectuată folosind algoritmi de urmărire a feței scrise pe cipuri de procesare a imaginilor, care funcționează foarte eficient, ceea ce înseamnă că nu este necesară prea multă putere de procesare. De asemenea, camera poate monitoriza cât de departe stă un utilizator de ecran și poate regla imaginile în consecință. În practică, privitorul se poate deplasa până la 30 cm de la distanța ideală de vizionare, în timp ce mișcarea lor laterală este limitată la aproximativ 30 de centimetrii față de normal. Cazarea mai multor utilizatori este, în principiu, posibilă, dar complexitatea sistemului este semnificativ crescută. Pe lângă faptul că privitorul este liber să se deplaseze, celălalt avantaj al sistemului de vizualizare a poziției urmărite este că, dacă imaginea se întâmplă să fie dintr-o scenă generată de computer, punctul de vedere ar putea fi ajustat în funcție de poziția utilizatorului. De exemplu, un spectator ar putea privi literalmente în jurul părții unui obiect (un cub spune) pentru a aduce în vedere fețele nevăzute anterior ale acestuia.
în ceea ce privește a treia metodă de generare a ochelarilor 3D-multi – view-scopul său este de a lucra cu o gamă largă de poziții de vizionare și mai mulți spectatori. Pentru a face acest lucru, afișajul afișează nu doar două perspective, ci de obicei opt sau mai multe. Utilizatorul poate poziționa apoi ochii pentru a vedea perspectivele 1 și 3, sau 2 și 4, etc, astfel încât efectul 3D poate fi realizat dintr-o gamă largă de unghiuri. Un sistem multi-view Cu, să zicem, opt vizualizări necesită o rezoluție de opt ori mai mare decât un sistem 2D și este necesară o anumită ingeniozitate pentru a sintetiza cele opt vizualizări sau a le transmite în lățimea de bandă disponibilă pentru televiziune. Cu toate acestea, această tehnologie este probabil cel mai puternic concurent pentru televiziunea 3D fără ochelari, atât Philips, cât și Toshiba au lansat deja un televizor multi-view pe piață.
Fast forward
după cum am discutat, Sharp a proiectat și construit deja un ecran cu cristale lichide pe unul dintre telefoanele sale mobile care funcționează ca o barieră de paralaxă comutabilă. Utilizat în tandem cu un afișaj convențional cu cristale lichide prevăzut cu date de intrare stereoscopice, acest sistem oferă imagini 3D fără ochelari de înaltă calitate. Cu toate acestea, industria media electronică are o viziune asupra viitorului în care afișajele 3D nu sunt doar un produs de nișă, ci o parte integrantă a vieții moderne. Asta înseamnă sisteme home-cinema care prezintă filme 3D, jocuri pe calculator fiind jucat cu un mediu 3D captivantă, și fotografii de vacanță fiind prezentate cu profunzime.
prin urmare, ne putem aștepta ca o varietate de metode de generare 3D să devină disponibile pentru diferite aplicații, iar în cadrul fiecărei metode ne putem aștepta la tehnologii optice îmbunătățite și la noi tehnologii conexe, cum ar fi cele care permit interacțiunea 3D. Este foarte probabil ca toate aceste dispozitive să exploateze proprietățile electro-optice particulare ale cristalelor lichide. Produsele expuse la Expoziția Royal Society vara trecută, care vin deja pe piață anul acesta, sunt doar începutul.