Barrera de paralaje - Parallax barrier

Comparación de pantallas autoestereoscópicas lenticulares y de barrera de paralaje . Nota: La figura no está a escala. Las lentículas se pueden modificar y se pueden usar más píxeles para hacer pantallas automultiscópicas

Una barrera de paralaje es un dispositivo que se coloca frente a una fuente de imagen, como una pantalla de cristal líquido , para permitirle mostrar una imagen estereoscópica o multiscópica sin la necesidad de que el espectador use gafas 3D . Colocado frente a la pantalla LCD normal, consiste en una capa opaca con una serie de ranuras espaciadas con precisión, lo que permite que cada ojo vea un conjunto diferente de píxeles , creando así una sensación de profundidad a través del paralaje en un efecto similar al que produce la impresión lenticular. para productos impresos y lentes lenticulares para otras pantallas. Una desventaja del método en su forma más simple es que el espectador debe colocarse en un lugar bien definido para experimentar el efecto 3D. Sin embargo, las versiones recientes de esta tecnología han abordado este problema mediante el uso de seguimiento facial para ajustar las posiciones relativas de los píxeles y las ranuras de barrera de acuerdo con la ubicación de los ojos del usuario, lo que le permite experimentar el 3D desde una amplia gama de posiciones. Otra desventaja es que el recuento de píxeles horizontales visibles por cada ojo se reduce a la mitad, lo que reduce la resolución horizontal general de la imagen.

Historia

Diagrama de Berthier: AB = placa de vidrio, con ab = líneas opacas, P = imagen, O = ojos, cn = vistas bloqueadas y permitidas ( Le Cosmos 05-1896)

El principio de la barrera de paralaje fue inventado de forma independiente por Auguste Berthier, quien publicó un artículo sobre imágenes estereoscópicas que incluía su nueva idea ilustrada con un diagrama e imágenes con dimensiones deliberadamente exageradas de las tiras de imágenes entrelazadas, y por Frederic E. Ives , quien hizo y exhibió una imagen autoestereoscópica funcional en 1901. Aproximadamente dos años después, Ives comenzó a vender imágenes de muestras como novedades, el primer uso comercial conocido.

A principios de la década de 2000, Sharp desarrolló la aplicación electrónica de pantalla plana de esta antigua tecnología para la comercialización, vendiendo brevemente dos computadoras portátiles con las únicas pantallas LCD 3D del mundo. Estas pantallas ya no están disponibles en Sharp, pero aún se fabrican y desarrollan en otras compañías como Tridelity y SpatialView. Del mismo modo, Hitachi ha lanzado el primer teléfono móvil 3D para el mercado japonés distribuido por KDDI. En 2009, Fujifilm lanzó la cámara digital Fujifilm FinePix Real 3D W1 , que cuenta con una pantalla LCD autoestereoscópica incorporada que mide 2.8 "de diagonal. Nintendo también ha implementado esta tecnología en sus consolas de juegos portátiles, New Nintendo 3DS y New Nintendo 3DS XL . después de incluirlo por primera vez en la consola anterior, la Nintendo 3DS .

Aplicaciones

Además de las películas y los juegos de computadora, la técnica ha encontrado usos en áreas como el modelado molecular y la seguridad aeroportuaria . También se utiliza para el sistema de navegación en el Range Rover modelo 2010 , lo que permite al conductor ver (por ejemplo) direcciones GPS, mientras un pasajero mira una película. También se utiliza en la consola de juegos portátil Nintendo 3DS y los teléfonos inteligentes Optimus 3D y Thrill de LG , EVO 3D de HTC y la serie de teléfonos inteligentes Galapagos de Sharp.

La tecnología es más difícil de aplicar para los televisores 3D, debido al requisito de una amplia gama de ángulos de visión posibles. Una pantalla 3D de Toshiba de 21 pulgadas utiliza tecnología de barrera de paralaje con 9 pares de imágenes para cubrir un ángulo de visión de 30 grados.

Diseño

Las ranuras en la barrera de paralaje permiten al espectador ver solo los píxeles de la imagen izquierda desde la posición de su ojo izquierdo, los píxeles de la imagen derecha desde el ojo derecho. Al elegir la geometría de la barrera de paralaje, los parámetros importantes que deben optimizarse son; la separación de la barrera de píxeles d, el paso de la barrera de paralaje f, la apertura de píxeles a, y la anchura de la ranura de la barrera de paralaje b.

Un diagrama de sección transversal de una barrera de paralaje, con todas sus dimensiones importantes etiquetadas.

Separación de píxeles

Cuanto más cerca esté la barrera de paralaje de los píxeles, mayor será el ángulo de separación entre las imágenes izquierda y derecha. Para una visualización estereoscópica, las imágenes izquierda y derecha deben llegar a los ojos izquierdo y derecho, lo que significa que las vistas deben estar separadas solo unos pocos grados. La separación de la barrera de píxeles d para este caso se puede derivar de la siguiente manera.

De la ley de Snell:

Para ángulos pequeños: y

Por lo tanto:

Para una visualización auto-estereoscópica típica de tamaño de píxel de 65 micrómetros, separación de ojos de 63 mm, distancia de visualización de 30 cm e índice de refracción de 1,52, la separación de la barrera de píxeles debe ser de aproximadamente 470 micrómetros.

Tono

El paso de una barrera de paralaje idealmente debería ser aproximadamente dos veces el paso de los píxeles, pero el diseño óptimo debería ser un poco menor que esto. Esta perturbación en el tono de la barrera compensa el hecho de que los bordes de una pantalla se ven en un ángulo diferente al del centro, permite que las imágenes izquierda y derecha apunten a los ojos de manera apropiada desde todas las posiciones de la pantalla.

a). Si la barrera de paralaje tuviera exactamente el doble del tono de los píxeles, se alinearía en sincronización con el píxel en toda la pantalla. Las vistas izquierda y derecha se emitirían en los mismos ángulos en toda la pantalla. Se puede ver que el ojo izquierdo del espectador no recibe la imagen izquierda de todos los puntos de la pantalla. La pantalla no funciona bien. B). Si se modifica el tono de la barrera, se puede hacer que las vistas converjan, de modo que el espectador vea las imágenes correctas desde todos los puntos de la pantalla. C). Muestra el cálculo que determina el paso de la barrera que se necesita. p es el paso de píxeles, d es la separación de la barrera de píxeles, f es el paso de la barrera.

Apertura de píxeles óptima y ancho de ranura de barrera

En un sistema de barrera de paralaje para una pantalla de alta resolución, el rendimiento (brillo y diafonía) se puede simular mediante la teoría de difracción de Fresnel. De estas simulaciones se puede deducir lo siguiente. Si el ancho de la rendija es pequeño, la luz que pasa por las rendijas se difracta en gran medida, lo que provoca una diafonía. El brillo de la pantalla también se reduce. Si el ancho de la rendija es grande, la luz que pasa por la rendija no se difracta tanto, pero las rendijas más anchas crean diafonía debido a las trayectorias geométricas de los rayos. Por tanto, el diseño sufre más diafonía. Aumenta el brillo de la pantalla. Por lo tanto, el mejor ancho de rendija viene dado por una compensación entre diafonía y brillo.

Posición de barrera

Tenga en cuenta que la barrera de paralaje también puede colocarse detrás de los píxeles de la pantalla LCD. En este caso, la luz de una rendija pasa el píxel de la imagen izquierda en la dirección izquierda y viceversa. Esto produce el mismo efecto básico que una barrera de paralaje frontal.

Técnicas para cambiar

En un sistema de barrera de paralaje, el ojo izquierdo ve solo la mitad de los píxeles (es decir, los píxeles de la imagen izquierda) y lo mismo ocurre con el ojo derecho. Por lo tanto, la resolución de la pantalla se reduce, por lo que puede ser ventajoso hacer una barrera de paralaje que se pueda activar cuando se necesite 3D o desactivar cuando se requiera una imagen 2D. Un método para encender y apagar la barrera de paralaje es formarla a partir de un material de cristal líquido; la barrera de paralaje se puede crear de manera similar a la forma en que se forma una imagen en una pantalla de cristal líquido.

Una pantalla autoestereoscópica que se puede cambiar entre 2D y 3D. En el modo 3D, la barrera de paralaje se forma con una celda LC, de manera similar a como se crea una imagen en una LCD. En el modo 2D, la celda LC se cambia a un estado transparente de modo que no existe barrera de paralaje. En este caso, la luz de los píxeles de la pantalla LCD puede ir en cualquier dirección y la pantalla actúa como una pantalla LCD 2D normal.

Multiplexación de tiempo para aumentar la resolución

La multiplexación de tiempo proporciona un medio para aumentar la resolución de un sistema de barrera de paralaje. En el diseño mostrado, cada ojo puede ver la resolución completa del panel.

Un diagrama que muestra cómo se puede crear 3D utilizando una barrera de paralaje multiplexada en el tiempo. En el primer ciclo de tiempo, las rendijas de la barrera están dispuestas de forma convencional para una visualización en 3D, y los ojos izquierdo y derecho ven los píxeles del ojo izquierdo y derecho. En el siguiente ciclo de tiempo, las posiciones de las ranuras se cambian (posible porque cada ranura se forma con un obturador LC). En la nueva posición de barrera, el ojo derecho puede ver los píxeles que estaban ocultos en el ciclo de tiempo anterior. Estos píxeles descubiertos están configurados para mostrar la imagen derecha (en lugar de la imagen izquierda que mostraron en el ciclo de tiempo anterior). Lo mismo ocurre con el ojo izquierdo. Este ciclo entre las dos posiciones de la barrera y el patrón de entrelazado permite que ambos ojos vean la imagen correcta de la mitad de los píxeles en el primer ciclo de tiempo y la imagen correcta de la otra mitad de los píxeles en el otro ciclo de tiempo. Los ciclos se repiten cada 50 de segundo para que el cambio no sea perceptible para el usuario, pero el usuario tiene la impresión de que la apariencia de cada ojo es una imagen de todos los píxeles. En consecuencia, la pantalla parece tener resolución completa.

El diseño requiere una pantalla que pueda cambiar lo suficientemente rápido para evitar el parpadeo de la imagen cuando las imágenes intercambian cada cuadro.

Barreras de seguimiento para una mayor libertad de visualización

En un sistema de barrera de paralaje estándar, el espectador debe ubicarse en un lugar apropiado para que las vistas del ojo izquierdo y derecho puedan ser vistas por sus ojos izquierdo y derecho, respectivamente. En un 'sistema 3D con seguimiento', la libertad de visualización se puede aumentar considerablemente rastreando la posición del usuario y ajustando la barrera de paralaje para que las vistas izquierda y derecha siempre se dirijan correctamente a los ojos del usuario. La identificación del ángulo de visión del usuario se puede hacer usando una cámara orientada hacia adelante sobre la pantalla y un software de procesamiento de imágenes que puede reconocer la posición del rostro del usuario. El ajuste del ángulo en el que se proyectan las vistas izquierda y derecha se puede realizar desplazando mecánica o electrónicamente la barrera de paralaje en relación con los píxeles.

Diafonía

La diafonía es la interferencia que existe entre las vistas izquierda y derecha en una pantalla 3D. En una pantalla con alta diafonía, cada ojo puede ver la imagen destinada al otro ojo superpuesta débilmente. La percepción de la diafonía en las pantallas estereoscópicas se ha estudiado ampliamente. En general, se reconoce que la presencia de altos niveles de diafonía en una pantalla estereoscópica es perjudicial. Los efectos de la diafonía en una imagen incluyen: imagen fantasma y pérdida de contraste, pérdida del efecto 3D y resolución de profundidad e incomodidad para el espectador. La visibilidad de la diafonía (efecto fantasma) aumenta al aumentar el contraste y el paralaje binocular de la imagen. Por ejemplo, una imagen estereoscópica con alto contraste exhibirá más imágenes fantasma en una pantalla estereoscópica particular que una imagen con bajo contraste.

Medición

Una técnica para cuantificar el nivel de diafonía de una pantalla 3D implica medir el porcentaje de luz que se desvía de una vista a otra.

Medición de diafonía en pantallas 3D. La diafonía es el porcentaje de luz de una vista que se filtra a la otra vista. Las mediciones y los cálculos anteriores muestran cómo se define la diafonía cuando se mide la diafonía en la imagen de la izquierda. Diagramas a) Dibuje las medidas de intensidad que deben realizarse para diferentes salidas de la pantalla 3D. Tabla b) describe su propósito. La ecuación c) se utiliza para derivar la diafonía. Es la relación de la fuga de luz de la imagen derecha a la imagen izquierda, pero tenga en cuenta que el nivel de negro imperfecto de la pantalla LCD se resta del resultado para que no cambie la relación de diafonía.

La diafonía en un sistema 3D típico basado en una barrera de paralaje en la mejor posición del ojo podría ser del 3%. Los resultados de las pruebas subjetivas llevadas a cabo para determinar la calidad de imagen de las imágenes en 3D concluyen que, para 3D de alta calidad, la diafonía no debería ser superior a alrededor del 1 al 2%.

Causas y contramedidas

La difracción puede ser una causa importante de diafonía. Se ha descubierto que las simulaciones teóricas de difracción son un buen predictor de mediciones experimentales de diafonía en sistemas de barrera de paralaje en emulsión. Estas simulaciones predicen que la cantidad de diafonía causada por la barrera de paralaje dependerá en gran medida de la nitidez de los bordes de las rendijas. Por ejemplo, si la transmisión de la barrera va de opaca a transparente bruscamente a medida que se mueve de barrera a rendija, se produce un patrón de difracción amplio y, en consecuencia, más diafonía. Si la transición es más suave, la difracción no se extenderá tanto y se producirá menos diafonía. Esta predicción es consistente con los resultados experimentales para una barrera de bordes ligeramente blandos (cuyo paso fue de 182 micrómetros, el ancho de la rendija fue de 48 micrómetros y la transición entre opaco y transmisivo ocurrió en una región de aproximadamente 3 micrómetros). La barrera de bordes ligeramente blandos tiene una diafonía del 2,3%, que es ligeramente más baja que la diafonía de una barrera de bordes más duros que era aproximadamente del 2,7%. Las simulaciones de difracción también sugieren que si los bordes de la hendidura de la barrera de paralaje tuvieran una transmisión que disminuye en una región de 10 micrómetros, entonces la diafonía podría convertirse en 0,1. El procesamiento de imágenes es una contramedida alternativa para la diafonía. La figura muestra el principio detrás de la corrección de diafonía.

El principio de corrección de diafonía.

Hay tres tipos principales de pantallas autoestereoscópicas con barrera de paralaje:

  • Primeros prototipos experimentales que simplemente colocaban una serie de ranuras de precisión en una pantalla LCD normal para ver si tenía algún potencial.
    • Pros
      • Fácilmente acoplable
    • Contras
      • Calidad de imagen más baja
  • Las primeras "pantallas de barrera Parallax" completamente desarrolladas tienen ranuras de precisión como uno de los componentes ópticos sobre los píxeles. Esto bloquea cada imagen de un ojo y la muestra al otro.
  • Las pantallas más nuevas y convenientes, en productos como Nintendo 3DS , HTC Evo 3D y LG Optimus 3D , no tienen la barrera de paralaje frente a los píxeles, sino detrás de los píxeles y frente a la luz de fondo . Por lo tanto, toda la matriz LCD está expuesta a ambos ojos, pero como se ve desde la posición de cada ojo, solo una de las imágenes entrelazadas que contiene está retroiluminada. El resplandor de las columnas de píxeles visiblemente iluminadas tiende a hacer que las columnas adyacentes sin iluminación sean menos perceptibles.
    • Pros
      • Imagen clara
      • Ángulo de visión más grande
    • Contras

Ver también

Referencias

enlaces externos

Medios relacionados con la barrera Parallax en Wikimedia Commons