스테레오스코피
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1. 개요
스테레오스코피는 두 눈에 약간 다른 이미지를 제시하여 2차원 이미지에서 깊이감을 느끼게 하는 기술로, 뇌가 두 이미지를 결합하여 깊이를 인식하는 스테레오시스를 활용한다. 1838년 찰스 휘트스톤 경이 스테레오스코프를 발명했으며, 데이비드 브루스터 경이 휴대용 3D 시청 장치를 개선했다. 3차원 영상 표시는 3차원 디스플레이와 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)로 나뉘며, 스테레오스코픽 방식은 양안시차를 이용한다. 스테레오스코피는 안경을 사용하는 방식과 사용하지 않는 방식으로 구분되며, 다양한 종류의 3D 뷰어 기술과 응용 분야가 존재한다.
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입체시는 양안시차와 단안 단서를 이용해 깊이를 인지하는 능력으로, 조거리 및 미세 입체시로 나뉘며, 뇌는 다양한 단서를 결합하여 3차원 위치를 감지하고, 개인차가 존재하며 시각 훈련으로 개선될 수 있고 여러 동물에게서도 관찰된다. - 스테레오스코피 - 3차원 디스플레이
3차원 디스플레이는 인간 시각 원리를 활용해 입체감을 제공하는 기술로, 양쪽 눈에 다른 이미지를 보여 뇌에서 3D 깊이를 인지하게 하는 방식이며, 안경식과 무안경식으로 나뉘어 영화, 게임, 증강 현실 등 다양한 분야에서 활용되며 연구가 진행 중이다.
| 스테레오스코피 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 광학 기술 |
| 관련 분야 | 사진술 영화 텔레비전 3D 디스플레이 |
| 역사 | |
| 발명 | 찰스 휘트스톤 경 (1838년) |
| 대중화 | 올리버 웬델 홈즈 (입체경) (1850년대) 카이저파노라마 (1880년대) |
| 원리 | |
| 작동 원리 | 두 눈의 시차를 이용 |
| 시차 | 두 눈의 위치 차이로 인해 발생하는 이미지의 차이 |
| 뇌의 역할 | 두 이미지를 결합하여 깊이감을 인식 |
| 기술 | |
| 주요 기술 | 아나글리프 편광 셔터 안경 자동 입체 방식 |
| 아나글리프 | 색상 필터를 사용하여 이미지를 분리 |
| 편광 | 편광 필터를 사용하여 이미지를 분리 |
| 셔터 안경 | 액정 셔터를 사용하여 이미지를 번갈아 표시 |
| 자동 입체 방식 | 특수 스크린을 사용하여 안경 없이 3D 효과를 제공 |
| 응용 분야 | |
| 엔터테인먼트 | 3D 영화 3D 텔레비전 3D 게임 |
| 과학 및 공학 | 의료 영상 설계 가상 현실 |
| 기타 | 광고 교육 군사 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 3D 디스플레이 가상 현실 증강 현실 홀로그래피 |
| 기타 | |
| 주의사항 | 일부 사람들은 3D 시청 시 눈의 피로, 두통, 메스꺼움 등의 증상을 경험할 수 있음. |
| 추가 정보 | 3D 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 더 나은 품질과 편안함을 제공하기 위해 노력하고 있음. |
2. 역사
3D의 시초라 불리는 애너글리프 방식은 색상 차를 이용해 3D 영상을 구현하는 방식이다. 1852년에 독일 라이프치히의 빌헬름 롤만(Wilhelm Rollmann)에 의해 애너글리프 이미지를 만드는 방법이 개발되었다.[48] 1800년대 중반부터 사진이나 그림을 입체적으로 볼 수 있는 장치를 만들기 시작하였고, 1922년에 최초의 상업용 3D 영화로 알려진 'The power of love'가 상영되었다.
스테레오스코피는 3차원 기술로, 최근 상용화가 추진되고 있는 3차원 디스플레이는 양안시차를 이용한 방식이 주를 이루고 있다. 양안 시차 방식은 단일 스크린 상에 입체감을 형성할 수 있다는 장점이 있으며, 주로 TV나 극장 스크린에 사용된다. 양안 시차를 이용하는 방식은 안경과 같은 보조기구를 이용하는 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식과 사용하지 않는 오토스테레오스코픽(auto-stereocopic) 방식으로 구분된다.
찰스 휘트스톤 경(Sir Charles Wheatstone)은 1838년에 최초로 스테레오스코피를 발명했으며,[7][8] 데이비드 브루스터 경(Sir David Brewster)은 최초의 휴대용 3D 시청 장치를 만들었다.[9] 휘트스톤은 원래 자신의 스테레오스코프(다소 부피가 큰 장치)[10]를 그림과 함께 사용했는데, 당시에는 사진술이 아직 가능하지 않았지만, 그의 원본 논문은 현실적인 이미징 방법의 개발을 예견하는 것으로 보인다.[11]
셔터 글래스 방식은 20세기 초반부터 사용되었다. 1922년 Teleview 3-D 시스템은 뉴욕의 극장에 설치되었다. 최근 수십 년 동안, 가볍운 광전자 셔터가 주목받고 있다. 액정 셔터 안경은 1970년대 중반 에반스와 서덜랜드 컴퓨터 공사의 스티븐 맥 칼리 스터에 의해 발명되었다. 1980년대 중반에는 셔터 글래스 안경이 상용화되지 않았지만, E&S는 서드파티(Third party)의 StereoGraphics, CrystalEyes을 조기에 도입하였다. 1985년에는 JVC, 파나소닉, 샤프와 같은 일본 제조업체에서 셔터 글래스 방식을 사용한 3D 게임기를 제조하기 시작하였다.
빛의 편광을 얻는 데 쓰이는 프리즘인 Nicle 프리즘을 이용하여 1890년대에 편광 방식의 3D 프로젝션이 실험적으로 입증되었고,[51] 1934년 Edwin land의 폴라노이드 플라스틱 시트의 발명으로 구현되었다. 그는 최초의 편광 3D 이미지를 시연하였고, 1936년 12월 뉴욕에서 열린 과학 산업 전시회에서 16mm 코다크롬 컬러 필름을 이용해 "편광 행진"이라는 3D 영화를 대중에게 선보였다.[52] 1939년 뉴욕 세계 박람회에서 텔레비전이 대중들에게 처음으로 선보였는데, 이때 크라이슬러 자동차 부스에서 짧은 편광 3D 영화가 상영되었고, 매일 수천여 명의 방문객들이 이를 관람하였다.[53]
1952년 11월 26일 초연된 컬러 영화 "Bwana Devel"는 상영 시 골판지와 대형 편광 필터로 만들어진 안경에 영화 제목을 각인하였고, 영화 시사회에서 이런 장면이 담긴 사진은 생활 잡지에 실려 1950년대 강렬한 3D 영화의 유행을 이끌어냈다.[54][55] 1950년대의 극장에서 일회용 종이 프레임과 폴라로이드 필터가 전형적으로 사용되었지만, 극장 소유자에 한해서 플라스틱 프레임과 보다 커다란 필터로 이루어진 안경이 제공되었다. 골판지 및 플라스틱 프레임 안경은 수십 년 동안 공존하였지만, 현재는 재사용이 가능한 플라스틱 프레임이 일반화되었다. 2000년대에 이르러 컴퓨터 애니메이션, 디지털 프로젝션, 그리고 새로운 IMAX 70mm 필름 프로젝터의 사용은 편광 3D 영화의 새로운 발전의 길을 제시하였고, RealD 시네마와 Masterimage 3D 방식 또한 도입되었다.[56] 2011년 암스테르담 RAI센터에서 개최된 국제방송장비전시회에서는 소니, 파나소닉, JVC 및 기타 여러 기업이 편광 방식 RealD 3D 스테레오스코피 포토폴리오로 소비자와 전문가들에게 3D 스테레오스코피의 미래를 제시하였다.
3. 종류
해부학적으로 입체 영상을 보기 위해서는 동시 지각, 융합(양안 '단일' 시각), 입체시의 세 가지 수준의 양안 시가 필요하다. 이러한 기능들은 유년기에 발달하며, 사시가 있는 일부 사람들은 입체시 발달에 어려움을 겪지만, 시력 훈련 치료를 통해 양안 시를 개선할 수 있다. 개인의 입체시력[18]은 깊이로 인식할 수 있는 최소 이미지 불일치를 결정한다. 다양한 질환으로 인해 약 12%의 사람들이 3D 영상을 제대로 볼 수 없는 것으로 알려져 있으며,[14][15] 최대 30%의 사람들은 매우 약한 입체 시력을 가지고 있어 입체 불일치를 기반으로 한 깊이 인식을 방해받는다. 이는 입체 영상의 몰입 효과를 무효화하거나 크게 감소시킨다.[16]
전통적인 스테레오 사진술은 2D 이미지 쌍, 즉 스테레오그램에서 시작하여 3D 환영을 만드는 것으로 구성된다. 뇌에서 깊이 인지를 향상시키는 가장 쉬운 방법은 시청자의 눈에 두 개의 다른 이미지를 제공하는 것이다. 이는 두 개의 원근법으로, 동일한 물체의 약간의 편차를 나타내며, 이는 두 눈이 양안 시에서 자연스럽게 받아들이는 원근법과 같거나 거의 같다.
눈의 피로와 왜곡을 피하기 위해, 두 개의 2D 이미지 각각은 무한 거리에 있는 물체가 눈에 정면으로 보이도록 시청자에게 제시되어야 하며, 시청자의 눈은 교차되거나 벌어지지 않아야 한다. 수평선이나 구름과 같이 무한 거리에 있는 물체가 사진에 포함되어 있지 않은 경우, 사진은 그에 따라 더 가깝게 배치되어야 한다.
나란히 보기 방식의 장점은 밝기가 감소하지 않아 매우 높은 해상도로 풀 스펙트럼 컬러로 이미지를 표시할 수 있고, 제작이 간편하며, 추가적인 이미지 처리가 거의 또는 전혀 필요하지 않다는 것이다. 일부 상황에서는 이미지 쌍을 자유 시야 방식으로 제시하는 경우 장치나 추가 광학 장비가 필요하지 않다.
나란히 보기 방식의 주요 단점은 대형 이미지 디스플레이가 실용적이지 않고 해상도가 디스플레이 매체 또는 사람의 눈 중 더 낮은 것에 의해 제한된다는 것이다. 이는 이미지의 크기가 증가함에 따라 편안하게 보려면 시청 장치나 시청자 자신이 비례적으로 더 멀리 떨어져야 하기 때문이다. 더 많은 세부 정보를 보기 위해 이미지에 더 가까이 다가가는 것은 차이에 맞춰 조정되는 시청 장비가 있어야만 가능할 것이다.
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자유 시청은 시청 장치를 사용하지 않고 나란히 있는 이미지 쌍을 보는 것이다.[17] 자유 시청에는 평행 시청 방식과 사팔뜨기 시청 방식의 두 가지 방법이 있다.[18][19]
프리즘, 자체 마스킹 안경은 현재 일부 사팔뜨기 시청 지지자들이 사용하고 있다. 이러한 안경은 필요한 수렴 정도를 줄이고 큰 이미지를 표시할 수 있도록 한다. 그러나 융합 또는 초점을 돕기 위해 프리즘, 거울 또는 렌즈를 사용하는 모든 시청 보조 장치는 단순히 입체경의 한 유형이며 자유 시청의 일반적인 정의에서 제외된다.
거울이나 프리즘의 도움 없이 두 개의 개별 이미지를 입체적으로 융합하면서 동시에 적절한 시청 렌즈의 도움 없이 날카로운 초점을 유지하려면 눈의 주시와 조절의 부자연스러운 조합이 필요하다. 따라서 간단한 자유 시청은 실제 시청 경험의 생리적 깊이 신호를 정확하게 재현할 수 없다.
입체 사진을 표시하기 위해, 두 개의 이미지가 편광 필터를 통해 또는 편광 필터가 있는 디스플레이 장치에 겹쳐 투사된다. 투사를 위해서는 편광이 유지되도록 은색 스크린이 사용된다. 대부분의 수동형 디스플레이에서 픽셀의 각 행은 한쪽 눈 또는 다른 쪽 눈에 대해 편광된다.[20] 이 방법은 인터레이스 방식이라고도 한다. 시청자는 한 쌍의 반대 편광 필터가 포함된 저렴한 안경을 착용한다. 각 필터는 유사하게 편광된 빛만 통과시키고 반대 편광된 빛을 차단하므로 각 눈은 이미지 중 하나만 보고 효과가 달성된다.
ChromaDepth 방식은 프리즘을 사용하면 색상이 서로 다른 정도로 분리된다는 사실에 기반한다. ChromaDepth 안경에는 현미경으로 작은 프리즘으로 구성된 특수 시트가 포함되어 있다. 이 기술의 장점은 안경 없이도 ChromaDepth 사진을 문제없이 (즉, 2차원적으로) 볼 수 있다는 것이다. 그러나 색상은 그림의 깊이 정보를 포함하므로 제한적으로만 선택할 수 있다. 물체의 색상을 변경하면 관찰된 거리도 변경된다.[23]
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풀프리히 효과는 어두운 렌즈를 통해 볼 때와 같이 빛이 적을 때 인간의 눈이 이미지를 더 느리게 처리하는 현상을 기반으로 한다.[24] 풀프리히 효과는 깊이의 환영을 유발하기 위해 특정 방향의 움직임에 의존하기 때문에 일반적인 입체시 기술로는 유용하지 않다.
스테레오 시청은 이미지 쌍을 하나는 다른 하나 위에 배치하여 이루어진다. 특수한 뷰어는 오버/언더 형식으로 제작되었으며, 이는 오른쪽 시선을 약간 위로 기울이고 왼쪽 시선을 약간 아래로 기울인다. 거울을 사용하는 가장 일반적인 예는 뷰 매직(View Magic)이다. 프리즘 안경을 사용하는 다른 예로는 KMQ 뷰어가 있다.[25] 이 기술의 최근 사용 예로는 openKMQ 프로젝트가 있다.[26]
3차원 영상의 표시는 크게 3차원 디스플레이와 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 두 가지 접근 방식이 있다.
기록 방식, 전송 방식, 표시 방식 각각의 호환성(기기에서의 방식 상호 변환을 포함)에 대해서는 2011년 현재 통일이 이루어지지 않았다.
| 방식 | 설명 | 주요 사용처 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 사이드 바이 사이드 방식 | 2011년 현재, 일본의 3D 텔레비전 방송 및 DVD, 블루레이 소프트웨어에서 주류로 사용된다. | 3D 텔레비전, DVD, 블루레이 | MT (NHK 미디어 테크놀로지), RealD 3D |
| 톱 앤드 바텀 방식 | SENSIO 3D | ||
| 라인 바이 라인 방식 | 인터레이스 방식이라고도 불리며, 대응하는 3차원 디스플레이의 표시 방식은 편광식이다. | ||
| 프레임 시퀀셜 방식 | 대응하는 3차원 디스플레이의 표시 방식은 액정 셔터 방식이다. | ||
| 블루레이 3D | 기록 방식으로 H.264/MVC를, 전송 규격에는 프레임 패킹 방식을 채용하고 있다. | ||
| AVCHD 3D | 블루레이 3D와 마찬가지로, 기록 방식으로 H.264/MVC를, 전송 규격에는 프레임 패킹 방식을 채용하고 있다. AVCHD Ver.2.0에서 표준화. |
3. 1. 스테레오스코픽 방식
스테레오스코피는 3차원 기술로, 최근 상용화가 추진되고 있는 3차원 디스플레이는 양안시차를 이용한 방식이 주를 이루고 있다. 양안 시차 방식은 단일 스크린 상에 입체감을 형성할 수 있다는 장점이 있으며, 주로 TV나 극장 스크린에 사용된다. 양안 시차를 이용하는 방식은 안경과 같은 보조기구를 이용하는 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식과 사용하지 않는 오토스테레오스코픽(auto-stereocopic) 방식으로 구분된다.해부학적으로 입체 영상을 보기 위해서는 동시 지각, 융합(양안 '단일' 시각), 입체시의 세 가지 수준의 양안 시가 필요하다. 이러한 기능들은 유년기에 발달하며, 사시가 있는 일부 사람들은 입체시 발달에 어려움을 겪지만, 시력 훈련 치료를 통해 양안 시를 개선할 수 있다. 개인의 입체시력[18]은 깊이로 인식할 수 있는 최소 이미지 불일치를 결정한다. 다양한 질환으로 인해 약 12%의 사람들이 3D 영상을 제대로 볼 수 없는 것으로 알려져 있으며,[14][15] 최대 30%의 사람들은 매우 약한 입체 시력을 가지고 있어 입체 불일치를 기반으로 한 깊이 인식을 방해받는다. 이는 입체 영상의 몰입 효과를 무효화하거나 크게 감소시킨다.[16]
전통적인 스테레오 사진술은 2D 이미지 쌍, 즉 스테레오그램에서 시작하여 3D 환영을 만드는 것으로 구성된다. 뇌에서 깊이 인지를 향상시키는 가장 쉬운 방법은 시청자의 눈에 두 개의 다른 이미지를 제공하는 것이다. 이는 두 개의 원근법으로, 동일한 물체의 약간의 편차를 나타내며, 이는 두 눈이 양안 시에서 자연스럽게 받아들이는 원근법과 같거나 거의 같다.
눈의 피로와 왜곡을 피하기 위해, 두 개의 2D 이미지 각각은 무한 거리에 있는 물체가 눈에 정면으로 보이도록 시청자에게 제시되어야 하며, 시청자의 눈은 교차되거나 벌어지지 않아야 한다. 수평선이나 구름과 같이 무한 거리에 있는 물체가 사진에 포함되어 있지 않은 경우, 사진은 그에 따라 더 가깝게 배치되어야 한다.
나란히 보기 방식의 장점은 밝기가 감소하지 않아 매우 높은 해상도로 풀 스펙트럼 컬러로 이미지를 표시할 수 있고, 제작이 간편하며, 추가적인 이미지 처리가 거의 또는 전혀 필요하지 않다는 것이다. 일부 상황에서는 이미지 쌍을 자유 시야 방식으로 제시하는 경우 장치나 추가 광학 장비가 필요하지 않다.
나란히 보기 방식의 주요 단점은 대형 이미지 디스플레이가 실용적이지 않고 해상도가 디스플레이 매체 또는 사람의 눈 중 더 낮은 것에 의해 제한된다는 것이다. 이는 이미지의 크기가 증가함에 따라 편안하게 보려면 시청 장치나 시청자 자신이 비례적으로 더 멀리 떨어져야 하기 때문이다. 더 많은 세부 정보를 보기 위해 이미지에 더 가까이 다가가는 것은 차이에 맞춰 조정되는 시청 장비가 있어야만 가능할 것이다.
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자유 시청은 시청 장치를 사용하지 않고 나란히 있는 이미지 쌍을 보는 것이다.[17] 자유 시청에는 평행 시청 방식과 사팔뜨기 시청 방식의 두 가지 방법이 있다.[18][19]
- 평행 시청 방식은 왼쪽 눈 이미지가 왼쪽에 있고 오른쪽 눈 이미지가 오른쪽에 있는 이미지 쌍을 사용한다. 융합된 3차원 이미지는 두 실제 이미지보다 더 크고 멀리 나타나 실제 크기의 장면을 설득력 있게 시뮬레이션할 수 있다.
- 사팔뜨기 시청 방식은 왼쪽 및 오른쪽 눈 이미지를 바꿔서 왼쪽 눈이 오른쪽에 있는 이미지를 보고 반대의 경우도 마찬가지로, 사팔뜨기로 올바르게 볼 수 있도록 한다. 융합된 3차원 이미지는 실제 이미지보다 더 작고 가까이 보이는 경향이 있어, 큰 물체와 장면이 축소되어 보인다.
프리즘, 자체 마스킹 안경은 현재 일부 사팔뜨기 시청 지지자들이 사용하고 있다. 이러한 안경은 필요한 수렴 정도를 줄이고 큰 이미지를 표시할 수 있도록 한다. 그러나 융합 또는 초점을 돕기 위해 프리즘, 거울 또는 렌즈를 사용하는 모든 시청 보조 장치는 단순히 입체경의 한 유형이며 자유 시청의 일반적인 정의에서 제외된다.
거울이나 프리즘의 도움 없이 두 개의 개별 이미지를 입체적으로 융합하면서 동시에 적절한 시청 렌즈의 도움 없이 날카로운 초점을 유지하려면 눈의 주시와 조절의 부자연스러운 조합이 필요하다. 따라서 간단한 자유 시청은 실제 시청 경험의 생리적 깊이 신호를 정확하게 재현할 수 없다.
입체 사진을 표시하기 위해, 두 개의 이미지가 편광 필터를 통해 또는 편광 필터가 있는 디스플레이 장치에 겹쳐 투사된다. 투사를 위해서는 편광이 유지되도록 은색 스크린이 사용된다. 대부분의 수동형 디스플레이에서 픽셀의 각 행은 한쪽 눈 또는 다른 쪽 눈에 대해 편광된다.[20] 이 방법은 인터레이스 방식이라고도 한다. 시청자는 한 쌍의 반대 편광 필터가 포함된 저렴한 안경을 착용한다. 각 필터는 유사하게 편광된 빛만 통과시키고 반대 편광된 빛을 차단하므로 각 눈은 이미지 중 하나만 보고 효과가 달성된다.
ChromaDepth 방식은 프리즘을 사용하면 색상이 서로 다른 정도로 분리된다는 사실에 기반한다. ChromaDepth 안경에는 현미경으로 작은 프리즘으로 구성된 특수 시트가 포함되어 있다. 이 기술의 장점은 안경 없이도 ChromaDepth 사진을 문제없이 (즉, 2차원적으로) 볼 수 있다는 것이다. 그러나 색상은 그림의 깊이 정보를 포함하므로 제한적으로만 선택할 수 있다. 물체의 색상을 변경하면 관찰된 거리도 변경된다.[23]
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풀프리히 효과는 어두운 렌즈를 통해 볼 때와 같이 빛이 적을 때 인간의 눈이 이미지를 더 느리게 처리하는 현상을 기반으로 한다.[24] 풀프리히 효과는 깊이의 환영을 유발하기 위해 특정 방향의 움직임에 의존하기 때문에 일반적인 입체시 기술로는 유용하지 않다.
스테레오 시청은 이미지 쌍을 하나는 다른 하나 위에 배치하여 이루어진다. 특수한 뷰어는 오버/언더 형식으로 제작되었으며, 이는 오른쪽 시선을 약간 위로 기울이고 왼쪽 시선을 약간 아래로 기울인다. 거울을 사용하는 가장 일반적인 예는 뷰 매직(View Magic)이다. 프리즘 안경을 사용하는 다른 예로는 KMQ 뷰어가 있다.[25] 이 기술의 최근 사용 예로는 openKMQ 프로젝트가 있다.[26]
3차원 영상의 표시는 크게 3차원 디스플레이와 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 두 가지 접근 방식이 있다.
기록 방식, 전송 방식, 표시 방식 각각의 호환성(기기에서의 방식 상호 변환을 포함)에 대해서는 2011년 현재 통일이 이루어지지 않았다.
- '''사이드 바이 사이드 방식'''
- 2011년 현재, 일본의 3D 텔레비전 방송 및 DVD, 블루레이 소프트웨어에서는 사이드 바이 사이드의 MT 방식이 주류이다.
- '''MT''' (NHK 미디어 테크놀로지)
- '''RealD 3D'''
- '''톱 앤드 바텀 방식'''
- '''SENSIO 3D'''
- '''라인 바이 라인 방식'''
- 인터레이스 방식이라고도 불린다. 대응하는 3차원 디스플레이의 표시 방식은 편광식이다.
- '''프레임 시퀀셜 방식'''
- 대응하는 3차원 디스플레이의 표시 방식은 액정 셔터 방식이다.
- '''블루레이 3D'''
- 기록 방식으로 '''H.264/MVC'''를, 전송 규격에는 '''프레임 패킹''' 방식을 채용하고 있다.
- '''AVCHD 3D'''
- 블루레이 3D와 마찬가지로, 기록 방식으로 '''H.264/MVC'''를, 전송 규격에는 '''프레임 패킹''' 방식을 채용하고 있다. AVCHD Ver.2.0에서 표준화.
3. 1. 1. 애너글리프(Anaglyph)
애너글리프 방식은 보색 관계의 적색과 청색으로 좌우 형상을 그리고 색 필터로 형상을 선택, 분리하여 양안에 각각 적색과 청색의 색안경을 쓰고 보는 방법으로, 안경 외에 별도의 장비 없이 입체 효과를 느낄 수 있다.[47] 이는 3D의 시초라고 할 수 있으며 다양한 부분에서 사용되었다.
애너글리프 이미지를 만드는 방법은 1852년 독일의 빌헬름 롤만(Wilhelm Rollmann)에 의해 개발되었다.[48] 1922년에는 최초의 상업용 3D 영화로 알려진 '사랑의 힘(The Power of Love)'이 상영되었다.
디즈니 스튜디오는 2008년 8월에 애너글리프 3차원 블루레이 디스크인 Hannah Montana & Miley Cyrus: Best of Both Worlds Concert를 출시하였고, 이것은 2008년 7월 디즈니 채널에서 빨간-청록색 종이 안경으로 시연되었다.
이 기술은 1950년대 초 3차원 만화책을 만드는데 사용되었다. 이러한 만화책의 소재는 전형적으로 전쟁, 호러 또는 범죄를 다룬 짧은 그래픽 노블이었고, 현대의 일본 만화와 비슷하다.
3차원 디스플레이는 과학적 자료 집합을 보여주거나, 수학적 함수를 설명하는데 사용할 수 있다. 애너글리프 이미지는 페이퍼 프레젠테이션과 비이동 비디오 디스플레이에도 적합하다. 이것들은 과학책에 포함되어 있으며, 저렴한 애너글리프 안경으로 볼 수 있다. 그리고 대부분 화학 컴퓨터 소프트웨어는 애너글리프 이미지를 출력할 수 있어 일부 화학 교과서는 애너그래프 이미지를 포함하고 있다.
3. 1. 2. 셔터 글라스(Active Shutter 3D System)
셔터 시스템은 왼쪽 눈에 보여줄 이미지를 표시하는 동안 오른쪽 눈의 시야를 막고, 오른쪽 눈 이미지를 표시할 때는 왼쪽 눈을 막는 방식으로 작동한다. 이 과정을 매우 빠르게 반복하여 두 이미지가 끊김 없이 하나의 3D 이미지로 합쳐지도록 한다.
일반적으로 액정 셔터 안경을 사용한다. 각 눈의 안경에는 전압이 가해지면 어두워지고, 그렇지 않으면 투명해지는 액정층이 있다. 안경은 화면의 주사율과 동기화되어 번갈아 가며 한쪽 눈을 어둡게 하고, 다른 쪽 눈을 어둡게 하는 타이밍 신호에 의해 제어된다. 액티브 셔터의 주요 단점은 대부분의 3D 비디오와 영화가 왼쪽과 오른쪽 시야를 동시에 촬영하여 측면으로 움직이는 모든 것에 "시간차 시차"를 도입한다는 것이다. 예를 들어 시속 약 5.47km로 걷는 사람은 가장 최근의 2x60 Hz 프로젝션의 경우 20% 더 가깝거나 25% 더 멀리 보이게 된다.[49]
좌안/우안용 영상을 사람의 눈이 인식하는 속도보다 빠르게 번갈아 보여주는 방식이다. 왼쪽 눈이 보는 동안에는 오른쪽 눈에 아무것도 보이지 않도록 오른쪽 눈에 쓴 안경을 전자적으로 차단한다. 한쪽 눈을 완전히 가리기 때문에 착시 현상이 거의 없고, 높은 해상도 구현과 높은 휘도가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 셔터 작동을 위해 액정으로 만든 안경을 쓰고 이를 전자적으로 제어해야 하기 때문에 가격이 비싸고, 화면과 안경의 동기화가 어긋날 경우 화면 깜빡임으로 인해 어지럼증이 발생할 수 있다.
양안시차가 구현된 두 개의 화면을 동기화된 셔터 안경을 이용하여 좌안과 우안에 번갈아 가며 보여준다. 양안시차를 구현하기 위해 분리된 두 개의 화면을 디스플레이 상에서 순서대로 보여주면 이와 동기화된 셔터 안경에서 우안을 위한 화면이 나타날 때는 좌안의 셔터를 닫고(우안의 셔터를 열고) 좌안을 위한 화면이 보여지면 우안의 셔터를 닫는(좌안의 셔터를 여는) 방식이다. 셔터는 안경 렌즈로 쓰인 액정에 전압을 온/오프 함으로써 구현한다. 화면과 안경의 동기화가 입체감 구현에 중요하며 동기화를 위해 안경에도 집적회로가 들어간다.
셔터 글래스 방식은 20세기 초반부터 사용되었다. 1922년 Teleview 3-D 시스템은 뉴욕의 극장에 설치되었다. 강당의 각 좌석에는 프로젝터 셔터와 동기화된 회전 기계 셔터를 포함하는 표시 장치가 장착되었다.
최근 수십 년 동안, 가볍운 광전자 셔터가 주목받고 있다. 액정 셔터 안경은 1970년대 중반 에반스와 서덜랜드 컴퓨터 공사의 스티븐 맥 칼리 스터에 의해 발명되었다. 1980년대 중반에는 셔터 글래스 안경이 상용화되지 않았지만 E&S는 서드파티의 StereoGraphics, CrystalEyes을 조기에 도입하였다. 1985년에는 셔터 글래스 방식을 사용한 3D 게임기를 일본의 JVC, 파나소닉, 샤프와 같은 제조업체에서 제조하기 시작하였다.
1980년대 세가 마스터 시스템과 패밀리 컴퓨터에서는 '대체 필드'와 같은 유사 3D 기술을 사용하였지만, 현재 콘솔은 프레임을 교체하여 진정한 3D를 구현한다.
특별한 소프트웨어나 하드웨어가 입체 효과를 만들기 위해 서로 오프셋된 이미지의 두 채널을 생성하는 데 사용된다. 완벽한 그래픽을 생성하기 위해 높은 프레임 속도로 동작하지만(일반적으로 ~100fps), 실제 인식되는 프레임 속도는 그래픽 속도의 절반이다(각 눈은 총 프레임의 절반만 보기 때문이다).
1982년 세가의 아케이드 비디오 게임 SubRoc-3D는 특별한 3D 접안 렌즈로 단일 모니터에서 플레이어의 눈에 왼쪽과 오른쪽 이미지를 번갈아 띄우는 회전 디스크 방식을 적용하였다. 1984년 Vectrex는 액티브 셔터 글라스의 초기 형태인 3D 이미지 프로그램을 동력 회전 디스크를 사용하여 구현하였다.
3. 1. 3. 필름타입패턴편광(Film Patterned Retarder)
디스플레이 전면에 Patterned Retarder(PR)라는 빛의 편광 방향을 제어하는 광학 소자를 부착하여 수평 방향의 짝수 및 홀수 라인에서 서로 다른 편광 특성의 빛이 나오게 한다. 짝수 및 홀수 라인에 각각 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대응되는 영상을 표시하고, 이를 편광 안경을 착용하고 시청하면, 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에는 각각 짝수 라인과 홀수 라인만이 보이는 원리를 이용한다.[50]편광 방식의 3D 프로젝션은 빛의 편광을 얻는 데 쓰이는 프리즘인 니콜 프리즘(Nicle prism)을 이용하여 1890년대에 실험적으로 입증되었고[51], 1934년 에드윈 랜드(Edwin Land)의 폴라로이드 플라스틱 시트의 발명으로 구현되었다. 그는 최초의 편광 3D 이미지를 시연하였고, 1936년 12월 뉴욕에서 열린 과학 산업 전시회에서 16mm 코다크롬 컬러 필름을 이용해 "편광 행진"이라는 3D 영화를 대중에게 선보였다.[52]
텔레비전이 대중들에게 처음으로 선보인 1939년 뉴욕 세계 박람회에서 짧은 편광 3D영화가 크라이슬러 자동차 부스에서 상영되었고, 매일 수천여 명의 방문객들이 이를 관람하였다.[53]
2000년대에 이르러 컴퓨터 애니메이션, 디지털 프로젝션, 그리고 새로운 IMAX 70mm 필름 프로젝터의 사용은 편광 3D 영화의 새로운 발전의 길을 제시하였고, RealD 시네마와 Masterimage 3D 방식 또한 도입되었다.[56] 2011년 암스테르담 RAI센터에서 개최된 국제방송장비전시회에서는 소니, 파나소닉, JVC 및 기타 여러 기업이 편광 방식 RealD 3D 스테레오스코피 포토폴리오로 소비자와 전문가들에게 3D 스테레오스코피의 미래를 제시하였다.
상대적으로 저렴한 가격으로 3차원을 구현할 수 있어 3차원 영상으로 개봉하는 영화의 대부분은 필름타입패턴편광 매커니즘으로 만들어지고 있다. 극장에서의 일반 스크린은 편광빛의 반사로 인해 사용할 수 없지만, 은이나 알루미늄 재질의 스크린에서는 손실 없는 편광 3D 방식 영화의 상영이 가능하다.
3D TV 시장에서도 필름타입패턴편광 방식을 사용하는 LG, 도시바, 소니는 전 세계 3DTV 점유율을 가파르게 늘려 가고 있다.[57]
3. 2. 오토스테레오스코픽 (무안경 방식)
자동 입체 시각 디스플레이 기술은 사용자가 머리에 쓰는 장치 없이 디스플레이 자체에 있는 광학 부품을 사용하여 양쪽 눈이 서로 다른 이미지를 볼 수 있게 한다. 이러한 이유로 "안경 없는 3D"라고도 불린다. 광학 부품은 이미지를 보는 사람의 눈 방향으로 나누어 보내기 때문에, 3D 효과를 제대로 보기 위해서는 머리 위치가 제한적이다. 자동 다중 시각 디스플레이는 같은 장면을 여러 각도에서 볼 수 있게 해준다. 즉, 보는 위치에 따라 다른 이미지를 제공하여 사용자가 좌우로 움직여도 항상 올바른 3D 영상을 볼 수 있다.자동 입체 시각 기술에는 크게 두 가지 방식이 있다. 하나는 헤드 트래킹(머리 추적)을 이용하여 사용자의 두 눈이 화면에서 서로 다른 이미지를 보도록 하는 방식이고, 다른 하나는 디스플레이가 사용자의 눈 위치를 알 필요 없이 여러 개의 이미지를 표시하는 방식이다. 자동 입체 시각 디스플레이 기술에는 렌티큘러 렌즈, 시차 장벽, 체적 디스플레이, 홀로그래피, 광선장 디스플레이 등이 있다.
3. 2. 1. 렌티큘러 렌즈
렌티큘러 렌즈는 여러 개의 세로줄 렌즈를 배열하여 보는 각도에 따라 다른 이미지가 보이도록 하는 방식이다. 자동 입체 시각 디스플레이 기술의 한 예이다.[42]3. 2. 2. 시차 장벽(Parallax Barrier)
자동 입체 시각 디스플레이는 별도의 장치 없이 디스플레이의 광학 부품을 통해 양쪽 눈이 서로 다른 이미지를 보게 하는 기술이다. "안경 없는 3D"라고도 불리며, 이미지를 보는 사람의 눈 방향으로 나누어 보내 3D 효과를 구현한다. 이 때, 3D 효과를 제대로 보려면 머리 위치가 제한된다. 닌텐도 3DS는 시차 장벽 기술을 사용하여 3D 이미지를 표시한다.
3. 2. 3. 집적 영상 (Integral Imaging)
적분 영상은 3D 디스플레이를 제작하는 기술로, 특수 안경 없이 3D 이미지를 볼 수 있으며, 보는 위치(수평 또는 수직)에 따라 다른 시점을 제공한다. 이는 마이크로렌즈 배열(각 렌즈렛이 일반적으로 더 큰 대물렌즈의 도움 없이 장면 자체의 이미지를 형성하는 X-Y 또는 "벌집" 배열) 또는 핀홀 카메라를 사용하여 장면을 4D 광선으로 캡처하고 표시함으로써 달성된다. 이를 통해 시청자가 왼쪽, 오른쪽, 위, 아래, 더 가깝거나 멀리 움직일 때 시차와 원근법의 현실적인 변화를 나타내는 입체 영상을 생성한다.적분 영상은 엄밀히 말해 무안경식 입체 영상의 한 유형은 아닌데, 무안경식 입체 영상은 여전히 두 개의 이미지를 생성하기 때문이다.[42]
3. 2. 4. 홀로그래피
레이저 홀로그래피는 물체나 장면을 완벽하게 재현하는 기술이다. 이 기술은 원본과 복제품을 시각적으로 구별하기 어려울 정도로 정밀하다.[27] 홀로그래피는 모든 축에 대한 시차와 넓은 시야각을 제공하며, 원본 장면에서 나오는 광선장을 그대로 재현한다. 눈은 서로 다른 거리에 있는 물체에 초점을 맞추고, 세부 사항은 매우 미세한 수준까지 보존된다. 이 효과는 마치 창문을 통해 보는 것과 같다.하지만, 이 "순수한" 형태의 홀로그래피는 몇 가지 제약이 있다. 사진 노출 동안 피사체는 레이저로 조명되어야 하고, 빛의 파장 내에서 완전히 정지해야 하며, 결과를 제대로 보기 위해서는 레이저 광선이 필요하다. 따라서 대부분의 사람들은 레이저로 조명된 투과 홀로그램을 본 경험이 없다. 일반적으로 접하는 홀로그램은 화질이 손상되어 백색광으로 볼 수 있으며, 살아있는 피사체를 촬영할 때는 비홀로그래픽 중간 이미징 프로세스가 사용된다.
초기 사진 프로세스는 실용적이지 않았지만, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)과 광전자 홀로그램 디스플레이의 발전으로 홀로그래픽 3D 텔레비전의 꿈이 현실화될 가능성이 열렸다. 그러나 홀로그램 생성에 필요한 방대한 계산량과 전송에 필요한 대역폭은 여전히 해결해야 할 과제였다.
2013년, 실리콘밸리의 레아 주식회사(LEIA Inc)는 모바일 장치에 적합한 홀로그래픽 디스플레이를 제조하기 시작했다. 이 디스플레이는 다중 방향 백라이트를 사용하여 안경 없이 3차원 공간 콘텐츠를 볼 수 있게 해준다.[27]
3. 2. 5. 체적 디스플레이(Volumetric Display)
체적 디스플레이는 부피 내에서 빛의 점을 표시하기 위해 물리적 메커니즘을 사용한다. 이러한 디스플레이는 픽셀 대신 복셀을 사용한다. 체적 디스플레이에는 여러 개의 디스플레이 평면이 쌓여 있는 다중 평면 디스플레이와 회전 패널이 부피를 쓸어 넘기는 회전 패널 디스플레이가 포함된다.[42]다른 기술은 장치 위 공중에 빛의 점을 투사하기 위해 개발되었다. 적외선 레이저는 공간의 목적지에 초점을 맞춰 가시광선을 방출하는 작은 플라스마 거품을 생성한다.[42]
4. 기타 방식
기타 방식에는 좌우 영상을 빠르게 번갈아 보여주는 방식, 자유 시청 방식, 3D 뷰어, 3차원 디스플레이, 헤드 마운티드 디스플레이(HMD) 등이 있다.
좌우 영상을 빠르게 번갈아 보여주는 방식은 두 눈이 볼 화면이 교대로 나타나며, 왼쪽 눈이 보는 동안 오른쪽 눈에 쓴 안경을 전자적으로 차단하는 식으로 작동한다. 이 방식은 착시 현상이 거의 없고, 높은 해상도와 휘도를 구현할 수 있지만, 액정 안경을 사용해야 하므로 가격이 비싸고, 화면과 안경의 동기화가 어긋나면 어지럼증이 발생할 수 있다.
자유 시청은 시청 장치 없이 나란히 있는 이미지 쌍을 보는 것이다.[17] 자유 시청에는 평행 시청 방식과 사팔뜨기 시청 방식이 있다.[18][19] 평행 시청 방식은 왼쪽 눈 이미지가 왼쪽에, 오른쪽 눈 이미지가 오른쪽에 있는 이미지 쌍을 사용하며, 융합된 3차원 이미지는 실제보다 더 크고 멀리 나타난다. 사팔뜨기 시청 방식은 좌우 이미지를 바꿔서 왼쪽 눈이 오른쪽 이미지를 보고, 오른쪽 눈이 왼쪽 이미지를 보게 하여 융합된 이미지가 실제보다 작고 가깝게 보인다.
프리즘, 자체 마스킹 안경은 일부 사팔뜨기 시청 지지자들이 사용하며, 필요한 수렴 정도를 줄이고 큰 이미지를 표시할 수 있게 한다. 그러나 이러한 보조 장치는 입체경의 일종으로, 자유 시청의 정의에서는 제외된다.
3D 뷰어 기술에는 능동형과 수동형이 있다. 능동형 뷰어는 디스플레이와 상호 작용하는 전자 장치를 가지며, 수동형 뷰어는 양안 입력의 지속적인 흐름을 적절한 눈에 맞게 필터링한다.
입체 사진을 표시하기 위해 두 이미지를 편광 필터를 통해 겹쳐 투사하거나, 편광 필터가 있는 디스플레이 장치에 표시한다. 시청자는 반대 편광 필터가 포함된 저렴한 안경을 착용하여 각 눈이 이미지 중 하나만 보도록 한다.[20]
3차원 영상 표시는 크게 3차원 디스플레이와 헤드 마운티드 디스플레이(HMD) 두 가지 접근 방식이 있다.
; 3차원 디스플레이
: 여러 방식이 제안되고 있으며, 디스플레이 장치가 존재하지만, 관찰자의 머리 움직임에 따른 보이는 방식의 변화에는 시간 지연이 거의 없다.
; 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)
: 머리에 착용하는 디스플레이 장치로, 머리 움직임과 표시의 시간차나 위치 추정 오차가 거의 없어 높은 현장감을 제공한다.[42] 넓은 시야각을 제작할 수 있지만, 머리 움직임에 맞춰 양안 영상을 생성하므로 시간 지연이 존재할 수 있다.
4. 1. 사이드 바이 사이드 (Side-by-Side) 방식
사이드 바이 사이드 방식은 좌우 영상을 나란히 배치하여 표시하는 방식이다. 2011년 현재, 일본의 3D 텔레비전 방송 및 DVD, 블루레이 소프트웨어에서 주로 사용된다.[42]- '''MT''' (NHK 미디어 테크놀로지)
- '''RealD 3D'''
4. 2. 톱 앤드 바텀 (Top and Bottom) 방식
톱 앤드 바텀(Top and Bottom) 방식은 좌우 영상을 위아래로 배치하여 표시하는 방식이다.4. 3. 라인 바이 라인 (Line by Line) 방식
인터레이스 방식이라고도 불리며, 짝수/홀수 라인에 좌우 영상을 번갈아 표시하는 방식이다. 대응하는 3차원 디스플레이의 표시 방식은 편광식이다.[42]4. 4. 프레임 시퀀셜 (Frame Sequential) 방식
3차원 디스플레이의 표시 방식 중 하나로, 액정 셔터 방식을 사용하는 방식이다. 좌우 영상을 시간차를 두고 번갈아 표시한다.[42]4. 5. 와글 스테레오스코피 (Wiggle Stereoscopy)
와글 스테레오스코피는 스테레오그램의 왼쪽과 오른쪽 면을 빠르게 번갈아 가며 표시하여 깊이감을 느끼게 하는 이미지 표시 기술이다. 웹에서 애니메이션 GIF 형식으로 발견되며, 온라인 예시는 뉴욕 공립 도서관 스테레오그램 컬렉션에서 볼 수 있다. 이 기술은 "피쿠-피쿠"라고도 알려져 있다.[28]5. 응용 분야
스테레오스코피는 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.
- 예술: 살바도르 달리를 포함한 여러 예술가들이 입체 영상을 작품에 활용하였다.[31] 손으로 그린 적청 입체 영상도 있다.[32]
- 교육: 19세기부터 입체 사진은 지리, 과학, 역사 등 다양한 과목의 학습 자료로 활용되었다.[33] 키스톤 뷰 컴퍼니(Keystone View Company)는 1960년대까지 이러한 입체 사진 카드를 제작했다.
- 우주 탐사: NASA의 화성 탐사 로버에는 화성 표면의 입체 영상을 촬영하는 특수 카메라가 장착되어 있다. 각 로버에 장착된 두 대의 판캠 카메라는 지상 1.5m 높이에 30cm 간격으로 설치되어 1도의 토인(toe-in) 각도를 이루고 있다. 이 카메라로 촬영한 이미지 쌍은 입체 사진, 아나글리프 또는 3D 컴퓨터 이미지로 처리하여 연구에 활용된다.[34]
- 수학, 과학 및 공학: 항공 사진의 3차원 시각화에 활용되며,[39] 복잡한 분자 구조를 스테레오 쌍으로 표현하여 이해를 돕는다.
6. 3D 뷰어
입체경은 기본적으로 약간 다른 각도에서 촬영된 동일한 물체의 사진 두 장을 각 눈에 하나씩 동시에 보여주는 기기이다. 간단한 입체경은 사용할 수 있는 이미지 크기에 제한이 있다. 더 복잡한 입체경은 한 쌍의 수평 잠망경과 같은 장치를 사용하여 더 넓은 시야에서 더 자세한 정보를 제공할 수 있는 더 큰 이미지를 사용할 수 있다. 홀름스 입체경과 같은 역사적인 입체경은 골동품으로 구매할 수 있다.[1]
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