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시차 장벽

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목차

1. 개요

시차 장벽은 3D 디스플레이 기술의 한 종류로, 19세기 말에 독립적으로 발견되었다. 이 기술은 2000년대 초 샤프가 상용화했으며, 닌텐도 3DS, 후지필름 디지털 카메라, 스마트폰 등에 적용되었다. 시차 장벽은 시청자의 각 눈에 서로 다른 이미지를 제시하여 입체적인 시각 효과를 만들어내며, 슬릿의 기하학적 구조, 전환 기술, 해상도 향상, 시야각 확장 등의 기술적 과제와 해결 방안이 존재한다. 분자 모델링, 공항 보안, 자동차 내비게이션 등 다양한 분야에 활용되며, 3D TV에도 적용되지만 넓은 시야각 확보에 어려움이 있다.

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2. 역사

시차 장벽의 원리는 19세기 말 오귀스트 베르티에(Auguste Berthier)와 프레데릭 E. 아이브스(Frederic E. Ives)에 의해 독립적으로 발견되었다.[6][7] 2000년대 초, 샤프는 이 기술을 전자 평판 디스플레이에 적용하여 상용화했으며, 3D LCD 스크린을 갖춘 노트북을 출시했다. 후지필름, 닌텐도 등 여러 회사에서 시차 장벽 기술을 활용한 제품을 출시했다.

2. 1. 초기 개발

프레데릭 E. 아이브스는 1901년에 시차 장벽의 원리를 이용한 기능적인 자동 입체 이미지를 제작하여 전시했다.[7] 이보다 앞서 오귀스트 베르티에(Auguste Berthier)는 입체 사진에 관한 기사에서 시차 장벽의 원리를 도해와 함께 설명했다.[6] 아이브스는 약 2년 후, 최초의 상업적 사용 사례로 특이한 이미지 샘플을 판매하기 시작했다.


2. 2. 상용화

2000년대 초, 샤프는 이 오래된 기술을 전자 평판 디스플레이에 적용하여 상업화했으며, 액티우스 RD3D를 포함하여 세계 유일의 3D LCD 스크린을 갖춘 노트북 두 대를 잠시 판매했다.[8] 이 디스플레이는 더 이상 샤프에서 구할 수 없지만, 트리델리티 및 SpatialView와 같은 다른 회사에서 여전히 제조 및 개발되고 있다. 마찬가지로, 히타치는 KDDI를 통해 유통되는 일본 시장용 최초의 3D 휴대폰을 출시했다.[9][10] 2009년, 후지필름은 대각선 길이 약 7.11cm의 자체 입체 LCD를 탑재한 후지필름 파인픽스 리얼 3D W1 디지털 카메라를 출시했다. 닌텐도는 휴대용 게임 콘솔인 닌텐도 3DS에도 이 기술을 적용했다.

3. 원리 및 설계

시차 장벽은 픽셀 앞에 배치된 미세한 슬릿(slit)들의 배열로 구성된다. 슬릿은 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 각각 다른 픽셀을 보도록 하여 입체감을 형성한다.[17]

시차 장벽의 단면도, 모든 중요한 치수가 표시되어 있다.


시차 장벽의 기하학적 구조를 선택할 때 최적화해야 할 중요한 매개변수는 픽셀과 장벽 사이의 거리, 시차 장벽 피치, 픽셀 구경, 그리고 시차 장벽 슬릿 폭이다.[17]

3. 1. 핵심 요소

시차 장벽의 슬릿은 시청자가 왼쪽 눈의 위치에서 왼쪽 이미지 픽셀만 볼 수 있도록 하고, 오른쪽 눈에서는 오른쪽 이미지 픽셀을 볼 수 있도록 한다.[17] 시차 장벽의 기하학적 구조를 선택할 때 최적화해야 할 중요한 매개변수는 다음과 같다.

  • 픽셀과 장벽 사이의 거리 (d)
  • 시차 장벽 피치 (f)
  • 픽셀 구경 (a)
  • 시차 장벽 슬릿 폭 (b)[17]


시차 장벽이 픽셀에 가까울수록 왼쪽 및 오른쪽 이미지 간의 분리 각도가 더 넓어진다. 스테레오 디스플레이의 경우 왼쪽 및 오른쪽 이미지가 왼쪽 및 오른쪽 눈에 도달해야 하며, 이는 뷰가 불과 몇 도 이내로 분리되어야 함을 의미한다.

; 픽셀 분리

: 이 경우 픽셀-장벽 분리 거리 ''d''는 다음과 같이 구할 수 있다.

: 스넬의 법칙에서:

:n \sin x = \sin y

: 작은 각도에서:

:\sin y \approx \frac {e} {2 r} 그리고 \sin x \approx \frac {p} {2 d} \,.

: 따라서:

:d = \frac {rnp} {e} \,.

: 픽셀 피치 65um, 눈 간격 63mm, 시청 거리 30cm 및 굴절률 1.52의 일반적인 자동 입체 디스플레이의 경우 픽셀-장벽 분리 거리는 약 470um가 되어야 한다.

; 피치(Pitch)

: 시차 장벽의 피치는 이상적으로 픽셀 피치의 약 두 배여야 하지만, 최적의 설계는 이보다 약간 작아야 한다. 이 장벽 피치에 대한 섭동은 디스플레이 가장자리가 중앙과 다른 각도로 보인다는 사실을 보상하며, 왼쪽 및 오른쪽 이미지가 화면의 모든 위치에서 눈을 적절하게 타겟팅할 수 있게 한다.

a). 시차 장벽의 피치가 픽셀 피치의 정확히 두 배인 경우, 전체 디스플레이에서 픽셀과 동기화되어 정렬된다. 왼쪽 및 오른쪽 보기는 디스플레이 전체에서 동일한 각도로 방출된다. 시청자의 왼쪽 눈이 화면의 모든 지점에서 왼쪽 이미지를 수신하지 못하는 것을 볼 수 있다. 디스플레이가 제대로 작동하지 않는다. b). 장벽 피치를 수정하면 보기가 수렴되어 시청자가 화면의 모든 지점에서 올바른 이미지를 볼 수 있다. c). 필요한 장벽의 피치를 결정하는 계산을 보여준다. p는 픽셀 피치이고, d는 픽셀 장벽 분리이며, f는 장벽 피치이다.

3. 2. 최적화

시차 장벽의 기하학적 구조를 선택할 때 최적화해야 할 중요한 매개변수는 픽셀과 장벽 사이의 거리 d, 시차 장벽 피치 f, 픽셀 구경 a, 그리고 시차 장벽 슬릿 폭 b이다.[17]

고해상도 디스플레이의 시차 장벽 시스템에서 프레넬 회절 이론을 통해 성능(밝기 및 누화)을 시뮬레이션할 수 있다.[18] 이러한 시뮬레이션을 통해 다음을 추론할 수 있다. 슬릿 폭이 좁으면 슬릿을 통과하는 빛이 심하게 회절되어 누화가 발생한다. 디스플레이의 밝기도 감소한다. 슬릿 폭이 넓으면 슬릿을 통과하는 빛이 많이 회절되지 않지만, 더 넓은 슬릿은 기하학적 광선 경로로 인해 누화를 일으킨다. 따라서 설계는 더 많은 누화로 고통받는다. 디스플레이의 밝기는 증가한다. 따라서 최적의 슬릿 폭은 누화와 밝기 사이의 절충점에 의해 결정된다.

시차 장벽은 LCD 픽셀 뒤에 배치될 수도 있다. 이 경우, 슬릿에서 나온 빛은 왼쪽 방향으로 왼쪽 이미지 픽셀을 통과하고 그 반대도 마찬가지이다. 이는 전면 시차 장벽과 동일한 기본 효과를 낸다.

4. 기술적 과제 및 해결 방안

시차 장벽 기술은 몇 가지 기술적 한계를 갖는다. 시차 장벽 시스템에서 왼쪽 눈과 오른쪽 눈은 각각 픽셀의 절반만 보게 되므로, 디스플레이의 해상도가 감소한다. 따라서 3D가 필요할 때는 시차 장벽을 켜고, 2D 이미지가 필요할 때는 끌 수 있는 기능이 필요하다.[19]

4. 1. 전환 기술(Techniques for switching)

액정 재료를 사용하여 시차 장벽을 형성하면, 3D가 필요할 때는 시차 장벽을 켜고 2D 이미지가 필요할 때는 끌 수 있다. 이는 액정 디스플레이에서 이미지가 형성되는 방식과 유사하게 시차 장벽을 만들기 때문이다.[19]

2D와 3D 간 전환이 가능한 자동 입체 디스플레이. 3D 모드에서는 시차 장벽이 LCD에서 이미지가 생성되는 방식과 유사하게 LC 셀로 형성된다. 2D 모드에서는 LC 셀이 투명 상태로 전환되어 시차 장벽이 존재하지 않는다. 이 경우 LCD 픽셀의 빛은 모든 방향으로 갈 수 있으며 디스플레이는 일반적인 2D LCD처럼 작동한다.


시간 분할은 시차 장벽 시스템의 해상도를 높이는 방법이다.[20] 이 설계에서는 각 눈이 패널의 전체 해상도를 볼 수 있다.

시간 분할 시차 장벽을 사용하여 3D를 생성하는 방법을 보여주는 다이어그램. 첫 번째 시간 주기에서 장벽의 슬릿은 3D 디스플레이를 위해 기존 방식으로 배열되며 왼쪽 눈과 오른쪽 눈은 왼쪽 눈과 오른쪽 눈 픽셀을 본다. 다음 시간 주기에서 슬릿의 위치가 변경된다 (각 슬릿이 LC 셔터로 형성되기 때문에 가능함). 새로운 장벽 위치에서 오른쪽 눈은 이전 시간 주기에서 숨겨졌던 픽셀을 볼 수 있다. 이 노출된 픽셀은 오른쪽 이미지를 표시하도록 설정된다 (이전 시간 주기에서 표시했던 왼쪽 이미지 대신). 왼쪽 눈도 마찬가지이다. 장벽의 두 위치 사이의 이러한 순환과 인터레이싱 패턴을 통해 두 눈은 첫 번째 시간 주기에서 픽셀의 절반에서 올바른 이미지를 보고, 다른 시간 주기의 픽셀의 다른 절반에서 올바른 이미지를 볼 수 있다. 이 순환은 1/50초마다 반복되므로 사용자는 전환을 알아차릴 수 없지만 각 눈이 모든 픽셀에서 이미지를 보고 있다는 인상을 받는다. 결과적으로 디스플레이는 전체 해상도를 갖는 것처럼 보인다.


이 설계는 이미지가 각 프레임마다 교체될 때 이미지 깜박임을 피하기 위해 충분히 빠르게 전환할 수 있는 디스플레이가 필요하다.

4. 2. 시야각 확장 (Tracking barriers for increased viewing freedom)

일반적인 시차 장벽 시스템에서 시청자는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 각각 왼쪽 및 오른쪽 시야를 볼 수 있도록 적절한 위치에 있어야 한다. '추적 3D 시스템'에서는 사용자의 위치를 추적하고 시차 장벽을 조정하여 왼쪽 및 오른쪽 시야가 항상 사용자의 눈으로 올바르게 향하도록 함으로써 시청 자유를 상당히 늘릴 수 있다.[1] 사용자의 시야각은 디스플레이 위에 전방을 향하는 카메라와 사용자의 얼굴 위치를 인식할 수 있는 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 식별할 수 있다.[1] 왼쪽 및 오른쪽 시야가 투사되는 각도는 시차 장벽을 픽셀에 상대적으로 기계적으로 또는 전자적으로 이동시켜 조정할 수 있다.[1]

4. 3. 크로스토크 (Crosstalk)

크로스토크(Crosstalk)는 3D 디스플레이에서 왼쪽 시야와 오른쪽 시야 사이에 간섭이 발생하는 현상이다. 크로스토크가 높은 디스플레이에서는 각 눈이 다른 눈을 위해 의도된 이미지를 희미하게 겹쳐서 보게 되어, 고스트 현상, 대비 손실, 3D 효과 및 깊이 해상도 손실, 시청자 불편함 등을 유발한다.[18] 크로스토크의 가시성은 이미지의 대비와 양안 시차가 증가함에 따라 증가한다. 예를 들어, 고대비 스테레오 이미지는 저대비 이미지보다 특정 스테레오 디스플레이에서 더 많은 고스트 현상을 나타낸다.

3D 디스플레이에서 크로스토크 수준을 정량화하는 방법은 한 시점에서 다른 시점으로 새어 나가는 빛의 비율을 측정하는 것이다.[18] 최적의 시점에서 일반적인 시차 장벽 기반 3D 시스템의 크로스토크는 3% 정도일 수 있다. 3D 이미지 화질에 대한 주관적 테스트 결과에 따르면, 고품질 3D의 경우 크로스토크는 약 1~2%를 넘지 않아야 한다.[25]

3D 디스플레이에서 상호 간섭 측정. 상호 간섭은 한 시점에서 다른 시점으로 새어 들어가는 빛의 비율이다.


회절은 크로스토크의 주요 원인 중 하나이다.[18] 시차 장벽의 투과율이 불투명에서 투명으로 급격하게 변하면 넓은 회절 패턴이 생성되어 크로스토크가 더 많이 발생한다. 반면, 전이가 더 부드러우면 회절이 덜 퍼져 크로스토크가 줄어든다. 실험 결과, 약간 부드러운 가장자리 장벽은 크로스토크가 2.3%로, 더 딱딱한 가장자리 장벽(2.7%)보다 약간 낮았다. 회절 시뮬레이션에 따르면 시차 장벽 슬릿 가장자리의 투과율이 특정 영역에서 감소하면 크로스토크를 0.1까지 줄일 수 있다.

크로스토크 보정의 원리.


영상 처리는 크로스토크를 보정하는 방법 중 하나이다.[26]

5. 응용 분야

시차 장벽 기술은 영화, 컴퓨터 게임 외에도 분자 모델링, 공항 보안과 같은 분야에서 활용되고 있다.[11] 또한 2010년형 레인지 로버의 내비게이션 시스템에 사용되어,[12] 운전자가 GPS 길 안내를 보는 동안 승객은 영화를 볼 수 있다. 닌텐도 3DS 휴대용 게임 콘솔[13]과 LG전자의 옵티머스 3D, HTC EVO 3D[15], 샤프 갈라파고스 스마트폰 시리즈에도 사용되었다.

이 기술은 넓은 범위의 시야각을 요구하기 때문에 3D 텔레비전 세트에 적용하기가 더 어렵다. 도시바의 21인치 3D 디스플레이는 9쌍의 이미지를 사용하는 시차 장벽 기술을 사용하여 30도의 시야각을 커버한다.[16]

5. 1. 한국 기업의 활용

LG전자는 옵티머스 3D 및 쓰릴 스마트폰에 시차 장벽 기술을 적용했다.[14] HTC는 EVO 3D 스마트폰에 이 기술을 적용했고,[15] 샤프는 갈라파고스 스마트폰 시리즈에 이 기술을 적용했다.

5. 2. 기타 응용

이 기술은 분자 모델링, 공항 보안과 같은 분야에서 활용되고 있다.[11] 2010년형 레인지 로버의 내비게이션 시스템에 사용되어[12] 운전자가 GPS 길 안내를 보는 동안 승객은 영화를 볼 수 있다. 닌텐도 3DS 휴대용 게임 콘솔[13]과 LG전자의 옵티머스 3D 및 쓰릴 스마트폰,[14] HTC의 EVO 3D[15] 및 샤프의 갈라파고스 스마트폰 시리즈에도 사용된다.

참조

[1] 뉴스 Reviews by PC Magazine - Sharp Actius RD3D https://www.pcmag.co[...] www.pcmag.com 2003
[2] 웹사이트 The Register - Sharp's 3D LCD: how's that work, then? https://www.theregis[...] www.theregister.co.uk 2004
[3] 문서 New Nintendo 3ds https://www.nintendo[...] 2015-12-28
[4] 뉴스 Guardian Unlimited - Special reports - The return of 3D https://www.theguard[...] www.guardian.co.uk 2002-12-06
[5] 웹사이트 Better glasses-free 3-D http://web.mit.edu/n[...] 2011-07-01
[6] 간행물 "Images stéréoscopiques de grand format" 1896-05-16
[7] 논문 A novel stereogram https://zenodo.org/r[...] 1902
[8] 웹사이트 2D/3D Switchable Displays http://sharp-world.c[...] 2008-06-19
[9] 웹사이트 Woooケータイ H001 | 2009年 | 製品アーカイブ | au by KDDI http://www.au.kddi.c[...] Au.kddi.com 2010-06-15
[10] 웹사이트 Hitachi Comes Up with 3.1-Inch 3D IPS Display http://news.softpedi[...] News.softpedia.com 2010-04-12
[11] 뉴스 BBC NEWS - Technology - Easy 3D X-rays for air security http://news.bbc.co.u[...] news.bbc.co.uk 2004-06-09
[12] 웹사이트 Land Rover e-brochure PDF (page 19) http://www.landrover[...] www.landrover.com 2011
[13] 뉴스 Nintendo unveils 3DS handheld games console http://news.bbc.co.u[...] www.bbc.co.uk 2010-06-15
[14] 뉴스 LG unveils world's first 3-D smartphone http://www.cnn.com/2[...] www.cnn.com 2011
[15] 웹사이트 HTC EVO 3D http://www.gsmarena.[...]
[16] 웹사이트 Toshiba Mobile Display touts 21-inch glasses-free 3D HDTV, raises a few eyebrows https://www.engadget[...] 2010-04-27
[17] 논문 Optimum parameters and viewing areas of stereoscopic full colour LED display using parallax barrier 2000-10
[18] 서적 Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VIII 2001
[19] 웹사이트 2D/3D Switchable Displays http://sharp-world.c[...] 2008-06-19
[20] 특허 Apparatus for the generation of a stereoscopic display 1998-10
[21] 특허 Autostereoscopic display and method of controlling an autostereoscopic display 1995-02-09
[22] 논문 3D TV without glasses 2011-06
[23] 웹사이트 Archived copy http://www.humansinv[...]
[24] 기타 Understanding Crosstalk in Stereoscopic Displays https://cmst.curtin.[...] 2010
[25] 기타 Subjective evaluation of crosstalk disturbance in stereoscopic displays 2000
[26] 특허 Multiple-viewer multiple-view display and display controller 2005-01-26


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