오토스테레오스코피
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1. 개요
오토스테레오스코피는 3D 안경 없이 입체 영상을 볼 수 있는 기술로, 다양한 디스플레이 기술을 활용한다. 렌즈나 시차 장벽을 사용하여 여러 시야 영역을 만들거나, 시선 추적 기술을 적용하기도 한다. 렌티큘러 렌즈, 시차 장벽, 적분 영상, 압축 광선장 디스플레이 등 여러 기술이 존재하며, 닌텐도 3DS와 같은 제품에도 사용된다. 이 기술은 단일 뷰 또는 다중 뷰 시스템으로 구현될 수 있으며, 폭주-조절 갈등과 같은 문제점을 가질 수 있다. 또한, 기존 3D 영화를 오토스테레오스코피 형식으로 변환하는 기술도 개발되었다.
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| 오토스테레오스코피 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 디스플레이 장치 |
| 기술 | 스테레오스코피 |
| 특징 | 안경 불필요 |
| 상세 정보 | |
| 원리 | 시차 장벽 또는 렌티큘러 렌즈 사용 |
| 장점 | 편안한 시청 경험 안경 착용의 불편함 해소 |
| 단점 | 시야각 제한 해상도 감소 가능성 |
| 적용 분야 | 3D 텔레비전 휴대 전화 게임 장치 디지털 사이니지 |
| 기술적 과제 | 넓은 시야각 확보 높은 해상도 유지 시각 조절-눈 모음 불일치 문제 해결 |
| 미래 전망 | 가상 현실 (VR) 및 증강 현실 (AR) 분야에서 중요성 증가 더 자연스럽고 몰입감 있는 3D 경험 제공 |
2. 기술
오토스테레오스코피 3D 디스플레이 기술은 여러 기관에서 다양한 방식으로 개발되어 왔다.[5] 1985년 하인리히 헤르츠 연구소(HHI)의 라인하르트 뵈르너는 렌즈를 이용한 평면 패널 디스플레이 개발에 기여했다.[6] 1990년대에는 세가 AM3[7]와 HHI 등이 단일 시청자용 프로토타입을 선보였으며, 이후 유럽과 일본 기업들을 중심으로 기술이 발전했다.
HHI가 개발한 Free2C 디스플레이처럼 시선 추적 기술을 활용하여 해상도와 편안함을 높이려는 시도도 있었다. 시선 추적은 제한된 시야각 문제를 해결하거나 표시되는 뷰의 수를 줄이는 데 사용될 수 있지만, 주로 단일 시청자에게 적합하여 소비자 제품에는 제한적으로 적용된다.
현재 상용화된 많은 오토스테레오스코피 디스플레이는 렌티큘러 렌즈나 시차 장벽 같은 기술을 사용하여 여러 시야 영역으로 이미지를 분리한다. 이를 통해 시청자는 특정 위치에서 안경 없이 3D 효과를 경험할 수 있다. 이러한 방식은 여러 사용자가 동시에 시청할 수 있게 하지만, 이미지 해상도 저하나 특정 각도에서 입체감이 사라지는 '데드 존' 발생 가능성과 같은 기술적 과제를 안고 있다.
2. 1. 렌티큘러 렌즈
다수의 기관에서 오토스테레오스코피 3D 디스플레이를 개발했으며, 그 범위는 대학 부서의 실험적인 디스플레이부터 상업 제품에 이르기까지 다양하며, 여러 가지 다른 기술을 사용한다.[5] 렌즈를 사용하여 오토스테레오스코피 평면 패널 비디오 디스플레이를 만드는 방법은 1985년 하인리히 헤르츠 연구소(HHI)의 라인하르트 뵈르너에 의해 주로 개발되었다.[6]세가 AM3[7]와 HHI는 1990년대에 이미 단일 시청자 디스플레이의 프로토타입을 발표했다. 오늘날 이 기술은 주로 유럽과 일본 회사에 의해 더욱 발전되었다.
HHI가 개발한 3D 디스플레이 중 하나인 Free2C는 시선 추적 시스템과 렌즈의 원활한 기계적 조정을 통해 높은 해상도와 뛰어난 편안함을 제공하는 디스플레이였다.
시선 추적 기술은 표시되는 뷰의 수를 두 개로 제한하거나 입체 시야 범위를 넓히기 위해 다양한 시스템에서 사용되어 왔다. 그러나 이 방식은 디스플레이를 한 명의 시청자에게만 제한하기 때문에 소비자 제품에는 널리 사용되지 않는다.
현재 대부분의 평면 패널 디스플레이는 여러 시야 영역으로 이미지를 리디렉션하는 렌티큘러 렌즈 또는 시차 장벽을 사용한다. 그러나 이 방식은 이미지 해상도를 감소시킨다는 단점이 있다. 시청자의 머리가 특정 위치에 있을 때 각 눈으로 다른 이미지가 보여 입체감을 제공한다. 이러한 디스플레이는 여러 개의 시야 영역을 가질 수 있어 여러 사용자가 동시에 이미지를 볼 수 있지만, 입체감이 없거나 유사 입체 이미지만 보이는 사각지대(데드 존)가 나타날 수도 있다.
2. 2. 시차 장벽
시차 장벽은 액정 디스플레이와 같은 이미지 소스 앞에 배치되어 시청자가 3D 안경을 착용할 필요 없이 스테레오 영상 또는 멀티스코픽 영상을 표시할 수 있게 해주는 장치이다. 시차 장벽의 원리는 오귀스트 베르티에(Auguste Berthier)가 먼저 발표했지만 실질적인 결과를 내지 못했고,[8] 프레데릭 E. 아이브스에 의해서도 발명되었는데, 그는 1901년에 최초의 기능적 오토스테레오스코픽 이미지를 제작하고 전시했다.[9] 약 2년 후 아이브스는 견본 이미지를 노벨티 상품으로 판매하기 시작했는데, 이것이 최초의 상업적 사용으로 알려져 있다.2000년대 초반, 샤프는 이 오래된 기술을 상업화하기 위해 전자 평판 패널을 개발하여 세계 유일의 3D LCD 화면을 갖춘 두 대의 랩탑을 잠시 판매했다.[10] 이 디스플레이는 더 이상 샤프에서 구할 수 없지만 다른 회사에서 계속 생산 및 개발되고 있다. 마찬가지로, 히타치는 KDDI를 통해 일본 시장에 최초의 3D 휴대폰을 출시했다.[11][12] 2009년, 후지필름은 약 7.11cm 대각선 크기의 오토스테레오스코픽 LCD가 내장된 파인픽스 리얼 3D W1 디지털 카메라를 출시했다. 닌텐도 3DS 비디오 게임 콘솔 제품군은 3D 영상을 위해 시차 장벽을 사용한다. 최신 개정판인 New 닌텐도 3DS에서는 시야각 확대를 위해 시선 추적 시스템이 함께 사용된다.
2. 3. 적분 영상
3차원 장면을 포착하기 위해 다수의 작은 렌즈로 구성된 2차원(X-Y) 배열을 사용하는 적분 사진의 원리는 1908년 가브리엘 립만에 의해 소개되었다.[13][14] 적분 사진은 물체와 장면을 실제 크기로 재현하며, 완전한 시차와 원근감 이동, 심지어 눈의 조절에 따른 깊이 정보까지 제공하는 창문과 같은 오토스테레오스코피 디스플레이를 만들 수 있는 잠재력을 지닌다. 하지만 이 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 매우 작고 정밀한 고품질 광학 시스템과 매우 높은 대역폭이 요구되어, 아직까지는 비교적 초기 단계의 사진 및 비디오 구현만이 제작된 상태이다.원통형 렌즈의 1차원 배열은 1912년 발터 헤스(Walter Hess)에 의해 특허를 받았다.[15] 헤스는 기존의 단순한 시차 장벽 방식에서 선과 공간의 쌍을 작은 원통형 렌즈로 대체함으로써, 투과되는 빛으로 볼 때 이미지가 어두워지고 종이에 인쇄할 경우 받아들이기 어려울 정도로 어두워지는 광 손실 문제를 피할 수 있었다.[16] 또 다른 장점은 렌즈를 사용하는 것이 기하학적으로 선과 공간으로 이루어진 장벽의 간격을 좁히는 것과 동일한 효과를 내기 때문에, 관찰자의 위치 제약이 완화된다는 점이다.
필립스는 1990년대 중반, 기본 픽셀 격자에 대해 원통형 렌즈를 기울이는 방식으로 전자 디스플레이의 중요한 기술적 문제를 해결했다.[17] 이 아이디어를 바탕으로 필립스는 최대 2160p(3840×2160 픽셀 해상도)에 46개의 시야각을 제공하는 WOWvx 라인을 2009년까지 생산했다.[18] 레니 립턴의 회사인 스테레오그래픽스(StereoGraphics)는 기울어진 렌즈 배열에 대한 훨씬 더 오래된 특허를 인용하며 동일한 아이디어를 기반으로 한 디스플레이를 생산했다. 마그네틱3d(Magnetic3d)와 제로 크리에이티브(Zero Creative) 역시 이 기술 개발에 참여했다.[19]
2. 4. 압축 광선장 디스플레이
급속한 광학 제작 기술 발전, 디지털 처리 능력 향상, 그리고 인간 시각 인지에 대한 계산 모델의 발전과 함께 새로운 세대의 디스플레이 기술인 압축 광선장 디스플레이가 등장하고 있다. 이러한 구조는 광학 요소와 압축 계산의 공동 설계를 탐구하며, 인간 시각 시스템의 특정 특성을 고려한다. 압축 디스플레이 설계에는 컴퓨터 단층 촬영 및 비음수 행렬 분해와 비음수 텐서 분해와 같은 알고리즘에 의해 구동되는 이중[20] 및 다층[21][22][23] 장치가 포함된다.2. 5. 기타 기술
다수의 기관에서 오토스테레오스코피 3D 디스플레이를 개발했으며, 그 범위는 대학 부서의 실험적인 디스플레이부터 상업 제품에 이르기까지 다양하며, 여러 가지 다른 기술을 사용한다.[5] 렌즈를 사용하여 오토스테레오스코피 평면 패널 비디오 디스플레이를 만드는 방법은 1985년 하인리히 헤르츠 연구소(HHI)의 라인하르트 뵈르너에 의해 주로 개발되었다.[6]세가 AM3(Floating Image System)[7]와 HHI에 의해 1990년대에 이미 단일 시청자 디스플레이의 프로토타입이 발표되었다. 오늘날 이 기술은 주로 유럽과 일본 회사에 의해 더욱 발전되었다.
HHI가 개발한 3D 디스플레이 중 하나인 Free2C는 시선 추적 시스템과 렌즈의 기계적 조정을 통해 높은 해상도와 편안함을 제공하는 디스플레이였다. 시선 추적 기술은 표시되는 뷰의 수를 두 개로 제한하거나 입체 시야 범위를 넓히기 위해 다양한 시스템에서 사용되어 왔지만, 디스플레이를 단일 시청자로 제한하기 때문에 소비자 제품에는 널리 사용되지 않는다.
현재 대부분의 평면 패널 디스플레이는 여러 시야 영역으로 이미지를 보내는 렌티큘러 렌즈 또는 시차 장벽을 사용한다. 이 방식은 이미지 해상도를 감소시키는 단점이 있다. 시청자의 머리가 특정 위치에 있으면 각 눈으로 다른 이미지가 보여 3D 효과를 느낄 수 있다. 이러한 디스플레이는 여러 개의 시야 영역을 가질 수 있어 여러 사용자가 동시에 이미지를 볼 수 있지만, 입체감이 없거나 유사경 이미지만 보이는 데드 존이 나타날 수도 있다.
디멘션 테크놀로지스는 시차 장벽과 렌즈형 렌즈의 조합을 사용하여 2002년에 상업적으로 사용 가능한 2D/3D 전환 가능 LCD를 출시했다.[27][28] 시리얼 테크놀로지스(SeeReal Technologies)는 시선 추적 기술을 기반으로 한 홀로그래피 디스플레이를 개발했다.[29] 큐빅뷰(CubicVue)는 2009년 소비자 전자 협회 i-스테이지(i-Stage) 경연 대회에서 컬러 필터 패턴 자동 입체 디스플레이를 전시했다.[30][31]
재구성된 광장이 실제 공간을 차지하는 체적 디스플레이나, 벌집 모양 렌즈 배열을 사용하는 적분 영상 등 다양한 자동 입체 시스템도 존재한다.
'멀티 뷰 자동 입체 3D 디스플레이'를 줄여서 부르는 용어이자, 이전의 '시차 파노라마'와 동의어로 자동 멀티스코픽 디스플레이라는 용어가 도입되었다.[32] 후자의 용어는 원래 가로 시점 선을 따라 연속적으로 샘플링하는 것을 의미했지만, 나중에는 비교적 많은 수의 개별 뷰로부터 이미지를 합성하는 방식까지 포함하게 되었다. 싱가포르에 위치한 서니 오션 스튜디오(Sunny Ocean Studios)는 64개의 서로 다른 기준점에서 자동 입체 3D 이미지를 표시할 수 있는 자동 멀티스코픽 스크린을 개발한 것으로 알려졌다.[33]
HR3D라고 불리는 자동 입체 기술에 대한 새로운 접근 방식이 MIT 미디어 랩 연구진에 의해 개발되었다. 이 기술은 닌텐도 3DS와 같은 장치에 적용될 경우, 화면 밝기나 해상도를 저하시키지 않으면서 배터리 수명을 두 배로 늘리고 전력 소비를 절반으로 줄일 수 있다. 또한 더 넓은 시야각을 제공하고 화면 회전 시에도 3D 효과를 유지하는 등의 장점이 있다.[34]
3. 시차 운동: 단일 뷰 vs. 다중 뷰 시스템
시차 운동은 머리를 움직임에 따라 보이는 장면의 모습이 변하는 현상을 말한다. 즉, 머리를 좌우나 상하로 움직이면 장면의 다른 이미지를 보게 된다.
대부분의 자동 입체 디스플레이는 단일 뷰(single-view) 디스플레이이기 때문에, 시선 추적 기능이 있는 시스템에서 한 명의 시청자를 대상으로 하는 경우를 제외하고는 시차 운동을 제대로 구현하기 어렵다.
하지만 일부 자동 입체 디스플레이는 다중 뷰(multi-view) 디스플레이로 제작되어, 좌우 방향의 시차 운동을 인식할 수 있게 해준다.[35] 이런 디스플레이는 보통 8개 또는 16개의 시점을 제공한다. 이론적으로는 상하 방향의 시차 운동도 구현할 수 있지만, 현재까지 알려진 디스플레이 시스템 중 이를 실제로 구현한 사례는 없으며, 상하 방향의 효과는 좌우 방향의 시차 운동보다 덜 중요하게 여겨진다. 양쪽 축(상하, 좌우) 모두에서 시차를 구현하지 않으면, 디스플레이 화면에서 멀리 떨어져 보이는 물체일수록 왜곡이 더 뚜렷하게 나타나는 문제가 생긴다. 시청자가 디스플레이에 가까워지거나 멀어지면, 해당 물체는 좌우 방향으로는 원근 변화가 뚜렷하지만 상하 방향으로는 그렇지 않다. 이 때문에 최적의 시청 거리가 아닌 위치에서는 물체가 늘어나거나 찌그러져 보일 수 있다.
4. 폭주-조절 갈등
자동 입체 디스플레이는 초점 깊이를 일치시키지 않고 입체 콘텐츠를 표시하므로 폭주-조절 갈등을 나타낸다.[3]
5. 오토스테레오스코픽 콘텐츠 제작 및 변환
돌비, 스테레오랩스(Stereolabs) 및 비바3D(Viva3D)는 기존 3D 영화를 오토스테레오스코피로 즉시 변환하는 도구를 시연했다.[24][25][26]
참조
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