무안경방식 3D 디스플레이기술동향 2012.5.18 이현 hlee2@etri.re.kr
목차 3D 입체영상개요무안경 3D 디스플레이원리및개발동향 패럴랙스배리어 렌티큘러렌즈 다시점디스플레이 인테그럴이미징 홀로그래픽무안경 3D 디스플레이최근기술동향결론 1 디지털방송연구단
3D 입체영상개요 2 디지털방송연구단
입체시의요인 양안에대한입체감 ( 생리적요인 ) 폭주 (convergence) 양안시차 (binocular disparity) Relative size Interposition 단안에대한입체감 ( 경험적요인 ) Linear and aerial perspective Shadow and lighting Motion parallax 3 방송시스템연구부
Monocular Depth Cues: Relative Size Relative Size: Retinal image size allow us to judge distance based on our past and present experience and familiarity with similar objects. As the car drives away, the retinal image becomes smaller and smaller. We interpret this as the car getting further and further away. This is referred to as size constancy. A retinal image of a small car is also interpreted as a distant car (figure 1). 4 디지털방송연구단
Monocular Depth Cues: Interposition Interposition: Interposition cues occur when there is overlapping of objects. The overlapped object is considered further away (figure 2). 5 디지털방송연구단
Monocular Depth Cues: Linear Perspective Linear Perspective: When objects of known distance subtend a smaller and smaller angle, it is interpreted as being further away. Parallel lines converge with increasing distance such as roads, railway lines, electric wires, etc (figure 3). 6 디지털방송연구단
Monocular Depth Cues: Aerial Perspective Aerial Perspective: Relative colour of objects give us some clues to their distance. Due to the scattering of blue light in the atmosphere, creating "wall" of blue light, distance objects appear more blue (figure 4). Thus distant mountains appear blue. Contrast of objects also provide clues to their distance. When the scattering of light blurs the outlines of objects, the object is perceived as distant. Mountains are perceived to be closer when the atmosphere is clear. 7 디지털방송연구단
Monocular Depth Cues: Light and Shade Light And Shade: Highlights and shadows can provide information about an object's dimensions and depth (figure 5). Because our visual system assumes the light comes from above, a totally different perception is obtained if the image is viewed upside down. 8 디지털방송연구단
Monocular Depth Cues: Motion parallax Motion Parallax provides perceptual cues about difference in distance and motion, and is associated with depth perception. As an example, if you're riding in a car, objects that are close to you seem to go by really quickly (for example, a road sign that you pass), but objects that are further away appear to move much more slowly. 9
Depth cues 폭주 (convergence) 어떤대상을바라볼때, 양쪽눈의시선이대상을향해모이는것, 폭주각의차이로인해입체감형성 양안시차 (binocular disparity) 양쪽눈의망막에생기는상의차이로인해입체감형성 조절 (accommodation) 주시하고자하는물체가위치한거리에따라물체를선명하게볼수있도록초점을변화시키는눈의능력 10 방송시스템연구부
Binocular vision 2D image A Fusion 3D image 2D image B 11 디지털방송연구단
Stereopsis Definition the process in visual perception leading to perception of the depth or distance of objects an ability to make fine depth discriminations from parallax provided by the two eye's different positions on the head quantitative stereopsis : the depth seen is very similar to the actual depth of the object being judged holds for small distances from the fixation plane (approximately within Panum's fusional area) qualitative stereopsis : the depth is correctly nearer or father than the fixation point but the amount of depth does not grow with distance of the object from the fixation point holds for larger distances from the fixation plane (outside of Panum's fusional area) Eventually an object can be moved so far from the fixation plane that there is no sense of depth of the double images--instead they appear to be on the fixation plane. 12 디지털방송연구단
Disparity limits for binocular fusion Small stimuli ( 15 minutes of arc) à ±10 minutes of arc Large stimuli (» 1.0 6.6 degrees of arc) à ±20 minutes of arc Up to 2 degrees of overall disparity is tolerated Stereoscopic sensitivity is relatively good at regions close to the horopter Can detect a disparity of» 2 seconds of arc For distances beyond 30 meters à disparity become negligible 13 디지털방송연구단
무안경 3D 디스플레이원리및개발동향 14 디지털방송연구단
3D Displays 분류 안경식 (Stereoscopic) 무안경식 양안식 (Auto-stereoscopic) 주요특징 제공영상시각피로현상형태개발단계 - 적청필터, 편광필터, 또는셔터방식의안경착용필요상용화됨 - 하나의시점만제공 - FPD 기반 ( 소중대형 ) - 있음 - 프로젝터기반 ( 대형 ) - 하나의시점만제공상용화됨 다시점 (Multiview) - 두개이상의시점제공상용화됨 초다시점 (Super Multiview) 자유시점방식 ( 완전시차방식 ) Integral Photography 방식 Volumetric 디스플레이 Holographic 디스플레이 HMD (Head Mounted Display) - 45 시점이상 ( 동공에동시에두개이상의시점에대한영상이입력되는조건 ) - 동공에다양한시점에서의영상을동시에제공 - 아직대형화의한계가있음 - 상이투시되어보이는문제있음 - 현실에서보는것과동일한영상제공가능 - 궁극적인디스플레이로여겨짐 - 하나의시점만제공 - 양안식과동일 - 없음 ( 아직충분한객관적검증필요 ) - 없음 ( 자유시점을제공함으로써자연스러운영상시청가능 ) - 있음 - FPD 기반 ( 고해상도필요 ) - FPD 기반 ( 소중대형 ) - 프로젝터기반 ( 대형 ) - FPD - 회전스크린 연구중 연구중 연구중 / 실용화중 - FPD 기반연구중 - FPD - 개인단말 상용화됨 15 디지털방송연구단
Auto-stereoscopic Parallax barrier Slits L R Lenticular lens lens Image L R 16 디지털방송연구단
패렐랙스배리어 패럴랙스배리어방식 : 패럴랙스배리어뒤에적당한간격을두고좌우화상을교대로배치하여좌우화상을분리하는무안경디스플레이방식 1903 년, 미국의 F.E Ives 가패럴랙스스테레오그램 (Parallax Stereogram) 을제안 입체화상표시면 패럴랙스배리어슬릿 좌안 우안 좌안 우안 우안 좌안 우안 좌안 패럴랙스배리어슬릿 ( 정면에서본모습, 위에서본모습 ) 우안 좌안 좌안 우안 17 디지털방송연구단
패렐랙스배리어 Filter Switch-on Filter Switch-off R L R L R L R L TFT- LCD Filter LCD 2 Dimensional Image 3 Dimensional Image 18 방송시스템연구부
패렐랙스배리어 LC 구동원리 Offline Online 19 방송시스템연구부
패렐랙스배리어 PB Display Structure 20 디지털방송연구단
렌티큘러렌즈 2D/3D switchable? Brightness http://www.squidoo.com/lenticular-lens 21 방송시스템연구부
렌티큘러렌즈 Electro-wetting Saline : 염수 22
렌티큘러렌즈 LC active lenticular lens http://www.kdia.org 23 방송시스템연구부
다시점디스플레이 24 방송시스템연구부
다시점디스플레이 Parallex Barrier Multi-view 25 디지털방송연구단
다시점디스플레이 26 방송시스템연구부
다시점디스플레이 27 방송시스템연구부
다시점디스플레이 28 방송시스템연구부
무안경디스플레이상용화제품 모바일 3DTV- 상용화제품 구분기능및특징비고단말형상 닌텐도 3DS 후지필름 FinePix REAL 3D-W3 LG Optimus 3D Optimus Pad KDDI Wooo H001 패렐랙스배리어 3.53 인치, 800x240 3.5 인치 back screen Light Direction Control System 4.3 형디스플레이, 8.9 인치디스플레이, 듀얼코어프로세서 패렐랙스배리어 3.1 인치 3D IPS TFT LCD 디스플레이 2011 년 4 월출시예정 상용판매중 모바일월드콩그레스 (MWC) 2011 년 2 월공개 유튜브 (YouTube) 공동으로 3D 콘텐츠사업예정 마스터이미지패널납품 2010 년 2 월 삼성전자 (SCH-B710, SCH- W960) 패렐랙스배리어 2.2 인치 QVGA 위성 DMB 2007 년 (SCH-B710) 2010 년 (SCH-W960) 29
무안경디스플레이상용화제품 무안경다시점 3DTV 시제품및상용품출시현황 회사명 제품 수준 크기 ( 인치 ) 패널 해상도 디스플레이 방식 시점 수 시야각 ( 도 ) 시청거리 (m) 주요응용 분야 상용화시기 도시바시제품 12/21/56 /65 4K Integral Imaging/ Lenticular 8-2-4 - Digital Signage - 거실용 2011 년말에 40/50/60 인치 양산계획 소니시제품 24.5/46/ 56 2K/4K Lenticular 4-1.8~2.1 - Digital Sign age 미정 현재양산계 획없음 LG 전자시제품 50/55 4K Lenticular 4 30 3.6~4.8-3D 블루레이 -3DTV 2015 년예상 2D/3D Switchable Dimenco 상용품 27/ /22/52 /56 4K Lenticular 15/ 28 120~150 소프트웨어 에의해 조절가능 - Digital Signage - 거실용 2011 년 자연스런 viewing cone 간전환 ipoint and Tridelity 시제품 65 SD 급 Parallax Barrier 5~21 - - - Digital Signage - 거실용 삼성전자시제품 70 4K 미공개 - 3DTV 미정 240Hz 구동 -30-
인테그럴이미징 Concept of spatio-angular ray distribution and its capture using integral imaging. 31 방송시스템연구부
인테그럴이미징 3D information processing using integral imaging for (a) arbitrary-view synthesis, (b) 3D microscopy, and (c) 3D holography synthesis 32 방송시스템연구부
홀로그래피 <Recording> <Reconstruction>
홀로그래피 3D Displays Star Wars 1977 Holography Integral Imaging Stereoscopic 3D volumetric Holographic Video System MIT Full-color Full parallax Hologram Zebra Imaging SNU convex lenses array Glasse s Shuttered Glasses Auto Stereoscopi c Lenticular screen Rotating LED Zhejiang univ. 2010 Polarizing filters Parallax barrier Samsung 52 Lenticular 2010 Mark II, 1993 60x60cm, Seattle, 2010 Qinetiq Geola tech. 60 projector, 2009 Toshiba HD Full parallax, 2005 Full parallax, 2007 21 Display, 2010 Avatar 3D 2009 Samsung DMB-phone, 2007 LG Optimus-3D, 2011
무안경 3D 디스플레이최근기술동향 35 디지털방송연구단
Summary Auto-stereoscopic display
무안경디스플레이 개요 (1/3) 무안경식디스플레이문제점 : 제한된시청영역 ( 거리및각도 ) 에서만입체영상시청가능 ( 우안에 Right image, 좌안에 Left image 만노출 ) 정상위치 : 입체시청가능 눈위치이동 : 입체시청불가능 L R L R L R? 37
무안경디스플레이 개요 (1/3) 무안경식디스플레이문제점 : 제한된시청영역 ( 거리및각도 ) 에서만입체영상시청가능 ( 우안에 Right image, 좌안에 Left image 만노출 ) 정상위치 : 입체시청가능 눈위치이동 : 입체시청불가능? 38
무안경디스플레이 개요 (2/3) 해결방안 : 눈의위치를파악하여해당위치에서입체가시청할수있도록배리어이동 배리어이동기술과시선추적기술을접목하여시청영역에자유로운무안경식양안식 3D 디스플레이 (Autostereoscopy) 구현 시청자이동 이동거리감지시선추적기술 39
무안경디스플레이 - HHI 방식 LG 에서출시된 DX-2000 대비 crosstalk 성능개선 DX-2000 2011 년 LG 에서상용출시한무안경식 3D 디스플레이 시점추적을통하여시청영역가변형으로설계 Slanted parallax barrier 기반 5 view 기법설계및 2~3 pixel rendering 적용 Static parallax barrier 로 TFT-LCD 의 sub-pixel 단위로이동하여시청영역가변 -40-
무안경디스플레이 -Moving Parallax Barrier Moving parallax : Barrier 를세분하여 PB(Parallax Barrier) 자체를전자식스위치를이용하여이동하는방식 Barrier pitch 절연층 Pad 전극 기판 배리어전극 Pad 전극 구동전극 OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON 구동전극 출처 : NDIS Via hole 41
무안경디스플레이 - Dual Layer Parallax Barrier L/R, R/L control L 1 R 1 L 2 R 2 L 3 R 3 L 4 R 4 L 5 R 5 L 6 R 6 L 7 R 7 L 8 R 8 L 9 R 9 L 10 R 10 2D Display Parallax Barrier 1 Barrier Switch Parallax Barrier 2 LEFT RIGHT 4 modes PB1-on, PB2-off, LR PB1-on, PB2-off, RL PB1-off, PB2-on, LR PB1-off, PB2-on, RL 42
무안경디스플레이 - Dual Layer Parallax Barrier DLPB 원리
무안경디스플레이 - Dual Layer Parallax Barrier DLPB(Dual Layer Parallax Barrier) 서로다른 ITO 쌍에 AC 전압을교번시켜인가하 면패렐랙스배리어의틈의위치를변화 Beam forming 상태천이개수 : 2 2010 년시제품제작완료 < 구조 > < 동작원리 > -44-
무안경디스플레이 - ADLPB ADLPB(Advanced Dual Layer Parallax Barrier) DLPB 의 Beam forming 상태천이개수가 2 개로발생하는 3D 시점영역간의경계지점 의 3D 불연속인특성을보완 전극에인가되는전압의배열에따라상태 1(state 1), 상태 2(state 2), 상태 3(state 3) 로동작하며, 각상태에따라빔형성이달라짐 Beam forming 상태천이개수 : 3 2011 년 2 월시제품제작완료예정 2 nd PB layer DLPB s1 s2 s3 s4 Vd1 State 1 1 st PB layer Dual Layer Parallax Barrier(DLPB) s2 s3 s1 s4 DLPB TN-LCD panel 2 nd PB layer 1 st PB layer DLPB Vd3 0 0 Vd2 Vd1 State 2 State 2 TFT-LCD panel LCD pixels Backlight DLPB Vd3 State 3 < 구조 : DLPB 와동일하나설계값이차이를가짐 > < 동작상태 > -45-
무안경디스플레이 - ASPB ASPB(Advanced Segmented Parallax Barrier) DLPB 및 ADLPB 보다레이어개수가 2 개적음 (Insulator 층, Patterned ITO 층 ) DLPB 접합에서나타나는공정오류가적어대량생상시수율이우수 Beam forming 상태천이개수는세그먼트개수에따라증가가능 DLPB 및 ADLPB 대비낮은구동전압으로구동가능 Beam forming 상태천이개수 : 3 이상 < 구조 > < 동작상태 > -46-
무안경디스플레이 - Wedge Lens 출처 : IEEE Spectrum 2/3/2011 47
무안경디스플레이 - Dynamic Parallax Barrier Offline Online 48
결론 무안경식디스플레이이슈 FPD 기반 패렐랙스배리어, 렌티큘러렌즈 엑티브렌즈, Electro-wetting => 2D/3D switable 해결노력 4k 패널기반의다시점디스플레이개발 시선추적방식을결합한방식제안 : Moving PB, HHI, DLPB, ADLPB, ASPB, Wedge lens, Dynallax 등 인테그럴이미징, 홀로그래피계속연구개발중 FPD 방식의문제점 : 폭주 (convergence) 및조절 (accommodation) 의불일치에의한시각피로발생 49 방송시스템연구부
Discussions 3D TV Foundation 50 디지털방송연구단