증강 현실의 확장된 심도

Mar 27, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8786(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

3D 디스플레이 장치는 깊이 정보가 포함된 영상을 보여줍니다. 양안 시차를 기반으로 하는 기존의 3D 디스플레이 장치는 특정 화면의 깊이에만 정확하게 초점을 맞출 수 있습니다. 인간의 눈은 일반적인 상황에서 DOF(심도)가 좁기 때문에 상대적으로 넓은 범위의 가상 깊이 영역을 제공하는 3D 디스플레이는 선명한 3D 이미지를 볼 수 있는 DOF에 한계가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 DOF를 확장할 수 있는 광학적 조건을 찾고 이와 관련된 현상을 분석하는 것이 필요하다. 이를 위해 Rayleigh 기준과 Strehl 비율을 사용하여 DOF 확장 기준을 제안합니다. DOF를 효과적으로 확장할 수 있는 실용적인 광학 구조는 평판 디스플레이를 이용하여 고안되었습니다. 이러한 광학구조는 Near Eye 디스플레이 분야의 AR, VR, MR에 적용될 수 있다. 본 연구 결과를 통해 향후 확장된 DOF의 3차원 영상을 제공할 3차원 디스플레이에 대한 기본적인 광학 조건 및 표준을 제안한다. 또한 이러한 조건과 기준은 다양한 분야의 3D 디스플레이 개발에 요구되는 성능을 위한 광학 설계에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

안경형 또는 무안경 스테레오형 3D 디스플레이와 같은 3D 디스플레이는 일반적으로 양안 시차를 제공합니다1,2. 또한, 운동 시차를 제공하기 위해 관찰자의 위치 정보를 소프트웨어 프로세스에 피드백으로 사용할 수 있습니다3,4,5,6. 다중 뷰 3D 디스플레이를 사용하면 모션 시차를 광학적으로 제공할 수도 있습니다7,8,9,10,11. 또한, 사람이 자연 환경에서 물체를 응시할 때, 양쪽 눈의 시선은 물체의 위치로 수렴되어 망막 중심와에 고정점을 만듭니다. 동시에 눈은 수렴심도에 초점을 맞춰 망막의 상이 선명해지도록 수정체의 두께를 조절합니다. 이렇게 인간의 눈에서는 융합-조절 연계작용이 자연스럽게 이루어지게 된다.

3D 영상의 경우, 양안 시차 영상으로부터 깊이감을 부여할 수 있다. 3D 이미지 인식은 양안 효과와 단안 효과를 결합하여 달성됩니다. 단안 효과에는 초점 조절 효과가 있습니다. 그러나 3차원 영상을 관찰할 때 원근 조절을 통해 인간의 눈이 망막에서 선명한 영상으로 인지하는 가상 물체의 깊이 범위는 동공 폭 3mm에 대해 평균 약 ±0.3디옵터인 것으로 알려져 있다12. 따라서, 3D 디스플레이로부터 ±0.3디옵터 이상의 초점 심도를 갖는 3D 영상을 제공하는 경우, 망막에 나타나는 영상의 흐릿함 때문에 관찰자는 제공된 3D 영상에서 이러한 차이로 전체적으로 선명한 3D 영상을 볼 수 없게 된다. 깊이. 즉, VAC(vergence-accommodation conflict)13,14가 발생합니다. 이러한 VAC 현상은 눈의 피로를 유발할 수 있으므로 표현되는 3D 영상의 깊이가 제한될 수밖에 없으며, 3D 영상의 적용 영역도 제한된다. 따라서 일반적인 3차원 영상에서 DOF가 넓어지면 단안 영상은 확대된 DOF 영역에서 영상의 깊이 정보에 상관없이 항상 선명한 영상을 보여주는 2차원 영상이라고 할 수 있다. 그러나 이러한 3D 영상이 양안의 시선상황의 양안시차와 결합되면 양안의 시선깊이가 DOF 범위 내에 있어야 항상 선명한 영상을 볼 수 있다. 그러나 이는 실제 영상의 특성을 지닌 3D 영상이 아니다. 그러나 관찰자는 DOF 깊이 범위 내의 어떤 깊이에서도 3차원 영상점을 볼 때에도 선명한 영상을 인식할 수 있기 때문에 주시점의 3차원 영상 인식에는 문제가 없다.

이러한 VAC 문제를 해결하기 위한 3D 디스플레이 기술은 홀로그래피 기술과 유사하게 허상 깊이에서 빛의 이탈을 제어할 수 있어야 합니다. 또는 체적 이미지 디스플레이 장치에서와 같이 3D 이미지를 제공하기 위한 공간 디스플레이를 구현합니다. 이러한 기술은 일반적인 무유리 3D 디스플레이에 적용할 수 있으나, 홀로그램 기술은 응용 분야에 맞게 진폭과 위상을 표시하는 공간 광 변조기의 성능에 여전히 일부 한계가 있으며, 체적 3D 디스플레이 역시 3D 디스플레이 공간을 제한하는 문제가 있습니다. . 따라서 상용 3D 디스플레이 개발에 상당한 어려움을 겪고 있다. 따라서 초점 조정 정보를 제공할 수 있는 3D 디스플레이에 대한 연구 개발은 NED(Near Eye Display) 분야에서 주로 시도되어 왔다20,21,22. NED에서는 3D 영상을 제공하는 시야 영역이 제한되어 있어도 활용할 수 있도록 초점 조정이 제공되는 깊이 영역을 확장하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 또한 Full Parallax 방식23, Super-Multiview(SMV) 방식24 및 Light Field 방식25,26에서 초점 조정을 만족시키는 다양한 방식이 있습니다. 또한, 가상 화면의 깊이를 변경하는 기술이 적용될 수도 있다27,28. DOF 확장을 위한 광학적 조건이 형성되면 맥스웰 뷰 형태의 3D 디스플레이의 경우 단안에는 단 하나의 시점만 제공되더라도 양안 시선 깊이가 1인 경우 항상 선명한 3D 영상을 볼 수 있다. DOF의 깊이 범위 내에서. 특히, SMV 방식은 눈동자 내에 2개 이상의 시차 정보 지점을 제공함으로써 초점 제어 정보에 대한 단서를 제공할 가능성을 제시하고 있다. 양안 시차를 이용하여 양쪽 눈의 영상정보로부터 깊이정보를 유추할 수 있는 것처럼, 한쪽 눈에 두 개 이상의 시차에 대한 정보를 제공하여 깊이정보가 가능하도록 함으로써 인공적인 초점조정의 단서를 제공할 수 있다는 가정에서 출발한다. 단 한 눈에도 제공됩니다. 이 경우 SMV를 형성하는 각 시점 영상의 DOF는 넓어야 인공적인 초점 제어 정보를 제공할 수 있으며, 초점이 다양한 깊이로 이동하더라도 선명한 영상을 볼 수 있다29,30,31. 이러한 배경에서 넓은 DOF를 갖는 단일 시차 이미지를 구현하는 것은 SMV32,33,34,35를 포함한 여러 유형의 3D 이미지를 구현하는 데 중요한 요소입니다. 따라서 맥스웰 뷰 형태의 3D 디스플레이의 경우 단안에는 하나의 시점만 제공되어도 본 애플리케이션을 사용할 수 있다. 또한, Maxwellian view, SMV, IP, Light Field 등의 광학구조에 DOF의 깊이 범위가 넓은 광학계를 적용하면 에 적용된 참고문헌29,34,35에서와 같이 홀로그램과 같은 효과를 얻을 수 있다. SMV. 이에 따라, 궁극의 3차원 영상인 홀로그램 영상과 유사한 3차원 영상을 생성할 수 있다.