Введение
Любой метод отображения стереоскопических изображений без использования специальных устройств для головы или очков.
Автостероскопия – это любой метод отображения стереоскопических изображений (обеспечивающий бинокулярное восприятие 3D-глубины) без использования специальных устройств для головы, очков, или чего-либо, влияющего на зрение, или предназначенного для глаз зрителя. Поскольку не требуется использование устройств для головы, она также называется "3D без очков" или "без очковое 3D". В настоящее время для обеспечения параллакса движения и более широких углов обзора используются два основных подхода: отслеживание положения глаз и отображение нескольких видов, благодаря чему дисплею не требуется определять положение глаз зрителя. Примеры технологий автостероскопических дисплеев включают линзовые массивы, барьер параллакса и могут включать интегральную визуализацию, но не включают в себя объемные или голографические дисплеи.
Технология
Многие организации разработали автостереоскопические 3D-дисплеи, начиная от экспериментальных установок в университетских лабораториях и заканчивая коммерческими продуктами, используя различные технологии. Метод создания автостереоскопических плоских видеодисплеев с использованием линз был в основном разработан в 1985 году Рейнхардом Борнером в Институте Генриха Герца (HHI) в Берлине. Прототипы дисплеев для одного зрителя были представлены еще в 1990-х годах компаниями Sega AM3 (Floating Image System) и HHI. В настоящее время эта технология активно развивается европейскими и японскими компаниями. Одним из наиболее известных 3D-дисплеев, разработанных HHI, был Free2C – дисплей с очень высоким разрешением и комфортом просмотра, достигаемым благодаря системе отслеживания взгляда и плавной механической регулировке линз. Отслеживание взгляда используется в различных системах для ограничения количества отображаемых перспектив до двух или для расширения стереоскопической области комфортного просмотра. Однако, поскольку это ограничивает просмотр одним зрителем, такая технология не пользуется популярностью в потребительских товарах. В настоящее время большинство плоских дисплеев используют линзы Френеля или барьеры параллакса, которые перенаправляют изображение в несколько зон просмотра; однако, такая манипуляция требует снижения разрешения изображения. Когда голова зрителя находится в определенной позиции, каждый глаз видит отдельное изображение, создавая убедительную иллюзию трехмерности. Такие дисплеи могут иметь несколько зон просмотра, позволяя нескольким пользователям одновременно просматривать изображение, хотя они также могут иметь мертвые зоны, в которых видно либо нестереоскопическое, либо псевдоскопическое изображение, либо вообще ничего.
Паралаксный барьер
Параллаксный барьер – это устройство, размещаемое перед источником изображения, таким как жидкокристаллический дисплей, чтобы позволить ему отображать стереоскопическое или мультископическое изображение без необходимости использования 3D-очков. Принцип параллаксного барьера был независимо изобретен Огюстом Бертье, который опубликовал свои результаты первым, но не достиг практических результатов, и Фредериком Ивсом, который создал и продемонстрировал первое известное функциональное автостереоскопическое изображение в 1901 году. Примерно через два года Ивс начал продавать образцы изображений в качестве новинок, что стало первым известным случаем коммерческого использования. В начале 2000-х годов компания Sharp разработала электронное плоскопанельное применение этой старой технологии и начала коммерческое производство, ненадолго выпустив два ноутбука с единственными в мире 3D ЖК-экранами. Эти дисплеи больше не выпускаются компанией Sharp, но продолжают производиться и совершенствоваться другими компаниями. Аналогично, компания Hitachi выпустила первый 3D-мобильный телефон для японского рынка, распространяемый компанией KDDI. В 2009 году Fujifilm представила цифровую камеру FinePix Real 3D W1, оснащенную встроенным автостереоскопическим ЖК-дисплеем с диагональю. Семейство игровых консолей Nintendo 3DS использует параллаксный барьер для создания 3D-изображений; в более новой версии, New Nintendo 3DS, эта технология сочетается с системой отслеживания взгляда.
Интегральная фотография и линзиковые массивы
Принцип интегральной фотографии, использующий двумерный (X–Y) массив множества небольших линз для захвата 3D-сцены, был предложен Габриэлем Липпманом в 1908 году. Интегральная фотография способна создавать автостереоскопические дисплеи, напоминающие окна, которые воспроизводят объекты и сцены в натуральную величину, с полным параллаксом, сдвигом перспективы и даже эффектом аккомодации, однако для полной реализации этого потенциала требуется очень большое количество крошечных оптических систем высокого качества и очень большая пропускная способность. До сих пор были созданы лишь относительно примитивные фото- и видеореализации. Одномерные массивы цилиндрических линз были запатентованы Уолтером Гессом в 1912 году. Заменив парные линии и промежутки в простом параллаксном барьере крошечными цилиндрическими линзами, Гесс избежал потерь света, которые приводили к затемнению изображений, просматриваемых при проходящем свете, и делали отпечатки на бумаге неприемлемо темными. Дополнительным преимуществом является меньшая зависимость от положения наблюдателя, поскольку замена линз геометрически эквивалентна сужению промежутков в линейно-промежуточном барьере. Компания Philips решила значительную проблему с электронными дисплеями в середине 1990-х годов, наклонив цилиндрические линзы относительно базовой пиксельной сетки. На основе этой идеи Philips производила линейку WOWvx до 2009 года, поддерживая разрешение до 2160p (3840×2160 пикселей) с 46 углами обзора. Компания StereoGraphics, основанная Ленни Липтоном, выпускала дисплеи, основанные на той же идее, ссылаясь на более ранний патент на наклонные линзикулы. В разработке также участвовали компании Magnetic3d и Zero Creative.
Дисплеи с компассивным световым полем
С быстрыми достижениями в области оптического производства, цифровой вычислительной мощности и вычислительных моделей человеческого восприятия, появляется новое поколение технологий отображения: дисплеи сжатого светового поля. Эти архитектуры исследуют совместную разработку оптических элементов и компрессионных вычислений, учитывая специфические особенности человеческой зрительной системы. Конструкции сжатых дисплеев включают в себя двух- и многослойные устройства, управляемые алгоритмами, такими как компьютерная томография, неотрицательная матричная факторизация и неотрицательная тензорная факторизация.
Создание и преобразование автостероископического контента
Инструменты для мгновенного преобразования существующих 3D-фильмов в автостереоскопические были продемонстрированы компаниями Dolby, Stereolabs и Viva3D.
Другое
Dimension Technologies выпустила ряд коммерчески доступных 2D/3D переключаемых ЖК-дисплеев в 2002 году, используя комбинацию барьеров параллакса и линз Френеля. SeeReal Technologies разработала голографический дисплей на основе отслеживания взгляда. CubicVue представила автостереоскопический дисплей с цветовым фильтром на конкурсе i Stage, организованном Consumer Electronics Association, в 2009 году. Существует множество других автостереосистем, таких как объемный дисплей, в котором реконструированное световое поле занимает реальный объем пространства, и интегральное изображение, использующее массив линз, имитирующих глаз насекомого. Термин "автомультископический дисплей" недавно был введен как более короткий синоним для громоздкого "многоточечного автостереоскопического 3D-дисплея", а также для более раннего, более узкого понятия "параллакс-панорамаграммы". Последний термин изначально обозначал непрерывную выборку вдоль горизонтальной линии точек обзора, например, захват изображения с помощью очень большой линзы или движущейся камеры и сдвигающегося барьерного экрана, но впоследствии стал включать синтез из относительно большого числа дискретных изображений. Компания Sunny Ocean Studios, расположенная в Сингапуре, разработала автомультископический экран, способный отображать автостереоскопические 3D-изображения с 64 различных опорных точек. Исследователи из Медиа-лаборатории MIT разработали принципиально новый подход к автостереоскопии под названием HR3D. Он потребляет вдвое меньше энергии, удваивая время работы от батареи при использовании с такими устройствами, как Nintendo 3DS, без снижения яркости или разрешения экрана; другие преимущества включают более широкий угол обзора и сохранение 3D-эффекта при вращении экрана.
Параллакс движения: однообразные и многообразные системы
Параллакс движения относится к изменению вида сцены при движении головы. Таким образом, при перемещении головы слева направо и сверху вниз наблюдаются различные изображения сцены. Многие автостереоскопические дисплеи являются дисплеями с одним видом и, следовательно, не способны воспроизводить ощущение параллакса движения, за исключением одного зрителя в системах с отслеживанием взгляда. Однако некоторые автостереоскопические дисплеи являются многовидными и, следовательно, способны обеспечивать восприятие параллакса движения слева направо. Для таких дисплеев обычно используются восемь и шестнадцать видов. Хотя теоретически возможно имитировать восприятие параллакса движения вверх-вниз, в настоящее время не известно ни одной системы отображения, способной это делать, и эффект движения вверх-вниз обычно считается менее важным, чем параллакс движения слева направо. Одно из последствий отсутствия параллакса по обеим осям становится более заметным при отображении объектов, все более удаленных от плоскости дисплея: по мере приближения или удаления зрителя от дисплея такие объекты будут более явно демонстрировать эффекты сдвига перспективы по одной оси, но не по другой, выглядя искаженными – растянутыми или сжатыми – для зрителя, находящегося не на оптимальном расстоянии от дисплея.
Конфликт вергенции и аккомодации
Автостереоскопические дисплеи отображают стереоскопическое изображение без согласования глубины фокуса, что приводит к конфликту между вергенцией и аккомодацией.