3Dディスプレイ
3Dディスプレイは、視聴者に奥行きを伝えることができる表示装置です。多くの3Dディスプレイは、2眼立体視ディスプレイまたは裸眼立体視ディスプレイであり、両眼視差から基本的な3D効果を生み出しますが、眼精疲労や視覚疲労を引き起こす可能性があります。ホログラフィックディスプレイやライトフィールドディスプレイなどの新しい3Dディスプレイは、立体視と表示コンテンツの正確な焦点距離を組み合わせることで、よりリアルな3D効果を生み出します。このように、新しい3Dディスプレイは、従来の立体視ディスプレイよりも視覚疲労を軽減します。
2021 年現在、最も一般的なタイプの 3D ディスプレイは 2 ビュー立体ディスプレイであり、ほぼすべての仮想現実機器で使用されているタイプのディスプレイです。3D ディスプレイは、VR ヘッドセットのように目の近くに配置することも、3D 対応のモバイル デバイスや3D 映画館のように目から離れたデバイスに配置することもできます。
「3D ディスプレイ」という用語は、あらゆる角度から見ることができるコンテンツを生成するボリューム ディスプレイを指す場合もあります。
3Dディスプレイの最もシンプルな形式は2ビューディスプレイで、左目用と右目用の2つのビューを生成します。[ 1 ] 2ビューディスプレイの最も初期の形式の一つはカラーアナグリフで、色フィルター付きのメガネを使用し、左目に赤、右目に青を表示することが多いです。[ 1 ]
歴史
3Dディスプレイの前身は、1832年にチャールズ・ホイートストン卿によって作成されました。 [ 1 ]これは、奥行きを表現する基本的な機能を備えた立体鏡でした。
アイヴァン・サザーランドは、 3Dコンピュータグラフィックスを表示できる最初のヘッドマウントディスプレイを開発した。[ 2 ] [ 3 ]
2視点立体ディスプレイ
立体ディスプレイは、一般的に「ステレオ ディスプレイ」、「ステレオ 3D ディスプレイ」、「立体 3D ディスプレイ」、または単に「3D ディスプレイ」と呼ばれます。
立体ディスプレイの基本的な技術は、左右の目にそれぞれ別々にオフセット画像を提示することです。これらの2Dオフセット画像は脳内で合成され、 3Dの奥行き感を与えます。「3D」という言葉は広く使われていますが、2つの2D画像を提示することは、ライトフィールドを表示することとは明確に異なり、 3次元空間に画像を表示することとも異なります。
完全な3D表示が可能なディスプレイとの最も顕著な違いは、観察者の頭の動きや眼の調節力の変化によって、視聴者が見る映像が変化しないことです。例えば、一部のホログラフィックディスプレイには、このような制限はありません。
2D画像を2画面で「3D」と呼ぶのは、その能力を誇張しすぎです。「立体視」という正確な用語は、長年にわたり疑問の余地なく誤用されてきた「3D」という誤った用語よりも扱いにくいものです。3Dディスプレイは、立体視というより低い基準も満たしているため、しばしば立体ディスプレイとも呼ばれます。
1830年代にチャールズ・ホイートストン卿によって提唱された立体視の原理に基づき、立体視技術は視聴者の左目と右目に異なる画像を提供します。以下は、これまでに開発された注目すべき立体視システムのいくつかに採用されている技術的な詳細と手法の一部です。
並べて表示する画像
従来の立体写真は、2D画像のペア、すなわちステレオグラムから3D効果を作り出すものです。脳の奥行き知覚を高める最も簡単な方法は、同じ物体を2つの異なる視点から捉えた2つの異なる画像を、両眼で自然に受け取る視差と正確に等しいわずかなずれで、視聴者の目に提示することです。
眼精疲労や歪みを避けるためには、2枚の2D画像をそれぞれ視聴者の両目に提示することが望ましい。視聴者が無限遠にある物体を見る場合、その物体が正面を向いている状態で、視聴者の両目が交差したり、視線を逸らしたりすることなく、それぞれの目で知覚されるようにする。地平線や雲など、無限遠にある物体が画像に含まれていない場合は、画像の間隔をそれに応じて狭める。
サイドバイサイド方式は作成が非常に簡単ですが、光学補助なしでは見るのが困難または不快になる可能性があります。
ステレオスコープとステレオグラフィックカード
ステレオスコープは、立体画像カードを見るための装置です。立体画像カードとは、3 次元画像の錯覚を作り出すために並べて印刷された 2 つの別々の画像を含むカードです。
透明性ビューア
透明なベースに印刷されたステレオ画像のペアを透過光で観察します。透明ベースで観察する利点の一つは、不透明なベースに印刷された画像よりも広く、よりリアルなダイナミックレンジを実現できることです。もう一つの利点は、後方から照明を当てることで画像をレンズに近づけることができるため、より広い視野を提供できることです。
フィルムベースの立体透視像を鑑賞する習慣は、少なくとも1931年、Tru-Vue社が35mmフィルムを装填した立体画像のセットを販売し始めた頃に遡ります。このフィルムは、手持ちのベークライト製ビューアーを通して鑑賞できます。1939年には、この技術を改良・小型化したバージョンがView-Masterとして発売されました。これは、7組の小さなコダクロームカラーフィルム透視像を収めた厚紙製のディスクを採用したものです。
ヘッドマウントディスプレイ
ユーザーは通常、両目に1つずつ、拡大レンズ付きの小型LCDまたはOLEDディスプレイを備えたヘルメットまたはメガネを装着します。この技術は、立体的な映画、画像、ゲームの表示に利用できます。ヘッドマウントディスプレイはヘッドトラッキングデバイスと組み合わせることも可能で、ユーザーは頭を動かすことで仮想世界を「見回す」ことができ、別途コントローラーを使用する必要がありません。
コンピュータグラフィックスの急速な進歩と、ビデオ機器をはじめとする機器の小型化の進展により、これらのデバイスはより手頃な価格で入手できるようになりつつあります。ヘッドマウント型またはウェアラブル型のグラスを用いることで、現実世界に重ね合わせたシースルー画像を視聴することが可能になり、いわゆる拡張現実（AR）が実現します。これは、ビデオ画像を部分反射鏡を通して映し出すことで実現されます。現実世界は、部分反射鏡を通して見ることができます。
ホログラフィック導波路または「導波路ベースの光学系」の最近の開発により、かさばる反射鏡を使用せずに立体画像を現実世界に重ね合わせることができるようになりました。[ 4 ] [ 5 ]
ヘッドマウントプロジェクションディスプレイ
ヘッドマウントプロジェクションディスプレイ（HMPD）はヘッドマウントディスプレイに似ていますが、画像は反射型スクリーンに投影・表示されます。この技術がヘッドマウントディスプレイに勝る利点は、焦点合わせや輻輳の問題を矯正レンズで修正する必要がないことです。画像生成には、LCDやOLEDスクリーンの代わりにピコプロジェクターが使用されます。[ 6 ] [ 7 ]
3Dメガネ
アクティブシャッターシステム
エクリプス方式では、反対側の目の像がスクリーンに投影される際に、それぞれの目のシャッターが光を遮断する。ディスプレイは左右の像を交互に表示し、スクリーン上の像と同期してメガネまたはビューアーのシャッターを開閉する。これが1922年に短期間使用されたテレビューシステムの基礎となった。 [ 8 ] [ 9 ]
エクリプス方式のバリエーションは、LCDシャッターグラスで使用されています。これは、交互フレームシーケンスの概念を使用して、映画館、テレビ、またはコンピュータースクリーン上の画像と同期して光を透過する液晶を含むグラスです。これは、nVidia、 XpanD 3D、および初期のIMAXシステムで使用されている方法です。この方法の欠点は、各視聴者が高価な電子グラスを着用し、ワイヤレス信号または接続されたワイヤを使用してディスプレイシステムと同期する必要があることです。シャッターグラスはほとんどの偏光グラスよりも重いですが、軽量モデルは一部のサングラスや高級偏光グラスよりも重くありません。[ 10 ]ただし、これらのシステムでは、投影された画像にシルバースクリーンは必要ありません。
液晶ライトバルブは、2枚の偏光フィルターの間で光を回転させることによって機能します。これらの内部偏光板により、LCDシャッターグラスはLCD、プラズマ、またはプロジェクターなどの画像ソースの表示画像を暗くします。その結果、通常の3D以外の視聴時よりも画像が暗く見え、コントラストが低下します。これは必ずしも使用上の問題ではありません。元々非常に明るく、グレーがかった黒の階調が乏しいディスプレイの場合、LCDシャッターグラスは画質を向上させる可能性があります。
アナグリフ
アナグリフでは、2つの画像が加法混色光設定で、赤とシアンの2つのフィルターを通して重ね合わされます。減法混色光設定では、2つの画像が同じ補色で白い紙に印刷されます。両目に色付きフィルターを装着したメガネをかけることで、フィルターの色を打ち消し、補色を黒にすることで、対応する画像を分離します。アナクロームと呼ばれる補正技術では、特許取得済みのメガネに、わずかに透明度の高いシアンフィルターを使用します。このプロセスにより、典型的なアナグリフ画像が再構成され、視差が少なくなります。
アナグリフで一般的に使用される赤とシアンのフィルターシステムに代わる技術として、 ColorCode 3-Dがあります。これは特許取得済みのアナグリフシステムで、赤チャンネルが損なわれることが多いNTSCテレビ規格と組み合わせてアナグリフ画像を表示するために開発されました。ColorCodeは画面上で黄色と濃い青の補色を使用し、メガネのレンズの色は琥珀色と濃い青です。
偏光システム
立体映画を上映するために、2 つの画像が異なる偏光フィルターを通して同じスクリーン上に重ねて投影される。視聴者は眼鏡をかけるが、この眼鏡にも異なる向きに向いた偏光フィルターのペア (円偏光の場合は時計回り/反時計回り、直線偏光の場合は 90 度の角度、通常は 45 度と 135 度[ 11 ] ) が組み込まれている。各フィルターは同様に偏光した光のみを通過させ、異なる偏光した光を遮断するため、左右の目に異なる画像が映し出される。この仕組みを利用して、わずかに異なる視点から描かれた同じシーンを両目に投影し、3 次元効果を生み出す。さらに、両方のレンズの色が同じであるため、片方の目をより多く使う利き目を持つ人は、これまで 2 つの色の分離によって見えなかった色を正しく見ることができる。
円偏光は直線偏光に比べて、偏光効果を適切に発揮するために視聴者が頭をまっすぐに伸ばして画面と一直線にする必要がないという利点があります。直線偏光の場合、メガネを横に傾けるとフィルターと画面のフィルターの位置がずれ、画像がぼやけて、左右の目が反対側のフレームをより見やすくなります。円偏光では、視聴者の頭が画面に対してどのように位置しているか（横に傾いている、あるいは上下逆さまになっているなど）に関係なく、偏光効果は機能します。左目には意図された画像のみが見え、左目には意図された画像のみが見え、ぼやけやクロストークは発生しません。
通常の映画スクリーンから反射された偏光は、通常、偏光の大部分を失います。そのため、偏光損失が無視できる高価な銀スクリーンまたはアルミニウムスクリーンを使用する必要があります。あらゆる種類の偏光は、表示される画像が暗くなり、非3D画像と比較してコントラストが低下します。ランプからの光は通常、ランダムな偏光の集合として放射されますが、偏光フィルターは光の一部のみを通過させます。その結果、スクリーン画像は暗くなります。この暗さは、プロジェクター光源の輝度を上げることで補正できます。ランプと画像生成素子の間に最初の偏光フィルターを挿入すると、画像素子に当たる光の強度は偏光フィルターがない場合と通常ほど高くならず、スクリーンに伝達される画像全体のコントラストは影響を受けません。
干渉フィルター技術
ドルビー3Dは、右目に赤、緑、青の特定の波長を使用し、左目には赤、緑、青の異なる波長を使用します。特定の波長を遮断する眼鏡をかけることで、3D映像を視聴できます。この技術により、映画館で最も一般的な3D表示システムであるRealDなどの偏光システムに必要な高価な銀スクリーンが不要になります。ただし、偏光システムよりもはるかに高価な眼鏡が必要になります。これはスペクトルコムフィルタリングまたは波長多重視覚化とも呼ばれます。
オメガ3D/パナビジョン3Dシステムもこの技術を採用していますが、スペクトルがより広く、櫛歯の数もより多くなっています（オメガ/パナビジョンシステムでは片目につき5本）。片目につき多くのスペクトルバンドを使用することで、ドルビーシステムで必要な画像の色処理が不要になります。可視スペクトルを両目に均等に分配することで、光エネルギーと色のバランスがほぼ50:50となり、視聴者はよりリラックスした「感覚」を得ることができます。ドルビーシステムと同様に、オメガシステムは白または銀のスクリーンで使用できます。ただし、ドルビーフィルターはドルビーが提供する色補正プロセッサを搭載したデジタルシステムでのみ使用されるのに対し、オメガシステムはフィルムプロジェクターとデジタルプロジェクターのどちらでも使用できます。また、オメガ/パナビジョンシステムは、自社のメガネはドルビーが使用するメガネよりも製造コストが低いと主張しています。[ 12 ] 2012年6月、オメガ3D/パナビジョン3Dシステムは、パナビジョンに代わって販売していたDPVOシアトリカルによって、「厳しい世界経済と3D市場の状況」を理由に製造中止となった。DPVOは事業を解散したが、オメガオプティカルは劇場市場以外への3Dシステムの販売促進と販売を継続している。オメガオプティカルの3Dシステムには、映写フィルターと3Dメガネが含まれる。パッシブ立体3Dシステムに加えて、オメガオプティカルは拡張アナグリフ3Dメガネも製造している。オメガの赤/シアンアナグリフメガネは、複合金属酸化物薄膜コーティングと高品質の焼きなましガラス光学系を使用している。
他の
プルフリッヒ効果は、両眼の信号タイミングの相対的な差により、 視野内の物体の横方向の動きが視覚皮質によって奥行き成分を持つものとして解釈される心理物理学的知覚です。
プリズムグラスを使用すると、交差視野が容易になり、上方/下方視野も可能になります。例としては、KMQ ビューアーが挙げられます。
自動立体視
この方法では、立体画像を見るのに眼鏡は必要ありません。レンチキュラーレンズと視差バリア技術は、2枚（またはそれ以上）の画像を同じシート上に交互に配置し、2枚の画像の片方の帯を遮るスクリーン（視差バリアの場合）または、同じ幅のレンズを使用して画像の帯を曲げ、画像全体を埋め尽くすように見せるスクリーン（レンチキュラープリントの場合）を使用します。立体効果を生み出すには、片方の目で2つの画像のうちの1つを見、もう片方の目でもう1つの画像を見るように人の位置を調整する必要があります。多眼式自動立体視の光学原理は1世紀以上前から知られています。[ 13 ]
どちらの映像も、光を鋭角に反射する高利得の波形スクリーンに投影されます。立体映像を見るためには、観客はスクリーンに対してほぼ垂直な非常に狭い角度で座らなければならず、観客の人数が制限されます。レンチキュラーは、1940年から1948年にかけてロシアで数多くの短編映画の劇場上映に使用され[ 14 ]、1946年には長編映画『ロビンソン・クルゾー』でも使用されました[ 15 ]。
劇場での上映での使用は限られているものの、レンチキュラーは様々なノベルティアイテムに広く使用されており、アマチュアの3D写真撮影にも使用されています。[ 16 ] [ 17 ]最近の用途としては、 2009年に発売された自動立体視ディスプレイを搭載した富士フイルム FinePix Real 3Dがあります。この技術の他の例としては、モニター、ノートパソコン、テレビ、携帯電話、ニンテンドー3DSなどのゲーム機上の自動立体視LCDディスプレイなどがあります。
ボリュームディスプレイ
ボリューメトリックディスプレイは、物理的なメカニズムを用いてボリューム内の光点を表示します。このようなディスプレイでは、ピクセルではなくボクセルが使用されます。ボリューメトリックディスプレイには、複数の表示面を積み重ねたマルチプラナーディスプレイと、回転パネルでボリュームを掃引する回転パネルディスプレイがあります。
装置の上空に光点を投影する技術も開発されています。赤外線レーザーを宇宙空間の目標物に焦点を合わせ、可視光を発する小さなプラズマの泡を生成します。
ライトフィールド/ホログラフィックディスプレイ
ライトフィールドディスプレイは、ディスプレイ表面にライトフィールドの一部を再現します。各ピクセルに異なる色を表示する2Dディスプレイとは対照的に、ライトフィールドディスプレイは各光線に異なる色を表示します。これにより、視線の位置によってディスプレイ上の画像が異なり、視差が生じて3D感覚が生まれます。ライトフィールドディスプレイはガラス窓のようなもので、目に映るすべての光線はガラスから（ガラスを通して）来ているにもかかわらず、ガラスの向こう側に3Dオブジェクトが見えるのです。
ディスプレイ前面の光場は、2つの方法で作成できます。1) ディスプレイ上の各ポイントで異なる方向に異なる光線を放射する方法、2)ディスプレイ前面に波面を再現する方法です。最初の方法を使用するディスプレイは、光線ベースまたは光場ディスプレイと呼ばれます。2番目の方法を使用するディスプレイは、波面ベースまたはホログラフィックディスプレイと呼ばれます。波面ベースディスプレイは、ホログラムと同じように動作します。光線ベースディスプレイと比較して、波面ベースディスプレイは光場を再構築するだけでなく、平面波の曲率と、異なる方向の波の位相差も再構築します。[ 18 ]
インテグラル・フォトグラフィーは、完全な視差情報を持つ光線ベースの手法の一つです。しかし、水平視差のみを持つ光線ベースの技術も開発されています。[ 18 ]
ホログラフィックディスプレイ
ホログラフィックディスプレイは、両眼視差、運動視差、調節、輻輳という4つの眼のメカニズムすべてに対応できるディスプレイ技術です。特別なメガネをかけなくても3Dオブジェクトを視聴でき、人間の目に疲労を与えません。
2013年、シリコンバレーの企業LEIA Incは、多方向バックライトを使用し、広いフル視差角度で3Dコンテンツを見ることができる、モバイルデバイス（時計、スマートフォン、タブレット）用のホログラフィックディスプレイとして販売される自動立体視ディスプレイの製造を開始しました。[ 19 ]彼らの最初の製品は携帯電話（Red Hydrogen One）の一部であり、後に独自のAndroidタブレットに搭載されました。
インテグラルイメージング
インテグラルイメージングは、オートステレオスコピックまたはマルチスコピック3Dディスプレイの一種で、視聴者が特別なメガネを装着することなく3D画像を表示します。画像の前面にレンチキュラーレンズに似たマイクロレンズアレイを配置することでこれを実現し、各レンズは視野角に応じて異なる見え方をします。つまり、どの方向から見ても同じように見える2D画像を表示するのではなく、3Dライトフィールドを再現することで、視聴者が動いた際に 視差が生じる立体画像を生成します。
圧縮ライトフィールドディスプレイ
「圧縮ライトフィールド」と呼ばれる新しいディスプレイ技術が開発されています。これらのプロトタイプディスプレイは、階層化されたLCDパネルと、表示時に圧縮アルゴリズムを使用します。設計には、コンピュータ断層撮影法や非負値行列分解、非負値テンソル分解 などのアルゴリズムによって駆動されるデュアル[ 20 ]およびマルチレイヤ[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]デバイスが含まれます。
問題
これらの表示技術はそれぞれ、視聴者の設置場所、設置が煩雑で見栄えが悪い機器、高額な費用など、限界があることが分かっています。アーティファクトのない3D画像の表示は依然として困難です。
参照
参考文献
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