KR101238824B1 - 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템 - Google Patents

인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템 Download PDF

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박민철
최영선
조정근
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한국과학기술연구원
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    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N2013/0074—Stereoscopic image analysis
    • H04N2013/0092—Image segmentation from stereoscopic image signals

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Abstract

본 발명은 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 디스플레이패널로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널이 상기 디스플레이패널의 전방에 배치되며, 상기 개구를 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼게 하는 무안경식 3차원 영상표시장치와, 상기 무안경식 3차원 영상표시장치로부터 상기 디스플레이패널의 크기, 해상도, 단위화소의 폭(p), 각 단위화소사이에 위치한 전극의 폭(M) 및 상기 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리(d), 개구폭(A) 및 장벽의 폭(B)에 대한 디스플레이 정보를 비롯하여 기설정된 총 시점수, 각 단위화소당 점광원의 수, 상기 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리(V) 및 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리(B.D)에 대한 시점 정보를 제공받아 각각의 점광원에서 출발하는 광이 개구를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭(Intensity distribution)을 연산하여 기설정된 관찰면에서 수평방향의 관찰범위내의 시역분포 데이터를 획득하는 제어장치와, 상기 제어장치로부터 획득된 시역분포 데이터를 제공받아 상기 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 출력하는 빔 프로젝트 장치를 포함함으로써, 관찰자가 시각적으로 최적시청영역을 용이하게 확인할 수 있으며, 크로스토크가 최소화되도록 3차원 디스플레이의 각각의 파라미터들을 조절하여 최적화된 무안경식 3차원 디스플레이를 설계할 수 있는 효과가 있다.

Description

인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템{INTERACTIVE 3-DIMENSIONAL DISPLAY SYSTEM}
본 발명은 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임의의 관찰면에서 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 디스플레이 해줌으로써, 관찰자가 시각적으로 최적시청영역을 용이하게 확인할 수 있으며, 크로스토크(crosstalk)가 최소화되도록 3차원 디스플레이의 각각의 파라미터들을 조절하여 최적화된 무안경식 3차원 디스플레이를 설계할 수 있는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 3차원을 표현하는 입체화상은 두 눈을 통한 스테레오 시각의 원리에 의하여 이루어지게 되는데, 두 눈의 시차 즉, 두 눈이 약 65㎜정도 떨어져서 존재하기 때문에 나타나게 되는 양안시차는 입체감의 가장 중요한 요인이라 할 수 있다.
즉, 좌우의 눈은 각각 서로 다른 2차원 화상을 보게 되고, 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 본래 3차원 영상의 깊이감과 실제감을 재생하는 것이다.
현재 3차원 입체화상을 표시하기 위해 제시된 기술로는, 특수안경에 의한 입체화상 디스플레이, 무안경식 입체화상 디스플레이 및 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 방식이 있다.
이중에서 특수안경에 의한 입체화상 디스플레이 방식은 편광의 진동방향 또는 회전방향을 이용한 편광안경방식과, 좌우화상을 서로 전환시켜가면서 교대로 제시하는 시분할 안경 방식 및 좌우안에 서로 다른 밝기의 빛을 전달하는 방식인 농도차 방식으로 나눌 수 있다.
또한, 상기 무안경식 입체화상 디스플레이 방식은 좌우안에 해당하는 각각의 화상 앞에 세로격자 모양의 개구(aperture)를 통하여 화상을 분리하여 관찰할 수 있게 하는 패러랙스(parallax) 방식과, 반원통형 렌즈를 배열한 렌티큘러판(lenticular plate)을 이용하는 렌티큘러(lenticular) 방식 및 파리 눈 모양의 렌즈판을 이용하는 인테그럴(integral photography) 방식으로 나눌 수 있다.
그리고, 상기 홀로그래픽 디스플레이(holographic display) 방식은 입체감이 생기는 요인인 촛점 조절, 폭주각, 양안시차, 운동시차 등 모든 요인을 갖춘 3차원 입체화상을 얻을 수 있는데, 레이저 광 재생 홀로그램과 백색광 재생 홀로그램으로 분류된다.
상기 특수안경에 의한 입체화상 디스플레이 방식은 많은 인원이 입체영상을 즐길 수 있으나, 별도의 편광안경 또는 액정 셔터 안경을 착용해야 하는 단점을 가지고 있다. 즉, 관찰자가 특수한 안경을 착용하여야 하므로 불편함과 부자연스러움을 발생시킨다.
한편, 상기 무안경식 입체화상 디스플레이 방식은 관찰범위가 고정되어 소수인원에 한정되지만 별도의 안경을 착용하지 않는 특징이 있어 선호되는 경향이 있다. 즉, 무안경식 입체영상 디스플레이 방식은 관찰자가 직접 스크린을 주시하게 되어 전술한 바와 같은 단점이 사라지기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.
완벽한 3차원 입체영상을 표시하는 것으로는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 방식을 예로 들 수 있은 데, 이는 주로 레이저와 렌즈 및 거울 등을 통해 공간상에 직접 3차원 좌표의 영상을 표시하는 것으로 실제 존재하는 물체의 느낌을 그대로 받을 수 있지만, 기술상의 어려움과 장비가 차지하는 공간이 커진다는 단점이 있어 손쉽게 접할 수 없는 방식이다.
그리하여, 스테레오 이미지(stereo image)를 이용하여 눈속임을 통해 가상으로 3차원 영상을 구현하는 방식인 패러랙스-배리어(parallax barrier)를 채택하려는 경향이 늘고 있다.
상기 패러랙스-배리어는 좌/우 두 눈에 해당하는 영상 앞에 세로 혹은 가로형태(개구 또는 슬릿)를 둠으로써, 상기 개구(aperture) 또는 슬릿(slit)을 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼게 되는 방식이다.
여기서, 상기 패러랙스 배리어 방식에 의한 3차원 영상 디스플레이 장치를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 배리어 방식 3차원 디스플레이 장치에 의해 3차원 영상이 구현되는 것을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 패러랙스 배리어 방식은 디스플레이패널(30)로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널(20)이 디스플레이패널(30)의 전방에 배치된다.
이에 관찰자(10)는 시차장벽패널(20)의 개구를 통해 디스플레이패널(30)로 디스플레이 또는 인쇄된 영상을 보게 되는데, 관찰자(10)의 좌안(L)과 우안(R)은 동일한 개구를 통하더라도 각각 디스플레이패널의 다른 영역을 보게 된다. 패러랙스 배리어 방식은 이러한 원리를 이용한 것으로, 좌안과 우안이 각각 다른 영역의 화소에 대응하는 영상을 슬릿을 통해 보게 되므로 입체감을 느끼도록 한다.
즉, 도 1에서 좌안(L)은 디스플레이패널(30)에서 좌안 대응 화소(Lp)를 보게 되고, 우안(R)은 디스플레이패널(30)에서 우안 대응 화소(Rp)를 보게 된다.
그러나, 종래의 상기 패러랙스 배리어 방식 3차원 디스플레이 장치는 좌우 양안에 각각 분리되어 입사됨에 따라 발생하는 입체 효과가 일정한 위치에서만 가능하고 기설정된 위치를 이탈하면 좌우 화상이 반전되거나 좌우 방향에 대한 부적절한 화상 분리로 인해 왜곡된 3차원 화상이 관측되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 임의의 관찰면에서 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 디스플레이 해줌으로써, 관찰자가 시각적으로 최적시청영역을 용이하게 확인할 수 있으며, 크로스토크(crosstalk)가 최소화되도록 3차원 디스플레이의 각각의 파라미터들을 조절하여 최적화된 무안경식 3차원 디스플레이를 설계할 수 있는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 디스플레이패널로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널이 상기 디스플레이패널의 전방에 배치되며, 상기 개구를 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼게 하는 무안경식 3차원 영상표시장치; 상기 무안경식 3차원 영상표시장치로부터 상기 디스플레이패널의 크기, 해상도, 단위화소의 폭(p), 각 단위화소사이에 위치한 전극의 폭(M) 및 상기 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리(d), 개구폭(A) 및 장벽의 폭(B)에 대한 디스플레이 정보를 비롯하여 기설정된 총 시점수, 각 단위화소당 점광원의 수, 상기 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리(V) 및 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리(B.D)에 대한 시점 정보를 제공받아 각각의 점광원에서 출발하는 광이 개구를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭(Intensity distribution)을 연산하여 기설정된 관찰면에서 수평방향의 관찰범위내의 시역분포 데이터를 획득하는 제어장치; 및 상기 제어장치로부터 획득된 시역분포 데이터를 제공받아 상기 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 출력하는 빔 프로젝트 장치를 포함하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 전체 시역폭(Intensity distribution)은 하기의 수학식 1에 의해 연산됨이 바람직하다.
(수학식 1)
Figure 112011080968850-pat00001
여기서, 합계(summation) n(
Figure 112011080968850-pat00002
)은 1부터 전체 시점수까지의 누적을 수행하는 반복행을 의미하고, OVmin, OVmax는 수평축의 x방향으로 관찰범위의 최소, 최대의 범위를 나타내며, P(x)는 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원의 위치로서 수평축의 x방향에 대한 좌표로 표현되며, XP(x)는 관찰면상에 도착된 P(x)의 위치(시역좌표)이며, IP(x)는 관찰면상에 도착된 시역좌표에 대한 빛의 밝기이며, P(x)로부터 발산된 광선은 상기 디스플레이패널로부터 관찰면까지의 거리 (V+d)위치에서 시역형성에 대한 시역좌표(XP(x)) 및 이에 대한 빛의 밝기(IP(x))와 대응된다.
바람직하게, 상기 시역좌표(XP(x)) 및 이에 대한 빛의 밝기(IP(x))는 하기의 수학식 2에 의해 연산될 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112011080968850-pat00003
여기서, V는 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리이고, d는 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리이며, A는 시차장벽패널의 개구폭이며, L은 점광원이 갖는 초기 밝기 값이다.
바람직하게, 상기 빔 프로젝트 장치를 통해 출력되는 최적시청영역 영상은 그래프 형태로 출력될 수 있다.
바람직하게, 상기 시차장벽패널의 개구폭 상기 디스플레이패널의 단위화소의 폭보다 좁게 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에 따르면, 임의의 관찰면에서 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 디스플레이 해줌으로써, 관찰자가 시각적으로 최적시청영역을 용이하게 확인할 수 있으며, 크로스토크(crosstalk)가 최소화되도록 3차원 디스플레이의 각각의 파라미터들을 조절하여 최적화된 무안경식 3차원 디스플레이를 설계할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 배리어 방식 3차원 디스플레이 장치에 의해 3차원 영상이 구현되는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 이용하여 3차원 입체 영상을 구현하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에서 각각의 시점에서의 에너지 분포를 계산하기 위한 위치계산 방식을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 이용하여 각 시점간의 광량 및 크로스토크 현상을 그래프 형태로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템은, 크게 무안경식 3차원 디스플레이 장치(100), 제어장치(200) 및 빔 프로젝트 장치(300) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 무안경식 3차원 디스플레이 장치(100)는 통상의 패러랙스-배리어(parallax barrier) 방식을 이용한 무안경식 입체영상 디스플레이 장치로서, 좌/우안용 이미지 정보가 표시되는 디스플레이패널(110)의 일면에 대해 세로 혹은 가로방향으로 배열된 슬릿 형태의 개구(aperture)를 가져 우안에 대해서는 좌안으로 입사되어야 할 영상을 차단하고, 좌안에 대해서는 우안으로 입사되어야 할 영상을 차단하는 것을 특징으로 하는 시차장벽패널(120)을 위치시킴으로써 양안시차에 의해 최종적으로 사용자가 3차원의 입체영상을 볼 수 있도록 하는 것이다.
즉, 디스플레이패널(110)로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널(120)이 디스플레이패널(110)의 전방에 배치되어 있다.
이에 관찰자(10)는 시차장벽패널(120)의 개구를 통해 디스플레이패널(110)로 디스플레이, 또는 인쇄된 영상을 보게 되는데, 관찰자(10)의 좌안과 우안은 동일한 개구를 통하더라도 각각 디스플레이패널(110)의 다른 영역을 보게 된다. 패러랙스-배리어 방식은 이러한 원리를 이용한 것으로, 좌안과 우안이 각각 다른 영역의 화소에 대응하는 영상을 개구를 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼도록 한다. 즉, 좌안은 디스플레이패널(110)에서 좌안 대응 화소를 보게 되고, 우안은 디스플레이패널(110)에서 우안 대응 화소를 보게 된다.
이때, 디스플레이패널(110)은 2차원 영상을 디스플레이(display)하는 역할을 한다. 여기서, 2차원 영상은 일반적인 2차원 영상이 아닌 3차원으로의 변환을 위한 2차원 영상일 수 있는 것으로서, 양안 변이(Binocular disparity), 운동 시차(Motion parallax) 등의 광학 정보(Optical information)와 같은 양안에 의해서 3차원 깊이를 인식할 수 있는 단서(Depth cue)가 포함될 수 있다.
또한, 디스플레이패널(110)에 의해 디스플레이되는 2차원 영상은 양안을 위한 깊이 단서뿐만 아니라 단안에 의해서 3차원 깊이를 인식할 수 있는 단서가 포함될 수도 있는데, 단안을 위한 깊이 단서로는 빛에 의한 반사, 그림자에 의한 효과, 가까이 있는 물체가 크게 보이는 상대적 크기, 다른 물체에 의한 중첩, 가까운 텍스처가 더 선명하게 보이는 텍스처 변화, 멀리 있는 물체가 흐릿하게 보이는 공간적 원근감, 가까운 물체가 빨리 지나가게 보이는 운동 시차 및 조망(perspective) 등이 있다.
이러한 디스플레이패널(110)은 입력된 영상 신호를 디스플레이할 수 있는 음극선관(CRT, Cathode Ray Tube), 액정 화면(LCD, Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 또는 플라즈마 디스플레이(PDP, Plasma Display Panel) 등의 영상 표시 수단이 구비된 모듈로서 입력된 영상 신호에 대한 2차원 영상을 디스플레이 한다.
또한, 디스플레이패널(110)에는 좌안(左眼)용 이미지(image)정보를 표시하는 좌안(左眼) 픽셀(pixel)과, 우안(右眼)용 이미지(image)정보를 표시하는 우안(右眼) 픽셀(pixel)이 교대로 형성되어 있고, 디스플레이패널(110)과 관찰자(10) 사이에는 빛을 통과시키거나 차단하는 역할을 수행하는 시차장벽패널(parallax barrier)(120)이 위치되어 있다.
시차장벽패널(120)은 예컨대, 세로 형태의 장벽(barrier)이 일정 간격으로 구비되어 우안 픽셀과 좌안 픽셀로부터 나오는 빛을 차단시키며, 상기 장벽과 장벽 사이의 개구(aperture)는 우안 픽셀과 좌안 픽셀로부터 나오는 빛을 통과시킴으로써 관찰자(10)에게 가상 3차원 입체 영상을 구현하도록 한다.
이러한 시차장벽패널(120)을 이용한 3차원 입체 영상의 구현 방법에 대해 좀더 구체적으로 살펴보면, 우선, 디스플레이패널(110)의 백라이트 유닛(미도시)에서 발산된 빛 중에서 관찰자(10)의 좌안을 향하는 빛은 디스플레이패널(110)의 좌안 픽셀을 통과하고 시차장벽패널(120)의 개구를 통과하여 관찰자(10)의 좌안에 도달하는 빛이 된다. 그러나, 디스플레이패널(110)의 백라이트 유닛에서 발산된 빛 중에서 디스플레이패널(110)의 좌안 픽셀을 통과하였다고 하여도, 관찰자(10)의 우안으로 향하는 빛은 장벽에 의해 차단되어 관찰자(10)에게 전달되지 못하게 된다. 이와 같은 방법으로, 디스플레이패널(120)의 백라이트 유닛에서 발산된 빛 중에서 관찰자(10)의 우안 픽셀을 통과하고 시차장벽패널(120)의 개구를 통과하여 관찰자(10)의 우안에 도달하는 빛이 있으며, 디스플레이패널(110)의 우안 픽셀을 통과하였다고 하여도 관찰자의 좌안을 향하는 빛은 장벽에 의해 차단되게 된다.
따라서, 좌안 픽셀을 통과한 빛은 관찰자(10)의 좌안에만 전달되는 빛이 되며, 우안 픽셀을 통과한 빛은 관찰자(10)의 우안에만 전달되는 빛이 되어 관찰자(10)가 인식할 수 있게 된다. 이때, 관찰자(10)인 인간이 충분히 감지할 수 있을 정도로 좌안에 도달하는 빛과 우안에 도달하는 빛 사이에는 충분한 시차(視差) 정보가 형성하며, 이로 인해서 관찰자는 3차원 입체 영상(3-Dimension images)을 즐길 수 있게 되는 것이다.
제어장치(200)는 무안경식 3차원 영상표시장치(100)로부터 디스플레이패널(110)의 크기, 해상도, 단위화소의 폭(p), 각 단위화소사이에 위치한 전극의 폭(M) 및 시차장벽패널(120)과 디스플레이패널(110) 사이의 거리(d), 개구폭(A) 및 장벽의 폭(B)에 대한 디스플레이 정보를 비롯하여 기설정된 총 시점수, 각 단위화소당 점광원의 수, 시차장벽패널(120)과 관찰면 사이의 관찰거리(V) 및 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리(B.D)에 대한 시점 정보를 제공받아 각각의 점광원에서 출발하는 광이 개구를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭(Intensity distribution)을 연산하여 기설정된 관찰면에서 수평방향의 관찰범위내의 시역분포 데이터를 획득하는 기능을 수행한다.
빔 프로젝트 장치(300)는 제어장치(200)로부터 획득된 시역분포 데이터를 제공받아 디스플레이패널(110)의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면(20)에 출력하는 기능을 수행한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템으로부터 형성되는 최적 입체시역을 정의하고, 관찰거리에 따른 유효입체시역을 관찰자 위치 하단에 디스플레이 함으로써, 다수의 관찰자에게 최적의 입체시 효과를 제공할 수 있는 능동적 위치 선정 입체 디스플레이 시스템이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템은 디스플레이 크기, 해상도, 관찰거리, 시점, 눈 사이 간격 등의 정보를 입력받아 이상적인 장벽과 개구의 개수, 광량, 크로스토크(crosstalk) 및 시역폭을 계산한다. 이를 통해, 실제 실험 및 관측 결과를 비교함으로써 3차원 디스플레이의 크로스토크를 줄이는 최적의 파라미터들을 추출할 수 있으며, 제품화되기 이전에 다양한 형태와 크기를 가지는 3차원 디스플레이를 대상으로 최적의 파라미터를 시뮬레이션 할 수 있다. 이를 통해 제품의 질을 향상할 수 있고, 사용자에게 크로스토크의 영향을 최소화하는 좋은 품질의 제품을 개발할 수 있는 기반이 된다.
이하에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템의 동작원리에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 시차장벽을 기반으로 시역을 형성하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템의 구조 및 특성은 다음과 같다. 디스플레이에서 제공되는 시점영상은 단위화소 영상의 조합으로 이루어진다. 시점영상의 수는 디스플레이의 전체 해상도를 시점수로 나눈 해상도로 정의되며, 각 시점영상은 모두 동일한 단위화소 수를 갖는다.
해당 시점영상의 시역형성에 대한 구속조건은 디스플레이에서 재생된 단위화소의 폭과 시역형성광학계 즉, 시차장벽패널의 개구폭 그리고 관찰거리와 디스플레이면으로부터 이격된 시차장벽패널의 위치와 관계한다. 단위화소는 수평방향으로 Pi만큼의 발산각을 갖고 균밀도인 광선다발의 연속으로 표현할 수 있다.
따라서, 단위화소로부터 발산된 광선들이 시역의 중심위치에서 수렴하기 위해서는 단위화소폭의 최외각 위치에서 발산하는 광선이 시차장벽패널의 최외각 개구폭을 지나며 관찰면의 한 점에서 수렴하여야 한다. 이 점의 위치가 해당 시점영상의 시점위치 및 최적 관찰거리가 되며, 해당 시역의 중심을 나타낸다.
한편, 기하적인 관점에서, 시차장벽패널의 개구폭은 단위화소폭 보다 좁아야 하며, 시차장벽패널의 위치는 관찰거리, 단위화소폭 그리고 시차장벽패널의 개구폭과의 비례 함수로 정의된다. 이러한 과정을 모든 시점영상에 대해 수행하면, 최적 관찰거리에서 형성된 시역들의 특성들은 다음과 같다.
첫째, 관찰면에서 인접한 시점영상의 시역 중심은 등간격이며, 둘째, 시역폭은 일정하며, 셋째, 각 시역은 수평방향으로 연속적으로 형성된다. 그러나, 시차장벽패널의 개구폭을 투과하는 단위화소내 점광원들의 광선들은 최적 관찰거리에서 한 점으로 수렴하지 않고 일정 분포를 갖는다. 이 분포의 폭을 시역폭(Intensity distribution)이라 정의하며 인접한 시역폭과의 중첩이 있을 경우, 이를 크로스토크(crosstalk) 현상이라 한다.
이러한 크로스토크 현상은 해당 시점위치에서 벗어나 인접한 시점영상과 해당 시점영상이 함께 보이는 현상으로서 이중상 및 입체시 저하를 유발한다. 따라서, 최적의 관찰위치가 설계되었다 하더라도, 디스플레이면과 관찰자 사이의 방향(수직방향) 또는 수평방향의 일정범위 내에서만 비교적 명확한 해당 시점영상의 시청이 가능하다. 따라서 크로스토크가 최소가 되는 영역을 최적시청영역이라 정의하였다. 상기 최적시청영역은 시뮬레이션을 통하여 가시화 할 수 있다.
따라서, 최소 크로스토크의 관찰위치 등을 비교적 쉽고 직관적으로 이해할 수 있다. 그러나, 기 보고된 연구들은 최적시청영역의 특성에 대하여 정성적, 정략적인 분석을 수행하였으나 이론적 가이드라인으로서만 활용하는데 그쳤다. 따라서 실용적 활용에 대한 논의는 미비하였다. 이에 본 발명은 시차장벽 타입의 무안경식 3차원 디스플레이의 주요변수 및 관찰요인들의 변화를 실시간으로 제어하고, 이를 관찰공간상에서 형성되는 최적시청영역 정의에 반영함으로서 최적의 입체시 환경을 실시간으로 제어할 수 있는 시스템을 제안한다.
제안된 시스템의 구현방법으로서, 입체시 형성에 관련된 디스플레이/관찰자 요인들을 정의하고, 이를 실시간으로 반영한 최적시청영역을 시점영상과 함께 디스플레이 한다. 제안된 방법의 이득으로서, 관찰자는 관찰공간상의 바닥면에 디스플레이된 지표를 따라 능동적으로 최적시청위치로 이동함으로서 명확한 입체시 영상을 시청할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 이용하여 3차원 입체 영상을 구현하는 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에서 각각의 시점에서의 에너지 분포를 계산하기 위한 위치계산 방식을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 이용하여 각 시점간의 광량 및 크로스토크 현상을 그래프 형태로 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 먼저, 시차장벽을 이용한 인터렉티브한 3차원 입체 디스플레이의 구속조건을 살펴보면, 시차장벽을 기반으로 시역을 형성하는 무안경식 3차원 디스플레이 시스템의 구조에서, 시점영상의 시역형성에 대한 구속조건은 디스플레이에서 재생된 단위화소의 폭(p)과 시역형성광학계 즉, 시차장벽패널의 개구폭(A), 그리고 관찰거리(V)와 디스플레이면으로부터 이격된 시차장벽패널의 거리(d)와 관계한다.
상기 시차장벽패널의 위치는 디스플레이면과 관찰면까지의 거리 (V+d)의 사이내에 위치하며, 디스플레이면을 기준으로 d만큼의 거리에 위치한다. 여기서, d는 하기의 식 1을 만족하며, B.D는 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리를 나타낸다.
(식 1)
Figure 112011080968850-pat00004
또한, 상기 시차장벽패널의 개구폭(A)의 정의는 하기의 식 2의 관계식을 따르며, 장벽(barrier)의 폭(B)은 하기의 식 3의 관계식을 만족한다.
(식 2)
Figure 112011080968850-pat00005
(식 3)
Figure 112011080968850-pat00006
여기서, n(=1,2,3,…)은 최대 다시점수를 나타낸다.
다음으로, 관찰면에서 형성되는 해당 시점의 시역형성에 대한 구속조건을 살펴보면, 시차장벽패널의 개구(aperture)를 통해 투과된 각 시점영상의 단위화소영상은 관찰거리 (V+d) 위치에서 각 시역을 형성한다.
이때, 디스플레이의 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원의 위치에서 발산하는 균밀도의 광선다발은 시차장벽패널의 개구를 통해 투과하는 광선의 경우만을 다룬다. 여기서, 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원의 위치 P(x)는 수평축의 x방향에 대한 좌표로 표현할 수 있다. P(x)로부터 발산된 광선은 관찰거리 (V+d)의 위치에서 시역형성에 대한 시역좌표(XP(x))와 대응하며, 빛의 밝기(IP(x))와 대응한다.
이 때, 시역좌표(XP(x))는 하기의 식 4의 관계식을 만족한다.
(식 4)
Figure 112011080968850-pat00007
여기서, 수학적 관계는 직선의 방정식이며, 시차장벽패널로부터 관찰면까지의 거리 V와 시차장벽패널의 위치 d의 값에 의존한다.
그리고, 시역좌표(XP(x))에 대한 빛의 밝기(IP(x))는 하기의 식 5의 관계식을 만족하고, 그 크기는 해당 단위화소영상의 위치와 관찰면에서의 시역좌표(XP(x))의 거리의 제곱승수에 반비례하고, 디스플레이면의 수직한 노말(normal) 방향과 이격된 각
Figure 112011080968850-pat00008
의 코사인 제곱승수에 비례한다.
(식 5)
Figure 112011080968850-pat00009
여기서, L은 점광원이 갖는 초기 밝기 값이다. 따라서, 시역좌표(XP(x))의 값이 클수록 빛의 밝기(IP(x))는 저하된다.
그리고, 수평 관찰범위에 대한 시역분포를 구성하는 구속조건을 살펴보면, 디스플레이면으로부터 관찰면까지의 거리 (V+d)에 최적의 시역이 형성된다. 형성된 시역의 범위의 밝기 분포도는 시역좌표값에 대한 밝기값의 누적으로 나타낼 수 있으며, 따라서 관찰면 (V+d)에서 수평방향으로 전체 시점영상에 대한 밝기분포 즉, 시역폭(Intensity distribution)은 하기의 식 6으로 정의된다.
(식 6)
Figure 112011080968850-pat00010
여기서, OVmin, OVmax는 수평축의 x방향으로 관찰범위의 최소, 최대의 범위를 나타낸다. 이때, 관찰범위는 관찰자의 위치 및 이동 가능 범위를 의미한다. 합계(summation) n(
Figure 112011080968850-pat00011
)은 1부터 전체 시점수까지의 누적을 수행하는 반복행을 의미한다. 따라서 결과적으로 수평방향의 관찰범위내의 시역분포를 나타낸다.
이러한 시역폭(Intensity distribution)은 n개의 시점(view)에 대하여 관찰영역 축상의 빛의 밝기 즉, 디스플레이패널 화면상의 각 픽셀(pixel)로부터 시차장벽패널의 개구를 통해 나오는 광량의 총합을 나타낸다.
한편, 도 4는 지정된 시점에서의 광량을 계산하기 위한 기본 개념을 보여주고 있으며, 계산을 편리하게 하기 위하여 각각의 픽셀을 n개의 점광원으로 가정하여 각각의 점광원에서 출발하는 광이 시차장벽패널의 개구(aperture)를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭을 계산하고 있다.
그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템을 이용하여 각 시점간의 광량 및 크로스토크 현상을 시뮬레이션한 결과 그래프로서, 각 시점에서의 광량과 크로스토크가 발생하는 양과 빈도를 잘 보여주고 있다. 이때, 각각의 파라미터는 다음과 같다. 실험에서 설정된 총 시점수는 9개, 한 픽셀당 점광원의 수는 100개, 3차원 디스플레이의 해상도는 1920, 디스플레이의 크기(size)는 762, 서브픽셀의 크기는 0.13mm, 전극(Electrode)의 길이는 0.01mm, 관찰거리는 80cm, 눈 사이의 간격은 65mm로 설정하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실험 결과는 각 시점에서 크로스토크가 발생하는 영역과 크기를 보여주고 있으며, 지시선 a는 2시점(2st View)에 해당하는 영상이 가장 밝은 부분이며, 지시선 b는 3시점(3rd View)에 해당하는 영상이 가장 밝은 부분이다. 즉, 디스플레이의 중앙(center)부분에서 광량이 가장 높은 2시점(2st View) 및 3시점(3rd View)이 가장 잘 보인다고 말할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 무안경식 3차원 디스플레이 장치,
200 : 제어장치,
300 : 빔 프로젝트 장치

Claims (5)

  1. 디스플레이패널로부터 출사되는 빛이 투과되는 개구(aperture)와 상기 빛을 차단하는 장벽(barrier)이 반복 배열되어 형성된 시차장벽패널이 상기 디스플레이패널의 전방에 배치되며, 상기 개구를 통해 합성된 입체영상을 분리 관측하게 하여 입체감을 느끼게 하는 무안경식 3차원 영상표시장치;
    상기 무안경식 3차원 영상표시장치로부터 상기 디스플레이패널의 크기, 해상도, 단위화소의 폭(p), 각 단위화소사이에 위치한 전극의 폭(M) 및 상기 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리(d), 개구폭(A) 및 장벽의 폭(B)에 대한 디스플레이 정보를 비롯하여 기설정된 총 시점수, 각 단위화소당 점광원의 수, 상기 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리(V) 및 관찰면에서 형성되는 각 시점영상의 시역중심간 거리(B.D)에 대한 시점 정보를 제공받아 디스플레이의 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원에서 출발하는 광이 개구를 통과하여 각 시점에 도착하는 전체 시역폭(Intensity distribution)을 연산하여 기설정된 관찰면에서 수평방향의 관찰범위내의 시역분포 데이터를 획득하는 제어장치; 및
    상기 제어장치로부터 획득된 시역분포 데이터를 제공받아 상기 디스플레이패널의 수평방향에 대한 각 시점별 광량의 크기로 이루어진 최적시청영역 영상을 관찰자가 시각적으로 알 수 있도록 관찰공간상의 바닥면에 출력하는 빔 프로젝트 장치를 포함하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전체 시역폭(Intensity distribution)은 하기의 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템.
    (수학식 1)
    Figure 112011080968850-pat00012

    여기서, 합계(summation) n(
    Figure 112011080968850-pat00013
    )은 1부터 전체 시점수까지의 누적을 수행하는 반복행을 의미하고, OVmin, OVmax는 수평축의 x방향으로 관찰범위의 최소, 최대의 범위를 나타내며, P(x)는 단위화소를 이루는 미소면적의 점광원의 위치로서 수평축의 x방향에 대한 좌표로 표현되며, XP(x)는 관찰면상에 도착된 P(x)의 위치(시역좌표)이며, IP(x)는 관찰면상에 도착된 시역좌표에 대한 빛의 밝기이며, P(x)로부터 발산된 광선은 상기 디스플레이패널로부터 관찰면까지의 거리 (V+d)위치에서 시역형성에 대한 시역좌표(XP(x)) 및 이에 대한 빛의 밝기(IP(x))와 대응된다.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 시역좌표(XP(x)) 및 이에 대한 빛의 밝기(IP(x))는 하기의 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템.
    (수학식 2)
    Figure 112011080968850-pat00014

    여기서, V는 시차장벽패널과 관찰면사이의 관찰거리이고, d는 시차장벽패널과 디스플레이패널사이의 거리이며, A는 시차장벽패널의 개구폭이며, L은 점광원이 갖는 초기 밝기 값이다.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 프로젝트 장치를 통해 출력되는 최적시청영역 영상은 그래프 형태로 출력되는 것을 특징으로 하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 시차장벽패널의 개구폭은 상기 디스플레이패널의 단위화소의 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 인터렉티브한 3차원 디스플레이 시스템.
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