KR20150091838A - 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디스플레이 패널과; 상기 디스플레이 패널의 전방에 설치되는 렌즈어레이와; 상기 디스플레이 패널에 요소영상 신호를 제공하는 요소영상 생성부;로 구성되어 상기 디스플레이 패널의 후방에 설치된 광원이 디스플레이 패널과 렌즈어레이를 통과하여 방향성을 이루어 점광원을 형성하며, 상기 점광원의 군집에 의해 요소영상 생성부에서 디스플레이 패널에 제공된 요소영상이 관측자에게 3차원 영상으로 보여지는 것이 특징인 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
이상과 같이 본 발명의 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 3차원 디스플레이 시스템은 홀로그래피와 같은 완전한 3차원 영상을 제공하기 때문에 보다 실감나는 3차원 영상을 즐길 수 있으며, 다수의 관측자에게 피로감 없이 장시간의 관측을 제공할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

초다시점형 3차원 디스플레이 시스템{Super multiview three dimensional display system}

본 발명 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 렌티큘러 렌즈나 렌즈어레이를 사용하여 공간상에 3차원 영상을 제공하되, 인간의 안구에 2개이상의 광선을 투사하도록 하여 초다시점 디스플레이 방식을 도입함으로써 일 방향에서 뿐만 아니라 다수의 관측자에게 어지러움이나 현기증이 없는 안전하고 더욱 현실감 있는 3차원 영상을 제공할 수 있는 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

최근 3차원 영상과 영상 디스플레이 기술에 관한 연구들이 활발히 이뤄지고 전 세계적으로 많은 관심을 얻고 있다. 3차원 영상 재생 기술은 관측자에게 평면 이미지가 아니라 입체감 있고 실감 있는 3차원 입체 영상을 느낄 수 있도록 입체로 표시하는 기술을 말한다.

이에 따라 3차원 영상은 2차원 영상보다 실감 있고 자연스러우며 보다 인간에 가까워 3차원 영상에 대한 수요가 증가하고 있다.

인간이 실제 3차원 물체를 보듯이 완전한 3D 영상을 공중에 만들기 위해서는 아래와 4가지의 시각 매카니즘이 요구된다.

도 1은 관측자의 시각 메카니즘 개요도이다.

(1) 폭주 (Convergence) : 양안(兩眼) 망막의 같은 쪽 모든 점은 서로 상응점을 갖고 이 대응하는 두 점이 동시에 흥분하면 양 망막 위의 상(相)은 단일하게 보인다.

양안 보기에서 단일 상이 맺히도록 하기 위한 양안 안구의 움직임을 폭주라 한다.

[네이버 지식백과] 폭주 [convergence, 輻輳] (산업안전대사전, 2004.5.10, 도서출판 골드)

(2) 양안시차(Binocular disparity): 왼쪽 눈의 영상과 오른쪽 눈의 영상이 서로 차이가 나는 것을 말한다.

사람은 이 양안시차 때문에 입체감을 느끼는데, 이를 이용하여 입체 영상을 구현하는 방식이 3D 텔레비전이다.

[네이버 지식백과] 양안시차 [Binocular Disparity] (지식경제용어사전, 2010.11, 대한민국정부)

(3) 원근조절 (accommodation) : 물체의 거리에 따라 눈에 있는 수정체 모양을 조절하여 물체의 초점이 망막에 맺히도록 하는 과정이다.

중뇌의 조절을 받는 반사작용이다.

[네이버 지식백과] 원근조절 [accommodation, 遠近調節] (두산백과)

(4) 운동시차 (motion parallax) :망막상에서 가까운 대상과 먼 대상의 이동 속도 차이.

관찰자가 움직일 때 가까운 사물은 빨리 움직이는 것처럼 보이고 멀리 있는 사물은 느리게 움직이는 것처럼 보인다.

현재의 3차원 디스플레이 기술 중에서 상기의 4가지 시각 조건을 만족하는 것으로 홀로그래피 기술로 잘 알려져 있다.

그러나 홀로그래피 기술은 레이저와 같은 단색 광원과 초고해상도의 디스플레이 장치가 요구되기 때문에 가까운 시일내에 상용화되기 어려운 기술이다.

따라서, 인간의 시각 조건을 완벽히 만족하는 다른 디스플레이 방식으로는 초다시점 디스플레이 방식이 있다.

이러한 초다시점 디스플레이 방식에 관한 종래기술로는 등록특허공보 제1086305호에 3차원 영상 디스플레이 방법으로서, 적어도 2개의 시차 영상을 생성하는 단계 - 상기 적어도 2개의 시차 영상 각각은 동일한 물체에 대한 서로 다른 깊이들에서의 영상들에 대응하는 복수의 영상을 포함함 - ; 상기 적어도 2개의 시차 영상 각각의 상기 복수의 영상의 밝기를 변화시키는 단계; 및 상기 적어도 2개의 시차 영상을 하나의 디스플레이 패널에 디스플레이하는 단계를 포함하는 3차원 영상 디스플레이 방법과 3차원 영상 디스플레이 장치로서, 적어도 2개의 시차 영상을 생성하기 위한 영상 생성부 - 상기 적어도 2개의 시차 영상 각각은 동일한 물체에 대한 서로 다른 깊이들에서의 영상들에 대응하는 복수의 영상을 포함함 - ; 상기 적어도 2개의 시차 영상 각각의 상기 복수의 영상의 밝기를 변화시키기 위한 영상 밝기 제어부; 및 상기 적어도 2개의 시차 영상을 하나의 디스플레이 패널에 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함하는 3차원 영상 디스플레이 장치가 등록공개되어 있다.

또 다른 종래기술로는 등록특허공보 제1159251호에 영상을 표시하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널에 빛을 공급하는 광원부; 시점의 수 및 크기와, 상기 디스플레이 패널의 단위 픽셀의 크기에 의해 결정되는 고정된 크기의 피치를 가지며, 상기 디스플레이 패널에 표시되는 영상을 이용하여 시차 영상을 생성하는 광학판; 및 상기 디스플레이 패널 또는 상기 광원부와 상기 광학판 사이의 이격 거리를 조절하여 시청자에게 제공되는 시차 영상의 시역을 유지시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치와 광원부, 디스플레이 패널 및 시점의 수 및 크기와, 상기 디스플레이 패널의 단위 픽셀의 크기에 의해 결정되는 고정된 크기의 피치를 가지는 광학판을 포함하는 3차원 영상표시장치의 제어방법에 있어서, 시청자의 시점거리를 추출하는 단계; 및 상기 추출된 시점거리를 기초로 시차영상의 시역을 유지하도록 상기 디스플레이 패널 또는 상기 광원부와 상기 광학판 사이의 이격거리를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상표시장치의 제어방법이 등록공개되어 있다.

초다시점 조건을 만들기 위해서는 인간의 안구에 적어도 2개 이상의 영상 정보가 투사되어야 한다.

초다시점이란 관측자 동공(눈)에 2개 이상의 다시점 영상을 표시하도록 할 수 있는 경우를 가리키며, 이때의 조건을 초다시점 조건이라 한다.

한편, 집적 영상 디스플레이는 홀로그래피 디스플레이 방식과 같이 공간상의 점광원을 생성할 수 있고, 이런 점광원으로 구성된 3차원 영상에 대해 완전 시차(Full parallax)와 연속적인 관측시점을 제공하는 장점이 있다.

집적 영상방식의 주요한 특징은 입체 영상을 관측하는데 안경이나 기타 도구가 필요하지 않고, 시점이 아니라 일정한 시야각 내에서 연속적인 수직, 수평 시차를 제공할 수 있다는 것이다.

또한, 집적 영상방식은 총 천연색 실시간 영상재생이 가능하며, 기존의 평면 영상 장치와 호환성이 뛰어나다.

도 2는 집적 영상방식의 기본원리를 나타내 개요도이다.

기본적으로 3차원 물체(110)를 3차원 영상(210)으로 재생하는 원리는 3차원 물체(110)가 렌즈배열(120)을 투시하도록 하여 요소영상(130)을 획득하는 영상획득단계(100)와 영상획득단계(100)에 의해 수집된 요소영상(100)을 다시 렌즈배열(220)을 통해 공간상에 3차원 영상(210)로 재생하는 영상재생단계(200)로 구성된다.

즉, 집적 영상 기술은 도 2에서와 같이 크게 영상획득단계(100)와 영상재생단계(200)로 나누어진다.

영상획득단계(100)는 이미지 센서와 같은 2차원 감지기와 렌즈배열(120)로 구성되며, 이때 3차원 물체(110)는 렌즈배열(120) 앞에 위치한다.

그러면 3차원 물체(110)의 다양한 영상정보들이 렌즈배열(120)을 통과한 후 2차원 감지기에 저장된다.

이때 저장된 영상은 요소 영상(130)으로서 3차원 영상(210)의 재생을 위해 이용된다.

이후 집적 영상기술의 영상재생단계(200)는 영상획득단계(100)의 역 과정으로, 액정 표시 장치와 같은 영상재생장치와 렌즈 배열(220)로 구성된다.

여기서, 영상획득단계(200)에서 얻은 요소 영상(230)은 영상재생장치에 표시되고, 요소 영상(230)의 영상정보는 렌즈 배열(220)을 통과하여 공간상에 3차원 영상(210)으로 재생되게 된다.

실질적으로 영상획득단계(100)의 요소 영상(130)과 영상재생단계(200)의 요소 영상(230)은 실질적으로 동일한 것으로 단지, 영상재생단계(200)의 요소 영상(230)은 영상획득단계(100)에서 획득한 요소 영상(120)을 2차원 감지기에 저장되어 3차원 영상을 재생하기 위해 사용하는 것으로서 편의상 영상획득단계(100)와 영상재생단계(200)를 구분하기 위하여 다른 도면부호로 도시하였다.

그러나 상기 기술된 모든 집적 영상 디스플레이 시스템에서 초다시점 디스플레이와 같은 성질을 만족하지는 않는다. 따라서 관측자에게 홀로그래피와 같은 피로감이 없는 완전한 3차원 영상을 제공하기 위한 새롭게 디자인된 집적 영상 디스플레이 시스템이 요구된다.

본 발명은 상술한 관측자에게 홀로그래피와 같은 피로감이 없는 완전한 3차원 영상을 제공하는 디스플레이 시스템을 안출한 것으로, 디스플레이 패널앞에 초다시점 조건을 만족하도록 디자인된 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 배치하여 점광원으로 구성된 안전한 3차원 영상을 공중에 제공함으로써 다수의 관측자가 동시에 3차원 영상을 다양한 각도에서 즐길 수 있도록 한 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 초다시점형 3차원 디스플레이 방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템은 디스플레이 패널과; 상기 디스플레이 패널의 전방에 설치되는 렌즈어레이와; 상기 디스플레이 패널에 요소영상 신호를 제공하는 요소영상 생성부;로 구성되어 상기 디스플레이 패널의 후방에 설치된 광원이 디스플레이 패널과 렌즈어레이를 통과하여 방향성을 이루어 점광원을 형성하며, 상기 점광원의 군집에 의해 요소영상 생성부에서 디스플레이 패널에 제공된 요소영상이 관측자에게 3차원 영상으로 보여지는 것이 특징이다.

이상과 같이 본 발명의 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 3차원 디스플레이 시스템은 홀로그래피와 같은 완전한 3차원 영상을 제공하기 때문에 보다 실감나는 3차원 영상을 즐길 수 있으며, 다수의 관측자에게 피로감 없이 장시간의 관측을 제공할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 관측자의 시각 메카니즘 개요도.
도 2는 집적 영상방식의 기본원리를 나타낸 개요도.
도 3은 홀로그래피 방식에서 점광원 생성 방식의 3차원 영상 표시 방법을 나타낸 개요도.
도 4는 방향성 광선을 이용한 점광원의 생성 및 3차원 영상의 관측을 나타내는 개요도.
도 5는 본 발명 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 3차원 디스플레이 구성을 나타낸 개요도.
도 6은 관측자의 단안에 대한 초다시점 조건을 만족하는 디스플레이 구성을 나타낸 개요도.
도 7은 식(1)을 유추하기 위한 개요도.
도 8은 식 (1)에 대한 시뮬레이션 결과.
도 9는 관측자의 단안에 대한 초다시점 조건을 만족하는 디스플레이 구성을 나타낸 개요도.

본 발명 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템은 디스플레이 패널(300)과; 상기 디스플레이 패널(300)의 전방에 설치되는 렌즈어레이(400)와; 상기 디스플레이 패널(300)에 요소영상 신호를 제공하는 요소영상 생성부(500);로 구성되어 상기 디스플레이 패널(300)의 후방에 설치된 광원이 디스플레이 패널(300)과 렌즈어레이(400)를 통과하여 방향성을 이루어 점광원을 형성하며, 상기 점광원의 군집에 의해 요소영상 생성부(500)에서 디스플레이 패널(300)에 제공된 요소영상이 3D영상(600)으로 관측자에게 보여지는 것이 특징이다.

상기 렌즈어레이(400)는

의 수식에 의해 렌즈릿 직경을 d이하로 계산하여 사용하는 것이 특징이다.

그리고 렌즈어레이(400)를 대신하여 핀홀어레이를 설치할 수 있는 것이 특징이다.

또한, 상기 핀홀어레이는

의 수식에 의해 핀홀간격을 d이하로 계산하여 사용하는 것이 특징이다.

이하, 본 발명 초다시점형 집적 영상 디스플레이 시스템을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 홀로그래피 방식에서 점광원 생성 방식의 3차원 영상 표시 방법을 나타낸 개요도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 홀로그래피 방식에서는 디스플레이 패널(300)에 프린지패턴을 표시하여 레이저 광원의 회절을 이용하여 점광원을 생성할 수 있으며, 이러한 다수의 점광원을 동시에 발생시켜서 3차원 영상(600)을 생성한다.

프린지(fringe)는 빛의 간섭이나 회전에 의하여 생기는 명암의 줄무늬를 가리키며, 점광원은 하나의 점으로 본 발광체를 가리킨다.

사실 홀로그래피 디스플레이 시스템은 도 1의 4가지 시각 메커니즘을 만족하는 방법이어서 이상적인 3차원 디스플레이 방식으로 알려져 있다.

그러나 홀로그래피 기술은 다음의 문제점을 지니고 있다.

레이저 광원을 사용하여야 하고 아직까지 충분한 회절을 발생시킬 수 있는 적절한 디스플레이 소자가 아직 없으며, 복잡한 프린지 패턴 생성 및 복원해야하고 좁은 시야각, 낮은 해상도 문제를 지니고 있다.

도 4는 본 발명 방향성 광선을 이용하여 3차원 영상의 생성 원리를 나타낸 개요도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 방향성 광선을 이용하여 점광원을 만들며, 이러한 다수의 점광원의 조합으로 3차원 영상(600)이 표시된다.

이때 관측자는 3차원 영상(600)을 양안으로 관측한다.

이러한 방향성 생성은 렌즈어레이(400)나 핀홀어레이를 이용하여 생성이 가능하다.

참고로 간단한 용어를 정리하면, 요소렌즈(elemental lens)는 렌즈배열을 구성하는 한 개의 렌즈를 말한다.

그리고 이 요소렌즈의 크기에 대응하는 결상면(imaging plane)위 결상영역(image formation region)을 요소영상(elemental image)이라 한다.

또한, 이 요소영상들의 집합을 요소영상배열(elemental image array)라 한다.

일반적으로 하나의 작은 렌즈를 기초 렌즈 또는 렌즈릿이라고 하며, 작은 렌즈의 배열된 군을 렌즈어레이라 표현한다.

작은 렌즈대신에 핀홀을 사용하면 핀홀어레이라 표현한다.

도 5는 본 발명 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 3차원 디스플레이 시스템의 개요도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 디스플레이 패널(300)과, 상기 디스플레이 패널(300)의 전방에 설치되는 렌즈어레이(400)와, 상기 디스플레이 패널(300)에 요소영상 신호를 제공하는 요소영상 생성부(500)로 구성되어 상기 디스플레이 패널(300)의 후방에 설치된 광원이 디스플레이 패널(300)과 렌즈어레이(400)를 통과하여 방향성을 이루어 점광원을 형성하며, 상기 점광원의 군집에 의해 요소영상 생성부(500)에서 디스플레이 패널(300)에 제공된 요소영상이 3차원 영상(600)으로 보여지는 것이 특징이다.

상기 디스플레이 패널(300)과 렌즈어레이(400)는 일반적으로 서로 일대일 대응하도록 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 디스플레이 패널(300) 앞에 렌즈어레이(400)가 위치하고, 각각의 렌즈릿을 통하여 생성되는 광선들이 3차원 점광원을 생성하게 된다.

이 점광원을 관측자가 관측하게 된다.

일반적으로 3차원 영상(600)은 이러한 수많은 점광원들의 조합으로 이루어져 있다.

이때, 관측자의 한쪽 눈에 적어도 2개 이상의 광선이 들어가도록 하는 것이 초다시점 조건이 된다.

따라서, 이 조건을 만족하도록 우리는 렌즈어레이(400)나 핀홀어레이를 디자인할 수 있다.

상기 조건은 컴퓨터의 프로그램에 의해 자연 계산되어 진다.

도 6은 관측자의 단안에 대한 초다시점 조건을 만족하는 디스플레이 구성을 나타낸 개요도이며, 도 7은 식(1)을 유추하기 위한 개요도이다.

도 6에서 하나의 렌즈릿의 크기를 d라고 하고, 렌즈어레이(400)로 부터 3차원 점광원까지의 거리를 z라고 하자.

그리고 관측자의 거리가 렌즈어레이(400)로부터 z_eye이며, 관측자의 동공크기가 d_eye라고 한다면, 2개 이상의 광선이 동공으로 들어갈 때의 렌즈어레이(400)의 하나의 렌즈릿의 최대 직경은 다음 수식으로 얻어지게 된다.

렌즈어레이(400)와 디스플레이 패널(300) 사이의 간격은 작은 기초렌즈의 초점거리와 같다.

식(1)

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 삼각공식에 의해 d : z= d_eye : z_eye-z에 의해 식(1)을 쉽게 유추할 수 있다.

도 8은 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 설계시 요구되는 최대 렌즈릿 직경에 대한 시뮬레이션 결과이다.

예들 들어 렌즈어레이(400)로부터 3차원 점광원을 100mm에 생성하고 관측자가 500mm에 위치할 경우 관측자의 동공크기가 5mm이면 1.25mm 이하의 직경을 가지는 렌즈어레이나 핀홀간격이 1.25mm인 핀홀어레이로 구성하여야 한다.

본 발명에서는 상기 식(1)을 기반으로 하여 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 및 핀홀어레이 설계를 바탕으로 3차원 디스플레이 시스템을 구성한다.

도 9는 관측자의 양안에 대한 초다시점 조건을 3차원 디스플레이 시스템의 개략도를 보여준다.

도 9의 D_eye의 양안이라는 것을 표시한 것으로 d_eye+d_eye를 의미한다.

관측자의 좌우 영상에서 각각 초다시점 조건을 만족하도록 렌즈어레이나 핀홀어레이를 설계되어야 한다.

이상과 같이 본 발명의 초다시점 조건을 만족하는 렌즈어레이 또는 핀홀어레이를 이용한 3차원 디스플레이 시스템은 홀로그래피와 같은 완전한 3차원 영상을 제공하기 때문에 보다 실감나는 3차원 영상을 즐길 수 있으며, 다수의 관측자에게 피로감 없이 장시간의 관측을 제공할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

100. 영상획득단계 110. 3차원 물체 120. 렌즈배열
130. 요소 영상
200. 영상재생단계 210. 3차원 영상 220. 렌즈배열
230. 요소 영상
300. 디스플레이 패널 400. 렌즈어레이 500. 요소영상 생성부
600. 3차원 영상

Claims (4)

1. 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템에 있어서,
   디스플레이 패널(300)과;
   상기 디스플레이 패널(300)의 전방에 설치되는 렌즈어레이(400)와;
   상기 디스플레이 패널(300)에 요소영상 신호를 제공하는 요소영상 생성부(500);
   로 구성되어 상기 디스플레이 패널(300)의 후방에 설치된 광원이 디스플레이 패널(300)과 렌즈어레이(400)를 통과하여 방향성을 이루어 점광원을 형성하며, 상기 점광원의 군집에 의해 요소영상 생성부(500)에서 디스플레이 패널(300)에 제공된 요소영상이 3차원 영상(600)으로 보여지는 것이 특징인 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 렌즈어레이(400)는

   

   의 수식에 의해 렌즈릿 직경을 d이하로 계산하여 사용하는 것이 특징인 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 렌즈어레이(400)를 대신하여 핀홀어레이를 설치할 수 있는 것이 특징인 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 핀홀어레이는

   

   의 수식에 의해 핀홀간격을 d이하로 계산하여 사용하는 것이 특징인 초다시점형 3차원 디스플레이 시스템.
   

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