[論文レビュー] TomoReal: Tomographic Displays

Seungjae Lee, Youngjin Jo+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

TomoRealは、焦点可変光学素子、2次元ディスプレイパネル、高速空間的可変バックライト（FSAB）を組み合わせることで、準連続的調節、広い被写界深度、全方向の視差を実現する新しい3次元表示技術「トモグラフィックディスプレイ」を紹介する。この技術は、フル解像度とフレームレートを維持したまま、60Hz動作、450×450解像度、7.5mmのアイボックス、30°の視野角、5.5Dから0.0Dの深度範囲にわたる80層のトモグラフィック層を実現するプロトタイプを達成した。

ABSTRACT

Since the history of display technologies began, people have dreamed an ultimate 3D display system. In order to get close to the dream, 3D displays should provide both of psychological and physiological cues for recognition of depth information. However, it is challenging to satisfy the essential features without sacrifice in conventional technical values including resolution, frame rate, and eye-box. Here, we present a new type of 3D displays: tomographic displays. We claim that tomographic displays may support extremely wide depth of field, quasi-continuous accommodation, omni-directional motion parallax, preserved resolution, full frame, and moderate field of view within enough eye-box. Tomographic displays consist of focus-tunable optics, 2D display panel, and fast spatially adjustable backlight. The synchronization of the focus-tunable optics and the backlight enables the 2D display panel to express the depth information. Tomographic displays have various applications including tabletop 3D displays, head-up displays, and near-eye stereoscopes. In this study, we implement a near-eye display named TomoReal, which is one of the most promising application of tomographic displays. We conclude with the detailed analysis and thorough discussion for tomographic displays, which would open a new research field.

研究の動機と目的

• 従来の3次元ディスプレイにおいて、解像度、フレームレート、アイボックスサイズを犠牲にせずに、現実的でリアルな3次元視覚的手がかりを提供するという長年の課題に取り組むこと。
• 光場ディスプレイ、焦点情報付きのステレオスコープ、ホログラフィックディスプレイなどの既存の3次元ディスプレイ技術が、性能指標においてしばしば妥協を伴うという制限を克服すること。
• 空間的・時間的解像度を維持したまま、生理的深度手がかり（調節、収差、視差）をサポートする新しいディスプレイアーキテクチャの開発。
• 理論的なトモグラフィックディスプレイの利点を実際の近眼型プロトタイプ「TomoReal」で実証すること。

提案手法

• システムは、2次元ディスプレイ画像の焦点面を動的に調整するために、焦点可変レンズを主光学素子として使用する。
• デジタルマイクロミラー素子（DMD）が高速空間的可変バックライト（FSAB）として機能し、深度層に応じてディスプレイパネル上の特定ピクセルのみを効率的に照らす。
• 焦点可変レンズとDMDの同期は、DAQボードとLabVIEWを介して実現され、レンズのチューニングには60Hzの三角波、DMDのフレーム更新には4,800Hzの方形波が生成される。
• トモグラフィック層の画像は、2次元投影画像と深度マップを用いてレンダリングされ、直流ノイズを最小限に抑えるために、最小二乗問題を解いて最適なバックライト動作を導出する。
• 像質向上のため、レンダリングパイプラインでセイデル係数を用いて、曲率の像面歪みなどの光学的収差に対して事前補正を施す。
• DMDの像を2倍の倍率でディスプレイスクリーンに投影するために、2つの50mmカメラレンズを用いた4fリレー光学系を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元ディスプレイシステムは、空間的解像度やフレームレートを損なわず、準連続的調節と広い被写界深度を実現できるか？
• RQ2 焦点可変光学素子と高速空間的可変バックライトの間で、どのように同期を取れば、ボリュメトリック3次元レンダリングを可能にするか？
• RQ3 トモグラフィックディスプレイシステムにおいて、セイデル係数に基づく事前補正によって、曲率の像面歪みなどの光学的収差をどの程度軽減できるか？
• RQ4 トモグラフィックディスプレイは高ダイナミックレンジ（HDR）画像処理をサポートできるか？また、そのアーキテクチャはどのようにこの能力を実現するか？
• RQ5 遮蔽の現実性、明るさ、外形寸法、コストという観点から、トモグラフィックディスプレイの実用的限界は何か？

主な発見

• TomoRealプロトタイプは、60Hz動作、450×450の空間的解像度、7.5mmのアイボックスを実現し、5.5Dから0.0Dの深度範囲にわたる80層のトモグラフィック層をサポートしている。
• 最適化された照照明時間（10/480秒）により、直流ノイズレベルが0.05に低下し、1サイクルあたり10回の連続照照明が実現された。
• DMDベースのFSABの採用により、バックライトパターンの正確で高速な制御が可能になり、正確な深度層再構成が可能となった。
• セイデル係数に基づく事前補正により、曲率の像面歪み収差が効果的に低減され、深度全般にわたる像質が向上した。
• 30°の視野角を実現し、空間的・時間的マルチプレクシングを一切行わず、フルフレーム・フル解像度での動作を維持した。
• 本実装により、トモグラフィックディスプレイが、特に近眼型および卓上用途に適した、競争力がありコスト効率の良い既存の3次元ディスプレイ技術の代替手段としての実現可能性が確認された。