[논문 리뷰] TomoReal: Tomographic Displays

Seungjae Lee, Youngjin Jo외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 22.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

TomoReal는 초점 조절 가능한 광학, 2차원 디스플레이 패널, 그리고 빠른 공간적으로 조절 가능한 백라이트(FSAB)를 조합한 새로운 3차원 디스플레이 기술인 톰오그램 디스플레이를 소개한다. 이 기술은 완전한 해상도와 프레임 레이트를 유지하면서도, 준연속적인 조절 능력, 넓은 초점 깊이, 전방위적 운동 parallax를 실현한다. 프로토타입은 60Hz 동작, 450×450 해상도, 7.5mm 눈 상자, 30° 시야각을 구현하며, 5.5D에서 0.0D 깊이에 걸쳐 80개의 톰오그램 층을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 3차원 디스플레이에서 해상도, 프레임 레이트, 눈 상자 크기를 희생시키지 않고도 현실적인 3차원 시각적 자극을 제공하는 장기적인 과제를 해결하기 위해.
• 빛장치 디스플레이, 초점 정보를 갖춘 스테레오스코프, 허브리틱 디스플레이와 같은 기존 3차원 디스플레이 기술의 한계를 극복하기 위해, 성능 지표 간의 상충 관계를 피하기 위해.
• 실제 깊이 감지 기능인 조절, 수렴, 운동 parallax를 지원하면서도 고공간 해상도와 고시간 해상도를 유지하는 새로운 디스플레이 아키텍처를 개발하기 위해.
• 이론적 이점을 실질적으로 실현하는 근시 프로토타입인 TomoReal을 구현하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 2차원 디스플레이 이미지의 초점 평면을 동적으로 조절하기 위해 주로 초점 조절 가능한 렌즈를 사용한다.
• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 빠른 공간적으로 조절 가능한 백라이트(FSAB)로 기능하며, 깊이 층에 따라 디스플레이 패널의 특정 픽셀에만 조명을 선택적으로 제공한다.
• 초점 조절 가능한 렌즈와 DMD 간의 동기화는 DAQ 보드와 LabVIEW를 통해 이루어지며, 렌즈 조정을 위한 60Hz 삼각파형과 DMD 프레임 업데이트를 위한 4,800Hz 정사각형파형을 생성한다.
• 톰오그램 층 이미지는 2차원 투사된 이미지와 깊이 맵을 사용하여 렲린되며, DC 노이즈를 최소화하기 위해 최적의 백라이트 작동 조건을 최소 제곱법 문제를 풀어 유도한다.
• 이미지 품질 향상을 위해 渲染 파이프라인에서 Seidel 계수를 사용해 굴곡된 초점면과 같은 광학적 비수율을 사전 보정한다.
• 시스템은 두 개의 50mm 카메라 렌즈를 사용한 4f 중계 광학 구조를 활용하여 DMD 이미지를 2배 확대해 디스플레이 스크린에 투사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 디스플레이 시스템이 공간 해상도나 프레임 레이트를 희생시키지 않고도 준연속적인 조절 능력과 넓은 초점 깊이를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초점 조절 가능한 광학 장치와 빠른 공간적으로 조절 가능한 백라이트 간의 동기화는 어떻게 달성되어야 하며, 이를 통해 부피형 3차원 렌더링이 가능해지는가?
• RQ3 톰오그램 디스플레이 시스템에서 사전 보정된 렌더링을 통해 굴곡된 초점면과 같은 광학적 비수율을 얼마나 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 톰오그램 디스플레이는 고다이내믹 레인지(HDR) 이미징을 지원할 수 있으며, 아키텍처는 이러한 능력을 어떻게 실현하는가?
• RQ5 오clusion의 현실성, 밝기, 형상 크기, 비용 측면에서 톰오그램 디스플레이의 실용적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• TomoReal 프로토타입은 60Hz 동작, 450×450 공간 해상도, 7.5mm 눈 상자로 5.5D에서 0.0D 깊이 범위에 걸쳐 80개의 톰오그램 층을 지원한다.
• 최적화된 조명 시간(10/480초) 덕분에 DC 노이즈 수준이 0.05로 저감되었으며, 이는 주기당 10회 연속 조명을 의미한다.
• DMD 기반의 FSAB는 정밀하고 고속의 백라이트 패턴 제어를 가능하게 하여 정확한 깊이 층 재구성에 기여한다.
• Seidel 계수를 기반으로 한 사전 보정이 굴곡된 초점면 비수율을 효과적으로 완화하여 깊이 전역에서 이미지 품질을 향상시킨다.
• 시스템은 30° 시야각을 지원하며, 공간적 또는 시간적 다중화 없이 전체 프레임, 전체 해상도 동작을 유지한다.
• 실현된 구현은 톰오그램 디스플레이가 기존 3차원 디스플레이 기술에 비해 경쟁력 있고 비용 효율적인 대안이 될 수 있음을 확인하며, 특히 근시 및 테이블탑 응용 분야에서 유망하다.