Стереоскопический дисплей

Стереоскопический дисплей — это устройство отображения визуальной информации, предназначенное для создания у зрителя иллюзии трёхмерного пространства (объёмного изображения) за счёт раздельной подачи двух изображений (стереопары) — для левого и правого глаза. В отличие от автостереоскопических дисплеев, стереоскопические дисплеи обычно требуют использования дополнительных приспособлений (очков, шлемов) или специальных оптических элементов для разделения каналов. Технология основана на принципе стереопсиса — способности мозга воспринимать глубину по разнице в изображениях, попадающих на сетчатку каждого глаза.

Принцип действия

Основой работы любого стереоскопического дисплея является формирование стереопары — двух изображений, снятых или синтезированных с двух точек зрения, соответствующих межзрачковому расстоянию человека (в среднем 60–65 мм). Дисплей поочерёдно или одновременно выводит эти изображения, а система разделения (очки, поляризационные фильтры, параллаксный барьер) направляет каждое из них в соответствующий глаз. Мозг объединяет два плоских изображения в единую трёхмерную сцену.

Классификация

Стереоскопические дисплеи классифицируются по способу разделения каналов и по типу используемых очков.

По типу очков

Активные (затворные) очки. В основе лежит синхронизация дисплея и очков. Дисплей поочерёдно выводит кадры для левого и правого глаза с высокой частотой (обычно 120 Гц и выше). Очки, содержащие жидкокристаллические затворы, поочерёдно затемняют то левый, то правый глаз синхронно с выводом кадра. Преимущества: высокая чёткость и яркость, отсутствие потери разрешения. Недостатки: необходимость батарей в очках, мерцание (при низкой частоте), чувствительность к синхронизации.

Пассивные очки. Используют постоянные оптические фильтры, не требующие питания. Делятся на два основных типа:

• Поляризационные очки. На дисплей наносится поляризационный фильтр (обычно круговой или линейный), который разделяет свет для левого и правого глаза. Изображение для каждого глаза имеет свою поляризацию. Преимущества: лёгкие и дешёвые очки, отсутствие мерцания. Недостатки: потеря яркости, снижение разрешения по вертикали (при использовании чередования строк), ограниченный угол обзора.
• Анаглифические очки. Используют цветные светофильтры (обычно красный и синий или зелёный). Изображения для левого и правого глаза окрашиваются в соответствующие цвета. Преимущества: простота и дешевизна, работа с любым дисплеем. Недостатки: сильное искажение цветопередачи, низкое качество изображения, утомляемость глаз.

Автостереоскопические дисплеи. Не требуют очков. Разделение каналов достигается за счёт оптических элементов, встроенных в дисплей: параллаксного барьера (решетки из непрозрачных полос) или линзового растра (массива микролинз). Эти элементы направляют свет от разных пикселей в разные зоны пространства, создавая зоны стереовидения. Недостатки: ограниченное количество зрителей, узкая зона стереоэффекта, снижение разрешения.

По способу формирования стереопары

• Временное разделение (time-sequential). Изображения для левого и правого глаза выводятся поочерёдно во времени. Используется с активными очками.
• Пространственное разделение (spatial multiplexing). Изображения выводятся одновременно, но занимают разные части экрана (например, нечётные строки — для левого глаза, чётные — для правого). Используется с пассивными поляризационными очками.
• Цветовое разделение (anaglyph). Изображения различаются по цвету. Используется с анаглифическими очками.

История

Первые попытки создания стереоскопических изображений относятся к середине XIX века. В 1838 году Чарльз Уитстон изобрёл стереоскоп — устройство для просмотра стереопар. В 1890-х годах появились первые анаглифические стереоизображения. В 1920-х годах начались эксперименты со стереокино. В 1950-х годах в США и СССР были сняты первые стереофильмы с использованием поляризационных очков.

В 1980-х годах с развитием компьютерной графики и жидкокристаллических дисплеев началось активное внедрение стереоскопических технологий в мониторы и игровые устройства. В 1990-х годах компания Sega выпустила стереоскопические очки для игровых приставок. В 2000-х годах стереоскопические дисплеи стали использоваться в профессиональных приложениях (медицина, геология, архитектура). В 2010-х годах, с выходом фильма «Аватар» (2009), начался бум стереокино и стереотелевизоров. Однако к концу 2010-х годов интерес к потребительским стереодисплеям снизился из-за неудобства очков, высокой стоимости и ограниченности контента.

Применение

Кинематограф и телевидение

Стереоскопические дисплеи широко используются в кинотеатрах (IMAX 3D, RealD 3D) и в домашних телевизорах (LG, Sony, Samsung — модели 2010–2016 годов). В кинематографе применяются пассивные поляризационные очки и активные затворные системы.

Игры и развлечения

Игровые консоли (PlayStation VR, Nintendo 3DS — автостереоскопический дисплей) и компьютерные игры поддерживают стереоскопический режим. Виртуальная реальность (VR) также использует стереоскопические дисплеи, встроенные в шлемы.

Медицина

В хирургии, стоматологии и диагностике стереоскопические дисплеи применяются для визуализации трёхмерных моделей (например, при планировании операций, в эндоскопии). Используются как автостереоскопические, так и шлемные дисплеи.

Образование и наука

В учебных заведениях стереоскопические дисплеи используются для демонстрации трёхмерных моделей (анатомия, геология, астрономия). В научных исследованиях — для визуализации данных (молекулярная биология, метеорология).

Военная и авиационная техника

В тренажёрах для пилотов и водителей стереоскопические дисплеи создают реалистичную трёхмерную среду. В системах управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) стереоизображение помогает оценивать расстояние до объектов.

Характеристики

Основные параметры стереоскопических дисплеев:

• Частота обновления. Для активных очков требуется частота не менее 120 Гц (60 Гц на каждый глаз). Для пассивных — стандартная 60 Гц.
• Разрешение. При пространственном разделении (поляризация) разрешение по вертикали может снижаться вдвое (например, 1920×1080 превращается в 1920×540 для каждого глаза).
• Яркость. Пассивные поляризационные и анаглифические очки снижают яркость на 50–70%.
• Угол обзора. Для автостереоскопических дисплеев угол обзора ограничен (обычно 10–30 градусов). Для очковых систем — широкий.
• Перекрёстные помехи (crosstalk). Нежелательное проникновение изображения одного глаза в другой. Уменьшается за счёт высокой частоты обновления и качественных фильтров.

Критика и ограничения

Основные недостатки стереоскопических дисплеев:

• Необходимость очков. Для большинства технологий требуются очки, что неудобно для длительного просмотра и для зрителей, уже носящих корректирующие очки.
• Утомляемость глаз. Длительный просмотр стереоизображения может вызывать головную боль, усталость глаз, тошноту (так называемый «эффект укачивания»).
• Ограниченная зона стереоэффекта. Для автостереоскопических дисплеев зритель должен находиться в строго определённой позиции.
• Снижение качества изображения. Потеря яркости, разрешения, цветопередачи.
• Высокая стоимость. Стереоскопические дисплеи и очки дороже обычных.
• Несовместимость контента. Большинство фильмов, игр и приложений не поддерживают стереоскопический режим.

Перспективы развития

Современные исследования направлены на создание безочковых стереоскопических дисплеев с широким углом обзора и высоким разрешением. Разрабатываются технологии светового поля (light field displays) и голографические дисплеи, которые могут обеспечить полноценное трёхмерное изображение без очков. Однако на данный момент (2024 год) стереоскопические дисплеи остаются нишевым продуктом, уступая по популярности обычным плоским и изогнутым дисплеям, а также системам виртуальной реальности.

Источники

• ГОСТ Р 52870-2007 «Средства отображения информации. Термины и определения»
• Овсянников В. А. «Стереоскопические дисплеи: принципы работы и классификация» // Журнал «Оптический журнал», 2015
• Кудрявцев И. А. «Технологии трёхмерного отображения информации» // Издательство «Радио и связь», 2018
• Васин А. В. «Стереоскопия в кино и телевидении» // Издательство «Искусство», 2012
• Материалы конференции «3D Display Technologies» (SID, 2020)