Una pantalla 3D es un dispositivo de visualización capaz de transmitir profundidad al espectador. Muchas pantallas 3D son pantallas estereoscópicas , que producen un efecto 3D básico mediante estereopsis , pero pueden provocar fatiga visual y fatiga visual. Las pantallas 3D más nuevas, como las pantallas holográficas y de campo de luz, producen un efecto 3D más realista al combinar estereopsis y distancia focal precisa para el contenido mostrado. Las nuevas pantallas 3D de esta manera causan menos fatiga visual que las pantallas estereoscópicas clásicas.
A partir de 2021, el tipo de pantalla 3D más común es la pantalla estereoscópica , que es el tipo de pantalla que se utiliza en casi todos los equipos de realidad virtual . Las pantallas 3D pueden ser pantallas cercanas a los ojos, como en los cascos de realidad virtual, o pueden estar en un dispositivo más alejado de los ojos, como un dispositivo móvil con capacidad 3D o una sala de cine 3D .
El término "pantalla 3D" también se puede utilizar para referirse a una pantalla volumétrica que puede generar contenido que se puede ver desde todos los ángulos.
La primera pantalla 3D fue creada por Sir Charles Wheatstone en 1832. [1] Era una pantalla estereoscópica que tenía una capacidad rudimentaria para representar la profundidad.
Las pantallas estereoscópicas se denominan comúnmente “pantallas estéreo”, “pantallas 3D estéreo”, “pantallas 3D estereoscópicas” o, a veces, erróneamente, simplemente “pantallas 3D”.
La técnica básica de las visualizaciones estereoscópicas es presentar imágenes desplazadas que se muestran por separado al ojo izquierdo y derecho. Luego, ambas imágenes desplazadas en 2D se combinan en el cerebro para brindar la percepción de profundidad en 3D. Aunque el término "3D" se usa de manera ubicua, la presentación de imágenes duales en 2D es claramente diferente de mostrar un campo de luz , y también es diferente de mostrar una imagen en un espacio tridimensional .
La diferencia más notable con respecto a las pantallas que pueden mostrar 3D completo es que los movimientos de la cabeza del observador y el cambio en la acomodación de los ojos no cambiarán las imágenes que ve el espectador. Por ejemplo, algunas pantallas holográficas no tienen tales limitaciones.
Es una exageración de la capacidad referirse a imágenes 2D duales como "3D". El término exacto "estereoscópico" es más engorroso que el nombre equivocado común "3D", que se ha arraigado después de muchas décadas de uso indebido incuestionable. Las pantallas 3D a menudo también se denominan pantallas estereoscópicas porque cumplen con los criterios más bajos de ser también estereoscópicas.
Basada en los principios de la estereopsis , descritos por Sir Charles Wheatstone en la década de 1830, la tecnología estereoscópica proporciona una imagen diferente al ojo izquierdo y derecho del espectador. Los siguientes son algunos de los detalles técnicos y metodologías empleadas en algunos de los sistemas estereoscópicos más notables que se han desarrollado.
La fotografía estereoscópica tradicional consiste en crear una ilusión 3D a partir de un par de imágenes 2D, un estereograma . La forma más sencilla de mejorar la percepción de profundidad en el cerebro es proporcionar a los ojos del espectador dos imágenes diferentes, que representen dos perspectivas del mismo objeto, con una desviación menor exactamente igual a las perspectivas que ambos ojos reciben naturalmente en la visión binocular .
Si se quiere evitar la fatiga visual y la distorsión, cada una de las dos imágenes 2D preferiblemente debe presentarse a cada ojo del espectador de modo que cualquier objeto a una distancia infinita visto por el espectador sea percibido por ese ojo mientras está orientado hacia adelante, el los ojos del espectador no están bizcos ni divergentes. Cuando la imagen no contiene ningún objeto a una distancia infinita, como un horizonte o una nube, las imágenes deben estar espaciadas correspondientemente más juntas.
El método de lado a lado es extremadamente sencillo de crear, pero puede resultar difícil o incómodo verlo sin ayudas ópticas.
Un estereoscopio es un dispositivo para ver tarjetas estereográficas, que son tarjetas que contienen dos imágenes separadas que se imprimen una al lado de la otra para crear la ilusión de una imagen tridimensional.
Los pares de vistas estéreo impresas sobre una base transparente se ven mediante luz transmitida. Una ventaja de la visualización de transparencias es la oportunidad de obtener un rango dinámico más amplio y realista que el que resulta práctico con impresiones sobre una base opaca; otra es que se puede presentar un campo de visión más amplio ya que las imágenes, al estar iluminadas desde atrás, pueden colocarse mucho más cerca de las lentes.
La práctica de ver transparencias estereoscópicas basadas en películas se remonta al menos a 1931, cuando Tru-Vue comenzó a comercializar conjuntos de vistas estéreo en tiras de película de 35 mm que se alimentaban a través de un visor de baquelita portátil . En 1939, se introdujo como View-Master una variación modificada y miniaturizada de esta tecnología, que empleaba discos de cartón que contenían siete pares de pequeñas transparencias de película en color Kodachrome .
El usuario normalmente usa un casco o gafas con dos pequeñas pantallas LCD u OLED con lentes de aumento, una para cada ojo. La tecnología se puede utilizar para mostrar películas, imágenes o juegos en estéreo. Las pantallas montadas en la cabeza también pueden combinarse con dispositivos de seguimiento de la cabeza, lo que permite al usuario "mirar alrededor" del mundo virtual moviendo la cabeza, eliminando la necesidad de un controlador independiente.
Debido a los rápidos avances en los gráficos por computadora y la continua miniaturización del vídeo y otros equipos, estos dispositivos están comenzando a estar disponibles a un costo más razonable. Se pueden utilizar gafas montadas en la cabeza o portátiles para ver una imagen transparente impuesta a la visión del mundo real, creando lo que se llama realidad aumentada . Esto se hace reflejando las imágenes de vídeo a través de espejos parcialmente reflectantes. El mundo real se puede ver a través del espejo parcial.
Un desarrollo reciente en guías de ondas holográficas u "óptica basada en guías de ondas" permite superponer imágenes estereoscópicas en el mundo real sin el uso de espejos reflectantes voluminosos. [2] [3]
Las pantallas de proyección montadas en la cabeza (HMPD) son similares a las pantallas montadas en la cabeza, pero con imágenes proyectadas y mostradas en una pantalla retrorreflectante . La ventaja de esta tecnología sobre las pantallas montadas en la cabeza es que los problemas de enfoque y vergencia no requirieron solución con lentes oculares correctivos. Para la generación de imágenes, se utilizan picoproyectores en lugar de pantallas LCD u OLED . [4] [5]
Con el método del eclipse, un obturador bloquea la luz de cada ojo derecho cuando la imagen del ojo inverso se proyecta en la pantalla. La pantalla alterna entre imágenes izquierda y derecha, y abre y cierra las contraventanas de las gafas o del visor en sincronización con las imágenes en la pantalla. Esta fue la base del sistema Teleview que se utilizó brevemente en 1922. [6] [7]
En las gafas con obturador LCD se utiliza una variación del método del eclipse . Gafas que contienen cristal líquido que dejarán pasar la luz en sincronización con las imágenes de la pantalla del cine, la televisión o el ordenador, utilizando el concepto de secuenciación de fotogramas alternos . Este es el método utilizado por nVidia, XpanD 3D y sistemas IMAX anteriores . Un inconveniente de este método es la necesidad de que cada persona que mira use gafas electrónicas costosas que deben sincronizarse con el sistema de visualización mediante una señal inalámbrica o un cable conectado. Las gafas con obturador son más pesadas que la mayoría de las gafas polarizadas, aunque los modelos más ligeros no son más pesados que algunas gafas de sol o gafas polarizadas de lujo. [8] Sin embargo, estos sistemas no requieren una pantalla plateada para las imágenes proyectadas.
Las válvulas de luz de cristal líquido funcionan girando la luz entre dos filtros polarizadores. Debido a estos polarizadores internos, los lentes obturadores LCD oscurecen la imagen de cualquier fuente de imagen LCD, plasma o proyector, lo que tiene como resultado que las imágenes aparecen más tenues y el contraste es menor que para la visualización normal sin formato 3D. Esto no es necesariamente un problema de uso; Para algunos tipos de pantallas que ya son muy brillantes con bajos niveles de negro grisáceo , las gafas con obturador LCD pueden mejorar la calidad de la imagen.
En un anaglifo, las dos imágenes se superponen en una configuración de luz aditiva a través de dos filtros, uno rojo y otro cian. En una configuración de luz sustractiva , las dos imágenes se imprimen con los mismos colores complementarios en papel blanco. Las gafas con filtros de colores en cada ojo separan la imagen apropiada cancelando el color del filtro y haciendo que el color complementario sea negro. Una técnica de compensación, comúnmente conocida como Anachrome, utiliza un filtro cian ligeramente más transparente en los lentes patentados asociados con la técnica. El proceso reconfigura la imagen anaglifo típica para que tenga menos paralaje .
Una alternativa al habitual sistema de filtro de anaglifo rojo y cian es ColorCode 3-D , un sistema de anaglifo patentado que se inventó para presentar una imagen de anaglifo junto con el estándar de televisión NTSC, en el que el canal rojo a menudo se ve comprometido. ColorCode utiliza los colores complementarios de amarillo y azul oscuro en pantalla, y los colores de las lentes de las gafas son ámbar y azul oscuro.
Para presentar una imagen estereoscópica, se proyectan dos imágenes superpuestas en la misma pantalla a través de diferentes filtros polarizadores . El espectador usa anteojos que también contienen un par de filtros polarizadores orientados de manera diferente (en sentido horario/antihorario con polarización circular o en ángulos de 90 grados, generalmente 45 y 135 grados, [9] con polarización lineal). Como cada filtro deja pasar solo la luz que está polarizada de manera similar y bloquea la luz polarizada de manera diferente, cada ojo ve una imagen diferente. Se utiliza para producir un efecto tridimensional al proyectar la misma escena en ambos ojos, pero representada desde perspectivas ligeramente diferentes. Además, como ambas lentes tienen el mismo color, las personas con un ojo dominante, donde se usa más un ojo, pueden ver los colores correctamente, lo que antes estaba negado por la separación de los dos colores.
La polarización circular tiene una ventaja sobre la polarización lineal, ya que el espectador no necesita tener la cabeza erguida y alineada con la pantalla para que la polarización funcione correctamente. Con la polarización lineal, girar las gafas hacia los lados hace que los filtros se desalineen con los filtros de la pantalla, lo que provoca que la imagen se desvanezca y que cada ojo vea el marco opuesto más fácilmente. Para la polarización circular, el efecto de polarización funciona independientemente de cómo esté alineada la cabeza del espectador con la pantalla, por ejemplo, inclinada hacia un lado o incluso al revés. El ojo izquierdo seguirá viendo sólo la imagen destinada a él y viceversa, sin desvanecimientos ni interferencias.
La luz polarizada reflejada por una pantalla cinematográfica normal normalmente pierde la mayor parte de su polarización. Por lo tanto , se debe utilizar una costosa pantalla plateada o una pantalla aluminizada con una pérdida de polarización insignificante. Todos los tipos de polarización darán como resultado un oscurecimiento de la imagen mostrada y un contraste más pobre en comparación con las imágenes que no son 3D. La luz de las lámparas normalmente se emite como una colección aleatoria de polarizaciones, mientras que un filtro de polarización solo deja pasar una fracción de la luz. Como resultado, la imagen de la pantalla es más oscura. Este oscurecimiento se puede compensar aumentando el brillo de la fuente de luz del proyector. Si el filtro de polarización inicial se inserta entre la lámpara y el elemento de generación de imágenes, la intensidad de la luz que incide sobre el elemento de imagen no es más alta de lo normal sin el filtro polarizador y el contraste general de la imagen transmitido a la pantalla no se ve afectado.
Dolby 3D utiliza longitudes de onda específicas de rojo, verde y azul para el ojo derecho, y diferentes longitudes de onda de rojo, verde y azul para el ojo izquierdo. Los anteojos que filtran longitudes de onda muy específicas permiten al usuario ver una imagen en 3D. Esta tecnología elimina las costosas pantallas plateadas necesarias para los sistemas polarizados como RealD , que es el sistema de visualización 3D más común en los cines. Sin embargo, requiere gafas mucho más caras que los sistemas polarizados. También se conoce como filtrado de peine espectral o visualización múltiplex de longitud de onda.
El sistema Omega 3D/ Panavision 3D también utiliza esta tecnología, aunque con un espectro más amplio y más "dientes" para el "peine" (5 para cada ojo en el sistema Omega/Panavision). El uso de más bandas espectrales por ojo elimina la necesidad de procesar el color de la imagen, requerido por el sistema Dolby. Dividir uniformemente el espectro visible entre los ojos le da al espectador una "sensación" más relajada ya que la energía de la luz y el equilibrio de color son casi 50-50. Al igual que el sistema Dolby, el sistema Omega se puede utilizar con pantallas blancas o plateadas. Pero se puede utilizar con proyectores de cine o digitales, a diferencia de los filtros Dolby que sólo se utilizan en un sistema digital con un procesador de corrección de color proporcionado por Dolby. El sistema Omega/Panavision también afirma que sus gafas son más baratas de fabricar que las utilizadas por Dolby. [10] En junio de 2012, DPVO Theatrical descontinuó el sistema Omega 3D/Panavision 3D, quien lo comercializó en nombre de Panavision, citando "condiciones económicas globales desafiantes y del mercado 3D". [ cita necesaria ] Aunque DPVO disolvió sus operaciones comerciales, Omega Optical continúa promocionando y vendiendo sistemas 3D a mercados no teatrales. El sistema 3D de Omega Optical contiene filtros de proyección y gafas 3D. Además del sistema 3D estereoscópico pasivo, Omega Optical ha producido gafas 3D anaglifo mejoradas. Los lentes anaglifo rojo/cian de Omega utilizan complejos recubrimientos de película delgada de óxido metálico y ópticas de vidrio recocido de alta calidad.
El efecto Pulfrich es una percepción psicofísica en la que la corteza visual interpreta el movimiento lateral de un objeto en el campo de visión como si tuviera un componente de profundidad, debido a una diferencia relativa en los tiempos de señal entre los dos ojos.
Las gafas prismáticas facilitan la visualización cruzada y permiten la visualización superior o inferior; los ejemplos incluyen el visor KMQ .
En este método no son necesarias gafas para ver la imagen estereoscópica. Las tecnologías de lentes lenticulares y barreras de paralaje implican imponer dos (o más) imágenes en la misma hoja, en franjas estrechas y alternas, y usar una pantalla que bloquea una de las franjas de las dos imágenes (en el caso de barreras de paralaje) o usa igualmente Lentes estrechas para doblar las tiras de imagen y hacer que parezca que llenan toda la imagen (en el caso de impresiones lenticulares). Para producir el efecto estereoscópico, la persona debe colocarse de manera que un ojo vea una de las dos imágenes y el otro vea la otra. Los principios ópticos de la autoestereoscopia multivista se conocen desde hace más de un siglo. [11]
Ambas imágenes se proyectan en una pantalla corrugada de alta ganancia que refleja la luz en ángulos agudos. Para ver la imagen estereoscópica, el espectador debe sentarse dentro de un ángulo muy estrecho que sea casi perpendicular a la pantalla, lo que limita el tamaño de la audiencia. Lenticular se utilizó para la presentación teatral de numerosos cortometrajes en Rusia de 1940 a 1948 [12] y en 1946 para el largometraje Robinzon Kruzo [13].
Aunque su uso en presentaciones teatrales ha sido bastante limitado, el lenticular se ha utilizado ampliamente para una variedad de artículos novedosos e incluso se ha utilizado en fotografía 3D de aficionados. [14] [15] El uso reciente incluye la Fujifilm FinePix Real 3D con una pantalla autoestereoscópica que se lanzó en 2009. Otros ejemplos de esta tecnología incluyen pantallas LCD autoestereoscópicas en monitores, computadoras portátiles, televisores, teléfonos móviles y dispositivos de juegos, como Nintendo. 3DS .
Las pantallas volumétricas utilizan algún mecanismo físico para mostrar puntos de luz dentro de un volumen. Estas pantallas utilizan vóxeles en lugar de píxeles . Las pantallas volumétricas incluyen pantallas multiplanares, que tienen múltiples planos de visualización apilados, y pantallas de panel giratorio, donde un panel giratorio barre un volumen.
Se han desarrollado otras tecnologías para proyectar puntos de luz en el aire sobre un dispositivo. Un láser infrarrojo se enfoca hacia el destino en el espacio, generando una pequeña burbuja de plasma que emite luz visible.
Una pantalla de campo de luz intenta recrear un "campo de luz" en la superficie de la pantalla. A diferencia de una pantalla 2D que muestra un color distinto en cada píxel, una pantalla de campo de luz muestra un color distinto en cada píxel para cada dirección en la que se emite el rayo de luz . De esta manera, los ojos desde diferentes posiciones verán diferentes imágenes en la pantalla, creando paralaje y creando así una sensación de 3D. Una pantalla de campo de luz es como una ventana de vidrio: las personas ven objetos en 3D detrás del vidrio, a pesar de que todos los rayos de luz que ven provienen (a través) del vidrio.
El campo de luz frente a la pantalla se puede crear de dos maneras: 1) emitiendo diferentes rayos de luz en diferentes direcciones en cada punto de la pantalla; 2) recreando un frente de onda frente a la pantalla. Las pantallas que utilizan el primer método se denominan pantallas basadas en rayos o de campo de luz . Las pantallas que utilizan el segundo método se denominan pantallas holográficas o basadas en frente de onda . Las pantallas basadas en frente de onda funcionan de la misma manera que los hologramas . En comparación con las pantallas basadas en rayos, una pantalla basada en frente de onda no sólo reconstruye el campo de luz, sino que también reconstruye la curvatura de las ondas planas y las diferencias de fase de las ondas en diferentes direcciones. [dieciséis]
La fotografía integral es uno de los métodos basados en rayos con información de paralaje completo. Sin embargo, también existen técnicas basadas en rayos desarrolladas únicamente con paralaje horizontal. [dieciséis]
La visualización holográfica es una tecnología de visualización que tiene la capacidad de proporcionar los cuatro mecanismos oculares: disparidad binocular , paralaje de movimiento , acomodación y convergencia . Los objetos 3D se pueden ver sin necesidad de utilizar gafas especiales y no se producirá fatiga visual en los ojos humanos.
En 2013, LEIA Inc , una empresa de Silicon Valley , comenzó a fabricar pantallas holográficas adecuadas para dispositivos móviles (relojes, teléfonos inteligentes o tabletas) que utilizan una retroiluminación multidireccional y permiten una visión de ángulo amplio de paralaje completo para ver contenido en 3D sin necesidad de gafas. [17] Su primer producto fue parte de un teléfono móvil ( Red Hydrogen One ) y más tarde en su propia tableta Android. [ cita necesaria ]
La imagen integral es una visualización 3D autoestereoscópica o multiscópica , lo que significa que muestra una imagen 3D sin el uso de gafas especiales por parte del espectador. Lo logra colocando una serie de microlentes (similar a una lente lenticular ) frente a la imagen, donde cada lente se ve diferente según el ángulo de visión. Por lo tanto, en lugar de mostrar una imagen 2D que se ve igual desde todas las direcciones, reproduce un campo de luz 3D , creando imágenes estéreo que exhiben paralaje cuando el espectador se mueve.
Se está desarrollando una nueva tecnología de visualización denominada "campo de luz compresivo". Estos prototipos de pantallas utilizan paneles LCD en capas y algoritmos de compresión en el momento de la visualización. Los diseños incluyen dispositivos duales [18] y multicapa [19] [20] [21] que son controlados por algoritmos como la tomografía computarizada y la factorización de matrices no negativas y la factorización de tensores no negativos .
Se puede considerar que cada una de estas tecnologías de visualización tiene limitaciones, ya sea la ubicación del espectador, equipos engorrosos o antiestéticos o un gran costo. La visualización de imágenes 3D sin artefactos sigue siendo difícil. [ cita necesaria ]