視差バリア

視差バリアは、液晶ディスプレイなどの画像ソースの前に配置して、視聴者が3D メガネをかけなくても立体画像または多眼画像を表示できるようにするデバイスです。通常の LCD の前に配置され、一連の正確に間隔を空けたスリットを備えた不透明な層で構成されており、それぞれの目が異なるピクセルのセットを見ることができるため、視差による奥行き感が生まれ、印刷製品のレンチキュラー印刷^{[1] [2]}や他のディスプレイのレンチキュラーレンズと同様の効果が得られます。この方法の最も単純な形式の欠点は、視聴者が 3D 効果を体験するために明確に定義された場所に位置する必要があることです。ただし、このテクノロジーの最近のバージョンでは、顔追跡を使用してピクセルとバリアスリットの相対位置をユーザーの目の位置に応じて調整することでこの問題に対処し、ユーザーがさまざまな位置から 3D を体験できるようにしています。^{[3] [4]} もう一つの欠点は、各目で見える水平方向のピクセル数が半分になり、画像全体の水平解像度が低下することです。^[5]

視差バリアの原理は、オーギュスト・ベルティエが独自に発明した。ベルティエは、立体画像に関する論文を発表し、その中で新しいアイデアを図解で説明し、インターレース画像ストリップの寸法を意図的に誇張した画像を掲載した。^[6]また、フレデリック・E・アイブスも、1901年に機能的な自動立体画像を作成し展示した。^[7]約2年後、アイブスは標本画像をノベルティとして販売し始めた。これが最初の商業的利用として知られるようになった。

2000年代初頭、シャープはこの古い技術を電子フラットパネルに応用して商品化し、Actius RD3Dを含む世界で唯一の3D LCDスクリーンを備えた2台のラップトップを短期間販売しました。^[8]これらのディスプレイは現在シャープからは販売されていませんが、TridelityやSpatialViewなどの他社が製造および開発を続けています。同様に、日立はKDDIの販売元で日本市場向けの最初の3D携帯電話をリリースしました。^{[9] [10]} 2009年、富士フイルムは、対角2.8インチの内蔵自動立体視LCDを備えたFujifilm FinePix Real 3D W1デジタルカメラをリリースしました。任天堂もこの技術をポータブルゲーム機Nintendo 3DSに実装しました。

映画やコンピュータゲームに加えて、この技術は分子モデリング^[要出典]や空港のセキュリティなどの分野でも利用されています。^{[11]また、2010年モデルの}レンジローバーのナビゲーションシステムにも使用されており、^[12]乗客が映画を見ている間に運転手は（例えば）GPSの方向を見ることができます。 また、ニンテンドー3DSハンドヘルドゲームコンソール^[13]やLGのOptimus 3DおよびThrillスマートフォン^[14] 、 HTCのEVO 3D ^[15]、シャープのGalapagosスマートフォンシリーズにも使用されています。

この技術は、広範囲の視野角を必要とするため、3Dテレビに適用するのが難しい。東芝の21インチ3Dディスプレイは、9組の画像を備えた視差バリア技術を使用して、30度の視野角をカバーしている。^[16]

視差バリアのスリットにより、視聴者は左目の位置からは左側の画像ピクセルのみ、右目からは右側の画像ピクセルのみを見ることができる。視差バリアの形状を選択する際に最適化する必要がある重要なパラメータは、ピクセルとバリアの間隔d、視差バリアのピッチf、ピクセルの開口部a、および視差バリアのスリット幅bである。^[17]

視差バリアがピクセルに近いほど、左画像と右画像の間の分離角度は広くなります。立体表示の場合、左画像と右画像が左目と右目に当たる必要があり、つまり、ビューはわずか数度しか離れていない必要があります。この場合のピクセルバリア分離d は、次のように導き出されます。

スネルの法則より:${\displaystyle n\sin x=\sin y}$

小さな角度の場合：そして${\displaystyle \sin y\approx {\frac {e}{2r}}}$${\displaystyle \sin x\approx {\frac {p}{2d}}\,.}$

したがって：${\displaystyle d={\frac {rnp}{e}}\,.}$

ピクセルピッチ 65 マイクロメートル、目と目の間隔 63 mm、視聴距離 30 cm、屈折率 1.52 の一般的な自動立体ディスプレイの場合、ピクセルバリアの間隔は約 470 マイクロメートルにする必要があります。

パララックス バリアのピッチは、理想的にはピクセルのピッチの約 2 倍ですが、最適な設計はこれよりわずかに小さくする必要があります。バリア ピッチのこの変化により、ディスプレイの端が中央とは異なる角度で表示されるという事実が補正され、画面のどの位置からでも左と右の画像が適切に目に届くようになります。

高解像度ディスプレイ用の視差バリアシステムでは、フレネル回折理論によって性能（明るさとクロストーク）をシミュレートできます。^[18] これらのシミュレーションから、次のことがわかります。スリット幅が狭いと、スリットを通過する光は大きく回折され、クロストークが発生します。ディスプレイの明るさも低下します。スリット幅が大きいと、スリットを通過する光はそれほど回折しませんが、スリットが広いと、幾何学的な光線経路によりクロストークが発生します。そのため、設計ではクロストークが増加します。ディスプレイの明るさは増加します。したがって、最適なスリット幅は、クロストークと明るさのトレードオフによって決まります。

視差バリアは LCD ピクセルの後ろに配置することもできます。この場合、スリットからの光は左の画像ピクセルを左方向に通過し、その逆も同様です。これにより、前面の視差バリアと同じ基本的な効果が得られます。

視差バリアシステムでは、左目には半分のピクセル（つまり、左画像のピクセル）しか見えず、右目にも同じことが当てはまります。したがって、ディスプレイの解像度は低下するため、3Dが必要なときにオンに、2D画像が必要なときにオフにできる視差バリアを作成すると有利です。視差バリアのオン/オフを切り替える1つの方法は、視差バリアを液晶材料で形成することです。視差バリアは、液晶ディスプレイで画像が形成される方法と同様に作成できます。^[19]

時間多重化は、視差バリアシステムの解像度を向上させる手段を提供します。^[20] 示されている設計では、各目はパネルの完全な解像度を見ることができます。

この設計では、画像がフレームごとに切り替わるときに画像のちらつきが発生しないように、十分に高速に切り替えることができるディスプレイが必要です。

標準的な視差バリアシステムでは、視聴者は左目と右目の映像がそれぞれ左目と右目で見えるように適切な位置に身を置く必要があります。「追跡型 3D システム」では、ユーザーの位置を追跡し、視差バリアを調整して左目と右目の映像が常にユーザーの目に正しく向けられるようにすることで、視聴の自由度を大幅に高めることができます。ユーザーの視野角の識別は、ディスプレイ上部の前方カメラと、ユーザーの顔の位置を認識できる画像処理ソフトウェアを使用して行うことができます。左目と右目の映像が投影される角度の調整は、機械的または電子的に視差バリアをピクセルに対してシフトすることで行うことができます。^{[21] [22] [23]}

クロストークとは、3D ディスプレイの左目と右目の画像の間に生じる干渉のことです。クロストークが高いディスプレイでは、各目にもう一方の目用の画像がかすかに重ねて表示されます。立体ディスプレイにおけるクロストークの知覚は広く研究されてきました。立体ディスプレイに高レベルのクロストークが存在することは有害であると一般に認識されています。画像におけるクロストークの影響には、ゴーストやコントラストの低下、3D 効果や奥行き解像度の低下、視聴者の不快感などがあります。クロストーク (ゴースト) の視認性は、コントラストの増加や画像の両眼視差の増加に伴って増加します。たとえば、コントラストの高い立体画像は、特定の立体ディスプレイではコントラストの低い画像よりもゴーストが多くなります。^[24]

3Dディスプレイからのクロストークのレベルを定量化する技術には、一方のビューからもう一方のビューに逸れる光の割合を測定することが含まれる。^[18]

典型的な視差バリアベースの3Dシステムでは、最適な目の位置でのクロストークは3％程度です。3D画像の画質を決定するために実施された主観テスト^[25]の結果では、高品質の3Dの場合、クロストークは「約1～2％以下」であると結論付けられています。

回折はクロストークの主な原因となる可能性がある。^[18] 回折の理論的シミュレーションは、エマルジョン視差バリアシステムにおける実験的クロストーク測定の優れた予測因子であることがわかっている。これらのシミュレーションは、視差バリアによって引き起こされるクロストークの量が、スリットのエッジの鋭さに大きく依存することを予測している。たとえば、バリアの透過率がバリアからスリットに移動するにつれて不透明から透明に急激に変化する場合は、幅広い回折パターンが生成され、結果としてクロストークが多くなる。遷移がスムーズであれば、回折はそれほど広範囲に広がらず、クロストークは少なくなる。この予測は、わずかにソフトエッジのバリア（ピッチは182マイクロメートル、スリット幅は48マイクロメートル、不透明と透過の遷移は約3マイクロメートルの領域で発生）の実験結果と一致している。わずかにソフトエッジのバリアのクロストークは 2.3% で、ハードエッジのバリアのクロストークの約 2.7% よりわずかに低い。回折シミュレーションでは、視差バリアのスリットエッジの透過率が 10 マイクロメートルの領域で減少した場合、クロストークは 0.1 になる可能性があることも示唆されている。画像処理は、クロストーク対策の代替手段である。図は、クロストーク補正の原理を示している。^[26]

視差バリアを備えた 自動立体ディスプレイには、主に次の 3 つのタイプがあります。

• 通常のLCD画面に一連の精密スリットを配置して、その可能性を確かめるだけの初期の実験プロトタイプ。
  • 長所
    • 簡単に取り付けられます
  • 短所
    • 最低画質
• 初めて完全に開発された「視差バリア ディスプレイ」には、ピクセル上の光学部品の 1 つとして精密スリットがあります。これにより、片方の目からの各画像がブロックされ、もう一方の目に表示されます。
  • 長所
    • 大量生産で安価
  • 短所
    • バックライトでは最も効率が悪い、
    • 通常のディスプレイの2倍のバックライトが必要
    • 視野角が狭い
• Nintendo 3DS、HTC Evo 3D、LG Optimus 3Dなどの製品に搭載されている最新かつ最も便利なディスプレイでは、視差バリアはピクセルの前ではなく、ピクセルの後ろ、バックライトの前にあります。そのため、LCD マトリックス全体が両目に公開されますが、各目の位置から見ると、その中のインターレース画像のうち 1 つだけがバックライトで照らされています。目に見えるように点灯しているピクセル列からのグレアにより、隣接する点灯していない列が目立たなくなる傾向があります。
  • 長所
    • 鮮明な画像
    • 最大視野角
  • 短所
    • 大量生産にはコストがかかる
    • 通常のディスプレイよりも20～25%多くのバックライトを使用します

• 自動立体視
• HR3D

ウィキメディア・コモンズの視差バリアに関連するメディア

• 視差バリアの仕組みを説明するビデオ
• オートステレオディスプレイの原理 - アイデアを説明するJavaアプレット