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3Dディスプレイとは、視聴者に奥行きを伝えることができる表示装置です。多くの3Dディスプレイは、両眼視差を利用して基本的な3D効果を生み出す2視点立体視ディスプレイまたはオートステレオスコピックディスプレイですが、輻輳調節の矛盾により眼精疲労や視覚疲労を引き起こす可能性があります。ホログラフィックディスプレイやライトフィールドディスプレイなどの新しい3Dディスプレイは、立体視と表示コンテンツの正確な焦点距離を組み合わせることで、よりリアルな3D効果を生み出します。このように、新しい3Dディスプレイは、従来の立体視ディスプレイよりも視覚疲労を軽減します。
2021年現在、最も一般的な3Dディスプレイは2視点立体視ディスプレイであり、これはほぼすべての仮想現実機器で使用されているタイプのディスプレイです。3Dディスプレイは、VRヘッドセットのように目の近くに設置されるものもあれば、3D対応のモバイルデバイスや3D映画館のように目から離れた場所に設置されるものもあります。
「3Dディスプレイ」という用語は、あらゆる角度から見ることができるコンテンツを生成できる立体ディスプレイを指す場合にも使用される。
3D ディスプレイのシンプルな形式は、左目用と右目用の 2 つのビューを生成する 2 ビュー ディスプレイです。[ 1 ] 2 ビュー ディスプレイの最も初期の形式の 1 つはカラー アナグリフで、カラー フィルター メガネを使用し、多くの場合、左目には赤、右目には青が使用されます。[ 1 ]
3Dディスプレイの前身は、1832年にチャールズ・ホイートストン卿によって作られました。 [ 1 ]それは奥行きを表現する基本的な能力を備えた立体鏡でした。
イヴァン・サザーランドは、 3Dコンピュータグラフィックスを表示できる最初のヘッドマウントディスプレイを開発した。[ 2 ] [ 3 ]
立体視ディスプレイは一般的に「ステレオディスプレイ」「ステレオ3Dディスプレイ」「立体視3Dディスプレイ」、あるいは単に「3Dディスプレイ」と呼ばれることもあります。
立体視表示の基本的な技術は、左右の目に別々に表示されるオフセット画像を提示することです。これらの2次元オフセット画像は脳内で統合され、 3次元の奥行き知覚を生み出します。「3D」という用語は広く使われていますが、2つの2次元画像を提示する方法は、ライトフィールドを表示する方法とは明らかに異なり、また、 3次元空間に画像を表示する方法とも異なります。
フル3D表示が可能なディスプレイとの最も顕著な違いは、観察者の頭の動きや目の調節の変化によって、視聴者が見る映像が変化しない点です。例えば、一部のホログラフィックディスプレイには、このような制限はありません。
2D画像を2つ並べて「3D」と呼ぶのは、その性能を過大評価していると言えるでしょう。正確な用語である「立体視」は、長年にわたり疑問視されることなく誤用されてきた「3D」という一般的な誤称よりも、はるかに扱いにくいものです。3Dディスプレイは、立体視というより低い基準も満たしているため、しばしば「立体視ディスプレイ」とも呼ばれます。
1830年代にチャールズ・ホイートストン卿によって提唱された立体視の原理に基づき、立体視技術は視聴者の左右の目に異なる画像を提供します。以下に、開発された代表的な立体視システムで採用されている技術的な詳細と手法をいくつか紹介します。
従来の立体写真では、ステレオグラムと呼ばれる一対の2D画像から3D効果を作り出します。脳の奥行き知覚を高める最も簡単な方法は、同じ物体を2つの異なる視点から捉えた2つの異なる画像を、両眼視で自然に両目が受け取る視点と全く同じわずかなずれで、見る人の目に提示することです。
眼精疲労や歪みを避けるには、2つの2次元画像をそれぞれ視聴者の両目に提示し、視聴者が正面を向いた状態で、無限遠にある物体をその目で認識できるようにすることが望ましい。視聴者の目は、寄り目になったり、外側に開いたりしてはならない。画像に地平線や雲など、無限遠にある物体が含まれていない場合は、画像間の間隔をそれに応じて狭くする必要がある。
並列表示法は非常に簡単に作成できるが、光学補助なしでは見づらい、あるいは見づらい場合がある。
立体鏡とは、立体視カードを見るための装置である。立体視カードとは、2つの異なる画像が並べて印刷されており、3次元画像の錯覚を生み出すカードのことである。
透明な基板に印刷されたステレオ画像のペアを透過光で観察する。透過光観察の利点の1つは、不透明な基板に印刷された画像よりも、より広く、よりリアルなダイナミックレンジを実現できることである。もう1つの利点は、画像が背面から照明されるため、レンズに非常に近い位置に配置でき、より広い視野を提供できることである。
フィルムベースの立体視スライドを鑑賞する習慣は、少なくとも1931年には遡り、当時Tru-Vue社は、手持ち式のベークライト製ビューアーを通して見る35mmフィルムストリップに収録された立体視スライドのセットを販売し始めた。1939年には、この技術を改良・小型化したものが、7組の小型コダクロームカラーフィルムスライドを収録した厚紙ディスクを用いたView-Masterとして発売された。
利用者は通常、両目にそれぞれ1つずつ、拡大レンズ付きの小型LCDまたはOLEDディスプレイを備えたヘルメットまたは眼鏡を装着する。この技術は、立体映像、画像、ゲームなどを表示するために使用できる。ヘッドマウントディスプレイはヘッドトラッキングデバイスと組み合わせることも可能で、頭を動かすことで仮想世界を「見回す」ことができ、別途コントローラーを用意する必要がなくなる。
コンピュータグラフィックスの急速な進歩と、ビデオ機器をはじめとする各種機器の小型化が進んでいるため、これらのデバイスはより手頃な価格で入手できるようになってきています。ヘッドマウント型またはウェアラブル型のメガネを使用することで、現実世界に透視画像を重ね合わせ、拡張現実と呼ばれるものを作り出すことができます。これは、ビデオ画像を部分反射ミラーを通して反射させることで実現されます。部分反射ミラーを通して現実世界を見ることができます。
ホログラフィック導波路または「導波路ベースの光学」の最近の発展により、かさばる反射鏡を使用せずに立体画像を現実世界に重ね合わせることができるようになりました。[ 4 ] [ 5 ]
ヘッドマウントプロジェクションディスプレイ（HMPD）はヘッドマウントディスプレイに似ていますが、画像が再帰反射スクリーンに投影され表示されます。この技術のヘッドマウントディスプレイに対する利点は、焦点と輻輳の問題を矯正レンズで修正する必要がないことです。画像生成には、LCDまたはOLEDスクリーンの代わりにピコプロジェクターが使用されます。[ 6 ] [ 7 ]
日食方式では、反対の目の画像がスクリーンに投影されると、シャッターがそれぞれの適切な目からの光を遮断します。ディスプレイは左右の画像を交互に表示し、スクリーン上の画像と同期して眼鏡またはビューアーのシャッターを開閉します。これが1922年に短期間使用されたTeleviewシステムの基礎でした。 [ 8 ] [ 9 ]
液晶シャッターメガネでは、日食方式の変形が使用されています。液晶を含むメガネは、交互フレームシーケンスの概念を使用して、映画、テレビ、またはコンピュータの画面上の画像と同期して光を透過させます。これは、nVidia、XpanD 3D、および初期のIMAXシステムで使用されている方法です。この方法の欠点は、視聴者それぞれが高価な電子メガネを着用する必要があり、ワイヤレス信号または接続されたワイヤーを使用してディスプレイシステムと同期する必要があることです。シャッターメガネはほとんどの偏光メガネよりも重いですが、軽量モデルは一部のサングラスや高級偏光メガネよりも重くありません。[ 10 ]ただし、これらのシステムでは投影画像に銀幕は必要ありません。
液晶ライトバルブは、2枚の偏光フィルターの間で光を回転させることで動作します。これらの内部偏光板のため、LCDシャッターガラスは、LCD、プラズマ、プロジェクターなど、あらゆる画像ソースの表示画像を暗くします。その結果、通常の非3D表示時よりも画像が暗く見え、コントラストが低下します。これは必ずしも使用上の問題ではありません。既に非常に明るく、黒レベルが低い一部のディスプレイでは、LCDシャッターガラスを使用することで、実際には画質が向上する場合があります。
アナグリフでは、加法混色の光設定で、赤とシアンの2つのフィルターを通して2つの画像が重ね合わされます。減法混色の光設定では、2つの画像が同じ補色で白い紙に印刷されます。各目に色付きフィルター付きの眼鏡をかけると、フィルターの色を打ち消し、補色を黒にすることで、適切な画像が分離されます。アナクロームとして一般的に知られている補正技術では、この技術に関連する特許取得済みの眼鏡に、わずかに透明度の高いシアンフィルターを使用します。このプロセスは、通常のアナグリフ画像の視差を少なくするように再構成します。
アナグリフ方式の一般的な赤とシアンのフィルターシステムに代わるものとして、 ColorCode 3-Dという特許取得済みのアナグリフシステムがあります。これは、赤チャンネルがしばしば劣化するNTSCテレビ規格に合わせてアナグリフ画像を表示するために開発されました。ColorCodeでは、画面上で補色である黄色と濃い青が使用され、メガネのレンズの色は琥珀色と濃い青になります。
立体映画を上映するには、2つの画像が異なる偏光フィルターを通して同じスクリーンに重ねて投影されます。視聴者は、異なる向き（円偏光の場合は時計回り/反時計回り、直線偏光の場合は通常45度と135度[ 11 ]）に偏光フィルターが配置された眼鏡を着用します。各フィルターは、同じ偏光の光のみを通過させ、異なる偏光の光を遮断するため、両眼で異なる画像が見えます。この仕組みを利用して、同じシーンを両眼に投影しながらも、わずかに異なる視点から描写することで、立体的な効果を生み出します。さらに、両方のレンズの色が同じであるため、片方の目がより多く使われる利き目を持つ人でも、以前は2つの色が分離されていたために見えなかった色を正しく認識できます。
円偏光は直線偏光に比べて、偏光が正しく機能するために視聴者が頭をまっすぐに立ててスクリーンと一直線に合わせる必要がないという利点があります。直線偏光の場合、メガネを横に傾けるとフィルターがスクリーンのフィルターとずれてしまい、画像がぼやけたり、左右の目が反対側のフレームをより見やすくなったりします。一方、円偏光では、視聴者の頭がスクリーンに対してどのように傾いていようと、横向きや逆さまになっていようと、偏光効果は変わりません。左目には本来の映像だけが映り、右目には左目用の映像だけが映るため、ぼやけやクロストークは発生しません。
通常の映画スクリーンから反射された偏光は、通常、偏光の大部分を失います。そのため、偏光損失がごくわずかな高価な銀スクリーンまたはアルミ蒸着スクリーンを使用する必要があります。あらゆる種類の偏光は、非3D画像と比較して、表示される画像の暗さやコントラストの低下につながります。ランプからの光は通常、ランダムな偏光の集合として放出されますが、偏光フィルターは光のごく一部しか通過させません。その結果、スクリーンの画像は暗くなります。この暗さは、プロジェクター光源の明るさを上げることで補正できます。最初の偏光フィルターをランプと画像生成要素の間に挿入すると、画像要素に当たる光の強度は偏光フィルターがない場合と比べて高くならず、スクリーンに伝達される画像全体のコントラストは影響を受けません。
ドルビー3Dは、右目には特定の波長の赤、緑、青を使用し、左目には異なる波長の赤、緑、青を使用します。特定の波長を遮断する眼鏡をかけることで、3D画像を見ることができます。この技術は、劇場で最も一般的な3D表示システムであるRealDなどの偏光システムに必要な高価な銀スクリーンを不要にします。ただし、偏光システムよりもはるかに高価な眼鏡が必要になります。スペクトルコムフィルタリングまたは波長多重可視化とも呼ばれます。
Omega 3D/ Panavision 3Dシステムもこの技術を使用していますが、スペクトル幅が広く、「櫛」の「歯」の数も多くなっています（Omega/Panavisionシステムでは片目につき5本）。片目あたりのスペクトルバンド数を増やすことで、Dolbyシステムで必要となる画像のカラー処理が不要になります。可視スペクトルを両目に均等に分配することで、光エネルギーと色のバランスがほぼ50対50となり、視聴者はよりリラックスした「感覚」を得られます。OmegaシステムはDolbyシステムと同様に、白または銀色のスクリーンで使用できます。ただし、DolbyフィルターはDolbyが提供するカラー補正プロセッサーを備えたデジタルシステムでのみ使用されるのに対し、Omegaシステムはフィルムプロジェクターとデジタルプロジェクターのどちらでも使用できます。Omega/Panavisionシステムは、自社のメガネはDolbyで使用されているものよりも製造コストが安いとも主張しています。[ 12 ] 2012 年 6 月、Panavision の代理で販売していた Omega 3D/Panavision 3D システムは、「厳しい世界経済と 3D 市場の状況」を理由に、DPVO Theatrical によって販売中止となった。DPVO は 事業を解散したが、Omega Optical は引き続き劇場以外の市場向けに 3D システムの宣伝と販売を行っている。Omega Optical の 3D システムは、投影フィルターと 3D メガネで構成されている。受動立体視 3D システムに加えて、Omega Optical は強化アナグリフ 3D メガネも製造している。Omega の赤/シアンのアナグリフメガネは、複雑な金属酸化物薄膜コーティングと高品質の焼きなましガラス光学系を使用している。
プルフレッヒ効果とは、視野内の物体の横方向の動きが、両眼間の信号伝達タイミングの相対的な差によって、視覚皮質によって奥行き成分を持つものとして解釈される心理物理学的知覚である。
プリズム眼鏡は、クロスビューイングを容易にするだけでなく、オーバービューイングやアンダービューイングも可能にします。例としては、KMQビューアーが挙げられます。
この方法では、立体画像を見るのに眼鏡は必要ありません。レンチキュラーレンズと視差バリア技術では、同じシートに2つ（またはそれ以上）の画像を細い交互に並んだ帯状に重ね合わせ、2つの画像の帯の一方を遮断するスクリーン（視差バリアの場合）または、同じ幅のレンズを使用して画像の帯を曲げ、画像全体を埋めているように見せるスクリーン（レンチキュラープリントの場合）を使用します。立体効果を生み出すには、片方の目で2つの画像のうちの1つを見、もう一方の目で別の画像を見るように位置する必要があります。マルチビューオートステレオスコピーの光学原理は1世紀以上前から知られています。[ 13 ]
両方の画像は、鋭角で光を反射する高ゲインの波状スクリーンに投影されます。立体画像を見るには、視聴者はスクリーンにほぼ垂直な非常に狭い角度内に座る必要があり、観客の人数が制限されます。レンチキュラーは、1940年から1948年にかけてロシアで数多くの短編映画の劇場上映に使用され[ 14 ]、1946年には長編映画『ロビンソン・クルーゾ』にも使用されました[ 15 ]。
レンチキュラーは、劇場での上映での使用は比較的限られているものの、さまざまなノベルティグッズに広く使用されており、アマチュアの3D写真にも使用されています。[ 16 ] [ 17 ]最近の例としては、 2009年に発売されたオートステレオスコピックディスプレイを搭載した富士フイルム FinePix Real 3Dがあります。この技術の他の例としては、モニター、ノートパソコン、テレビ、携帯電話、ニンテンドー3DSなどのゲーム機器のオートステレオスコピックLCDディスプレイがあります。
ボリュームディスプレイは、物理的な機構を用いて、ある体積内の光点を表示します。このようなディスプレイは、ピクセルの代わりにボクセルを使用します。ボリュームディスプレイには、複数の表示面を積み重ねたマルチプレーンディスプレイや、回転パネルが体積を走査する回転パネルディスプレイなどがあります。
装置の上空の空中に光の点を投影する他の技術も開発されている。赤外線レーザーを宇宙空間の目標地点に集束させ、可視光を発する小さなプラズマの泡を生成する。
ライトフィールドディスプレイは、ディスプレイ表面に光場の一部を再現します。各ピクセルにそれぞれ異なる色を表示する2Dディスプレイとは異なり、ライトフィールドディスプレイは光線ごとに異なる色を表示します。これにより、異なる位置から見るとディスプレイ上に異なる画像が表示され、視差が生じて3Dの感覚が生まれます。ライトフィールドディスプレイはガラス窓のようなもので、人はガラスを通して見える光線がすべてガラスから来ているにもかかわらず、ガラスの向こう側に3Dの物体を見ることができます。
ディスプレイ前面の光場は、2 つの方法で生成できます。1) ディスプレイ上の各点で異なる方向に異なる光線を放出する、2)ディスプレイ前面に波面を再現する。最初の方法を使用するディスプレイは、光線ベースまたは光場ディスプレイと呼ばれます。2 番目の方法を使用するディスプレイは、波面ベースまたはホログラフィックディスプレイと呼ばれます。波面ベースのディスプレイは、ホログラムと同じように動作します。光線ベースのディスプレイと比較して、波面ベースのディスプレイは、光場を再構成するだけでなく、平面波の曲率と、異なる方向の波の位相差も再構成します。[ 18 ]
積分写真法は、完全な視差情報を持つ光線ベースの方法の1つです。しかし、水平視差のみで開発された光線ベースの技術もあります。[ 18 ]
ホログラフィックディスプレイは、両眼視差、運動視差、調節、輻輳という4つの眼のメカニズムすべてに対応できるディスプレイ技術です。3Dオブジェクトは特別な眼鏡をかけなくても見ることができ、目に疲労を与えることもありません。
2013年、シリコンバレーの企業LEIA Incは、多方向バックライトを使用し、3Dコンテンツを見るための広い全視差視野角を可能にする、モバイルデバイス（時計、スマートフォン、タブレット）向けのホログラフィックディスプレイとして販売されるオートステレオスコピックディスプレイの製造を開始しました。[ 19 ]彼らの最初の製品は携帯電話（Red Hydrogen One）の一部であり、その後、自社のAndroidタブレットにも搭載されました。
インテグラルイメージングは、オートステレオスコピックまたはマルチスコピックの3Dディスプレイであり、視聴者が特別なメガネを使用せずに3D画像を表示します。これは、画像の前にマイクロレンズアレイ（レンチキュラーレンズに類似）を配置することで実現され、各レンズは見る角度によって異なるように見えます。したがって、どの方向から見ても同じように見える2D画像を表示するのではなく、3D光場を再現し、視聴者が動くと視差が生じる立体画像を生成します。
「圧縮光場」と呼ばれる新しい表示技術が開発されている。これらのプロトタイプディスプレイは、表示時に層状LCDパネルと圧縮アルゴリズムを使用する。設計には、コンピュータ断層撮影、非負行列因子分解、非負テンソル因子分解 などのアルゴリズムによって駆動されるデュアル[ 20 ]およびマルチレイヤー[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]デバイスが含まれる。
これらの表示技術はいずれも、視聴者の位置、機器の煩雑さや見栄えの悪さ、高コストといった点で限界がある。アーティファクトのない3D画像の表示は依然として困難である。