science >> Wetenschap >  >> Elektronica

3D-schermen die geschikt zijn voor het menselijk oog

Krediet:Carnegie Mellon University

Heb je je ooit duizelig of misselijk gevoeld na het kijken naar een 3D-film of het gebruik van een virtual reality-headset? Als, het is waarschijnlijk omdat u onbewust de subtiele verschillen kon detecteren tussen de virtuele 3D-scène die aan u werd gepresenteerd en de echte wereld.

De heilige graal voor 3D-weergaven is het produceren van een scène die, voor onze ogen, is niet van de werkelijkheid te onderscheiden. Om dit te behalen, het scherm zou alle perceptuele signalen moeten misleiden die het menselijke visuele systeem gebruikt om de wereld waar te nemen. Onze ogen nemen een breed scala aan kleuren waar, een groot aantal intensiteiten, en talrijke aanwijzingen om diepte waar te nemen. Tussen deze, misschien wel het moeilijkst te misleiden is het vermogen om diepte te zien. Zoals het blijkt, dit heeft enorme gevolgen voor 3D-tv's, films, virtual en augmented reality-apparaten.

Onze ogen nemen diepte waar met behulp van twee dominante signalen. De eerste cue heet vergentie, waarbij de ogen draaien om hetzelfde object op beide ogen in het middelpunt van het veld te brengen; wanneer het object dichtbij is (zeg dicht bij je neus), de ogen draaien veel om zich erop te fixeren en als het ver weg is, ze draaien minder. Dit is een sterke aanwijzing voor het waarnemen van diepte. De tweede cue heet accommodatie, waarbij het oog de brandpuntsafstand van de oculaire lens verandert om een ​​object scherp te stellen. Net als een camera, een object lijkt alleen scherp als het oog erop is gericht. Vergentie en accommodatie drijven elkaar aan, d.w.z., wanneer de ogen fixeren op een object met behulp van vergentie, de accommodatie-aanwijzingen zorgen ervoor dat het object in beeld komt. Zonder deze nauwe koppeling tussen vergentie en accommodatie, we zouden de wereld niet in al zijn scherpte kunnen zien en ook geen diepte kunnen waarnemen.

Figuur 1:vergelijking van een typisch VR-display met het VR-display voorgesteld door CMU-onderzoekers. Krediet:Carnegie Mellon University

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University (CMU) hebben een nieuwe technologie ontwikkeld om natuurlijke accommodatie-aanwijzingen in 3D-schermen mogelijk te maken. De technologie werkt door het genereren van veel virtuele displays op verschillende diepten. De diepten zijn zo dicht verspreid dat we het niet kunnen onderscheiden van de echte wereld, althans in termen van dieptewaarneming. Dit idee om lagen met displays op verschillende diepten te plaatsen is niet nieuw; echter, de door CMU-onderzoekers voorgestelde technologie kan een orde van grootte meer displays genereren dan bestaande methoden, waardoor een ongekende onderdompeling wordt geboden. Figuur 1 vergelijkt een typisch VR-display met het voorgestelde display. Zoals te zien is, het voorgestelde scherm verandert de lens die wordt gebruikt in typische VR-schermen in een lens die de brandpuntsafstand kan wijzigen. Door de brandpuntsafstand bij een hoge frequentie te veranderen, volgen, en die verandering coördineren met een snelle weergave, het voorgestelde beeldscherm overwint de beperkingen waarmee de meeste bestaande beeldschermen worden geconfronteerd.

Afbeelding 2:De virtuele scène en foto's die zijn gemaakt door een camera die van focus verandert. Merk op dat de camera onafhankelijk is van het display. Krediet:Carnegie Mellon University

Een voordeel van het gebruik van de voorgestelde weergavetechnologie is te zien in afbeelding 2. De scène in de afbeelding bevat objecten over een breed dieptebereik. Bijvoorbeeld, de maan staat op oneindig, de wolken zijn mijlenver weg, de bomen zijn meters verwijderd, en het huis is centimeters van ons verwijderd. We legden de scène vast die werd gezien door een camera die op verschillende diepten was gefocust - waarbij we de verandering van focus van ons oog nabootsten - en maakten een video van deze afbeeldingen. Merk op dat de camera volledig onafhankelijk is van het display, wat betekent dat het scherm niet weet waar de camera is of waar ons oog naar kijkt. Zoals te zien is in de video, het scherm genereert natuurlijke focus en onscherpte signalen, d.w.z., een object wordt scherp wanneer het wordt scherpgesteld en wazig wanneer de focus van de camera weg beweegt. Dit betekent dat het display de accommodatie-cue genereert.

Virtuele en augmented reality-apparaten zullen aanzienlijk profiteren van dit werk. De apparaten van vandaag produceren immersie door alleen te voldoen aan de vergentie-cue en, voor het grootste gedeelte, accommodatie-aanwijzingen negeren. Dit heeft gevolgen voor de gebruikerservaring, wat leidt tot ongemak en vermoeidheid na langdurig gebruik. Het werk van CMU laat zien dat het niet overeenkomen met accommodatie-aanwijzingen ook de resolutie van het scherm vermindert als gevolg van onscherpe onscherpte. In deze betekenis, de technologie die bij CMU is ontwikkeld, komt zeer actueel en zou de weg kunnen effenen voor een veel meer meeslepende AR/VR-ervaring.

Dit artikel beschrijft werk dat is gepubliceerd en gepresenteerd op de SIGGRAPH Asia-conferentie in december 2018.

De National Science Foundation ondersteunde het onderzoek in het kader van een Facultair Early Career Development (CAREER)-programma.