Pantalla 3D

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 la estereopsis , pero pueden causar fatiga visual y cansancio ocular. Las pantallas 3D más nuevas, como las pantallas holográficas y de campo de luz, producen un efecto 3D más realista al combinar la estereopsis y la distancia focal precisa para el contenido mostrado. De esta manera, las pantallas 3D más nuevas causan menos fatiga visual que las pantallas estereoscópicas clásicas.

A partir de 2021, el tipo más común de pantalla 3D es una 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 habilitado para 3D o una sala de cine en 3D .

El término “pantalla 3D” también puede utilizarse para referirse a una pantalla volumétrica que puede generar contenido que puede verse 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 pantallas estereoscópicas consiste en presentar imágenes desplazadas que se muestran por separado en el ojo izquierdo y derecho. Ambas imágenes desplazadas en 2D se combinan luego en el cerebro para dar la percepción de profundidad en 3D. Aunque el término "3D" se utiliza de forma ubicua, la presentación de imágenes 2D duales es claramente diferente de la visualización de un campo de luz y también es diferente de la visualización de una imagen en un espacio tridimensional .

La diferencia más notable con las pantallas que pueden mostrar imágenes en 3D es que los movimientos de la cabeza del observador y los cambios en la acomodación de los ojos no modifican las imágenes que ve el espectador. Por ejemplo, algunas pantallas holográficas no tienen esas limitaciones.

Es una exageración referirse a las imágenes 2D duales como "3D". El término preciso "estereoscópico" es más engorroso que el término erróneo común "3D", que se ha arraigado después de muchas décadas de uso indebido incuestionable. Las pantallas 3D también se conocen a menudo como pantallas estereoscópicas porque también cumplen con el criterio inferior de ser 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 para el ojo izquierdo y el derecho del espectador. A continuación se presentan algunos de los detalles técnicos y las 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 potenciar 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 pequeña desviación exactamente igual a las perspectivas que ambos ojos reciben de forma natural en la visión binocular .

Para evitar la fatiga visual y la distorsión, es preferible que cada una de las dos imágenes 2D se presente a cada ojo del observador, de modo que cualquier objeto que el observador vea a una distancia infinita pueda ser percibido por ese ojo mientras está orientado hacia delante, sin que los ojos del observador estén 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 cerca unas de otras.

El método lado a lado es extremadamente sencillo de crear, pero puede resultar difícil o incómodo de visualizar sin ayudas ópticas.

Un estereoscopio es un dispositivo para visualizar 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 estereoscópicas impresas sobre una base transparente se ven mediante luz transmitida. Una ventaja de la visión transparente es la posibilidad de obtener un rango dinámico más amplio y realista que el que se obtiene con las 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 en películas se remonta al menos a 1931, cuando Tru-Vue comenzó a comercializar conjuntos de vistas estereoscópicas en tiras de película de 35 mm que se introducían en un visor de baquelita portátil . En 1939, se presentó una variante modificada y miniaturizada de esta tecnología, que empleaba discos de cartón que contenían siete pares de pequeñas transparencias de película en color Kodachrome , denominada View-Master .

El usuario suele llevar un casco o unas 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 se pueden combinar 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 gráficos por computadora y la continua miniaturización del video y otros equipos, estos dispositivos están comenzando a estar disponibles a un costo más razonable. Se pueden usar anteojos que se colocan en la cabeza o que se pueden llevar puestos para ver una imagen transparente superpuesta a la vista del mundo real, creando lo que se llama realidad aumentada . Esto se hace reflejando las imágenes de video 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 al mundo real sin necesidad de utilizar voluminosos espejos reflectantes. ^{[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 retrorreflectiva . La ventaja de esta tecnología sobre las pantallas montadas en la cabeza es que los problemas de enfoque y vergencia no requieren ser solucionados con lentes correctoras. 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 correspondiente cuando la imagen del ojo opuesto se proyecta en la pantalla. La pantalla alterna entre imágenes izquierda y derecha, y abre y cierra los obturadores 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]}

Una variación del método de eclipse se utiliza en las gafas con obturador LCD . Gafas que contienen cristal líquido que dejará pasar la luz en sincronización con las imágenes en la pantalla del cine, la televisión o la computadora, utilizando el concepto de secuenciación de fotogramas alternativos . Este es el método utilizado por nVidia, XpanD 3D y los sistemas IMAX anteriores . Una desventaja de este método es la necesidad de que cada persona que ve la imagen 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 livianos 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 haciendo girar la luz entre dos filtros polarizadores. Debido a estos polarizadores internos, las gafas con obturador LCD oscurecen la imagen de cualquier fuente de imagen LCD, plasma o proyector, lo que tiene como resultado que las imágenes se vean más tenues y el contraste sea menor que en una visualización normal que no sea en 3D. Esto no es necesariamente un problema de uso; para algunos tipos de pantallas que ya son muy brillantes con niveles bajos de negro grisáceo , las gafas con obturador LCD pueden mejorar la calidad de la imagen.

En un anaglifo, las dos imágenes se superponen en un entorno de luz aditiva a través de dos filtros, uno rojo y otro cian. En un entorno de luz sustractiva , las dos imágenes se imprimen en los mismos colores complementarios sobre papel blanco. Unas gafas con filtros de colores en cada ojo separan la imagen adecuada cancelando el color del filtro y convirtiendo el color complementario en negro. Una técnica de compensación, conocida comúnmente como Anachrome, utiliza un filtro cian ligeramente más transparente en las gafas patentadas asociadas con la técnica. El proceso reconfigura la imagen anaglifo típica para que tenga menos paralaje .

Una alternativa al sistema habitual de filtros rojo y cian de los anaglifos es ColorCode 3-D , un sistema de anaglifos patentado que se inventó para presentar una imagen anaglifa en conjunción con el estándar de televisión NTSC, en el que el canal rojo suele verse comprometido. ColorCode utiliza los colores complementarios amarillo y azul oscuro en la 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 gafas que también contienen un par de filtros polarizadores orientados de manera diferente (en el sentido de las agujas del reloj/en el sentido contrario a las agujas del reloj con polarización circular o en ángulos de 90 grados, generalmente 45 y 135 grados, ^[9] con polarización lineal). Como cada filtro pasa solo la luz que está polarizada de manera similar y bloquea la luz polarizada de manera diferente, cada ojo ve una imagen diferente. Esto 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 anteriormente se anulaba 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 de lado hace que los filtros se desalineen con los filtros de la pantalla, lo que hace que la imagen se desvanezca y que cada ojo vea el marco opuesto con mayor facilidad. En el caso de la polarización circular, el efecto de polarización funciona independientemente de cómo esté alineada la cabeza del espectador con la pantalla, como inclinada de lado o incluso boca abajo. El ojo izquierdo seguirá viendo solo la imagen destinada a él, y viceversa, sin desvanecimiento ni diafonía.

La luz polarizada reflejada desde una pantalla de cine normal suele perder la mayor parte de su polarización, por lo que se debe utilizar una costosa pantalla plateada o 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 en el elemento de imagen no es más alta que lo normal sin el filtro polarizador y el contraste general de la imagen transmitida a la pantalla no se ve afectado.

Dolby 3D utiliza longitudes de onda específicas de rojo, verde y azul para el ojo derecho, y longitudes de onda diferentes de rojo, verde y azul para el ojo izquierdo. Los anteojos que filtran las longitudes de onda muy específicas permiten al usuario ver una imagen en 3D. Esta tecnología elimina las costosas pantallas plateadas requeridas para sistemas polarizados como RealD , que es el sistema de visualización 3D más común en los cines. Sin embargo, requiere anteojos mucho más costosos que los sistemas polarizados. También se conoce como filtrado de peine espectral o visualización multiplexada de longitud de onda.

El sistema Omega 3D/ Panavision 3D también utiliza esta tecnología, aunque con un espectro más amplio y más "dientes" en 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, algo que requiere el sistema Dolby. Dividir uniformemente el espectro visible entre los ojos proporciona 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 tanto con proyectores de película como 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 que utiliza Dolby. ^[10] En junio de 2012, el sistema Omega 3D/Panavision 3D fue discontinuado por DPVO Theatrical, que lo comercializó en nombre de Panavision, citando "condiciones económicas globales y de mercado 3D desafiantes". ^{[ cita requerida ]} Aunque DPVO disolvió sus operaciones comerciales, Omega Optical continúa promocionando y vendiendo sistemas 3D a mercados no cinematográficos. 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. Las gafas anaglifo rojo/cian de Omega utilizan recubrimientos complejos de película delgada de óxido de metal y ópticas de vidrio recocido de alta calidad.

El efecto Pulfrich es una percepción psicofísica en la que el movimiento lateral de un objeto en el campo de visión es interpretado por la corteza visual 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 visión cruzada, así como la visión superior o inferior; algunos ejemplos incluyen el visor KMQ .

En este método no se necesitan gafas para ver la imagen estereoscópica. Las tecnologías de lentes lenticulares y barreras de paralaje implican la imposición de dos (o más) imágenes en la misma hoja, en tiras estrechas y alternadas, y el uso de una pantalla que o bien bloquea una de las dos tiras de imágenes (en el caso de las barreras de paralaje) o bien utiliza lentes igualmente estrechas para doblar las tiras de imagen y hacer que parezca que llena toda la imagen (en el caso de las impresiones lenticulares). Para producir el efecto estereoscópico, la persona debe estar posicionada 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 en un ángulo muy estrecho que es casi perpendicular a la pantalla, lo que limita el tamaño de la audiencia. La proyección lenticular se utilizó para la presentación teatral de numerosos cortometrajes en Rusia entre 1940 y 1948 ^[12] y en 1946 para el largometraje Robinzon Kruzo ^[13].

Aunque su uso en presentaciones teatrales ha sido bastante limitado, la tecnología lenticular se ha utilizado ampliamente para una variedad de artículos novedosos e incluso se ha utilizado en fotografía 3D amateur. ^{[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, portátiles, televisores, teléfonos móviles y dispositivos de juego, como la 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 recorre un volumen.

Se han desarrollado otras tecnologías para proyectar puntos de luz en el aire por encima de 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 imágenes diferentes en la pantalla, creando paralaje y creando así una sensación de 3D. Una pantalla de campo de luz es como una ventana de vidrio, la gente ve objetos 3D detrás del vidrio, a pesar de que todos los rayos de luz que ven provienen de (a través de) el vidrio.

El campo de luz delante de 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 delante de 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 basadas en frente de onda u holográficas . 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 solo 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. ^[16]

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. ^[16]

La pantalla 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 usar gafas especiales y no se produce fatiga visual en los ojos humanos.

En 2013, una empresa de Silicon Valley, LEIA Inc. , comenzó a fabricar pantallas holográficas adecuadas para dispositivos móviles (relojes, teléfonos inteligentes o tabletas) utilizando una luz de fondo multidireccional y permitiendo un ángulo de visión de paralaje completo para ver contenido 3D sin la 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 requerida ]}

La imagen integral es una visualización tridimensional autoestereoscópica o multiscópica , lo que significa que muestra una imagen tridimensional sin el uso de gafas especiales por parte del espectador. Esto se logra colocando una serie de microlentes (similares 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 bidimensional que se ve igual desde todas las direcciones, reproduce un campo de luz tridimensional , creando imágenes estereoscópicas 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 funcionan con algoritmos como la tomografía computarizada y la factorización matricial no negativa y la factorización tensorial no negativa .

Se puede observar que cada una de estas tecnologías de visualización tiene limitaciones, ya sea la ubicación del espectador, un equipo engorroso o antiestético o un alto costo. La visualización de imágenes 3D sin artefactos sigue siendo difícil. ^{[ cita requerida ]}

• Autoestereograma
• Estereoscopía de movimiento