[논문]초다시점(SMV) 3D 디스플레이의 소개

김성규

초다시점(SMV) 3D 디스플레이의 소개 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.31 no.2, 2014년, pp.37 - 43

초록
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현재 3D 디스플레이는 입체 영화의 흥행 성공으로 안경식 3DTV 및 3D 모니터 등으로 국내 디스플레이 대기업들이 세계적으로 선도하는 상황에 있다. 그러나 안경 착용의 불편함 그리고 눈의 피로현상 등의 문제로 진정한 3D 디스플레이의 대중적 상용화를 위한 기술 발전이 더 필요한 상황이다. 본 고에서는 이러한 핵심 문제점들을 최소화할 가능성을 갖는 초다시점 기술에 대하여 그 기술의 개념 및 발전과 현재 상황 그리고 핵심연구 주제 등에 대하여 기술한다.

AI 본문요약
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문제 정의

초다시점에서 이루고자 하는 것이 크게 두 가지가 있다고 보여진다. 그 첫 목적은 초다시점 명칭대로 시점수를 증가시켜 3D 관찰 시역을 증가시거나 시점 간 간격을 좁게하여 자연스러운 운동시차를 제공하는 것으로 두 효과를 모두 보여주기 위해서는 보다 많은 시점수를 제공할 필요가 있다. 이러한 첫 목적은 다시점의 단순 확장 개념으로도 이해할 수 있다.
동경농공대에서 안구추적 기술적용을 전제로 해상도 저하를 최소화시킨 초다시점 기술을 앞에서 소개하였다. KIST에서도2010년부터 5년간의 계획으로 현재 산업부 산업원천과제로 반응형 초다시점 기술을 개발하고 있다.
그 가장 중요한 문제들은 다시점의 문제와 유사하며 더 나아가 초다시점 만의 추가 문제들을 해결할 필요가 있다. 따라서 다시점에서 발생하는 핵심 문제를 점검하고 더 나아가 초다시점에서의 핵심 해결 문제 및 연구의 과제를 언급하도록 한다.
본 고에서는 3D 영상의 기본적 제공에 가장 큰 문제로 작용되는 Crosstalk 및 입체 효과에 노이즈로 작용하는 광학적 현상과 눈의 피로현상과 관련하여 조절 작용과 관련된 사항만을 언급한다. 다시점의 경우에 한해서 어느 시점의 어느 위치에 해당 시점 영상 이외의 다른 영상이 들어오는 것을 “3차원 영상 노이즈”라 정의한다.
본 고에서는 초다시점의 기본 개념과 간략한 개발 이력과 현재의 연구 동향을 소개하고, 초다시점 3D 기술의 개발에 있어서 핵심 문제로 파악되고 있는 내용에 대하여 언급한다.
TAO에서 제안한 방식은 초다안(超多眼) 또는 초다시점(SMV; Super Multi-View)로 명명되었다. 이 기술은 이후 동경농공대의 Takai 교수팀에서 추가적인 기술의 발전을 진행하였고 한국의 KIST에서 초다시점 조건에 대한 연구를 진행하고 있다. 초다시점은 아니지만 다시점에 비하여 많은 시점수를 제공함으로써 다수인에게 적용가능하고 자연스러운 운동시차를 제공할 수 있는 무안경 기술들이 개발되어 오고 있다.
초다시점의 초기 개념에서 단안의 초점 조절 정보를 제공하는 목적이 있다. 이러한 목적의 가능성을 확인하기 위하여 TAO 프로젝트 및 동경 농공대에서 그 가능성을 확인해 왔다.

제안 방법

TAO 프로젝트에서 개발한 FLA 방식의 초다시점 시스템을 이용하여 상기 수렴-조절 모순에 대한 피험자 실험을 실시하였다. 아래 <그림5>에서의 중앙 그림인 45개의 시점 영상에 좌안용과 우안용으로 두 개의 영상만을 제공하는 조건과 우측그림인 45개의 시점 각각에 대하여 45개의 해당 시점 영상을 제공하는 초다시점 조건을 이용하여 단안의 조절 반응을 측정하였다.
그 다음해에 이르러서는 동공 추적 기술을 적용한다는 전제하에 평판 패널을 사용하여 16시점을 구현하고 시점간 간격을 2.6mm로 설계하여 동적 초다시점의 기본 원리를 검증하였다. 이러한 초다시점 구현 방식으로 <그림8>에서와 같이 초다시점의 수평방향 의 깊이별 조절과 초점화 현상을 실험하였다.
기본적으로 초다시점 기술은 다시점 방식과 많은 부분 유사한 특성을 갖고 있으므로 다시점의 광학적 중요 문제들이 초다시점에서도 존재한다. 따라서 우선적으로 다시점의 광학적 문제를 살펴보고 초다시점에서의 경우를 추가적으로 검토한다.
아래 에서의 중앙 그림인 45개의 시점 영상에 좌안용과 우안용으로 두 개의 영상만을 제공하는 조건과 우측그림인 45개의 시점 각각에 대하여 45개의 해당 시점 영상을 제공하는 초다시점 조건을 이용하여 단안의 조절 반응을 측정하였다.
예를 들어, 좌우로의 이동 가능한 범위(시역)을 200mm라 하고, 영상을 5mm 간격으로 제시하는 경우, 전체로 보면 40 시점의 시차 영상을 표시하지 않으면 안 된다. 이것의 실현을 위하여 FLA 초다시점 영상 표시 장치를 개발되었다. 우선, 소형 광원으로부터 나온 빛을 좁은 광속으로 정형한다.
이러한 완전시차를 제공하는 다초점 3D 디스플레이를 개발하여 안구별로 4시점 또는 2시점의 시점 영상만으로 1.8m까지의 영역까지 다양한 깊이에 조절 정보를 제공할 수 있음을 아래의 과 같이 확인하였다.
이러한 이유로 아래의 에서와 같이 TAO에서 개발한 FLA 방식과 동경농공대의 지향성 초다시점 방식과 고전적 스테레오 디스플레이 그리고 다초점 방식에서 발생할 수 있는 동공에서의 비초점화 현상을 검증하였다.
이러한 초다시점 구현 방식으로 에서와 같이 초다시점의 수평방향 의 깊이별 조절과 초점화 현상을 실험하였다.
<그림3>은 제작한 FLA 방식의 입체 디스플레이 외관이고, <표1>은 그 사양이다. 적색의 가시 반도체 레이져를 0.5도 간격으로 45개를 배열하여 전체적으로 22.5도의 FLA를 구성하여,이것을 매초 30 프레임의 속도로 레스터 주사를 하면서 45 시점의 입체 영상을 표시하였다. 이러한 디스플레이는 입체 안경 등이 없이도, 다수의 시청자가 동시에 볼 수 있고, 부드러운 운동시차 등과 같은 초다시점의 특징을 실증하였다.

대상 데이터

이러한 검증시스템에는 관찰자 얼굴 중심을 추적하는 방식을 사용하였으며 실시간 추적 정보를 반영한 40시점의 실시간 랜더링을 접목한 그 실험적 시스템의 제작 모델을 에 보였다.

성능/효과

그 결과로 초다시점이라 할지라도 광학적 영상의 발산각에 따라 그 비초점화 연상이 크게 발생할 수 있음을 확인하였고, 다초점 방식에서는 어떤 조건에서도 사람의 망막상의 시세포중 가장 작은 직경을 갖는 녹색 원추세포(직경이 1.5micrometer 부근)의 직경보다 작은 1μm이하의 비초점화 현상이 발생하였다.
디스플레이면에서 출발하는 초다시점 영상이 안구에 도착할 때 어느 정도의 폭을 갖게 되며 그 시점 영상의 퍼짐 각도에 의하여 고유의 초점 깊이를 갖게 됨으로써 관찰자 의도에 따른 초점 조절이 어려워 질 수 있다. 이러한 문제는 앞서 기술한다초점 조건과 TAO의 FLA 방식과 동경농공대의 지향성 조건의 비교에서와 같이 시점 영상을 형성하는 광의 특성에 따라 비초점화 현상이 심각하게 발생할 수 있음을 확인하였다. 따라서 추가로 각각의 시점 영상 및 각 시점 영상의 단위화소별 광학적 특성과 비초점화 조건에 대한 연구가 필요하다.
KIST에서도2010년부터 5년간의 계획으로 현재 산업부 산업원천과제로 반응형 초다시점 기술을 개발하고 있다. 이러한 초다시점 구현 방식도 평판 디스플레이를 적용하여 초다시점 조건을 만족시키지만 해상도 저하를 최소화하기 위하여 30인치 가로방향 2560해상도의 패널을 적용한 상태에서 단위 40시점 및 단위시점간 4.06mm의 초다시점 조건에서 반응형 동적 조건에서 120시점 이상에 이르기까지 구현할 수 있음을 검증하였다. 이러한 검증시스템에는 관찰자 얼굴 중심을 추적하는 방식을 사용하였으며 실시간 추적 정보를 반영한 40시점의 실시간 랜더링을 접목한 그 실험적 시스템의 제작 모델을 <그림11>에 보였다.
이러한 실험에서 <표2>에서와 같은 의미 있는 결과를 얻었다. 표에서와 같이 스테레오 영상을 제시한 경우 제시한 깊이와 단안 조절 깊이 측정값과 의미 있는 유사성을 갖는 경우가 1번이고 초다시점 영상을 제시한 경우 4번으로 보다 그 효과가 좋음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 초다시점의 조건의 수렴-조절 모순 해결의 가능성이 있음을 부여할 수 있다.

후속연구

이러한 문제는 앞서 기술한다초점 조건과 TAO의 FLA 방식과 동경농공대의 지향성 조건의 비교에서와 같이 시점 영상을 형성하는 광의 특성에 따라 비초점화 현상이 심각하게 발생할 수 있음을 확인하였다. 따라서 추가로 각각의 시점 영상 및 각 시점 영상의 단위화소별 광학적 특성과 비초점화 조건에 대한 연구가 필요하다. 이러한 기본적 문제들을 해결하여야 상용화를 고려해볼 수 있는 초다시점 3D디스플레이를 개발 할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 무안경식 다시점 3D 디스플레이의 경우 다양한 문제를 해결하여야 상용화 수준의 성능을 나타낼 수 있으나, 우선적으로 Crosstalk와 같은 시점영상의 광학적 노이즈 문제와 눈의 피로현상을 극복해야 진정한 대중적 상용화가 시작될 것으로 보여진다.
이러한 조건을 만족시키면 상기 첫 번째 목적을 자연스럽게 어느정도 만족시킴과 동시에 단안의 초점 조절에 대한 정보를 제공할 수 있다는 것이다. 이러한 단안 조절 정보 제공의 가능성은 3차원 디스플레이의 근본적 문제인 눈의 피로현상을 최소화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
8m까지의 영역까지 다양한 깊이에 조절 정보를 제공할 수 있음을 아래의 <그림10>과 같이 확인하였다. 이러한 실험을 위한 광학적 조건은 HMD 형태을 적용하였으나 향후 평판 디스플레이 개념까지 확대하여 일반적 영역까지 확대하는 추가 연구가 필요하다.
이러한 조건은 좀 더 깊은 연구가 필요하며, 안구의 조절 방향은 수평과 수직 모두 발생하므로 완전시차의 조절 정보가 필요하다. 이러한 완전시차를 제공하는 다초점 3D 디스플레이를 개발하여 안구별로 4시점 또는 2시점의 시점 영상만으로 1.
이러한 상황에서 2013년 하순부터 미래부 및 범부처 공동의 Giga Korea 사업에서 초다시점 개발을 지원하기로 하였다. 현시점에서 Giga Korea 사업 지원 환경에서 현재까지 개발된 초다시점의 기본적 특성 검증과 향후 파악된 근본적 문제들의 해결과추가적 문제들의 분석/해결 등에 대한 연구가 중심적으로 진행될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	특수 안경 착용의 불편함을 해결할 수 있는 방식은 무엇인가?	특수 안경 착용의 불편함을 해결할 수 있는 방식이 무안경식3D 표시 기술이며, 무안경식 3D 디스플레이는 크게 현재 상용화가 다수 시도되고 있는 다시점 방식과 다시점 방식의 문제점을 개선할 수 있는 집적 영상 기술 그리고 초다시점 방식 등이 있고, 더 나아가서는 궁극적 3D 디스플레이라 볼 수 있는 홀로그래피 방식의 3D 디스플레이가 있다.
	다시점 3D 디스플레이 방식의 문제점은 무엇인가?	우선 다시점 3D 디스플레이의 경우 상용화에 가장 많이 사용되는 방식이 시차 장벽 방식과 렌티큐라 방식이 있다. 이러한 다시점 방식의 경우 주로 고해상도 평판 디스플레이에 광학판을 부착하는 방법을 사용하지만 시점 수에 따른 해상도 저하, 시점간 크로스토크 발생으로 인한 3D 화질 저하, 해상도 문제에 따는 시점 수 제한으로 발생하는 좁은 시역의 문제 그리고 안경식과 동일하게 눈의 피로현상 문제 등이 있다. 이러한 문제들 중에 최근 들어 눈의 피로현상 문제를 제외한 다른 문제들을관찰자 추적 방식을 적용함으로써 1인용 목적에 한해서는 근본적 문제 해결 방법들이 개발되고 있다.
	무안경식 3D 디스플레이에는 어떤 방식이 있는가?	특수 안경 착용의 불편함을 해결할 수 있는 방식이 무안경식3D 표시 기술이며, 무안경식 3D 디스플레이는 크게 현재 상용화가 다수 시도되고 있는 다시점 방식과 다시점 방식의 문제점을 개선할 수 있는 집적 영상 기술 그리고 초다시점 방식 등이 있고, 더 나아가서는 궁극적 3D 디스플레이라 볼 수 있는 홀로그래피 방식의 3D 디스플레이가 있다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
K. Susami, 김 성규, 반지은"3차원 디스플레이와 시각 응답 초다안 입체 화상에 대한 폭주.조절.동공반응의 측정", 광학과 기술, 5권 3호 (2001)
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상세보기
Sung-Kyu Kim, Eun-Hee Kim, and Dong-Wook Kim, "Full parallax multifocus three-dimensional display using a slanted light source aray," Optical Engineering, Vol 50, No. 11, pp.1-4 (2011)
김성규, "반응형 무안경식 3D 디스플레이 기술," THE KOREAM INFORMATION DISPLAY SOCIETY, 기술특집, 제14권 제3호, ISSN 1975-3667, pp.12-22 (2013).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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