Расширенная глубина резкости в дополненной реальности

Mar 27, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8786 (2023) Цитировать эту статью

238 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Устройство трехмерного отображения показывает изображение с информацией о глубине. Обычные устройства 3D-дисплея, основанные на бинокулярном параллаксе, могут точно фокусироваться только на глубине конкретного экрана. Поскольку человеческий глаз в нормальных условиях имеет узкую глубину резкости (ГРИП), 3D-дисплеи, обеспечивающие относительно широкий диапазон виртуальных областей глубины, имеют ограничения по ГРИП, при которых видны четкие 3D-изображения. Для решения этой проблемы необходимо найти оптические условия расширения ГРИП и проанализировать связанные с этим явления. Для этого с использованием критерия Рэлея и коэффициента Штреля предлагается критерий расширения глубины резкости. Практичная оптическая структура, которая может эффективно расширить глубину резкости, разработана с использованием плоского дисплея. Эта оптическая структура может быть применена к AR, VR и MR в области окологлазных дисплеев. По результатам этого исследования предложены фундаментальные оптические условия и стандарты для 3D-дисплеев, которые в будущем будут обеспечивать 3D-изображения с расширенной глубиной резкости. Кроме того, ожидается, что эти условия и критерии могут быть применены к оптическим конструкциям для достижения требуемых характеристик при разработке 3D-дисплеев в различных областях.

3D-дисплеи, такие как стереоскопические 3D-дисплеи для очков или без очков, обычно обеспечивают бинокулярный параллакс1,2. Кроме того, чтобы обеспечить параллакс движения, информация о положении наблюдателей может использоваться программным процессом в качестве обратной связи3,4,5,6. Используя многоракурсный 3D-дисплей, параллакс движения можно также обеспечить оптически7,8,9,10,11. Кроме того, когда человек смотрит на объект в естественной среде, линии зрения обоих глаз сходятся к местоположению объекта и создают точку фиксации в ямке сетчатки. В то же время глаз регулирует толщину хрусталика глаза так, что изображение сетчатки становится четким за счет фокусировки на глубине конвергенции. Таким образом, действие связи конвергенции-аккомодации естественным образом осуществляется в человеческом глазу.

В случае трехмерного изображения ощущение глубины может быть обеспечено за счет бинокулярного изображения параллакса. Распознавание 3D-изображений достигается за счет сочетания бинокулярного и монокулярного эффектов. Для монокулярных эффектов имеется эффект управления фокусом. Однако при наблюдении 3D-изображения диапазон глубины виртуальных объектов, которые человеческий глаз воспринимает как четкое изображение на сетчатке посредством аккомодации, как известно, составляет в среднем примерно ±0,3 диоптрии при ширине зрачка 3 мм12. Следовательно, если с 3D-дисплея предоставляется 3D-изображение с глубиной фокуса более ±0,3 диоптрии, из-за размытия изображения на сетчатке наблюдатель не может увидеть общее четкое 3D-изображение из предоставленного 3D-изображения с такой разницей. в глубине. То есть это приводит к конфликту вергентности-аккомодации (VAC)13,14. Этот феномен VAC может вызвать утомление глаз, поэтому глубина выражаемого трехмерного изображения неизбежно ограничена, а также ограничена область применения трехмерного изображения. Следовательно, когда глубина резкости в обычном трехмерном изображении расширена, можно сказать, что монокулярное изображение представляет собой двухмерное изображение, которое всегда показывает четкое изображение независимо от информации о глубине изображения в увеличенной области глубины резкости. Однако, если такое трехмерное изображение сочетается с бинокулярным параллаксом ситуации взгляда обоих глаз, четкое изображение всегда можно увидеть, когда глубина взгляда обоих глаз находится в диапазоне глубины резкости. Однако это не 3D-изображение с характеристиками реального изображения. Но нет проблем с распознаванием трехмерного изображения точки наблюдения, поскольку наблюдатель может распознать четкое изображение даже при просмотре точки трехмерного изображения на любой глубине в пределах диапазона глубины резкости.

Технология 3D-дисплея для решения этой проблемы VAC должна иметь возможность контролировать выход света из глубины виртуального изображения, аналогично технологии голографии15,16. Или реализовать пространственный дисплей для предоставления 3D-изображений, как в устройстве отображения объемного изображения17,18,19. Эти технологии могут применяться для обычных 3D-дисплеев без стекла, но технологии голограмм по-прежнему имеют некоторые ограничения в работе пространственных модуляторов света, которые отображают амплитуду и фазу для приложения, а объемные 3D-дисплеи также имеют проблему с ограничением пространства для 3D-дисплеев. . Поэтому они испытывают значительные трудности при разработке коммерческих 3D-дисплеев. Поэтому исследования и разработки 3D-дисплеев, которые могут предоставлять информацию о регулировке фокуса, в основном предпринимались в области дисплеев для близи глаз (NED)20,21,22. В NED был проведен ряд исследований по расширению области глубины, в которой предусмотрена регулировка фокуса, чтобы ее можно было использовать, даже если область просмотра предоставления 3D-изображений ограничена. Кроме того, существуют различные методы регулировки фокуса в методе полного параллакса23, методе супермноговидения (SMV)24 и методе светового поля25,26. Кроме того, может быть применена технология изменения глубины виртуального экрана27,28. Если сформировано оптическое условие расширения глубины резкости, то в случае 3D-отображения по типу максвелловской проекции, даже если в монокуляре предусмотрена только одна точка обзора, всегда можно просмотреть четкое 3D-изображение при глубине бинокулярного взгляда. в диапазоне глубин глубины резкости. В частности, метод SMV предполагает возможность предоставления подсказки к информации управления фокусом путем предоставления более двух точек информации о параллаксе внутри зрачка глаза. Точно так же, как информация о глубине может быть получена из информации об изображении обоих глаз с использованием бинокулярного неравенства, все начинается с предположения, что подсказка для искусственной настройки фокуса может быть получена путем предоставления информации о двух или более различиях одному глазу, чтобы информация о глубине могла быть получена путем предоставления информации о двух или более различиях в одном глазу. обеспечить даже в одном глазу. В этом случае глубина резкости каждого изображения точки обзора, формирующего SMV, должна быть широкой, чтобы обеспечить информацию управления искусственным фокусом, и даже если фокус смещается на различную глубину, можно увидеть четкое изображение29,30,31. На этом фоне реализация одного параллаксного изображения с широкой глубиной резкости является важным фактором при реализации нескольких типов 3D-изображений, включая SMV32,33,34,35. Таким образом, это приложение можно использовать, даже если для монокуляра предусмотрена только одна точка обзора в случае 3D-дисплея в виде максвелловского вида. Кроме того, когда оптическая система с широким диапазоном глубины резкости применяется к оптической структуре, такой как максвелловский вид, SMV, IP и световое поле, можно получить эффекты, подобные голограмме, как в справочных статьях29,34,35, применяемых к СМВ. Соответственно, может быть сгенерировано трехмерное изображение, подобное изображению голограммы, которое является окончательным трехмерным изображением.