몇일전부터 뜨던건데 너무 길어서 고민하다가 걍 들고옴
개인적으로 흥미로워서 DeepL로 초벌돌리고 수정해서 올림.
사전지식:
디스플레이는 픽셀들의 집합이며, 픽셀 사이에는 빈 공간이 존재한다.
같은 크기를 가진 디스플레이에서 해상도가 더 높은 경우, 픽셀의 밀도가 증가하며 밀도가 높으면 높을수록 픽셀의 크기는 줄어든다.
픽셀의 크기가 작을 경우, 빛을 내보낼 수 있는 입구가 좁아진다. (개구율을 검색해서 찾아보면 도움이 될 것.)
라이트 필드 옵틱의 경우 여러개의 작은 렌즈를 격자처럼 배치해서 만들어낸다. 이로 인해서 2.4에서의 균일도 보정과 같은 작업들이 필요하게 된다.
초록
3.1인치 해상도, 1411 PPI의 초고화소 밀도 액정 디스플레이를 탑재한 개선된 라이트 필드 VR 디스플레이가 출시되었습니다. 이 최적화된 디스플레이는 3K3K 해상도 디스플레이 패널을 사용하여 시야를 개선하고 더욱 몰입감 있는 경험을 제공합니다. 또한 안경이 필요 없는 시력 보정, 수렴 조절 불일치 감소 (VAC), 시선 추적 기술이 적용된 확대된 아이박스 등 진보된 기능이 탑재되어 있습니다.
1.소개
근거리 디스플레이는 개인에게 가상 현실 경험을 제공하는 휴대용 기기의 미래로 간주되고 있습니다. 이러한 디스플레이 개발의 주요 목표는 몰입감 있는 경험을 제공하고 시각적 편안함을 보장하는 것입니다. 가상 현실에서는 시야각(FOV)이 클수록 몰입감이 향상되지만, 편안한 시야를 위해 수렴 조절 불일치(VAC)를 줄이는 것도 중요합니다. 연구자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 공간 및 시간 다중 접근 방식을 모색해 왔습니다. 근거리 디스플레이를 개선하는 데 있어 라이트 필드(LF) 디스플레이가 중요한 역할을 합니다. 그러나 이전의 LF 디스플레이는 작은 크기와 낮은 해상도로 인해 시야각이 좁고 낮은 해상도로 인한 스크린 도어 효과(흔히 말하는 모기장)가 발생한다는 한계가 있었습니다. 우리는 3.1인치 3K3K 디스플레이를 활용하여 이러한 한계를 성공적으로 해결하고 보다 사실적인 LF 이미지를 구현했습니다. 그러나 대규모의 고해상도 가상현실(VR) 액정 디스플레이(LCD) 개발은 공정 및 재료 제약의 측면에서 극복해야 할 과제를 안고 있습니다. 이 백서에서는 특수 구동 방법과 픽셀 설계를 통해 조리개 비율을 높이고 명암비(CR)를 개선하는 것의 중요성에 대해 설명합니다. 또한 시력 교정을 위한 LF 기술의 활용과 VR 시각 경험을 향상시키기 위한 아이박스 확장에 대해서도 살펴봅니다. LF 기술은 시력 교정을 통해 근거리 디스플레이의 시각적 편안함과 사용자 경험을 더욱 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
2.아키텍처 및 디자인
2.1.라이트 필드 VR의 광학 기술
그림 1에서는 공간 다중화 LF 광학을 사용하는 렌즈 어레이를 통해 요소 이미지(EI) 어레이가 생성되는 것을 관찰할 수 있습니다. 비 LF 광학 기술과 달리 LF 기술을 사용하면 각 EI의 정확한 시차를 정확하게 시뮬레이션하는 체적 가상 이미지를 제공하여 사용자가 올바른 눈 조절을 경험할 수 있습니다. 따라서 사용자에게는 수렴 초점 불일치가 발생하지 않습니다. 그림 2와 같이 FOV, 해상도, 총 두께, 마이크로렌즈 어레이(MLA)의 초점 거리와의 중첩 비율과 같은 1차 설계 파라미터와 경계 조건을 신중하게 고려하면 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.
그림. 1
공간 다중화 LF 옵틱과 EI를 통한 다중 심도 이미지.
그림. 2
1차 설계 파라미터 및 경계 조건: (a) FOV, (b) 해상도, (c) 총 두께, (d) 렌즈 어레이의 초점 거리 및 물체 거리(렌즈 어레이와 패널 사이의 간격)의 겹침 비율입니다.
이 논문에서는 이노룩스에서 새로 개발한 해상도 3240×2880픽셀을 가지며, 1440 PPI(인치당 픽셀 수)의 높은 픽셀 밀도를 가집니다. 유효 디스플레이 면적은 58.32 ×51.84 제곱 밀리미터입니다. 단안 시야 시나리오를 고려했을때, 최상의 FOV는 70도 × 65도였으며 29mm의 아이 릴리프, 6.4mm의 아이박스를 가집니다. 양안 시야에서 수평 시야각을 더욱 향상시키기 위해 그림 3과 같이 패널 사이에 15도 기울기가 추가되었습니다. 이 설계 변경으로 양안 시야각이 인상적인 100도×65도로 확장되며 15PPD보다 높은 수치를 가집니다.
그림. 3
설계된 LF
(a) 설계된 LF의 광학 레이아웃 및 (b) 설계된 LF 광학의 MTF.
MTF: (VR에서 해상도는 PPD로 나타낸다면 선명도는? (MTF) - https://arca.live/b/vrshits/82574478 참조)
간단히 설명하자면 렌즈의 선명도를 나타냄
고품질 이미지 재현을 보장하기 위해 전체 이미지 필드에 걸쳐 설계된 변조 전달 함수(MTF)는 그림 3에 표시된 것처럼 밀리미터당 28라인 쌍(lp/mm)의 나이퀴스트 주파수에서 30%를 초과합니다. 이는 디스플레이 시스템이 미세한 디테일을 정확하게 재현하고 이미지 선명도를 유지할 수 있음을 나타냅니다. 이러한 발전을 통해 우리의 연구는 LF 디스플레이 기술 개발에 기여하여 체적 가상 이미지, 확장된 FOV 및 향상된 화질로 몰입감 있는 시각적 경험을 가능하게 합니다.
2.2.고해상도 VR LCD
2.2.1.넓은 시야각
고해상도(대형 패널 크기)는 넓은 시야각을 제공합니다. 고해상도는 VR 헤드 마운트 디스플레이의 광학 시스템 설계를 간소화하는 데도 도움이 됩니다. 그러나 고해상도 패널에는 저해상도 패널보다 더 많은 게이트 라인이 있습니다. 게이트 라인이 많을수록 스캔 시간이 더 많이 걸립니다. 이로 인해 주사율이 감소하고 MPRT(움직이는 영상 응답 시간)가 증가합니다. 따라서 해상도와 MPRT 간의 최적화가 필요합니다. 이노룩스는 그림 4와 같이 VR 광학 시스템에서 양안 FOV 100도의 가상 이미지를 제공하고 15 PPD 이미지 품질을 유지하는 3K3K 해상도 1411 PPI 디스플레이 패널을 제안합니다.
그림. 4
80도에서 100도로 FOV 향상
2.2.2.빠른 디스플레이 응답
MPRT는 디스플레이의 모션 품질을 나타내는 일반적인 지표입니다. 일반적으로 VR 시스템에서 디스플레이 패널의 MPRT는 15ms 미만이어야 합니다.
그렇지 않으면 화면에서 물체가 빠르게 움직일 때 모션 블러가 발생합니다. 3K3K 고해상도 디스플레이 패널에서 이러한 빠른 MPRT를 달성하기 위해 우리는 주사율을 75Hz로 설정하고 백라이트를 10% 듀티 비율로 깜박이게 했습니다. 또한 3000개 게이트 라인의 스캐닝 시간을 9ms 이내로, LC 응답 시간을 3ms 이내로 개선했습니다. 측정된 MPRT는 그림 5와 같이 약 1.1ms로 모션 블러가 없는 고품질 영상을 제공합니다.
그림. 5
(a) 타이밍을 나타낸 도표 및 (b) LC 응답 시간.
2.2.3.회로 설계
패널 해상도가 증가하면 게이트 드라이버 회로 (GDC)의 부하가 증가하므로 구동 능력을 향상시키기 위해 부품의 크기를 늘려야하며 이로인해 좌우 테두리가 더 커집니다. 해상도가 증가하면 각 픽셀의 GDC의 수직 공간이 작아지므로 회로 설계는 수평 공간에만 배치 할 수 있게되고, 결국 패널의 왼쪽과 오른쪽 테두리가 더 커집니다. 동공 간 거리 요건을 고려할 때 좌우 테두리를 2mm 이하로 조율해야 합니다. 따라서 이노룩스는 그림 6과 같이 향후 제품의 요구 사항을 충족하기 위해 테두리를 줄이기 위해 GDC 1~4 드라이버 회로 및 단채널 부품 설계를 개발했습니다.
그림. 6
1:4 GDC:
(a) GDC 1-to-2 및 (b) GDC 1-to-4.
고해상도 및 고주파 구동 픽셀 충전 시간이 짧습니다. 따라서 작은 신호 왜곡이 충전 기능에 영향을 미칩니다. 해상도와 구동 주파수가 동시에 증가하면 RC 부하가 무거워지고 고주파 구동을 실현하기 어렵습니다. 충전 부족 문제를 해결하기 위해 회로 설계에 3 단자 입력을 사용하고 구동 능력을 강화하며 신호 라인 부하를 최적화하고 신호 왜곡 현상을 줄입니다. 이를 통해 그림 7과 같이 고해상도 고주파 구동을 가능하게 하고, 더 빠른 화면 재생률을 제공하며, 동적 이미지 번짐 문제를 해결할 수 있습니다.
그림.7
DEMUX 3단자 구동: (a) 2단자 입력 및 (b) 3단자 입력.
2.2.4.고휘도 및 명암비
밝기와 명암비도 VR 디스플레이에서 중요한 사양입니다. 높은 밝기와 높은 명암비는 사용자에게 몰입감을 선사합니다. 하지만 픽셀이 1411 PPI처럼 작은 크기가 되면 낮은 개구율로 인해 많은 문제가 발생합니다. 예를 들어, 이전 논문에서 언급했듯이 BM 라운딩 효과를 피하기 위해 블랙 매트릭스로 금속층을 채택해야 합니다. 밝기와 명암비를 유지하기 위해 광학 설계를 최적화해야 합니다. 이 논문에서는 개구율을 높이기 위해 그림 8과 같이 두 개의 픽셀이 TFT 소자 근처에서 블랙 매트릭스를 공유하도록 픽셀 배열을 변경했습니다. 이 배열은 블랙 매트릭스의 면적을 줄이고 개구율을 증가시킵니다.
그림. 8
(a) 기존 픽셀 배열, (b) BM 공유 픽셀 배열, (c) 기존 조리개 설계, (d) 최적화된 조리개 설계.
TFT 소자의 릴리프에 의해 발생하는 LC 다크 프린지는 대형 픽셀에서는 무시할 수 있습니다. 하지만 작은 크기의 픽셀에서는 다크 프린지로 인해 명암비가 낮아지기 때문에 매우 중요합니다. 명암비를 향상시키기 위해 어두운 프린지는 차단하고 밝은 프린지는 투과되도록 조리개 영역의 모양을 최적화합니다. 그 결과 그림 8과 같이 명암비가 증가합니다.
2.2.5.고해상도 VR LCD
이 백서에서는 VR 애플리케이션에서 LF 디스플레이를 위한 3K3K VR LCD의 활용에 대해 설명합니다. 그러나 최근 디스플레이 기술의 발전으로 2023 SID 컨퍼런스에서 이노룩스(Innolux Corp.16)와 BOE 테크놀로지 그룹이 강조한 것처럼 4K VR LCD가 소개되었습니다. 이 새로운 기술 개발과 본 백서에서 설명한 LF 기술을 통합하면 LF 디스플레이의 해상도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 현재 6.4mm인 아이박스를 확장할 수 있어 현재 한계인 15 PPD를 뛰어넘어 전반적인 시각적 경험을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
2.3.시각 보정
LFVR(라이트 필드 VR)의 계산 복잡성을 더욱 단순화하기 위해 레이 트레이싱 기반의 그래픽 프로세스인 "보정된 아이박스 매핑"을 통해 근시, 원시, 난시까지 보정이 완료됩니다. 포괄적인 시각 보정 기능을 얻기 위해서는 구면 파워(SPH), 실린더 파워(CYL), 실린더 축(AXIS)을 모두 고려해야 합니다. 그림 9와 같이 보정된 아이박스는 원래 아이박스 크기에 따라 다양한 크기와 방향으로 조정됩니다. SPH를 조정할 경우, 그림 9(a)와 같이 보정된 아이박스 크기는 중심에 따라 스케일링됩니다. CYL과 축을 조정할 경우, 그림 9(b) 및 9(c)와 같이 보정된 아이박스 크기는 특정 축에서 원래 아이박스 크기와 다른 비율과 회전 각도로 스케일링됩니다. 마찬가지로 불규칙 난시의 경우 보정된 아이박스 크기를 기준으로 콘텐츠가 재배열됩니다. 그림 10(a) 및 10(b)에서 볼 수 있듯이 LightTools에서 수행한 시뮬레이션에는 다양한 회전 각도에서 -4D 난시를 복제하는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 제안된 매핑 방법을 사용하여 그림 10(c)와 같이 보정된 결과를 얻습니다.
그림. 9
(a) SPH 및 (b) CYL 및 (c) 축의 난시에서 시각 교정을 위한 보정된 아이박스 매핑.
그림. 10
LF(라이트 필드) 시력 교정의 개념 증명 (a) 난시가 없는 기준, (b) 왼쪽에서 오른쪽으로 난시: AST 축의 0도, 45도, 90도, (c) 제안된 아이박스 매핑 방법으로 왼쪽에서 오른쪽으로 교정: 0도, 45도, 90도로 교정된 경우.
시력 보정 성능은 (-3 SPH, -1 CYL, 45도축) 및 (+2 SPH, +2 CYL, 45도축)과 같은 특정 도수를 사용하여 검사했습니다. 근시 또는 원시를 시뮬레이션하기 위해 반대 도수와 각도를 가진 도수 렌즈를 카메라 앞에 배치했습니다. 그 결과 흐릿해진 이미지는 그림 11(a)와 12(a)에서 볼 수 있으며 카메라의 초점은 500mm를 사용하여 촬영 되었습니다. 그림 11(b)와 12(b)의 LF 이미지는 근시, 원시, 난시까지 성공적으로 보정되었음을 보여줍니다.
그림. 11
500mm 가상 거리에서 촬영한 라이트 필드 이미지 (a) 근시(-3 SPH, -1 CYL, 45 AXIS) 및 (b) 보정된 이미지.
그림. 12
500mm 가상 거리에서 캡처한 라이트 필드 이미지: (a) 원시(+2 SPH, +2 CYL, 45 AXIS) 및 (b) 보정된 이미지.
2.4.균일성 개선
그림 13(a)에서 볼 수 있듯이 라이트 필드 광학에서는 EI 간의 부분적인 중첩으로 인해 최종 라이트 필드 이미지에서 휘도 분포가 균일하지 않을 수 있는 문제가 있습니다. 이는 종종 눈에 띄는 그리드 또는 도트 배열 패턴으로 나타납니다. 이 문제를 해결하고 라이트 필드 이미지의 균일성을 더욱 향상시키기 위해 일반적으로 각 EI에 대한 가우시안 모델을 기반으로 하는 휘도 보정 분포가 사용됩니다. 이 보정 기법은 그림 13(b)에 표시된 바와 같이 최대 휘도 값과 최소 휘도 값 사이의 불일치를 줄이는 것을 목표로 합니다.
그림. 13
라이트 필드 이미지의 밝기 균일도 (a) 보정하지 않은 원본, (b) 가우시안 기반 보정, (c) 동적 변조 보정.
그러나 사용자의 동공 크기는 주변 밝기 조건에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이러한 동적 변화를 고려하고 휘도 균일성을 더욱 개선하기 위해 시선추적기와 결합된 변조 보정 접근 방식이 사용됩니다. 이 동적 변조는 그림 13(c)에서 볼 수 있듯이 동공 크기의 변화를 보정하고 LF 이미지 전체에 걸쳐 보다 일관된 휘도 분포를 보장합니다.
2.5.아이 박스 확장
VR 제품에서는 사람 눈의 자동 스캐닝 특성으로 인해 더 큰 아이 박스가 중요한 요구 사항입니다. 그러나 라이트 필드 광학에서 더 큰 아이 박스를 설계하려면 다른 1차 파라미터와의 트레이드오프가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 시선추적기의 정보를 활용하는 두 가지 접근 방식, 즉 풀 디지털 이미지 계산과 액정 기반 빔 스티어링이 연구되고 제안되었습니다.
그림 14는 전체 디지털 이미지 계산 접근법의 결과를 보여줍니다. 그림 14(b)에서 볼 수 있듯이 라이트 필드 이미지는 비네팅이 없으며 동공이 3mm 이동하더라도 원활하게 결합할 수 있음을 알 수 있습니다. 또한, 실험을 통해 다음과 같은 최대 2배 더 큰 아이박스를 만드는 데 성공했습니다.
그림. 14
3mm의 동공 이동이 있는 라이트 필드 이미지: (a) 처리하지 않은 경우와 (b) 제안된 전체 디지털 이미지 계산을 사용한 경우.
이러한 결과는 라이트 필드 광학에서 더 큰 아이박스를 설계할 때 발생하는 단점을 극복하는 데 있어 전체 디지털 이미지 계산 방식이 효과적이라는 점을 강조합니다. 이미지 품질이나 일관성을 손상시키지 않으면서도 더 넓은 시야 영역을 제공하여 사용자 경험을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여줍니다.
3. 프로토타입 및 사양
고해상도 라이트 필드 VR LCD의 사양은 표 1에 요약되어 있습니다. 프로토타입 데모도 그림 15에 나와 있습니다. LCD 패널은 1411 PPI 및 1.1ms MPRT의 고품질 3K3K 해상도 이미지를 제공합니다. LF VR 시스템은 100도×65도의 양안 FOV를 가지며 시각 보정 기능이 포함되어있습니다.
표 1
라이트 필드 VR LCD
해상도: 3240×2880
PPI: 1411
MPRT: 1.1 ms
FOV: 100도×65도
PPD: 15
시각 보정: 있음
그림. 15
4. 결론
이 백서에서는 3K3K, 시야각 100도의 고해상도 LF 디스플레이에 대한 포괄적인 탐색을 제시합니다. 회로 및 드라이버 설계의 발전을 강조하고, 화질 향상을 위한 픽셀 아키텍처를 제안하며, 시각 보정에서 LF 기술의 이점을 보여주고, LF 기술을 사용한 아이박스의 확장을 시연합니다. 이 작업은 LF 디스플레이의 발전에 크게 기여하고 향후 시각적 경험이 향상된 고해상도 VR 시스템 개발을 위한 토대를 마련합니다.
