[Moon's science world] 안경 없이 보는 삼차원 디스플레이 - 집적영상 방식

안녕하세요:)

즐거운 연휴 보내고 계신가요? 맛있는거 많이 드시고, 복도 많이 많이 받으시길 바라겠습니다.

지난 포스팅에서는 시차격벽을 이용하여 안경 없이 보는 삼차원 디스플레이에 대해 이야기를 했습니다. 전 방향으로 빛을 발광하는 픽셀 앞에 격벽을 줌으로써 빛을 특정 방향으로 나갈 수 있도록 만들어주면, 방향 별로 서로 다른 이미지를 줄 수 있는 것이 그 원리였죠.

이번에 제가 설명드릴 시스템은 집적영상(integral imaging) 방식입니다.
이 방식 역시 빛의 방향성을 통제하여 패널 앞 관측자의 위치마다 다른 영상을 볼 수 있게끔 해주는 것이 기본입니다.

그런데 이번 시스템은 격벽을 사용하지 않고, 렌즈를 사용합니다. 하나의 렌즈가 아닌 여러 개의 렌즈가 배열을 이루고 있는 장치를 사용하죠. 그 원리를 이해하기 위해서는 우선 렌즈가 하는 기능을 알아야 합니다.

렌즈는 빛을 꺾어준다 (굴절)

돋보기를 통해 작은 글씨를 크게 보는 것, 시력이 안 좋은 사람들이 안경을 통해 시력을 보정받는 것 모두 렌즈가 빛을 꺾어주기 때문에 가능한 일입니다. 이렇게 빛이 꺾이는 현상을 모두가 아시다시피 '굴절'이라고 하죠.

빛이 어떤 매질을 통과하던 중 다른 종류의 매질을 만나게 되면 경계면에서 그 속도가 바뀌게 됩니다. 속도가 바뀜에 따라 진행하고 있던 방향 역시 바뀌게 되죠. 렌즈 내부는 공기와 다른 물질로 채워져 있기 때문에 공기 내부를 진행하던 빛은 렌즈를 통과함에 따라 진행 방향이 바뀌게 됩니다. 빛이 렌즈를 통과하면 어떤 식으로 꺾이는지 중학교 때 배웠지만(여러분도 배우셨지만)!! 글의 흐름을 위해서 간단하게 정리하고 넘어가겠습니다.

오늘 포스팅에서는 볼록렌즈에 대해서만 언급할 것이므로, 볼록렌즈에서 빛이 어떻게 꺾이는지만 간단히 보시죠.
(볼록렌즈에서의 상(image) 작도법)

1. 평행하게 진행하던 빛은 렌즈의 초점을 지난다.
2. 렌즈의 중심을 지나는 빛은 같은 방향으로(그대로) 진행한다.
3. 초점을 지나는 빛은 렌즈를 통과하면 평행하게 나간다.

위 세 개 정도만 알고 넘어가면 이후 포스팅을 따라가는데 큰 지장이 없으실 겁니다.

위 그림에 나와있는 작도법을 따라가면 하나의 점광원이 어느 위치에 이미징 되는지 쉽게 알 수 있습니다.
이 때 점광원과 점광원의 상을 이은 선 (결국 이 선은 렌즈의 중심을 지나는 선이죠)을 우리는 중심광선(chief ray)이라고 합니다 (아래 그림 참조).

중심광선을 정의하는 이유는 점광원에서 뿜어져 나오는 광선 다발들이 렌즈를 통과했을 때 어느 정도의 방향성을 지니고 나아가는지를 척도로 나타내기 위해서입니다.
아래 그림을 보시면 이해가 잘 되실 겁니다.

렌즈 앞에 서있는 나무가 렌즈에 의해 상을 맺히는 그림을 나타낸 것입니다. 첫 번째 그림은 앞서 설명한 점광원 이미징 작도법을 이용하여 임의의 두 점이 어떻게 상을 맺는지 그린 것입니다. 딱 두 개의 점만 작도했을 뿐인데, 꽤나 조잡해 보입니다.

두 번째 그림은 임의의 두 점과 각각의 점의 상(image)을 잇는 중심광선만 나타낸 것입니다. 각 점들의 정보가 대략 어느 방향으로 나아가는지를 나타낸 것이죠. 광학에서 렌즈를 사용한 시스템을 그릴 때, 두 번째 그림처럼 중심광선만을 가지고 그리는 일이 꽤 많습니다. 광원에서 나오는 정보의 방향에 초점을 맞춰서 그림을 좀 더 간략하게 나타내기 위함이죠.
이제 집적영상 방식을 설명할건데, 편의상 중심광선만 그리면서 설명드리도록 하겠습니다.

직접영상 방식 (Integral imaging system)

직접영상 방식은 시차장벽과 마찬가지로 일반적인 디스플레이 패널에서 나오는 빛에 임의로 방향성을 부여함으로써 위치별로 다른 영상을 관측할 수 있게 해주는 시스템입니다.
그리고 이 시스템은 이렇게 빛에 방향성을 부여하기 위해 위에서 설명한 볼록렌즈를 사용합니다.

아래 그림은 지난 번 포스팅에서도 그렸던 일반적인 2D 디스플레이의 모습입니다. 각각의 픽셀이 모든 방향으로 빛을 뿜어내기 때문에 어느 위치에 있던 관측자는 동일한 영상을 보게 됩니다.

여기다가 픽셀보다 세 배 정도 큰 아주 작은 볼록렌즈를 하나 대봅시다.

중심광선을 그려보면 기존에 모든 방향으로 빛을 뿜어내던 픽셀이 이제 방향성을 가지고 정보를 전달하는 것을 볼 수 있습니다. 빨간 픽셀은 아래쪽으로, 주황 픽셀은 앞으로, 노란 픽셀은 위쪽으로 그 정보를 전달해주게 된거죠.

이제 두 번째 그림처럼 같은 크기의 렌즈를 규칙적인 배열을 갖도록 해서 패널 앞에 놓아봅시다.
각각의 렌즈의 크기가 같고, 규칙적으로 세 픽셀 마다 하나의 렌즈가 놓여있기 때문에 빨간색 픽셀과 초록색 픽셀, 그리고 남색 픽셀은 모두 같은 방향(아래쪽)으로 빛을 내고, 주황색, 파란색, 아래쪽 빨간색 픽셀은 모두 앞쪽으로 빛을 내는 것을 알 수 있습니다.

즉, 세 개의 픽셀을 덮는 렌즈 배열을 사용하였더니 세 개의 방향이 확보된 것입니다. 이렇게 되면 1번 위치에 있는 사람과 2번 위치에 있는 사람, 그리고 3번 위치에 있는 사람이 각각 다른 영상을 볼 수 있게 됩니다.

이제 알맞은 영상만 만들어주면 됩니다. 렌즈 배열(lens array)을 통해 삼차원 영상을 볼 수 있게끔 디스플레이 패널에 이미지를 띄우는 과정을 픽업 과정(pick-up process )이라고 합니다.

여러가지 물리적인 이슈 때문에 이 픽업 과정이 생각보다 단순하지는 않지만, 이번 포스팅은 집적영상 방식이 무엇인지 아는 정도를 목적으로 두기 때문에 아주 쉽고 간단하게 설명드리도록 하겠습니다.

픽업 과정은 아래 그림으로 간단히 설명할 수 있습니다.
(세 개의 시점을 갖는 시스템이라고 가정)

우리가 표현하고 싶은 삼차원 물체를 세 방향에서 보았을 때의 모습을 알맞은 위치의 픽셀들에 매핑(mapping)만 해주면 됩니다. 예를 들어 삼차원 물체를 1번 방향에서 바라보았을 때 시점 이미지가 1번 이미지와 같다면, 그 이미지를 픽셀 단위로 쪼개서 파란색 픽셀들에 각각 넣어주기만 하면 되는 것이죠.

그 이후에 재생은 알맞은 스펙을 갖는 렌즈 배열(lens array)를 사용하면 됩니다. 예시와 같은 경우는 아래 그림과 같이 픽셀보다 세 배 큰 렌즈로 이루어진 (그리고 적당한 초점거리를 갖는) 렌즈 배열을 사용하면 세 개의 시점 영상을 볼 수 있게 됩니다.

그렇다면 집적영상 방식은 어떤 한계점을 지닐까요?

물론 시차격벽과는 다르게 빛을 막아내는 방식은 아니기 때문에 밝기 손실이 있지는 않습니다.
하지만 시차격벽과 마찬가지로 디스플레이 패널의 픽셀을 쪼개서 시점 영상을 제공해주기 때문에 시점 영상의 해상도가 원래 디스플레이 패널 해상도 보다 낮을 수 밖에 없습니다.
또한 렌즈가 갖는 수차들 때문에(렌즈의 수차에 대해서는 다음 포스팅에서 다루도록 하겠습니다) 영상의 퀄리티가 나빠지는 현상도 생깁니다.

그렇지만 무안경식 삼차원 디스플레이를 구현하는 가장 기본적인 방법이기에 그 의의가 있다고 생각됩니다.

오늘 포스팅은 이걸로 마치도록 하겠습니다:)

쉽게 설명드리려다 보니까 포스팅이 다소 허접해지는 경향이 있는 것 같은데, 양해 부탁드립니다 ㅠ
혹시 궁금한게 있으시면 언제든지 댓글 남겨주세요!

모두들 새해복 많이 받으세요:)