<사진. 제어모듈, 역광모듈, LCD 스크린, 렌즈배열을 보여주는 자동입체영상 디스플레이 시스템을 위에서 본 그림
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

무안경 Full-HD 고품질 3D 디스플레이 기술

공간-시간 혼성 제어 기술과 FFSB(free-form surface backlight) 장치를 사용하면, 완전 해상도, 작은 누화, 넓은 시야각을 가진 자동입체영상 디스플레이가 가능하다.

시청자가 특수한 안경을 착용하지 않고도 영상에서 깊이에 대한 착각을 만드는 자동입체영상 디스플레이(Autostereoscopic displays)는 엔터테인먼트, 산업 및 연구를 위한 기존 2D 디스플레이 기술에 대한 바람직한 개선책으로 오랫동안 고려되어왔다. 이상적으로, 3D 시청 시스템은 지금의 액정 디스플레이와 호환되어야 할 것이다. 시차장벽 기술과 렌티귤러 기술을 포함하는 기존의 시스템들은 각각의 눈이 서로 다른 영상을 보게 하여 깊이감을 만든다. 하지만 이 기술들은 해상도 감소, 제한된 시야각, 그리고 만족스럽지 못한 누화와 같은 기술적 문제들을 겪고 있다. 다양한 방식들이 자동입체영상 디스플레이를 개선하기 위해 시도되어왔다. 방향성 역광 솔루션은 완전한 영상 해상도를 유지할 수 있지만, 시야각이나 부피는 비교적 제한된 상태이다. 적은 누화도 주어진 관찰점에 대해서 달성될 수 있지만, 전체 관찰영역에 대해 5% 미만으로 낮게 유지하는 일은 도전으로 남아있다.

그런데, 이번에 지안잉 즈오우(Jianying Zhou) 교수가 지도한 중국 순얏센대(Sun Yat-Sen University) 연구진이 적응형 광최적화 알고리즘과 FFSB 장치를 이용한 혼성 공간-시간 제어 기법을 이용하여 완전 해상도, 작은 누화, 넓은 시야각을 가진 자동입체영상 디스플레이를 시연했다. 연구진의 디스플레이는 제어모듈, 역광모듈, 렌즈배열, 그리고 LCD 패널로 구성되며, 그림1에서 녹색광 경로와 청색광 경로는 각각 관찰자의 왼쪽과 오른쪽 눈을 위한 빛을 나타낸다. LCD는 자체적으로 빛을 발생하지 않으므로, 백색 LED들로 이루어진 모듈에 의해 뒤로부터 비춰진다. 액정의 배향은 LED에서 나온 빛이 LCD를 투과하거나 LCD에 의해 차단되는지를 결정하고, 그러한 배향은 전기장을 인가하여 제어된다. LCD 패널 앞에 있는 프레넬렌즈 배열은 빛을 관찰영역 이내로 향하게 만든다. 연구진은 적응형 광 최적화 알고리즘을 사용하여 FFSB(freeform surface backlight) 모듈과 LED와 LCD를 공간 및 시간적으로 제어하는 렌즈배열을 설계함으로써, 완전 고해상도(1920×1080)와 작은 누화, 그리고 넓은 시야각을 가진 자동입체영상 LCD 디스플레이를 달성했다.

연구진은 디스플레이 효과를 2가지 방식으로 측정했다. 먼저, 연구진은 자동입체영상 디스플레이의 새로운 척도인 휘도 균일성을 증가시키고 싶었다. 둘째, 연구진은 누화에 대한 전통적인 척도 대신, 누설에 대한 전체신호전력의 비율이라는 누화의 새로운 척도를 채택했다. 시험절차에서 측정된 데이터는 더 가공되어야 하고 그 과정이 약간 복잡했지만, 시험결과는 더 우수했다. 적응형 광 최적화 알고리즘은 LCD 영상의 갱신에 박자를 맞춰 LED막대들의 회전구간을 켜고 끄는 방식으로 각각의 눈에 대한 완전해상도 영상들의 투과방향을 제어한다. 연구진은 또한 동적 동기화 역광 기법을 적용하여 시간적 누화를 더 많이 줄였다. 집적회로 기반의 제어모듈을 적용함으로써 역광 모듈을 시간적으로 더 세밀하게 제어할 수 있었고, 역광 배열과 LCD 스크린의 스캐닝은 위상이 일치되었다. LED 막대는 LEC에서 나온 동기화 신호에 의해 작동되어 켜지거나 꺼지도록 선택되었다. LED 막대의 단속 시간을 최적화함으로써, 시간적 누화가 원하는 수준으로 억제될 수 있었다.

인접 채널들로부터의 누화를 전체 관찰각도에서 5% 미만으로 유지하기 위해서, 연구진은 적응형 광 최적화 알고리즘으로 설계된 FFSB를 사용했다. 이 FFSB를 이용함으로써, 관찰각도는 대략 ±23°로 확장되었다. 최대각도인 23°에서의 누화는 전통적인 평면역광(planar backlight)을 사용할 때보다 훨씬 더 작았다. 예컨대, 평면역광 시스템에서 관찰각 +22.6°에서의 누화는 약 62%이지만, FFSB 시스템에대해서는 4.5%에 불과하며, 이것은 93% 정도가 감소된 것이다. 관찰영역 이내에서 3D 영상은 떨어진 장소에서 보이지만, 이러한 관찰위치는 LED 배열의 제어를 조정함으로써 조절되고 확장될 수 있으며, 안면추적을 이용하면 이 과정을 자동화하는 것이 가능하다. 최적의 모양을 가진 FFSB 장치와 LDE와 LCD의 갱신에 대한 시공간 혼성 제어를 결합함으로써, 2.41%라는 작은 누화를 달성하는 것이 가능했으며, 이것은 편광안경을 이용하는 3D 디스플레이 시스템의 누화에 매우 근접한 것이다. 연구팀은 또 다른 연구서에서는 편광안경 시스템보다 훨씬 더 작은 1%의 누화도 달성했지만, 아직 실제 장치로는 적용되지 않았다. “우리 기술은 패널의 해상도를 감소시키지 않으면서 모바일 시스템에서부터 대형 스크린 시스템에 이르기까지 확장 및 축소될 수 있다. 현재 우리는 이 기술을 다중사용자 4K (3840×2160) 3D 텔레비전 디스플레이로 적용하는 연구를 하고 있다”고 연구진은 말했다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr