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Una pantalla 3D es un dispositivo de visualización capaz de transmitir profundidad al espectador. Muchas pantallas 3D son estereoscópicas o autoestereoscópicas de dos vistas, que producen un efecto 3D básico mediante la disparidad binocular , pero pueden causar fatiga ocular y visual debido al conflicto de convergencia-acomodación . Las pantallas 3D más recientes, como las holográficas y las de campo de luz, producen un efecto 3D más realista al combinar la estereopsis y una distancia focal precisa para el contenido mostrado. De esta manera, las pantallas 3D más recientes causan menos fatiga visual que las pantallas estereoscópicas clásicas.
En 2021, el tipo más común de pantalla 3D era la pantalla estereoscópica de dos vistas , que es el tipo de pantalla que se utiliza en casi todos los equipos de realidad virtual . Las pantallas 3D pueden estar cerca de los ojos, como en los cascos de realidad virtual, o pueden estar en un dispositivo más alejado de los ojos, como un dispositivo móvil con capacidad 3D o una sala de cine 3D .
El término "pantalla 3D" también puede utilizarse para referirse a una pantalla volumétrica que puede generar contenido que se puede ver desde todos los ángulos.
Una forma sencilla de visualización 3D es la visualización de dos vistas, que genera dos vistas, una para el ojo izquierdo y otra para el ojo derecho. [ 1 ] Una de las primeras formas de visualización de dos vistas es el anaglifo a color, que utiliza gafas con filtros de color, generalmente rojo para el ojo izquierdo y azul para el ojo derecho. [ 1 ]
Historia
El precursor de una pantalla 3D fue creado por Sir Charles Wheatstone en 1832. [ 1 ] Era un estereoscopio que tenía una capacidad rudimentaria para representar la profundidad.
Ivan Sutherland desarrolló el primer dispositivo de visualización montado en la cabeza que podía mostrar gráficos por computadora en 3D. [ 2 ] [ 3 ]
Pantallas estereoscópicas de dos vistas
Las pantallas estereoscópicas se conocen comúnmente como "pantallas estéreo", "pantallas 3D estéreo", "pantallas 3D estereoscópicas" o, a veces, simplemente como "pantallas 3D".
La técnica básica de las pantallas estereoscópicas consiste en presentar imágenes desplazadas que se muestran por separado a cada ojo. Ambas imágenes bidimensionales desplazadas se combinan en el cerebro para generar la percepción de profundidad tridimensional. Si bien el término "3D" se usa con frecuencia, la presentación de imágenes bidimensionales duales es claramente diferente a la visualización de un campo de luz y también a la visualización de una imagen en un espacio tridimensional .
La diferencia más notable con respecto a las pantallas que pueden mostrar 3D completo es que los movimientos de la cabeza del observador y los cambios en la acomodación de los ojos no alterarán las imágenes que percibe el espectador. Por ejemplo, algunas pantallas holográficas no presentan estas limitaciones.
Es una exageración referirse a imágenes 2D duales como "3D". El término preciso "estereoscópico" es más engorroso que el término erróneo común "3D", que se ha arraigado tras décadas de uso indebido sin cuestionamiento. A las pantallas 3D también se las suele llamar pantallas estereoscópicas porque cumplen con el requisito, menos exigente, de ser estereoscópicas.
Basándose en los principios de la estereopsis , descritos por Sir Charles Wheatstone en la década de 1830, la tecnología estereoscópica proporciona una imagen diferente para cada ojo del observador. A continuación, se detallan algunas de las técnicas y metodologías empleadas en algunos de los sistemas estereoscópicos más destacados que se han desarrollado.
Imágenes una al lado de la otra
La fotografía estereoscópica tradicional consiste en crear un efecto 3D a partir de un par de imágenes 2D, un estereograma . La forma más sencilla de mejorar la percepción de profundidad en el cerebro es proporcionar a los ojos del observador dos imágenes diferentes, que representan dos perspectivas del mismo objeto, con una pequeña desviación exactamente igual a las perspectivas que ambos ojos reciben naturalmente en la visión binocular .
Para evitar la fatiga visual y la distorsión, lo ideal es que cada una de las dos imágenes bidimensionales se presente a cada ojo del espectador, de manera que cualquier objeto situado a distancia infinita sea percibido por ese ojo mientras este mira al frente, sin que sus ojos estén cruzados ni divergentes. Cuando la imagen no contiene ningún objeto a distancia infinita, como un horizonte o una nube, las imágenes deben estar espaciadas proporcionalmente más cerca entre sí.
El método de visualización en paralelo es extremadamente sencillo de crear, pero puede resultar difícil o incómodo de ver sin ayudas ópticas.
Estereoscopio y tarjetas estereográficas
Un estereoscopio es un dispositivo para visualizar tarjetas estereográficas, que son tarjetas que contienen dos imágenes separadas impresas una al lado de la otra para crear la ilusión de una imagen tridimensional.
espectadores de transparencia
Las imágenes estereoscópicas impresas sobre una base transparente se visualizan mediante luz transmitida. Una ventaja de la visualización sobre transparencia es la posibilidad de obtener un rango dinámico más amplio y realista que el que se consigue con impresiones sobre una base opaca; otra ventaja es que se puede presentar un campo de visión más amplio , ya que las imágenes, al estar iluminadas desde atrás, pueden colocarse mucho más cerca de las lentes.
La práctica de visualizar diapositivas estereoscópicas en película se remonta al menos a 1931, cuando Tru-Vue comenzó a comercializar conjuntos de imágenes estereoscópicas en tiras de película de 35 mm que se introducían a través de un visor portátil de baquelita . En 1939, se presentó una variante modificada y miniaturizada de esta tecnología, que empleaba discos de cartón con siete pares de pequeñas diapositivas de película Kodachrome en color, conocida como View-Master .
Pantallas montadas en la cabeza
El usuario suele llevar un casco o gafas con dos pequeñas pantallas LCD u OLED con lentes de aumento, una para cada ojo. Esta tecnología permite visualizar películas, imágenes o juegos en estéreo. Los dispositivos de visualización montados en la cabeza también pueden combinarse con sistemas de seguimiento de la cabeza, lo que permite al usuario explorar el mundo virtual moviendo la cabeza, eliminando la necesidad de un mando independiente.
Gracias a los rápidos avances en gráficos por computadora y a la continua miniaturización de equipos de video y otros dispositivos, estos están empezando a estar disponibles a un precio más accesible. Se pueden usar gafas montadas en la cabeza o portátiles para visualizar una imagen transparente superpuesta a la visión del mundo real, creando lo que se conoce como realidad aumentada . Esto se logra reflejando las imágenes de video a través de espejos parcialmente reflectantes. El mundo real se puede ver a través del espejo parcial.
Un desarrollo reciente en la óptica basada en guías de onda holográficas o "óptica basada en guías de onda" permite superponer imágenes estereoscópicas al mundo real sin necesidad de utilizar espejos reflectantes voluminosos. [ 4 ] [ 5 ]
Pantallas de proyección montadas en la cabeza
Las pantallas de proyección montadas en la cabeza (HMPD) son similares a las pantallas montadas en la cabeza, pero con imágenes proyectadas y mostradas en una pantalla retrorreflectante . La ventaja de esta tecnología sobre las pantallas montadas en la cabeza es que los problemas de enfoque y convergencia no requieren corrección con lentes correctivas. Para la generación de imágenes, se utilizan picoproyectores en lugar de pantallas LCD u OLED . [ 6 ] [ 7 ]
gafas 3D
Sistemas de obturación activa
Con el método de eclipse, un obturador bloquea la luz de cada ojo correspondiente cuando la imagen del ojo opuesto se proyecta en la pantalla. La pantalla alterna entre las imágenes izquierda y derecha, y abre y cierra los obturadores de las gafas o el visor en sincronía con las imágenes en pantalla. Este fue el principio del sistema Teleview , que se utilizó brevemente en 1922. [ 8 ] [ 9 ]
Una variante del método de eclipse se utiliza en las gafas de obturación LCD . Estas gafas contienen cristal líquido que permite el paso de la luz en sincronización con las imágenes de la pantalla del cine, la televisión o el ordenador, mediante el concepto de secuenciación de fotogramas alternos . Este es el método utilizado por nVidia, XpanD 3D y los primeros sistemas IMAX . Una desventaja de este método es la necesidad de que cada persona que vea la película use gafas electrónicas costosas que deben sincronizarse con el sistema de visualización mediante una señal inalámbrica o un cable. Las gafas de obturación son más pesadas que la mayoría de las gafas polarizadas, aunque los modelos más ligeros no pesan más que algunas gafas de sol o gafas polarizadas de lujo. [ 10 ] Sin embargo, estos sistemas no requieren una pantalla plateada para proyectar las imágenes.
Las válvulas de luz de cristal líquido funcionan haciendo girar la luz entre dos filtros polarizadores. Debido a estos polarizadores internos, las gafas de obturación LCD oscurecen la imagen de cualquier fuente de imagen LCD, plasma o proyector, lo que provoca que las imágenes se vean más tenues y con menor contraste que en la visualización normal sin 3D. Esto no es necesariamente un problema de uso; en algunos tipos de pantallas que ya son muy brillantes con niveles de negro grisáceos deficientes , las gafas de obturación LCD pueden incluso mejorar la calidad de la imagen.
Anáglifo
En un anaglifo, dos imágenes se superponen en un sistema de iluminación aditiva mediante dos filtros, uno rojo y otro cian. En un sistema de iluminación sustractiva , las dos imágenes se imprimen con los mismos colores complementarios sobre papel blanco. Las gafas con filtros de color en cada ojo separan la imagen correspondiente al anular el color del filtro y convertir el color complementario en negro. Una técnica compensatoria, conocida comúnmente como Anachrome, utiliza un filtro cian ligeramente más transparente en las gafas patentadas asociadas a esta técnica. El proceso reconfigura la imagen anaglifa típica para reducir el paralaje .
Una alternativa al sistema de filtros rojo y cian habitual de los anaglifos es ColorCode 3-D , un sistema patentado que se inventó para presentar una imagen anaglifa junto con el estándar de televisión NTSC, en el que el canal rojo suele estar comprometido. ColorCode utiliza los colores complementarios amarillo y azul oscuro en pantalla, y los colores de las lentes de las gafas son ámbar y azul oscuro.
Sistemas de polarización
Para presentar imágenes estereoscópicas, se proyectan dos imágenes superpuestas en la misma pantalla a través de diferentes filtros polarizadores . El espectador usa gafas que también contienen un par de filtros polarizadores orientados de manera diferente (en sentido horario/antihorario con polarización circular o en ángulos de 90 grados, generalmente 45 y 135 grados, [ 11 ] con polarización lineal). Como cada filtro solo deja pasar la luz con polarización similar y bloquea la luz con polarización diferente, cada ojo ve una imagen distinta. Esto se utiliza para producir un efecto tridimensional al proyectar la misma escena en ambos ojos, pero representada desde perspectivas ligeramente diferentes. Además, dado que ambas lentes tienen el mismo color, las personas con un ojo dominante, donde un ojo se usa más, pueden ver los colores correctamente, algo que antes se veía afectado por la separación de los dos colores.
La polarización circular tiene una ventaja sobre la polarización lineal, ya que el espectador no necesita mantener la cabeza erguida y alineada con la pantalla para que la polarización funcione correctamente. Con la polarización lineal, al girar las gafas, los filtros se desalinean con los de la pantalla, lo que provoca que la imagen se desvanezca y que cada ojo vea con mayor facilidad el fotograma opuesto. Con la polarización circular, el efecto polarizador funciona independientemente de la posición de la cabeza del espectador con respecto a la pantalla, ya sea inclinada hacia un lado o incluso boca abajo. El ojo izquierdo seguirá viendo únicamente la imagen que le corresponde, y viceversa, sin desvanecimiento ni interferencias.
La luz polarizada reflejada por una pantalla de cine convencional suele perder gran parte de su polarización. Por ello, es necesario utilizar una costosa pantalla plateada o aluminizada con una pérdida de polarización mínima. Todos los tipos de polarización provocan un oscurecimiento de la imagen y un menor contraste en comparación con las imágenes no tridimensionales. La luz de las lámparas se emite normalmente como una colección aleatoria de polarizaciones, mientras que un filtro polarizador solo deja pasar una fracción de la luz. Como resultado, la imagen en pantalla se ve más oscura. Este oscurecimiento se puede compensar aumentando el brillo de la fuente de luz del proyector. Si el filtro polarizador inicial se coloca entre la lámpara y el elemento generador de imagen, la intensidad de la luz que incide sobre el elemento de imagen no es mayor que la normal sin el filtro polarizador, y el contraste general de la imagen transmitida a la pantalla no se ve afectado.
Tecnología de filtro de interferencias
Dolby 3D utiliza longitudes de onda específicas de rojo, verde y azul para el ojo derecho, y longitudes de onda diferentes de rojo, verde y azul para el ojo izquierdo. Unas gafas que filtran estas longitudes de onda específicas permiten al usuario ver una imagen en 3D. Esta tecnología elimina las costosas pantallas plateadas necesarias para sistemas polarizados como RealD , el sistema de visualización 3D más común en cines. Sin embargo, requiere gafas mucho más caras que los sistemas polarizados. También se conoce como filtrado de peine espectral o visualización por multiplexación de longitud de onda.
El sistema Omega 3D/ Panavision 3D también utiliza esta tecnología, aunque con un espectro más amplio y una mayor cantidad de filtros (5 por ojo en el sistema Omega/Panavision). El uso de más bandas espectrales por ojo elimina la necesidad de procesar el color de la imagen, algo que requiere el sistema Dolby. La distribución uniforme del espectro visible entre ambos ojos proporciona al espectador una sensación más relajada, ya que la energía lumínica y el equilibrio cromático son prácticamente del 50-50. Al igual que el sistema Dolby, el sistema Omega puede utilizarse con pantallas blancas o plateadas. Sin embargo, puede utilizarse con proyectores de cine o digitales, a diferencia de los filtros Dolby, que solo se utilizan en sistemas digitales con un procesador de corrección de color proporcionado por Dolby. El sistema Omega/Panavision también afirma que sus gafas son más económicas de fabricar que las utilizadas por Dolby. [ 12 ] En junio de 2012, DPVO Theatrical, que comercializaba el sistema Omega 3D/Panavision 3D en nombre de Panavision, descontinuó el sistema Omega 3D, citando "condiciones económicas y del mercado 3D globales difíciles". Aunque DPVO disolvió sus operaciones comerciales, Omega Optical continúa promocionando y vendiendo sistemas 3D a mercados no cinematográficos. El sistema 3D de Omega Optical incluye filtros de proyección y gafas 3D. Además del sistema 3D estereoscópico pasivo, Omega Optical ha producido gafas 3D anaglifas mejoradas. Las gafas anaglifas rojo/cian de Omega utilizan recubrimientos de película delgada de óxido metálico complejos y óptica de vidrio recocido de alta calidad.
Otro
El efecto Pulfrich es una percepción psicofísica en la que el movimiento lateral de un objeto en el campo de visión es interpretado por la corteza visual como si tuviera un componente de profundidad, debido a una diferencia relativa en la sincronización de las señales entre ambos ojos.
Las gafas prismáticas facilitan la visión cruzada, así como la visión por encima o por debajo del campo visual; un ejemplo de ello es el visor KMQ .
Autoestereoscopia
En este método, no se necesitan gafas para ver la imagen estereoscópica. Las tecnologías de lentes lenticulares y barreras de paralaje implican la superposición de dos (o más) imágenes en la misma hoja, en franjas estrechas y alternadas, y el uso de una pantalla que bloquea una de las franjas de las dos imágenes (en el caso de las barreras de paralaje) o utiliza lentes igualmente estrechas para curvar las franjas de la imagen y hacer que parezca llenar toda la imagen (en el caso de las impresiones lenticulares). Para producir el efecto estereoscópico, la persona debe colocarse de manera que un ojo vea una de las dos imágenes y el otro vea la otra. Los principios ópticos de la autoestereoscopia multivista se conocen desde hace más de un siglo. [ 13 ]
Ambas imágenes se proyectan sobre una pantalla corrugada de alta ganancia que refleja la luz en ángulos agudos. Para ver la imagen estereoscópica, el espectador debe sentarse dentro de un ángulo muy estrecho, casi perpendicular a la pantalla, lo que limita el tamaño de la audiencia. La proyección lenticular se utilizó para la presentación en cines de numerosos cortometrajes en Rusia entre 1940 y 1948 [ 14 ] y en 1946 para el largometraje Robinzon Kruzo [ 15 ] .
Aunque su uso en presentaciones teatrales ha sido bastante limitado, la tecnología lenticular se ha utilizado ampliamente para una variedad de artículos novedosos e incluso se ha utilizado en fotografía 3D amateur. [ 16 ] [ 17 ] El uso reciente incluye la Fujifilm FinePix Real 3D con una pantalla autoestereoscópica que se lanzó en 2009. Otros ejemplos de esta tecnología incluyen pantallas LCD autoestereoscópicas en monitores, computadoras portátiles, televisores, teléfonos móviles y dispositivos de juego, como la Nintendo 3DS .
Visualización volumétrica
Las pantallas volumétricas utilizan algún mecanismo físico para mostrar puntos de luz dentro de un volumen. Estas pantallas emplean vóxeles en lugar de píxeles . Entre las pantallas volumétricas se incluyen las pantallas multiplanares, que cuentan con múltiples planos de visualización apilados, y las pantallas de panel giratorio, donde un panel giratorio recorre todo el volumen.
Se han desarrollado otras tecnologías para proyectar puntos de luz en el aire sobre un dispositivo. Un láser infrarrojo se enfoca en el objetivo en el espacio, generando una pequeña burbuja de plasma que emite luz visible.
Pantalla de campo de luz/holográfica
Una pantalla de campo de luz recrea una porción de un campo de luz en la superficie de la pantalla. A diferencia de una pantalla 2D, que muestra un color distinto para cada píxel, una pantalla de campo de luz muestra un color distinto para cada rayo. De esta manera, los ojos desde diferentes posiciones verán imágenes distintas en la pantalla, creando paralaje y, por lo tanto, una sensación de 3D. Una pantalla de campo de luz es como una ventana de cristal: las personas ven objetos 3D detrás del cristal, aunque todos los rayos de luz que ven provienen de él (o lo atraviesan).
El campo de luz frente a la pantalla se puede crear de dos maneras: 1) emitiendo diferentes rayos de luz en distintas direcciones en cada punto de la pantalla; 2) recreando un frente de onda frente a la pantalla. Las pantallas que utilizan el primer método se denominan pantallas basadas en rayos o de campo de luz . Las pantallas que utilizan el segundo método se denominan pantallas basadas en frente de onda o holográficas . Las pantallas basadas en frente de onda funcionan de la misma manera que los hologramas . En comparación con las pantallas basadas en rayos, una pantalla basada en frente de onda no solo reconstruye el campo de luz, sino también la curvatura de las ondas planas y las diferencias de fase de las ondas en distintas direcciones. [ 18 ]
La fotografía integral es uno de los métodos basados en rayos que utiliza información de paralaje completa. Sin embargo, también existen técnicas basadas en rayos desarrolladas con paralaje horizontal únicamente. [ 18 ]
Pantallas holográficas
La tecnología de visualización holográfica permite recrear los cuatro mecanismos oculares: disparidad binocular , paralaje de movimiento , acomodación y convergencia . Los objetos 3D se pueden visualizar sin necesidad de gafas especiales y sin causar fatiga visual .
En 2013, la empresa LEIA Inc., con sede en Silicon Valley , comenzó a fabricar pantallas autoestereoscópicas comercializadas como pantallas holográficas para dispositivos móviles (relojes, teléfonos inteligentes o tabletas) que utilizaban una retroiluminación multidireccional y permitían un amplio ángulo de visión de paralaje completo para visualizar contenido 3D . [ 19 ] Su primer producto fue parte de un teléfono móvil ( Red Hydrogen One ) y, posteriormente, de su propia tableta Android.
Imágenes integrales
La tecnología de imagen integral es una pantalla 3D autoestereoscópica o multiscópica , lo que significa que muestra una imagen tridimensional sin necesidad de que el espectador utilice gafas especiales. Esto se logra colocando una matriz de microlentes (similares a una lente lenticular ) delante de la imagen, donde cada lente ofrece una visión diferente según el ángulo de visión. De esta forma, en lugar de mostrar una imagen 2D que se ve igual desde cualquier dirección, reproduce un campo de luz 3D , creando imágenes estereoscópicas que presentan paralaje cuando el espectador se mueve.
Pantallas de campo de luz compresiva
Se está desarrollando una nueva tecnología de visualización denominada "campo de luz compresivo". Estos prototipos utilizan paneles LCD multicapa y algoritmos de compresión durante la visualización. Los diseños incluyen dispositivos duales [ 20 ] y multicapa [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] que se basan en algoritmos como la tomografía computarizada , la factorización de matrices no negativas y la factorización de tensores no negativos .
Problemas
Cada una de estas tecnologías de visualización presenta limitaciones, ya sea por la ubicación del espectador, el equipo voluminoso o antiestético, o su elevado coste. La visualización de imágenes 3D sin artefactos sigue siendo un reto.
Véase también
Referencias
- 1 2 3 Holliman, Nicolas S.; Dodgson, Neil A.; Favalora, Gregg E.; Pockett, Lachlan (junio de 2011). "Pantallas tridimensionales: una revisión y análisis de aplicaciones" (PDF) . IEEE Transactions on Broadcasting . 57 (2): 362– 371. Bibcode : 2011ITB....57..362H . doi : 10.1109/TBC.2011.2130930 .
- ↑ "El extraordinario Ivan Sutherland" . CHM . 21 de febrero de 2023. Consultado el 20 de abril de 2025 .
- ↑ Conferencias, SIGGRAPH (14 de agosto de 2018). "VR a los 50 años: el sistema de visualización 3D montado en la cabeza de Ivan Sutherland de 1968" . Blog de ACM SIGGRAPH . Consultado el 20 de abril de 2025 .
- ↑ "Nueva guía de ondas holográfica aumenta la realidad" . IOP Physic World. 2014.
- ↑ "Pantallas holográficas cercanas al ojo para realidad virtual y aumentada" . Microsoft Research. 2017.
- ↑ Martins, R; Shaoulov, V; Ha, Y; Rolland, J (2007). "Una pantalla de proyección móvil para la cabeza" . Opt Express . 15 (22): 14530– 8. Bibcode : 2007OExpr..1514530M . doi : 10.1364/oe.15.014530 . PMID 19550732 .
- ↑ Héricz, D; Sarkadi, T; Lucza, V; Kovács, V; Koppa, P (2014). "Investigación de una pantalla de proyección montada en la cabeza 3D que utiliza una pantalla retrorreflectante" . Opt Express . 22 (15): 17823– 9. Bibcode : 2014OExpr..2217823H . doi : 10.1364/oe.22.017823 . PMID 25089403 .
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- ↑ "Ver para creer"; Cinema Technology, Vol. 24, No. 1, marzo de 2011
- ↑ Okoshi, Técnicas de imagen tridimensional, Academic Press, 1976
- ↑ Amazing 3D de Hal Morgan y Dan Symmes Little, Broawn & Company (Canada) Limited, págs. 104–105
- ↑ "La ASC: Zona de Rayos y la "Tiranía de la Planitud" « El Bailiwick de John Bailey" . El Bailiwick de John . 18 de mayo de 2012.
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- ↑ Lanman, D.; Hirsch, M.; Kim, Y.; Raskar, R. (2010). "Barreras de paralaje adaptativas al contenido: optimización de pantallas 3D de doble capa mediante factorización de campo de luz de bajo rango" .
- ↑ Wetzstein, G.; Lanman, D.; Heidrich, W.; Raskar, R. (2011). "3D por capas: Síntesis de imágenes tomográficas para campos de luz basados en atenuación y pantallas de alto rango dinámico" . ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH).
- ↑ Lanman, D.; Wetzstein, G.; Hirsch, M.; Heidrich, W.; Raskar, R. (2019). "Polarization Fields: Dynamic Light Field Display using Multi-Layer LCDs" . ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH Asia).
- ↑ Wetzstein, G.; Lanman, D.; Hirsch, M.; Raskar, R. (2012). "Pantallas tensoriales: síntesis compresiva de campos de luz mediante pantallas multicapa con retroiluminación direccional" . ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH).
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