무안경 입체 3D(Glass-free Stereoscopic 3D)의 종류와 원리

들어가기에 앞서: 이 글은 2011년에 작성된 글입니다.

현재 LG와 삼성이 3D TV 시장을 놓고 박터지게 싸우고 있지요. 각각 현빈과 원빈을 모델로 앞세워 싸우는데 과연 어느 빈이 이길까요 ㅎ 모델로만 본다면 원빈이 승리? (원빈 > 현빈 >시공을 초월한 넘사벽 > you & me ) 

누구는 깜빡거린다 까고 누구는 풀HD가 아니라 까는데, 이는 안경을 사용한 S-3D 방식의 차이 때문이지요. 이 두 방식은 나중에 시간 되면 이야기 하겠습니다.

하지만, 이 메이저 리그와 다른 마이너 리그에서는 무안경 3D( Glass-free Stereoscopic 3D) 디바이스들이 각축전을 벌이시 시작합니다. 주로 모바일 장치들이 적용되서 나오고 있는데요, LG 옵티머스 3D, 삼성 W960, HTC EVO 3D, 샤프 SH-12C 등 스마트폰이 주 무대가 되고 있습니다. 하지만 코원 3D, 닌텐도 3DS 등 게임기 및 PMP등 여러 종류의 모바일 장치들에서도 나오고 있지요. 뿐만 아니라 모니터 및 TV 등 모바일이 아닌 디스플레이 시장에서도 무안경 제품이 꿈틀거리고 있지요. 본 포스팅에서는 이런 무안경 3D 기법에 대해 정리해보고자 합니다.

이 제품들은 처음 언급한 안경 방식의 TV들과는 달리 안경이 없이 입체 3D를 구현하지요. (이름 그대로 無안경, Glass-free, Glassless, Naked Eye) 안경을 쓰는 방식은 안경을 통해 필터링을 거쳐 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 각각에 맞는 영상을 보여주지만, 과연 안경이 없는 방식은 어떠한 방식으로 영상을 구분해서 입력을 시켜주는 것일까요? 

패렐렉스 베리어(parallax barrier)

앞서 언급한 모바일 장치들이 사용하는 방식은 패럴렉스 베리어(parallax barrier)라는 방식입니다. 디스플레이 앞에 방벽을 두어 좌안 우안의 시차를 만들어 내는 방식인데요, 그래서 시차방벽이라고도 부릅니다. 일단 기본 원리를 살펴볼까요?

우선 화면에는 수직 1라인씩 좌우 영상을 교대로 배치합니다.

이미지 출처 : http://www.osa.org/

그 전면에 영상과 같은 주기로 배리어를 설치합니다. 배리어 사이로 열린 부분을 슬릿(slit)이라 부르는데, 이 부분은 영상의 수직 1라인과 같은 시야각으로 설정 합니다.

이미지 출처 : http://www.lenstar.org/history/ch1.htm

이 것을 일정한 거리의 정면에서 보게 되면, 좌안에는 좌측 영상이 우안에는 우측 영상이 들어가게 되며 다른 눈의 영상은 차단되는 방벽의 형태가 됩니다.

이미지 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/

뭔가 억지스럽지만 안경 없이 볼 수 있는 실용적이고 젖절한 방식이지요. 

게다가, 이 배리어는 액정으로 만들 수 있기 때문에 2D, 3D 모드 변환은 배리어의 On/Off로 쉽게 변환이 가능 합니다. 그래서 이런 액정을 사용한 베리어 방식은 스위쳐블 페럴렉스 베리어(Switchable parallax barrier)로 불리우기도 합니다.

이미지 출처 : http://cafe.daum.net/projector

2D와 3D의 전환이 자유롭긴하지만 검은 배리어가 가리는 만큼 밝기가 반감되는 문제가 있습니다. 이런 문제때문에 3D 모드 시에는 백라이트의 밝기를 높이고, 베리어를 디스플레이와 백라이트 사이로 위치시킵니다. ( 위 그림은 배리어가 맨 위에 있는 반면, 아래 그림은 LCD가 맨 위에 있지요.)

이미지 출처 : http://www.televisions.com/tv-articles/TV-in-3D/Displaying-3D-Without-Glasses.php

또 다른 문제는 하나의 디스플레이를 좌안 우안으로 나누어 보내다 보니 체감 해상도가 줄어들게 된다는 것입니다. 공간 분할 방식의 고질적인 문제지요. 대략 이런 느낌으로 가로 해상도가 줄어들게 됩니다.

이미지 출처 : http://ozlael.egloos.com/3651808 ㅋㅋ

사진만으로는 느낌이 잘 와닿지가 않는데 세로로 줄이 쫙쫙 가 있는 느낌이라 실제로 보면 상당히 거슬립니다. 해상도 저하를 완전히 해결 할 수는 없지만, 스텝 베리어를 이용하여 해상도 저하가 수평으로 몰려 있는 것을 수평 및 수직으로 균등화 할 수도 있습니다.   

더 나가서, 배리어 두개를 맞물리게 두고 프레임 별로 바꿔서 시분할 방식을 적용할 수도 있습니다.

이미지 출처 : http://spie.org/x35370.xml?ArticleID=x35370

하지만, 밝기는 여차해서 개선하고, 해상도는 저차해서 개선한다 쳐도 가장 큰 문제는 따로 있지요. 애초에 배리어를 둘 때 관찰자의 위치를 한정하고 둔다는 것입니다. 즉, 정해진 일정 위치를 벗어나면 영상이 분리되는 등 정상적으로 보이지 않는다는 것이지요. 항상 일정한 거리에서 정면에서만 봐야 한다는 제약때문에 주로 모바일 장치에 쓰이는 기술로 굳혀버린 것입니다. 

이 제약을 개선하기 위해 동공 추적 기법( Eye-tracking, Head-tracking)을 적용하거나, 해상도가 그만큼 줄긴 하지만 아예 시점을 여러개로 만드는 방법도 있습니다.

이미지 출처 : https://physicsforme.wordpress.com/2011/06/03/3d-tv-without-glasses/

패럴렉스 배리어 방식은 현 시점에서 안경 없이 3D를 구현하기는 가장 좋은 방식이지요. 하지만 아직은 이처럼 기술 향상 시점이라 단점도 많습니다. 

렌티큘라 렌즈(Lenticular Lens)

또 다른 무안경 3D(Glass-free, Glassless, Naked Eye Stereoscopic 3D)의 방식으로는 렌티큘러 렌즈(Lenticular Lens)가 있습니다. 사실, 패러렐렉스 베리어(parallax barrier) 방식과는 달리 렌티큘러 렌즈 방식은 어릴적부터 항상 자주 접할 수 있었습니다. 어릴적 자주 보던 책받침이나 케릭터 운동화에 박혀있던 입체 영상 그림이 바로 렌티큘러 렌즈 방식이지요. 자, 그럼 기억을 더듬어 볼까요? 그 사진의 표면이 어떠했나요? 평평했나요? 아니지요. 울퉁불퉁했던 기억이 나실겁니다. 그 울퉁붕퉁한게 작은 세로형 렌즈인데 이를 렌티큘러 렌즈라고 부릅니다. 이 렌즈가 이미지를 좌우로 구분해 주는 것이지요.

일단 디스플레이에는 좌 우 영상을 번갈아 배치하는 것은 앞서 설명드린 패러렐렉스 베리어 방식과 다름이 없습니다. 대신 시차 방벽 대신에, 디스플레이의 좌우 영상 셋트의 배치 주기로 되어있는 반 원통형 렌즈의 배열 시트를 입힙니다. 수직으로 시트가 구성 되기 때문에 수직 렌트큘라 시트(Vertical lenticular sheet)라고도 부릅니다.

이미지 출처 : http://www.squidoo.com/lenticular-lens

이 렌즈의 굴절을 이용해서 좌측과 우측으로 각각 영상을 보내는 것이지요.

이미지 출처 : http://www.rays3d.net/about-lenticular.html

기본적으로는, 디스플레이 앞에 항상 물리적인 시트를 두고 있어야 하기 때문에 2D로의 변환이 불가능 합니다. 그래서 보통은 가정용 디스플레이 장치 보다는 광고 전광판이나 이미지 판촉물에 쓰입니다. 3D를 구현하는 방법 외 시각에 따라 그림이 바뀌는 효과로 쓰이기도 하죠.

하지만 요즘에는 전자식 능동형 렌티큘러(Electro-Active Lenticular)가 개발되서 상용화 되고 있습니다. 전자 액정의 분자에 전압을 가해서 굴절률을 변화 시키는 방식인데, 제가 디스플레이 전문 공돌이는 아니라서 자세한 내용은 잘 모르겠네요. ㅎㅎ  

(누가 해석점 ㅋ 마이크로 렌즈 모양의 PI로 구성된 투명한 틀 안에 액정이 채워져 있고 외부에는 전압이 가해진 상태의 액정분자와 동일한 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 replica로 구성되어 있다. 이 구조의 마이크로 렌즈 상하에는 ITO전극이 위치하여 전압을 인가할 수 있도록 하였다. 전압이 인가되지 않는 3차원 상태에서는 내부의 액정 분자와 외부의 replica 사이에 굴절률 차이가 발생하게 되어 렌티큘러 렌즈를 통과하는 효과를 나타낸다. 반면, ITO전압이 인가되는 2차원 상태에서는 액정의 상태가 변화하여 외부의 replica와 동일한 굴절률을 갖게 되고 입력된 빛을 그대로 통과시키게 된다.)

이미지 출처 : http://www.kdia.org

하지만 딱 봐도 느껴지는 것 처럼 전자 렌즈의 제조 단가가 높아 주로 쓰이지는 않았으나, 최근 들어서는 이를 많이 적용하기 시작하는 것 같더군요.

랜티큘라 역시 패러렐렉스 배리어 방식과 마찬가지로 다중 시야( multi-view)를 구현 시 이미지 공간을 세로로 더 나누어 쓰기 때문에 세로 해상도가 급격히 줄어들게 됩니다. 이를 개선하기 위해 렌티큘러 렌즈를 정 세로가 아닌 사선으로 배치하여 개선하기도 합니다.

이미지 출처 : http://cafe.daum.net/lentienp

집적 영상 (integral image)

집적 영상 시스템(integral imaging system, 인테그랄 이미지)라는 렌즈를 이용하는 방법이 또 있습니다. 랜티큘러 시트 방식과 비슷한 컨셉인데요, 렌티큘라 시트 방식은 반 실린더를 세로로 나열 한 반면, 인테그랄 이미지 방식은 작은 반구 렌즈들을 가로 세로 나란히 배열합니다. 이 모양이 파리의 눈과 비슷한 방식이여서 파리 눈 렌즈(fly’s eye lens)라 불리기도 합니다.

이미지 출처 : http://patent2.kipris.or.kr/pat/biblioa.do?method=biblioFrame&start=biblio&searchFg=N

이러처럼 작은 볼록 렌즈의 집합을 정면으로 보게 되면 머리의 기울기에 상관 없이 입체 영상을 볼 수 있습니다. 렌티큘라 시트는 빛이 좌우 수평으로 퍼지는 반면 인테그랄 이미지는 수평만이 아닌 사방으로 퍼지기 때문입니다. 즉, 누워서도 시청이 가능하다는 것이지요. 하지만 영상을 만들어 내는 것이 간단하지도 않고 아직까지 연구가 진행중인 방식입니다.

이미지 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Integral_imaging

HR3D (High-Rank 3D)

통상적으로는 무안경 입체 영상 기술은 지금까지 말씀 드린 세 방법이 대표적입니다만, 얼마 전 MIT 공돌이들에 의해 HR3D라는 새로운 기술이 발표 되었습니다. 앞의 세 방식에 비해 특이한 컨셉이 존재하는데, HR3D는 LCD 디스플레이를 두개를 사용한다는 것입니다. 패러렐렉스 베리어 방식처럼 디스플레이 앞에 베리어를 두지만 이 베리어 역시 디스플레이인 것입니다.( 상: 패러렐렉스 베리어, 하: HR3D)

이미지 출처 : http://web.media.mit.edu/~mhirsch/hr3d/

패러렐렉스 베리어는 일정한 패턴으로 좌우 영상이 존재하고 그에 상응하는 주기로 장벽이 존재하지만, HR3D는 복잡하고 경이로운 수학의 세계(?) 를 거쳐 영상에 최적화 된 패턴을 만들어내고 그에 의해 후면 패널 영상과 전면 패널의 장벽이 만들어 집니다. (패턴 만들어 내는 공식은 알지도 못하겠고 알고 싶지도 않아요;;)

이토록 동적인 장벽이 만들어 지므로 시선의 방향 및 기울기에 구애 받지 않고 입체 영상을 만들어 낼 수 있습니다. 즉 관찰자가 어디 있던지 유동적으로 대처가 가능 하다는 것이지요. 또한 장벽으로 인한 밝기 저하가 없고 그에 따라 백라이트 전력도 절약 된다고 합니다. 뭐, 실제로 보지도 못했고 발표된지 1년도 채 안된 기술인지라 약을 파는 것인지 뭔지는 잘 모르겠습니다만 점차 시간이 지나면서 상용화가 시작되면 본격적으로 검증이 되겠지요. :-)

홀로그래피(Holography)

사실 제일 궁극의 무안경 3D 입체 영상 기술은 홀로그래피(Holography)이죠. 홀로그램(hologram)이라고도 불리는데 엄밀히 따지자면 기술 자체의 명칭은 홀로그래피이고 홀로그램은 이로 인해 만들어지는 컨텐츠를 가리킵니다. 어쨌든간에 뭐 아직까지는 미래 기술이고 미 국방부쯤은 되어야 쓸까 말까 정도니 자세히 다루지는 않겠습니다. (어짜피 저도 잘 모르고 ㅎㅈㅎ)

이미지 출처 : http://blogs.vassar.edu/ltt/2011/04/01/a-look-into-the-structure-and-creation-of-holograms/

하지만 현재 어느정도는 만들어 낼 수 있고 지속적으로 연구가 되고있습니다. 현존하는 방식 또한 여러 가지가 존재하는데 그 중 하나로 360º Light Field Display란 방식이 있지요. 욜라 빨리 회전하는 거울판에 빛을 투영시키는데, 거울의 회전 각에 맞는 영상을 내 보내서 마치 입체적으로 영상이 존재하는 것 처럼 보이게 하는 방식입니다. 뭔가 ㅄ같지만 멋있어

이미지 출처 : http://gl.ict.usc.edu/Research/3DDisplay/

뭐 이처럼 지속적인 홀로그래피 기술이 연구되고 있으니 죽기전에는 집 거실에서 홀로그램을 볼 수 있겠지요. 20년 전 우리가 콧물 질질 흘리며 동네 문방구에서 오락할 때 까지만 해도, 거실에 있는 PlayStation이나 XBOX로 3D 게임을 즐기는 모습을 상상이나 할 수 있었습니까? 앞으로 20년만 참고 기다리면 디스플레이 공돌느님들이 홀로그램쯤은 거뜬히 만들어 줄 테니 꾹 참고 기다립시다. 

끝으로 이 세계의 공돌이들을 찬양하며 이만 줄일까 합니다. May the force be with you!