Profundidade de campo estendida em realidade aumentada

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8786 (2023) Citar este artigo

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O dispositivo de exibição 3D mostra uma imagem com informações de profundidade. Dispositivos de exibição 3D convencionais baseados em paralaxe binocular podem focar com precisão apenas na profundidade de uma tela específica. Como o olho humano tem uma profundidade de campo (DOF) estreita em circunstâncias normais, exibições 3D que fornecem uma gama relativamente ampla de áreas de profundidade virtual têm limitações no DOF onde imagens 3D nítidas são vistas. Para resolver este problema, é necessário encontrar as condições ópticas para estender o DOF e analisar os fenômenos relacionados a ele. Para isso, por meio do critério de Rayleigh e da razão de Strehl, sugere-se um critério para essa extensão do DOF. Uma estrutura óptica prática que pode efetivamente estender o DOF é desenvolvida usando um monitor de tela plana. Essa estrutura óptica pode ser aplicada a AR, VR e MR no campo de exibições de olho próximo. A partir dos resultados desta pesquisa, as condições e padrões ópticos fundamentais são propostos para exibições 3D que fornecerão imagens 3D com DOF estendido no futuro. Além disso, espera-se também que essas condições e critérios possam ser aplicados a projetos ópticos para o desempenho exigido no desenvolvimento de displays 3D em diversos campos.

Exibições 3D, como exibições 3D do tipo estéreo ou sem óculos, geralmente fornecem paralaxe binocular1,2. Além disso, para fornecer uma paralaxe de movimento, as informações de posição dos observadores podem ser usadas para um processo de software como feedback3,4,5,6. Usando uma exibição 3D multiview, a paralaxe de movimento também pode ser fornecida opticamente7,8,9,10,11. Além disso, quando uma pessoa olha para um objeto em um ambiente natural, as linhas de visão de ambos os olhos convergem para a localização do objeto e criam um ponto de fixação na fóvea da retina. Ao mesmo tempo, o olho ajusta a espessura do cristalino do olho para que a imagem da retina fique clara ao focar na profundidade de convergência. Desta forma, a ação de ligação convergência-acomodação é realizada naturalmente no olho humano.

No caso da imagem 3D, uma sensação de profundidade pode ser fornecida a partir de uma imagem de paralaxe binocular. O reconhecimento de imagem 3D é obtido combinando efeitos binoculares e monoculares. Para efeitos monoculares, existe um efeito de controle de foco. No entanto, ao observar uma imagem 3D, sabe-se que a faixa de profundidade de objetos virtuais que o olho humano percebe como uma imagem clara na retina por acomodação é de aproximadamente ± 0,3 dioptria em média para uma largura de pupila de 3 mm12. Portanto, se uma imagem 3D com uma profundidade focal maior que ± 0,3 dioptrias for fornecida a partir da exibição 3D, devido ao desfoque da imagem na retina, um observador não poderá ver a imagem 3D clara geral da imagem 3D fornecida com tal diferença em profundidade. Ou seja, resulta em conflito de acomodação-vergência (VAC)13,14. Esse fenômeno VAC pode causar fadiga ocular, portanto, a profundidade da imagem 3D a ser expressa é inevitavelmente limitada e a área de aplicação da imagem 3D também é limitada. Portanto, quando o DOF é ampliado em uma imagem 3D geral, a imagem monocular pode ser considerada uma imagem 2D que sempre mostra uma imagem nítida, independentemente da informação de profundidade da imagem na área ampliada do DOF. No entanto, se essa imagem 3D for combinada com a paralaxe binocular da situação do olhar de ambos os olhos, uma imagem clara sempre poderá ser vista quando a profundidade do olhar de ambos os olhos estiver dentro do alcance do DOF. No entanto, esta não é uma imagem 3D com as características de uma imagem real. Mas não há problema em reconhecer a imagem 3D do ponto de observação porque o observador pode reconhecer uma imagem clara mesmo ao visualizar o ponto da imagem 3D em qualquer profundidade dentro da faixa de profundidade do DOF.

A tecnologia de exibição 3D para resolver esse problema VAC deve ser capaz de controlar a saída de luz da profundidade da imagem virtual, semelhante à tecnologia holográfica15,16. Ou implemente uma exibição espacial para fornecer imagens 3D como em um dispositivo de exibição de imagem volumétrica17,18,19. Essas tecnologias podem ser aplicadas para exibições 3D sem vidro em geral, mas as tecnologias de holograma ainda têm algumas limitações no desempenho de moduladores de luz espacial que exibem amplitude e fase para um aplicativo, e exibições 3D volumétricas também têm o problema de limitar o espaço para exibições 3D . Portanto, eles têm dificuldade considerável no desenvolvimento de telas 3D comerciais. Portanto, a pesquisa e o desenvolvimento de exibições 3D que podem fornecer informações de ajuste de foco têm sido tentadas principalmente na área de exibição do olho próximo (NED)20,21,22. No NED, vários estudos foram conduzidos para expandir a área de profundidade na qual o ajuste de foco é fornecido para que possa ser utilizado mesmo se a área de visualização de imagens 3D for limitada. Além disso, existem vários métodos para satisfazer o ajuste de foco no método de paralaxe total23, método de super multivisualização (SMV)24 e método de campo de luz25,26. Além disso, pode ser aplicada uma tecnologia para alterar a profundidade da tela virtual27,28. Se a condição óptica para expansão DOF for formada, no caso de uma exibição 3D no tipo de visão Maxwelliana, mesmo que apenas um ponto de vista seja fornecido ao monocular, uma imagem 3D nítida sempre pode ser visualizada quando a profundidade do olhar binocular é dentro da faixa de profundidade de DOF. Em particular, o método SMV sugere a possibilidade de fornecer uma pista para a informação de controle de foco, fornecendo mais de dois pontos de informação de paralaxe dentro de uma pupila. Assim como a informação de profundidade pode ser inferida a partir da informação da imagem de ambos os olhos usando a disparidade binocular, ela começa com a suposição de que uma pista para o ajuste do foco artificial pode ser fornecida ao fornecer informações sobre duas ou mais disparidades a um único olho, de modo que a informação de profundidade possa ser obtida. ser fornecido mesmo em um único olho. Nesse caso, o DOF de cada imagem do ponto de vista formando SMV deve ser amplo para fornecer informações de controle de foco artificial e, mesmo que o foco seja deslocado para várias profundidades, uma imagem nítida pode ser vista29,30,31. Neste contexto, a implementação de uma única imagem de paralaxe com um amplo DOF é um fator importante na realização de vários tipos de imagens 3D, incluindo SMV32,33,34,35. Portanto, este aplicativo pode ser usado mesmo se apenas um ponto de vista for fornecido ao monocular no caso de uma exibição 3D na forma de uma visão Maxwelliana. Além disso, quando um sistema óptico com uma ampla faixa de profundidade de DOF é aplicado a uma estrutura óptica, como visão Maxwelliana, SMV, IP e campo de luz, efeitos semelhantes a hologramas podem ser obtidos como em documentos de referência29,34,35 aplicados a SMV. Consequentemente, uma imagem 3D semelhante a uma imagem de holograma, que é a imagem 3D final, pode ser gerada.