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

안녕하세요:)
코인 하락장에서 부숴진 멘탈 좀 수습하느라 포스팅을 못했네요..
오랜만에 과학 이야기로 돌아왔습니다.

지금까지 가상현실과 증강현실 내용에 대해 간단히 설명을 드렸는데요, 이쪽 분야에 대한 차후 내용들을 설명하려고 보니까 짚고 넘어가야 하는 영역이 좀 많더라고요.

그런 내용들을 한 포스팅 내에 죄다 써버리면 너무 길어지고 지루해질 것 같아서 조금 나누어 쓰기로 결심했습니다.

우선적으로 삼차원 디스플레이에 대해서 설명을 드리고자 합니다.

가상현실 편에서 이미 설명 드렸듯이, 여러분들이 일상생활에서 접하는 삼차원 영상은 주로 안경과 같은 보조 장비를 통해서 전달됩니다.
(https://steemit.com/kr-science/@seokil/moon-s-science-world-1)

왼쪽 눈에 들어가야 하는 영상과 오른쪽 눈에 들어가야 하는 영상을 알맞게 투사시켜줌으로써 삼차원 정보를 인지할 수 있게 해주는 원리이죠 (이 모든 내용은 앞 선 링크에 담겨있습니다).

그리고, 많은 엔지니어들이 이런 불편한 보조장비 없이 삼차원 영상을 볼 수 있는 방법에 대해 연구를 진행해왔습니다.

오늘은 그 방법 중 하나인 '시차격벽'에 대해서 얘기해볼까 합니다.

시차격벽

집에 있는 일반적인 TV에서 나오는 화면은 2D입니다.
때문에 여러분들이 어느 위치에서 그 TV를 시청하셔도 같은 정보를 받아들이게 되죠.
아래 그림처럼 말입니다.

(Photo by Alamy)

그림에서 보이는 남성과 여성 그리고 아이들은 모두 같은 영상을 보고 있을 겁니다.
다시 말해서 관측자의 위치가 바뀌어도 변하지 않는 영상을 관찰하고 있는 것이죠.

삼차원 영상이 표현되기 위해서는 아래와 같이 관측자의 상대적인 위치가 바뀜에 따라 표현되는 영상의 모습이 알맞게 바뀌어야 합니다.

이제 시차격벽에 대한 내용을 다루기 위해 조금 더 작은 픽셀 단위로 생각해보겠습니다.
여러분들도 아시다시피 디스플레이에 표현되는 영상은 픽셀이라는 작은 발광체 단위로 이루어져 있습니다.

여러분이 일반적인 가정집 TV를 보는 상황을 간단히 표현하면 아래와 같습니다.

(각 픽셀에서 나오는 빛을 화살표로 표시하겠습니다.)

그림을 보시면 파란색 픽셀에서 나오는 정보(파란색 화살표)가 관측자 셋에게 모두 전달되는 것을 알 수 있습니다.
마찬가지로 빨간색 픽셀과 초록색 픽셀에서 나오는 빛들 모두 세 관측자에게 모두 전달이 됩니다.
때문에 관측자들은 모두 같은 정보를 받아들이게 되는 것이죠.

다시 말해, 관측자들에게 위치별로 다른 영상을 제공해주기 위해서는 관측자들이 위치별로 받아들이는 픽셀의 정보가 달라야 한다는 것입니다.
하지만, 하나의 픽셀은 같은 정보를 가진 빛을 모든 방향으로 뿜어내기 때문에 특별한 장치가 필요합니다.
그것이 시차격벽입니다.

시차격벽(parallax barrier)을 말 그대로 시차를 주기 위해 디스플레이 패널 앞에 격벽을 세우는 것을 의미합니다.
이렇게 격벽을 세우게 되면 모든 방향으로 뿜어져 나오는 빛 중 특정 방향으로 나가는 빛은 통과시키고, 또 특정 방향으로 나가는 빛은 막아줄 수가 있습니다. 아래 그림처럼 말이죠.

이런 격벽을 이용하면 관측자로 하여금 특정 위치에서 원하는 영상을 시청할 수 있게 만들어줄 수 있습니다.
두 위치에서 서로 다른 영상을 보여주는 시차격벽 시스템을 예로 그려보겠습니다.

위 그림처럼 디스플레이 앞에 알맞은 시차격벽을 놓게되면 빨갛게 표시되어 있는 픽셀들은 밑에 있는 관측자에게만 전달되고, 위에 있는 관측자에게는 격벽에 가로 막혀서 전달되지 않습니다. 반대로 파랗게 표시되어 있는 픽셀들은 위에 있는 관측자에게는 정보를 제공하지만, 밑에 있는 관측자에게는 격벽 때문에 정보를 줄 수 없게 되죠.

위와 같은 시스템을 만든 뒤, 두 개의 영상을 픽셀 단위로 쪼개서 반복적으로 디스플레이 패널에 띄워주면 위치마다 다른 영상을 제공하는 디스플레이를 만들 수 있습니다.

이해를 돕기 위한 그림입니다.
물론 저렇게 쪼개면 안되겠죠. 픽셀 단위로 잘라서 붙인 뒤 디스플레이에 띄우는게 맞습니다 (픽셀로 쪼개서 붙인 영상을 보여드리는 것 보다는 이게 이해가 쉬울 것 같아서).
위와 같은 영상을 알맞은 시차격벽을 놓고 관측하게 되면 어떤 위치에서는 산이, 또 다른 위치에서는 바다가 보이는 거죠.

만약 영상 1을 삼차원 물체의 한쪽 모습, 영상 2를 같은 삼차원 물체의 다른 쪽 모습으로 설정하면 안경 없이 삼차원 정보를 받아들일 수 있게 되는 원리입니다.
나아가 시차격벽을 잘 설계해서 두 위치가 아닌 여러 위치에서 서로 다른 영상을 볼 수 있게 만들어주면 보다 자연스러운 삼차원 영상을 제공하는 시스템을 만들 수 있습니다.
(설계를 어떤 방식으로 하는지에 대해서는 언급하지 않겠습니다. 기본 원리만 최대한 쉽게 알려드리는 것이 목적이니까요:) )

그렇다면 시차격벽의 단점은 무엇일까요?

우선 마지막 그림을 보면 한 가지 단점을 발견할 수 있습니다.
우리가 가지고 있는 TV의 해상도가 1920 x 1080 (Full HD)이라고 생각하고, 영상 1과 영상 2의 해상도가 각각 1920 x 1080 이라고 생각하면 디스플레이에 들어가는 영상은 3840 x 1080이 됩니다 (두 영상을 쪼개서 합쳤으니까요).
그런데 이 해상도는 TV 해상도를 넘기 때문에 TV로 그 영상을 온전히 표현할 수 없습니다.
이를 해결하기 위해서는 영상 1과 영상 2의 해상도를 모두 960 x 1080으로 낮춘 뒤 합쳐주어야 합니다.
즉, 하나의 이미지를 보면 1920 x 1080의 고해상도 이미지를 볼 수 있었던 TV였는데, 위치에 따라 서로 다른 두 개의 영상이 나오게 만들면, 각각의 영상의 가로 해상도가 반으로 줄어든 '상대적 저해상도' 이미지 밖에 볼 수 없는 것입니다.
만약 두 개의 영상이 아니라 위치에 따라 세 개, 네 개의 영상을 보고 싶으면 그만큼 해상도는 더 저하될 수 밖에 없는 것이죠.

두 번째는 격벽을 앞에 둔다는 것 자체가 특정 방향으로 나가는 빛을 막아준다는 컨셉이기 때문에 그만큼 밝기 손실이 생긴다는 것입니다. 많은 영상을 제공하기 위해 격벽이 촘촘해지면 그만큼 표현 되는 이미지는 어두워지게 됩니다.

위 같은 두 단점에도 불구하고, 제작하기 편하고 그 컨셉이 간단하다는 장점 때문에 많이 연구되어온 분야입니다.
간혹가다가 여기저기 전시되있는 모습을 볼 수 있었는데, 여러분도 보셨는지 모르겠네요ㅎㅎ

시차 격벽에 대한 내용은 이정도로 마무리 짓도록 하겠습니다.

다음에는 또 다른 방식의 무안경식 삼차원 디스플레이에 대해 설명하도록 하겠습니다.

감사합니다:)