3D display technology and devices (Wang Qionghua)

\"3D Display Technology and Devices\" introduces 3D display technology and devices in a comprehensive and systematic way. \"3D Display Technology and Devices\" briefly introduces the principle of human stereoscopic vision, 2D display technology and devices, and 3D animation technology; it focuses on the structure, principle, and related technologies of various 3D displays and systems such as assisted vision 3D display, grating 3D display, integrated imaging 3D display, volumetric 3D display, and holographic 3D display. For assisted vision/grating 3D display, it also introduces in detail the method of obtaining parallax images based on stereoscopic shooting and 2D to 3D conversion technology, multi-viewpoint video compression and encoding technology, and the causes and improvement methods of stereoscopic viewing fatigue. Finally, it lists the application examples of 3D display. Contents Preface Chapter 1 Introduction 1 1.1 Concept and classification of 3D display 1 1.2 Development history of 3D display 3 1.3 Application and significance of 3D display 5 1.4 The main content of this book 7 References 9 Chapter 2 Principles of stereoscopic vision 11 2.1 Human visual function 11 2.1.1 Brightness resolution 11 2.1.2 Spatial resolution 13 2.1.3 Temporal resolution 14 2.1.4 Color resolution 15 2.1.5 Eye movement 16 2.1.6 Spatial perception 16 2.2 Binocular vision 16 2.2.1 Binocular field of view 16 2.2.2 Binocular visual function 17 2.3 Depth cue 18 2.3.1 Psychological depth cue 18 2.3.2 Physiological depth cue 20 2.4 Illusion image 23 2.5 3D display principle based on binocular parallax 25 References 26 Chapter 3 Overview of 2D Display Technology and Devices 28 3.1 LCD Technology and Devices 28 3.1.1 Overview of LCD 28 3.1.2 Three Main LCD Devices 30 3.1.3 LCD Working Modes 32 3.2 PDP Technology and Devices 34 3.2.1 Structure and Principle of PDP 34 3.2.2 Types of PDP 35 3.2.3 Characteristics of PDP 37 3.3 OLED Technology and Devices 38 3.3.1 Structure and Principle of OLED 38 3.3.2 Common OLED Materials 40 3.3.3 Types of OLED 41 3.4 Projection Display Technology and Devices 42 3.4.1 LCD Projector 42 3.4.2 LCOS Projector 44 3.4.3 DLP Projector 46 3.5 Other 2D Display Technologies and Devices 48 3.5.1 FED Device 48 3.5.2 VFD Device 49 3.5.3 3.5.4 Electrophoretic Display Technology 50 3.5.5 Laser Display 51 References 51 Chapter 4 3D Animation Technology 54 4.1 Development and Characteristics of 3D Animation 54 4.1.1 Development of 3D Animation 54 4.1.2 Characteristics of 3D Animation 55 4.2 Basics of 3D Geometric Modeling 57 4.2.1 Geometric Elements of 3D Graphics System 57 4.2.2 Data Model and Process Model for Shape Representation 59 4.3 Regular Entity Operation and 3D Object Representation Method 61 4.3.1 Regular Operation of 3D Entities 61 4.3.2 3D Object Representation Method 63 4.4 Computer 3D Graphics Processing 67 4.4.1 Model Processing 67 4.4.2 Lighting Processing 67 4.4.3 Material Processing 68 4.4.4 Other Processing 69 4.5 Introduction to 3D Modeling Software 3dsMax 69 References 71 Chapter 5 Assisted Vision 3D Display Technology and Devices 72 5.1 Color Separation 3D Display Technology and Devices 72 5.1.1 Principles and Devices of Complementary Color 3D Display 72 5.1.2 Spectral Separation 3D Color Display Technology 73 5.2 Polarized Light 3D Display Technology and Devices 74 5.2.1 Structure and Principle of Polarized Light 3D Display 75 5.2.2 Single Projector Polarized Light 3D Display System 76 5.2.3 Direct View Polarized Light 3D Display 76 5.3 Shutter 3D Display Technology and Devices 77 5.3.1 Structure and Principle of Shutter 3D Display System 77 5.3.2 Liquid Crystal Shutter Glasses and Their Matching Display Modes 79 5.4 Helmet 3D Display 81 5.4.1 Structure and Principle of Helmet Display 81 5.4.2 Component Design of Helmet Display 82 References 85 Chapter 6 Grating 3D Display 87 6.1 6.1.1 Basic structure and working principle of grating 3D display 87 6.1.2 Components of grating 3D display 89 6.1.3 Multi-viewpoint 3D display and tilted grating 91 6.2 Design of slit grating 92 6.2.1 Design of front slit grating 92 6.2.2 Design of rear slit grating 93 6.3 Design of cylindrical lens grating 94 6.3.1 Light transmission characteristics of cylindrical lens unit 95 6.3.2 Determination of cylindrical lens grating parameters 96 6.4 Method for generating synthetic images 97 6.5 Viewing area and crosstalk of grating 3D display 100 6.5.1 Stereoscopic viewing area 100 6.5.2 Crosstalk of stereoscopic images 102 References 104 Chapter 7 Grating 3D Display Technology 106 7.1 Method for eliminating moiré fringes 106 7.2 Methods for Eliminating Pseudo-stereoscopic Images 109 7.2.1 Black Parallax Image Method 109 7.2.2 Polarized Stripe Grating Method 110 7.2.3 Head Tracking Method 112 7.3 Methods for Reducing Crosstalk in Slit Grating 3D Displays 114 7.3.1 Method Based on Reducing the Width of Slit Grating Transmitting Strips 114 7.3.2 Method Based on Step Slit Grating 115 7.3.3 Method Based on Double Slit Grating 116 7.4 Methods for Reducing Crosstalk in Rod Lens Grating 3D Displays 117 7.4.1 Method Based on Parallax Image Grayscale Adjustment 117 7.4.2 Method Based on Sub-pixel Position Adjustment 118 7.5 Methods for Realizing High-Resolution 3D Displays 121 7.5.1 Spatial Multiplexing Technology 121 7.5.2 High Frame Rate Technology 122 7.5.3 Double Grating Technology 123 7.6 7.6.1 2D/3D display compatibility implementation method of slit grating 125 7.6.2 2D/3D display compatibility implementation method of cylindrical lens grating 127 References 129 Chapter 8 Parallax image acquisition-stereoscopic shooting technology 132 8.1 Stereo camera structure 132 8.1.1 Concept of stereo camera and stereo shooting 132 8.1.2 Stereo camera placement structure 133 8.2 Relationship between object space and display image space 135 8.2.1 Coordinate system transformation between object space and display image space 135 8.2.2 Relationship between object space and display image space of various camera structures 137 8.3 Stereo image distortion 140 8.3.1 Depth nonlinearity 140 8.3.2 Shearing distortion 141 8.3.3 Puppet show effect 141 8.3.4 Cardboard effect 142 8.3.5 Keystone Distortion 142 8.3.6 Color Distortion 143 8.4 Parallax Distortion Correction Method for Parallax Images 144 8.5 Color Correction Method for Parallax Images 146 8.6 Parallax Image Shift Method 148 8.7 Method for Selecting Stereo Camera Spacing 150 References 151 Chapter 9 Parallax Image Acquisition: 2D to 3D Technology 154 9.1 Depth Image Extraction Method Based on Binocular Parallax 154 9.1.1 Stereo Matching Algorithm 154 9.1.2 Depth Image Calculation 157 9.2 Workflow of Stereo Matching Algorithm 158 9.2.1 Selection of Matching Primitives 158 9.2.2 Constraint Criteria for Stereo Matching Algorithm 159 9.2.3 Similarity Measurement 161 9.3 Depth Image Extraction Method Based on Motion Parallax 162 9.3.1 Motion Analysis 163 9.3.2 Depth description based on motion vectors 166 9.4 Depth image extraction method based on linear perspective 166 9.4.1 Extraction of vanishing lines and vanishing points 167 9.4.2 Gradient surface construction and depth allocation 167 9.5 Other depth image extraction methods 169 9.5.1 Method based on atmospheric perspective 170 9.5.2 Method based on defocus 170 9.5.3 Method based on focusing 171 9.5.4 Method based on single image defocus 172 9.6 Subsequent Processing Methods of Depth Images 173 9.6.1 Bilateral Filtering 173 9.6.2 Joint Bilateral Filtering 174 9.6.3 Three-step Joint Bilateral Filtering 175 9.7 Methods for Generating Disparity Images 175 9.7.1 Principles of Generating Disparity Images 176 9.7.2 Calculation of Actual Depth of Scene 177 9.7.3 Methods for Generating Disparity Images 178 References 179 Chapter 10 Multi-view Video Compression and Coding 182 10.1 Representation of Multi-view Images 182 10.1.1 2D Image Plus Depth Image Representation 182 10.1.2 Object/Model Representation 183 10.1.3 Fractal Representation 183 10.1.4 Transform Domain Representation 183 10.2 Compression Methods for Multi-view Images 184 10.2.1 Prediction Method 184 10.2.2 Factors Affecting Disparity Calculation in Prediction Methods 185 10.2.3 Transform Domain Method 186 10.2.4 Fractal Method 187 10.3 Coding Methods for Multi-View Image 188 10.3.1 Codec Structure 188 10.3.2 Coding Methods 188 10.4 MPEGG2 and MPEGG4 Coding Protocols 191 10.4.1 MPEGG2 Coding Protocol 191 10.4.2 MPEGG4 Coding Protocol 193 10.5 H.264/MPEGG4 AVC Coding Protocol 194 10.6 Multi-View Video Coding 197 10.6.1 MVC Standard 198 10.6.2 MVC Coding Tool 200 References 201 Chapter 11 Stereoscopic Viewing Fatigue 203 11.1 Overview of Stereoscopic Viewing Fatigue 203 11.1.1 11.1.2 Causes of stereoscopic viewing fatigue 204 11.1.3 Evaluation methods of stereoscopic viewing fatigue 205 11.2 Binocular convergence and focus adjustment 207 11.3 Device factors causing stereoscopic viewing fatigue 208 11.3.1 Assisted 3D display 208 11.3.2 Lens 3D display 210 11.4 Other factors causing stereoscopic viewing fatigue 210 11.4.1 Horizontal parallax and vertical parallax 210 11.4.2 Defective left-right parallax images 212 11.4.3 Viewers and viewing environment 213 References 214 Chapter 12 Integrated imaging 3D display technology and system 216 12.1 Overview of integrated imaging 216 12.1.1 Principles of integrated imaging 216 12.1.2 Characteristics of integrated imaging 217 12.1.3 12.1.4 History of Integrated Imaging 218 12.2 Display Modes and Viewing Characteristics Parameters 219 12.2.1 Display Modes 219 12.2.2 Viewing Characteristics Parameters 221 12.3 Depth Inversion and Its Solutions 223 12.3.1 Causes of Depth Inversion 223 12.3.2 Real-Virtual Mode Conversion Method for No Depth Inversion 224 12.3.3 Two-Step Shooting Method for No Depth Inversion 225 12.4 Gradient Index Lens Method for Crosstalk Elimination and Depth Inversion 226 12.4.1 Characteristics of Gradient Index Lens 226 12.4.2 Principles of Crosstalk Elimination and Depth Inversion 227 12.5 Technologies for Improving Image Resolution and Viewing Angle 230 12.5.1 Technologies for Improving Image Resolution 231 12.5.2 Technologies for Increasing Viewing Angle 232 12.6 12.6.1 Compound lens array method 233 12.6.2 Variable focus lens array method 234 12.6.3 Dual display method 235 12.7 3D/2D switchable integrated imaging display system 236 References 239 Chapter 13 Volumetric 3D display technology and system 241 13.1 Volumetric 3D display technology and system based on dynamic screen 241 13.1.1 Display system structure 241 13.1.2 Characteristics of dynamic screen 242 13.1.3 3D imaging principle and process 244 13.1.4 Technical issues of performance improvement 245 13.2 Volumetric 3D display technology and system based on up-conversion luminescence 243 3D Imaging Principles and Processes 244 13.1.4 Technical Issues in Improving Performance 245 13.2 Volumetric 3D Display Technology and System Based on Upconversion Luminescence 243 3D Imaging Principles and Processes 244 13.1.4 Technical Issues in Improving Performance 245 13.2 Volumetric 3D Display Technology and System Based on Upconversion Luminescence 24