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모바일과 TV를 불문하고 또렷하고 선명한 고해상도 디스플레이가 대세인 요즘, 영상을 더욱 실감나게 표현하는 3D(삼차원) 입체영상 기술은 과거 3D 안경부터 현재 VR에 이르기까지 지금도 꾸준히 발전하고 있습니다.

오늘은 대표적인 3D 디스플레이 기술들에 대해서 살펴보겠습니다.

 

양안시차를 이용한 2안 방식 (stereoscopic display)

3D 디스플레이는 일반적으로 양안시차를 활용해 입체 영상을 표시합니다. 영상 인식 정도에 따라, 2안 방식(stereoscopic display)과 3차원 방식(volumetric display)이 있는데 안경의 착용 여부, 시점 등에 따라 구분됩니다.

인간은 좌우 눈을 통해 서로 다른 방향에서 하나의 물체를 바라보면서 대상을 입체적을 인식하게 됩니다. 이것을 ‘양안시차’라고 하며, 3D 디스플레이의 대부분은 이와 같은 양안시차를 이용해 입체 영상을 구현합니다. 양쪽 눈에 서로 다른 각도에서 관찰된 영상이 입력되면 두뇌작용으로 공간감을 인식하게 되는데, 흔히 2대의 카메라를 활용하거나 1대의 카메라에 2개의 렌즈를 부착시켜 서로 다른 영상을 촬영합니다.

▲ 일반적인 3D TV의 경우 2안 방식을 사용하며 위 그림과 같이 양안시차로 인해 사물을 입체적으로 느끼게 된다.

현재 상용화된 2안 방식은 주로 셔터안경 또는 편광안경을 사용해 입체감을 느낄 수 있게 하는 방식입니다. 2개의 렌즈로 촬영된 영상이 다시 2개의 안경알을 통해 뇌에서 1개의 영상으로 합쳐지는 것이죠. 특히 셔터안경은 TV에서 좌/우 눈에 보여줄 영상을 프레임별로 번갈아 보여주고, 안경도 이에 맞게 안경 자체에 탑재된 셔터를 열고 닫는 방식으로 각각의 눈에 서로 다른 시각정보를 전달합니다. 이를 통해 유발된 양안시차가 뇌에서 재구성되어 입체감을 느낄 수 있습니다.

편광안경은 셔터와 다르게 프레임별로 영상을 보여주는 것이 아니라, 하나의 화면을 여러 개의 라인으로 쪼개서 좌/우용 2개의 영상을 동시에 표현하되, TV화면에 편광필름을 붙여 시청자의 편광안경과 매칭해 양안시차를 이용하는 방식입니다. 참고로 최근 몇년 사이에 다양한 제품이 등장한 VR(virtual reality) 제품들도 양안시차를 이용한 2안 방식의 원리를 이용한 3D 디스플레이입니다. VR 내부의 좌/우 디스플레이가 애초부터 서로 다른 영상을 보여주기 때문에 TV와 달리 안경이 필요 없습니다. VR에는 부드럽고 자연스러운 영상 표현을 위해 반응속도가 LCD보다 빠른 OLED가 디스플레이로 주로 사용되고 있습니다.

한편 안경이 필요 없는 무안경 3D 방식도 국내외 전시회 등에서 소개된 바 있습니다. 삼성디스플레이는 지난 SID 2017에서라이트 필드 디스플레이(Light Field Display)’라는 무안경 방식의 입체영상 디스플레이를 소개해 인기를 끌었습니다. ‘라이트 필드기술은 보는 사람의 위치에 따라 조금씩 다르게 보이는 실물의 모습을 디스플레이에서 구현함으로써, 기존보다 완성도 높은 무안경 3차원 영상을 표현합니다.

라이트 필드 디스플레이는 RGB패널 위에 격벽(Barrier) 또는 렌티큘러 렌즈와 같은 소재를 융합해 패널에서부터 시청자의 양 눈에 서로 다른 영상 정보만 입력되게끔 하는 원리입니다.

삼성디스플레이가 소개한라이트 필드 디스플레이 30도의 넓은 시야각을 제공하며, 1.15도 간격으로 생성하는 26개의 시점 영상을 통해 자연스러운 입체 영상을 재현합니다. 이 기술은 모바일, HMD(헤드마운트디스플레이), 차량용 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 것으로 예상됩니다.

 

공간에 빛을 쏘는 3차원 홀로그램 방식 (volumetric display)

3차원 방식의 경우 아래와 같이 실제 공간에 빛을 쏘아 입체적인 빛의 흐름을 만드는 방식으로, 시청자들이 움직임과 관계없이 모든 시점에서 사물을 관찰할 수 있습니다. SF영화에 자주 등장하는 홀로그램이 이와 같은 방식입니다.

홀로그램은 빛의 간섭현상에 의해 입체 영상이 구현되는 것으로 아날로그와 디지털 방식이 있습니다. 삼성디스플레이는 SID 2016 전시회에서 ‘디지털 홀로그래픽 3D’ 제품을 선보였습니다. 디지털 방식은 수학적 계산과 처리를 통해 간섭 무늬를 만들고 데이터로 기록하여 3D 영상을 재생하는 것입니다.

디지털 홀로그래픽 디스플레이는 디스플레이를 통해 실시간 기록되는 이미지를 가간섭성이 있는 광원을 활용해 3차원 입체 영상으로 구현한 것입니다. 가간섭성이란 길다란 실 같은 빛의 성질을 의미합니다. 형광등, 백열등, LED등은 이런 간섭성이 없어, 짧은 실 조각같은 광선이 사방으로 퍼져나갑니다.

홀로그램은 광선들이 서로 만나 간섭’하는 원리를 통해 이미지를 형성합니다. 광선들이 ‘보강 간섭’하는 위치에서 밝은 빛으로 된 ‘점’이 생기고 이러한 ‘점’을 수천 수만 개씩 원하는 이미지 패턴으로 만들어 주면 공간에 떠있는 3차원 입체 이미지가 만들어지는 것인데요. 이런 ‘간섭’으로 이루어지는 빛의 점들이 디스플레이로 얘기하면 ‘픽셀’의 역할을 한다고 볼 수 있습니다.

※ 간섭: 두개 이상의 빛의 파동이 한 점에서 만날 때 진폭이 서로 합해지거나 상쇄되는 현상. 보강간섭과 상쇄 간섭이 있다.
※ 보강간섭: 두 파동이 서로 만나 마루와 마루, 골과 골이 일치하여 원래 파동 진폭의 2배가 되는 것.

3차원 입체 영상을 구현하기 위해서는 패널에 특별한 패턴을 띄워, 백라이트에서 나오는 빛이 이 패턴을 통과하도록 하는데요. 패널에 띄우는 이 패턴은 구현하고자 하는 입체 이미지를 먼저 정하고 이를 수학적 원리로 역산하여 만들어진 것입니다.

디스플레이는 각 픽셀 별로 통과한 백라이트 빛을 변조하여 수많은 광선으로 나누고 방향을 틀어주는 역할을 합니다. 빛이 회절’하고 강도가 변하면서 특정 공간 상에 원하는 광선들이 만나 서로 간섭하게  만드는 것이지요.

※ 빛의 회절 : 빛이 진행 도중 틈이나 장애물을 만나면 그 뒤에까지 돌아 들어가는 현상

오늘은 가장 대표적인 3D 디스플레이 원리 2가지에 대해서 알아보았습니다앞으로 더욱 진화할 3D 디스플레이 기술의 미래가 더욱 궁금해집니다.

 

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