Development of Large-Scale Three-Dimensional Displays for Immersive Viewing Experiences

Abstract

Over the past century, as display technology has evolved, people have increasingly demanded more realistic and immersive experiences. With the advancement of technology, high-definition large-scale displays are feasible, and three-dimensional (3D) displays for a more immersive experience are now emerging as the next step. However, there is a problem in achieving a 3D image from a two-dimensional (2D) panel because much more information is required than before. Since this need overwhelms the information capacity of current displays, various systematic methodologies have been defined and developed to overcome the limited information. Nevertheless, each and every 3D display technology has its own trade-offs. As a result, various limitations, such as visual fatigue, low resolution, and narrow viewing angle, have hindered the user's immersive 3D experience. In the end, with the development of hardware, a new optical methodology that can address the limitation of information capacity should be developed for a truly immersive 3D display.

In this dissertation, the author presents research conducted from a new perspective that addresses the limitations by combining the benefits of previously developed methodologies for the 3D display. Accordingly, three optical systems are newly introduced to overcome existing limitations for a more immersive experience. First, the author proposes a tomographic projection system that provides appropriate focus cues by applying a multifocal technique in the stereoscopic system. This system can potentially alleviate visual fatigue and ensure a more immersive viewing experience in a space such as a movie theater while extending the depth range of 3D objects right in front of the user. Second, the author proposes a light field projection system that can enhance 3D image quality even in a comfortable viewing environment without stereo glasses. In this system, the information between the integral imaging and multifocal display is optically converted to achieve ultrahigh-definition light fields. Finally, in the holographic display that can freely express 3D objects, the bandwidth, which is the limiting point, is effectively extended. Here, the viewing angle is widened while reducing the speckle noise by applying a multiple illumination strategy, and at the same time, the binary mask gives a degree of freedom to include more information. As a result, the author proposes a holographic system that can efficiently compress the information of holograms nine times through optimization.

Currently, ultrahigh-resolution and ultra-large displays have already become a reality with the rapid development of technology. As the virtual world is getting closer to reality via the metaverse, the author firmly believes that the next step forward will be truly 3D displays with immersive experiences. In this context, it is hoped that this dissertation will provide a new perspective and contribute to the further development of the 3D display field.

디스플레이가 개발된 이후로 대중들은 더욱 실제와 같은 영상을 원해왔다. 기술의 발달로 고화질의 대화면 디스플레이가 가능해진 지금, 보다 몰입감 있는 경험을 향해 3차원 디스플레이 분야가 발전해나가고 있다. 그러나, 기존 2차원 화면에서 3차원 영상을 표현하는 일은 전보다 더 많은 정보를 필요로 한다. 이는 현재 디스플레이의 가용한 정보 수준을 훨씬 넘어서기 때문에 그동안 여러 형태의 시스템적인 방법론들이 해결을 위해 개발되어 왔다. 그런데도 3차원 디스플레이 기술들은 저마다 본질적인 한계를 갖게 되었고, 결과적으로 시각적 피로, 줄어든 해상도, 좁은 시청 각도와 같은 시청 경험을 저해하는 요인을 만들었다. 결국 완전한 몰입감의 진정한 3차원 디스플레이를 위해서는 하드웨어의 발전뿐만 아니라, 제한된 정보량에 기인한 한계점을 해소할 수 있는 광학적으로 새로운 형태의 방법론이 개발되어야 한다.

본 학위논문에서 저자는 기존 개발된 방법론을 적극적으로 활용하여 새로운 관점에서 이들을 조합하는 것으로 장점은 더하면서 단점은 보완하는 연구를 진행한다. 그 과정에서 기존의 한계를 극복하고 몰입 경험을 향상할 수 있는 세 가지의 새로운 광학 시스템을 소개한다. 첫 번째로, 안경형 디스플레이 시스템에서 다초점면 기술을 도입하여 알맞은 단안 초점 단서를 제공하는 토모그래픽 프로젝션 시스템을 제안한다. 이를 통해 발생 가능한 시각적 피로를 완화하고, 3차원 물체의 깊이 범위를 바로 눈앞까지 확장하면서 영화관과 같은 공간에서 더욱 몰입감 있는 시청 경험을 만들어낼 수 있다. 두 번째로, 안경 없는 간편한 시청 환경에서도 높은 성능의 3차원 영상을 만들어낼 수 있는 라이트 필드 프로젝션 시스템을 제안한다. 이때 집적 영상과 다초점면 디스플레이 간의 다른 정보를 광학적으로 연장하여 이전에 없던 초고해상도의 라이트 필드를 달성한다. 세 번째로, 저자는 자유롭게 3차원 물체 표현이 가능한 홀로그래픽 디스플레이에서 한계점인 대역폭을 확장하였다. 여기서 다중 광원 방법을 도입하여 시청 각도를 넓히면서 스페클 노이즈를 경감시켰으며, 동시에 이진 마스크로 더 많은 정보를 표현할 수 있는 자유도를 부여하였다. 결과적으로 최적화를 통해 정보를 9배 압축하여, 효율적으로 홀로그램을 구현할 수 있는 홀로그래픽 시스템을 제시한다.

눈으로 구분할 수 없는 초고해상도 화면부터, 건물을 수놓은 초대형 디스플레이까지 상상 속 기술들이 이미 현실로 다가왔다. 메타버스로 가상 세계가 점차 현실에 가까워지는 지금, 2차원을 넘어 실제 같은 몰입감을 줄 수 있는 완전한 3차원 디스플레이 또한 언젠가 반드시 개발될 것이라고 믿는다. 그 과정에 있어서 이 학위논문연구가 실용적인 새로운 관점들을 제시하고 더 나아가 3차원 디스플레이의 발전에 기여하기를 희망한다.