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Tema 7: Pantallas electrónicas
DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS
Tema 8: OTROS DISPOSITIVOS
Lluís Prat Viñas
Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Telecomunicació de
Barcelona (ETSETB)
Universitat Politècnica de Catalunya
Dispositivos optoelectrónicos
Tema 7: Pantallas electrónicas
8.- Otros dispositivos
8.1.- Papel electrónico
8.2.- Visión nocturna
8.3.- Televisión 3D
8.4.- Escaneres 3D
Dispositivos optoelectrónicos
Tema 7: Pantallas electrónicas
8.1.- PAPEL ELECTRÓNICO
El papel electrónico (y la tinta electrónica) son tecnologías que
pretenden imitar la apariencia de la tinta sobre el papel,
reflejando la luz incidente.
Entre las aplicaciones de esta tecnología se encuentra el libro
electrónico (e-book), el periodico electrónico, etiquetas
electrónicas, relojes electrónicos,...
Las tecnología de e-paper y e-ink son tecnologías emergentes
que empezaron a ser comerciales durante la última década. El
primer e-book lo comercializó Sony en 2004. El primer ensayo
de periodico electrónico fue en 2006 por el periodico belga De
Tijd. El primer reloj basado en e-paper fue comercializado por
Seiko en 2005.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Las principales tecnologías utilizadas en e-paper son: “gyricon”,
“electroforesis”, “electrowetting” y “electrofluídica”.
Muchas de estas tecnologías permiten mantener un texto o imagen
estática, de forma indefinida, sin usar electricidad, que solo se usa
para cambiar de imagen. Esto permite un menor consumo y una
lectura más cómoda, ya que no hay refresco de imagen.
También presentan un contraste y un ángulo de visión mayor que
en las pantallas electrónicas de televisión , similar al que presenta
la tinta sobre un papel normal. La pantalla se puede leer con luz
solar sin que la imagen se desvanezca.
Con frecuencia se usan pantallas de plástico para hacerlas
flexibles.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
A.- TECNOLOGÍA GYRICON
Esta tecnología de e-paper ha sido desarrollada por Xerox
Parc. Consiste en una capa flexible de plástico, dentro de
la cual hay millones de pequeñas esferas de plástico con
cada hemisferio de un color y carga eléctrica distinta, por
ejemplo, blanco-positivo y negro-negativo. Cada una de
estas bolitas puede rotar libremente dentro de una cavidad
que contiene aceite.
Cuando se aplica una tensión a un electrodo situado en la
parte inferior del e-paper, las bolas giran y muestran por
la parte superior un determinado color, tal como se
muestra en la figura. De esta forma se pueden crear
imágenes y textos. La imagen así creada persistirá hasta
que una nueva tensión se aplique a los electrodos. De esta
forma se requiere muy poca energía para activar el epaper.
Para un futuro próximo está previsto un papel electrónico
multicolor mediante tres capas gyrycon de color rojo,
verde y azul.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
B.- TECNOLOGÍA ELECTROFORÉTICA
La electroforesis es el movimiento de partículas
dispersadas en un fluido por la acción de un campo
eléctrico espacialmente uniforme. Este fenómeno fue
descubierto por el ruso Ferdinand Reuss en 1807 y tiene
una importante aplicación como técnica para separar
moléculas en el ámbito de la biología molecular (por
ejemplo ADN).
Recientemente, esta técnica ha encontrado también aplicación en el área del papel electrónico.
En su aplicación más simple, este papel electrónico consiste en una capa de entre 10 µm y 100
µm que contiene un líquido con partículas cargadas, colocada entre dos placas conductoras, la
superior transparente, formando los píxeles de la pantalla (ver figura).
La capa central contiene partículas de
dióxido de titanio de 1 µm de diámetro,
que han sido cargadas. Estas partículas
están dispersadas en un aceite de
hidrocarburo al que se le ha añadido un
colorante oscuro.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Cuando se aplica una diferencia de potencial entre las capas
conductoras, las partículas migran hacia la placa con carga
opuesta a las partículas. Cuando las partículas se sitúan en la
superficie superior reflejan la luz y se ve blanco, mientras que
cuando se agrupan en la superficie inferior la superficie superior
se ve negra porque la luz es absorbida por la tinta del aceite.
Esta realización simple presenta una vida corta debido a que las
partículas tienden a formar aglomeraciones y migraciones a las
paredes laterales. Para evitar este problema se utiliza el
microencapsulamiento en volúmenes de diámetros entre decenas
a pocas centenas de micras.
En la figura superior se muestra una división del esquema
anterior en microcápsulas, mientras que en la inferior las
cápsulas contienen dos tipos de particulas: negras de carbón con
carga negativa y partículas blancas de dióxido de titanio con
carga positiva. Un tratamiento superficial de estas partículas
provoca que se rechazen entre sí y no se unan.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
C.- TECNOLOGÍA ELECTROWETTING
El efecto “electrowetting” se define como el cambio en el
ángulo de contacto entre un electrolito y un sólido cuando se
aplica una diferencia de potencial entre ambos.
Los píxeles basados en esta tecnología estan compuestos por
dos fluidos, normalmente uno de ellos agua y el otro una
substancia hidrofóbica, como el aceite, que contiene un
pigmento. Los dos fluidos se encuentran encima de un
aislante hidrofóbico y de un electrodo, ambos transparentes.
Debajo de ellos hay un material reflectante.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Cuando no se aplica tensión el aceite coloreado forma una película entre el agua y el aislante
hidrofóbico creando un pixel coloreado.
Cuando se aplica tensión el aceite se contrae en forma de gota y deja al descubierto la
superficie blanca reflectante, con lo que el pixel se verá blanco.
Debido al pequeño tamaño del pixel, el observador solo nota la reflexión media del pixel, lo
cual asegura un alto brillo y un alto contraste.
Esta tecnología permite velocidades de conmutación dos órdenes de magnitud superiores a
las anteriores.
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D.- TECNOLOGÍA ELECTROFLUÍDICA
Esta nueva tecnología es una variante de la
electrowetting. Consiste en colocar dentro de un
depósito muy pequeño contenido en cada pixel
una dispersión acuosa de un pigmento. El área de
este depósito de del orden del 5-10% del área del
pixel.
Cuando el pigmento está dentro del depósito no
se nota su existencia, pero cuando se aplica
tensión el pigmento es empujado fuera del
depósito y cubre el pixel.
Cuando la tensión se elimina la tensión
superficial del pigmento provoca que éste vuelva
a recogerse en el depósito.
Esta tecnología fue propuesta en 2009 por la
universidad de Cincinnati y está en fase de
investigación.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PAPEL ELECTRÓNICO
Ventajas
Ecologia: ahorro de papel. Algunas aplicaciones de uso de papel, como los periódicos,
significan un coste ecológico muy importante para una aplicación que tiene una vida máxima
de 24 horas. El papel electrónico podría reducir este malgasto.
Reducción de consumo: El papel electrónico se basa en la reflexión de la luz como el papel
normal. Esto significa una reducción importante de energía comparada con las tecnologías
optoelectrónicas usadas en las pantallas electrónicas habituales
Comodidad de manejo: son pantallas muy ligeras y que pueden ser flexibles
Inconvenientes
Velocidad de transición baja: la transición entre imágenes es lenta, lo que impide aplicaciones
sofisticadas de las pantallas habituales como el “zoom”.
Efecto de pantalla quemada: cuando se cambia de imagen se tarda un tiempo apreciable en
que desaparezca del todo la imagen anterior, como ocurria antes con las pantallas de plasma.
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8.2.- VISION NOCTURNA
Visión nocturna es la capacidad de ver en condiciones de
bajo nivel de iluminación. Estas técnicas se suelen basar
en dos aproximaciones: amplificación de la tenue luz
recibida (intensificadores de imagen) y ampliación del
espectro de luz visible (iluminación activa por infrarrojos
y visión térmica).
Estos equipos se suelen denominar “dispositivos de
visión nocturna” (NVD, Night Vision Devices), y uno de
ellos son las gafas de visión nocturna (NVG, Night
Vision Googles) que disponen de un visor para cada ojo.
La visión nocturna se inició durante la segunda guerra
mundial para aplicaciones militares y se ha ido
desarrollando con nuevas tecnologías y aplicaciones en el
ámbito civil en los últimos 60 años.
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A.- VISIÓN NOCTURNA BIOLÓGICA
El ojo humano posee dos células fotosensibles: los conos y
los bastones. Los conos permiten la visión diurna (visión
fotópica), proporcionan información de color y de
espacio. Hay unos 6 millones de conos que se concentran
en la zona central de la retina, que se denomina fovea. Los
bastones permiten la visión nocturna (visión escotópica) y
proporcionan información de brillo pero no de color. Hay
unos 120 millones y se encuentran en la periferia de la
fovea, a unos 20º del centro de la retina.
Los bastones contienen un pigmento fotosensible
denominado rodopsina. Cuando la rodopsina absorbe un
fotón genera un impulso eléctrico, pero queda
“blanqueada” y deber regenerarse para que continúe la
visión. Se requieren unos 35 minutos para que la rodopsina
se regenere completamente. Este es el tiempo que tardamos
los humanos en ver en la oscuridad cuando procedemos de
un ambiente diurno.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Las longitudes de onda largas (luz roja) no afectan a la
rodopsina y suele usarse esta luz para preservar la visión
nocturna. Los piratas llevaban un ojo tapado con un parche para
tener la rodopsina “activada” y poder ver de forma inmediata en
lugares oscuros al quitarse el parche.
Otro mecanismo para ver en la oscuridad es la dilatación de la
pupila que permite multiplicar por 16 el número de fotones que
entran al ojo. Algunos animales (gatos, perros,…) tienen una
visión nocturna muy superior a la humana gracias al “tapetum
lucidum”, una membrana en la parte posterior del ojo que refleja
la luz en la retina.
La sensibilidad de visión nocturna es más de 100 veces superior a la diurna. El ojo
humano tiene la capacidad de discriminar 109 niveles de iluminación considerando la
visión diurna y la nocturna, pero en un momento dado solo discrimina 1 entre 1000, una
vez fijado el nivel del “negro”. Se ha encontrado que una persona puede detectar un
destello de luz de sólo 100 fotones. Posiblemente esta capacidad de visión nocturna fue
muy importante para la supervivencia de la humanidad en épocas prehistóricas.
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B.- ILUMINACIÓN ACTIVA
Fue la primera tecnología utilizada para la visión nocturna.
Consiste en una fuente de iluminación invisible al ojo humano y
un sensor capaz de detectarla.
Para iluminar se suele usar el infrarrojo próximo al espectro
visible (NIR, Near InfraRed) de 0,75 µm a 1,4 µm, y el infrarrojo
de onda corta SWIR (Short Wave InfraRed) de entre 1,4 a 3 µm.
Como sensor se utiliza una cámara CCD o CMOS, que son
sensibles a estas longitudes de onda y proporcionan una imagen
monocromática.
Esta técnica suele proporcionar una resolución superior a las otras tecnologías si se usa un
iluminador de infrarrojos de alta intensidad.
Sin embargo, tiene el inconveniente
de que la iluminación infrarroja
puede ser fácilmente detectada por
quien disponga de otro sensor de
infrarrojos.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Una aplicación muy frecuente de esta tecnología son las cámaras
de vigilancia nocturna consistentes en un conjunto de LEDs
infrarrojos para iluminar y un sensor de esta iluminación IR. Una
variante son los sistemas portátiles alimentados por baterias,
aunque tienen el inconveniente del consumo constante de los
LEDs.
Una variante de esta tecnología es el sistema de laser IR pulsado
de alta potencia (laser range-gated imaging). Este sistema
consiste en una especie de radar de luz infrarroja: el laser emite una serie de impulsos de alta
potencia, y la cámara dispone de un obturador que solo se abre con un impulso de puerta (gate)
sincronizado con el impulso del laser. Este sistema permite seleccionar la visión de un
determinado intervalo de distancia (range). Cuando el pulso IR emitido por el laser empieza su
propagación, es reflejado por diversos elementos (niebla, polvo, arboles,...), pero como la
cámara está cerrada estos “ecos” no
son captados. Solo lo son los que se
reciben cuando la cámara está
abierta, lo que ocurre en un
determiando intervalo de distancias y
permite ver con nitidez los objetos
en este este “rango” de distancias.
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C.- INTENSIFICADOR DE IMAGEN
Un intensificador de imagen es un dispositivo basado
en un tubo de vacío que “amplifica” la luz visible e
infrarroja incidente, proporcionando en su salida una
imagen monocromática más intensa que la de la
entrada.
La imagen de entrada (visible e infrarroja) se enfoca
sobre un fotocátodo que convierte los fotones
incidentes en electrones. Estos electrones son
acelerados hacia una placa con microcanales (MCP).
Cada electrón que entra en un canal genera miles de
electrones, de forma que a su salida la imagen
“electrónica” se ha amplificado por un factor muy
elevado. Estos electrones que salen de la MCP se
envian a una pantalla de fósforo, similar a las que se
utilizan en los tubos de rayos catódicos, que generan
una imagen monocromática.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
El corazón de este dispositivo es la placa de microcanales
(MCP). Está formada por millones de canales
microscópicos, cada uno de los cuales tiene una longitud
unas 45 veces superior a su anchura. Tiene un electrodo en
cada una de las caras entre los que se aplica una tensión
muy elevada (unos 5000 V).
Esta tensión acelera al electrón que entra en el canal, el
cual al golpear en las paredes del canal genera miles de
electrones por el fenómeno de emisión secundaria en
cascada, un fenómeno similar al mecanismo de ruptura
por avalancha de la unión PN. Para facilitar el choque del
electrón, el canal tiene una pequeña inclinación respecto al
eje del tubo. De esta forma, la imagen electrónica
incidente sale por la otra cara amplificada miles de veces.
Para evitar que la pantalla se sature debido a una luz de
entrada elevada se controla la ganancia del sistema.
El intensificador de imagen está montado en el vacio y
debe disponer de un sistema de alimentación propio.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
El desarrollo de los sistemas de visión nocturna se suele
clasificar en “generaciones”:
Generación 0 (1950): Fue la tecnología inicial usada por el
ejercito de EEUU en la II Guerra Mundial. Usaba iluminación
IR y solo aceleraba los electrones del fotocátodo para generar
una imagen en la pantalla de fósforo.
Generación 1(1960): Eliminan la iluminación IR y utilizan solo
la luz procedente de la luna y las estrellas. Usan tres primitivos
intensificadores de imagen en serie.
Generación 2 (1970): Introducen la placa de microcanales
(MCP) que proporciona una gran ganancia. Las imágenes son
de una calidad muy superior.
Generación 3 (1980): El fotocátodo se realiza con GaAs que es muy eficiente para convertir
fotones en electrones y se introduce una película protectora de iones en el MCP que
aumentaba la vida del dispositivo.
Generación 4: Se elimina la película protectora de iones y se realiza un control automático de
potencia según la intensidad de la luz incidente. Alta resolución y imagenes sin halo.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
D.- VISION NOCTURNA TÉRMICA
La visión nocturna térmica se basa en captar la radiación
electromagnética que emiten los cuerpos que están por
encima de 0ºK. El espectro que emite cada cuerpo varia
con su temperatura, y se puede detectar diferencias de
temperaturas tan pequeñas como 0,1 ºC.
En la figura inferior se muestran los espectros emitidos por
un cuerpo negro ideal a diferentes temperaturas. En la
figura A se presentan temperaturas superiores a 1000 K,
por ejemplo la del sol (unos 5500 K). Sus máximos de
emisión caen dentro del espectro visible.
En la figura B se muestran los espectros
para temperaturas entre -50ºC y 100ºC.
Para este rango de temperaturas el
máximo ocurre entre unas 7 a 10 µm, que
corresponde al infrarrojo. Así pues, para
captar estas ondas electromagnéticas se
deben usar sensores de infrarrojo.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
Los dispositivos que permiten ver imágenes producidas por
diferencias de temperatura se denominan cámaras
termográficas o cámaras de infrarrojo.
En estas cámaras la imagen recibida de radiación infrarroja se
proyecta sobre un chip constituido por una matriz de sensores
de infrarrojo. Cada elemento de esta matriz corresponde a un
píxel y mide la radiación infrarroja que incide sobre él. Está
compuesto por un elemento sensor denominado microbolómetro
más un circuito integrado de lectura que se llama ROIC
(ReadOut Circuit Integrated).
El microbolómetro se basa en una capa de material que se
calienta al absorber la radiación infrarroja (IR), haciendo que
varíe su resistencia eléctrica. Para que pueda realizar una lectura
correcta de IR debe estar aislado del substrato que contiene el
ROIC. Esto se consigue utilizando una técnica propia de los
MEMS que permite realizar capas “flotantes”. El material de la
capa absorbente de IR del bolómetro suele ser de óxido de
vanadio o de silicio amorfo.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
En el circuito de la figura se muestra el circuito ROIC utilizado.
Se usa una fuente de tensión constante Vdet que carga el
condensador Cdet a través de la resistencia de microbolómetro
durante un tiempo determinado por la apertura del transistor
M1. La carga recibida es función del valor de Rdet y por tanto de
la radiación IR recibida. La tensión que adquiere Cdet se
transmite a la salida a través de unos transistores de paso, y Cdet
puede descargarse a través del transistor de reset Srst.
En la figura de la derecha se muestra un ejemplo de cámara
termográfica.
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F.- APLICACIONES DE LA VISIÓN NOCTURNA
Los sistemas de visión nocturna han encontrado amplio uso en las siguientes áreas:
Militar
Vigilancia del cumplimiento de la ley
Seguridad
Caza
Observación de la vida salvaje
Navegación
Ocio
De singular interés es la aplicación de Visión nocturna para automóviles, que se ofrece de
forma opcional para los vehículos de alta gama
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8.3.- TELEVISIÓN 3D
La televisión 3D es un sistema de televisión que
permite lograr la ilusión de profundidad (o 3D)
utilizando técnicas estereoscópicas a partir de
imágenes bidimensionales.
Estas técnicas se basan en proyectar dos imágenes
ligeramente distintas, una para cada ojo, que al ser
procesadas por el cerebro proporcionan la
sensación de profundidad.
Hay que distinguir la televisión 3D y el cine 3D de
los generadores de imágenes en tres dimensiones
reales, basados en la holografia o en pantallas
“volumétricas” que crean puntos de luz en un
espacio tridemensional.
El primer estereoscopio fue inventado por
Wheatstone en 1838 y en 1922 se proyecto la
primera película 3D. En 1928 J. L. Baird hizo la
primera demostración de TV 3D.
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A.- PRINCIPIOS BIOLÓGICOS DE LA VISIÓN 3D
Al observar una escena con un solo ojo se obtiene una visión
monocular o visión 2D: se dispone de información de la
intensidad de la iluminación en cada punto, pero no se tiene
información de profundidad. Sin embargo, existen una serie de
factores que aportan información sobre aspectos tridimensionales
de la escena de una forma intuitiva:
Mecanismos geométricos:
a) Distribución de luces y sombras: dan sensación de volumen
b) Superposición de objetos: el más cercano “tapa” al más lejano
c) Perspectica: un objeto más cercano al “punto de fuga” será
interpretado como más lejano
d) Tamaño de los objetos: cuanto más lejos más pequeño
e) Resolución del objeto: cuanto más lejos menos detalles.
Paralaje por movimiento: cuando nos desplazamos mirando un
objeto vemos moverse en direcciones contrarias otros objetos de
la escena según estén más próximos o lejanos que el de
referencia.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
La visión binocular o esteroscópica permite la percepción
de profundidad. La señales procedentes de cada ojo son
ligeramente distintas (“disparidad binocular”) debido a que
los ojos están separados unos 6,5 cm. Mediante la fusión
binocular el cerebro obtiene una imagen única con
profundidad. Este mecanismo se denomina estereopsis. Un
mecanismo similar nos permite percibir la procedencia del
sonido a través de las diferencias de las señales de los dos
oidos.
Para la sensación de profundidad solo intervienen las
diferencias en la dimensión horizontal, siendo irrelevantes
las diferencias verticales.
Existen otras fuentes de información, como son el enfoque
y la convergencia de los ojos sobre el objeto (acomodación
de los ojos) para obtener una imagen nítida, que también
son utilizadas por el cerebro para calcular la profundidad:
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izquierdo
derecho
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B.- LA ESTEREOSCOPIA
La estereoscopia es cualquier técnica utilizada para
crear la ilusión de profundidad tridimensional a
partir de dos imágenes 2D. Cada una de estas
imágenes debe presentarse en uno de los ojos del
observador.
Existen muchas técnicas para conseguir presentar
una imagen distinta en cada ojo:
a) Visualización 3D sin aparatos
b) Esteroscopios
c) Gafas anaglifos,
d) Gafas polarizadas,
e) Gafas activas,
f) Pantallas montadas en cascos
g) Técnicas autoesteroscópicas sin gafas basadas en
barreras de paralaje o en hojas lenticulares.
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C.- VISUALIZACIÓN 3D DIRECTA
Estas técnicas consisten en conseguir que cada ojo vea una
sola de las imágenes 2D que se presentan conjuntamente. Una
es la técnica de ojos paralelos y la otra la de ojos cruzados.
En la técnica de ojo paralelos las imágenes deben estar
separadas una distancia de unos 6,5 cm. El observador debe
conseguir que los ojos miren en paralelo, hacia el infinito.
En la técnica de ojos cruzados se debe conseguir que el ojo
derecho mire la imagen izquierda y viceversa.
Ambas técnicas requieren un cierto
entrenamiento por parte del observador. Y
produce un cierto cansancio. Cuando se
consigue la visión 3D es un cambio
espectacular y las imágenes son visualizadas
con el espectro entero de colores y alta
resolución.
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D.- ESTEREOSCOPIOS
Las dificultades de la visión estereoscópica sin
instrumentos, debido a que hay que controlar
separadamente el enfoque y la convergencia de la
visión, pueden ser superadas con la ayuda de
estereoscopios.
Los estereoscopios son instrumentos simples que
facilitan la visión 3D. Permiten que cada ojo reciba
la imagen que le corresponde, bien a través de
espejos o de lentes. El primer estereoscopio fue
inventado por Wheatstone en 1838 y estaba basado
en espejos. Brewster introdujo como mejora el uso
de lentes. En 2010 Hasbro ha producido el
estereoscopio My3D para el iPhone y el iPod
Touch.
Una aplicación importante es la cartografia aérea.
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E.- SISTEMA DE GAFAS ANAGLIFO
Las imágenes de anáglifo son imágenes de dos dimensiones
capaces de provocar un efecto tridimensional cuando son
vistas con unas gafas especiales, con lentes de color
diferente para cada ojo. Este sistema proporciona una
imagen distinta para cada ojo, que se fusionan en el cerebro
para dar la sensación de profundidad (estereoscopia). Los
colores para cada ojo deben ser colores complementarios,
como el rojo-cian (el mas habitual), o azul-amarillo.
Este sistema fue patentado por Louis Ducos du Hauron en
1891. Recientemente ha adquirido un interés renovado
debido a que es el sistema más barato para ver en 3D en
internet, DVD, imágenes impresas en papel, y otros
medios. Además de su utilización en el campo del
entretenimiento su usan en ciencia y diseño y en aquellas
aplicaciones en que la visión en profundidad en importante.
Recientemente han sido utilizadas por la NASA en
vehiculos orbitales alrededor del sol.
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Tema 7: Pantallas electrónicas
http://es.scribd.com/doc/97305139/Vision-en-3D
Para las gafas rojo-cian normalmente se coloca el filtro
rojo en el ojo izquiero y el cian en el derecho.
Considerando los tres colores primarios, el filtro rojo
solo deja pasar las componentes rojas de la imagen,
mientras que el cian deja pasar las componentes azul y
verde (ver las imágenes abajo). La fusión de estas dos
imágenes en el cerebro permite reconstruir los colores y
si las imágenes de cada ojo son ligeramente distintas da
la percepción de profundidad.
Para producir la imagen se usan dos cámaras separadas unos 6,5 a 7 cm, que es la distancia
entre las pupilas. Cada cámara toma la fotografía con su filtro de color específico. Las dos
imágenes se proyectan o imprimen juntas, procurando que la parte central coincida.
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Recientemente se ha desarrollado un nuevo sistema
basado en el par de colores complementarios
amarillo-azul, patentado con el nombre ColorCode
3D. También se ha utilizado el magenta-verde.
La visión 3D con gafas anáglifos presenta el
problema de alteración de los colores, la pérdida de
luminosidad, y el cansancio visual después de un uso
prolongado.
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F.- SISTEMA DE GAFAS PASIVAS POLARIZADAS
Las dos imágenes correspondientes a cada
ojo se separan por la polarización de la luz.
La lente del ojo derecho solo permite el
paso de la luz con polarización horizontal,
mientras que la otra lente solo permite el
paso de la luz de polarización vertical. Se
proyectan en la pantalla dos imágenes
superpuestas correspondientes a los dos
ojos con un polarizador distinto en cada
proyector.
Para mantener la visión 3D el observador
debe mantener la cabeza en posición
vertical, ya que de lo contrario los
polarizadores de las gafas no podrán separar
las imágenes. Es el principal inconveniente
de este método. Para evitar este problema a
veces se usa un sistema de polarización
circular en lugar de lineal.
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Ventajas e inconvenientes
Respecto de las gafas anaglifo se obtiene una imagen de color de
mayor calidad y de mayor luminosidad.
El sistema suele ser más caro, tanto por las gafas, como por el uso
de dos proyectores (uno para cada ojo) con su sincronización
necesaria.
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G.- SISTEMA DE GAFAS ACTIVAS DE CRISTAL LÍQUIDO
En este sistema se proyectan
alternativamente en la pantalla la
imagen del ojo derecho y la
imagen del ojo izquierdo. El
observador ve la pantalla a través
de unas gafas LCD que obturan
alternativamente la visión de un
ojo y del otro de forma
sincronizada con las imágenes
proyectadas. Actualmente cada ojo
recibe 60 imágenes por segundo.
La sincronicazión se consigue a
través de un emisor de infrarrojos
situado en la pantalla. Las gafas
disponen de la circuitería eléctrica
y de la alimentación requerida (una
pila) para poder ver las imágenes.
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Ventajas e inconvenientes
A diferencia del sistema de gafas anáglifos, este sistema permite
ver las imágenes en todo el espectro de colores.
Hasta hace poco este sistema no era aplicable a muchos tipos de
pantallas planas, ya que no disponían de la frecuencia de refresco
de imágenes necesarias. Este problema está actualmente superado.
Estas gafas son más caras y pesadas que las usadas en los otros
tipos, y frecuentemente no son compatibles ya que no hay un
estandar del un sistema de sincronización.
Las imágenes suelen ser menos luminosas que en las gafas
polarizadas ya que el LCD no es del todo transparente cuando no
está bloqueado.
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H.- PANTALLAS MONTADAS EN CASCOS
Las pantallas montadas en cascos (HMD Head-Mounted Display) es
un dispositivo de visualización similar a un casco que permite
reproducir imágenes creadas por un ordenador muy cerca de los
ojos, o directamente sobre la retina. En este último caso de
denomina monitor virtual de retina.
Los HDM pueden ser monoculares, en cuyo caso las imágenes solo
se reproducen sobre un ojo, o binoculares, sobre los dos ojos,
obteniéndose una imagen 3D.
Algunos HDM se usan en sistemas de realidad virtual en los que el
usuario ve unicamente las imágenes creadas por ordenador, sin
contacto visual con el mundo exterior.
Otra aplicación es en los sistemas de realidad aumentada en los que
el usuario ve el entorno en el que se mueve junto a objetos virtuales
creados por ordenador.
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I.- PANTALLA AUTOESTEREOSCÓPICA
El observador puede ver imágenes en 3D sin gafas.
Pero debe estar en una posición determinada.
Hay dos sistemas: con barrera de paralelaje y con una
hoja de lentes delante de la pantalla. En estos sistemas,
la imagen de la pantalla se forma interpolando
columnas de dos imágenes, la correspondiente al ojo
derecho (R) y la correspondiente al ojo izquierdo (L).
La barrera de paralelaje consiste en colocar una
pantalla delante de la imagen en la que se interpolan
columnas transparente y opacas, que fuerzan que cada
ojo solo vea su imagen. Se suele usar una pantalla de
LCD para realizar la barrera de paralelaje, lo que
permite hacerla transparente para ver la imagen en 2D.
En el sistema de hoja lenticular, se utiliza la dirección
del rayo refractado sobre la superficie curva de la lente
para conseguir que cada ojo vea solo su imagen.
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J.- SISTEMA DE TELEVISIÓN 3D
En la figura se muestra el esquema de producir, transmitir y visionar en televisión 3D. También
se muestra una cámara típica para captar la imagen estereoscópica.
Actualmente muchos fabricantes
(Philips, Samsung, Sony,…) optan
por el sistema de gafas activas. Otros
como LG usan un sistema con gafas
polarizadas pero en la pantalla se
muestran simultáneamente las dos
imágenes, una en las líneas pares y la
otra en las impares con polarización
contraria.
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J.- TEMAS EN DESARROLLO
Punto de vista libre (Free Viewpoint) y
Multivisión (Multi-view) 3D
Las más recientes tendencias en televisión 3D
consisten en una nueva aproximación a la
visión real. Un observador ve una imagen
diferente en cada ojo en una escena real, y
también ve un punto de vista distinto de la
escena cuando mueve su cabeza alrededor de
la escena.
En la televisión 3D se pretende que se pueda
simular el mismo efecto utilizando un gran
número de cámaras alrededor de la escena y
mostrandolas simultaneamente al usuario, el
cual puede selecccionar su punto de vista.
Es un tema que está aún en fase de
investigación.
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MULTI–VIEW AUTOSTEREOSCOPIC 3D DISPLAY. N. A.
Dodgson1, J. R. Moore2, S. R. Lang3. 1University of Cambrige
Computer Laboratory, UK; 2JMEC Ltd, ...
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El estandar de transmisión DVB-3D-TV
El DVB-3D-TV (Digital Video Broadcasting – 3D – TV)
es la denominación del nuevo estandar que incluye
técnicas y procedimientos para enviar una señal de video
3D a través de los estandares de transmisión DVB. Está
en fase de implementación.
Para enviar una señal descodificada a la pantalla los
sistemas estereoscópicos actuales utilizan una señal 3D
de cuadros secuenciales: se envian alternativamente los
cuadros del ojo derecho y del izquierdo.
También estan en estudio las técnicas para empaquetar
los cuadros derecho (R) y izquierdo (L) en un “frame”
de alta definición (HD) para luego descomponerlo en los
cuadros L y R. En la figura se muestra las
composiciones “Side by Side, SbS” y “Top and Bottom
TaB”.
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Formato 2D + Z (o 2D + Depth)
Se trata de un formato utilizado por Philips (en su modelo
WOWvx) para codificar el video estereoscópico.
En esta codificación, cada imagen 2D es suplementada por una
imagen en escala de grises que aporta la profundidad de cada
pixel.
De esta forma se puede obtener una visión de la escena en 3
dimensiones que puede permitir visualizar la escena desde
distintos ángulos o puntos de vista, realizando la computación
pertinente.
Tiene la ventaja que implica un incremente pequeño del ancho
de banda (del 5% al 20%) con relación a 2D, pero aporta una
cantidad de profundidad limitada ya que la escala de grises es de
8 bits.
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OTRAS APLICACIONES DE LA VISIÓN ESTEREOSCÓPICA
Además de su uso en la televisión 3D, la visión estereoscópica se utiliza en aplicaciones como
las siguientes:
Telepresencia: robots teledirigidos dotados de cámaras estereoscópica para operar en
ambientes peligrosos. La imágenes de las cámaras del robot se envian a un operario que puede
dirigir al robot. Algunas aplicaciones son: desactivación de explosivos, exploración espacial,
exploración submarina, intervenciones quirúrgicas mediante robots.
Ojo de Halcón: usada en las grandes competiciones de tenis para determinar la trayectoria
exacta de la pelota. Se utilizan varias cámaras alrededor de la pista para poder determinar
temporal y espacialmente el recorrido de la pelota.
Astronomia: aprovechando el movimiento orbital de la tierra y del sol se pueden obtener
imágenes estereoscópicas del firmamento y medir distancias entre astros. También se puede
obtener información sobre la superficie de planetas u satélites.
Física nuclear: obtención de trayectorias de partículas subatómicas después de colisiones en
aceleradores de partículas.
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8.4.- ESCÁNERES 3D
Un escaner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena del mundo real para
obtener datos de su forma y ocasionalmente de su apariencia (color) que pueden ser usados
para construir un modelo digital tridimensional.
Los escáners 3D se utilizan para la tecnología de reconstrucción, que consiste en realizar un
modelado tridimensional del objeto en un ordenador. Este modelado conecta una nube de
puntos representativos del objeto con elementos geométricos, como triángulos, cuadrados u
otras formas geométricas.
Aunque se utilizan muchas técnicas en
escaners 3D, las tecnologías más
significativas utilizadas sin contacto físico son
las siguientes:
Tiempo de vuelo
Triangulación
Luz estructurada
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ESCÁNER LASER DE TIEMPO DE VUELO
Mide la distancia a un objeto enviando un impulso de luz laser y midiendo el tiempo que tarda
en llegar al receptor el eco reflejado. Notar que el tiempo que tarda la luz en viajar 1 m es 3,3
ns. La electrónica asociada debe ser capaz de medir tiempos de este orden.
Esta es una aplicación del LIDAR (Light Detection and Ranging) que es una variante del
RADAR (Radio Detecting and Ranging) pero cambiando la frecuencia del impulso
electromagnético enviado.
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ESCÁNER LASER POR TRIANGULACIÓN
Este tipo de escáner mide la distancia del sensor a un
punto de un objeto usando una técnica de
triangulación. El laser emite un haz estrecho que al
colisionar con el objeto refleja la luz. La luz
reflejada llega a la lente del detector que la enfoca
en un punto de un sensor CCD como se muestra en
la figura. Si cambia la posición del objeto cambiará
el punto de incidencia del punto de luz reflejado
sobre el CCD.
La posición del punto de luz reflejado en el CCD
permite calcular por triangulación la distancia del
sensor al objeto. En la figura superior puede verse
que el triángulo “grande” formado por el laser, el
objeto y la lente (punto en la figura), es semejante al
triángulo “menor” formado por la lente el CCD y el
rayo capturado. Esto permite calcular la distancia q a
partir de la posición del punto en el CCD.
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ESCÁNER DE LUZ ESTRUCTURADA
Un escaner 3D de luz estructurada es un dispositivo
para medir la forma tridimensional de la superficie de un
objeto mediante patrones de luz proyectados sobre él.
Al proyectar una linea de luz sobre un objeto de
superficie no plana, aparece una línea de iluminación
que presenta deformaciones cuando es observada desde
una posición distinta del proyector. Esta línea puede ser
usada para reconstruir de forma exacta la geometría de
la superficie.
La forma más habitual de operar con luz estructurada
es proyectar sobre el objeto un patrón de lineas blancas
y negras paralelas. El análisis de las lineas
distorsionadas, observadas con una cámara CCD desde
un ángulo diferente, permiten obtener con una sola
iluminación la forma tridimensional de la superficie
del objeto. En realidad se trata de un escaner 2,5D, ya
que para obtener la forma 3D del objeto completo
habria que escanearlo desde diferentes posiciones.
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Para generar el patron de iluminación no se
requiere luz laser. Puede usarse un proyector con
una pantalla LCD o LCoS o DLP, aunque se
pueden usar otros métodos basados en
interferencia de dos haces de laser.
A veces se usa luz infrarroja para no interferir
con la luz ambiente.
Para analizar las lineas deformadas sobre el
objeto se suelen utilizar diversos métodos, como
los basados en la transformada de Fourier, en la
transformada wavelet, o en fotogrametria y
triangulación.
Un ejemplo de aplicación de esta tecnología es la
cámara Kinect de Microsoft, que usa un patrón de
puntos infrarrojos.
Para información más detallada se puede consultar
la siguiente página web:
http://www.sci.utah.edu/~gerig/CS6320-S2012/Materials/CS6320-CV-S2012-StructuredLight.pdf
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Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías
El sistema de tiempo de vuelo tiene la ventaja de que puede
operar a grandes distancia, del orden de kilómetros, lo que lo
hace adecuado para escanear grandes edificios y accidentes
geográficos. Su inconveniente es su precisión, del orden de
milímetros, debido a la dificultad de medir los pequeñísimos
tiempos de vuelo originados por la alta velocidad de la luz.
La triangulación tiene las características contrarias al tiempo
de vuelo. Está limitado a unos metros, pero tiene precisiones
del orden de las decenas de micra.
La ventaja de la luz estructurada es la velocidad y precisión.
Pueden escanear de una vez en una fracción de segundo una
escena entera, en lugar de punto a punto como en los dos
anteriores. Se prevee que sean capaces de escanear en tiempo
real objetos en movimiento. Sin embargo está aun en fase de
investigación.
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APLICACIONES DE ESCÁNERS 3D
Industria: control de mecanizados de alta precisión con tolerancias muy
estrictas, escalado de diseños.
Arquitectura: para obtener modelos precisos de la situación real de un
edificio, detectar sus movimientos y deformaciones.
Entretenimiento: los artistas suelen realizar modelos físicos que son
luego escaneados para crear modelos digitales en un ordenador.
Documentación del patrimonio cultural mediante escaneo de sitios y
objetos de valor histórico.
Aplicaciones médicas: creación de ortopedias, protesis e implantes
dentales
Sistemas de información geográfica y geomática.
Realización de prototipos en combinación con impresoras 3D. Una
impresora 3D es un tipo de impresora que permite realizar objetos
tridimensionales mediante la adición sucesiva de capas de material a
partir de un modelo digital 3D del objeto.
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