Perceptual display : exceeding display limitations by exploiting the human visual system

Abstract

Existing displays have a number of limitations, which make it difficult to realistically reproduce real-world appearance; discrete pixels are used to represent images, which are refreshed only a limited number of times per second, the output luminance range is much smaller than in the real world, and only two dimensions are available to reproduce a three-dimensional scene.

While in some cases technology advanced and higher frame rates, higher resolution, higher luminance, and even disparity-based stereo is possible, these solutions are often costly and, further, it is challenging to produce adequate content.

On the other hand, the human visual system has certain limitations itself, such as the density of photoreceptors, imperfections in the eye optics, or the limited ability to discern high-frequency information. The methods presented in this dissertation show that taking these properties into account can improve the efficiency and perceived quality of displayed imagery. More precisely, those techniques make use of perceptual effects, which are not measurable physically, that will allow us to overcome the physical limitations of display devices in order to enhance apparent image qualities.

Aktuelle Anzeigegeräte haben eine Reihe von Einschränkungen, die die wirklichkeitsnahe Abbildung der realen Welt begrenzen. Sie verwenden diskrete Pixel, um ein Bild das mehrmals pro Sekunde aktualisiert wird darzustellen. Weiterhin sind der Kontrast und die Leuchtkraft des dargestellten Bildes viel niedriger als das, was der Mensch in der realen Welt wahrnehmen kann und es sind nur zwei Dimensionen verfügbar, um eine dreidimensionale Szene zu simulieren. Während in einigen Bereichen, durch technologische Fortschritte, höhere Bildwiederholungsraten, höhere Auflösungen, höhere Leuchtkraft und sogar disparitätsbasiertes Stereo möglich wurden, sind diese Lösungen oft kostspielig und es bleibt schwierig Inhalte zu produzieren, welche die technischen Gegebenheiten am besten ausnutzen. Andererseits ist auch das visuelle System des Menschen Einschränkungen unterworfen: z.B. der endlichen Dichte der Photorezeptoren, und der Imperfektion des Auges, oder die begrenzte Fähigkeit, hochfrequente Informationen zu erkennen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Techniken zeigen, dass, wenn diese Erkenntnisse in der Bildsynthese genutzt werden, sowohl die Effizienz als auch die wahrgenommene Qualität der angezeigten Bilder verbessert werden kann. Die Methoden, welche in dieser Dissertation vorgestellt werden, nutzen unterschiedliche Wahrnehmungseffekte, welche physikalisch nicht messbar sind, aber Einfluss auf die Wahrnehmung haben. Dadurch wird es möglich, physische Einschränkungen von Anzeigegeräten zu umgehen und die Bildqualität substantiell zu verbessern.