Объемный дисплей - Volumetric display

А устройство отображения объема это графический устройство отображения который формирует визуальное представление объекта в три физических измерения, в отличие от плоского изображения традиционных экранов, которые имитируют глубину с помощью ряда различных визуальных эффектов. Одно из определений, предложенных пионерами в этой области, заключается в том, что объемные дисплеи создают трехмерные изображения посредством излучения, рассеяния или передачи освещения из четко определенных областей в пространстве (x, y, z).

Истинный объемный дисплей отображает цифровое представление реального объекта в физическом пространстве (объеме), полученное «изображение» отображает характеристики, аналогичные характеристикам реального объекта, позволяя наблюдателю видеть его с любого направления, фокусировать камеру на определенной детали. и видеть перспективу, означающую, что части изображения, расположенные ближе к зрителю, будут казаться больше, чем части, расположенные дальше.

Объемный 3D-дисплеи находятся автостереоскопический в том, что они создают трехмерные изображения, видимые невооруженным глазом.

Объемные 3D-дисплеи в целом представляют собой лишь одно семейство 3D-дисплеев. К другим типам 3D-дисплеев относятся: стереограммы / стереоскопы, дисплеи с последовательным просмотром, электроголографические дисплеи, параллакс-дисплеи "два вида" и параллакс. панорамы (которые обычно представляют собой пространственно мультиплексированные системы, такие как дисплеи с лентикулярными листами и дисплеи с барьером параллакса), системы повторного отображения и другие.

Хотя впервые постулировали в 1912 г., научная фантастика, объемные дисплеи еще не получили широкого распространения в повседневной жизни. Существует множество потенциальных рынков для объемных дисплеев со случаями использования, включая медицинскую визуализацию, добычу полезных ископаемых, образование, рекламу, моделирование, видеоигры, связь и геофизическую визуализацию. По сравнению с другими инструментами 3D-визуализации, такими как виртуальная реальность, объемные дисплеи предлагают принципиально другой режим взаимодействия, позволяющий группе людей собираться вокруг дисплея и взаимодействовать естественным и общительным образом без необходимости сначала надевать 3D-очки или другие головные уборы. Трехмерные объекты, отображаемые на объемном дисплее, могут иметь такие же характеристики, как и объекты реального мира, включая глубину фокуса, параллакс движения (возможность просмотра дисплея с любого направления одновременно несколькими людьми, причем каждый человек имеет их собственный уникальный вид) и вергенция (способность человеческого глаза фокусироваться на объекте с наклоненной головой).

Типы

Было сделано много разных попыток создать устройства для получения объемных изображений.[1] Нет официально принятого "таксономия "разнообразия объемных дисплеев, вопрос, который осложняется многими перестановки их характеристик. Например, освещение в пределах объемного дисплея может достигать глаза непосредственно от источника или через промежуточную поверхность, такую ​​как зеркало или стекло; аналогично, эта поверхность, которая не обязательно должна быть ощутимой, может подвергаться движению, например колебаниям или вращению. Одна категоризация выглядит следующим образом:

Отображение развернутого объема

Объемные 3D-дисплеи с развернутой поверхностью (или «развернутым объемом») полагаются на человека. постоянство зрения для объединения серии срезов трехмерного объекта в одно трехмерное изображение.[2] Были созданы различные дисплеи с развернутым объемом.

Например, трехмерная сцена вычислительно раскладывается на серию «срезов», которые могут быть прямоугольными, дискообразными или с винтовым поперечным сечением, после чего они проецируются на движущуюся поверхность отображения или с нее. Изображение на двумерной поверхности (созданное проекцией на поверхность, встроенными в поверхность светодиодами или другими способами) изменяется по мере движения или вращения поверхности. Из-за постоянного зрения люди воспринимают непрерывный объем света. Поверхность дисплея может быть отражающей, пропускающей или их сочетанием.

Другой тип 3D-дисплея, который является кандидатом в класс 3D-дисплеев с развернутым объемом, - это архитектура с варифокальным зеркалом. Одно из первых упоминаний этого типа системы относится к 1966 году, в которой вибрирующая зеркальная пластина барабана отражает серию шаблонов от источника 2D-изображения с высокой частотой кадров, такого как векторный дисплей, на соответствующий набор глубинных поверхностей.

Примером имеющегося в продаже дисплея развернутого объема является Voxon Photonics VX1. Этот дисплей имеет объемную область 18 см * 18 см * 8 см глубиной и может отображать до 500 миллионов вокселей в секунду. Контент для VX1 может быть создан с использованием Unity или стандартных типов файлов 3D, таких как OBJ, STL и DICOM для медицинских изображений.

Медицинские данные высокого разрешения DICOM отображаются на волюметрическом дисплее Voxon VX1

Статический объем

Так называемые объемные 3D-дисплеи со статическим объемом создают изображения без каких-либо макроскопических движущихся частей в объеме изображения.[3] Неясно, должна ли остальная система оставаться неподвижной, чтобы членство в этом классе отображения было жизнеспособным.

Это, наверное, самая «прямая» форма объемного показа. В простейшем случае адресный объем пространства создается из активных элементов, прозрачных в выключенный состоянии, но либо непрозрачны, либо светятся в на государственный. Когда элементы (называемые воксели ) активированы, они показывают сплошной узор в пространстве дисплея.

Некоторые объемные 3D-дисплеи со статическим объемом используют лазерный свет для стимулирования видимого излучения в твердом, жидком или газообразном состоянии. Например, некоторые исследователи полагались на двухэтапную преобразование с повышением частоты в пределах редкоземельный -допированный материал при освещении пересекающимися инфракрасными лазерными лучами соответствующих частот.[4][5]

Недавние достижения были сосредоточены на нематериальных (в свободном пространстве) реализациях категории статического объема, которые в конечном итоге могут позволить прямое взаимодействие с дисплеем. Например, противотуманный дисплей Использование нескольких проекторов позволяет визуализировать трехмерное изображение в объемном пространстве, что приводит к отображению объемного статического объема.[6][7]

Техника, представленная в 2006 году, полностью покидает среду отображения, используя пульсирующий инфракрасный лазер (около 100 импульсов в секунду; продолжительность каждого наносекунда ) для создания светящихся шаров плазма на координационный центр в нормальном воздухе. Точка фокусировки направлена ​​двумя движущимися зеркала и скольжение линза, позволяя ему рисовать фигуры в воздухе. Каждый импульс создает хлопающий звук, поэтому при работе устройство трескает. В настоящее время он может создавать точки где угодно в пределах одного кубического метра. Считается, что устройство можно масштабировать до любого размера, что позволяет создавать трехмерные изображения неба.[8][9]

Более поздние модификации, такие как использование газовой смеси неон / аргон / ксенон / гелий, подобной плазменному шару, и система быстрой рециркуляции газа с использованием вытяжки и вакуумных насосов, могут позволить этой технологии достичь двухцветности (R / W) и, возможно, RGB-изображения путем изменения ширины и интенсивности каждого импульса для настройки спектров излучения светящегося плазменного тела.

В 2017 году был выпущен новый дисплей, известный как «3D Light PAD».[10] Среда дисплея состоит из класса фотоактивируемых молекул (известных как спиродамина) и технологии цифровой обработки света (DLP) для генерации структурированного света в трех измерениях. Этот метод позволяет обойтись без использования мощных лазеров и генерации плазмы, что снимает опасения по поводу безопасности и значительно улучшает доступность трехмерных дисплеев. Узоры УФ-света и зеленого света нацелены на раствор красителя, который инициирует фотоактивацию и, таким образом, создает "включенный" воксель. Устройство способно отображать минимальный размер вокселя 0,68 мм.3, с разрешением 200 мкм и хорошей стабильностью в течение сотен циклов включения-выключения.

Человеко-компьютерные интерфейсы

Уникальные свойства объемных дисплеев, которые могут включать обзор на 360 градусов, согласование конвергенции и сигналов аккомодации, а также присущая им "трехмерность", позволяют создавать новые методы пользовательского интерфейса. Недавно была проведена работа по изучению преимуществ скорости и точности объемных дисплеев.[11] новые графические пользовательские интерфейсы,[12] и медицинские приложения, улучшенные объемными дисплеями.[13][14]

Кроме того, существуют программные платформы, доставляющие исходный и устаревший 2D- и 3D-контент на объемные дисплеи.[15]

Художественное использование

Голлифика: художественное использование объемных дисплеев с использованием лазеров и кривые Лиссажу.

Форма искусства под названием Гологлифика исследуется с 1994 года, сочетая в себе элементы голография, Музыка, видео синтез, фантастический фильм, скульптура и импровизация. Хотя этот тип дисплея может отображать визуальные данные в объеме, он не является адресуемым дисплеем и может только фигуры Лиссажу, например, при отражении лазера от гальванического конуса или диффузора динамика.

Технические проблемы

Известные технологии объемного отображения также имеют несколько недостатков, которые проявляются в зависимости от компромиссов, выбранных разработчиком системы.

Часто утверждается, что объемные дисплеи неспособны реконструировать сцены с эффектами, зависящими от позиции зрителя, такими как окклюзия и непрозрачность. Это заблуждение; дисплей, воксели которого имеют неизотропные профили излучения, действительно способен отображать эффекты, зависящие от положения. На сегодняшний день объемные дисплеи с возможностью окклюзии требуют двух условий: (1) изображение визуализируется и проецируется как серия «видов», а не «срезов», и (2) изменяющаяся во времени поверхность изображения не является однородной. диффузор. Например, исследователи продемонстрировали объемные дисплеи с вращающимся экраном с отражающими и / или вертикально рассеивающими экранами, изображения которых демонстрируют непрозрачность и непрозрачность. Единая система[16][17] создали 3D-изображения HPO с полем обзора 360 градусов путем наклонной проекции на вертикальный диффузор; еще один[18] проецирует 24 вида на вращающуюся поверхность контролируемого рассеивания; и другой[19] обеспечивает 12-кратное изображение с использованием вертикально ориентированных жалюзи.

До сих пор возможность реконструировать сцены с окклюзией и другими позиционно-зависимыми эффектами была за счет вертикального параллакса, поскольку трехмерная сцена выглядела искаженной, если смотреть из других мест, кроме тех, для которых сцена была создана.

Еще одно соображение - очень большая полоса пропускания, необходимая для подачи изображений на объемный дисплей. Например, стандартный 24 бит на пиксель, Разрешение 1024 × 768, плоский / 2D-дисплей требует около 135 МБ / с для отправки на аппаратное обеспечение дисплея для поддержки 60 кадров в секунду, тогда как 24 бит на воксель, 1024 × 768 × 1024 (1024 "пиксельных слоя" по оси Z) для объемного отображения потребуется отправить около трех порядки величины еще (135 ГБ / с ) к оборудованию дисплея, чтобы поддерживать скорость 60 томов в секунду. Как и в случае с обычным 2D-видео, можно уменьшить требуемую полосу пропускания, просто посылая меньшее количество томов в секунду и позволяя аппаратному обеспечению дисплея повторять кадры в промежутке, или отправляя только достаточно данных, чтобы повлиять на те области дисплея, которые необходимо обновить, поскольку так обстоит дело с современными видеоформатами со сжатием с потерями, такими как MPEG. Кроме того, для объемного 3D-дисплея потребуется на два-три порядка больше ЦПУ и / или GPU мощность, превышающая ту, которая необходима для 2D-изображений эквивалентного качества, по крайней мере частично из-за огромного количества данных, которые должны быть созданы и отправлены на оборудование дисплея. Однако, если видна только внешняя поверхность объема, количество требуемых вокселей будет того же порядка, что и количество пикселей на обычном дисплее. Это будет только в том случае, если воксели не имеют значений «альфа» или прозрачности.

Смотрите также

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Патентное ведомство США
  2. ^ Гейтли, Мэтью и др. "Отображение трехмерного развернутого объема на основе светодиодных матриц.. »Журнал Display Technology 7.9 (2011): 503-514.
  3. ^ Бланделл, Барри Г. и Адам Дж. Шварц. "Классификация систем объемного отображения: характеристики и предсказуемость пространства изображения. »IEEE Transactions по визуализации и компьютерной графике 8.1 (2002): 66-75.
  4. ^ Джозеф А. Маттео (16 марта 2001 г.). «Объемный дисплей». Конспект лекций по классу прикладного зрения и систем визуализации на Стэндфордский Университет. Архивировано из оригинал на 2005-09-09.
  5. ^ Даунинг, Элизабет; Хесселинк, Ламбертус; Ральстон, Джон; Макфарлейн, Роджер (1996). «Трехцветный твердотельный трехмерный дисплей». Наука. 273 (5279): 1185–1189. Bibcode:1996Научный ... 273.1185D. Дои:10.1126 / science.273.5279.1185. S2CID  136426473.
  6. ^ Трехмерный проекционный экран для тумана с несколькими точками обзора
  7. ^ Тим Стивенс (17 марта 2011 г.). «Экран 3D-проекции тумана оживляет фиолетовых кроликов как раз вовремя, чтобы отложить шоколадные яйца (видео)». Engadget.
  8. ^ Дэвид Хэмблинг (27 февраля 2006 г.). «Трехмерные плазменные формы, созданные в воздухе». Новый ученый.
  9. ^ «Японское устройство использует лазерную плазму для отображения трехмерных изображений в воздухе». Physorg.com. 27 февраля 2006 г.
  10. ^ Patel, S.K .; Cao, J .; Липперт, А. «Объемный 3D-дисплей с фотоактивируемым красителем». Nature Commun. 2017, в печати.
  11. ^ ван Орден, К. Ф. и Бройлс, Дж. У. (2000, март). Выполнение визуально-пространственных задач в зависимости от техники представления двух- и трехмерного изображения, Дисплеи, 21(1), 17-24. PDF: Зеркало, с разрешения
  12. ^ Гроссман Т., Вигдор Д. и Балакришнан Р. (2004). «Взаимодействие с несколькими пальцами и объемными 3D-дисплеями», Труды UIST, Симпозиум ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса, (стр. 61–70). PDF на сайте автора
  13. ^ «Изучение передовой системы трехмерной визуализации для планирования лечения рака, Медицинский центр Университета Раш», Медицинские новости сегодня, (29 апреля 2005 г.).
  14. ^ Ван, А.С., Нараян, Г., Као, Д., и Лян, Д. (2005). "Оценка использования объемного отображения трехмерных ультразвуковых данных в реальном времени для задач интракардиальной манипуляции с катетером, "Семинар Eurographics / IEEE по объемной графике, Стоуни-Брук.
  15. ^ Чун, В.-С., Наполи, Дж., Коссэрт, О. С., Дорваль, Р. К., Холл, Д. М., Пуртелл, II, Т. Дж., Школьник, Дж. Ф., Банкир, Ю., и Фавалора, Г. Е. (2005). Пространственная трехмерная инфраструктура: программная среда, не зависящая от дисплея, электроника для высокоскоростной визуализации и несколько новых дисплеев. В Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности XII, изд. Эндрю Дж. Вудс, Марк Т. Болас, Джон О. Мерритт и Ян Э. МакДауэлл, Proc. SPIE-IS & T Electronic Imaging, SPIE Vol. 5664, (стр. 302–312). Сан-Хосе, Калифорния: SPIE-IS & T.
  16. ^ Коссэрт, О.С. и Наполи, Дж. (2004), Радиальные мультиэкранные трехмерные дисплеи, Патент США. Приложение. 2005/0180007 А1. Предварительный (16 января 2004 г.). Непредвиденный (14 января 2005 г.). Опубликовано (18 августа 2005 г.)
  17. ^ Фавалора, Г. Э. (2005, 4 августа). «Лучший дисплей: что это будет?», Представленный на ACM SIGGRAPH, Лос-Анджелес, Калифорния.
  18. ^ Оцука Р., Хосино Т. и Хорри Ю. (2004) "Transpost: универсальная система отображения для трехмерного твердого изображения," в Proc. симпозиума ACM по программному обеспечению и технологиям виртуальной реальности, (Гонконг, 2004 г.), стр. 187–194.
  19. ^ Танака, К. и Аоки, С. (2006). "Метод построения в реальном времени светового поля с полным параллаксом," в Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности XIII, А. Дж. Вудс, Н. А. Доджсон, Дж. О. Мерритт, М. Т. Болас и И. Э. МакДауэлл, ред., Proc. SPIE 6055, 605516.

дальнейшее чтение

  • Бланделл Б.Г. (2011). «О трехмерных объемных дисплеях», Walker & Wood Ltd. ISBN  9780473193768. (http://www.barrygblundell.com, Файл PDF).
  • Бланделл Б.Г. (2011). «3D-дисплеи и пространственное взаимодействие: изучение науки, искусства, эволюции и использования 3D-технологий, том I: от восприятия к технологиям», Walker & Wood Ltd. ISBN  9780473177003. (http://www.barrygblundell.com, Файл PDF).
  • Бланделл, Б. и Шварц, А. Дж. (2007). «Улучшенная визуализация: освобождение места для трехмерных изображений», John Wiley & Sons. ISBN  0-471-78629-2.
  • Бланделл, Б. и Шварц, А. Дж. (2006). Креативные трехмерные дисплеи и интерфейсы взаимодействия: трансдисциплинарный подход, Джон Уайли и сыновья. ISBN  0-471-23928-3. (http://www.barrygblundell.com, Файл PDF).
  • Бланделл Б. Г. и Шварц А. Дж. (2000). Объемные трехмерные системы отображения, Джон Уайли и сыновья. ISBN  0-471-23928-3 (http://www.barrygblundell.com, Файл PDF).
  • Фавалора, Г. Э. (2005, август). «Объемные 3D-дисплеи и инфраструктура приложений», Компьютерная, 38(8), 37-44. Иллюстрированный технический обзор современных и исторических объемных трехмерных дисплеев. Цитирование IEEE через ACM
  • Функ, В. (2008). «Голографика: система объемного синтеза изображений», Proc. SPIE, т. 6803, SPIE - Int'l Soc. для оптики, стереоскопических дисплеев и приложений XIX. PDF на сайте автора
  • Галле, М. (1997). «Автостереоскопические дисплеи и компьютерная графика», Компьютерная графика, ACM SIGGRAPH, т. 31, нет. 2, (стр. 58–62). Продуманный и краткий обзор области технологий трехмерного отображения, в частности необъемных дисплеев. HTML и PDF
  • Хартвиг, Р. (1976). Vorrichtung zur Dreidimensionalen Abbildung in Einem Zylindersymmetrischen Abbildungstraum, Патент Германии DE2622802C2, подана в 1976 г., выдан в 1983 г. Одна из самых ранних патентных ссылок на трехмерный дисплей с вращающейся спиралью.
  • Хонда, Т. (2000). Технология трехмерного дисплея, удовлетворяющая «сверхмножеству ракурсов». В Б. Джавиди и Ф. Окано (ред.), Proc. Трехмерное видео и дисплей: устройства и системы, т. CR76, SPIE Press, (стр. 218–249). ISBN  0-8194-3882-0
  • Langhans, K., Bezecny, D., Homann, D., Bahr, D., Vogt, C., Blohm, C., and Scharschmidt, K.-H. (1998). "Новый портативный 3D-дисплей FELIX," Proc. SPIE, т. 3296, SPIE - Int'l Soc. for Optical Eng., (стр. 204–216). Включает в себя подробный обзор литературы по объемным дисплеям.
  • Льюис, Дж. Д., Вербер, К. М., и МакГи, Р. Б. (1971). Настоящий трехмерный дисплей, IEEE Trans. Электронных приборов, 18, г. 724-732. Раннее исследование так называемых твердотельных трехмерных дисплеев.
  • Рот, Э. (2006). Объемный дисплей на основе струйной технологии, PDF (Архивировано 14.03.2012: [1] )

внешняя ссылка