stringtranslate.com

Объемный дисплей

Объемное устройство отображения — это устройство отображения , которое формирует визуальное представление объекта в трех физических измерениях , в отличие от плоского изображения традиционных экранов, которые имитируют глубину посредством ряда различных визуальных эффектов. Одно из определений, предлагаемых пионерами в этой области, заключается в том, что объемные дисплеи создают трехмерные изображения посредством излучения, рассеивания или передачи освещения из четко определенных областей в пространстве (x, y, z).

Истинное объемное отображение создает у наблюдателя визуальное восприятие материального объекта в трехмерном пространстве, даже если такой объект отсутствует. Воспринимаемый объект демонстрирует характеристики, схожие с реальным материальным объектом, позволяя наблюдателю смотреть на него с любого направления, фокусировать камеру на определенной детали и видеть перспективу – то есть части изображения, расположенные ближе к зрителю, кажутся больше, чем те, которые находятся дальше.

Объемные 3D-дисплеи являются типом автостереоскопического дисплея, [1] поскольку они обеспечивают разный вид для каждого глаза, тем самым создавая трехмерные изображения, которые можно просматривать невооруженным глазом. Однако они имеют преимущество перед большинством плоских экранных автостереоскопических дисплеев, поскольку они способны обеспечивать реалистичную фокусную глубину в дополнение к обеспечению параллакса движения и вергенции , тем самым избегая конфликта вергенции-аккомодации .

Объемные дисплеи являются одним из нескольких видов 3D-дисплеев. Другие типы — стереоскопы , дисплеи с последовательными видами, [2] электроголографические дисплеи, [3] дисплеи с «двумя видами», [4] [5] и панорамограммы .

Хотя впервые постулировано в 1912 году и является основным продуктом научной фантастики , объемные дисплеи не получили широкого распространения в повседневной жизни. Существует множество потенциальных рынков для объемных дисплеев с вариантами использования, включая медицинскую визуализацию, горнодобычу, образование, рекламу, моделирование, видеоигры, связь и геофизическую визуализацию. По сравнению с другими инструментами 3D-визуализации, такими как виртуальная реальность , объемные дисплеи предлагают принципиально иной режим взаимодействия, предоставляя возможность группе людей собираться вокруг дисплея и взаимодействовать естественным образом, не надевая 3D-очки или другие головные уборы.

Типы

Было сделано много различных попыток создания устройств объемного изображения. [6] Не существует официально принятой « таксономии » разнообразия объемных дисплеев, проблема, которая осложняется многочисленными перестановками их характеристик. Например, освещение внутри объемного дисплея может либо достигать глаза непосредственно от источника, либо через промежуточную поверхность, такую ​​как зеркало или стекло; аналогично, эта поверхность, которая не обязательно должна быть осязаемой, может подвергаться движению, такому как колебание или вращение. Одна из категорий выглядит следующим образом:

Дисплей с развернутым объемом

Объемные 3D-дисплеи с развернутой поверхностью (или «развернутым объемом») полагаются на инерцию человеческого зрения , чтобы объединить ряд срезов 3D-объекта в единое 3D-изображение. [7] Было создано множество дисплеев с развернутым объемом.

Например, 3D-сцена вычислительно разлагается на ряд «срезов», которые могут быть прямоугольными, дисковидными или спирально-сеченными, после чего они проецируются на или с поверхности дисплея, находящейся в движении. Изображение на 2D-поверхности (созданное проекцией на поверхность, светодиодами, встроенными в поверхность, или другими методами) изменяется по мере движения или вращения поверхности. Благодаря инерционности зрения люди воспринимают непрерывный объем света. Поверхность дисплея может быть отражающей, пропускающей или комбинацией того и другого.

Другим типом 3D-дисплея, который является кандидатом в класс 3D-дисплеев с развернутым объемом, является архитектура варифокального зеркала. Одно из первых упоминаний этого типа системы относится к 1966 году, в котором вибрирующая зеркальная барабанная перегородка отражает ряд шаблонов из источника 2D-изображения с высокой частотой кадров, такого как векторный дисплей, в соответствующий набор поверхностей глубины.

Примером коммерчески доступного дисплея Swept-volume является Voxon VX1 от Voxon Photonics. Этот дисплей имеет область объема глубиной 18 см × 18 см × 8 см (7,1 дюйма × 7,1 дюйма × 3,1 дюйма) и может отображать до 500 миллионов вокселей в секунду. Контент для VX1 можно создавать с помощью Unity или с использованием стандартных типов 3D-файлов, таких как OBJ , STL и DICOM для медицинской визуализации.

Объемный дисплей Voxon VX1, отображающий медицинские данные DICOM

Статический объем

Так называемые объемные 3D-дисплеи «статического объема» создают изображения без каких-либо макроскопических движущихся частей в объеме изображения. [8] Неясно, должна ли остальная часть системы оставаться неподвижной, чтобы членство в этом классе дисплеев было жизнеспособным.

Это, вероятно, самая «прямая» форма объемного отображения. В простейшем случае адресуемый объем пространства создается из активных элементов, которые прозрачны в выключенном состоянии, но либо непрозрачны, либо светятся во включенном состоянии. Когда элементы (называемые вокселями ) активируются, они показывают сплошной узор в пространстве отображения.

Несколько объемных 3D-дисплеев со статическим объемом используют лазерный свет для стимулирования видимого излучения в твердом теле, жидкости или газе. Например, некоторые исследователи полагались на двухэтапное апконверсию в легированном редкоземельным металлом материале при освещении пересекающимися инфракрасными лазерными лучами соответствующих частот. [9] [10]

Недавние достижения были сосредоточены на нематериальных (свободно-пространственных) реализациях категории статического объема, которые в конечном итоге могут позволить прямое взаимодействие с дисплеем. Например, туманный дисплей с использованием нескольких проекторов может визуализировать 3D-изображение в объеме пространства, что приводит к объемному дисплею статического объема. [11] [12]

Представленная в 2006 году технология полностью устраняет необходимость в средстве отображения, используя сфокусированный импульсный инфракрасный лазер (около 100 импульсов в секунду; каждый длится наносекунду ) для создания шаров светящейся плазмы в фокусной точке в обычном воздухе. Фокальная точка направляется двумя движущимися зеркалами и скользящей линзой , что позволяет ей рисовать фигуры в воздухе. Каждый импульс создает хлопающий звук, поэтому устройство потрескивает во время работы. В настоящее время оно может генерировать точки в любом месте в пределах кубического метра. Считается, что устройство можно масштабировать до любого размера, что позволит создавать трехмерные изображения в небе. [13] [14]

Более поздние модификации, такие как использование газовой смеси неона/аргона/ксенона/гелия, аналогичной плазменному шару, и система быстрой рециркуляции газа с использованием вытяжки и вакуумных насосов, могли бы позволить этой технологии получать двухцветные (R/W) и, возможно, RGB-изображения путем изменения ширины и интенсивности каждого импульса для настройки спектров излучения светящегося плазменного тела.

В 2017 году был опубликован новый дисплей, известный как «3D Light PAD». [15] Среда дисплея состоит из класса фотоактивируемых молекул (известных как спиродамины) и технологии цифровой обработки света (DLP) для генерации структурированного света в трех измерениях. Эта технология обходит необходимость использования мощных лазеров и генерации плазмы, что снимает опасения по поводу безопасности и значительно улучшает доступность трехмерных дисплеев. Узоры УФ-света и зеленого света направлены 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.

Интерфейсы человек-компьютер

Уникальные свойства объемных дисплеев, которые могут включать обзор на 360 градусов, согласование сигналов вергенции и аккомодации , а также присущая им «трехмерность», позволяют использовать новые методы пользовательского интерфейса . Недавно была проведена работа по исследованию преимуществ скорости и точности объемных дисплеев, [16] новых графических пользовательских интерфейсов, [17] и медицинских приложений, улучшенных объемными дисплеями. [18] [19]

Кроме того, существуют программные платформы, которые доставляют собственный и устаревший 2D- и 3D-контент на объемные дисплеи. [20]

Художественное использование

Гологлифика: художественное использование объемных изображений с использованием лазеров и кривых Лиссажу .

С 1994 года изучается форма искусства под названием гологлифика, сочетающая элементы голографии , музыки , видеосинтеза , визионерского кино, скульптуры и импровизации . Хотя этот тип дисплея может отображать визуальные данные в объеме, он не является адресуемым дисплеем и способен только на фигуры Лиссажу , например, те, которые генерируются при отражении лазера от гальванометра или конуса динамика.

Технические проблемы

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

Часто утверждается, что объемные дисплеи неспособны реконструировать сцены с эффектами, зависящими от положения 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 однородным рассеивателем. Например, исследователи продемонстрировали вращающиеся объемные дисплеи с отражающими и/или вертикально рассеивающими экранами, изображения которых демонстрируют окклюзию и непрозрачность. Одна система [21] [22] создала 3D-изображение HPO с полем зрения 360 градусов с помощью косой проекции на вертикальный рассеиватель; другая [23] проецирует 24 вида на вращающуюся поверхность с контролируемой диффузией; а другой [24] обеспечивает 12-проекционные изображения с использованием вертикально ориентированной жалюзи.

До сих пор возможность реконструкции сцен с окклюзией и другими эффектами, зависящими от положения, достигалась за счет вертикального параллакса, поскольку трехмерная сцена выглядела искаженной, если смотреть из мест, отличных от тех, для которых она была создана.

Еще одним соображением является очень большой объем полосы пропускания, необходимый для подачи изображения на объемный дисплей. Например, стандартный плоский/2D-дисплей с разрешением 24 бита на пиксель и разрешением 1024×768 требует около 135 МБ/с для отправки на аппаратное обеспечение дисплея для поддержания 60 кадров в секунду, тогда как объемный дисплей с разрешением 24 бита на воксель и разрешением 1024×768×1024 (1024 «пиксельных слоя» по оси Z) должен будет отправить на три порядка больше (135 ГБ/с ) на аппаратное обеспечение дисплея для поддержания 60 объемов в секунду. Как и в случае с обычным 2D-видео, можно уменьшить необходимую полосу пропускания, просто отправляя меньше объемов в секунду и позволяя аппаратному обеспечению дисплея повторять кадры в промежутке, или отправляя только достаточно данных для воздействия на те области дисплея, которые необходимо обновить, как это происходит в современных форматах видео с потерей сжатия, таких как MPEG . Более того, 3D-объемный дисплей потребует на два-три порядка больше мощности ЦП и/или ГП , чем необходимо для 2D-изображений эквивалентного качества, по крайней мере, отчасти из-за огромного количества данных, которые должны быть созданы и отправлены на аппаратное обеспечение дисплея. Однако, если видна только внешняя поверхность объема, количество требуемых вокселей будет того же порядка, что и количество пикселей на обычном дисплее. Это будет иметь место только в том случае, если вокселы не имеют значений «альфа» или прозрачности.

Смотрите также

Ссылки

Сноски

  1. ^ Холлиман, Н. С., Доджсон, Н. А., Фавалора, Г. Е. и Покетт, Л. (2011). Трехмерные дисплеи: обзор и анализ приложений. Труды IEEE по вещанию 57 (2), 362-371.
  2. ^ Cossairt, Oliver; Moller, Christian; Benton, Steve; Travis, Adrian (январь 2004 г.). "Cambridge-MIT View Sequential Display". Northwestern University . Архивировано из оригинала 2 августа 2022 г.
  3. ^ Lucente, Mark (ноябрь 1994 г.). «Электронная голография: новейшая». Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 19 сентября 2006 г. Получено 1 августа 2022 г.
  4. ^ Хабиб, Магед С.; Лоуэлл, Джеймс А.; Холлиман, Ник С.; Хантер, Эндрю; Вайдеану, Даниэлла; Хилдрет, Энтони; Стил, Дэвид Х.У. (декабрь 2008 г.). «Оценка стереоскопических изображений зрительного диска с использованием автостереоскопического экрана – экспериментальное исследование». BMC Ophthalmology . 8 (1): 13. doi : 10.1186/1471-2415-8-13 . PMC 2496897 . PMID  18651983. 
  5. ^ Пикеринг, Марк Р. (2014). «Стереоскопическое и многовидовое видеокодирование». Библиотека Academic Press в обработке сигналов — сжатие изображений и видео и мультимедиа . Том 5. С. 119–153. doi :10.1016/B978-0-12-420149-1.00004-1. ISBN 978-0-12-420149-1.
  6. ^ Патентное ведомство США
  7. ^ Гейтли, Мэтью и др. «Трехмерный дисплей с изменяемым объемом на основе светодиодных матриц». Журнал Display Technology 7.9 (2011): 503-514.
  8. ^ Бланделл, Барри Г. и Адам Дж. Шварц. «Классификация систем объемного отображения: характеристики и предсказуемость пространства изображения». Труды IEEE по визуализации и компьютерной графике 8.1 (2002): 66-75.
  9. ^ Джозеф А. Маттео (16 марта 2001 г.). "Объемный дисплей". Конспект лекций для класса прикладного зрения и систем визуализации в Стэнфордском университете . Архивировано из оригинала 2005-09-09.
  10. ^ Даунинг, Элизабет; Хесселинк, Ламбертус; Ралстон, Джон; Макфарлейн, Роджер (1996). «Трехцветный, твердотельный, трехмерный дисплей». Science . 273 (5279): 1185–1189. Bibcode :1996Sci...273.1185D. doi :10.1126/science.273.5279.1185. S2CID  136426473.
  11. ^ 3D-дисплей с проекцией тумана с несколькими точками обзора
  12. ^ Тим Стивенс (17 марта 2011 г.). «3D-проекционный дисплей с туманом оживляет фиолетовых кроликов, как раз вовремя, чтобы отложить шоколадные яйца (видео)». Engadget .
  13. ^ Дэвид Хэмблинг (27 февраля 2006 г.). «Трехмерные плазменные формы, созданные в разреженном воздухе». New Scientist .
  14. ^ «Японское устройство использует лазерную плазму для отображения 3D-изображений в воздухе». Physorg.com . 27 февраля 2006 г.
  15. ^ Патель, СК; Цао, Дж.; Липперт, АР «Объемный 3D-фотоактивируемый дисплей красителя». Nature Commun. 2017, в печати.
  16. ^ Ван Орден, К. Ф. и Бройлс, Дж. В. (2000, март). Выполнение зрительно-пространственных задач как функция двух- и трехмерных методов отображения, Дисплеи, 21 (1), 17-24. PDF: Зеркало, с разрешения
  17. ^ Гроссман, Т., Вигдор, Д. и Балакришнан, Р. (2004). «Многопальцевое жестовое взаимодействие с объемными 3D-дисплеями», Труды UIST , Симпозиум ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса, (стр. 61–70). PDF на сайте автора
  18. ^ «Изучение новейшей системы 3D-визуализации для планирования лечения рака, Медицинский центр Университета Раша», Medical News Today, (29 апреля 2005 г.).
  19. ^ Ван, А.С.; Гириш Нараян; Као, Д.; Лян, Д. (2005). «Оценка использования объемного отображения в реальном времени трехмерных ультразвуковых данных для задач манипуляции внутрисердечным катетером». Четвертый международный семинар по объемной графике, 2005. стр. 41–45. doi :10.1109/VG.2005.194095. ISBN 3-905673-26-6.
  20. ^ Chun, W.-S., Napoli, J., Cossairt, OS, Dorval, RK, Hall, DM, Purtell II, TJ, Schooler, JF, Banker, Y. и Favalora, GE (2005). Пространственная 3-D инфраструктура: независимая от дисплея программная структура, высокоскоростная электроника рендеринга и несколько новых дисплеев. В Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII , ред. Andrew J. Woods, Mark T. Bolas, John O. Merritt и Ian E. McDowall, Proc. SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 5664, (стр. 302–312). Сан-Хосе, Калифорния: SPIE-IS&T.
  21. ^ Cossairt, OS и Napoli, J. (2004), Радиальные многовидовые трехмерные дисплеи, Патентная заявка США 2005/0180007 A1. Предварительная (16 января 2004 г.). Непредварительная (14 января 2005 г.). Опубликовано (18 августа 2005 г.)
  22. ^ Фавалора, GE (2005, 4 августа). «Окончательный дисплей: каким он будет?», представленный на ACM SIGGRAPH, Лос-Анджелес, Калифорния.
  23. ^ Оцука, Риеко; Хошино, Такеши; Хорри, Юичи (10 ноября 2004 г.). «Transpost: всесторонняя система отображения для 3D-сплошного изображения»: 187–194. doi :10.1145/1077534.1077576. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  24. ^ Танака, Кэндзи; Аоки, Соко (2 февраля 2006 г.). «Метод построения в реальном времени полного параллаксного светового поля». В Вудс, Эндрю Дж.; Доджсон, Нил А.; Мерритт, Джон О.; Болас, Марк Т.; Макдауэлл, Ян Э. (ред.). Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности XIII . Т. 6055. стр. 605516. doi :10.1117/12.643597.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки