Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с дисплея Swept-volume )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Устройство объемного отображения - это устройство графического отображения, которое формирует визуальное представление объекта в трех физических измерениях , 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 ретрансляции освещения из четко определенных областей в пространстве (x, y, z).

Настоящий объемный дисплей отображает цифровое представление реального объекта в физическом пространстве (объеме), получившееся «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.

Объемные 3D-дисплеи являются автостереоскопическими в том смысле, что они создают трехмерные изображения, видимые невооруженным глазом.

Объемные 3D-дисплеи представляют собой в целом только одно семейство 3D-дисплеев. К другим типам 3D-дисплеев относятся: стереограммы / стереоскопы, дисплеи с последовательным просмотром, электроголографические дисплеи, параллаксные дисплеи с двумя ракурсами и параллакс- панорамы (которые обычно представляют собой пространственно мультиплексированные системы, такие как лентикулярные листы и дисплеи с параллакс-барьером) -системы визуализации и др.

Хотя впервые постулированные в 1912 году и являющиеся основным продуктом научной фантастики , объемные дисплеи до сих пор 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 [ править ]

Было предпринято множество различных попыток создать устройства для получения объемных изображений. [1] Там нет официально принят « таксономия » многообразия объемных дисплеев, вопрос , который осложняется многими перестановками их характеристик. Например, освещение внутри объемного дисплея может достигать глаза либо непосредственно от источника, либо 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 [ править ]

Объемные трехмерные дисплеи с развернутой поверхностью (или «развернутым объемом») полагаются на постоянное зрение человека, чтобы объединить серию 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 иметь прямоугольную, дискообразную или спиралевидную форму поперечного сечения, после чего они проецируются на или с поверхности отображения, находящейся в движении. Изображение на двумерной поверхности (созданное путем проецирования на поверхность, встроенных в поверхность светодиодов или других методов) изменяется по мере движения или вращения поверхности. Из-за постоянного зрения люди воспринимают непрерывный объем света. Поверхность дисплея может быть отражающей, пропускающей или сочетанием того и другого.

Другой тип 3D-дисплея, который является кандидатом в класс 3D-дисплеев с развернутым объемом, - это архитектура с варифокальным зеркалом. Одна из первых ссылок на этот тип 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 коммерчески доступного дисплея Swept-volume является Voxon Photonics VX1. Этот дисплей имеет область объема 18 см * 18 см * 8 см в глубину и может отображать до 500 миллионов вокселов 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 том [ править ]

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

Это, наверное, самая «прямая» форма объемного показа. В простейшем случае, адресуемый объем пространства создаются из активных элементов , которые являются прозрачными в выключенном состоянии , но являются либо непрозрачным или светящимся в на состоянии. Когда элементы (называемые вокселями ) 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 сделали ставку на два шага масштабированию в редкоземельном - легированный материале , при освещении при пересечении инфракрасных лазерных лучей из 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, отображение тумана с использованием нескольких проекторов может визуализировать трехмерное изображение в объеме пространства, в результате чего отображается объемное отображение статического объема. [6] [7]

Техника, представленная в 2006 году, полностью устраняет дисплейную среду, используя сфокусированный импульсный инфракрасный лазер (около 100 импульсов в секунду; каждый из которых длится наносекунду ) для создания шаров светящейся плазмы в фокусной точке в обычном воздухе. Точка фокусировки направляется двумя движущимися зеркалами и скользящей линзой , что позволяет рисовать фигуры в воздухе. Каждый импульс создает хлопающий звук, поэтому при работе устройство начинает потрескивать. В настоящее время он может генерировать 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, аналогичной плазменному шару, и система быстрой рециркуляции газа, использующая вытяжку и вакуумные насосы, 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 устраняет необходимость в использовании 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 [ править ]

Уникальные свойства объемных дисплеев, которые могут включать обзор на 360 градусов, согласование конвергенции 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 [11], новых графических пользовательских интерфейсов [12] и медицинских приложений, усовершенствованных за счет объемных дисплеев. [13] [14]

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

Художественное использование [ править ]

Голлифика: 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 отображать только фигуры Лиссажжу , такие как те, которые генерируются отражением лазера от гальванического конуса или диффузора динамика.

Технические проблемы [ править ]

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

Часто утверждают, что объемные дисплеи неспособны реконструировать сцены с эффектами, зависящими от позиции зрителя, такими как окклюзия и непрозрачность. Это заблуждение; дисплей, вокселы 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. Одна система [16] [17]создали 3D-изображения HPO с полем обзора 360 градусов путем наклонной проекции на вертикальный диффузор; другой [18] проецирует 24 вида на вращающуюся поверхность контролируемого рассеивания; а другой [19] обеспечивает изображения с 12 ракурсами с использованием вертикально ориентированной жалюзи.

До сих пор возможность реконструировать сцены с окклюзией и другими позиционно-зависимыми эффектами была за счет вертикального параллакса, так как трехмерная сцена выглядела искаженной при просмотре из других мест, кроме тех, для которых сцена была сгенерирована.

Еще одно соображение - очень большая пропускная способность, необходимая для передачи изображений на объемный дисплей. Например, для стандартных 24 бит на пиксель , разрешение 1024 × 768, плоского / 2D-дисплея требуется около 135 МБ / с для отправки на аппаратное обеспечение дисплея для поддержки 60 кадров в секунду, тогда как 24 бит на воксель , 1024 × 768 × Для объемного отображения 1024 (1024 "пиксельных слоя" по оси Z) потребуется отправить примерно на три порядка больше (135 ГБ / с) к оборудованию дисплея, чтобы поддерживать 60 объемов в секунду. Как и в случае с обычным 2D-видео, можно уменьшить требуемую полосу пропускания, просто посылая меньше томов в секунду и позволяя аппаратному обеспечению дисплея повторять кадры в промежутке, или отправляя только достаточное количество 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, объемный 3D-дисплей потребует на два-три порядка больше процессора и / или графического процессора.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 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 только в том случае, если воксели не имеют значений «альфа» или прозрачности.

См. Также [ править ]

  • Голограмма
  • Объемный тактильный дисплей
  • Объемное видео
  • Объемная печать
  • Виртуальный дисплей сетчатки
  • Устройство отображения
  • 3D-дисплей
  • Зебра изображения

Ссылки [ править ]

Сноски [ править ]

  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 для класса «Прикладное зрение и системы визуализации» в Стэнфордском университете . Архивировано из оригинала на 2005-09-09.
  5. ^ Даунинг, Элизабет; Хесселинк, Ламбертус; Ральстон, Джон; Макфарлейн, Роджер (1996). «Трехцветный твердотельный трехмерный дисплей». Наука . 273 (5279): 1185–1189. Bibcode : 1996Sci ... 273.1185D . DOI : 10.1126 / science.273.5279.1185 . S2CID 136426473 . 
  6. ^ 3D проекционный дисплей 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 Hambling (27 февраля 2006). «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. ^ Патель, СК; Cao, J .; Липперт, А.Р. «Объемный 3D-дисплей с фотоактивируемым красителем» . Nature Commun. 2017, в печати.
  11. ↑ van Orden, KF and Broyles, JW (2000, март). Выполнение визуально-пространственных задач в зависимости от методов представления двух- и трехмерных дисплеев, Дисплеи, 21 (1), 17-24. PDF: Зеркало, с разрешения
  12. ^ Гроссман Т., Wigdor Д., Balakrishnan, R. (2004). « Многопальцевое жестовое взаимодействие с трехмерными объемными дисплеями», Труды UIST , Симпозиума 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. Перейти ↑ Wang, AS, Narayan, G., Kao, D., and Liang, D. (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. ^ Chun, W.-S., Napoli, J., Cossairt, OS, дорвались, RK, зал, DM, Purtell II, TJ, Schooler, JF, Banker, Y., и Favalora, GE (2005). Пространственная трехмерная инфраструктура: программная среда, не зависящая от дисплея, электроника для высокоскоростной визуализации и несколько новых дисплеев . В стереоскопических дисплеях и системах 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. ^ Cossairt, OS и Napoli, J. (2004), Radial Multiview 3D Display, US Pat. Приложение. 2005/0180007 А1. Предварительный (16 января 2004 г.). Непредвиденный (14 января 2005 г.). Опубликовано (18 августа 2005 г.)
  17. ^ Favalora, GE (2005, 4 августа). «Лучший дисплей: что это будет?», Представленный на ACM SIGGRAPH, Лос-Анджелес, Калифорния.
  18. ↑ Otsuka, R., Hoshino, T., and Horry, Y. (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 », Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII, AJ Woods, NA Dodgson, JO Merritt, MT Bolas и IE McDowall, eds., Proc. SPIE 6055 , 605516.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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.Г. и Шварц, А.Дж. (2007). «Улучшенная визуализация: освобождение места для трехмерных изображений», John Wiley & Sons. ISBN 0-471-78629-2 . 
  • Бланделл, Б.Г. и Шварц, А.Дж. (2006). Креативные трехмерные дисплеи и интерфейсы взаимодействия: трансдисциплинарный подход , John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3 . ( http://www.barrygblundell.com , файл PDF). 
  • Бланделл, Б.Г. и Шварц, А.Дж. (2000). Системы объемного трехмерного отображения , John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3 ( http://www.barrygblundell.com , файл PDF). 
  • Фавалора, GE (2005, август). «Объемные 3D-дисплеи и инфраструктура приложений», Компьютер, 38 (8), 37-44. Иллюстрированный технический обзор современных и исторических объемных трехмерных дисплеев. Цитирование IEEE через ACM
  • Функ, В. (2008). «Гологлифика: 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, vol. 31, нет. 2, (стр. 58–62). Вдумчивый и краткий обзор области технологий трехмерного отображения, особенно необъемных дисплеев. HTML и PDF
  • Хартвиг, Р. (1976). Vorrichtung zur Dreidimensionalen Abbildung в 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 », Тр. 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, С. М., и МакГи, Р. Б. (1971). Настоящий трехмерный дисплей , IEEE Trans. Электронные устройства, 18, 724-732. Раннее исследование так называемых твердотельных трехмерных дисплеев.
  • Рот, Э. (2006). Объемный дисплей на основе струйной технологии, PDF (Архивировано 14 марта 2012 г .: [1] )

Внешние ссылки [ править ]

  • Dragon O - коммерчески доступный интерактивный объемный светодиодный экран, состоящий из подключаемых модулей размером 50 см x 50 см x 3 м. Предназначен для аудиовизуальных интерактивных мероприятий и инсталляций.
  • Форум по объемному кино и цифровому 3D-фильму
  • VisualCube - небольшой объемный дисплей, состоящий из вокселей 6x6x6 , каждый из которых представлен двухцветным светодиодом
  • Voxiebox - коммерчески доступный объемный дисплей на основе развертки, предназначенный для игровых и развлекательных приложений.
  • Объемные дисплеи - краткое изложение истории, практических вопросов и современного состояния до марта 1996 г.
  • Возвращение 3D-хрустального шара - исчерпывающая статья о волюметрической технологии компании Actuality Systems, включая интервью, фотографии и фильм.
  • Felix3D Display - Некоторые примеры объемных дисплеев
  • Интерактивный дисплей светового поля 360 ° - Институт креативных технологий USC
  • QinetiQ Autostereo 3D Display Wall - пресс-релиз от 2004 г., выпуск, возможно, прекращен, так как дополнительных ссылок не найдено
  • Ежегодная глобальная конференция SPIE / IS&T по стереоскопическим дисплеям и приложениям виртуальной реальности
  • Влияние дифракции на поле зрения и разрешение трехмерного интегрального изображения