Объемный дисплей
Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( июнь 2011 г. ) |
Устройство объемного отображения — это устройство отображения , которое формирует визуальное представление объекта в трех физических измерениях , в отличие от плоского изображения традиционных экранов, имитирующих глубину посредством ряда различных визуальных эффектов. Одно из определений, предложенное 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).
Истинное объемное отображение дает наблюдателю визуальное ощущение материального объекта в трехмерном пространстве, даже если такого объекта нет. Воспринимаемый объект демонстрирует характеристики, аналогичные реальному материальному объекту, позволяя наблюдателю рассматривать его с любого направления, фокусировать камеру на конкретной детали и видеть перспективу – это означает, что части изображения, расположенные ближе к зрителю, кажутся больше, чем части изображения, расположенные ближе к зрителю. те, что дальше.
Объемные 3D-дисплеи технически не являются автостереоскопическими , хотя они создают трехмерные изображения, видимые невооруженным глазом. Это связано с тем, что дисплеи не создают стереоскопические изображения; они естественным образом обеспечивают глазам голографические волновые фронты с фокальной точностью. Благодаря этому они обладают точными характеристиками материальных объектов, такими как глубина фокуса , параллакс движения и вергенция .
Объемные дисплеи — один из нескольких видов 3D-дисплеев. Другими типами являются стереоскопы , дисплеи с последовательным просмотром, [1] электроголографические дисплеи, [2] дисплеи «два вида», [3] [4] и панорамы .
Хотя объемные дисплеи были впервые постулированы в 1912 году и стали одним из основных произведений научной фантастики , они не получили широкого распространения в повседневной жизни. Существует множество потенциальных рынков для объемных дисплеев со сценариями использования, включая медицинскую визуализацию, горнодобывающую промышленность, 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 группе людей возможность собраться вокруг дисплея и взаимодействовать естественным образом без необходимости надевать 3D-очки или другую голову. механизм.
Типы
[ редактировать ]Было предпринято множество различных попыток создать устройства объемной визуализации. [5] не существует Официально принятой « таксономии » разнообразия объемных дисплеев , и эта проблема осложняется множеством вариаций их характеристик. Например, освещение внутри объемного дисплея может достигать глаза либо непосредственно от источника, либо через промежуточную поверхность, такую как зеркало или стекло; аналогичным образом эта поверхность, которая не обязательно должна быть осязаемой, может подвергаться движению, например колебанию или вращению. Одна из категорий выглядит следующим образом:
Отображение качающегося объема
[ редактировать ]Объемные 3D-дисплеи с качающейся поверхностью (или «объемным объемом») полагаются на постоянство человеческого зрения , позволяющее объединить серию фрагментов трехмерного объекта в одно трехмерное изображение. [6] Были созданы разнообразные дисплеи с качающимся объемом.
Например, 3D-сцена вычислительно разбивается на серию «срезов», которые могут иметь прямоугольную, дискообразную или спиральную форму поперечного сечения, после чего они проецируются на поверхность дисплея, находящуюся в движении, или с нее. Изображение на 2D-поверхности (создаваемое проекцией на поверхность, встроенными в поверхность светодиодами или другими методами) меняется при движении или вращении поверхности. Благодаря постоянству зрения люди воспринимают непрерывный объем света. Поверхность дисплея может быть отражающей, пропускающей или комбинировать то и другое.
Другим типом 3D-дисплеев, который является кандидатом в класс 3D-дисплеев с качающимся объемом, является архитектура зеркала с переменным фокусным расстоянием. Одно из первых упоминаний о системе этого типа относится к 1966 году, когда вибрирующий зеркальный пластик отражает серию узоров из источника 2D-изображения с высокой частотой кадров, такого как векторный дисплей, на соответствующий набор поверхностей глубины.
Примером коммерчески доступного дисплея с качающимся объемом является Voxon VX1 от Voxon Photonics. Этот дисплей имеет объемную область размером 18 см × 18 см × 8 см (7,1 дюйма × 7,1 дюйма × 3,1 дюйма) в глубину 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 медицинских изображений.
Статический объем
[ редактировать ]Так называемые объемные 3D-дисплеи со «статическим объемом» создают изображения без каких-либо макроскопических движущихся частей в объеме изображения. [7] Неясно, должна ли остальная часть системы оставаться стационарной, чтобы членство в этом классе дисплеев было жизнеспособным.
Это, наверное, самая «прямая» форма объемного отображения. В простейшем случае адресный объем пространства создается из активных элементов, которые прозрачны в выключенном состоянии, но либо непрозрачны, либо светятся во включенном состоянии. Когда элементы (называемые вокселами ) активированы, они отображают сплошной узор в пространстве дисплея.
В некоторых объемных 3D-дисплеях статического объема используется лазерный свет для стимулирования видимого излучения в твердом теле, жидкости или газе. Например, некоторые исследователи полагались на двухступенчатое повышающее преобразование в редкоземельными элементами , материале, легированном при его освещении пересекающимися инфракрасными лазерными лучами соответствующих частот. [8] [9]
Недавние достижения были сосредоточены на нематериальных (свободных пространствах) реализациях категории статического объема, которые в конечном итоге могут обеспечить прямое взаимодействие с дисплеем. Например, отображение тумана с использованием нескольких проекторов может отображать трехмерное изображение в объеме пространства, в результате чего получается объемное отображение статического объема. [10] [11]
Техника, представленная в 2006 году, полностью исключает использование средства отображения, используя сфокусированный импульсный инфракрасный лазер (около 100 импульсов в секунду; каждый длительностью наносекунду ) для создания шаров светящейся плазмы в фокальной точке в обычном воздухе. Фокус направляется двумя движущимися зеркалами и скользящей линзой , что позволяет рисовать фигуры в воздухе. Каждый импульс создает хлопающий звук, поэтому устройство потрескивает во время работы. В настоящее время он может генерировать точки в пределах кубического метра. Предполагается, что устройство можно масштабировать до любого размера, что позволит создавать трехмерные изображения неба. [12] [13]
Более поздние модификации, такие как использование газовой смеси неон/аргон/ксенон/гелий, аналогичной плазменному шару, и система быстрой рециркуляции газа с использованием колпака и вакуумных насосов, могли бы позволить этой технологии достичь двухцветной (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». [14] Среда дисплея состоит из класса фотоактивируемых молекул (известных как спиродамины) и технологии цифровой обработки света (DLP) для генерации структурированного света в трех измерениях. Этот метод позволяет избежать необходимости использования мощных лазеров и генерации плазмы, что снижает опасения по поводу безопасности и значительно улучшает доступность трехмерных дисплеев. УФ-свет и зеленый свет 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.
Человеко-компьютерные интерфейсы
[ редактировать ]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. [15] новые графические интерфейсы пользователя, [16] и медицинские приложения, дополненные объемными дисплеями. [17] [18]
Кроме того, существуют программные платформы, которые доставляют собственный и устаревший 2D- и 3D-контент на объемные дисплеи. [19]
Художественное использование
[ редактировать ]Форма искусства под названием «Гологлифика» исследуется с 1994 года, сочетая в себе 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 Лиссажу , например, те, которые генерируются путем отражения лазера от гальвоника или диффузора динамика.
Технические проблемы
[ редактировать ]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 положения 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 и отражающими и/или вертикально рассеянными экранами, изображения которых демонстрируют окклюзию и непрозрачность. Одна система [20] [21] созданы 3D-изображения HPO с полем обзора 360 градусов путем наклонной проекции на вертикальный диффузор; другой [22] проецирует 24 изображения на вращающуюся поверхность с контролируемой диффузией; и еще один [23] обеспечивает 12 изображений с использованием вертикально ориентированной решетки.
До сих пор возможность реконструировать сцены с окклюзией и другими эффектами, зависящими от положения, осуществлялась за счет вертикального параллакса, поскольку 3D-сцена выглядит искаженной, если смотреть из мест, отличных от тех, для которых сцена была создана.
Еще одним соображением является очень большая пропускная способность, необходимая для передачи изображений на объемный дисплей. Например, для стандартного плоского/2D-дисплея с 24 битами на пиксель и разрешением 1024×768 требуется около 135 МБ/с для отправки на аппаратное обеспечение дисплея для поддержания 60 кадров в секунду, тогда как для стандартного плоского/2D-дисплея с разрешением 24 бита на пиксель и разрешением 1024×768× 1024 (1024 «пиксельных слоя» по оси Z) объемному дисплею потребуется отправлять примерно на три порядка больше (135 ГБ/с ) на аппаратное обеспечение дисплея, чтобы поддерживать 60 объемов в секунду. Как и в случае с обычным 2D-видео, можно уменьшить необходимую пропускную способность, просто отправляя меньше объемов 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, например Так обстоит дело с современными видеоформатами со сжатием с потерями, такими как MPEG . Кроме того, объемный 3D-дисплей потребует на два-три порядка больше мощности ЦП и/или графического процессора , чем необходимо для 2D-изображений эквивалентного качества, по крайней мере частично, из-за огромного количества данных, которые необходимо создать и отправить на компьютер. аппаратное обеспечение дисплея. Однако если видна только внешняя поверхность объема, количество требуемых вокселов 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.
См. также
[ редактировать ]- Голография
- Объемный тактильный дисплей
- Объемное видео
- Объемная печать
- Виртуальный сетчаточный дисплей
- Устройство отображения
- 3D-дисплей
- Зебра изображения
- Аутостереоскопия
- Мультископия
- Конфликт вергентности и аккомодации
Ссылки
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ Коссар, Оливер; Моллер, Кристиан; Бентон, Стив; Трэвис, Адриан (январь 2004 г.). «Последовательное отображение представления Кембриджа-MIT» . Северо-Западный университет . Архивировано из оригинала 2 августа 2022 года.
- ^ Лусенте, Марк (ноябрь 1994 г.). «Электронная голография: новейшее» . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 19 сентября 2006 года . Проверено 1 августа 2022 г.
- ^ Хабиб, Магед С; Лоуэлл, Джеймс А; Холлиман, Ник С; Хантер, Эндрю; Вайдеяну, Даниэлла; Хилдрет, Энтони; Стил, Дэвид Х.В. (декабрь 2008 г.). «Оценка стереоскопических изображений диска зрительного нерва с использованием автостереоскопического экрана – экспериментальное исследование» . БМК Офтальмология . 8 (1): 13. дои : 10.1186/1471-2415-8-13 . ПМК 2496897 . ПМИД 18651983 .
- ^ Пикеринг, Марк Р. (2014). «Стереоскопическое и многоракурсное видеокодирование». Библиотека академической прессы по обработке сигналов — сжатию изображений и видео и мультимедиа . Том. 5. С. 119–153. дои : 10.1016/B978-0-12-420149-1.00004-1 . ISBN 978-0-12-420149-1 .
- ^ Патентное ведомство США
- ^ Гейтли, Мэтью и др. « Трехмерный объемный дисплей на основе светодиодных матриц ». Журнал технологий отображения 7.9 (2011): 503-514.
- ^ Бланделл, Барри Г. и Адам Дж. Шварц. « Классификация объемных систем отображения: характеристики и прогнозируемость изображения пространства ». Транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике 8.1 (2002): 66-75.
- ^ Джозеф А. Маттео (16 марта 2001 г.). «Объемный дисплей» . Конспекты лекций по курсу «Прикладное зрение и системы визуализации» в Стэнфордском университете . Архивировано из оригинала 9 сентября 2005 г.
- ^ Даунинг, Элизабет; Хесселинк, Ламберт; Ралстон, Джон; Макфарлейн, Роджер (1996). «Трехцветный твердотельный трехмерный дисплей». Наука . 273 (5279): 1185–1189. Бибкод : 1996Sci...273.1185D . дои : 10.1126/science.273.5279.1185 . S2CID 136426473 .
- ^ 3D-дисплей проекции тумана с несколькими точками обзора
- ^ Тим Стивенс (17 марта 2011 г.). «3D-проекция тумана оживляет фиолетовых кроликов, которые как раз вовремя откладывают шоколадные яйца (видео)» . Engadget .
- ^ Дэвид Хэмблинг (27 февраля 2006 г.). «Трехмерные плазменные фигуры, созданные в воздухе» . Новый учёный .
- ^ «Японское устройство использует лазерную плазму для отображения 3D-изображений в воздухе» . Физорг.com . 27 февраля 2006 г.
- ^ Патель, СК; Цао, Дж.; Липперт, А.Р. «Объемный 3D-дисплей с фотоактивируемыми красителями» . Природа Коммун. 2017, в печати.
- ^ ван Орден, К.Ф. и Бройлс, JW (2000, март). Выполнение зрительно-пространственных задач в зависимости от методов двух- и трехмерного отображения, Дисплеи, 21 (1), 17-24. PDF: Зеркало, с разрешения
- ^ Гроссман Т., Вигдор Д. и Балакришнан Р. (2004). «Взаимодействие жестов несколькими пальцами с объемными трехмерными дисплеями», Труды UIST , Симпозиум ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса (стр. 61–70). PDF на сайте автора
- ^ «Изучение новейшей системы 3D-визуализации для планирования лечения рака, Медицинский центр Университета Раша», Medical News Today, (29 апреля 2005 г.).
- ^ Ван, А.С.; Гириш Нараян; Као, Д.; Лян, Д. (2005). «Оценка использования объемного отображения трехмерных ультразвуковых данных в реальном времени для задач манипуляций с внутрисердечным катетером». Четвертый международный семинар по объемной графике, 2005 г. стр. 41–45. дои : 10.1109/ВГ.2005.194095 . ISBN 3-905673-26-6 .
- ^ Чун, В.-С., Наполи, Дж., Коссарт, О.С., Дорваль, Р.К., Холл, Д.М., Пертелл II, Т.Дж., Скулер, Дж.Ф., Банкер, Ю., и Фавалора, Дж.Э. (2005). Пространственная 3-D инфраструктура: независимая от дисплея программная платформа, электроника для высокоскоростного рендеринга 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. Электронная визуализация SPIE-IS&T, SPIE Vol. 5664, (стр. 302–312). Сан-Хосе, Калифорния: SPIE-IS&T.
- ^ Коссарт, О.С. и Наполи, Дж. (2004), Радиальные многоракурсные трехмерные дисплеи , Патент США. Приложение. 2005/0180007 А1. Предварительно (16 января 2004 г.). Непредварительный (14 января 2005 г.). Опубликовано (18 августа 2005 г.)
- ^ Фавалора, GE (2005, 4 августа). «Идеальный дисплей: каким он будет?», Представленный на выставке ACM SIGGRAPH, Лос-Анджелес, Калифорния.
- ^ Оцука, Риеко; Хосино, Такеши; Хорри, Юичи (10 ноября 2004 г.). «Транспост: система кругового отображения объемного трехмерного изображения»: 187–194. дои : 10.1145/1077534.1077576 .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Танака, Кенджи; Аоки, Соко (2 февраля 2006 г.). «Метод построения светового поля полного параллакса в реальном времени». В Вудсе, Эндрю Дж.; Доджсон, Нил А.; Мерритт, Джон О.; Болас, Марк Т.; Макдауэлл, Ян Э. (ред.). Стереоскопические дисплеи и системы виртуальной реальности XIII . Том. 6055. с. 605516. дои : 10.1117/12.643597 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Бланделл, Б.Г. (2011). «Об объемных 3D-дисплеях», Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473193768 . ( http://www.barrygblundell.com , PDF-файл).
- 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 , PDF-файл).
- Бланделл, Б.Г. и Шварц, А.Дж. (2007). «Улучшенная визуализация: освобождаем место для 3D-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 , PDF-файл).
- Бланделл, Б.Г. и Шварц, А.Дж. (2000). Системы объемного трехмерного отображения , John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3 ( http://www.barrygblundell.com , PDF-файл).
- Фавалора, GE (август 2005 г.). «Объемные 3D-дисплеи и инфраструктура приложений», Компьютер, 38 (8), 37–44. Иллюстрированный технический обзор современных и исторических объемных 3D-дисплеев. Цитирование IEEE через ACM
- Фанк, В. (2008). «Гологлифика: система выполнения объемного синтеза изображений», Учеб. СПИЭ , том. 6803, SPIE — Международный соц. по оптической технике, стереоскопическим дисплеям и приложениям 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 3D-дисплеев, особенно необъемных дисплеев. HTML и PDF
- Хартвиг, Р. (1976). Устройство для создания трехмерных изображений в цилиндрически-симметричном виде , патент Германии DE2622802C2, подан в 1976 г., выдан в 1983 г. Одна из первых ссылок на патенты на трехмерный дисплей с вращающейся спиралью.
- Хонда, Т. (2000). Технология трехмерного отображения, удовлетворяющая «условиям супермультиизображения». В Б. Джавиди и Ф. Окано (ред.), Proc. Трехмерное видео и отображение: устройства и системы , вып. CR76, SPIE Press, (стр. 218–249). ISBN 0-8194-3882-0
- Лангханс К., Безецни Д., Хоманн Д., Бахр Д., Фогт К., Блом К. и Шаршмидт К.-Х. (1998). « Новый портативный 3D-дисплей FELIX », Учеб. СПИЭ , том. 3296, SPIE — Международный соц. оптической техники (стр. 204–216). Включает тщательный обзор литературы по объемным дисплеям.
- Льюис, Дж. Д., Вербер, К. М. и МакГи, Р.Б. (1971). Настоящий трехмерный дисплей , IEEE Trans. Электронные устройства, 18, 724–732. Раннее исследование так называемых твердотельных 3D-дисплеев.
- Рот, Э. (2006). Объемный дисплей на основе струйной технологии, PDF (Архивировано 14 марта 2012 г.: [1] )
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Dragon O — коммерчески доступный интерактивный объемный светодиодный дисплей, состоящий из подключаемых модулей размером 50x50x3 м. Предназначен для аудиовизуальных интерактивных впечатлений и инсталляций.
- Форум по объемному кино и цифровому 3D кино
- VisualCube — небольшой объемный дисплей, состоящий из 6x6x6 вокселей , каждый из которых представлен двухцветным светодиодом.
- Voxon Photonics — коммерчески доступный объемный дисплей с изменяемым объемом, предназначенный для игровых и развлекательных приложений.
- Объемные дисплеи . Краткое изложение истории, практических вопросов и современного состояния до марта 1996 г.
- Возвращение трехмерного хрустального шара — подробная статья об объемной технологии Actuality Systems, включая интервью, фотографии и фильм.
- Felix3D Display — Некоторые примеры объемных дисплеев
- Интерактивный дисплей светового поля на 360°. Архивировано 27 октября 2009 г. в Wayback Machine - Институтом творческих технологий Университета Южной Калифорнии.
- QinetiQ Autostereo 3D Display Wall — пресс-релиз 2004 г., возможно, снят с производства, поскольку не найдено дальнейших ссылок
- SPIE / IS&T «Стероскопические дисплеи и приложения виртуальной реальности» Ежегодная глобальная конференция
- Эсна Ашари, Жила; Кавехваш, Захра; Мехрани, Хашаяр (июль 2014 г.). «Влияние дифракции на поле зрения и разрешение трехмерного интегрального изображения». Журнал дисплейных технологий . 10 (7): 553–559. arXiv : 1711.01033 . Бибкод : 2014JDisT..10..553A . дои : 10.1109/JDT.2014.2307959 .