Volumenanzeige - Volumetric display

Ein volumetrisches Anzeigegerät ist ein grafisches Anzeigegerät, das eine visuelle Darstellung eines Objekts in drei physischen Dimensionen bildet , im Gegensatz zum planaren Bild herkömmlicher Bildschirme, die die Tiefe durch eine Reihe verschiedener visueller Effekte simulieren. Eine Definition, die von Pionieren auf diesem Gebiet angeboten wird, ist, dass volumetrische Anzeigen 3D-Bilder über die Emission, Streuung oder Weiterleitung von Beleuchtung aus genau definierten Bereichen im (x, y, z) Raum erzeugen.

Eine echte volumetrische Anzeige gibt eine digitale Darstellung eines realen Objekts in einem physischen Raum (Volumen) wieder. Das resultierende "Bild" zeigt ähnliche Eigenschaften wie ein reales Objekt, sodass ein Betrachter es aus jeder Richtung betrachten und eine Kamera auf ein bestimmtes Detail fokussieren kann und sehen Sie die Perspektive, was bedeutet, dass Teile des Bildes, die näher am Betrachter sind, größer erscheinen als Teile, die weiter entfernt sind.

Volumetrische 3D-Anzeigen sind insofern autostereoskopisch , als sie dreidimensionale Bilder erzeugen, die für das bloße Auge sichtbar sind.

Volumetrische 3D-Anzeigen umfassen im Allgemeinen nur eine Familie von 3D-Anzeigen. Andere Arten von 3D - Anzeigen sind: Stereogramme / Stereoskope, Ansicht sequentielle Displays, elektro holographische Anzeigen, Parallaxe „zwei Ansicht“ Displays und Parallaxen - Panorama (die typischerweise Systeme räumlich gemultiplext wie Lentikular-Blatt - Displays und Parallaxensperre Displays), Re -Bildsysteme und andere.

Obwohl erstmals 1912 postuliert und ein Grundnahrungsmittel der Science-Fiction , sind volumetrische Displays im Alltag immer noch nicht weit verbreitet. Es gibt zahlreiche potenzielle Märkte für volumetrische Displays mit Anwendungsfällen wie medizinische Bildgebung, Bergbau, Bildung, Werbung, Simulation, Videospiele, Kommunikation und geophysikalische Visualisierung. Im Vergleich zu anderen 3D-Visualisierungswerkzeugen wie der virtuellen Realität bieten volumetrische Anzeigen eine von Natur aus andere Art der Interaktion, mit der sich eine Gruppe von Personen auf natürliche und gesellige Weise um die Anzeige versammeln und interagieren kann, ohne sie zuerst anziehen zu müssen 3D-Brille oder andere Kopfbedeckungen. 3D-Objekte, die in einer volumetrischen Anzeige gerendert werden, können Eigenschaften aufweisen, die mit denen realer Objekte identisch sind, einschließlich Brennweite , Bewegungsparallaxe und Vergenz .

Typen

Es wurden viele verschiedene Versuche unternommen, volumetrische Bildgebungsvorrichtungen herzustellen. Es gibt keine offiziell anerkannte " Taxonomie " der verschiedenen volumetrischen Anzeigen, ein Problem, das durch die vielen Permutationen ihrer Eigenschaften erschwert wird . Beispielsweise kann die Beleuchtung innerhalb einer volumetrischen Anzeige entweder direkt von der Quelle oder über eine Zwischenfläche wie einen Spiegel oder ein Glas zum Auge gelangen; Ebenso kann diese Oberfläche, die nicht greifbar sein muss, Bewegungen wie Schwingungen oder Rotationen unterliegen. Eine Kategorisierung lautet wie folgt:

Swept-Volume-Anzeige

Volumetrische 3D-Anzeigen mit überstrichener Oberfläche (oder "überstrichenes Volumen") basieren auf der menschlichen Beharrlichkeit des Sehens , um eine Reihe von Schnitten des 3D-Objekts zu einem einzigen 3D-Bild zu verschmelzen. Es wurde eine Vielzahl von Anzeigen mit überstrichenem Volumen erstellt.

Beispielsweise wird die 3D-Szene rechnerisch in eine Reihe von "Schnitten" zerlegt, die rechteckig, scheibenförmig oder spiralförmig geschnitten sein können, woraufhin sie auf oder von einer beweglichen Anzeigefläche projiziert werden. Das Bild auf der 2D-Oberfläche (erstellt durch Projektion auf die Oberfläche, in die Oberfläche eingebettete LEDs oder andere Techniken) ändert sich, wenn sich die Oberfläche bewegt oder dreht. Aufgrund der anhaltenden Sicht nimmt der Mensch ein kontinuierliches Lichtvolumen wahr. Die Anzeigefläche kann reflektierend, durchlässig oder eine Kombination aus beiden sein.

Eine andere Art von 3D-Anzeige, die ein Kandidatenmitglied der Klasse der 3D-Anzeigen mit überstrichenem Volumen ist, ist die Varifokalspiegelarchitektur. Eine der ersten Referenzen zu diesem Systemtyp stammt aus dem Jahr 1966, in dem ein vibrierender gespiegelter Trommelfell eine Reihe von Mustern von einer 2D-Bildquelle mit hoher Bildrate, wie z. B. einer Vektoranzeige, auf einen entsprechenden Satz von Tiefenflächen reflektiert.

Ein Beispiel für ein im Handel erhältliches Swept-Volume-Display ist das Voxon Photonics VX1. Dieses Display hat einen Volumenbereich von 18 cm * 18 cm * 8 cm Tiefe und kann bis zu 500 Millionen Voxel pro Sekunde rendern. Inhalte für den VX1 können mit Unity oder mit Standard-3D-Dateitypen wie OBJ, STL und DICOM für die medizinische Bildgebung erstellt werden.

Hochauflösende medizinische DICOM-Daten werden auf einem Voxon VX1 Volumetric Display angezeigt

Statisches Volumen

Sogenannte volumetrische 3D-Displays mit "statischem Volumen" erzeugen Bilder ohne makroskopisch bewegliche Teile im Bildvolumen. Es ist unklar, ob der Rest des Systems stationär bleiben muss, damit die Mitgliedschaft in dieser Anzeigeklasse möglich ist.

Dies ist wahrscheinlich die "direkteste" Form der volumetrischen Anzeige. Im einfachsten Fall wird ein adressierbarer Raumvolumen von aktiven Elementen geschaffen, dass in den transparenten sind off - Zustand , sind aber entweder opak oder Leucht in der auf - Zustand. Wenn die Elemente ( Voxel genannt ) aktiviert sind, zeigen sie ein festes Muster im Bereich der Anzeige.

Mehrere volumetrische 3D-Displays mit statischem Volumen verwenden Laserlicht, um die sichtbare Strahlung in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas zu fördern. Zum Beispiel haben einige Forscher verlassen sich auf Zwei-Schritt - Aufwärts - Umwandlung innerhalb einer mit seltenen Erden - dotiertes Material , wenn es durch mich kreuzende Infrarotlaser beleuchtet Strahlen der entsprechenden Frequenzen.

Die jüngsten Fortschritte konzentrierten sich auf nicht greifbare (Freiraum-) Implementierungen der Kategorie des statischen Volumens, die möglicherweise eine direkte Interaktion mit der Anzeige ermöglichen. Beispielsweise kann eine Nebelanzeige mit mehreren Projektoren ein 3D-Bild in einem Raumvolumen rendern, was zu einer volumetrischen Anzeige mit statischem Volumen führt.

Eine Technik im Jahr 2006 vorgestellt hat mit dem Anzeigemedium gänzlich entfernt, unter Verwendung eines fokussierten gepulsten Infrarot - Laser (ca. 100 Pulsen pro Sekunde; jeweils eine dauerhafte Nanosekunde ) zu schaffen Kugeln aus glühenden Plasma am Brennpunkt in normaler Luft. Der Brennpunkt wird durch zwei sich bewegende gerichteten Spiegeln und einer Schiebe Linse , so dass sie Formen in der Luft zu ziehen. Jeder Impuls erzeugt ein Knallgeräusch, sodass das Gerät beim Laufen knistert. Derzeit kann es überall innerhalb eines Kubikmeters Punkte erzeugen. Es wird angenommen, dass das Gerät auf jede Größe skaliert werden kann, sodass 3D-Bilder am Himmel erzeugt werden können.

Spätere Modifikationen wie die Verwendung eines Neon / Argon / Xenon / Helium-Gasgemisches ähnlich einer Plasmakugel und eines schnellen Gasrecyclingsystems mit Haube und Vakuumpumpen könnten es dieser Technologie ermöglichen, zweifarbig (R / W) und möglicherweise zu erreichen RGB-Bilder durch Ändern der Impulsbreite und -intensität jedes Impulses, um die Emissionsspektren des leuchtenden Plasmakörpers abzustimmen.

Im Jahr 2017 wurde ein neues Display namens "3D Light PAD" veröffentlicht. Das Medium des Displays besteht aus einer Klasse photoaktivierbarer Moleküle (bekannt als Spirhodamine) und der digitalen Lichtverarbeitungstechnologie (DLP), um strukturiertes Licht in drei Dimensionen zu erzeugen. Die Technik umgeht die Notwendigkeit der Verwendung von Hochleistungslasern und die Erzeugung von Plasma, was Sicherheitsbedenken mindert und die Zugänglichkeit der dreidimensionalen Anzeigen dramatisch verbessert. UV-Licht- und Grünlichtmuster sind auf die Farbstofflösung gerichtet, die die Photoaktivierung initiiert und so das "Ein" -Voxel erzeugt. Das Gerät kann eine minimale Voxelgröße von 0,68 mm 3 mit einer Auflösung von 200 μm und einer guten Stabilität über Hunderte von Ein-Aus-Zyklen anzeigen .

Mensch-Computer-Schnittstellen

Die einzigartigen Eigenschaften volumetrischer Anzeigen, zu denen eine 360-Grad-Betrachtung, die Übereinstimmung von Konvergenz- und Akkommodationshinweisen und ihre inhärente "Dreidimensionalität" gehören können, ermöglichen neue Benutzerschnittstellentechniken . In jüngster Zeit wurden die Geschwindigkeits- und Genauigkeitsvorteile von volumetrischen Anzeigen, neuen grafischen Benutzeroberflächen und medizinischen Anwendungen untersucht, die durch volumetrische Anzeigen erweitert wurden.

Es gibt auch Softwareplattformen, die native und ältere 2D- und 3D-Inhalte für volumetrische Anzeigen bereitstellen.

Künstlerische Verwendung

Hologlyphie: künstlerische Verwendung volumetrischer Anzeigen mit Lasern und lissajous Kurven .

Seit 1994 wird eine Kunstform namens Hologlyphics erforscht, die Elemente aus Holographie , Musik , Videosynthese , visionärem Film, Skulptur und Improvisation kombiniert . Während diese Art der Anzeige visuelle Daten in einem Volumen wiedergeben kann, ist sie keine adressierbare Anzeige und kann nur lissajous Figuren , wie sie durch Abprallen eines Lasers von einem Galvo oder Lautsprecherkegel erzeugt werden.

Technische Herausforderungen

Bekannte volumetrische Anzeigetechnologien weisen auch mehrere Nachteile auf, die in Abhängigkeit von den vom Systemdesigner gewählten Kompromissen auftreten.

Es wird oft behauptet, dass volumetrische Anzeigen nicht in der Lage sind, Szenen mit vom Betrachter positionellen Effekten wie Okklusion und Opazität zu rekonstruieren. Dies ist ein Missverständnis; Ein Display, dessen Voxel nicht-isotrope Strahlungsprofile aufweisen, kann tatsächlich positionsabhängige Effekte darstellen. Bisher erfordern okklusionsfähige volumetrische Anzeigen zwei Bedingungen: (1) Die Bilder werden als eine Reihe von "Ansichten" und nicht als "Schnitte" gerendert und projiziert, und (2) die zeitlich variierende Bildoberfläche ist nicht einheitlich Diffusor. Zum Beispiel haben Forscher volumetrische Spinning-Screen-Displays mit reflektierenden und / oder vertikal diffusen Bildschirmen demonstriert, deren Bilder Okklusion und Opazität aufweisen. Ein System erstellte HPO 3D-Bilder mit einem 360-Grad-Sichtfeld durch schräge Projektion auf einen vertikalen Diffusor. ein anderer projiziert 24 Ansichten auf eine rotierende Oberfläche mit kontrollierter Diffusion; und ein anderes liefert Bilder mit 12 Ansichten unter Verwendung einer vertikal ausgerichteten Luftklappe.

Bisher ging die Fähigkeit, Szenen mit Okklusion und anderen positionsabhängigen Effekten zu rekonstruieren, zu Lasten der vertikalen Parallaxe, da die 3D-Szene verzerrt erscheint, wenn sie von anderen Orten als denen betrachtet wird, für die die Szene generiert wurde.

Eine weitere Überlegung ist die sehr große Bandbreite, die erforderlich ist, um Bilder einer volumetrischen Anzeige zuzuführen. Beispielsweise erfordert eine Standard- Flach- / 2D-Anzeige mit 24 Bit pro Pixel und einer Auflösung von 1024 × 768 eine Übertragung von etwa 135 MB / s an die Anzeigehardware, um 60 Bilder pro Sekunde aufrechtzuerhalten, während eine 24 Bit pro Voxel mit einer Auflösung von 1024 × 768 × Die volumetrische Anzeige 1024 (1024 "Pixelschichten" in der Z-Achse)) müsste etwa drei Größenordnungen mehr (135 GB / s ) an die Anzeigehardware senden , um 60 Volumina pro Sekunde aufrechtzuerhalten. Wie bei normalen 2D-Videos könnte man die benötigte Bandbreite reduzieren, indem man einfach weniger Volumes pro Sekunde sendet und die Anzeigehardware in der Zwischenzeit Frames wiederholen lässt oder indem man nur genügend Daten sendet, um die Bereiche der Anzeige zu beeinflussen, die aktualisiert werden müssen ist der Fall bei modernen verlustbehafteten Komprimierungsvideoformaten wie MPEG . Darüber hinaus würde eine volumetrische 3D-Anzeige zwei bis drei Größenordnungen mehr CPU- und / oder GPU- Leistung erfordern, als für 2D-Bilder gleicher Qualität erforderlich ist, zumindest teilweise aufgrund der bloßen Datenmenge, die erstellt und an die gesendet werden muss Display-Hardware. Wenn jedoch nur die äußere Oberfläche des Volumens sichtbar ist, würde die Anzahl der erforderlichen Voxel in der gleichen Größenordnung liegen wie die Anzahl der Pixel auf einer herkömmlichen Anzeige. Dies wäre nur dann der Fall, wenn die Voxel keine "Alpha" - oder Transparenzwerte haben.

Siehe auch

Verweise

Fußnoten

Weiterführende Literatur

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Externe Links