Көлемдік 3D дисплей құрылғысы

Кіріспе

3D графикалық дисплей құрылғысы

Көлемдік дисплей құрылғысы – бұл дәстүрлі экрандардың тереңдікті бірнеше визуалды эффекттер арқылы имитациялайтын жазық бейнесіне қарағанда, объектілердің үш физикалық өлшемде визуалды бейнесін құратын дисплей құрылғысы. Бұл саланың пионерлері ұсынған бір анықтама бойынша, көлемдік дисплейлер (x, y, z) кеңістігіндегі нақты белгіленген аймақтардан жарық шығару, шашырату немесе қайта бағыттау арқылы 3D бейнелерді жасайды. Шын көлемдік дисплей бақылаушыда нақты объектінің болмауына қарамастан, үш өлшемді кеңістіктегі материалдық объектіні көру сезімін тудырады. Көрінетін объект нақты материалдық объект сияқты сипаттамаларды көрсетеді, бақылаушыға оны кез келген бұрыштан қарауға, камераны нақты бір детальға бағыттауға және бейнеге жақын заттар алыстағылардан үлкен көрінетін перспективаны көруге мүмкіндік береді. Көлемдік 3D дисплейлер техникалық тұрғыдан автостереоскопиялық емес, тіпті олар үш өлшемді бейнелерді көздің көмегімен көруге мүмкіндік береді. Бұл дисплейлер стереоскопиялық бейнелерді жасамайды, олар көзге дәл келетін голографиялық толқын фронттарын табиғи түрде ұсынады. Осы себепті, олар фокустық тереңдік, қозғалыс параллаксы және конвергенция сияқты материалдық объектілердің нақты сипаттамаларына ие. Көлемдік дисплейлер – 3D дисплейлердің көптеген түрлерінің бірі. Басқа түрлері: стереоскоптар, тізбекпен көрсету дисплейлері, электро голографиялық дисплейлер, "екі көрініс" дисплейлері және панорамаграммалар. 1912 жылы алғаш рет ұсынылған және ғылыми фантастикада кеңінен қолданылған көлемдік дисплейлер күнделікті өмірде кеңінен таралмаған. Көлемдік дисплейлер үшін медициналық бейнелеу, кен өндіру, білім беру, жарнама, симуляция, бейне ойындар, байланыс және геофизикалық визуализацияны қамтитын көптеген әлеуетті нарықтар бар. Виртуалды шындық сияқты басқа 3D визуализация құралдарымен салыстырғанда, көлемдік дисплейлер өзара әрекеттесудің өзгеше режимін ұсынады, бұл адамдар тобына дисплейдің айналасында жиналып, 3D көзілдірік немесе басқа да жабдықтарды киместен табиғи түрде өзара әрекеттесуге мүмкіндік береді.

A volumetric display device is a display device that forms a visual representation of an object in three physical dimensions, as opposed to the planar image of traditional screens that simulate depth through a number of different visual effects. One definition offered by pioneers in the field is that volumetric displays create 3D imagery via the emission, scattering, or relaying of illumination from well defined regions in (x,y,z) space. A true volumetric display produces in the observer a visual experience of a material object in three dimensional space, even though no such object is present. The perceived object displays characteristics similar to an actual material object by allowing the observer to view it from any direction, to focus a camera on a specific detail, and to see perspective – meaning that the parts of the image closer to the viewer appear larger than those further away. Volumetric 3D displays are technically not autostereoscopic, even though they create three dimensional imagery visible to the unaided eye. This is because the displays do not generate stereoscopic images; they naturally provide focally accurate holographic wavefronts to the eyes. Due to this, they have accurate characteristics of material objects such as focal depth, motion parallax, and vergence. Volumetric displays are one of several kinds of 3D displays. Other types are stereoscopes, view sequential displays, electro holographic displays, "two view" displays, and panoramagrams. Although first postulated in 1912, and a staple of science fiction, volumetric displays are not widely used in everyday life. There are numerous potential markets for volumetric displays with use cases including medical imaging, mining, education, advertising, simulation, video games, communication and geophysical visualisation. When compared to other 3D visualisation tools such as virtual reality, volumetric displays offer an inherently different mode of interaction, providing the opportunity for a group of people to gather around the display and interact in a natural manner without having to don 3D glasses or other head gear.

Түрлері

Көлемдік бейнелеу құрылғыларын жасауға көптеген әртүрлі талпыныстар жасалды. Көлемдік дисплейлердің әртүрлілігіне ресми түрде қабылданған "таксономия" жоқ, бұл мәселе олардың қасиеттерінің көптеген нұсқаларымен күрделенеді. Мысалы, көлемдік дисплейдегі жарық көзге тікелей көзден немесе айна немесе шыны сияқты аралық бет арқылы жете алады; сондай-ақ, бұл бет, міндетті түрде материалды болуы қажет емес, дірілдеу немесе айналу сияқты қозғалысқа түсуі мүмкін. Бір жіктеу келесіше:

Қарап шығу көлемі көрсетілсін

3D-көлемдік дисплейлер 3D-объектінің тізбесін бірыңғай 3D-бейнеге біріктіру үшін адамның көздің тұрақтылығы қабілетін пайдаланады. Әртүрлі көлемдік дисплейлер құрастырылған. Мысалы, 3D-көрініс есептеу арқылы тікбұрышты, дискі тәрізді немесе спиральді қималы "қималардың" тізбесіне бөлінеді, содан кейін олар қозғалысқа ие дисплей бетіне проекцияланады немесе одан шығарылады. 2D-беттегі бейне (бетке проекциялау, бетке орнатылған жарықдиодтар немесе басқа техникалар арқылы жасалған) бет қозғалғанда немесе айналғанда өзгереді. Көздің тұрақтылығының арқасында адамдар жарықтың үздірілмейтін көлемін қабылдайды. Дисплей беті жарық шағылыстыратын, жарық өткізгіш немесе олардың комбинациясы болуы мүмкін. Көлемдік дисплейлер класына жататын тағы бір 3D-дисплей түрі – варифокальды айна архитектурасы. Осы жүйеге алғашқы сілтеме 1966 жылға дейін барады, онда дірілдегіш айналы барабандық қақпақ жоғары кадрлық жылдамдығы бар 2D-бейне көзінен, мысалы, векторлық дисплейден, тереңдік беттеріне бейнелер тізбесін шағылыстырады. Саудада қолжетімді көлемдік дисплейдің мысалы – Voxon Photonics компаниясының Voxon VX1 дисплейі. Бұл дисплей терең көлемге ие және секундына 500 миллионға дейін вокселдерді шығара алады. VX1 үшін контент Unity қолданбасын немесе медициналық бейнелеу үшін OBJ, STL және DICOM сияқты стандартты 3D-файл форматтарын пайдаланып жасауға болады.

Статикалық көлем

"Статикалық көлем" деп аталатын көлемдік 3D дисплейлер бейне көлемінде макроскопиялық қозғалатын бөліктері жоқ кескіндерді құрайды. Бұл дисплей класына жататындығы үшін жүйенің қалған бөлігінің қозғалмай тұруы қажеттігі белгісіз. Бұл көлемдік дисплейлердің ең "түзу" түрі болып саналады. Ең қарапайым жағдайда, өшірілгенде мөлдір, ал қосылғанда мөлдір емес немесе жарқыратын белсенді элементтерден кеңістіктің адрестелетін көлемі жасалады. Элементтер (воксельдер деп аталады) қосылғанда, дисплей кеңістігінде тұтас үлгіні көрсетеді. Көптеген статикалық көлемдік 3D дисплейлер қатты, сұйық немесе газ тәріздес ортада көрінетін сәулеленуді күшейту үшін лазерлік сәулелерді пайдаланады. Мысалы, кейбір зерттеушілер сирек кездесетін элементтер қосылған материалды тиісті жиіліктегі инфрақызыл лазерлік сәулелермен сәулелендіргенде болатын екі сатылы түрлендіруге сүйенді. 2006 жылы ұсынылған бір техника дисплейлік ортаны толығымен жояды, оның орнына қалыпты ауадағы фокус нүктесінде жарқыраған плазма шарларын жасау үшін фокусталған импульсті инфрақызыл лазерді (секундына шамамен 100 импульс; әрқайсысы наносекундтық ұзақтықта) қолданады. Фокус нүктесі екі жылжымалы айна және жылжымалы линза арқылы бағытталады, бұл оған ауада пішіндер салуға мүмкіндік береді. Әрбір импульс жарылыс дыбысын тудырады, сондықтан құрылғы жұмыс істегенде сыңғырлайды. Қазіргі уақытта ол бір куб метр көлемінде кез келген жерде нүктелерді көрсетуге қабілетті. Бұл құрылғының кез келген өлшемге дейін кеңейтіліп, аспанда 3D кескіндерді жасауға болатыны болжануда. Кейінгі өзгерістер, мысалы плазмалық шарға ұқсас неон/аргон/ксенон/гелий газы қоспасын пайдалану және капот пен вакуумдық сорғыларды қолданатын газды жылдам қайта өңдеу жүйесі, бұл технологияның екі түсті (қызыл/ақ) және мүмкін RGB кескіндерін шығаруға мүмкіндік беруі мүмкін. Бұл импульстың ені мен қарқындылығын өзгерту арқылы жарқыраған плазма денесінің эмиссиялық спектрін реттеу арқылы жүзеге асырылады. 2017 жылы "3D Light PAD" деп аталатын жаңа дисплей жарияланды. Дисплейдің ортасы фотоактивацияланатын молекулалар класынан (спирродаминдер деп аталады) және үш өлшемді құрылымды жарық шығару үшін цифрлық жарық өңдеу (DLP) технологиясынан тұрады. Бұл техника жоғары қуатты лазерлерді пайдалану және плазманы жасау қажеттілігін жояды, бұл қауіпсіздік туралы алаңдаушылықты азайтады және үш өлшемді дисплейлерге қол жеткізуді едәуір жақсартады. Көкіл және ультракөк сәулелер бояу ерітіндісіне бағытталады, бұл фотоактивацияны бастайды және осылайша "қосылған" вокселді құрайды. Құрылғы ең аз 0,68 мм³ воксел өлшемін, 200 мкм ажыратымдылықты және жүздерше қосу-өшіру циклдарында жақсы тұрақтылықты қамтамасыз етеді.

So called "static volume" volumetric 3D displays create imagery without any macroscopic moving parts in the image volume. It is unclear whether the rest of the system must remain stationary for membership in this display class to be viable. This is probably the most "direct" form of volumetric display. In the simplest case, an addressable volume of space is created out of active elements that are transparent in the off state but are either opaque or luminous in the on state. When the elements (called voxels) are activated, they show a solid pattern within the space of the display. Several static volume volumetric 3D displays use laser light to encourage visible radiation in a solid, liquid, or gas. For example, some researchers have relied on two step upconversion within a rare earth doped material when illuminated by intersecting infrared laser beams of the appropriate frequencies. A technique presented in 2006 does away with the display medium altogether, using a focused pulsed infrared laser (about 100 pulses per second; each lasting a nanosecond) to create balls of glowing plasma at the focal point in normal air. The focal point is directed by two moving mirrors and a sliding lens, allowing it to draw shapes in the air. Each pulse creates a popping sound, so the device crackles as it runs. Currently it can generate dots anywhere within a cubic metre. It is thought that the device could be scaled up to any size, allowing 3D images to be generated in the sky. Later modifications such as the use of an neon/argon/xenon/helium gas mix similar to a plasma globe and a rapid gas recycling system employing a hood and vacuum pumps could allow this technology to achieve two colour (R/W) and possibly RGB imagery by changing the pulse width and intensity of each pulse to tune the emission spectra of the luminous plasma body. In 2017, a new display known as the "3D Light PAD" was published. The display's medium consists of a class of photoactivatable molecules (known as spirhodamines) and digital light processing (DLP) technology to generate structured light in three dimensions. The technique bypasses the need to use high powered lasers and the generation of plasma, which alleviates concerns for safety and dramatically improves the accessibility of the three dimensional displays. UV light and green light patterns are aimed at the dye solution, which initiates photoactivation and thus creates the "on" voxel. The device is capable of displaying a minimal voxel size of 0.68 mm3, with 200 μm resolution, and good stability over hundreds of on–off cycles.

Адам мен компьютер арасындағы интерфейстер

Көлемдік дисплейлердің ерекше қасиеттері, оның ішінде 360 градусқа айналып қарау мүмкіндігі, конвергенция және бейімделу сигналдарының үйлесімділігі, сондай-ақ олардың табиғи "көлемділігі", жаңа қолданушы интерфейсі техникаларын құруға мүмкіндік береді. Жақында көлемдік дисплейлердің жылдамдығы мен дәлдігін арттыруға бағытталған зерттеулер жүргізілуде.