Введение

Объемное устройство отображения – это устройство отображения, которое формирует визуальное представление объекта в трех физических измерениях, в отличие от плоского изображения традиционных экранов, имитирующих глубину с помощью ряда различных визуальных эффектов. Одно из определений, предложенных пионерами в этой области, заключается в том, что объемные дисплеи создают 3D-изображения посредством излучения, рассеивания или передачи света из четко определенных областей в пространстве (x, y, z). Истинный объемный дисплей создает у наблюдателя визуальное ощущение материального объекта в трехмерном пространстве, даже если такого объекта нет. Воспринимаемый объект демонстрирует характеристики, аналогичные реальному материальному объекту, позволяя наблюдателю видеть его с любого направления, фокусировать камеру на конкретной детали и воспринимать перспективу – то есть части изображения, расположенные ближе к зрителю, кажутся больше, чем 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 генерируют стереоскопические изображения; они естественным образом обеспечивают фокусно точные голографические волновые фронты для глаз. Благодаря этому они обладают точными характеристиками материальных объектов, такими как глубина резкости, параллакс движения и вергенция. Объемные дисплеи – один из нескольких видов 3D-дисплеев. Другие типы включают стереоскопы, последовательные дисплеи, электроголографические дисплеи, дисплеи «двух видов» и панорамаграммы. Хотя идея объемных дисплеев впервые была предложена в 1912 году и является распространенным элементом научной фантастики, они не получили широкого распространения в повседневной жизни. Существует множество потенциальных рынков для объемных дисплеев, включая такие области применения, как медицинская визуализация, горнодобывающая промышленность, образование, реклама, моделирование, видеоигры, коммуникации и геофизическая визуализация. По сравнению с другими инструментами 3D-визуализации, такими как виртуальная реальность, объемные дисплеи предлагают принципиально иной способ взаимодействия, предоставляя возможность группе людей собираться вокруг дисплея и взаимодействовать естественным образом, без необходимости использования 3D-очков или других шлемов.

Типы

Было предпринято множество попыток создать устройства для объемной визуализации. Официально принятой "таксономии" различных объемных дисплеев не существует, что усложняется множеством комбинаций их характеристик. Например, освещение в объемном дисплее может достигать глаза напрямую от источника или через промежуточную поверхность, такую как зеркало или стекло; подобным образом, эта поверхность, которая необязательно должна быть материальной, может совершать движение, например, колебания или вращение. Одной из возможных классификаций является следующая:

Показание объема пробега

Обмещенная поверхность (или "обмещенный объем") – это объемные 3D-дисплеи, которые используют инерцию зрения человека для объединения серии срезов 3D-объекта в единое 3D-изображение. Существует множество различных типов дисплеев с заметаемым объемом. Например, 3D-сцена вычислительно разбивается на серию "срезов", которые могут быть прямоугольными, дискообразными или иметь спиральное поперечное сечение, после чего они проецируются на движущуюся поверхность дисплея или с нее. Изображение на 2D-поверхности (создаваемое проекцией на поверхность, встроенными в поверхность светодиодами или другими методами) изменяется по мере движения или вращения поверхности. Благодаря инерции зрения человек воспринимает непрерывный объем света. Поверхность дисплея может быть отражающей, пропускающей или комбинированной. Архитектура варифокального зеркала является еще одним типом 3D-дисплея, который можно отнести к классу дисплеев с заметаемым объемом. Одно из первых упоминаний об этой системе относится к 1966 году, когда вибрирующая зеркальная мембрана отражала последовательность изображений от 2D-источника с высокой частотой кадров, например, векторного дисплея, на соответствующий набор поверхностей глубины. Voxon VX1 от Voxon Photonics – пример коммерчески доступного дисплея с заметаемым объемом. Этот дисплей имеет большую глубину и способен отображать до 500 миллионов вокселей в секунду. Контент для VX1 можно создавать в Unity или использовать стандартные 3D-форматы файлов, такие как OBJ, STL и DICOM для медицинской визуализации.

Статический объем

Так называемые "статические объемы" объемные 3D-дисплеи создают изображения без каких-либо макроскопических движущихся частей в объеме изображения. Неясно, должна ли остальная часть системы оставаться неподвижной, чтобы принадлежность к этому классу дисплеев была целесообразной. Это, вероятно, наиболее "прямая" форма объемного отображения. В простейшем случае адресуемый объем пространства создается из активных элементов, которые прозрачны в выключенном состоянии, но становятся либо непрозрачными, либо светящимися во включенном состоянии. Когда элементы (называемые вокселями) активируются, они отображают объемный рисунок в пространстве дисплея. Некоторые статические объемные 3D-дисплеи используют лазерный свет для возбуждения видимого излучения в твердом, жидком или газообразном веществе. Например, некоторые исследователи использовали двухступенчатое преобразование в материале, легированном редкоземельными элементами, при облучении пересекающимися инфракрасными лазерными лучами соответствующих частот. Техника, представленная в 2006 году, полностью исключает среду отображения, используя сфокусированный импульсный инфракрасный лазер (около 100 импульсов в секунду, каждый длительностью в наносекунду) для создания шаров светящейся плазмы в фокусе в обычном воздухе. Фокус направляется двумя движущимися зеркалами и скользящей линзой, что позволяет создавать 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 3D-изображения в небе. Последующие модификации, такие как использование газовой смеси неон/аргон/ксенон/гелий, аналогичной плазменному шару, и системы быстрой рециркуляции газа с использованием вытяжки и вакуумных насосов, могут позволить этой технологии достичь двухцветного (R/W) и, возможно, RGB-изображения путем изменения ширины и интенсивности каждого импульса для настройки спектра излучения светящегося плазменного тела. В 2017 году был представлен новый дисплей, известный как "3D Light PAD". Среда отображения состоит из класса фотоактивируемых молекул (известных как спиродамины) и технологии цифровой обработки света (DLP) для генерации структурированного света в трех измерениях. Эта технология позволяет избежать использования мощных лазеров и генерации плазмы, что решает вопросы безопасности и значительно повышает доступность трехмерных дисплеев. Ультрафиолетовый и зеленый свет направляются на раствор красителя, что инициирует фотоактивацию и, таким образом, создает "включенный" воксель. Устройство способно отображать минимальный размер вокселя 0,68 мм3 с разрешением 200 мкм и хорошей стабильностью в течение сотен циклов включения/выключения.

Интерфейсы человека и компьютера

Уникальные свойства объемных дисплеев, включающие в себя возможность обзора на 360 градусов, соответствие сигналов вергенции и аккомодации, а также их естественную трехмерность, открывают возможности для новых методов пользовательского интерфейса. Недавние работы исследуют преимущества объемных дисплеев в отношении скорости и точности.