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Die volumetrische Anzeige bildet eine visuelle Darstellung eines Objekts in drei physikalischen Dimensionen
Apr 22, 2017

Volumendarstellung

Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Eine volumetrische Anzeigevorrichtung ist eine grafische Anzeigevorrichtung , die eine visuelle Darstellung eines Objekts in drei physikalischen Dimensionen bildet , im Gegensatz zu dem planaren Bild von herkömmlichen Bildschirmen, die die Tiefe durch eine Anzahl von verschiedenen visuellen Effekten simulieren. Eine Definition von Pionieren auf dem Gebiet ist, dass volumetrische Displays 3D-Bilder über die Emission, Streuung oder Weiterverbreitung von Beleuchtungen aus klar definierten Bereichen in (x, y, z) Raum erzeugen . Obwohl es keinen Konsens unter den Forschern auf dem Gebiet gibt, kann es sinnvoll sein, holographische und hochviskose Displays der volumetrischen Displayfamilie zuzugeben, wenn sie eine vernünftige Aufgabe machen, ein dreidimensionales Lichtfeld innerhalb eines Volumens zu projizieren.

Die meisten, wenn nicht alle, volumetrische 3D-Displays sind entweder autostereoskopisch oder automotheiscopic ; Das heißt, sie schaffen 3D-Bilder sichtbar für das Auge. Beachten Sie, dass einige Display-Technologen den Begriff "autostereoskopisch" für flachwandige, räumlich gemultiplexte Parallaxe-Displays wie z. B. Lentikular- Displays reservieren. Allerdings sind fast alle 3D-Displays, die nicht Kopfbedeckungen sind, z. B. Stereo-Schutzbrillen und Stereo-Kopf-Displays, autostereoskopisch. Daher wird eine sehr breite Gruppe von Displayarchitekturen als autostereoskopisch betrachtet.

Volumetrische 3D-Displays verkörpern nur eine Familie von 3D-Displays im Allgemeinen. Andere Arten von 3D-Displays sind: Stereogramme / Stereoskope, sequenzielles Display, elektroholographische Displays, Parallaxen "Zwei-Ansicht" -Anzeigen und Parallax-Panoramagramme (die typischerweise räumlich gemultiplexte Systeme wie Lentikular-Displays und Parallax-Barrier-Displays sind) -imaging-Systeme und andere.

Obwohl erstmals 1912 postuliert, und ein Grundnahrungsmittel der Science-Fiction , sind volumetrische Displays noch in der Entwicklung und haben noch die allgemeine Bevölkerung zu erreichen. Mit einer Vielzahl von Systemen, die in kleinen Mengen vorgeschlagen und verwendet werden - meistens in akademischen und verschiedenen Forschungslabors - sind volumetrische Displays nur für Akademiker, Konzerne und Militärs zugänglich.


Inhalt

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Typen [ bearbeiten ]

Es wurden viele verschiedene Versuche unternommen, um volumetrische Bilderzeugungsgeräte herzustellen. [1] Es gibt keine offiziell akzeptierte " Taxonomie " der Vielfalt der volumetrischen Displays, ein Problem, das durch die vielen Permutationen ihrer Eigenschaften kompliziert wird. Beispielsweise kann die Beleuchtung innerhalb einer volumetrischen Anzeige entweder das Auge direkt von der Quelle oder über eine Zwischenfläche wie einen Spiegel oder ein Glas erreichen; Ebenso kann diese Oberfläche, die nicht greifbar sein muss, einer Bewegung wie Oszillation oder Rotation unterliegen. Eine Kategorisierung ist wie folgt:

Swept-Volume-Anzeige [ bearbeiten ]

Swept-Oberfläche (oder "Swept-Volume") volumetrische 3D-Displays beruhen auf der menschlichen Persistenz des Sehvermögens , um eine Reihe von Scheiben des 3D-Objekts in ein einzelnes 3D-Bild zu verschmelzen. Es wurden eine Vielzahl von Swept-Volume-Displays erstellt.

Fast-Moving-LEDs schaffen ein 360-Grad-Objekt in der Luft in diesem Prototyp von University College Sedaya International

Beispielsweise wird die 3D-Szene rechnerisch in eine Reihe von "Scheiben" zerlegt, die rechteckig, scheibenförmig oder schraubenförmig geschnitten sein können, woraufhin sie auf oder von einer sich bewegenden Anzeigefläche projiziert werden. Das Bild auf der 2D-Oberfläche (erzeugt durch Projektion auf die Oberfläche, LEDs, die in die Oberfläche eingebettet sind, oder andere Techniken) ändert sich, wenn sich die Oberfläche bewegt oder sich dreht. Wegen der Beharrlichkeit der Sehkraft nehmen die Menschen ein kontinuierliches Lichtvolumen wahr. Die Anzeigefläche kann reflektierend, transmissiv oder eine Kombination von beiden sein.

Eine andere Art von 3D-Display, die ein Kandidatenmitglied der Klasse der Swept-Volume 3D-Displays ist, ist die varifokale Spiegelarchitektur. Eine der ersten Referenzen auf diese Art von System ist von 1966, in dem ein vibrierender gespiegelter Trommelkopf eine Reihe von Mustern von einer 2D-Bildquelle hoher Bildrate, wie z. B. einer Vektoranzeige, zu einem entsprechenden Satz von Tiefenflächen reflektiert.

Statisches Volumen [ Bearbeiten ]

So genannte "statische Volumen" volumetrische 3D-Displays erzeugen Bilder ohne makroskopisch bewegte Teile im Bildvolumen. Es ist unklar, ob der Rest des Systems für die Mitgliedschaft in dieser Anzeigeklasse stationär bleiben muss, um lebensfähig zu sein.

Dies ist wahrscheinlich die "direkte" Form der volumetrischen Anzeige. Im einfachsten Fall entsteht aus den im ausgeschalteten Zustand transparenten Elementen ein adressierbares Raumvolumen, ist aber im eingeschalteten Zustand entweder opak oder leuchtend. Wenn die Elemente (genannt Voxel ) aktiviert sind, zeigen sie ein festes Muster innerhalb des Raumes des Displays.

Mehrere statische Volumenvolumetrische 3D-Displays verwenden Laserlicht, um sichtbare Strahlung in einer festen, flüssigen oder Gas zu fördern. Zum Beispiel haben sich einige Forscher auf eine zweistufige Upconversion in einem Seltenerd- dotierten Material verlassen, wenn sie durch die Überschneidung von Infrarot-Laserstrahlen der entsprechenden Frequenzen beleuchtet werden. [2] [3]

Die jüngsten Fortschritte konzentrierten sich auf nicht greifbare (Freiflächen-) Implementierungen der statischen Volumenkategorie, die eventuell eine direkte Interaktion mit der Anzeige ermöglichen könnten. Zum Beispiel kann eine Nebelanzeige mit mehreren Projektoren ein 3D-Bild in einem Raumvolumen darstellen, was zu einer statischen Volumenvolumendarstellung führt. [4] [5]

Eine Technik, die im Jahr 2006 vorgestellt wurde, entfernt das Displaymedium insgesamt mit einem fokussierten gepulsten Infrarotlaser (ca. 100 Impulse pro Sekunde, jeweils eine Nanosekunde ), um Bälle von glühendem Plasma im Brennpunkt in normaler Luft zu erzeugen. Der Schwerpunkt richtet sich nach zwei bewegten Spiegeln und einer Schiebelinse, die es erlaubt, Formen in der Luft zu zeichnen. Jeder Puls schafft einen knallenden Klang, so dass das Gerät knistert, wie es läuft. Derzeit kann er überall Punkte in einem Kubikmeter erzeugen. Es wird angenommen, dass das Gerät auf jede Größe skaliert werden könnte, so dass 3D-Bilder in den Himmel erzeugt werden können. [6] [7]

Spätere Modifikationen wie die Verwendung eines Neon / Argon / Xenon / Helium-Gasgemisches ähnlich einer Plasmakugel und eines Schnellgas-Recyclingsystems, das eine Haube und Vakuumpumpen einsetzt, können dieser Technologie erlauben, zwei Farben (R / W) und möglicherweise RGB zu erreichen Durch Ändern der Pulsbreite und Intensität jedes Pulses, um die Emissionsspektren des leuchtenden Plasmakörpers abzustimmen.

Mensch-Computer-Schnittstellen [ bearbeiten ]

Die einzigartigen Eigenschaften von volumetrischen Displays, die Folgendes beinhalten können: 360-Grad-Betrachtung, Übereinstimmung von Konvergenz- und Unterkunfts-Cues und deren inhärenten "Dreidimensionalität", ermöglichen neue Benutzeroberflächentechniken . Es gibt neuere Arbeiten zur Erforschung der Geschwindigkeits- und Genauigkeitsvorteile von volumetrischen Displays, [8] neue grafische Benutzeroberflächen, [9] und medizinische Anwendungen, die durch volumetrische Displays erweitert werden. [10] [11]

Auch Softwareplattformen existieren, die native und ältere 2D- und 3D-Inhalte zu volumetrischen Displays liefern. [12]

Künstlerischer Gebrauch [ bearbeiten ]

Hologlyphics: Künstlerische Verwendung von Volumetric Displays mit volumetrischen Filmen und Musik

Seit 1994 wird eine Kunstform namens Hologlyphics erforscht, die Elemente der Holographie , Musik , Videosynthese , visionärem Film, Skulptur und Improvisation kombiniert. Volumetrische Filme wurden gezeigt, um Publikum bei Filmfestivals, Kunstgalerien und Musikveranstaltungen zu leben. Mehrere volumetrische Displays und Multi-Lautsprecher-Arrays umgeben ein Publikum. Die Filme werden in Verbindung mit Musik gezeigt, entweder live oder mit den volumetrischen Animationen aufgezeichnet.

Die ursprüngliche Absicht war, die Holographie mit der Musik zu verbinden, und schließlich wurden volumetrische Displays als künstlerisches Medium besiedelt. Viele traditionelle Film- und Video- Spezialeffekte wurden an hologlyphische Filme angepasst und viele weitere Spezialeffekte, die für volumetrische Displays einzigartig sind, wurden entwickelt. Dazu gehören volumetrische Wischeffekte, Rasterbiegung, Morphing, Kaleidoskop und Spiegelungseffekte, experimentelle Rotationen, räumliche Verformungseffekte und Bildsequenzierung.

Die Hologlyphic-Filme können auch in Echtzeit wie ein Videosynthesizer durchgeführt werden , der von musikalischen Tastaturen, Bewegungssensoren, Bedienfeldern und akustischen Instrumenten gesteuert wird. Das Bildgenerierungssystem ist meist digital, aber einige der ursprünglichen Bildgeneratoren und Prozessoren waren analog und bleiben im Einsatz.

Nachteile [ Bearbeiten ]

Bekannte volumetrische Display-Technologien haben auch mehrere Nachteile, die je nach den vom Systemdesigner gewählten Kompromissen ausgestellt werden.

Es wird oft behauptet, dass volumetrische Displays nicht in der Lage sind, Szenen mit viewerpositionsabhängigen Effekten wie Okklusion und Opazität zu rekonstruieren. Das ist ein Missverständnis; Ein Display, dessen Voxel nicht-isotrope Strahlungsprofile haben, sind in der Lage, positionsabhängige Effekte darzustellen. Bisher haben okklusionsfähige volumetrische Anzeigen zwei Bedingungen: (1) die Bilder werden als eine Reihe von "Ansichten" und nicht als "Scheiben" dargestellt und projiziert, und (2) ist die zeitvariable Bildoberfläche nicht gleichmäßig Diffusor Zum Beispiel haben Forscher Spinnvlies-Displays mit reflektierenden und / oder vertikal diffusen Bildschirmen gezeigt, deren Bilder eine Okklusion und Opazität aufweisen. Ein System [13] [14] schuf HPO 3D Bilder mit einem 360-Grad-Sichtfeld durch schräge Projektion auf einen vertikalen Diffusor; Ein anderer [15] projiziert 24 Ansichten auf eine rotierende gesteuerte Diffusionsfläche; Und ein anderes [16] bietet 12-View-Bilder mit einer vertikal orientierten Jalousie.

Bisher war die Fähigkeit, Szenen mit Okklusion und anderen positionsabhängigen Effekten zu rekonstruieren, auf Kosten der vertikalen Parallaxe, da die 3D-Szene verzerrt erscheint, wenn sie von anderen Orten als denen, die für die Szene erzeugt wurden, betrachtet wird.

Eine andere Betrachtung ist die sehr große Bandbreite, die erforderlich ist, um Bilder auf eine volumetrische Anzeige zu übertragen. Zum Beispiel benötigt eine Standard-Anzeige von 24 Bits pro Pixel , 1024 × 768, Flach / 2D-Anzeige etwa 135 MB / s , um an die Anzeige-Hardware gesendet zu werden, um 60 Bilder pro Sekunde zu erhalten, während ein 24 Bits pro Voxel , 1024 × 768 × 1024 (1024 "Pixel-Schichten" in der Z-Achse) muss die volumetrische Anzeige etwa drei Größenordnungen mehr (135 GB / s ) an die Display-Hardware senden, um 60 Volumina pro Sekunde zu erhalten. Wie bei normalem 2D-Video könnte man die benötigte Bandbreite reduzieren, indem man einfach weniger Volumina pro Sekunde sendet und die Display-Hardware in der Zwischenzeit wiederholen kann oder indem man nur genügend Daten sendet, um die Bereiche des Displays zu beeinflussen, die aktualisiert werden müssen Ist der Fall in modernen verlustbehafteten Komprimierung Video-Formate wie MPEG . Darüber hinaus würde eine 3D-Volumendarstellung zwei bis drei Größenordnungen mehr CPU- und / oder GPU- Leistung erfordern, die über die für die 2D-Bildqualität gleichwertige Qualität hinausgehen, was zumindest teilweise auf die schiere Menge an Daten zurückzuführen ist, die erstellt und an die gesendet werden müssen Anzeige Hardware. Wenn jedoch nur die äußere Oberfläche des Volumens sichtbar ist, wäre die Anzahl der benötigten Voxel in der gleichen Reihenfolge wie die Anzahl der Pixel auf einer herkömmlichen Anzeige. Dies wäre nur dann der Fall, wenn die Voxel keine "Alpha-" oder Transparenzwerte haben.

Markt [ bearbeiten ]

Derzeit gibt es eine Handvoll von Unternehmen, die an der Entwicklung von 3D-volumetrischen Display-Technologien beteiligt sind. Die folgenden Unternehmen haben volumetrische Display-Technologie, die öffentlich ausgestellt wurde und zum Verkauf angeboten wird:

Dies ist eine Liste mit allen Unternehmen, die mit einer Form von volumetrischen Display-Technologie experimentiert haben: