Pantalla volumétrica - Volumetric display

Un dispositivo de visualización volumétrica es un dispositivo de visualización gráfica que forma una representación visual de un objeto en tres dimensiones físicas , a diferencia de la imagen plana de las pantallas tradicionales que simulan la profundidad a través de una serie de efectos visuales diferentes. Una definición ofrecida por los pioneros en el campo es que las pantallas volumétricas crean imágenes en 3D a través de la emisión, dispersión o retransmisión de iluminación desde regiones bien definidas en el espacio (x, y, z).

Una verdadera pantalla volumétrica muestra una representación digital de un objeto real en un espacio físico (volumen), la "imagen" resultante muestra características similares a un objeto del mundo real, lo que permite al observador verlo desde cualquier dirección, enfocar una cámara en un detalle específico y ver la perspectiva, lo que significa que las partes de la imagen más cercanas al espectador aparecerán más grandes que las partes más alejadas.

Las pantallas 3D volumétricas son autoestereoscópicas en el sentido de que crean imágenes tridimensionales visibles a simple vista.

Las pantallas 3D volumétricas incorporan solo una familia de pantallas 3D en general. Otros tipos de pantallas 3D son: estereoscopios / estereoscopios, pantallas de visualización secuencial, pantallas electro-holográficas, pantallas de "dos vistas" de paralaje y panoramagramas de paralaje (que suelen ser sistemas multiplexados espacialmente, como pantallas de láminas lenticulares y pantallas de barrera de paralaje), re -sistemas de imágenes, y otros.

Aunque se postuló por primera vez en 1912 y es un elemento básico de la ciencia ficción , las pantallas volumétricas todavía no se utilizan ampliamente en la vida cotidiana. Existen numerosos mercados potenciales para pantallas volumétricas con casos de uso que incluyen imágenes médicas, minería, educación, publicidad, simulación, videojuegos, comunicación y visualización geofísica. En comparación con otras herramientas de visualización 3D, como la realidad virtual , las pantallas volumétricas ofrecen un modo de interacción inherentemente diferente, con la capacidad de que un grupo de personas se reúnan alrededor de la pantalla e interactúen de manera natural y sociable, sin tener que ponerse primero Gafas 3D u otros accesorios para la cabeza. Los objetos 3D renderizados dentro de una pantalla volumétrica pueden tener características similares a las de los objetos del mundo real, incluida la profundidad focal , el paralaje de movimiento y la vergencia .

Tipos

Se han realizado muchos intentos diferentes para producir dispositivos de formación de imágenes volumétricos. No existe una " taxonomía " oficialmente aceptada de la variedad de presentaciones volumétricas, un tema que se complica por las muchas permutaciones de sus características. Por ejemplo, la iluminación dentro de una pantalla volumétrica puede llegar al ojo directamente desde la fuente o a través de una superficie intermedia como un espejo o vidrio; asimismo, esta superficie, que no necesita ser tangible, puede sufrir movimientos como oscilaciones o rotaciones. Una categorización es la siguiente:

Pantalla de barrido de volumen

Las pantallas 3D volumétricas de superficie barrida (o "volumen barrido") se basan en la persistencia de la visión humana para fusionar una serie de cortes del objeto 3D en una sola imagen 3D. Se ha creado una variedad de pantallas de volumen barrido.

Por ejemplo, la escena 3D se descompone computacionalmente en una serie de "cortes", que pueden ser rectangulares, en forma de disco o en sección transversal helicoidal, después de lo cual se proyectan sobre o desde una superficie de visualización en movimiento. La imagen en la superficie 2D (creada por proyección sobre la superficie, LED incrustados en la superficie u otras técnicas) cambia a medida que la superficie se mueve o gira. Debido a la persistencia de la visión, los humanos percibimos un volumen continuo de luz. La superficie de la pantalla puede ser reflectante, transmisiva o una combinación de ambas.

Otro tipo de pantalla 3D que es un miembro candidato de la clase de pantallas 3D de volumen barrido es la arquitectura de espejo varifocal. Una de las primeras referencias a este tipo de sistema es de 1966, en el que un parche de tambor espejado vibrante refleja una serie de patrones de una fuente de imagen 2D de alta frecuencia de cuadros, como una pantalla vectorial, a un conjunto correspondiente de superficies de profundidad.

Un ejemplo de una pantalla de volumen de barrido disponible comercialmente es el Voxon Photonics VX1. Esta pantalla tiene un área de volumen de 18 cm * 18 cm * 8 cm de profundidad y puede generar hasta 500 millones de vóxeles por segundo. El contenido para el VX1 se puede crear usando Unity o usando tipos de archivos 3D estándar como OBJ, STL y DICOM para imágenes médicas.

Los datos médicos DICOM de alta resolución se muestran en una pantalla volumétrica Voxon VX1

Volumen estático

Las llamadas pantallas 3D volumétricas de "volumen estático" crean imágenes sin partes móviles macroscópicas en el volumen de la imagen. No está claro si el resto del sistema debe permanecer estacionario para que la pertenencia a esta clase de visualización sea viable.

Esta es probablemente la forma más "directa" de visualización volumétrica. En el caso más simple, se crea un volumen de espacio direccionable a partir de elementos activos que son transparentes en el estado apagado pero que son opacos o luminosos en el estado encendido . Cuando se activan los elementos (llamados vóxeles ), muestran un patrón sólido dentro del espacio de la pantalla.

Varias pantallas 3D volumétricas de volumen estático utilizan luz láser para estimular la radiación visible en un sólido, líquido o gas. Por ejemplo, algunos investigadores se han basado en dos etapas de conversión ascendente dentro de una de las tierras raras - dopado de material cuando se ilumina por la intersección de láser infrarrojo haces de las frecuencias apropiadas.

Los avances recientes se han centrado en implementaciones no tangibles (espacio libre) de la categoría de volumen estático, que eventualmente podrían permitir la interacción directa con la pantalla. Por ejemplo, una pantalla de niebla que utiliza varios proyectores puede representar una imagen 3D en un volumen de espacio, lo que da como resultado una pantalla volumétrica de volumen estático.

Una técnica presentada en 2006 elimina el medio de visualización en conjunto, utilizando un enfocado pulsado infrarrojo láser (alrededor de 100 pulsos por segundo, cada uno con una duración de nanosegundos ) para crear bolas de brillante plasma en el punto focal en el aire normal. El punto focal está dirigido por dos espejos móviles y una lente deslizante , lo que le permite dibujar formas en el aire. Cada pulso crea un sonido de estallido, por lo que el dispositivo crepita mientras funciona. Actualmente puede generar puntos en cualquier lugar dentro de un metro cúbico. Se cree que el dispositivo podría ampliarse a cualquier tamaño, lo que permitiría generar imágenes en 3D en el cielo.

Modificaciones posteriores, como el uso de una mezcla de gas neón / argón / xenón / helio similar a un globo de plasma y un sistema de reciclaje rápido de gas que emplea una campana y bombas de vacío, podrían permitir que esta tecnología logre dos colores (R / W) y posiblemente Imágenes RGB cambiando el ancho del pulso y la intensidad de cada pulso para ajustar los espectros de emisión del cuerpo de plasma luminoso.

En 2017, se publicó una nueva pantalla conocida como "3D Light PAD". El medio de la pantalla consiste en una clase de moléculas fotoactivables (conocidas como espirhodaminas) y tecnología de procesamiento de luz digital (DLP) para generar luz estructurada en tres dimensiones. La técnica evita la necesidad de utilizar láseres de alta potencia y la generación de plasma, lo que alivia las preocupaciones por la seguridad y mejora drásticamente la accesibilidad de las pantallas tridimensionales. Los patrones de luz ultravioleta y luz verde están dirigidos a la solución de tinte, que inicia la fotoactivación y, por lo tanto, crea el vóxel "encendido". El dispositivo es capaz de mostrar un tamaño de vóxel mínimo de 0,68 mm 3 , con una resolución de 200 μm y una buena estabilidad durante cientos de ciclos de encendido y apagado.

Interfaces persona-computadora

Las propiedades únicas de las pantallas volumétricas, que pueden incluir una visualización de 360 ​​grados, la concordancia de las señales de convergencia y acomodación, y su "tridimensionalidad" inherente, permiten nuevas técnicas de interfaz de usuario . Hay un trabajo reciente que investiga los beneficios de velocidad y precisión de las pantallas volumétricas, las nuevas interfaces gráficas de usuario y las aplicaciones médicas mejoradas por las pantallas volumétricas.

Además, existen plataformas de software que entregan contenido 2D y 3D nativo y heredado a pantallas volumétricas.

Uso artístico

Hologlyphics: uso artístico de pantallas volumétricas, que involucran láseres y curvas lissajous .

Una forma de arte llamada Hologlyphics se ha explorado desde 1994, combinando elementos de holografía , música , síntesis de video , cine visionario, escultura e improvisación . Si bien este tipo de pantalla puede representar datos visuales en un volumen, no es una pantalla direccionable y solo puede mostrar cifras lisas , como las generadas al hacer rebotar un láser en un galvo o cono de altavoz.

Desafíos técnicos

Las tecnologías de visualización volumétrica conocidas también tienen varios inconvenientes que se exhiben dependiendo de las compensaciones elegidas por el diseñador del sistema.

A menudo se afirma que las pantallas volumétricas son incapaces de reconstruir escenas con efectos que dependen de la posición del espectador, como la oclusión y la opacidad. Ésta es una idea errónea; una pantalla cuyos vóxeles tienen perfiles de radiación no isotrópicos es capaz de representar efectos dependientes de la posición. Hasta la fecha, las pantallas volumétricas con capacidad de oclusión requieren dos condiciones: (1) las imágenes se renderizan y proyectan como una serie de "vistas", en lugar de "cortes", y (2) la superficie de la imagen que varía en el tiempo no es uniforme difusor. Por ejemplo, los investigadores han demostrado pantallas volumétricas de pantalla giratoria con pantallas reflectantes y / o difusas verticalmente cuyas imágenes exhiben oclusión y opacidad. Un sistema creó imágenes HPO 3D con un campo de visión de 360 ​​grados mediante proyección oblicua sobre un difusor vertical; otro proyecta 24 vistas sobre una superficie giratoria de difusión controlada; y otro proporciona imágenes de 12 vistas utilizando una rejilla orientada verticalmente.

Hasta ahora, la capacidad de reconstruir escenas con oclusión y otros efectos dependientes de la posición se ha realizado a expensas del paralaje vertical, ya que la escena 3D parece distorsionada si se ve desde ubicaciones distintas a aquellas para las que se generó la escena.

Otra consideración es la gran cantidad de ancho de banda que se requiere para alimentar imágenes a una pantalla volumétrica. Por ejemplo, una pantalla plana / 2D estándar de 24 bits por píxel , resolución de 1024 × 768, requiere que se envíen alrededor de 135 MB / s al hardware de la pantalla para mantener 60 cuadros por segundo, mientras que una pantalla de 24 bits por vóxel , 1024 × 768 × La pantalla volumétrica de 1024 (1024 "capas de píxeles" en el eje Z) necesitaría enviar aproximadamente tres órdenes de magnitud más (135 GB / s ) al hardware de la pantalla para mantener 60 volúmenes por segundo. Al igual que con el video 2D normal, se podría reducir el ancho de banda necesario simplemente enviando menos volúmenes por segundo y dejando que el hardware de la pantalla repita los fotogramas mientras tanto, o enviando solo los datos suficientes para afectar las áreas de la pantalla que necesitan actualizarse, como es el caso de los formatos de vídeo modernos de compresión con pérdida, como MPEG . Además, una pantalla volumétrica 3D requeriría de dos a tres órdenes de magnitud más de CPU y / o GPU más que la necesaria para imágenes 2D de calidad equivalente, debido al menos en parte a la gran cantidad de datos que se deben crear y enviar a la hardware de pantalla. Sin embargo, si solo la superficie exterior del volumen es visible, el número de vóxeles requeridos sería del mismo orden que el número de píxeles en una pantalla convencional. Este solo sería el caso si los vóxeles no tienen valores "alfa" o de transparencia.

Ver también

Referencias

Notas al pie

Otras lecturas

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enlaces externos