شاشات حجمية

شاشات العرض الحجمية 'هي تعبير عن جهاز عرض تصويرية تمثل تمثيلًا مرئيًا لمادة ما في ثلاثة أبعاد مادية ، بدلاً من الصورة المستوية للشاشات التقليدية التي تحاكي العمق من خلال عدد من المؤثرات البصرية المتنوعة. يتمثل أحد التعريفات المقدمة من الرواد في هذا المجال في حتى العروض الحجرية تنشئ صورًا ثلاثية الأبعاد من خلال انبعاث الإضاءة أوتناثرها أوترحيلها من مناطق محددة جيدًا في مساحة (x ، y ، z). تعرض الشاشة الحجميm الحقيقية تمثيلًا رقميًا لأداة حقيقية في مساحة عملية (حجم) ، وتعرض "الصورة" الناتجة خصائص مماثلة لمادة العالم الحقيقي ، مما يتيح للمراقب مشاهدته من أي اتجاه ، وهجريز الكاميرا على تفاصيل محددة ورؤية المعنى من المنظور الحقيقي ، ستظهر أجزاء من الصورة أقرب إلى المشاهد أكبر من الأجزاء البعيدة الشاشات ثلاثية الأبعاد الحجمية هي autostereoscopic ، أي أنها تنشئ صورًا ثلاثية الأبعاد مرئية للعين بدون مساعدة. تجسد شاشات العرض الحجمية ثلاثية الأبعاد عائلة واحدة فقط من شاشات العرض ثلاثية الأبعاد بشكل عام. الأنواع الأخرى من شاشات العرض ثلاثية الأبعاد هي: الصور المجسمة / أجهزة عرض الصور المجسمة ، شاشات العرض التسلسلية ، شاشات التصوير المجسم الضوئي الالكترونية ، شاشات العرض "لمنظران" صورة بانورامية (والتي عادةً ما تكون أنظمة متعددة المكان مثل شاشات ورقية عدسية واختلاف في الظهور يعرض الحاجز) ، وأنظمة إعادة التصوير ، وغيرها. على الرغم من الافتراض الأول في عام 1912 ، وهوالعنصر الأساسي في الخيال الفهمي ، لا تزال شاشات العرض الحجمية غير مستخدمة على نطاق واسع في الحياة اليومية. فهنالك الكثير من الأسواق المحتملة لشاشات العرض الحجمية مع حالات الاستخدامات بما في ذلك التصوير الطبي والتعدين والتعليم والإعلان والمحاكاة وألعاب الصوت والصورة والاتصالات والتصور الجيوفيزيائي. عند المقارنة مع أدوات التصوير ثلاثي الأبعاد الأخرى مثل الواقع الافتراضي ، فإن العرض الحجمي يوفر طريقة مختلفة تمامًا للتفاعل ، مع قدرة مجموعة من الناس على التجمع حول الشاشة والتفاعل بطريقة طبيعية واجتماعية ، دون أي الاضطرار إلى ارتداء نظارات ثلاثية الأبعاد أومعدات أخرى للرأس. يمكن حتى تحتوي الأدوات ثلاثية الأبعاد التي يتم عرضها داخل العرض الحجمي على خصائص تشبه مواد العالم الحقيقي ، بما في ذلك البعد البؤري ، المنظر المتحرك (قدرة الشاشة على العرض من أي اتجاه من عدة أشخاص في نفس الوقت ، مع وجود جميع إنسان وجهة نظرهم الفريدة الخاصة بهم) ، واليقظة (تميل قدرة العين البشرية على الهجريز على جسم ذي رأس مائل).

أنواعها

بذلت الكثير من المحاولات المتنوعة لإنتاج أجهزة التصوير الحجمي. لا يوجد " تصنيف مقبول" لمجموعة متنوعة من شاشات العرض الحجمي ، وهي مسألة معقدة بسبب كثرة خصائص التعديل. على سبيل المثال ، يمكن حتى تصل الإضاءة داخل شاشة عرض حجرية إما إلى العين مباشرة من المصدر أوعبر سطح وسيط مثل المرآة أوالزجاج ؛ وبالمثل ، فإن هذا السطح ، الذي لا يلزم حتىقد يكون ملموسًا ، يمكن حتى يخضع لحركة مثل التذبذب أوالدوران. تصنيف واحد هوكما يلي:

شاشة عرض حجمية swept-volume

تعتمد الشاشات المجسمة ذات الحجم الكبير (أو"حجم السحب") على استمرار الرؤية للمشاهد لدمج سلسلة من شرائح المادة الثلاثية الأبعاد في صورة ثلاثية الأبعاد واحدة. تم إنشاء مجموعة متنوعة من شاشات العرض ذات الحجم الكبير. على سبيل المثال ، يتم تقسيم المشهد ثلاثي الأبعاد حسابيًا إلى سلسلة من "الشرائح" ، والتي يمكن حتى تكون مستطيلة الشكل أوعلى شكل قرص أومبترية بشكل حلزوني ، وعندها يتم عرضها على أومن سطح شاشة تمر بحركة. تتغير الصورة على السطح ثنائي الأبعاد (الذي تم إنشاؤه عن طريق الإسقاط على السطح ، أوالمصابيح المدمجة في السطح ، أوالتقنيات الأخرى) مع تحرك السطح أوتدويره. نظرًا لاستمرار الرؤية ، يدرك البشر حجمًا مستمرًا من الضوء. يمكن حتىقد يكون سطح الشاشة عاكسًا أوناقلًا أومزيجًا من الاثنين.

هناك نوع آخر من شاشات العرض ثلاثية الأبعاد التي تعتبر عضوًا مرشحًا في فئة شاشات العرض ثلاثية الأبعاد ذات الحجم الكبير وهي بنية النسخ المتماثل. واحدة من أولى الإشارات إلى هذا النوع من النظام هي من عام 1966 ، حيث يعكس رأس غشاء (المرآة) بالاهتزاز سلسلة من الأنماط من مصدر صورة ثنائي الأبعاد ذي معدل أشكال مرتفع ، مثل عرض متجه إلى مجموعة مطابقة من مظاهر خارجية عميقة . كمثال على الشاشة الحجمية Swept- المتاحة تجارياً هوVoxon Photonics VX1. تبلغ مساحة وحدة العرض هذه 18 سم * 18 سم *ثمانية سم ويمكن حتى يصل حجمها إلى 500 مليون فوكسل في الثانية. يمكن إنشاء محتوى VX1 باستخدام الوحدة أوباستخدام أنواع الملفات ثلاثية الأبعاد القياسية مثل OBJ وSTL وDICOM للتصوير الطبي.

High Resolution DICOM medical data being displayed on a Voxon VX1 Volumetric Display

الشاشات الحجمية ذات الحجم الثابت

هذا ما يسمى الشاشات ثلاثية الأبعاد الحجمي "ثابتة الحجم" تخلق صورًا بدون أي أجزاء متحركة مجهرية في حجم الصورة. من غير الواضح ما إذا كان يجب حتى يظل باقي النظام ثابتًا حتى تصبح العضوية في فئة العرض هذه قابلة للتطبيق .

ربما هذا هوالشكل الأكثر مباشرة للعرض الحجمي. في أبسط الحالات ، يتم إنشاء حجم قابل للعنونة من العناصر النشطة الشفافة في حالة "الإيقاف" ولكنها إما غير نافذة أومضيئة في حالة "التشغيل". عندما يتم تنشيط العناصر (تسمى voxel) ، فإنها تظهر نمطاً ثابتاً داخل مساحة الشاشة. تستخدم الكثير من شاشات العرض الحجمي ثلاثية الأبعاد ذات الحجم الثابت ضوء الليزر لتحفيز الإشعاع المرئي في مادة صلبة أوسائلة أوغازية. على سبيل المثال ، اعتمد بعض الباحثين على upconversion داخل rare-earth - المنشطات عندما تضاء بواسطة أشعة الليزر بالأشعة تحت الحمراء بترددات مناسبة.

ركزت التطورات الحديثة على التطبيقات غير الملموسة (المساحة الحرة) لفئة الحجم الثابت ، والتي قد تسمح في نهاية المطاف بالتفاعل المباشر مع الشاشة. على سبيل المثال ، يمكن لfog display باستخدام أجهزة عرض متعددة تقديم صورة ثلاثية الأبعاد في مساحة حجمية ، مما ينتج عنه عرض حجمي ثابت الحجم.

A pulsed laser creates points of glowing plasma in air

هناك تقنية تم تقديمها في عام 2006 تتخلص من وسيط العرض تمامًا ، وذلك باستخدام هجريز نبض أشعة تحت الحمراء ليزر (حوالي 100 نبضة في الثانية ؛ جميع منها دائم نانوثانية) لإنشاء كرات متوهجة البلازما في النقطة المحورية في الهواء الطبيعي. يتم توجيه النقطة المحورية بواسطة اثنين من المرايا وانزلاق العدسات ، مما يسمح لها برسم الأشكال في الهواء. تخلق جميع نبضة صوت فرقعة ، لذلك يتشقق الجهاز أثناء تشغيله. حاليا يمكن حتى تولد النقاط في أي مكان داخل متر مكعب. يُعتقد حتى الجهاز يمكن زيادته إلى أي حجم ، مما يسمح بإنشاء صور ثلاثية الأبعاد في السماء.

التعديلات اللاحقة مثل استخدام مزيج غاز النيون / الأرجون / زينون / الهيليوم المشابه لعالم البلازما ونظام إعادة تدوير الغاز السريع الذي يستخدم مضخات التفريغ يمكن حتى تسمح لهذه التكنولوجيا بتحقيق لونين (R / W) وربما صور RGB عن طريق تغيير عرض النبضة وشدة جميع نبضة لضبط أطياف الانبعاث لجسم البلازما المضيء. في عام 2017 ، تم نشر عرض حديث يُعهد باسم "3D Light PAD". يتكون وسط الشاشة من فئة من الجزيئات القابلة للتنشيط الضوئي (المعروفة باسم السبيرودامين) وتكنولوجيا معالجة الضوء الرقمية (DLP) لتوليد ضوء منظم في ثلاثة أبعاد. هذه التقنية تتجاوز الحاجة إلى استخدام أشعة الليزر عالية الطاقة وتوليد البلازما ، مما يخفف من المخاوف المتعلقة بالسلامة ويحسن بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى شاشات ثلاثية الأبعاد. وتهدف أنماط الأشعة فوق البنفسجية والضوء الأخضر إلى محلول الصبغة ، الذي يبدأ تنشيط ضوئي ، وبالتالي يخلق "on" فوكسل. الجهاز قادر على عرض الحد الأدنى لحجم فوكسل 0.6 ملم ^ثلاثة ، مع دقة 200 ميكرون ، واستقرار جيد على مئات الدورات على نحومتبتر.

القابلات بين الإنسان والحاسب

تتيح الخصائص الفريدة لشاشات العرض الحجمية ، والتي قد تضم العرض بزاوية 360 درجة ، واتفاق التقارب والتلميحات ، و"الأبعاد الثلاثة" الموافقة لها ، تقنيات قابلة المستخدم الجديدة. هناك عمل حديث يفهم مزايا السرعة والدقة لشاشات العرض الحجمية, new graphical وقابلات المستخدم, والتطبيقات الطبية المحسنة من خلال شاشات العرض الحجمي.

أيضًا ، توجد منصات برامج توفر محتوىً أصليًا وقديمًا ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد لشاشات العرض الحجمية.

الاستخدام الفني

Hologlyphics: artistic use of volumetric displays, involving lasers and lissajous curves.

تم استكشاف شكل فني يسمى Hologlyphics منذ عام 1994 ، يجمع بين عناصر التصوير المجسم ، الموسيقى ، هجريب الصوت والصورة ، فيلم خيالي ، النحت والارتجال. في حين حتى هذا النوع من العرض قد يعرض البيانات المرئية في وحدة تخزين ، إلا أنه ليس عرضًا قابلاً للعنونة وقادرًا على lissajous تخيل فقط ، مثل تلك الناتجة عن مذبذب ليزر من مخروط galvo أومكبر صوت.

تحديات تقنية

تحتوي تقنيات العرض الحجمي المعروفة أيضًا على الكثير من العيوب التي يتم عرضها اعتمادًا على المفاضلات التي يختارها مصمم النظام.

غالبًا ما يُزعم حتى شاشات العرض الحجمي غير قادرة على إعادة بناء المشاهد ذات التأثيرات التي تعتمد على وضع المشاهد ، مثل الانسداد والتعتيم. هذا هوالاعتقاد الخاطئ. إذا الشاشة التي تحتوي فوكسلاتها على ملفات تعريف إشعاعية غير متساوية الخواص قادرة بالعمل على تصوير تأثيرات تعتمد على الموضع. تتطلب شاشات العرض الحجمي الحديثة التي يمكن حتى تحتوي على الإغلاق شرطين: (1) يتم تقديم الصور وعرضها كسلسلة من "المشاهدات" بدلاً من "الشرائح" ، و(2) سطح الصورة الذي يتغير مع الزمن ليس منتظم النشر. على سبيل المثال ، أظهر الباحثون شاشات عرض حجمية لشاشات الدوران ذات شاشات عاكسة و/ أومنتشرة رأسياً والتي تظهر صورها على الإغلاق والتعتيم. One system إنشاء صور HPO 3D مع مجال رؤية بزاوية 360 درجة من خلال الإسقاط المائل على موزع عمودي ؛ آخر مشاريع 24 ومشهد على سطح انتشار متحكم به ؛ وآخر يوفر الصور 12 عرض باستخدام كوة الموجهة عموديا.

حتى الآن ، كانت القدرة على إعادة بناء المشاهد مع الإغلاق والتأثيرات الأخرى المعتمدة على الموضع على حساب المنظر الرأسي ، حيث يظهر المشهد ثلاثي الأبعاد مشوهًا إذا تم عرضه من مواقع أخرى بخلاف تلك التي تم إنشاء المشهد لها. أحد الاعتبارات الأخرى هومقدار عرض النطاق الترددي الكبير للغاية المطلوب لإطعام الصور إلى شاشة حجمية. على سبيل المثال ، يحتاج معيار 24 بت لكل بكسل بدقة 1024 × 768 وشاشة مسطحة / ثنائية الأبعاد إرسال حوالي 135 ميغابايت / ثانية إلى جهاز العرض للحفاظ على 60 إطارًا في الثانية ، بينما بحاجة الشاشة الحجرية 24 بت لكل voxel ، 1024 × 768 × 1024 (1024 "طبقات بكسل" في المحور Z) إلى إرسال حوالي ثلاثة أوامر الحجم أكثر (135 GB / s) لجهاز العرض للحفاظ على 60 مجلدًا في الثانية. كما هوالحال مع الصوت والصورة ثنائي الأبعاد العادي ، يمكن للمرء حتى يقلل من عرض النطاق الترددي المطلوب ببساطة عن طريق إرسال وحدات تخزين أقل في الثانية والسماح بتكرار إطارات أجهزة العرض بشكل مؤقت ، أوعن طريق إرسال بيانات كافية فقط للتأثير على مناطق العرض التي بحاجة إلى تحديث ، كما هوالحال في تنسيقات الصوت والصورة الحديثة ذات الضغط اكثيرة الضياعات مثل MPEG. علاوة على ذلك ، فإن العرض الحجمي ثلاثي الأبعاد سيتطلب أمرين إلى ثلاثة أوامر بحجم أكبر CPU و/ أوGPU طاقة تتجاوز تلك اللازمة لصور ثنائية الأبعاد ذات جودة مكافئة ، ويرجع ذلك جزئيًا على الأقل إلى كمية البيانات الهائلة التي يجب إنشاؤها وإرسالها إلى أجهزة العرض. ومع ذلك ، إذا كان السطح الخارجي لوحدة التخزين مرئيًا فقط ، فسيكون عدد وحدات البكسل المطلوبة بنفس ترتيب عدد وحدات البكسل على الشاشة التقليدية. سيكون هذا هوالحال فقط إذا لم يكن لدى voxels "alpha" أوقيم الشفافية.

للاستزادة

Hologram
Volumetric video
Volumetric printing
Virtual retinal display
Display device
3D display
Zebra Imaging

المراجع

الهوامش

^ US Patent Office
^ Joseph A. Matteo (16 March 2001). "Volumetric Display". Lecture notes for the Applied Vision and Imaging Systems class at Stanford University. Archived from the original on 2005-09-09.
^ Downing, Elizabeth; Hesselink, Lambertus; Ralston, John; Macfarlane, Roger (1996). "A Three-Color, Solid-State, Three-Dimensional Display". Science. 273 (5279): 1185–1189. doi:10.1126/science.273.5279.1185.
^ 3D Multi-Viewpoint Fog Projection Display
^ Tim Stevens (17 March 2011). "3D fog projection display brings purple bunnies to life, just in time to lay chocolate eggs (video)". Engadget.
^ David Hambling (27 February 2006). "3D plasma shapes created in thin air". New Scientist.
^ "Japanese Device Uses Laser Plasma to Display 3D Images in the Air". Physorg.com. 27 February 2006.
^ Patel, S. K.; Cao, J.; Lippert, A. R. "A Volumetric 3D Photoactivatable Dye Display". Nature Commun. 2017, in press.
^ van Orden, K. F. and Broyles, J. W. (2000, March). Visuospatial task performance as a function of two- and three-dimensional display presentation techniques, Displays, 21(1), 17-24. PDF: Mirror, with permission
^ Grossman, T., Wigdor, D., and Balakrishnan, R. (2004). "Multi-finger gestural interaction with 3D volumetric displays," Proceedings of UIST, ACM Symposium on User Interface Software and Technology, (pp. 61–70). PDF at author site
^ "Exploring Cutting-Edge 3D Imaging System for Cancer Treatment Planning, Rush University Medical Center," Medical News Today, (29 Apr 05).
^ Wang, A. S., Narayan, G., Kao, D., and Liang, D. (2005). "An Evaluation of Using Real-time Volumetric Display of 3D Ultrasound Data for Intracardiac Catheter Manipulation Tasks," Eurographics / IEEE Workshop on Volume Graphics, Stony Brook.
^ Chun, W.-S., Napoli, J., Cossairt, O. S., Dorval, R. K., Hall, D. M., Purtell II, T. J., Schooler, J. F., Banker, Y., and Favalora, G. E. (2005). Spatial 3-D Infrastructure: Display-Independent Software Framework, High-Speed Rendering Electronics, and Several New Displays. In Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII, ed. Andrew J. Woods, Mark T. Bolas, John O. Merritt, and Ian E. McDowall, Proc. SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 5664, (pp. 302–312). San Jose, California: SPIE-IS&T.
^ Cossairt, O. S. and Napoli, J. (2004), Radial multiview three-dimensional displays, U.S. Pat. App. 2005/0180007 A1. Provisional (Jan. 16, 2004). Nonprovisional (Jan. 14, 2005). Published (Aug. 18, 2005)
^ Favalora, G. E. (2005, أربعة Aug.). "The Ultimate Display: What Will It Be?," presented at ACM SIGGRAPH, Los Angeles, California.
^ Otsuka, R., Hoshino, T., and Horry, Y. (2004), "Transpost: all-around display system for 3D solid image," in Proc. of the ACM symposium on virtual reality software and technology, (Hong Kong, 2004), pp. 187–194.
^ Tanaka, K. and Aoki, S. (2006). "A method for the real-time construction of a full parallax light field," in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII, A. J. Woods, N. A. Dodgson, J. O. Merritt, M. T. Bolas, and I. E. McDowall, eds., Proc. SPIE 6055, 605516.

قراءة متعمقة

Blundell, B.G., (2011). "About 3D Volumetric Displays", Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473193768. (http://www.barrygblundell.com, PDF file).
Blundell, B.G., (2011). "3D Displays and Spatial Interaction: Exploring the Science, Art, Evolution, and Use of 3D Technologies,Volume I: From Perception to Technologies", Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473177003. (http://www.barrygblundell.com, PDF file).
Blundell, B.G. and Schwarz, A J (2007). "Enhanced Visualization: Making Space for 3D Images", John Wiley & Sons. ISBN 0-471-78629-2.
Blundell, B.G. and Schwarz, A J (2006). Creative 3-D Displays and Interaction Interfaces: A Transdisciplinary Approach, John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3. (http://www.barrygblundell.com, PDF file).
Blundell, B. G. and Schwarz, A. J. (2000). Volumetric Three-Dimensional Display Systems, John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3 (http://www.barrygblundell.com, PDF file).
Favalora, G. E. (2005, Aug.). "Volumetric 3D Displays and Application Infrastructure," Computer, 38(8), 37-44. Illustrated technical survey of contemporary and historic volumetric 3-D displays. IEEE citation via ACM
Funk, W. (2008). "Hologlyphics: Volumetric image synthesis performance system," Proc. SPIE, vol. 6803, SPIE — Int'l Soc. for Optical Eng., Stereoscopic Displays and Applications XIX. PDF at author site
Halle, M. (1997). "Autostereoscopic displays and computer graphics," Computer Graphics, ACM SIGGRAPH, vol. 31, no. 2, (pp. 58–62). A thoughtful and concise overview of the field of 3-D display technologies, particularly non-volumetric displays. HTML and PDF
Hartwig, R. (1976). Vorrichtung zur Dreidimensionalen Abbildung in Einem Zylindersymmetrischen Abbildungstraum, German patent DE2622802C2, filed 1976, issued 1983. One of the earliest patent references for the rotating helix 3-D display.
Honda, T. (2000). Three-Dimensional Display Technology Satisfying 'Super Multiview Condition.' In B. Javidi and F. Okano (Eds.), Proc. Three-Dimensional Video and Display: Devices and Systems, vol. CR76, SPIE Press, (pp. 218–249). ISBN 0-8194-3882-0
Langhans, K., Bezecny, D., Homann, D., Bahr, D., Vogt, C., Blohm, C., and Scharschmidt, K.-H.(1998). "New Portable FELIX 3D Display," Proc. SPIE, vol. 3296, SPIE — Int'l Soc. for Optical Eng., (pp. 204–216). Includes a thorough literature review of volumetric displays.
Lewis, J. D., Verber, C. M., and McGhee, R. B. (1971). A True Three-Dimensional Display, IEEE Trans. Electron Devices, 18, 724-732. An early investigation into so-called solid-state 3-D displays.
Roth, E. (2006). Volumetric Display based on Inkjet-Technology, PDF

روابط خارجية

Volumetric Motion Picture and 3D Digital Film Forum
VisualCube — a small volumetric display composed of 6x6x6 voxels, each represented by a 2-color LED
Voxiebox — a commercially available swept-volume based volumetric display positioned for gaming and entertainment applications
Volumetric Displays — Summary of history, practical issues, and state of the art up until March 1996
The Return of the 3D Crystal Ball — A comprehensive article on Actuality Systems' Volumetric technology including an interview, pictures and a movie
Felix3D Display — Some examples for volumetric displays
Interactive 360° Light Field Display — by USC Institute for Creative Technologies
QinetiQ Autostereo 3D Display Wall — Press Release from 2004, perhaps discontinued as no further references found
SPIE / IS&T Stereoscopic Displays and Virtual Reality Applications annual global conference
Diffraction Influence on the Field of View and Resolution of Three-Dimensional Integral Imaging