XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Безэкранные дисплеи, которые предоставляют трехмерные изображения, доступные для просмотра со всех сторон, продолжают развиваться по многим направлениям. Но могут ли они найти рынок?

Во вступительной сцене фильма 2003 года «Зарплата» мы узнаем, что главному герою, Майклу Дженнингсу, было поручено реконструировать трехмерное изображение на экране, созданное конкурентами его клиента. Руководители клиента не впечатлены, пока Дженнингс не отодвигает лицевую панель, чтобы открыть отдельно стоящее трехмерное изображение, для которого больше не нужен экран. Начальники радуются: «А они сказали, что стопроцентная доля рынка невозможна!» Зрителям было неизвестно, что ключевым преобразованием сцены - тем, что сделало изображение более привлекательным - было преобразование традиционного трехмерного изображения в объемное. В традиционном трехмерном изображении используется какой-то экран для преобразования света в оптическую точку реального изображения где-то перед экраном. В объемном отображении «экран» в некотором смысле рассредоточен по всему объему изображения: свет расходится от рассеивающих или излучающих точечных примитивов внутри объема, формируя изображение в физическом пространстве.

Объемные изображения обладают физичностью, которая позволяет им занимать пространство, во многом подобно изображаемому физическому объекту.

Таким образом, вместо того, чтобы сходиться от ограниченной апертуры, свет от объемного дисплея может вместо этого расходиться на очень большие углы. Фактически, изотропное излучение света позволяет видеть точку объемного изображения со всех сторон. Превращая конвергенцию в расхождение на поверхности модуляции или поверхностях дисплея, объемная система переворачивает традиционное трехмерное изображение наизнанку, создавая без экранные реальные изображения, которые не накладывают ограничений на положение зрителя. Полученные изображения обладают уникальной физичностью, которая позволяет им занимать пространство во многом подобно изображаемому физическому объекту.

В этой статье представлены основные типы объемных дисплеев и некоторые недавние достижения в этой необычной технологии трехмерной визуализации. В нем также исследуются некоторые попытки коммерциализации и то, что может потребоваться для того, чтобы эти дисплеи стали популярными.

Семейство трёхмерных дисплеев.

Чтобы понять объемные дисплеи, нам нужно поместить их в контекст трех семейств трехмерных дисплеев: лучевых дисплеев, волновых дисплеев и точечных дисплеев. И лучевые, и волновые дисплеи используют экран в качестве модулирующей поверхности. Дисплеи лучей, которые включают линзовидные, барьерные линии и некоторые системы с кодированной апертурой, образуют реальные точки, образованные пересекающимися лучами в пространстве; волновые дисплеи, которые включают голографические дисплеи и нанофотонные фазированные решетки, образуют аналогичные точки, фокусируя волновой фронт. (Некоторые могут возразить, что эти семейства находятся в разных местах одного и того же спектра. Мы бы добавили, что вы можете определить, на какой стороне этого спектра вы находитесь, просто спросив: «Дифракция работает на меня или против меня, когда элементы отображения становятся маленькими?”)

От этих первых двух семейств отделена третья группа, точечные дисплеи, которые не объединяют свет от поверхности, а вместо этого отклоняют свет от точки. Это семейство дисплеев состоит только из одного элемента - объемного дисплея. Действительно, определения точечного отображения и объемного отображения, по существу, синонимичны: рассеиватели или излучатели отображения совмещены с фактическими точками изображения.

Основным результатом такого совместного размещения является то, что в идеальном случае изображение можно увидеть практически с любого направления. Нет апертуры дисплея (экрана), и может быть небольшое ограничение зоны просмотра или полное его отсутствие. Совместное расположение излучателей дисплея с точками изображения также означает, что человеческий глаз также легко адаптируется к объемному трехмерному изображению.

Однако, как только рассеивающая поверхность смещается от точки изображения, которую она формирует (например, когда свет рассеивается от удаленного экрана), немедленно образуется апертура, которая накладывает ограничения на зрителя, и сигналы аккомодации теперь уже не идеальны, поскольку они попадают под дифракционный предел новой апертуры. Таким образом, как только условие совместного размещения нарушается, основные преимущества объемных дисплеев - идеальное размещение, отсутствие ограничения зоны обзора - начинают уменьшаться. Действительно, Кертис Бродбент, известный дизайнер объемных дисплеев, предполагает, что нарушение совместного размещения является признаком того, что мы больше не смотрим на объемные дисплеи. «Наложение ограничений на зрителя, - говорит Бродбент, - нарушает дух объемных изображений».

Достоинства и недостатки.

Таксономия точечных, волновых и лучевых дисплеев позволяет проектировщику дисплеев определить, на какой тип дисплея он смотрит, и какие проблемы проектирования могут возникнуть в данной архитектуре. Совместное расположение воспринимаемых точек с их истинными источниками в объемных дисплеях, в частности, создает мощный и практичный дискриминант, позволяющий группировать дисплеи, которые имеют аналогичные возможности (то есть аналогичные базовые свойства, которые определяют, как зритель может взаимодействовать с дисплеем) и оценить пограничные случаи. Четыре возможности, в частности, подчеркивают преимущества и недостатки объемных дисплеев по сравнению с лучевыми и волновыми дисплеями.

Человеческий глаз приспосабливается к точкам объемного изображения так же, как и к реальным материальным объектам, потому что точки объемного изображения являются материальными объектами - по крайней мере, на короткое время.

Приспособление. Человеческий глаз приспосабливается к точкам объемного изображения так же, как и к реальным материальным объектам, потому что точки объемного изображения являются материальными объектами - по крайней мере, на короткое время. Однако лучевые и волновые дисплеи формируют оптические точки реального изображения за счет конвергенции света. Качество этой точки или функция рассеяния точки сильно зависит от размера и качества апертуры, которая ее поддерживает. Это связно? Имеет ли он большую числовую апертуру? Чтобы соответствовать аккомодации объемной точки, отображение лучей или волн должно полностью окружать точку, сходясь со всех сторон для формирования изображения. Только тогда можно предотвратить ухудшение аккомодационного эффекта апертурой дисплея.

Угол обзора. Превосходство объемных дисплеев проявляется также в их большом угле обзора, который обычно предоставляется «бесплатно» в объемных дисплеях. Широкий угол обзора в лучевых дисплеях и особенно в дисплеях с голографическими волнами, напротив, достигается ценой огромного аппаратного обеспечения и вычислительной сложности.

Окклюзия. С другой стороны, окклюзия - способность одного объекта в трехмерной сцене частично скрывать другой - представляет собой серьезную проблему для точечных/объемных изображений. В общем, примитив точки изображения хочет излучать изотропно, но для создания изображений с самозатенением должна быть возможность отключить излучение точки в некоторых направлениях. В лучевых и волновых дисплеях достижение окклюзии - гораздо более простой вопрос, который обычно сводится к тщательному созданию контента.

Формирование виртуального образа. Виртуальное изображение можно рассматривать как окно в другой мир, который может не отображать реальность, и это также создает проблемы для объемных дисплеев. Если дисплей висит на твердой кирпичной стене, но трехмерное изображение показывает открытый ландшафт на заднем плане, может потребоваться создать волновые фронты или лучи, которые отбрасываются назад к точкам, которые не могут существовать в реальном пространстве. Учитывая требование, чтобы объемные дисплеи имели физические рассеиватели или излучатели, совмещенные с точками изображения, виртуальные изображения для объемных дисплеев кажутся принципиально невозможными.

Массив крошечных излучателей, который действует как фазированная решетка или даже как источники Гюйгенса, может быть создан для создания точек виртуального изображения. Но такой дисплей создал бы апертуру (границы массива), которая ограничила бы видимые углы точки виртуального изображения. Он перестал бы быть объемным дисплеем и вместо этого стал бы волновым дисплеем с фазированной решеткой, сформированным с помощью объемного оборудования. Таким образом, он унаследует возможности и проблемы семейства волновых дисплеев за счет преимуществ семейства объемных дисплеев.

(Иногда этот компромисс желателен. Например, в конце 2000-х Оливер Коссэрт и его коллеги преобразовали объемный дисплей в мультиракурсный лучевой дисплей, заменив совместное расположение для получения сигналов окклюзии.)

Три типа объемных дисплеев.

Объемные дисплеи включают три различных подхода. В дисплеях с развернутым объемом обычно используются вращающиеся излучающие или отражающие экраны, включая вращающиеся лопасти с подсветкой, вращающиеся светодиоды или перемещающиеся проекционные поверхности. Например, в дисплее Peritron используется лопасть с люминофорным покрытием, которая вращается внутри стеклянной камеры под вакуумом. Электронный луч, попадающий на ракетку, создает точку, излучающую видимый свет. Направление электронного луча и вращение лопасти создает объемное изображение из точек излучения.

Дисплеи со статическим объемом могут формировать изображения путем преобразования с повышением частоты в нелинейных газах или твердых телах или путем проецирования на ряд рассеивающих плоскостей. Rochester Illumyn, например, представляет собой стеклянную камеру, заполненную нагретыми парами цезия. Трехмерное положение внутри этого газа освещается двумя лучами на длинах волн (например, инфракрасных), невидимых человеческому глазу. Две длины волны объединяются в нелинейном материале, чтобы сформировать видимый свет, который рассеивается из этого положения, образуя точку излучающего изображения; сканирование двух лучей создает объемное изображение.

Третья, относительно молодая категория, дисплеи со свободным пространством, работают в воздухе, без препятствий между пользователем и изображением; они могут включать в себя индикаторы излучения свободных частиц, захваченных частиц и плазмы. Первым известным авторам дисплеем в открытом космосе является концепция Кена Перлина «Холодуст», в которой вездесущие частицы пыли идентифицируются, а затем сразу же освещаются лазером для построения изображения в космосе. Позже Университет Кейо продемонстрировал дисплей, на котором мощный импульсный ИК-лазер фокусируется в воздухе для создания плазмы. Сканирование фокуса по воздуху дает изображение, состоящее из плазменных точек. Этот процесс был усовершенствован для использования фемтосекундных импульсов и пространственного модулятора света для одновременной фокусировки в нескольких точках. Некоторые дисплеи используют тепло или туман для модификации воздуха, чтобы он мог рассеивать или модулировать свет.

В этом году в Университете Бригама Янга, США, был представлен еще один дисплей в свободном пространстве - дисплей с оптической ловушкой (OTD). OTD работает, сначала удерживая светорассеивающую частицу в почти невидимой оптической ловушке. Ловушка перемещается в пространстве, увлекая за собой захваченную частицу. Затем захваченная частица освещается лазерами видимого диапазона, чтобы нарисовать трехмерное изображение за счет постоянного зрения. Прототип сканирует частицы со скоростью примерно от 1 до 2 м / с, чтобы сформировать очень маленькие (1 см3) видеоизображения. Эти небольшие изображения могут быть полноцветными и иметь разрешение до 1600 dpi. Исследователи надеются значительно увеличить размер изображений в будущих прототипах, используя одновременно несколько частиц.

В дополнение к приведенным выше примерам сцена с объемным отображением включает несколько пограничных случаев, в которых часто используется объемное оборудование для создания отображения лучей (или наоборот). Например, техасский DMD-дисплей, обычно называемый голографическим дисплеем, возможно, лучше классифицировать как объемный дисплей. Это связано с тем, что фокус голографических волновых фронтов от DMD фокусируется внутри рассеивающей жидкости, которая обеспечивает рассеивающую среду, которая увеличивает зону обзора дисплея - и тем самым снижает способность перекрывать точки. Таким образом, голографическое оборудование создает объемный дисплей и, таким образом, использует преимущества и недостатки своего нового семейства дисплеев.

Другой пограничный пример, Sony Raymodeler, использует вращающийся массив светодиодов и, таким образом, выглядит внешне похожим на дисплеи с развернутым объемом. Однако эти светодиоды не используются как точечные примитивы; вместо этого массив проецирует большое количество видов как отображение лучей. Таким образом, дисплей может легко достичь окклюзии и создавать виртуальные изображения, но ему не хватает идеального размещения объемного дисплея.

Усилия по коммерциализации.

Несмотря на оптимистичный прогноз руководителей Paycheck, объемные дисплеи не захватили 100 процентов рынка трехмерных дисплеев. Однако был предпринят ряд коммерческих попыток. Особый интерес представляют два тематических исследования: дисплей Perspecta от компании Actuality Systems, дисплей с развернутым объемом диаметром 10 см и LightSpace DepthCube, многослойный ЖК-дисплей со статическим объемом. Несмотря на физические различия дисплеев, команды разработчиков пришли к аналогичным выводам в конце многолетних усилий по коммерциализации.

Системы актуальности. Грегг Фавалора, основатель и технический директор компании Actuality Systems, получивший образование в Гарварде, сделал свою первую попытку создания объемного изображения в 1988 году, будучи девятиклассником. Позже он делал объемные изображения, потому что считал, что «плавающее трехмерное изображение будет визуально впечатляющим, а в 1997-2000 годах казалось таким возможным» благодаря новым технологиям. Фавалора отметила наличие микрозеркал Texas Instruments и вычислительных ресурсов для рендеринга. Он также определил способ (аспект которого был предложен в 1950-х годах) для проецирования резкого изображения на вращающийся диск.

Вдохновленный деньгами, выигранными в конкурсе предпринимателей Массачусетского технологического института для создания компании, Фавалора основал и собрал начальное финансирование для Actuality Systems на рубеже 21 века. Его флагманский дисплей Perspecta был способен отображать изображения с исключительно высоким разрешением. Perspecta могла генерировать изображение с 100 миллионами вокселей с готовыми, хотя и дорогими, деталями. Дисплей был продан широкому кругу потенциальных клиентов как инструмент для исследования пользовательского интерфейса, структурного фармацевтического дизайна и разведки месторождений нефти, а также оценивался с помощью медицинской визуализации. Однако высокая цена на технологию ограничивала клиентскую базу, и активы Actuality Systems, такие как ее ценный портфель патентов, были приобретены Optics for Hire в 2009 году.

LightSpace Technologies. В тот же период на другом конце страны Алан Салливан строил лазер мощностью 100 ТВт в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. В поисках новой возможности он натолкнулся на стартап, который, по его словам, включал в себя «пустую комнату, набросок на салфетке и более или менее пустой чек» для разработки трехмерных дисплеев. Салливан вскочил на борт. В последующие годы были проведены реорганизации и продвижение по службе, и Салливан, ныне технический директор, довел прототип стартапа со статическим объемом до докоммерческого состояния. Теперь, в 2003 году, им был нужен только рынок.

К сожалению, поиски рынка пережили две компании, вторую из которых, LightSpace Technologies, Салливан основал сам. Несмотря на высокую цену дисплея - более 10 000 долларов США - был ряд заинтересованных сторон. Но все выдвигали требования, которым дисплей не мог удовлетворить. Интерес со стороны медицины был, но на дисплее не должно быть артефактов. Производителям игровых автоматов он нравился, но им нужно было, чтобы он был очень недорогим (скажем, 50 долларов США за единицу). Нефтяная промышленность была заинтересована, но ей требовался гораздо больший дисплей для совместного принятия решений большими группами. После многих лет поисков Салливан подумал, что, возможно, нашел бы нишевый рынок в интервенционной радиологии, но его инвесторы сочли этот рынок слишком маленьким.

К 2007 году Салливан достиг состояния, которое он описывает как «полное истощение», и покинул LightSpace. Перед отъездом он отправил 200-страничный документ, полный предложений по улучшению дисплея. Сообщается, что все рекомендации оказались хорошими идеями, и недавно LightSpace DepthCube снова появился с улучшенным дисплеем.

Сходство усилий по коммерциализации Actuality и LightSpace, кажется, состоит в том, что, несмотря на превосходную технологию, успех, по-видимому, требует резко сниженной цены, большего размера или еще большего качества изображения. Будет интересно посмотреть, смогут ли новый дисплей LightSpace и новый Voxon Photonics VX1 уменьшить стоимость и увеличить возможности, достаточные для того, чтобы закрепиться на рынке. По словам одного из изобретателей Кертиса Бродбента, также представляет интерес появление в Рочестере рубидий-цезиевых дисплеев с возбужденным газом, диаметр которых может достигать более метра. Дисплеи свободного пространства также совершили набеги на коммерческую сферу, включая Burton Aerial в 2011 году и проект Kickstarter, запущенный в 2016 году Хайме-Руисом Авила.

«Убийственное» приложение.

Этот ранний опыт коммерциализации, а также оценка характеристик текущих и будущих объемных дисплеев порождают вопрос: что такое «убийственное приложение» для объемных дисплеев? Есть ли приложение, с которым справится только объемное отображение? Или можно было бы каждое потенциальное приложение выполнять, причем с меньшими затратами, с другим дисплеем, например, с дисплеем на голове?

Несмотря на текущие усилия гигантов AR / VR, мы считаем, что ответ на этот вопрос будет отрицательным, по крайней мере, в некоторых случаях: когда кто-то хочет посмотреть в глаза кому-то еще, кто находится удаленно; когда вы не можете разумно надеть очки на предполагаемого зрителя (например, на вражеского бойца или всех, кто может пройти мимо вашей витрины); или когда один набор головных уборов может конфликтовать с другой гарнитурой, используемой в медицинских или военных целях.

В этих сценариях существенность объемных дисплеев - их присутствие в пространстве и отсутствие ограничений в отношении местоположения зрителя - делает их идеальным выбором. Аргументы в пользу этих дисплеев также усиливаются, если изображения разрежены, просматриваются на интерактивном расстоянии или создаются совместно с другими технологиями, такими как голография, с дополнительными возможностями.

Трехмерные дисплеи, наиболее часто представляемые в наших популярных изображениях будущего, в книгах и фильмах, таких как «Звездные войны» и «Зарплата», как правило, больше всего напоминают объемные дисплеи в свободном пространстве, в частности, OTD. Эти дисплеи могут обеспечить как отличную цветопередачу, так и высокую детализацию. Однако пока рано говорить о том, предоставит ли эта технология реальную платформу для трехмерного отображения, поскольку OTD все еще сталкиваются с некоторыми серьезными техническими проблемами, которые необходимо преодолеть.

Если достигается угловой контроль, то изображения, настроенные зрителем, не должны сильно отставать.

Во-первых, демонстрации OTD до сих пор включали улавливание, освещение и сканирование одной частицы, и еще предстоит показать, что несколько частиц могут быть захвачены и освещены одновременно надежным и надежным образом. Однако если это удастся сделать, интересно представить себе новые возможности, которые может предоставить красочная, детализированная платформа для свободного пространства. Например, можно получить большие автостереоскопические трехмерные изображения с небольших устройств - аналог изображения принцессы Леи из «Звездных войн» с помощью мобильных технологий.

Если бы OTD можно было заставить избирательно рассеиваться в предпочтительных направлениях (даже более сложная задача, чем манипуляции с множеством частиц), можно было бы даже увидеть первые изображения в свободном пространстве с самозатенением. Такое же управление направлением можно также использовать для создания эффекта, который ранее не обсуждался, даже в научной фантастике, - физического изображения, зависящего от зрителя. То есть можно было спроецировать объемное изображение, которое настраивалось для каждого отдельного зрителя. Если достигается угловой контроль, то изображения, настроенные зрителем, не должны сильно отставать.

В эпоху возобновления интереса и новых возможностей для объемных дисплеев как никогда важно понять и оценить их уникальное место среди трехмерных технологий, а также технологические и коммерческие прорывы, которые могут произойти в ближайшем будущем.

Технологии объемных дисплеев.

Часто неверно понимаемый как «голограмма», объемный дисплей представляет собой устройство, которое отвечает всем следующим трем критериям: он способен отображать объект, который имеет физические высоту, ширину и длину; наблюдатели могут перемещаться относительно дисплея в одной или более плоскостях, не теряя визуального контакта с выводимым на экран изображением; а также два наблюдателя, стоящие одновременно в любых двух различных позициях, равнонаправленных к дисплею, должны видеть различные «стороны» изображения относительно соответствующих позиций наблюдателей. В этой статье будут рассмотрены стереоскопические методы создания псевдообъемных дисплеев и кратко обсуждены эти технологии отображения, потом будет представлен наш последний проект в этой области.

Стереоскопические дисплеи

Этимологически, суффикс –скопический происходит из греческого слова «skopein», «видеть»; аналогично префикс стерео– произошло от слова «стерео», «тело». Стереоскопия — возможность наблюдения трехмерных твердых тел, в противоположность наблюдению плоских изображений. Как видно из рисунка 1 стереоскопические дисплеи дают нам иллюзию глубины, представляя немного отличающиеся изображения каждому глазу.

Рисунок 1 — Имитация 3D объекта при помощи стереоскопии

Как видно из рисунка 2, техника использования двух линз для имитации человеческих глаз используются для того, чтобы захватить «стерео« изображение (содержащее два угла целевого объекта).

Рисунок 2 — Получение изображения для стереоскопического дисплея

Автостереоскопические дисплеи

Автостереоскопические дисплеи отличаются от обычных стереоскопических дисплеев их адаптивным характером: в зависимости от позиции наблюдателя изменения в параллаксе заставят выведенное на экран изображение «изменять углы». Параллакс часто воспринимается как «видимое движение» объекта напротив удаленного фона из–за перспективного сдвига, как изображено на рисунке 3. Когда смотрят с точки наблюдения A, объект появляется перед синим квадратом. Когда точка наблюдения изменена на точку B, объект оказывается перед красным квадратом.

Рисунок 3 — Воспринятое относительное расположение объектов зависит от расположения наблюдателя

Хотя соответсвующие компании в настоящее время достигли определенного успеха и инновационности, основная конструкция вышеупомянутых технологий будет делать не что иное как «имитацию» трехмерного эффекта: настоящий объемный дисплей требует фундаментального структурного изменения.

Стандартные статические объемные дисплеи

Эти дисплеи используют трехмерный массив предопределенных объемных пикселей, известных как «вокселы», которые включаются и выключаются по заранее установленном порядке соответсвующого объекта отображения.

Рисунок 4 — Статические объемные дисплеи содержат трехмерный массив статических элементов

Статические объемные дисплеи имеют одно известное преимущество перед другими дисплеями: они не имеют движущихся частей. Устройства с подвижными частями имеют тенденцию иметь более короткую продолжительность функционирования из-за изнашиваемости соответствующих частей и вибраций, которые вызывают структурное ослабление. Статические дисплеи в настоящее время страдают от главных недостатков, а именно, блокирование воксела и плотность. Статические конструкции как одно целое представлено на рисунке 4. В результате вокселы, которые находятся ближе к наблюдателю, блокируют излучение от более отдаленных в прямой линии видимости. Эта проблема усугубляется от увеличения плотности вокселов (количество вокселей на кубический сантиметр). Эта проблема может быть решена при наличии таких вокселов, которые в неактивном состоянии невидимы для человеческого глаза.

Лазерные статические объемные дисплеи

Так как лазерные статические объемные дисплеи обычно не считаются подкатегорией по существу, они важны для нашего обсуждения, чтобы демонстрировать многочисленные альтернативные подходы к достижению статической объемной визуализации. На рисунках 5 и 6, мы можем видеть как два пересекающихся лазерных луча, которые невидимы для человеческого глаза в отдельности, могут вызвать локализованное волнение ионизированной среды, пересекающихся в определенной точке.

Рисунок 5 — Пересекающиеся лазерные лучи излучают свет в видимом человеку спектре в легковозбудимой среде

Рисунок 6 — Схема лазерного статического объемного дисплея

Крайне важно, чтобы процесс возбуждения в активном ионе произошел только от селективного поглощения двух различных инфракрасных волн, поскольку неободхим именно такой механизм, который позволяет видимой точке света быть «включенной» только там, где эти два лазерных луча пересекаются, и больше нигде. Управляя пространственными координатами пересечения этих двух лазеров, «воксел» или объемный пиксель может адресоваться в специфическое положение в объемной среде обработки изображений.

Развернутые поверхностные объемные дисплеи

Развернутые поверхностные дисплеи используют другой подход для генерирования объектов в области дисплея: при помощи быстродвижущегося светового излучения или отражающих вокселов человеческий глаз заставляют верить в то, что объект формируется в воздухе. Этот феномен «Постоянство видения» подобен подходу, который используется в современных плоских экранах и телевизорах, в то время как несколько статических кадров быстро выводятся, чтобы создать иллюзию движения или, в нашем случае, объект «немерцающий».

Рисунок 7 отображает архитектуру самого известного объемного дисплея: Perspecta Spatial 3D от Actuality Systems. У этого устройства есть вращающийся экран и камера. Экран вращается со скоростью в 900 оборотов в минуту (15 оборотов в секунду), таким образом выдерживая границу «мерцания».

Рисунок 7 — Perspecta Spatial 3D от Actuality Systems

Однородность LED

Есть два способа генерирования вокселов в развернутых поверхностных дисплеях: или источник света установлен на движущейся поверхности, или луч направляется на поверхность, которая будет отражена в синхронности с предлогаемым объектом визуализации. Volex использует LED в качестве источника эмиссии. Зная типичную архитектуру LEDs, мы должны быть очень осторожными при выборе модели, поскольку у многих LED есть намного более яркая область около диода (обычно в центре LED). В то время как часть того эффекта может не быть заметной человеческим глазом, проектная команда выполняла множество тестов с различными типами, точками, яркостью и цветами LED, пока мы не нашли, что самая надлежащая модель соответствовала потребностям проекта.

Расположение LED

LED перемещаются по предопределенной траектории в пространстве и излучают свет, чтобы вызвать оптическую иллюзию объекта в воздушной среде. Когда воксел активирован, это оптимально, если получающееся световое излучение может расшириться в сферическом поле, не будучи блокированным никаким объектом. Таким образом, мы удостоверились, что наблюдатели со всех возможных направлений могут видеть этот активированный воксел в любой момент времени. Проблема здесь состоит в том, что из–за архитектурных ограничений работы с LED невозможно полностью удалить все препятствия к каждому вокселу. Следовательно, проблема находится вокруг уменьшения этого «блокирования» насколько это возможно, чтобы создать более удовлетворительную картину просмотра.

Рисунок 8 — Излучаемый свет LED блокируется неактивированным компонентом

Угол рассеивания LED

В настоящее время нет значительного спроса на существующие LED, которые могут излучать свет во всем сферическом поле (т.е. во всех направлениях). Также, производители LED в настоящее время не производят такой компонент. Это — существенный недостаток при попытке разработать объемный дисплей, используя LED. В оптимальных условиях элементы эмиссии излучали бы свет во всех направлениях. К сожалению, углы обзора LED обычно колеблются в диапазоне между 30° и 270°, несмотря на то, что яркость воксела будет затронута, поскольку угол увеличивается даже в широкоугловых LED. Это причина, почему мы должны рассмотреть обращение к генерации единственного воксела многими LED. Есть много путаниц, связанных с этим альтернативным решением, но они в конечном счете устареют как только начнут разрабатываться сферические LED.

Проблемы вибрации

Скорость вращения критически важна для хорошего дисплея. Если скорость будет слишком малой, то вокселы будут обновляться менее часто, и это приведет к мерцанию дисплея. Эффекты расширенного воздействия мерцания не были полностью изучены, но мы знаем на примере обычных телевизоров, что как только частота обновления достаточно высока, человеческие глаза будут «верить», что нет никакого мерцания вообще. Таким образом, жизненно важно удостовериться, что эта минимальная частота обновления присутствует в любом случае. Это означает, что необходимо поддерживать высокую скорость, которая приводит к инкременту колебаний, вызванных маленькими дисбалансами во вращающемся диске. Так как эти дисбалансы увеличиваются по экспоненте при увеличении скорости, это становится беспокойством безопасности, что модуль максимально сбалансирован.

Генерация вокселей

Как мы обсудили выше, есть много факторов, которым необходимо уделять внимание для того, чтобы обеспечить функционально–аппаратную архитектуру объемных дисплеев. Аспекты программного обеспечения целой системы столь же сложны как и аппаратные средства. Это может быть очень хитрой частью целой системы: вокселы могут быть заранее заданы в матрице с дискретным числом объектов, или мы можем фиксировать LED таким способом, которым их состояние может сохраняться на более длительные периоды времени. Обычно более просто иметь предварительно установленное разрешение воксела и позволять выводимым на экран объектам адаптироваться к ограниченному разрешению, но это, конечно, приведет к потере качества и реализма. Отображая все возможные вокселы и цилиндрические «разрезы» нашими элементами излучения, мы можем легко создавать объекты в наборе возможных вокселов. Все, что мы должны сделать, это сказать LED, когда им быть активными. Прототип 1 разработки «Volex» успешно достиг этого. Есть очевидная проблема, пытающаяся вывести 2D изображения 3D объектов, но версия дисплея«Volex» должна скоро это предоставить.

Передача данных

Объемные поверхностные дисплеи включают в себя высокоскоростное движение. Данные, которые будут выведены на экран, могут или храниться на движущемся модуле или могут находиться отдельно, чтобы обеспечить более гибкий метод вывода данных на экран. Если мы примем решение иметь все необходимые компоненты «на борту», то наш дисплей должен будет быть дизассемблирован, и мы должны будем вручную программировать новый набор данных на микроконтроллере/микропроцессоре каждый раз, когда нам нужно будет добавить новую информацию к дисплею. Вместо этого, поскольку мы двигаем опытно–промышленные образцы, наши данные будут переданы потоком от внешнего модуля, используя одну из многих доступных форм беспроводной передачи данных. Таким образом, мы удостоверимся, что наш дисплей может быть более интерактивным, и пользователи могут быть в состоянии в конечном счете соединить их с PC для манипулирования данными, поскольку технология становится более зрелой.

Выводы

Существует множество факторов, которые должны быть предусмотрены при разработке объемных дисплеев: от аппаратных ограничений к сложности системы программного обеспечения. Реализм должен в любом случае остаться основным приоритетом при разработке такого устройства. Современные технологии, при достижении высокой степени реализма, нуждаются в поддержке потребителя, чтобы успешно приподнести объемные дисплеи в массы.

Список используемой литературы:

Andres M. Trianon «VOLUMETRIC DISPLAY TECHNOLOGY».

Daniel Smalley, Ting-Chung Poon, Hongyue Gao, Joshua Kvavle and Kamran Qaderi «Volumetric Displays: Turning 3-D Inside-Out»

Бланделл, Б.Г., (2011). «О трехмерных объемных дисплеях»

http://www.ucsi.edu.my/cervie/ijasa/volume2/depth.asp

Код для цитирования: Скопировать