Назад в библиотеку

---

Технологии объемных дисплеев

Автор: Andres M. Trianon
Автор перевода: Хлопов Д.И.
Оригинальное название статьи: VOLUMETRIC DISPLAY TECHNOLOGY
Источник: http://www.ucsi.edu.my/cervie/ijasa/volume2/depth.asp

Введение

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.

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).

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.

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.

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.

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».

Заявка на грант MGS

Этот грант позволяет инициативным компаниям проводить связанные с мультимедиа проекты с максимальным периодом в два года. Были все условия, чтобы предпринять разработку собственного объемного дисплея в Малайзии.

После одной вводной встречи, одной технической встречи и встречи с руководством MGS, мы были утверждены на проект в июле 2005 года. Полная предполагаемая стоимость в течение двух лет этого проекта колебалась около метки в 1.3 миллиона марок. Так родился «Объемный дисплей с технологией LED» (под кодовым названием «Volex»).

«Volex»

Когда мы углубились в проект, наша команда должна была изучить много проблем, которые требовали улучшения в некоторой степени для того, чтобы в результате полученные прототипы оправдали общие надежды.

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.

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.