3D дисплеи. Часть 3

Автор: Cергей Книгин

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЕ (VOLUMETRIC) 3D ДИСПЛЕИ

Волюметрические 3D дисплеи (далее V3D) существенно отличаются от всех рассмотренных выше типов 3D дисплеев, формирующих изображение с помощью элементов, расположенных в одной плоскости.

ПРИНЦИП: воспроизведение объемного изображения в виде вокселов или векторов, реально разнесенных в рабочем объеме дисплея (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией.

Для V3D нам потребуется дополнительная классификация, поскольку это самая многочисленная по разнообразным технологиям группа. Примем за основу классификации три параметра: наличие в конструкции движущихся частей, тип источника изображения, заполнение объема воспроизведения. Естественно, такая классификация условна и не претендует на полноту и окончательность. В таблице приведены некоторые примеры технологий V3D.

По большому счету, для V3D существует всего два способа воспроизвести изображение воксела в заданной точке пространства:

1. Поместить в эту точку вещество, способное рассеивать свет и осветить его;
2. Поместить в эту точку вещество, способное излучать свет и заставить его светиться

Оба способа предполагают, что объем воспроизведения должен быть заполнен подходящим веществом, поскольку воксел может располагаться в любой точке этого объема по определению. Причем, для первого способа сразу возникает противоречие: если вещество рассеивает свет, то оно не может быть прозрачным и нельзя увидеть вокселы, располагающиеся в его глубине. И здесь в очередной раз спасает инерционность зрительного аппарата человека. Сплошной объем вещества заменяется тонким рассеивающим экраном, который периодически "сканирует" объем воспроизведения так, что за один цикл поверхность экрана проходит через все точки этого объема.

Форма поверхности экрана интересует нас лишь постольку, поскольку для воспроизведения 3D объектов с минимальными геометрическими искажениями требуется учитывать ее при пересчете компьютерной модели в реальные координаты. Насколько разной может быть форма поверхности, видно из сравнения двух моделей V3D: FELIX 3D и Perspecta.

Пример 1

Проект FELIX 3D использует экран в виде одного витка спирали для проецирования лучей трех твердотельных лазеров основных цветов. Перемещение по осям X и Y обеспечивается механической зеркальной разверткой, а по Z - положением экрана в момент включения лазеров. В каждый момент времени формируется изображение только одного воксела, а всего за 1 оборот - около 10 000 вокселов при скорости вращения экрана 20Гц. Такое небольшое количество вокселов ограничивает сферу применения FELIX 3D векторными приложениями, например в системах CAD/CAM.

Компания Actuality Systems использует в модели Perspecta плоский экран, вращающийся вместе с системой зеркал для проецирования изображения размером 768х768 пикселов одновременно. DLP проектор успевает сформировать за время одного оборота (при частоте вращения 24Гц) 198 плоских изображений (1 бит на цвет), составляющих "нарезку" (slices) 3D сцены. Таким образом, общее количество формируемых вокселов превышает 100 миллионов, что является пока абсолютным рекордом. Проблемой подготовки информации является необходимость поворота формируемого на экране проектора изображения синхронно с вращением экрана и рассчет "нарезки". Для этого используется DSP процессор производительностью 1600 MIPS и 6 Gb DDRAM.

Пример 2

Нужно сказать, что идея V3D с вращающимся экраном давно привлекала внимание разработчиков. Вот, например, оригинальная конструкция, в которой покрытый фосфором стеклянный диск помещался внутрь электронно- лучевой трубки и приводился в движение электромотором, ротор которого располагался внутри колбы, а статор снаружи. Изображение получали, управляя отклонением электронного луча. Однако, практического применения эта конструкция, как и сотни подобных, не нашла, поскольку формирование сигналов, необходимых для получения объемного изображения, оказалось непосильной задачей. Действительно, даже с помощью современных мощных компьютеров не так просто вычислить положение точки пересечения наклонного луча и вращающейся плоскости в реальном времени. В плане простоты расчетов, гораздо удобнее конструкции, в которых экран или монитор движутся возвратно-поступательно, но в них очень сложно совместить высокую скорость перемещения с хорошей линейностью и отсутствием вибраций.

Пример 3

Новым толчком к развитию V3D послужило появление светодиодов и персональных компьютеров. Появилась возможность заменить вращающийся экран светодиодной панелью, благодаря чему положение вокселов в объеме воспроизведения оказалось жестко заданным и достаточно легко вычисляемым, чтобы изготовить вполне работоспособный прототип, что и было сделано впервые в 1979 году. Простые расчеты показывают, что современная элементная база позволяет создать по этой схеме V3D, воспроизводящие более миллиона цветных вокселов, но, к сожалению, информация о таких разработках отсутствует.

Пример 4

Модель VIZTA3D Z20/20 - пример удачной реализации известной схемы с неподвижным проектором и линейно движущимся экраном на новом технологическом уровне.

Физически движущийся экран заменен в нем пакетом жидкокристаллических пластин - экранов, прозрачность которых меняется под воздействием управляющего напряжения. Пакет состоит из 20 пластин диагональю 20 дюймов, что отражено в названии модели. В одном состоянии каждая из пластин прозрачна и пропускает свет, в другом мутнеет и становится просветным рассеивающим экраном. Установленный за пакетом DLP проектор формирует изображения "срезов" 3D сцены синхронно с переключением прозрачности пластин. Сглаживание изображения по глубине достигается специальной программной обработкой.

Пример 5

Известно несколько прототипов V3D, использующих эффект транслюминесценции, то есть способность некоторых кристаллов и газов излучать свет с определенной длиной волны под воздействием излучения с другой длиной волны, например, видимый красный свет под воздействием невидимого инфракрасного излучения.

Лучи двух инфракрасных полупроводниковых лазеров отклоняются таким образом, что пересекаются в заданной точке объема воспроизведения, заполненного активным веществом. Транслюминофоры имеют определенный энергетический порог возбуждения. Мощности лазеров подбирают таким образом, чтобы энергия одного луча была ниже этого порога и не вызывала свечения, а суммарная энергия двух лучей превышала этот порог. Таким образом, свечение возникает только в точке пересечения лучей. Управляя отклонением лучей с помощью зеркал или акустооптических элементов, добиваются сканирования всего объема воспроизведения, а модулируя один из лучей засвечивают нужные вокселы.

Пример 6

Одна из тех конструкций, которые, вероятно, никогда не будут реализованы на практике. Объем воспроизведения заполнен пластиковыми шариками, к каждому из которых подведена нить оптоволокна. Освещая противоположные торцы нитей, собранные в упорядоченный оптоволоконный кабель, можно заставить светиться отдельные шарики-"вокселы". Для этого каждая нить сопряжена с отдельной ячейкой оптического модулятора. Сложность только в том, что шарики должны были бы рассеивать свет, поступающий через оптоволокно, но, в то же время, свободно пропускать свет от других шариков.

Пример 7

Если шарики- "вокселы" из предыдущего примера заменить на светодиоды, получится еще одна конструкция, которая имеет шансы на развитие в будущем. Достаточная прозрачность объема воспроизведения в этом случае легко достижима, поскольку сами излучающие кристаллы светодиодов имеют размер примерно 0.3х0.3мм2, а шаг между ними может быть выбран намного больше. Существующие прототипы имеют очень скромное количество вокселов (на фото куб 10х10х10 = 1000 вокселов), но единственным реальным препятствием к созданию серьезных V3D по этой технологии является цена светодиодов.

Полноцветный дисплей с миллионом вокселов (100х100х100) обойдется примерно в миллион долларов! Для сравнения, большие светодиодные экраны, которые можно видеть на улицах многих крупных городов, содержат примерно такое же количество светодиодов и стоят примерно столько же.

Итог третьей части:

ПЛЮСЫ:

• Истинно объемное изображение, обеспечивающее естественную связь между конвергенцией и аккомодацией, динамический параллакс и другие пространственные эффекты
• Большой угол обзора, вплоть до 360 градусов по горизонтали и 270 градусов по вертикали

МИНУСЫ:

• невозможность отображения непрозрачных объектов, нельзя отобразить реалистичную графику и видео.
• объем воспроизведения закрыт физически, невозможно совмещение с реальными объектами
• требуется очень большая скорость потока данных
• очень высокая стоимость, от многих десятков но нескольких сотен тысяч долларов

Заключение

Тема 3D дисплеев очень интересна, поскольку назрела необходимость их применения во многих сферах деятельности человека. Ежедневно в этой области появляется новая информация, поэтому прочитанный вами материал можно рассматривать только как историческую справку (да и то не полную), отражающую состояние "здесь и сейчас". Что мы увидим завтра своими глазами?