Un dispositivo de visualización volumétrico es un dispositivo de visualización 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 representación volumétrica produce en el observador una experiencia visual de un objeto material en un espacio tridimensional, aunque no exista tal objeto. El objeto percibido muestra características similares a un objeto material real, ya que permite al observador verlo desde cualquier dirección, enfocar la cámara sobre un detalle específico y ver la perspectiva, es decir, las partes de la imagen más cercanas al espectador parecen más grandes que las que están más lejos.
Las pantallas volumétricas 3D son un tipo de pantalla autoestereoscópica [1] , ya que proporcionan una vista diferente para cada ojo, creando así imágenes tridimensionales que pueden verse a simple vista. Sin embargo, tienen la ventaja sobre la mayoría de las pantallas autoestereoscópicas de pantalla plana de que pueden proporcionar una profundidad focal realista además de proporcionar paralaje de movimiento y vergencia , evitando así el conflicto de vergencia-acomodación .
Las pantallas volumétricas son uno de los muchos tipos de pantallas 3D. Otros tipos son los estereoscopios , las pantallas de visualización secuencial, [2] las pantallas electroholográficas, [3] las pantallas de "dos vistas", [4] [5] y los panoramagramas .
Aunque se postularon por primera vez en 1912 y son un elemento básico de la ciencia ficción , las pantallas volumétricas no se utilizan ampliamente en la vida cotidiana. Existen numerosos mercados potenciales para las 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, brindando la oportunidad de que un grupo de personas se reúnan alrededor de la pantalla e interactúen de manera natural sin tener que ponerse anteojos 3D u otro dispositivo para la cabeza.
Se han realizado muchos intentos diferentes para producir dispositivos de imágenes volumétricas. [6] No existe una " taxonomía " oficialmente aceptada de la variedad de pantallas volumétricas, una cuestión 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 un vidrio; asimismo, esta superficie, que no necesita ser tangible, puede experimentar movimiento como oscilación o rotación. Una categorización es la siguiente:
Las pantallas volumétricas 3D de superficie barrida (o "volumen barrido") dependen de la persistencia de la visión humana para fusionar una serie de cortes del objeto 3D en una única imagen 3D. [7] Se han creado diversas 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 con una sección transversal helicoidal, y luego se proyectan sobre o desde una superficie de visualización en movimiento. La imagen en la superficie 2D (creada mediante proyección sobre la superficie, LED integrados en la superficie u otras técnicas) cambia a medida que la superficie se mueve o rota. Debido a la persistencia de la visión, los humanos perciben un volumen continuo de luz. La superficie de visualización puede ser reflectante, transmisiva o una combinación de ambas.
Otro tipo de pantalla 3D que es un candidato a miembro 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 data de 1966, en la que un tambor con un espejo vibrante refleja una serie de patrones desde una fuente de imagen 2D de alta velocidad de cuadros, como una pantalla vectorial, a un conjunto correspondiente de superficies de profundidad.
Un ejemplo de una pantalla de volumen barrido disponible comercialmente es la Voxon VX1 de Voxon Photonics. Esta pantalla tiene un área de volumen de 18 cm × 18 cm × 8 cm (7,1 in × 7,1 in × 3,1 in) de profundidad y puede renderizar hasta 500 millones de vóxeles por segundo. El contenido para la VX1 se puede crear utilizando Unity o utilizando tipos de archivos 3D estándar como OBJ , STL y DICOM para imágenes médicas.
Las pantallas volumétricas 3D denominadas de "volumen estático" crean imágenes sin ninguna parte móvil macroscópica en el volumen de la imagen. [8] No está claro si el resto del sistema debe permanecer estacionario para que la pertenencia a esta clase de pantalla sea viable.
Esta es probablemente la forma más "directa" de visualización volumétrica. En el caso más simple, se crea un volumen direccionable de espacio 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 visualización.
Varias pantallas volumétricas tridimensionales de volumen estático utilizan luz láser para estimular la radiación visible en un sólido, líquido o gas. Por ejemplo, algunos investigadores han confiado en una conversión ascendente de dos pasos dentro de un material dopado con tierras raras cuando se ilumina con rayos láser infrarrojos entrecruzados de las frecuencias adecuadas. [9] [10]
Los avances recientes se han centrado en implementaciones no tangibles (espacio libre) de la categoría de volumen estático, que podrían eventualmente permitir la interacción directa con la pantalla. Por ejemplo, una pantalla de niebla que utilice múltiples proyectores puede reproducir una imagen 3D en un volumen de espacio, lo que da como resultado una pantalla volumétrica de volumen estático. [11] [12]
En 2006 se presentó una técnica que elimina por completo el medio de visualización, utilizando un láser infrarrojo pulsado enfocado (unos 100 pulsos por segundo; cada uno dura un nanosegundo ) para crear bolas de plasma brillante 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 cruje 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 3D en el cielo. [13] [14]
Modificaciones posteriores, como el uso de una mezcla de gases neón/argón/xenón/helio similar a un globo de plasma y un sistema de reciclado rápido de gas que emplea una campana y bombas de vacío, podrían permitir que esta tecnología logre imágenes de dos colores (R/W) y posiblemente 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". [15] El medio de la pantalla consiste en una clase de moléculas fotoactivables (conocidas como espirodaminas) 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 se dirigen 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.
Las propiedades únicas de las pantallas volumétricas, que pueden incluir visualización de 360 grados, acuerdo de vergencia y señales de acomodación , y su inherente "tridimensionalidad", permiten nuevas técnicas de interfaz de usuario . Hay trabajos recientes que investigan los beneficios de velocidad y precisión de las pantallas volumétricas, [16] nuevas interfaces gráficas de usuario, [17] y aplicaciones médicas mejoradas por las pantallas volumétricas. [18] [19]
Además, existen plataformas de software que entregan contenido 2D y 3D nativo y heredado a pantallas volumétricas. [20]
Desde 1994 se ha explorado una forma de arte denominada Hologlyphics, que combina elementos de holografía , música , síntesis de video , cine visionario, escultura e improvisación . Si bien este tipo de pantalla puede reproducir datos visuales en un volumen, no es una pantalla direccionable y solo es capaz de realizar figuras de Lissajous , como las que se generan al hacer rebotar un láser en un galvanómetro o en el cono de un altavoz.
Las tecnologías de visualización volumétrica conocidas también tienen varios inconvenientes que se manifiestan en función de las compensaciones elegidas por el diseñador del sistema.
A menudo se afirma que las pantallas volumétricas son incapaces de reconstruir escenas con efectos dependientes de la posición del espectador, como oclusión y opacidad. Esto es un concepto erróneo; una pantalla cuyos vóxeles tienen perfiles de radiación no isotrópicos son capaces de representar efectos dependientes de la posición. Hasta la fecha, las pantallas volumétricas capaces de oclusión requieren dos condiciones: (1) las imágenes se representan y proyectan como una serie de "vistas", en lugar de "cortes", y (2) la superficie de la imagen que varía con el tiempo no es un difusor uniforme. 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 [21] [22] creó imágenes 3D HPO con un campo de visión de 360 grados mediante proyección oblicua sobre un difusor vertical; otro [23] proyecta 24 vistas sobre una superficie giratoria de difusión controlada; y otro [24] 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, en el sentido de que la escena 3D aparece distorsionada si se la observa desde ubicaciones distintas de aquellas para las que se generó la escena.
Otra consideración es la gran cantidad de ancho de banda necesaria para alimentar imágenes a una pantalla volumétrica. Por ejemplo, una pantalla plana/2D estándar de 24 bits por píxel y resolución de 1024×768 requiere que se envíen aproximadamente 135 MB/s al hardware de la pantalla para mantener 60 fotogramas por segundo, mientras que una pantalla volumétrica de 24 bits por vóxel y 1024×768×1024 (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 vídeo 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 en el ínterin, o enviando solo los datos suficientes para afectar a las áreas de la pantalla que necesitan actualizarse, como es el caso de los formatos de vídeo de compresión con pérdida modernos, como MPEG . Además, una pantalla volumétrica en 3D requeriría de dos a tres órdenes de magnitud más de potencia de CPU y/o GPU que la necesaria para imágenes en 2D de calidad equivalente, debido al menos en parte a la gran cantidad de datos que deben crearse y enviarse al hardware de la pantalla. Sin embargo, si solo es visible la superficie exterior del volumen, la cantidad de vóxeles necesarios sería del mismo orden que la cantidad de píxeles en una pantalla convencional. Esto solo sería así si los vóxeles no tienen valores "alfa" o de transparencia.
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