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 este campo es que las pantallas volumétricas crean imágenes en 3D mediante la emisión, dispersión o transmisión de iluminación desde regiones bien definidas en el espacio (x,y,z).
Una verdadera exhibición volumétrica produce en el observador una experiencia visual de un objeto material en un espacio tridimensional, aunque tal objeto no esté presente. El objeto percibido muestra características similares a un objeto material real al permitir al observador verlo desde cualquier dirección, enfocar una cámara en un detalle específico y ver en perspectiva, lo que significa que las partes de la imagen más cercanas al espectador parecen más grandes que los que están más lejos.
Las pantallas 3D volumétricas no son técnicamente autoestereoscópicas , aunque crean imágenes tridimensionales visibles a simple vista. Esto se debe a que las pantallas no generan imágenes estereoscópicas; Naturalmente, proporcionan frentes de onda holográficos focalmente precisos a los ojos. Debido a esto, tienen características precisas de los objetos materiales, como la profundidad focal , el paralaje del movimiento y la vergencia .
Las pantallas volumétricas son uno de varios tipos de pantallas 3D. Otros tipos son los estereoscopios , las pantallas de vista secuencial, [1] las pantallas electroholográficas, [2] las pantallas de "dos vistas", [3] [4] y los panoramagramas .
Aunque se postularon por primera vez en 1912 y son un elemento básico de la ciencia ficción , las pantallas volumétricas todavía no se utilizan ampliamente en la vida cotidiana. Existen numerosos mercados potenciales para 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 intrínsecamente diferente, brindando la oportunidad para que un grupo de personas se reúnan alrededor de la pantalla e interactúen de manera natural sin tener que ponerse gafas 3D u otras herramientas de cabeza. engranaje.
Se han realizado muchos intentos diferentes para producir dispositivos de obtención de imágenes volumétricas. [5] No existe una " taxonomía " oficialmente aceptada de la variedad de visualizaciones volumétricas, cuestión que se complica por las numerosas 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 cristal; Asimismo, esta superficie, que no tiene por qué ser tangible, puede sufrir movimientos como oscilación o rotación. Una categorización es la siguiente:
Las pantallas 3D volumétricas de superficie barrida (o "volumen barrido") se basan en la persistencia humana de la visión para fusionar una serie de cortes del objeto 3D en una única imagen 3D. [6] Se han creado una variedad de visualizaciones de volumen barrido.
Por ejemplo, la escena 3D se descompone computacionalmente en una serie de "rebanadas", que pueden tener una sección transversal rectangular, en forma de disco o helicoidal, después de lo cual se proyectan sobre o desde una superficie de visualización en movimiento. La imagen en la superficie 2D (creada mediante proyección sobre la superficie, LED incrustados en la superficie u otras técnicas) cambia a medida que la superficie se mueve o gira. Debido a la persistencia de la visión, los humanos percibimos 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 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 es de 1966, en el que un parche de tambor vibrante refleja una serie de patrones desde una fuente de imagen 2D de alta velocidad de fotogramas, como una pantalla vectorial, a un conjunto correspondiente de superficies de profundidad.
Un ejemplo de una pantalla de volumen barrido disponible comercialmente es el Voxon Photonics VX1. Esta pantalla tiene un área de volumen de 18 cm × 18 cm × 8 cm de profundidad y puede representar hasta 500 millones de vóxeles por segundo. El contenido para el VX1 se puede crear usando Unity o usando tipos de archivos 3D estándar como OBJ, STL y DICOM para imágenes médicas.
Las denominadas pantallas 3D volumétricas de "volumen estático" crean imágenes sin partes móviles macroscópicas en el volumen de la imagen. [7] No está claro si el resto del sistema debe permanecer estacionario para que la membresía en esta clase de visualización sea viable.
Ésta es probablemente la forma más "directa" de visualización volumétrica. En el caso más simple, se crea un volumen de espacio direccionable a partir de elementos activos que son transparentes en el estado apagado pero que son opacos o luminosos en el estado encendido . Cuando los elementos (llamados vóxeles ) se activan, muestran un patrón sólido dentro del espacio de la pantalla.
Varias pantallas 3D volumétricas de volumen estático utilizan luz láser para estimular la radiación visible en un sólido, líquido o gas. Por ejemplo, algunos investigadores se han basado en la conversión ascendente en dos pasos dentro de un material dopado con tierras raras cuando se ilumina mediante la intersección de rayos láser infrarrojos de las frecuencias apropiadas. [8] [9]
Los avances recientes se han centrado en implementaciones no tangibles (espacio libre) de la categoría de volumen estático, que eventualmente podrían permitir la interacción directa con la pantalla. Por ejemplo, una pantalla de niebla que utiliza varios proyectores puede representar una imagen 3D en un volumen de espacio, lo que da como resultado una pantalla volumétrica de volumen estático. [10] [11]
Una técnica presentada en 2006 elimina por completo el medio de visualización, utilizando un láser infrarrojo pulsado enfocado (alrededor de 100 pulsos por segundo; cada uno de un nanosegundo de duración ) 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, permitiendo generar imágenes 3D en el cielo. [12] [13]
Modificaciones posteriores, como el uso de una mezcla de gas neón/argón/xenón/helio similar a un globo de plasma y un sistema rápido de reciclaje de gas que emplea una campana y bombas de vacío, podrían permitir que esta tecnología lograra dos colores (R/W) y posiblemente Imágenes RGB cambiando el ancho del pulso y la intensidad de cada pulso para sintonizar los espectros de emisión del cuerpo de plasma luminoso.
En 2017, se publicó una nueva pantalla conocida como "3D Light PAD". [14] El medio de la pantalla consiste en una clase de moléculas fotoactivables (conocidas como espirodaminas) y tecnología de procesamiento digital de luz (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 apuntan a la solución de tinte, que inicia la fotoactivación y crea así 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 buena estabilidad durante cientos de ciclos de encendido y apagado.
Las propiedades únicas de las pantallas volumétricas, que pueden incluir visualización de 360 grados, concordancia de señales de vergencia y acomodación , y su "tridimensionalidad" inherente, permiten nuevas técnicas de interfaz de usuario . Hay trabajos recientes que investigan los beneficios de velocidad y precisión de las pantallas volumétricas, [15] nuevas interfaces gráficas de usuario, [16] y aplicaciones médicas mejoradas por pantallas volumétricas. [17] [18]
Además, existen plataformas de software que ofrecen contenido 2D y 3D nativo y heredado a pantallas volumétricas. [19]
Desde 1994 se explora una forma de arte llamada hologlíficos, que combina elementos de holografía , música , síntesis de vídeo , películas visionarias, escultura e improvisación . Si bien este tipo de pantalla puede representar datos visuales en un volumen, no es una pantalla direccionable y solo es capaz de mostrar figuras lisas , como las generadas al hacer rebotar un láser en un galvo o cono de altavoz.
Las tecnologías de visualización volumétrica conocidas también tienen varios inconvenientes que se presentan dependiendo de las compensaciones elegidas por el diseñador del sistema.
A menudo se afirma que las visualizaciones volumétricas son incapaces de reconstruir escenas con efectos que dependen de la posición del espectador, como la oclusión y la opacidad. Ésta es una idea errónea; 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 con capacidad 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 en el tiempo no es uniforme. difusor. Por ejemplo, los investigadores han demostrado pantallas volumétricas giratorias con pantallas reflectantes y/o verticalmente difusas cuyas imágenes exhiben oclusión y opacidad. Un sistema [20] [21] creó imágenes HPO 3D con un campo de visión de 360 grados mediante proyección oblicua sobre un difusor vertical; otro [22] proyecta 24 vistas sobre una superficie giratoria de difusión controlada; y otro [23] 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 ve desde ubicaciones distintas a aquellas para las que se generó la escena.
Otra consideración es la gran cantidad de ancho de banda necesaria para enviar 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 sostener 60 fotogramas por segundo, mientras que una pantalla plana/2D de 24 bits por vóxel , 1024 × 768 × Una pantalla volumétrica de 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 sostener 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 fotogramas mientras tanto, o enviando solo los datos suficientes para afectar aquellas áreas de la pantalla que necesitan actualizarse, como Este es el caso de los formatos de vídeo modernos con compresión con pérdida, como MPEG . Además, una pantalla volumétrica 3D requeriría de dos a tres órdenes de magnitud más de potencia de CPU y/o GPU que la necesaria para imágenes 2D de calidad equivalente, debido al menos en parte a la gran cantidad de datos que deben crearse y enviarse a la pantalla. Hardware de visualización. Sin embargo, si sólo es visible la superficie exterior del volumen, el número de vóxeles necesarios sería del mismo orden que el número de píxeles en una pantalla convencional. Este sólo sería el caso si los vóxeles no tienen valores "alfa" o de transparencia.