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Visualización volumétrica

Una pantalla volumétrica Voxon VX1 que muestra datos médicos DICOM. Un dispositivo de visualización volumétrica es un dispositivo de visualización que forma una representación v...

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Una pantalla volumétrica Voxon VX1 que muestra datos médicos DICOM.

Un dispositivo de visualización volumétrica 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 profundidad mediante diversos efectos visuales. Una definición ofrecida por los pioneros en el campo, Barry Blundell y Adam Schwarz, es que las pantallas volumétricas crean imágenes 3D mediante la emisión, dispersión o retransmisión de iluminación desde regiones bien definidas en el espacio (x,y,z). [ 1 ] [ 2 ]

Una pantalla volumétrica real produce en el observador la experiencia visual de un objeto material en el espacio tridimensional, aunque dicho objeto no esté presente físicamente. El objeto percibido muestra características similares a las de un objeto material real, permitiendo al observador verlo desde cualquier dirección, enfocar una cámara en un detalle específico y percibir la perspectiva; es decir, las partes de la imagen más cercanas al espectador parecen más grandes que las más lejanas.

Las pantallas 3D volumétricas son un tipo de pantalla autoestereoscópica , [ 3 ] ya que proporcionan una vista diferente a cada ojo, creando así imágenes tridimensionales que pueden ser vistas sin ayuda. Sin embargo, tienen la ventaja sobre la mayoría de las pantallas autoestereoscópicas planas 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 varios tipos de pantallas 3D. Otros tipos son los estereoscopios , las pantallas de secuencia de vistas, [ 4 ] las pantallas electroholográficas, [ 5 ] las pantallas de "dos vistas", [ 6 ] [ 7 ] y los panoramagramas .

Aunque se postularon por primera vez en 1912 [ 8 ] 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 aplicaciones 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 de que un grupo de personas se reúna alrededor de la pantalla e interactúe de forma natural sin necesidad de usar gafas 3D u otros dispositivos para la cabeza.

Tipos

Se han realizado numerosos intentos para producir dispositivos de imágenes volumétricas. [ 9 ] No existe una « taxonomía » oficialmente aceptada de la variedad de pantallas volumétricas, un problema que se complica por las múltiples 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 vidrio; asimismo, esta superficie, que no tiene por qué ser tangible, puede experimentar movimiento, como oscilación o rotación. Una posible categorización es la siguiente:

Visualización de volumen variable

Las pantallas 3D volumétricas de superficie barrida (o "volumen barrido") se basan en la persistencia de la visión humana para fusionar una serie de cortes del objeto 3D en una sola imagen 3D. [ 10 ] Se han creado diversas pantallas de volumen barrido.

Por ejemplo, la escena 3D se descompone computacionalmente en una serie de "segmentos", que pueden ser rectangulares, en forma de disco o con sección transversal helicoidal, y que 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 ella u otras técnicas) cambia a medida que la superficie se mueve o gira. 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 podría pertenecer a la clase de pantallas 3D de barrido volumétrico es la arquitectura de espejo varifocal. Una de las primeras referencias a este tipo de sistema data de 1966, en la que un tambor reflectante vibrante refleja una serie de patrones de 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 pantalla de barrido volumétrico disponible comercialmente es la Voxon VX1 de Voxon Photonics. Esta pantalla tiene un área volumétrica de 18 cm × 18 cm × 8 cm (7,1 pulg. × 7,1 pulg. × 3,1 pulg.) de profundidad y puede renderizar hasta 500 millones de vóxeles por segundo. El contenido para la VX1 se puede crear con Unity o utilizando formatos de archivo 3D estándar como OBJ , STL y DICOM para imágenes médicas.          

Volumen estático

Las llamadas pantallas 3D volumétricas de "volumen estático" crean imágenes sin partes móviles macroscópicas en el volumen de la imagen. [ 11 ] No está claro si el resto del sistema debe permanecer estacionario para que la pertenencia a esta clase de pantallas sea viable.

Esta es probablemente la forma más directa de visualización volumétrica. En su forma más simple, se crea un volumen de espacio direccionable a partir de elementos activos que son transparentes cuando están apagados , pero opacos o luminosos cuando están encendidos . 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 han recurrido a la conversión ascendente en dos etapas dentro de un material dopado con tierras raras cuando se ilumina con haces láser infrarrojos que se cruzan y tienen las frecuencias adecuadas. [ 12 ] [ 13 ]

Los avances recientes se han centrado en implementaciones no tangibles (en 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 múltiples proyectores puede renderizar una imagen 3D en un volumen de espacio, lo que da como resultado una pantalla volumétrica de volumen estático. [ 14 ] [ 15 ]

Una técnica presentada en 2006 elimina por completo el medio de visualización, utilizando un láser infrarrojo pulsado y enfocado (aproximadamente 100 pulsos por segundo; cada uno con una duración de un nanosegundo ) para crear esferas de plasma brillante en el punto focal en el aire. El punto focal es dirigido por dos espejos móviles y una lente deslizante , lo que permite dibujar formas en el aire. Cada pulso produce un sonido de chasquido, por lo que el dispositivo crepita 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. [ 16 ] [ 17 ]

Modificaciones posteriores, como el uso de una mezcla de gases neón/argón/xenón/helio similar a una esfera de plasma y un sistema de reciclaje rápido de gases que emplea una campana y bombas de vacío, podrían permitir que esta tecnología logre imágenes de dos colores (rojo/blanco) y posiblemente RGB, cambiando el ancho 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". [ 18 ] 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 reduce las preocupaciones de seguridad y mejora drásticamente la accesibilidad de las pantallas tridimensionales. Se dirigen patrones de luz ultravioleta y verde a la solución de tinte, lo 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 buena estabilidad durante cientos de ciclos de encendido y apagado.

Interfaces hombre-máquina

Las propiedades únicas de las pantallas volumétricas, que pueden incluir la visualización de 360 ​​grados, la concordancia de las señales de vergencia y acomodación , y su inherente "tridimensionalidad", permiten nuevas técnicas de interfaz de usuario . Existen trabajos recientes que investigan las ventajas en velocidad y precisión de las pantallas volumétricas, [ 19 ] nuevas interfaces gráficas de usuario [ 20 ] y aplicaciones médicas mejoradas por pantallas volumétricas. [ 21 ] [ 22 ]

Además, existen plataformas de software que ofrecen contenido 2D y 3D nativo y heredado a pantallas volumétricas. [ 23 ]

Desafíos técnicos

Las tecnologías de visualización volumétrica conocidas también presentan 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 la oclusión y la opacidad. Esto es una idea errónea; una pantalla cuyos vóxeles tienen perfiles de radiación no isotrópicos sí puede representar efectos dependientes de la posición. Hasta la fecha, las pantallas volumétricas capaces de oclusión requieren dos condiciones: (1) la imagen se renderiza y proyecta como una serie de "vistas", en lugar de "cortes", y (2) la superficie de la imagen variable en el tiempo no es un difusor uniforme. Por ejemplo, los investigadores han demostrado pantallas volumétricas de pantalla giratoria con pantallas reflectantes y/o verticalmente difusas cuyas imágenes exhiben oclusión y opacidad. Un sistema [ 24 ] [ 25 ] creó imágenes HPO 3D con un campo de visión de 360 ​​grados mediante proyección oblicua sobre un difusor vertical; otro [ 26 ] proyecta 24 vistas sobre una superficie giratoria de difusión controlada; y otro [ 27 ] 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 logrado a expensas del paralaje vertical, ya que la escena 3D aparece distorsionada si se observa desde ubicaciones distintas a aquellas para las que se generó la escena.

Otra consideración importante es la enorme 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 aproximadamente 135 MB/s para enviarse al hardware de visualización y mantener 60 fotogramas por segundo, mientras que una pantalla volumétrica de 24 bits por vóxel y resolución de 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 visualización para mantener 60 volúmenes por segundo. Al igual que con el vídeo 2D convencional, se podría reducir el ancho de banda necesario simplemente enviando menos volúmenes por segundo y permitiendo que el hardware de visualización repita los fotogramas entretanto, o enviando solo los datos suficientes para afectar las áreas de la pantalla que necesitan actualizarse, como ocurre en los formatos de vídeo modernos con compresión con pérdidas, como MPEG . Además, una pantalla volumétrica 3D requeriría entre dos y 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 enorme cantidad de datos que deben crearse y enviarse al hardware de visualización. Sin embargo, si solo 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. Esto solo ocurriría si los vóxeles no tuvieran valores de transparencia o "alfa".

Véase también

Referencias

Notas a pie de página

  1. ↑ Favalora, GE (1 de agosto de 2005). "Pantallas 3D volumétricas e infraestructura de aplicaciones" . Computer . 38 (8): 37– 44. doi : 10.1109/MC.2005.276 . ISSN 0018-9162 . 
  2. ↑ Blundell, Barry; Schwarz, Adam J. (2000). Sistemas de visualización tridimensional volumétricos . Nueva York: Wiley. ISBN 978-0-471-23928-4.
  3. ↑ Holliman, NS, Dodgson, NA, Favalora, GE, & Pockett, L. (2011). Pantallas tridimensionales: una revisión y análisis de aplicaciones. IEEE transactions on Broadcasting 57 (2), 362-371.
  4. ↑ Cossairt, Oliver; Moller, Christian; Benton, Steve; Travis, Adrian (enero de 2004). "Visualización secuencial Cambridge-MIT" . Universidad Northwestern . Archivado del original el 2 de agosto de 2022.
  5. ↑ Lucente, Mark (noviembre de 1994). "Holografía electrónica: lo más novedoso" . Instituto Tecnológico de Massachusetts . Archivado del original el 19 de septiembre de 2006. Consultado el 1 de agosto de 2022 .
  6. ↑ Habib, Maged S; Lowell, James A; Holliman, Nick S; Hunter, Andrew; Vaideanu, Daniella; Hildreth, Anthony; Steel, David HW (diciembre de 2008). "Evaluación de imágenes estereoscópicas del disco óptico mediante una pantalla autoestereoscópica: estudio experimental" . BMC Ophthalmology . 8 (1): 13. doi : 10.1186/1471-2415-8-13 . PMC 2496897. PMID 18651983 .  
  7. ↑ Pickering, Mark R. (2014). "Codificación de vídeo estereoscópico y multivista". Academic Press Library in signal Processing - Image and Video Compression and Multimedia . Vol. 5. pp. 119–153 . doi : 10.1016/B978-0-12-420149-1.00004-1 . ISBN   978-0-12-420149-1.
  8. ↑ Blundell, BG; Schwarz, AJ (2002-01-01). "La clasificación de los sistemas de visualización volumétrica: características y predictibilidad del espacio de la imagen" . IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics . 8 (1): 66– 75. doi : 10.1109/2945.981852 . ISSN 1941-0506 . 
  9. ↑ Oficina de Patentes de EE. UU.
  10. ↑ Gately, Matthew, et al. " Una pantalla de volumen barrido tridimensional basada en matrices de LED ". Journal of Display Technology 7.9 (2011): 503-514.
  11. ↑ Blundell, Barry G., y Adam J. Schwarz. " Clasificación de sistemas de visualización volumétrica: características y predictibilidad del espacio de la imagen ". IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 8.1 (2002): 66-75.
  12. ↑ Joseph A. Matteo (16 de marzo de 2001). "Visualización volumétrica" . Apuntes de clase para el curso de Sistemas de Visión Aplicada e Imágenes en la Universidad de Stanford . Archivado del original el 9 de septiembre de 2005.
  13. ↑ Downing, Elizabeth; Hesselink, Lambertus; Ralston, John; Macfarlane, Roger (1996). "Una pantalla tridimensional de estado sólido de tres colores". Science . 273 (5279): 1185– 1189. Bibcode : 1996Sci...273.1185D . doi : 10.1126/science.273.5279.1185 . S2CID 136426473 . 
  14. ↑ Pantalla de proyección de niebla con múltiples puntos de vista en 3D
  15. ↑ Tim Stevens (17 de marzo de 2011). "Una proyección de niebla en 3D da vida a conejitos morados, justo a tiempo para poner huevos de chocolate (video)" . Engadget .
  16. ↑ David Hambling (27 de febrero de 2006). "Formas de plasma 3D creadas en el aire" . New Scientist .
  17. ↑ "Dispositivo japonés utiliza plasma láser para mostrar imágenes 3D en el aire" . Physorg.com . 27 de febrero de 2006.
  18. ↑ Patel, SK; Cao, J.; Lippert, AR "Una pantalla volumétrica 3D fotoactivable con tinte" . Nature Commun. 2017, en prensa.
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  20. ↑ Grossman, T., Wigdor, D., y Balakrishnan, R. (2004). «Interacción gestual multifinger con pantallas volumétricas 3D», Actas de UIST , Simposio ACM sobre software y tecnología de interfaz de usuario, (págs. 61-70). PDF en el sitio web del autor .
  21. ↑ "Explorando un sistema de imágenes 3D de vanguardia para la planificación del tratamiento del cáncer, Centro Médico de la Universidad Rush", Medical News Today, (29 de abril de 2005).
  22. ↑ Wang, AS; Girish Narayan; Kao, D.; Liang, D. (2005). "Una evaluación del uso de la visualización volumétrica en tiempo real de datos de ultrasonido 3D para tareas de manipulación de catéteres intracardíacos". Cuarto Taller Internacional sobre Gráficos Volúmicos, 2005. págs. 41–45 . doi : 10.1109/VG.2005.194095 . ISBN  3-905673-26-6.
  23. ↑ Chun, W.-S., Napoli, J., Cossairt, OS, Dorval, RK, Hall, DM, Purtell II, TJ, Schooler, JF, Banker, Y., y Favalora, GE (2005). Infraestructura espacial 3-D: marco de software independiente de la pantalla, electrónica de renderizado de alta velocidad y varias pantallas nuevas . En Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII , ed. Andrew J. Woods, Mark T. Bolas, John O. Merritt e Ian E. McDowall, Proc. SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 5664, (pp. 302–312). San José, California: SPIE-IS&T.
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Lecturas adicionales

  • Blundell, BG, (2011). "Acerca de las pantallas volumétricas 3D", Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473193768( http://www.barrygblundell.com , archivo PDF).
  • Blundell, BG, (2011). "Pantallas 3D e interacción espacial: Explorando la ciencia, el arte, la evolución y el uso de las tecnologías 3D, Volumen I: De la percepción a las tecnologías", Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473177003( http://www.barrygblundell.com , archivo PDF).
  • Blundell, BG y Schwarz, AJ (2007). «Visualización mejorada: Creando espacio para imágenes 3D», John Wiley & Sons. ISBN 0-471-78629-2.
  • Blundell, BG y Schwarz, AJ (2006). Pantallas 3D creativas e interfaces de interacción: un enfoque transdisciplinario , John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3( http://www.barrygblundell.com , archivo PDF).
  • Blundell, BG y Schwarz, AJ (2000). Sistemas de visualización tridimensional volumétricos , John Wiley & Sons. ISBN 0-471-23928-3( http://www.barrygblundell.com , archivo PDF).
  • Favalora, GE (agosto de 2005). «Pantallas 3D volumétricas e infraestructura de aplicaciones», Computer, 38 (8), 37–44. Estudio técnico ilustrado de pantallas 3D volumétricas contemporáneas e históricas. Cita de IEEE a través de ACM.
  • Funk, W. (2008). "Hologlíficos: Sistema de rendimiento para la síntesis de imágenes volumétricas", Proc. SPIE , vol. 6803, SPIE — Int'l Soc. for Optical Eng., Stereoscopic Displays and Applications XIX. PDF en el sitio web del autor.
  • Halle, M. (1997). «Pantallas autoestereoscópicas y gráficos por computadora», Computer Graphics , ACM SIGGRAPH, vol. 31, n.° 2, (pp.  58–62). Una visión general reflexiva y concisa del campo de las tecnologías de visualización 3D, en particular las pantallas no volumétricas. HTML y PDF. Archivado el 30 de abril de 2006 en Wayback Machine.
  • Hartwig, R. (1976). Vorrichtung zur Dreidimensionalen Abbildung in Einem Zylindersymmetrischen Abbildungstraum , patente alemana DE2622802C2, presentada en 1976, expedida en 1983. Una de las primeras referencias de patente para la visualización tridimensional de hélice giratoria.
  • Honda, T. (2000). Tecnología de visualización tridimensional que satisface la "condición de supermultivisión". En B. Javidi y F. Okano (Eds.), Actas de Vídeo y visualización tridimensional: Dispositivos y sistemas , vol. CR76, SPIE Press, (pp.  218–249). ISBN 0-8194-3882-0
  • Langhans, K., Bezecny, D., Homann, D., Bahr, D., Vogt, C., Blohm, C. y Scharschmidt, K.-H. (1998). « Nueva pantalla 3D portátil FELIX », Proc. SPIE , vol. 3296, SPIE — Int'l Soc. for Optical Eng., (págs.  204-216). Incluye una revisión exhaustiva de la literatura sobre pantallas volumétricas.
  • Lewis, JD, Verber, CM y McGhee, RB (1971). Una verdadera pantalla tridimensional , IEEE Trans. Electron Devices, 18, 724–732. Una investigación temprana sobre las llamadas pantallas 3D de estado sólido.
  • Roth, E. (2006). Visualización volumétrica basada en tecnología de inyección de tinta, PDF (Archivado el 14-03-2012:)
  • Cubo LED 3D : La primera pantalla LED volumétrica disponible comercialmente (Cubo LED 3D), pionera en la comercialización de la tecnología de visualización volumétrica, diseñada para experiencias audiovisuales interactivas en exposiciones comerciales, museos, plazas públicas, vestíbulos de hoteles y salas de exposición corporativas.
  • Dragon O : una pantalla LED volumétrica interactiva disponible comercialmente, compuesta por módulos enchufables de 50 cm x 50 cm x 3 m. Ideal para experiencias e instalaciones audiovisuales interactivas.
  • Foro de cine volumétrico y digital 3D
  • VisualCube : una pequeña pantalla volumétrica compuesta por 6x6x6 vóxeles , cada uno representado por un LED de 2 colores.
  • Voxon Photonics : una pantalla volumétrica basada en barrido de volumen disponible comercialmente, diseñada para aplicaciones de juegos y entretenimiento.
  • Pantallas volumétricas archivadas el 25 de febrero de 2005 en Wayback Machine : resumen de la historia, los problemas prácticos y el estado del arte hasta marzo de 1996.
  • El regreso de la bola de cristal 3D (Archivado el 14/01/2007 en Wayback Machine) : un artículo completo sobre la tecnología volumétrica de Actuality Systems que incluye una entrevista, imágenes y un vídeo.
  • Pantalla Felix3D : algunos ejemplos de pantallas volumétricas
  • Visualización interactiva de campo de luz de 360° archivada el 27/10/2009 en Wayback Machine — por el Instituto de Tecnologías Creativas de la USC
  • Pantalla 3D QinetiQ Autostereo archivada el 14/01/2009 en Wayback Machine — Comunicado de prensa de 2004, posiblemente descontinuado ya que no se encontraron más referencias.
  • Conferencia mundial anual de SPIE/IS&T sobre pantallas estereoscópicas y aplicaciones de realidad virtual
  • Esna Ashari, Zhila; Kavehvash, Zahra; Mehrany, Khashayar (julio de 2014). "Influencia de la difracción en el campo de visión y la resolución de la imagen integral tridimensional". Journal of Display Technology . 10 (7): 553– 559. arXiv : 1711.01033 . Bibcode : 2014JDisT..10..553A . doi : 10.1109/JDT.2014.2307959 .