نمایشگرهای حجمی

نمایشگرهای حجمی

نمایشگرهای حجمی نمایشی بصری از اجسام را در سه بعد ایجاد می کنند، با زاویه دید کروی تقریباً 360 درجه که در آن تصویر با حرکت بیننده تغییر می کند. نمایشگرهای حجمی واقعی به دو دسته تقسیم می شوند: نمایشگرهای حجم جاروب شده و نمایشگرهای حجم استاتیک. نمایشگرهای حجم جاروب شده از ماندگاری بینایی انسان برای ایجاد مجدد تصاویر حجمی از "برش های" دو بعدی سریع استفاده می کنند. نمایشگرهای حجم استاتیک از هیچ قسمت متحرک عمده ای برای نمایش تصاویر استفاده نمی کنند ، بلکه بر حجم سه بعدی عناصر فعال (عناصر تصویر حجمی یا وُکسل ها) که رنگ (یا شفافیت) را تغییر می دهند برای نمایش یک گزینه جامد تکیه می کنند.

در توضیح تفصیلی تر باید بگوییم یک دستگاه نمایش حجمی یک دستگاه نمایش گرافیکی است که یک تصویر بصری از یک شیء را در سه بعد فیزیکی تشکیل می دهد، در مقابل تصویر مسطح صفحه های سنتی که عمق را از طریق تعدادی جلوه های بصری مختلف شبیه سازی می کنند. یکی از تعاریفی که توسط پیشگامان در این زمینه ارائه شده است این است که نمایشگرهای حجمی از طریق انتشار، پراکندگی یا پخش مجدد نور از مناطق مشخص در فضا (x، y،z) تصاویر سه بعدی ایجاد می کنند.

یک نمایش حجمی واقعی یک نمایش دیجیتالی از یک شیء واقعی در یک فضای فیزیکی (حجم) ارائه می دهد، و "تصویر" حاصله ویژگی هایی مشابه را با یک شیء واقعی را نشان می دهد و به ناظر اجازه می دهد تا آن را از هر جهت مشاهده کند، و دوربین را بر روی یک جزئیات خاص متمرکز کند و پرسپکتیو را ببینید، به این معنی که قسمت هایی از تصویر که نزدیک به بیننده است بزرگتر از قسمت های دورتر به نظر برسد.

نمایشگرهای سه بعدی حجمی خود استروسکوپی یا اتوستروسکوپی (autostereoscopic) هستند زیرا تصاویر سه بعدی قابل مشاهده با چشم غیر مسلح ایجاد می کنند. اتوستروسکوپی هر روشی برای نمایش تصاویر استریوسکوپی (افزودن درک دو چشمی از عمق سه بعدی) بدون استفاده از روکش یا عینک مخصوص از طرف بیننده است. از آن جا که سرپوش مورد نیاز نیست ، به آن "سه بعدی بدون عینک" نیز می گویند. دو رویکرد وسیع در حال حاضر برای تطبیق اختلاف منظر حرکت و زاویه دید وسیع تر مورد استفاده قرار می گیرد: ردیابی چشم و نمای چندگانه، به طوری که صفحه نمایش نیازی به حس مکان چشم بیننده ندارد. نمونه هایی از فناوری نمایشگرهای اتوستروسکوپی شامل عدسی کوژ، مانع اختلاف منظر، نمایش حجمی، نمایشگرهای هولوگرافی و میدان نوری است.

نمایشگرهای حجمی سه بعدی به طور کلی تنها یک خانواده از نمایشگرهای سه بعدی را در خود جای داده اند. انواع دیگر نمایشگرهای سه بعدی عبارتند از: کلیشه ها / استریوسکوپ ها، نمایش های پی در پی، نمایشگرهای الکترو هولوگرافی، نمایش های دو منظره اختلاف منظر و پانوراماگرام های اختلاف منظر (که معمولاً سیستم های چندگانه چند مکانی مانند صفحه نمایش عدسی و مانع اختلاف منظر هستند)، سیستم های  تصویربرداری مجدد و سایر موارد.

اگرچه برای اولین بار در سال 1912 مطرح شد و جزء اصلی داستان های علمی تخیلی بود، اما نمایش های حجمی هنوز به طور گسترده در زندگی روزمره استفاده نمی شود. بازارهای بالقوه متعددی برای نمایش های حجمی با موارد استفاده از جمله تصویربرداری پزشکی، معدن، آموزش، تبلیغات، شبیه سازی، بازی های ویدئویی، ارتباطات و تجسم ژئوفیزیکی وجود دارد. در مقایسه با سایر ابزارهای تجسم سه بعدی مانند واقعیت مجازی، نمایشگرهای حجمی یک نوع تعامل ذاتاً متفاوت را ارائه می دهند، با این توانایی که گروهی از مردم در اطراف نمایشگر جمع شده و به شیوه ای طبیعی و اجتماعی، بدون نیاز به پوشیدن عینک سه بعدی یا سایر وسایل سر، با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند.. اشیاء سه بعدی که در یک نمایشگر حجمی نمایش داده می شوند، می توانند ویژگی هایی مشابه اجسام دنیای واقعی داشته باشند، از جمله عمق کانونی، اختلاف منظر حرکتی و حرکت همزمان دو چشم در جهت مخالف.

انواع

تلاشهای مختلفی برای تولید دستگاههای تصویربرداری حجمی انجام شده است. هیچ گونه "طبقه بندی" ای از انواع نمایشگرهای حجمی به طور رسمی پذیرفته نشده است، موضوعی که با جابجایی های زیاد ویژگی های آنها پیچیده می شود. به عنوان مثال، روشنایی درون یک نمایشگر حجمی می تواند مستقیماً از چشمه یا از طریق سطح میانی مانند آینه یا شیشه به چشم برسد. به همین ترتیب، این سطح، که نیازی به ملموس شدن ندارد، می تواند تحت حرکتی مانند نوسان یا چرخش قرار گیرد. یک دسته بندی به شرح زیر است:

صفحه نمایش حجم جاروب شده

نمایشگرهای سه بعدی حجمی سطح (یا "جاروب شده") بر ماندگاری بینایی انسان تکیه می کنند تا مجموعه ای از برش های شیء سه بعدی را در یک تصویر سه بعدی ترکیب کنند. انواع نمایشگرهای حجم جاروب شده ایجاد شده است.

به عنوان مثال، صحنه سه بعدی از نظر محاسباتی به مجموعه ای از "برش ها" تجزیه می شود که می تواند مستطیل، دیسک شکل یا مقطع مارپیچ باشد، که بر روی آن یا از سطح نمایشگر تحت حرکت قرار می گیرد. تصویر روی سطح دو بعدی (که با طرح ریزی روی سطح، LED های تعبیه شده در سطح یا سایر تکنیک ها ایجاد می شود) با حرکت یا چرخش سطح تغییر می کند. به دلیل تداوم بینایی، انسان حجم مداوم نور را درک می کند. سطح صفحه نمایش می تواند منعکس کننده، انتقال دهنده یا ترکیبی از هر دو باشد.

نوع دیگری از نمایشگر سه بعدی که از اعضای صفحه نمایش های سه بعدی با حجم جارو شده می باشد، معماری آینه متغیر است. یکی از اولین ارجاعات به این نوع سیستم مربوط به سال 1966 است که در آن سر طبل آینه ای ارتعاشی مجموعه ای از الگوها را از منبع تصویر دو بعدی با فریم بالا، مانند نمایش بردار، به مجموعه ای از سطوح عمقی منعکس می کند.

حجم استاتیک

به اصطلاح نمایشگرهای سه بعدی حجمی "حجم استاتیک" تصاویر را بدون هیچ گونه قسمت متحرک ماکروسکوپی در حجم تصویر ایجاد می کنند. 

این احتمالاً "مستقیم" ترین شکل نمایش حجمی است. در ساده ترین حالت، یک حجم آدرس پذیر از عناصر فعال ایجاد می شود که در حالت خاموش شفاف هستند اما در حالت روشن، یا مات یا روشن هستند. هنگامی که عناصر (به نام voxels ) فعال می شوند، یک الگوی جامد را در فضای صفحه نمایش نشان می دهند.

چندین نمایشگر حجمی استاتیک با حجم ثابت، از نور لیزر برای تحریک تشعشع قابل مشاهده در یک جامد، مایع یا گاز استفاده می کنند. به عنوان مثال ، برخی از محققان هنگام تبدیل نورهای متقاطع پرتوهای لیزری مادون قرمز با فرکانس های مناسب، بر تبدیل دو مرحله ای در یک ماده تقویت شده شده با عناصر خاکی کمیاب تکیه کرده اند.

پیشرفت های اخیر بر پیاده سازی های غیر ملموس (فضای آزاد) از دسته حجم ایستا متمرکز شده است، که ممکن است در نهایت امکان تعامل مستقیم با صفحه نمایش را فراهم کند. به عنوان مثال ، یک نمایشگر مه با استفاده از چندین پروژکتور می تواند یک تصویر سه بعدی را در یک حجم از فضا ارائه دهد و در نتیجه یک صفحه حجمی با حجم استاتیک ایجاد کند. 

تکنیکی که در سال 2006 ارائه شد، با استفاده از یک لیزر مادون قرمز متمرکز پالسی (حدود 100 ضربان در ثانیه که هر کدام یک نانو ثانیه طول می کشد) به طور کلی رسانه نمایشگر را از بین می برد تا توپ هایی از پلاسمای درخشان در نقطه کانونی در هوای معمولی ایجاد شود. نقطه کانونی توسط دو آینه متحرک و یک لنز کشویی هدایت می شود و به آن اجازه می دهد تا اشکال را در هوا ترسیم کند. تصور می شود که این دستگاه می تواند تا هر اندازه ای مقیاس پذیر باشد و اجازه ایجاد تصاویر سه بعدی در آسمان را بدهد. 

تغییرات بعدی مانند استفاده از مخلوط گاز نئون / آرگون / زنون / هلیوم مشابه کره پلاسما و سیستم بازیافت سریع گاز با استفاده از هود و پمپ های خلأ می تواند به این فناوری امکان دستیابی به دو رنگ (R/W) و احتمالاً تصاویر RGB با تغییر عرض و شدت نبض هر پالس برای تنظیم طیف های انتشار بدنه پلاسمای درخشان را بدهد.

در سال 2017، یک صفحه نمایش جدید معروف به Light PAD سه بعدی منتشر شد. رسانه صفحه نمایش شامل یک دسته مولکول های فعال با نور (معروف به اسپیرودامین ها) و فناوری پردازش نور دیجیتال (DLP) برای تولید نور ساختار یافته در سه بعد است. این تکنیک نیاز به استفاده از لیزرهای پرقدرت و تولید پلاسما را دور می زند، که نگرانی ها را در مورد ایمنی کاهش می دهد و دسترسی به نمایشگرهای سه بعدی را به طرز چشمگیری بهبود می بخشد. الگوهای نور ماوراء بنفش و نور سبز، محلول رنگ را هدف قرار می دهند، که باعث فعال شدن عکس و در نتیجه ایجاد ووکسل "روشن" می شود. این دستگاه قادر است حداقل اندازه وکسل 0.68 میلی متر مکعب را با وضوح 200 میلی متر و ثبات خوبی در صدها دور خاموش و روشن نشان دهد.

رابط های انسان و کامپیوتر

ویژگی های منحصر به فرد نمایشگرهای حجمی، که ممکن است شامل مشاهده 360 درجه ای، توافق نشانه های همگرایی و محل اقامت و "سه بعدی" بودن ذاتی آنها باشد، تکنیک های جدید رابط کاربری را فعال می کند. کارهای اخیری در مورد سرعت و دقت مزایای نمایشگرهای حجمی،  رابط کاربری گرافیکی جدید،  و کاربردهای پزشکی که توسط نمایشگرهای حجمی تقویت شده است، انجام شده است.

همچنین، پلتفرم های نرم افزاری وجود دارد که محتوای دو بعدی و سه بعدی را به نمایشگرهای حجمی ارائه می دهد. 

نمایش های حجمی: طرح سه بعدی را به واقعیت نزدیک کنید

به طور خلاصه باید گفت نمایش یک شیء با فرمت سه بعدی یک فانتزی است که همه ما با آن اشتراک داریم. از فیلم های جنگ ستارگان گرفته تا پلنگ سیاه، فیلم های علمی تخیلی متعددی را مشاهده کرده ایم که از مفهوم "نمایش حجمی" برای ارائه اطلاعات سه بعدی در فضای واقعی سه بعدی استفاده می کنند. اما اکنون، محققان ثابت کرده اند که ما به دستیابی به این مفهوم در واقعیت روزمره نزدیک هستیم. طبق تحقیقی که در سال 2018 در نیچر منتشر شد، تیمی از دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که چگونه می توان لکه های تقریباً دیده نشده در هوا را دستکاری کرده و از آنها برای ایجاد تصاویر سه بعدی واقعی تر و واضح تر از هولوگرام استفاده کرد. نویسنده اصلی این مطالعه ، دانیل اسمالی ، فیزیکدان دانشگاه بریگهام یانگ در پروو، یوتا و تیمش پروانه کوچکی را ایجاد کرده اند که در بالای یک انگشت می رقصد و تصویری از یک دانشجوی فارغ التحصیل که از لایا در صحنه جنگ ستارگان تقلید می کند.

این فناوری که به عنوان "نمایش تله نوری" شناخته می شود، از نیروهای منتقل شده توسط مجموعه ای از پرتوهای لیزری تقریبا نامرئی برای به دام انداختن یک ذره – از یک فیبر گیاهی به نام سلولز و گرم کردن آن به طور یکنواخت استفاده می کند. این به تیم اجازه داد تا سلولز را فشار داده و بکشد. سپس مجموعه دوم لیزرها نور مرئی (قرمز ، سبز و آبی) را بر روی ذره قرار می دهند و آن را در حین حرکت در فضا روشن می کنند. انسان ها نمی توانند تصاویر را با سرعتی بیش از 10 بار در ثانیه تشخیص دهند، بنابراین اگر ذره به اندازه کافی سریع حرکت کند، مسیر حرکت آن به صورت یک خط توپر، مانند یک جرقه برق در تاریکی ظاهر می شود.

در یک صفحه نمایش حجمی، "صفحه" به یک معنا در سراسر حجم تصویر پراکنده شده است: نور از ابتدائی های پراکندگی یا نقطه ای منتشر کننده داخل حجم جدا می شود تا تصویر را در فضای فیزیکی تشکیل دهد. این تصویر از نظر فضایی تصاویری با نمای 360 درجه ارائه می دهد، اما به دلیل الزامات پیچیده ساخت، اجرای آنها دشوار بوده است. علاوه بر این، اصل عملکرد آن متکی بر رنگ های فعال شده با عکس است که پس از تابش نور ماوراء بنفش به طور برگشت پذیر فلورسنت می شوند. در سال 2017، تیمی در پردیس Kumagai Yukinobu دانشگاه Utsunomiya تحقیقات خود را در زمینه نمایش حجمی با ایجاد تصویری استریوسکوپی با استفاده از حباب های مایع شفاف که سپس با نور لیزر رنگ آمیزی شد، نشان دادند.

به گفته گارتنر، نمایشگرهای حجمی واقعی دو نوع هستند، نمایشگرهای حجم جارو شده و نمایشگرهای حجم استاتیک. نمایشگرهای حجم جارو شده از تداوم بینایی انسان برای ایجاد مجدد تصاویر حجمی از "برش های" دو بعدی سریع استفاده می کنند. در همین حال، نمایشگرهای حجم ثابت بر حجم سه بعدی عناصر فعال مانند Volumetric Picture Elements  یا voxels تکیه می کنند و رنگ یا شفافیت را تغییر می دهند تا یک گزینه جامد نمایش داده شود.

اگرچه این فناوری ها در مرحله جنینی است، دانشمندان ادعا می کنند که دارای پتانسیل عظیمی هستند و مزایای عمده ای را ارائه می دهند. به عنوان مثال، نمایشگرهای حجمی فشار زیادی به چشم وارد نمی کنند زیرا ما این صفحه نمایش همه جانبه را به عنوان یک شیء سه بعدی در دنیای واقعی درک می کنیم. این ارتقاء یافته از نمایشگرهای VR یا واقعیت مجازی است. همچنین، هیچ هدستی مانند AR-VR نیاز ندارد. علاوه بر این، این نمایشگرهای حجمی می توانند روی هر دستگاه ورودی سه بعدی مانندKinect ، Leap Motion  و Structure کار کنند. در مورد برنامه های کاربردی، می توان از صفحه نمایش حجمی برای ارتباطات سه بعدی اندازه انسان مانند فیلم های علمی تخیلی استفاده کرد که در آن انسان ها به شکل پیش بینی شده برای یک مأموریت فوق محرمانه ظاهر می شوند. در صنعت پزشکی و مراقبت های بهداشتی، این صفحه نمایش می تواند برای تعدادی از موارد استفاده شود، از جمله برنامه ریزی جراحی، بررسی بعد از عمل، آموزش، ارتباط پزشک و بیمار و تشخیص. در نهایت، این فناوری نوید می دهد که انقلابی بزرگ در زمینه بازی ها ایجاد کند.