ボリュームディスプレイ

ボリュームディスプレイ デバイスは、さまざまな視覚効果によって奥行きをシミュレートする従来の画面の平面画像とは対照的に、 3 つの物理次元でオブジェクトの視覚表現を形成するディスプレイ デバイスです。この分野の先駆者によって提示された定義の 1 つは、ボリューム ディスプレイが (x、y、z) 空間内の明確に定義された領域からの照明の放射、散乱、または中継によって 3D 画像を作成するというものです。

真のボリューム ディスプレイは、3 次元空間に物質的な物体が存在しない場合でも、観察者にその物体の視覚体験をもたらします。知覚される物体は、観察者があらゆる方向から物体を見たり、特定の詳細にカメラの焦点を合わせたり、遠近感を確認したりできるようにすることで、実際の物質的な物体と同様の特性を表示します。つまり、観察者に近い部分の画像は、遠い部分よりも大きく見えるということです。

ボリューム3Dディスプレイは、左右の目に異なる視界を提供するという点で、裸眼で見ることができる3次元画像を作成するという点で、自動立体ディスプレイの一種です^{[1] 。しかし、ほとんどのフラットスクリーン自動立体ディスプレイに比べて、}運動視差と輻輳に加えて現実的な焦点深度を提供できるため、輻輳と調節の矛盾を回避できるという利点があります。

ボリュームディスプレイは、3Dディスプレイのいくつかの種類の1つです。他のタイプには、ステレオスコープ、ビューシーケンシャルディスプレイ、^[2]エレクトロホログラフィックディスプレイ、^[3]「2ビュー」ディスプレイ、^{[4] [5]}およびパノラマグラムがあります。

1912 年に初めて提唱され、SFの定番となったボリューメトリック ディスプレイは、日常生活ではあまり使用されていません。ボリューメトリック ディスプレイには、医療用画像処理、鉱業、教育、広告、シミュレーション、ビデオ ゲーム、通信、地質物理学的視覚化などの用途を持つ、数多くの潜在的市場があります。バーチャル リアリティなどの他の 3D 視覚化ツールと比較すると、ボリューメトリック ディスプレイは、本質的に異なるインタラクション モードを提供し、3D メガネやその他のヘッド ギアを装着しなくても、グループの人々がディスプレイの周りに集まり、自然な方法でインタラクションする機会を提供します。

体積画像装置を製造するために、さまざまな試みがなされてきました。^{[6]体積ディスプレイのさまざまな種類について、公式に認められた「}分類法」は存在せず、その特性のさまざまな組み合わせによって問題が複雑化しています。たとえば、体積ディスプレイ内の照明は、光源から直接目に届く場合もあれば、鏡やガラスなどの中間面を介して届く場合もあります。同様に、この表面は実体である必要はなく、振動や回転などの動きを受ける場合もあります。1 つの分類法は次のとおりです。

スイープサーフェス（または「スイープボリューム」）ボリューム3Dディスプレイは、人間の視覚の持続性を利用して、3Dオブジェクトの一連のスライスを単一の3D画像に融合します。^[7]さまざまなスイープボリュームディスプレイが作成されています。

たとえば、3D シーンは計算によって一連の「スライス」に分解されます。スライスは長方形、円盤状、またはらせん状の断面にすることができ、その後、動きのあるディスプレイ サーフェスに投影されます。2D サーフェス上の画像 (サーフェスへの投影、サーフェスに埋め込まれた LED、またはその他の技術によって作成) は、サーフェスが移動または回転すると変化します。視覚の持続性により、人間は連続した光量を知覚します。ディスプレイ サーフェスは、反射型、透過型、またはその両方の組み合わせにすることができます。

スイープボリューム 3D ディスプレイのクラスの候補メンバーである別のタイプの 3D ディスプレイは、可変焦点ミラー アーキテクチャです。このタイプのシステムに関する最初の言及の 1 つは 1966 年のものであり、振動するミラー ドラムヘッドが、ベクトル ディスプレイなどの高フレーム レートの 2D 画像ソースからの一連のパターンを、対応する一連の深度サーフェスに反射します。

市販されているスウェプトボリュームディスプレイの例として、Voxon Photonics の Voxon VX1 があります。このディスプレイのボリュームエリアは 18 cm × 18 cm × 8 cm (7.1 インチ × 7.1 インチ × 3.1 インチ) の深さで、1 秒あたり最大 5 億ボクセルをレンダリングできます。VX1 のコンテンツは、Unityまたは医療用画像処理用のOBJ、STL、DICOMなどの標準 3D ファイル形式を使用して作成できます。

いわゆる「静的ボリューム」ボリューム3Dディスプレイは、画像ボリューム内にマクロ的に動く部分がない画像を作成します。^[8]このディスプレイクラスに属するためには、システムの残りの部分が静止したままでなければならないかどうかは不明です。

これはおそらく、最も「直接的な」ボリューム ディスプレイの形式です。最も単純なケースでは、オフ状態では透明で、オン状態では不透明または発光するアクティブ要素から、アドレス指定可能な空間ボリュームが作成されます。要素 (ボクセルと呼ばれる) がアクティブになると、ディスプレイの空間内にソリッド パターンが表示されます。

いくつかの静的体積型3Dディスプレイは、レーザー光を使用して固体、液体、または気体中の可視光線を励起します。たとえば、一部の研究者は、適切な周波数の交差する赤外線レーザービームを照射すると、希土類元素をドープした材料内で2段階のアップコンバージョンが起こることを利用してきました。^{[9] [10]}

最近の進歩は、静的ボリュームカテゴリの非実体（自由空間）実装に焦点を当てており、最終的にはディスプレイとの直接的なインタラクションを可能にする可能性があります。たとえば、複数のプロジェクターを使用したフォグディスプレイは、空間のボリューム内に3D画像をレンダリングすることができ、静的ボリュームのボリュームディスプレイを実現します。^{[11] [12]}

2006年に発表された技術では、表示媒体をまったく使用せず、焦点を絞ったパルス 赤外線 レーザー（1秒間に約100パルス、各パルスは1ナノ秒持続）を使用して、通常の空気中の焦点に輝くプラズマの球体を作成する。焦点は2つの可動ミラーとスライドレンズによって方向付けられ、空気中に図形を描くことができる。各パルスはポップ音を生成するため、デバイスは動作中にパチパチと音を立てる。現在、1立方メートル以内のどこにでもドットを生成できる。このデバイスは任意のサイズに拡大でき、空中に3D画像を生成できると考えられている。^{[13] [14]}

その後の改良により、プラズマ グローブに似たネオン/アルゴン/キセノン/ヘリウムの混合ガスの使用や、フードと真空ポンプを採用した急速ガス リサイクル システムの使用などにより、この技術では、各パルスのパルス幅と強度を変更して発光プラズマ体の発光スペクトルを調整することで、2 色 (R/W) や RGB 画像を実現できるようになりました。

2017年に、「3DライトPAD」と呼ばれる新しいディスプレイが発表されました。^[15]ディスプレイの媒体は、スピロダミンとして知られる光活性化分子のクラスと、3次元の構造化光を生成するデジタル光処理（DLP）技術で構成されています。この技術は、高出力レーザーの使用とプラズマの生成の必要性を回避するため、安全性の懸念が軽減され、3次元ディスプレイのアクセシビリティが劇的に向上します。紫外線と緑色の光のパターンが染料溶液に向けられ、光活性化が開始され、「オン」ボクセルが作成されます。このデバイスは、200μmの解像度で0.68mm3の最小ボクセルサイズを表示でき^、数百回のオンオフサイクルにわたって優れた安定性を備えています。

360度の視野、輻輳と調節の合致、固有の「3次元性」など、ボリュームディスプレイのユニークな特性により、新しいユーザーインターフェース技術が可能になります。ボリュームディスプレイの速度と精度の利点、 ^[16]新しいグラフィカルユーザーインターフェース、^[17]ボリュームディスプレイによって強化された医療アプリケーションを調査した最近の研究があります。^{[18] [19]}

また、ネイティブおよびレガシーの2Dおよび3Dコンテンツをボリューメトリックディスプレイに配信するソフトウェアプラットフォームも存在します。^[20]

1994 年以来、ホログラフィー、音楽、ビデオ合成、幻想的な映画、彫刻、即興の要素を組み合わせた、ホログリフと呼ばれる芸術形式が研究されてきました。このタイプのディスプレイは、ボリューム内の視覚データをレンダリングできますが、アドレス指定可能なディスプレイではなく、ガルボやスピーカーコーンからレーザーを反射して生成されるリサージュ図形のみを表示できます。

既知のボリューム ディスプレイ テクノロジにも、システム設計者が選択したトレードオフに応じて現れるいくつかの欠点があります。

ボリューム ディスプレイは、オクルージョンや不透明度など、視聴者の位置に依存する効果のあるシーンを再現できないとよく言われます。これは誤解です。ボクセルが非等方性放射プロファイルを持つディスプレイは、位置に依存する効果を実際に表現できます。現在までに、オクルージョン対応のボリューム ディスプレイには、(1) イメージが「スライス」ではなく一連の「ビュー」としてレンダリングおよび投影されること、(2) 時間とともに変化するイメージ サーフェスが均一な拡散板ではないこと、という 2 つの条件が必要です。たとえば、研究者は、画像がオクルージョンと不透明度を示す反射および/または垂直拡散スクリーンを備えた回転スクリーン ボリューム ディスプレイを実証しました。1 つのシステム^{[21] [22]}は、垂直拡散板への斜め投影によって 360 度の視野を持つ HPO 3D イメージを作成しました。別のシステム^[23]は、回転する制御された拡散サーフェスに 24 のビューを投影しました。もう1つの研究^[24]では、垂直方向のルーバーを利用して12視点の画像を提供している。

これまで、オクルージョンやその他の位置依存効果のあるシーンを再構築する機能は、垂直視差を犠牲にしており、シーンが生成された場所以外の場所から見ると 3D シーンが歪んで見えるという問題がありました。

もう 1 つの考慮事項は、ボリューメトリック ディスプレイに画像を供給するために必要な帯域幅が非常に大きいことです。たとえば、標準的な24 ビット/ピクセル、1024×768 解像度のフラット/2D ディスプレイでは、1 秒あたり 60 フレームを維持するために、ディスプレイ ハードウェアに約 135 MB/秒の送信が必要です。一方、24 ビット/ボクセル、1024×768×1024 (Z 軸に 1024 個の「ピクセル レイヤー」) のボリューメトリック ディスプレイでは、1 秒あたり 60 ボリュームを維持するために、ディスプレイ ハードウェアに約 3桁多い (135 GB/秒) 送信が必要です。通常の 2D ビデオと同様に、1 秒あたりに送信するボリューム数を減らし、その間にディスプレイ ハードウェアにフレームを繰り返させるか、または MPEG などの最新の非可逆圧縮ビデオ形式の場合のように、更新が必要なディスプレイ領域に影響を与えるのに十分なデータのみを送信することで、必要な帯域幅を削減できます。さらに、3D ボリューム ディスプレイでは、同等の品質の 2D 画像に必要なCPUおよび/またはGPUパワーよりも 2 ～ 3 桁も多くのパワーが必要になります。これは、少なくとも部分的には、作成してディスプレイ ハードウェアに送信する必要がある膨大な量のデータが原因です。ただし、ボリュームの外側の表面のみが表示される場合、必要なボクセルの数は、従来のディスプレイのピクセル数と同程度になります。これは、ボクセルに「アルファ」または透明度の値がない場合に限ります。

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• 自動立体視
• マルチスコピー
• 輻輳調節の矛盾

• Blundell, BG、(2011)。「3D ボリューム ディスプレイについて」、Walker & Wood Ltd. ISBN 9780473193768。(http://www.barrygblundell.com、PDF ファイル)。 
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• Dragon O - 50cmx50cmx3mのプラグインモジュールで構成された市販のインタラクティブボリュームLEDディスプレイ。オーディオビジュアルインタラクティブ体験とインスタレーション用に配置されています。
• ボリューメトリック映画と3Dデジタル映画フォーラム
• VisualCube — 6x6x6ボクセルで構成された小型のボリュームディスプレイ。各ボクセルは 2 色のLEDで表示されます。
• Voxon Photonics — ゲームやエンターテイメントの用途向けに開発された、市販のスイープボリュームベースのボリュームディスプレイ
• ボリューメトリック ディスプレイ — 1996 年 3 月までの歴史、実際的な問題、最新技術の概要
• 3Dクリスタルボールの復活 — インタビュー、写真、動画を含む、Actuality Systemsのボリューメトリック技術に関する包括的な記事
• Felix3D ディスプレイ — ボリューム ディスプレイの例
• インタラクティブ 360° ライト フィールド ディスプレイ 2009-10-27 にWayback Machineでアーカイブ— USC Institute for Creative Technologies
• QinetiQ Autostereo 3D ディスプレイ ウォール — 2004 年のプレス リリース。これ以上の参照が見つからないため、おそらく廃止されたと思われます。
• SPIE / IS&T 立体ディスプレイとバーチャルリアリティアプリケーション年次世界会議
• Esna Ashari, Zhila; Kavehvash, Zahra; Mehrany , Khashayar (2014 年 7 月)。「3 次元インテグラル イメージングの視野と解像度に対する回折の影響」。Journal of Display Technology。10 ( 7): 553–559。arXiv : 1711.01033。Bibcode : 2014JDisT..10..553A。doi : 10.1109/JDT.2014.2307959。