Hologramy w ruchu

Półmetrowe białko unosi się w powietrzu kilka centymetrów przed monitorem. Wygląda jak oversizowa zwinięta wstążka z urodzinowego opakowania. Gdy trzech biologów molekularnych manewruje wokół obrazu, badając złożoną cząsteczkę pod różnymi kątami, zaczyna się ona fałdować, powoli skręcać i splatać w splątany węzeł. Jego kształt jest kluczem do funkcji, jaką pełni w ludzkim ciele: niektóre białka wywołują reakcje chemiczne lub zachowują się jak rusztowanie dla komórek, podczas gdy inne pomagają w podziale komórek. Stworzenie leku, który zachęca lub blokuje działanie białka, powiedzmy, zapobiegając podziałowi komórek rakowych, może prowadzić do bardziej skutecznych terapii. Jeden z badaczy używa rysika do nabijania białka w kilku miejscach. Gdy to robi, białko samo się ponownie fałduje, ujawniając lokalizację, w którą można nakierować lek, aby zahamować funkcję białka.

Ten rodzaj interaktywnej nauki jest w drodze i będzie możliwy dzięki nowej generacji wyświetlaczy wideo 3D. Technologia ta wykorzystuje moc hologramów – lub ich rozsądnych faksymiliów – do tworzenia zaskakująco realistycznych obrazów, które wydają się wyskakiwać z ekranu. Wyobraź sobie sceny 3D tworzone przez czcigodną zabawkę View-Master podkręconą do 11 na tarczy rzeczywistości. Ale nowe obrazy wideo 3D nie będą wymagały specjalnych urządzeń do oglądania. Użytkownicy nie będą musieli zakładać nakryć głowy ani okularów, które rozpraszają uwagę i mogą powodować zmęczenie oczu, tak jak ma to miejsce w przypadku obecnych tak zwanych wyświetlaczy 3D.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Nie. Trójwymiarowe holograficzne obrazy wideo będą generowane przez komputer, a nie utrwalane w statycznym nośniku; będą wyświetlane w pełnym kolorze i, po wprowadzeniu przez użytkownika, zmieniane w locie. Co więcej, widzowie, którzy poruszają się po holograficznym obrazie wideo, będą mogli zobaczyć, jak porusza się on z każdej strony – jest to zjawisko ważne dla realizmu, którego nie jest w stanie odtworzyć wiele konwencjonalnych systemów opartych na okularach.

Główny nurt lekarzy, naukowców, badaczy i twórców nowych produktów, którzy już polegają na wysokiej klasy wyświetlaczach komputerowych do wizualizacji swojej pracy, dostrzeże dramatyczne różnice w tej nowej technologii. Obecnie ich pracę ograniczają płaskie, dwuwymiarowe obrazy konwencjonalnych wyświetlaczy. Bez względu na to, jak sprytnie ustawiono ekrany, nie są one w stanie przekazać wszystkich niuansów, zawiłości i bezpośredniości rzeczywistych obiektów w świecie 3D. Ponieważ nowe hologramy wideo tworzą obrazy w pełni trójwymiarowe, które unoszą się w przestrzeni w pobliżu ekranu, mogą być oglądane pod różnymi kątami przez wielu widzów. Geofizycy badający obrazy formacji skalnych w wysokiej rozdzielczości będą w stanie z większą dokładnością przewidzieć położenie ukrytych złóż ropy naftowej. Projektanci przemysłowi będą mogli modyfikować nadwozie samochodu sportowego za pomocą końcówki rysika, natychmiast określając wpływ zmiany na ogólny wygląd. Dowódcy wojskowi będą mogli wyobrazić sobie najlepszy scenariusz na polu bitwy. Chirurdzy będą mogli lepiej określić najbezpieczniejsze podejście do usunięcia guza mózgu bez użycia noża. Pewnego dnia będziemy się zastanawiać, jak zwykliśmy tolerować obrazy 2D, mówi Stephen Benton, który kieruje Grupą Obrazowania Przestrzennego w MIT Media Lab.

Grupa jest jednym z dwóch pionierskich zespołów badawczych prowadzących prace nad udoskonaleniem i komercjalizacją nowej generacji wyświetlaczy 3D. Benton, znany członek założyciel laboratorium, jest wynalazcą holograficznych obrazów tęczy, które pojawiają się na wielu kartach kredytowych i okładkach czasopism. Drugi zespół, w Media Research Lab na Uniwersytecie Nowojorskim, pracuje nad tańszą wersją o nazwie 3-D autostereo display, która może stać się produktem komercyjnym w ciągu najbliższych kilku lat. Wysiłki NYU są prowadzone przez Kena Perlina, legendę multimediów, który w 1996 roku zdobył nagrodę Technical Achievement Award od Academy of Motion Picture Arts and Sciences za opracowanie techniki dźwięku i tekstury, która jest powszechnie stosowana w dzisiejszych filmach.

Zadaniem kierują dwa laboratoria medialne, ale nie są one odosobnione w swojej pogoni. W grudniu 2000 roku Ford Motor i londyńska firma QinetiQ uruchomiły Holographic Imaging, firmę badawczo-rozwojową w Royal Oak w stanie Michigan, aby tworzyć interaktywne stacje robocze do obrazowania dla projektantów samochodów. Do walki włączyło się również kilka japońskich grup, w tym zespoły z Sony, NHK Laboratories i Nihon University. Dwanaście lat temu wszyscy myśleli, że to całkowicie niemożliwe, mówi Benton. Teraz jest prawdziwa konkurencja.

Pierwsze systemy powstałe dzięki tym wysiłkom będą prawdopodobnie specjalistycznymi zastosowaniami w dziedzinach takich jak planowanie chirurgiczne i projektowanie samochodów. Ale wersje wystarczająco tanie, aby służyć jako aplikacje do rozrywki domowej, powinny szybko pójść w ich ślady – w końcu miliony graczy w gry wideo oddałyby kciuki lewego panelu sterującego, aby wejść do w pełni trójwymiarowej wersji świata Mario – być może na zawsze czyniąc przestarzałym widoki wymiarowe, do których ograniczono większość ekranów. W skrócie, podsumowuje Ken Perlin z NYU: Wszystkie powody, dla których znosi się sztuczność płaskich rzeczy, znikną.

Krystalicznie czysty holograficzny film

Wiele zespołów badawczych pracuje nad unowocześnieniem holograficznego wideo, ale Benton’s Spatial Imaging Group na MIT od dawna przoduje w tej dziedzinie. Tutaj różni studenci i pracownicy przyglądają się problemowi z każdej strony, że tak powiem, od 13 lat. W ostatnich latach głównymi sponsorami badań była marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych, która uważa, że ​​jej decydenci w czasie wojny odnieśliby korzyści, patrząc na trójwymiarowe przedstawienie krajobrazu bitwy, oraz Honda, która ma nadzieję, że jej projektanci samochodów będą w stanie produkować Obrazy 3D proponowanych nowych modeli szybko. Kiedy po raz pierwszy zwróciliśmy się do Hondy, byliśmy zdumieni, gdy odkryliśmy, że już myśleli o holografii, mówi Benton.

Wysiłki MIT od samego początku koncentrowały się na prawdziwym holograficznym wideo, które nie tylko obiecuje najwyższej jakości obrazy wideo 3D, ale także zapewnia najbardziej zniechęcające wyzwania techniczne. U jego podstaw znajdują się podstawowe etapy tworzenia standardowego hologramu: wiązka lasera jest dzielona na dwie części. Połowa jest skierowana na przedmiot, powiedzmy, jabłko. Obecność jabłka zniekształca wzór fal świetlnych w wiązce, modulując go. Ta wiązka jest następnie przecinana z drugą połówką w materiale światłoczułym. Kiedy dwie wiązki zachodzą na siebie, ich różne wzory fal świetlnych kolidują ze sobą, wytrawiając wzór dyfrakcji mikroskopijnych linii na materiale światłoczułym. Wzór dyfrakcyjny działa jak skomplikowana soczewka. Kiedy oświetla go wiązka laserowa, mikroskopijne linie odbijają światło w sposób, który wytwarza

Obraz 3D jabłka.

Zamiast światła i luster Benton i jego zespół używają specjalnie opracowanych algorytmów komputerowych. Algorytmy obliczają rodzaje mikroskopijnych linii niezbędnych dla określonego hologramu, przekształcają je w fale dźwiękowe, a następnie wysyłają fale do stosu kryształów tlenku telluru, które mają wyjątkową właściwość tymczasowego zniekształcania, gdy fale dźwiękowe przez nie przechodzą. To zniekształcenie tworzy mikroskopijne linie wzoru dyfrakcyjnego, które tworzą hologram. Wiązka laserowa przechodząca przez ten wzór przenosi obraz z kryształów na ekran widoku ( zobacz holograficzne wideo MIT Mark II poniżej).

Ilustracja autorstwa Slim Films

Holograficzny wyświetlacz wideo MIT Mark II zapewnia zaskakująco przyjemne i realistyczne obrazy 3D. W jednym z pokazów czerwony prototypowy samochód sportowy zaprojektowany przez Hondę od razu wydaje się unosić w miniaturze, w miniaturze, przed obserwatorem, a wszystkie wdzięczne linie samochodu są doskonale widoczne pod różnymi kątami. Być może częściowo wynika to z nowości doświadczenia, ale łagodne migotanie i połyskujące paski obrazu nie odwracają uwagi od intensywnego realizmu efektu.

Grupa Bentona nieustannie udoskonala trzy podstawowe obszary: sprzęt i oprogramowanie do wyświetlania, realizm i jakość obrazu oraz interaktywność. Wendy Plesniak, badaczka i konsultantka Media Lab, która jako studentka pomagała w opracowywaniu algorytmów obliczeniowych dla holograficznego urządzenia wideo, dodała funkcję, która może ostatecznie doprowadzić do powstania maszyny marzeń projektanta przemysłowego: interfejs dotykowy lub siłowy, który umożliwia wyrzeźbić wyświetlany obraz za pomocą prawdziwego, ręcznego narzędzia. Gdy użytkownik szturcha, szturcha i rzeźbi rysikiem, holograficzny obraz zmienia się, jakby był gliną na kole garncarskim, a użytkownik odczuwa opór, jakby naprawdę pracował z gliną.

Plesniak mówi, że stopień czucia i kontroli zapewniany przez połączenie interfejsu dotykowego z holografią zapewniłby pełną ścieżkę w cyfrowym prototypowaniu. W jednej z demonstracji używa rylca do wyrzeźbienia czerwonego obiektu w kształcie bębna, jakby obracał się na tokarce; w innym obraz podobny do arkusza staje się dołeczki podczas szturchania. Ogólnie rzecz biorąc, obraz generowany przez system jest genialny, wydaje się realistyczny i wygląda na cały świat, jakby unosił się w przestrzeni tuż przed użytkownikiem. W większości systemów 3D pojawienie się efektu 3D zajmuje trochę czasu, a nigdy nie uzyskasz takiej głębi, jak mówi matematyka, mówi Benton. Ale nie masz problemów z hologramami.

System ma jednak jeszcze wiele do zrobienia, zanim prawdopodobnie zostanie skomercjalizowany. Największym problemem jest to, że wykonanie hologramu wideo wymaga przetwarzania ogromnych ilości danych. To może nie być zaskakujące, biorąc pod uwagę, że hologram zapewnia nie tylko pojedynczy widok obrazu, ale wszystkie widoki z dowolnej liczby kątów. Mimo to wzór dyfrakcyjny z jednego hologramu o wysokiej rozdzielczości może z łatwością zużyć ponad terabajt danych, aby wypełnić 1600 dysków kompaktowych. Holograficzny film o umiarkowanie wolnym od migotania wymagałby co najmniej 20 takich hologramów na sekundę. Najwyraźniej przerzucanie 20 terabajtów informacji na sekundę wymagałoby technologii pozaziemskiej: dzisiejsze najszybsze komputery PC działają ze stutysięczną szybkością. W rezultacie Mark II akceptuje szereg kompromisów w jakości obrazu w celu zmniejszenia wymagań obliczeniowych do zarządzalnych 16 megabajtów na sekundę. System używa jednego koloru, wykonuje tylko obrazy o wymiarach 10,16 na 12,7 centymetra i generuje migoczącą częstotliwość odświeżania około siedmiu obrazów na sekundę. Ponadto, ponieważ obraz jest pozbawiony informacji potrzebnych do dostosowania widoku obserwatora z góry lub z dołu, obraz zmienia się tylko wtedy, gdy obserwator porusza się z boku na bok. To zdumiewające, jak niewiele osób zauważa, że ​​nic się nie zmienia, gdy patrzy się na niego lub pod nim, mówi Benton.

Remake sprzętu, który jest w przygotowaniu, powinien znacznie przybliżyć system do komercjalizacji. Cele tego remontu obejmują przejście na układ równoległych mikroprocesorów zdolnych do generowania dużych prędkości przetwarzania potrzebnych do uzyskania większego rozmiaru obrazu, większej rozdzielczości i większej liczby klatek na sekundę.

Ponadto grupa ma nadzieję, że uda się przejść na ekran o ultrawysokiej rozdzielczości oparty na systemach mikroelektromechanicznych. Technologia ta wykorzystywałaby tysiące maleńkich lusterek i wiązek laserowych — każde z nich tworzyłoby jeden piksel całego wzoru dyfrakcyjnego. Oczekuje się, że takie pokazy nie będą istnieć przez co najmniej kilka lat, ale Benton zauważa, że ​​jego grupa i tak nie planuje, aby jej prace przyniosły komercyjne efekty przez co najmniej kolejne cztery lata. Holografia jest trudna, mówi z westchnieniem. Dlatego jest to jeden z najdłuższych projektów w Media Lab.

Pseudoholografia

Tymczasem w Centrum Zaawansowanych Technologii Uniwersytetu Nowojorskiego, inny wczesny lider w wyścigu o tę nową falę trójwymiarowości, grupa Perlina wykorzystuje nieholograficzną technikę zdolną do dostarczania dynamicznych, dostosowanych pod kątem obrazów, które wyglądają jak te wytwarzane przez systemy holograficzne. . Co więcej, obrazy nie są wyczarowywane przy użyciu kompleksowo zmodyfikowanego światła laserowego. Zamiast tego są one wyświetlane na stosunkowo zwykłym monitorze w sposób, który Perlin nazywa interfejsem holograficznym. Grupa osiąga to, wykorzystując fakt, że większość ogromnej i kosztownej mocy przetwarzania i wyświetlania potrzebnej do produkcji holograficznego wideo ostatecznie idzie na marne: hologram dostarcza więcej obrazów niż te, które spotykają się z oczami widzów; zapewnia również olśniewające, dostosowane do kąta obrazy w wielu tysiącach miejsc, w których nie ma gałek ocznych, które mogłyby je docenić. Każdy z tych odrębnych, nieodebranych obrazów musi zostać obliczony, przesłany i wyświetlony, ponieważ nie ma praktycznego sposobu na ograniczenie zasięgu holograficznego do określonych kątów widzenia obserwatora. To jak strzelanie do muchy ze słonia, mówi Perlin. Jego system wyświetla zatem obrazy dostosowane do dokładnej pozycji obserwatora.

Chociaż technologia NYU NYU nie obejmuje holografii, zapewnia obserwatorowi podobne wrażenia podczas oglądania, co system holograficzny: mechanizm jest stereoskopowy, zapewniając lewemu i prawemu oku różne obrazy, a obrazy zmieniają się wraz z kątem patrzenia. I oczywiście nie są potrzebne żadne okulary.

Wydobywanie obrazów przypominających hologram ze zwykłego ekranu wymaga dwóch sztuczek. Pierwsza ma postać przezroczystego wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD), który zmienia widok obrazu wyświetlanego na monitorze. Wyświetlacz znajduje się pół metra przed monitorem. Na nim czarne pasy o szerokości około trzech centymetrów migają i gasną, blokując pionowe pokosy obrazu — powiedzmy, kulę na monitorze za nim. Efekt nie jest oczywisty dla widza, ponieważ paski przesuwają się 180 razy na sekundę. Prędkość jest zbyt duża, aby mózg widza mógł zarejestrować położenie każdego paska, a jednocześnie daje monitorowi możliwość uzupełnienia brakujących pokosów dla każdego oka. W rezultacie każde oko widzi nieco inny obraz przez szczeliny w paskach migawki, co powoduje stereoskopowe wrażenie głębi (system NY3D NYU, ta strona). Wszystko to działa dobrze, o ile gałki oczne widza znajdują się dokładnie tam, gdzie oczekuje ich system, a każde oko ustawia się w odpowiedniej linii obrazu na monitorze. Aby upewnić się, że tak jest, system Perlina stosuje drugą sztuczkę, aktywnie śledząc wzrok obserwatora za pomocą dwóch małych kamer zamontowanych nad monitorem. Co więcej, zestaw podczerwonych diod elektroluminescencyjnych (LED) umieszczonych obok kamer daje widzowi dyskretny efekt efektu czerwonych oczu, który od dawna jest zmorą fotografów amatorów. Kamery mogą z łatwością izolować jasne źrenice widza, umożliwiając mu śledzenie oczu i dostosowanie położenia przesuwających się pasków, tak aby zawsze blokowały obraz w sposób podtrzymujący efekt stereoskopowy.

Oczywiście realizm hologramu nie wynika jedynie z jego właściwości stereoskopowych; obrazy holograficzne można oglądać pod każdym kątem, gdy głowa widza porusza się wokół nich. Dzięki możliwościom lokalizowania oczu system NYU może z łatwością śledzić ruch głowy i niemal natychmiast zmieniać obrazy na monitorze w razie potrzeby. I rzeczywiście, demo systemu, który wyświetla obracającą się stopę szkieletową, potwierdza nie tylko, że zapewnia wyraźny, w pełni trójwymiarowy obraz, ale także, że pozwala jednej osobie oceniać obraz pod różnymi kątami – w tym z góry lub z dołu. (Grupa pracuje również nad systemem, który jednocześnie zapewniałby widoki 3D wielu obserwatorom, takim jak zespół chirurgów debatujących nad najlepszym podejściem do trudnej procedury lub grupa graczy w gry wideo rywalizująca na wspólnym monitorze). wynik jest tak realistyczny, mówi Joel Kollin, badacz z Centrum Zaawansowanych Technologii, że ewentualni nabywcy wyświetlacza mogą chcieć po prostu powiesić go na ścianie, gdzie będzie przedstawiał obrazy – powiedzmy, plażę Fidżi lub paryski bulwar. które faktycznie zmieniają się w zależności od kąta patrzenia. To byłoby jak wyglądanie przez okno, mówi. Jako student MIT Media Lab pod koniec lat 80. Kollin był w dużej mierze odpowiedzialny za zbudowanie pierwszego holograficznego systemu wideo tej grupy.

W związku z niedawnym wzrostem konkurencji ze strony grup Sony, Forda i innych firm, taki system może być wystarczająco przystępny, aby pozwolić na niektóre podstawowe zastosowania w ciągu najbliższych kilku lat ( patrz poniżej Firmy działające w trzech wymiarach ). Ponieważ system ten musi obliczać i wyświetlać tylko widoki sygnalizowane przez pozycję widza w danym momencie, wymaga jedynie mocy obliczeniowej zwykłego komputera. Ekran LCD, diody LED śledzące ruch gałek ocznych, wysokiej jakości monitor i oprogramowanie nie powinny znacząco wpłynąć na całkowitą cenę. Perlin przewiduje, że wczesne wersje produkcyjne przeznaczone na specjalistyczne rynki, takie jak planowanie chirurgiczne, wyjdą na rynek w ciągu trzech lat i będą wycenione na około 5000 dolarów, podczas gdy pierwsze w pełni holograficzne systemy mogą kosztować dziesiątki tysięcy dolarów. Co więcej, mówi Perlin, kilka lat po pojawieniu się pierwszych systemów, masowe wersje wyświetlacza okiennego będą prawdopodobnie sprzedawane tylko o kilkaset dolarów więcej niż zwykły monitor, co czyni go rzeczywistością dla przeciętnego gospodarstwa domowego. Perlin, który wydzielił firmę w celu komercjalizacji technologii, mówi, że przedsięwzięcie, NY3D, prowadzi już rozmowy z kilkoma dużymi firmami, w tym Philips i IBM, które są zainteresowane nabyciem praw do produkcji wyświetlacza.

Ale chociaż pseudoholograficzne podejście Perlina ma niesamowitą przewagę kosztową i, przynajmniej na razie, pewną przewagę wydajności nad prawdziwymi systemami holograficznymi, ma też kilka wad. System czasami ma problemy z zablokowaniem się na świecących oczach widza, a szybkie ruchy głowy mogą go zmylić, powodując tymczasową utratę efektu 3D przez użytkownika. Co więcej, jego obraz, który jest podatny na szereg łagodnie rozpraszających artefaktów, w tym pionowe paski, drgania i zjawy, nieco odbiega od wyraźnego realizmu prawdziwego obrazu holograficznego. Znaczna część tej luki zostanie zmniejszona, gdy system będzie przechodził od surowego prototypu do wersji komercyjnej, ale nawet Perlin przyznaje, że prawdziwy system holograficzny byłby trudny do dopasowania pod względem jakości obrazu. Z pewnością będziemy mieli komercyjne wyświetlacze holograficzne, ale może to zająć 20 lub 30 lat, mówi.

Strach, że holograficzna trasa może potrwać dekadę lub dłużej, aby osiągnąć doskonałość, wyjaśnia, dlaczego nawet MIT Media Lab obejmuje swoje podstawy: opracowuje nieholograficzny system, który działa bardzo podobnie do tego na NYU. Ze swojej strony Benton przyznaje, że możliwe jest, że prawdziwą wartością prawdziwego holograficznego wideo, przynajmniej w najbliższej przyszłości, może być ustanowienie standardu realizmu dla systemów pseudoholograficznych.

Dopóki ten standard nie zostanie ustalony, obie drużyny będą dalej posuwać się do przodu. Ze swojej strony, Perlin rozpoczął badania nad tym, co powszechnie uważano by za najlepsze w pełnym ruchu 3D: systemie, który wyświetla hologramy w rozrzedzonym powietrzu – wzdłuż linii projekcji R2-D2 przedstawiającej księżniczkę Leię w pierwszych minutach oryginału. Gwiezdne Wojny film. Perlin uważa, że ​​fale dźwiękowe o ultrawysokiej częstotliwości mogą zostać wykorzystane do spowodowania, by powietrze zagięło światło na tyle, by utworzyć takie hologramy. Jego uczniowie już rozpoczęli eksperymenty weryfikujące koncepcję, ale przyznaje, że działający system jest prawdopodobnie dziesiątki lat i może być absurdalnie drogi.

Tymczasem istnieje powód, by mieć nadzieję, że pseudoholograficzne systemy 3D staną się tak tanie i skuteczne, że przed końcem dekady mogą trafić do wielu domów. Wtedy wszyscy będziemy mieli luksus martwić się, czy jest na nich coś wartego oglądania. Duży problem z telewizorem nie polega na tym, że jest płaski, mówi Benton. Chodzi o to, że odwołali Bliźniacze szczyty po dwóch sezonach.

ukryć