Hologramos judant

Pusės metro ilgio baltymas plūduriuoja ore, kelių centimetrų atstumu priešais monitorių. Tai atrodo kaip per didelis riestas kaspinas iš gimtadienio pakuotės. Kai trys molekuliniai biologai manevruoja aplink vaizdą, tyrinėdami sudėtingą molekulę iš skirtingų kampų, ji pradeda lankstytis, lėtai suktis ir susijungti į susivėlusį mazgą. Jo forma yra užuomina į funkciją, kurią jis atlieka žmogaus organizme: kai kurie baltymai sukelia chemines reakcijas arba elgiasi kaip savotiški pastoliai ląstelėms, o kiti padeda dalytis ląstelėms. Sukūrus vaistą, kuris skatina arba blokuoja baltymo veikimą, tarkime, neleidžia vėžinėms ląstelėms dalytis, gali būti veiksmingesnis gydymas. Vienas iš tyrėjų naudoja plunksną, kad keliuose taškuose padėtų baltymui. Kai ji tai daro, baltymas persilanksto pats ir atskleidžia vietą, į kurią būtų galima nukreipti vaistą, slopinantį baltymo funkciją.

Tokio pobūdžio interaktyvus mokslas yra pakeliui, ir tai bus įmanoma dėl naujos kartos 3-D vaizdo ekranų. Ši technologija panaudoja hologramų arba pagrįstų jų faksimilių galią, kad būtų galima gauti stulbinančiai tikroviškus vaizdus, ​​​​kurie atrodo iššokantys iš ekrano. Įsivaizduokite 3D scenas, kurias sukuria garbingas „View-Master“ žaislas, realybės ciferblate pasuktas iki 11. Tačiau naujiems 3D vaizdo vaizdams nereikės specialių žiūrėjimo įrenginių. Naudotojams nereikės dėvėti galvos apdangalų ar akinių, kurie paprastai blaško dėmesį ir gali varginti akis, kaip tai daroma naudojant dabartinius vadinamuosius 3-D ekranus.

Ši istorija buvo mūsų 2002 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Ne. Trimačiai holografiniai vaizdo vaizdai bus generuojami kompiuteriu, o ne fiksuojami statinėje laikmenoje; jie bus rodomi viso judesio spalvomis ir, atsižvelgiant į vartotojo įvestį, bus pakeisti. Be to, žiūrovai, judantys aplink holografinį vaizdo vaizdą, galės matyti, kaip jis juda iš visų pusių – reiškinys yra svarbus realizmui ir kurio negali atkartoti daugelis įprastų akiniais pagrįstų sistemų.

Pagrindiniai gydytojai, mokslininkai, tyrėjai ir naujų produktų kūrėjai, kurie jau naudojasi aukščiausios klasės kompiuterių ekranais, norėdami įsivaizduoti savo darbą, pastebės dramatiškus šios naujos technologijos skirtumus. Šiuo metu jų darbą riboja plokšti, dvimačiai įprastų ekranų vaizdai. Kad ir kaip sumaniai ekranai būtų aprengti, jie negali perteikti visų 3D pasaulio realių objektų niuansų, įmantrybių ir betarpiškumo. Kadangi naujosios vaizdo hologramos sukuria visiškai 3D vaizdus, ​​​​plaukiančius erdvėje šalia žiūrėjimo ekrano, keli žiūrovai jas gali žiūrėti iš skirtingų kampų. Geofizikai, tiriantys didelės raiškos uolienų darinių vaizdus, ​​galės tiksliau numatyti paslėptų naftos telkinių vietą. Pramonės dizaineriai galės modifikuoti sportinio automobilio kėbulą naudodami rašiklio galiuką, akimirksniu nustatydami pakeitimo poveikį bendram dizainui. Karo vadai galės įsivaizduoti geriausią mūšio lauko scenarijų. Chirurgai galės geriau nustatyti saugiausią smegenų auglio pašalinimo būdą, nenaudodami peilio. Kada nors susimąstysime, kaip anksčiau susitaikydavome su 2D vaizdais, sako Stephenas Bentonas, vadovaujantis Erdvinio vaizdavimo grupei MIT Media Lab.

Grupė yra viena iš dviejų novatoriškų tyrėjų komandų, vadovaujančių naujos kartos 3D ekranų tobulėjimui ir komercializavimui. Bentonas, garsus laboratorijos įkūrėjas, yra vaivorykštės holografinių vaizdų, rodomų ant daugelio kredito kortelių ir žurnalų viršelių, išradėjas. Kita komanda, Niujorko universiteto Media Research Lab, kuria pigesnę versiją, vadinamą 3-D autostereo ekranu, kuri per ateinančius kelerius metus gali tapti komerciniu produktu. NYU pastangoms vadovauja Kenas Perlinas, daugialypės terpės legenda, 1996 m. gavęs Kino meno ir mokslo akademijos apdovanojimą už techninius pasiekimus už garso ir tekstūros technikos, kuri šiandien plačiai naudojama filmuose, sukūrimą.

Dvi žiniasklaidos laboratorijos vadovauja ieškojimui, tačiau jos nėra vienos. 2000 m. gruodžio mėn. „Ford Motor“ ir Londone įsikūrusi „QinetiQ“ įkūrė „Holographic Imaging“ – tyrimų ir plėtros įmonę Royal Oak mieste, MI, siekdama sukurti interaktyvias vaizdo darbo vietas automobilių dizaineriams. Kelios japonų grupės taip pat dalyvavo kovoje, įskaitant „Sony“, „NHK Laboratories“ ir Nihono universiteto komandas. Prieš dvylika metų visi manė, kad tai visiškai neįmanoma, sako Bentonas. Dabar tikra konkurencija.

Pirmosios sistemos, sukurtos šiomis pastangomis, greičiausiai bus specializuotos programos tokiose srityse kaip chirurginis planavimas ir automobilių projektavimas. Tačiau versijos, kurios yra pakankamai pigios, kad būtų naudojamos kaip namų pramogų programos, turėtų greitai atsirasti, juk milijonai vaizdo žaidimų žaidėjų parodytų kairiojo valdymo pulto nykščius, kad pereitų į visiškai 3-D Mario pasaulio versiją – galbūt visam laikui pasenusios dvi matmenų rodiniai, kurių dauguma ekranų buvo apriboti. Trumpai tariant, apibendrina NYU Kenas Perlinas: Visos priežastys, dėl kurių reikia susitaikyti su lėkštumu, išnyks.

Krištolo skaidrumo holografinis vaizdo įrašas

Daugelis mokslinių tyrimų grupių stengiasi kurti holografinius vaizdo įrašus, tačiau Bentono erdvinio vaizdo gavimo grupė MIT jau seniai yra šios srities priešakyje. Čia įvairūs studentai ir darbuotojai į problemą žiūri iš visų pusių, taip sakant, 13 metų. Pastaraisiais metais pagrindiniai tyrimų rėmėjai buvo JAV karinis jūrų laivynas, kuris mano, kad karo metu sprendimus priimantiems asmenims būtų naudinga pažvelgti į mūšio kraštovaizdžio trimatį vaizdą, ir Honda, kuri tikisi, kad jos automobilių dizaineriai galės pagaminti Greitai sukuriami siūlomų naujų modelių 3D vaizdai. Kai pirmą kartą kreipėmės į „Honda“, nustebome sužinoję, kad jie jau galvojo apie holografiją, sako Bentonas.

MIT pastangos nuo pat pradžių buvo sutelktos į tikrą holografinį vaizdo įrašą, kuris ne tik suteikia aukščiausios kokybės 3-D vaizdo vaizdų pažadą, bet ir kelia grėsmingiausius techninius iššūkius. Jos esmė yra pagrindiniai standartinės hologramos kūrimo žingsniai: lazerio spindulys yra padalintas į dvi dalis. Viena pusė nukreipta į objektą - tarkime, obuolį. Obuolio buvimas iškreipia šviesos bangų modelį spindulyje, jį moduliuodamas. Tada šis spindulys susikerta su savo antrąja puse šviesai jautrioje medžiagoje. Kai du pluoštai persidengia, jų skirtingi šviesos bangų modeliai trukdo vienas kitam, išgraviruodami mikroskopinių linijų difrakcijos modelį ant šviesai jautrios medžiagos. Difrakcijos modelis veikia kaip sudėtingas objektyvas. Kai jį apšviečia lazerio spindulys, mikroskopinės linijos atspindi šviesą tokiu būdu, kuris sukuria

3D obuolio vaizdas.

Vietoj šviesos ir veidrodžių Bentonas ir jo komanda naudoja specialiai sukurtus kompiuterinius algoritmus. Algoritmai apskaičiuoja tam tikrai hologramai reikalingų mikroskopinių linijų rūšis, paverčia jas garso bangomis ir siunčia bangas į krūvą telūro oksido kristalų, kurie turi unikalią savybę laikinai iškraipyti, kai garso bangos praeina pro juos. Šis iškraipymas sudaro mikroskopines difrakcijos modelio linijas, kurios sudaro hologramą. Lazerio spindulys, praeinantis per tą modelį, perduoda vaizdą iš kristalų į peržiūros ekraną ( Žiūrėkite žemiau esantį MIT Mark II holografinį vaizdo įrašą).

Slim Films iliustracija

MIT Mark II holografinis vaizdo ekranas sukuria stebėtinai malonius ir tikroviškus 3D vaizdus. Vienoje demonstracijoje „Honda“ sukurtas raudonas sportinio automobilio prototipas akimirksniu atrodo ryškiai miniatiūriškai sklandantis maždaug pusmetriu prieš stebėtoją, o visos grakščios automobilio linijos puikiai matomos iš skirtingų kampų. Galbūt iš dalies taip yra dėl patirties naujumo, tačiau švelnus mirgėjimas ir mirgančios vaizdo juostos vargu ar atitraukia dėmesį nuo intensyvaus efekto tikroviškumo.

„Benton“ grupė nuolat tobulina tris pagrindines sritis: ekrano aparatinę ir programinę įrangą, tikroviškumą ir vaizdo kokybę bei interaktyvumą. Wendy Plesniak, „Media Lab“ tyrėja ir konsultantė, kuri būdama studentė padėjo kurti holografinio vaizdo įrenginio skaičiavimo algoritmus, pridėjo funkciją, kuri galiausiai galėtų būti pramoninio dizainerio svajonių mašina: haptic arba priverstinio grįžtamojo ryšio sąsają, kuri leidžia sukurkite projektuojamą vaizdą realiu rankiniu įrankiu. Kai vartotojas baksnoja, kiša ir drožia rašikliu, holografinis vaizdas pasikeičia taip, tarsi jis būtų molis ant puodžiaus rato, o vartotojas jaučia pasipriešinimą, tarsi ji iš tikrųjų dirbtų molį.

Plesniakas sako, kad jutimo ir valdymo laipsnis, suteikiamas derinant haptinę sąsają su holografija, sudarytų visą skaitmeninių prototipų kūrimo kelią. Vienoje demonstracijoje ji rašikliu išpjauna raudoną būgno formos objektą, tarsi jis suktųsi ant tekinimo staklių; kitoje lapo pavidalo vaizdas stumiamas įdubęs. Apskritai, sistemos sukurtas vaizdas yra puikus, atrodo tikroviškas ir ieško viso pasaulio, tarsi jis sklandytų erdvėje tiesiai priešais vartotoją. Daugumoje 3-D sistemų užtrunka šiek tiek laiko, kol atsiranda 3-D efektas, ir jūs niekada negaunate tiek gilumo, kiek pagal matematiką turėtumėte, sako Bentonas. Bet jūs neturite tų problemų su hologramomis.

Vis dėlto sistema dar turi nuveikti, kol ji greičiausiai bus komercializuota. Didžiausia problema yra ta, kad norint sukurti vaizdo hologramą reikia surinkti milžinišką duomenų kiekį. Tai gali nenuostabu, nes holograma suteikia ne tik vieną vaizdo vaizdą, bet ir visus vaizdus iš bet kokio skaičiaus kampų. Vis dėlto vienos didelės raiškos hologramos difrakcijos modelis gali nesunkiai sunaudoti daugiau nei terabaitą duomenų – pakankamai užpildyti 1600 kompaktinių diskų. Vidutiniškai nemirgančiam holografiniam vaizdo įrašui reikėtų mažiausiai 20 tokių hologramų per sekundę. Akivaizdu, kad kas sekundę iškraunant 20 terabaitų vertės informaciją, prireiktų nežemiškos technologijos: šiandienos greičiausi kompiuteriai veikia šimtatūkstantine dalimi. Dėl to Mark II priima daugybę kompromisų dėl vaizdo kokybės, kad skaičiavimo reikalavimai būtų sumažinti iki valdomo 16 megabaitų per sekundę. Sistema naudoja vieną spalvą, daro tik 10,16 x 12,7 centimetro vaizdus ir generuoja mirksintį kadrų atnaujinimo dažnį maždaug septyniais vaizdais per sekundę. Be to, kadangi vaizdas yra pašalintas iš informacijos, reikalingos stebėtojo vaizdui į viršų arba apačią, vaizdas keičiasi tik stebėtojui judant iš vienos pusės į kitą. Nuostabu, kaip mažai žmonių pastebi, kad niekas nesikeičia, kai žiūrite virš ar po juo, sako Bentonas.

Vykdomas techninės įrangos perdarymas turėtų priartinti sistemą prie komercializavimo. Kapitalinio remonto tikslai apima perėjimą prie lygiagretaus mikroprocesoriaus išdėstymo, galinčio išgauti didelį apdorojimo greitį, reikalingą didesniam vaizdo dydžiui, didesnei raiškai ir greitesniam kadrų dažniui pasiekti.

Be to, grupė tikisi pereiti prie itin didelės raiškos ekrano, pagrįsto mikroelektromechaninėmis sistemomis. Toje technologijoje būtų naudojami tūkstančiai mažų veidrodžių ir lazerio spindulių – kiekvienas iš jų sukurtų vieną viso difrakcijos modelio pikselį. Nesitikima, kad tokie eksponatai egzistuos bent kelerius metus, tačiau Bentonas pažymi, kad jo grupė vis tiek neplanuoja, kad jo darbas duos komercinių vaisių dar bent ketverius metus. Holografija yra sunki, sako jis atsidusęs. Štai kodėl tai vienas iš ilgiausių Media Lab projektų.

Pseudoholografija

Tuo tarpu NYU pažangiųjų technologijų centre, kitame pirmajame lenktynėse, kuriant šią naują 3-D bangą, Perlino grupė naudojasi neholografine technika, galinčia pateikti dinamiškus, pagal kampą pritaikytus vaizdus, ​​kurie atrodo kaip holografinių sistemų sukurti vaizdai. . Be to, vaizdai nesukuriami naudojant kompleksiškai modifikuotą lazerio šviesą. Vietoj to, jie rodomi gana įprastame monitoriuje, tokiu būdu, kurį Perlin vadina holografine sąsaja. Grupė tai padaro pasinaudodama tuo, kad didžioji dalis didžiulio ir brangaus apdorojimo ir rodymo arklio galių, reikalingų holografiniam vaizdo įrašui sukurti, galiausiai nueina perniek: holograma suteikia daugiau vaizdų nei tie, kurie žiūri į žiūrovų akis; ji taip pat suteikia akinančius, pritaikyto kampo vaizdus daugelyje tūkstančių vietų, kuriose nėra akies obuolių, kurie juos įvertintų. Kiekvienas iš šių skirtingų nesuvoktų vaizdų turi būti apskaičiuotas, perduotas ir rodomas, nes nėra praktiško būdo apriboti holografinę aprėptį iki konkrečių stebėtojo matymo kampų. Tai tarsi dramblio ginklo valdymas, norint šaudyti į musę, sako Perlinas. Todėl jo sistema rodo vaizdus, ​​pritaikytus tiksliai stebėtojo vietai.

Nors NYU NY3D technologija nenaudoja holografijos, ji suteikia stebėtojui beveik tokią pačią žiūrėjimo patirtį kaip ir holografinė sistema: mechanizmas yra stereoskopinis, suteikiantis kairėje ir dešinėje akyse skirtingus vaizdus, ​​o vaizdai keičiasi priklausomai nuo žiūrėjimo kampo. Ir, žinoma, nereikia akinių.

Norint įtikinti holograminius vaizdus iš paprasto ekrano, reikia dviejų gudrybių. Pirmasis yra skaidrus skystųjų kristalų ekranas (LCD), kuris pakeičia monitoriuje rodomo vaizdo vaizdą. Ekranas yra pusės metro atstumu priešais monitorių. Ant jo įsijungia ir išsijungia juodos maždaug trijų centimetrų pločio juostelės, blokuojančios vertikalias vaizdo juostas – tarkime, rutulį monitoriuje, esančiame už jo. Efektas žiūrovui nėra akivaizdus, ​​nes juostelės pasislenka 180 kartų per sekundę. Greitis yra per didelis, kad žiūrovo smegenys galėtų užregistruoti kiekvienos juostelės vietą ir tuo pačiu metu suteikia monitoriui galimybę užpildyti trūkstamus kiekvienos akies plotus. Rezultatas yra tai, kad kiekviena akis mato šiek tiek skirtingą vaizdą per užrakto juostų tarpus, o tai sukuria stereoskopinį gylio pojūtį (NYU NY3D sistema, šis puslapis). Visa tai veikia gerai, kol žiūrovo akių obuoliai yra tiksliai toje vietoje, kur sistema tikisi, kad kiekviena akis sutampa su atitinkamomis vaizdo juostomis monitoriuje. Siekdama užtikrinti, kad taip būtų, Perlin sistema naudoja antrą triuką, aktyviai sekdama stebėtojo akis dviem mažomis kameromis, sumontuotomis virš monitoriaus. Be to, šalia fotoaparatų esantis infraraudonųjų spindulių šviesos diodų (LED) rinkinys suteikia žiūrovui nepastebimą raudonų akių efekto atspalvį, kuris ilgą laiką buvo fotografų mėgėjų bėda. Kameros gali lengvai atskirti ryškius žiūrovo vyzdžius, leidžiančius stebėti akis ir reguliuoti besikeičiančių juostelių vietą taip, kad jos visada blokuotų vaizdą taip, kad būtų išlaikytas stereoskopinis efektas.

Žinoma, hologramos tikroviškumas kyla ne tik iš jos stereoskopinių savybių; Holografinius vaizdus galima apžiūrėti iš visų pusių, kai žiūrovo galva juda aplink juos. Dėl savo akies nustatymo galimybių NYU sistema gali lengvai sekti galvos judesius ir beveik iš karto pakeisti vaizdus monitoriuje, kai reikia. Ir iš tiesų, sistemos demonstracinė versija, kurioje rodoma besisukanti skeletinė pėda, patvirtina ne tik tai, kad ji suteikia aiškų, visiškai 3D vaizdą, bet ir leidžia vienam asmeniui įvertinti vaizdą iš skirtingų kampų, įskaitant iš viršaus ar apačios. (Grupė taip pat kuria sistemą, kuri vienu metu teiktų trimačius vaizdus keliems stebėtojams, pvz., chirurgų komandai, kuri diskutuoja apie geriausią metodą sudėtingai procedūrai, arba vaizdo žaidimų žaidėjų grupei, konkuruojančiai bendrame monitoriuje.) Rezultatas yra toks tikroviškas, sako Joelis Kollinas, Pažangių technologijų centro tyrėjas, kad galimi ekrano pirkėjai gali norėti tiesiog pakabinti jį ant sienos, kur būtų rodomi vaizdai, tarkime, Fidžio paplūdimys ar Paryžiaus bulvaras. kurie iš tikrųjų keičiasi žiūrinčiojo kampo atžvilgiu. Tai būtų kaip žiūrėti pro langą, sako jis. Būdamas MIT Media Lab studentu devintojo dešimtmečio pabaigoje, Kollinas buvo atsakingas už pirmosios holografinės vaizdo sistemos kūrimą.

Pastaruoju metu išaugus „Sony“, „Ford“ ir kitų įmonių grupių konkurencijai, tokia sistema gali būti pakankamai prieinama, kad per ateinančius kelerius metus būtų galima naudoti kai kurias elementarias programas ( žr. Trijų dimensijų bendroves ). Kadangi ta sistema turi skaičiuoti ir rodyti tik tuos vaizdus, ​​kuriuos bet kuriuo momentu rodo žiūrovo padėtis, jai reikia tik paprasto kompiuterio galios. LCD ekranas, akių stebėjimo šviesos diodai, aukštos kokybės monitorius ir programinė įranga neturėtų daug pridėti prie bendros kainos. Perlinas prognozuoja, kad ankstyvos gamybos versijos, skirtos specializuotoms rinkoms, tokioms kaip chirurginis planavimas, bus išleistos per trejus metus ir jų kaina bus apie 5000 USD, o pirmosios visiškai holografinės sistemos kainuos dešimtis tūkstančių dolerių. Dar geriau, sako Perlin, praėjus keleriems metams po pirmųjų sistemų pasirodymo, masinės rinkos langų ekrano versijos tikriausiai bus parduodamos tik keliais šimtais dolerių brangiau nei paprastas monitorius, todėl tai taps realybe vidutiniam namų ūkiui. Perlinas, atskyręs bendrovę, skirtą šios technologijos komercializavimui, teigia, kad įmonė NY3D jau diskutuoja su keliomis didelėmis įmonėmis, įskaitant „Philips“ ir IBM, kurios yra suinteresuotos įsigyti ekrano gamybos teises.

Tačiau nors „Perlin“ pseudoholografinis metodas turi siaubingą išlaidų pranašumą ir bent jau kol kas tam tikrus pranašumus, palyginti su tikromis holografinėmis sistemomis, jis taip pat turi keletą trūkumų. Sistemai retkarčiais kyla problemų užfiksuojant spindinčias žiūrovo akis, o greiti galvos judesiai gali ją supainioti, todėl vartotojas laikinai praranda 3-D efektą. Be to, jo vaizdas, kuriame yra daug šiek tiek blaškančių artefaktų, įskaitant vertikalias juostas, svyravimus ir šešėlius, šiek tiek neatitinka tikro holografinio vaizdo ryškaus tikroviškumo. Didelė dalis to atotrūkio sumažės, nes sistema pereis nuo neapdoroto prototipo prie komercinės versijos, tačiau net Perlinas pripažįsta, kad tikrą holografinę sistemą būtų sudėtinga suderinti vaizdo kokybe. Mes tikrai turėsime komercinius holografinius ekranus, bet tai gali užtrukti 20 ar 30 metų, sako jis.

Baimė, kad holografinis kelias gali užtrukti dešimtmetį ar daugiau, kad būtų pasiektas tobulumas, paaiškina, kodėl net MIT Media Lab dengia savo bazes: ji kuria neholografinę sistemą, kuri veikia panašiai kaip NYU. Savo ruožtu Bentonas pripažįsta, kad tikroji tikrojo holografinio vaizdo vertė, bent jau artimiausioje ateityje, gali būti pseudoholografinių sistemų realizmo standarto nustatymas.

Kol šis standartas nebus nustatytas, abi komandos judės į priekį. Savo ruožtu Perlinas pradėjo tyrinėti tai, kas būtų plačiai laikoma geriausiu viso judesio 3-D formatu: sistema, kuri hologramas projektuoja į ploną orą pagal R2-D2 princesės Lėjos projekciją originalo pradžioje. Žvaigždžių karai filmas. Perlinas mano, kad itin aukšto dažnio garso bangos gali būti panaudotos, kad oras pakankamai išlenktų šviesą, kad susidarytų tokios hologramos. Jo mokiniai jau pradėjo koncepcijos įrodymo eksperimentus, tačiau jis pripažįsta, kad veikimas sistema tikriausiai yra už kelių dešimtmečių ir gali būti juokingai brangi.

Tuo tarpu yra pagrindo tikėtis, kad pseudoholografinės 3-D sistemos taps tokios pigios ir efektyvios, kad iki dešimtmečio pabaigos gali atsidurti daugelyje namų. Tada visi turėsime prabangą nerimauti, ar yra ką nors, ką verta žiūrėti. Didelė televizijos problema nėra ta, kad ji plokščia, sako Bentonas. Tai, kad jie atšaukė Tvin Pyksas po dviejų sezonų.

paslėpti