Hologrammas kustībā

Pusmetru garš proteīns peld gaisā, vairākus centimetrus monitora priekšā. Tas izskatās kā liela izmēra saritināta lente no dzimšanas dienas iepakojuma. Kad trīs molekulārie biologi manevrē ap attēlu, pētot sarežģīto molekulu no dažādiem leņķiem, tā sāk salocīt, lēnām griežoties un savienojoties sapinītā mezglā. Tās forma norāda uz funkciju, ko tas veic cilvēka ķermenī: daži proteīni rada ķīmiskas reakcijas vai darbojas kā sava veida sastatnes šūnām, bet citi palīdz šūnu dalīšanā. Zāļu, kas veicina vai bloķē proteīna darbību, teiksim, neļaujot vēža šūnām dalīties, izveide varētu novest pie efektīvākas ārstēšanas. Viens no pētniekiem izmanto irbuli, lai producētu proteīnu vairākos punktos. To darot, olbaltumviela pārlocās, atklājot vietu, uz kuru var mērķēt zāles, kas kavē proteīna darbību.

Šāda veida interaktīvā zinātne ir ceļā, un to padarīs iespējamu jaunas paaudzes 3-D video displeji. Tehnoloģija izmanto hologrammu vai saprātīgu to faksimilu jaudu, lai iegūtu pārsteidzoši reālistiskus attēlus, kas, šķiet, iznirst no ekrāna. Iedomājieties 3D ainas, ko rada cienījamā View-Master rotaļlieta, kas realitātes ciparnīcā ir pagriezta līdz 11. Taču jaunajiem 3-D video attēliem nebūs vajadzīgas īpašas skatīšanās ierīces. Lietotājiem nebūs jāvalkā galvassegas vai brilles, kas mēdz novērst uzmanību un var izraisīt acu nogurumu, kā tas notiek ar pašreizējiem tā sauktajiem 3-D displejiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2002. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Nē. Trīsdimensiju hologrāfiskos video attēlus ģenerēs dators, nevis fiksēs statiskā datu nesējā; tie tiks rādīti pilnas kustības krāsās un ar lietotāja ievadi tiks mainīti lidojuma laikā. Turklāt skatītāji, kuri pārvietojas pa hologrāfisku video attēlu, varēs redzēt, ka tas pārvietojas no visām pusēm — šī parādība ir svarīga reālismam un ko daudzas parastās uz brillēm balstītas sistēmas nevar atkārtot.

Ārstu, zinātnieku, pētnieku un jaunu produktu izstrādātāju galvenā plūsma, kas jau paļaujas uz augstākās klases datoru displejiem, lai vizualizētu savu darbu, redzēs dramatiskas atšķirības šajā jaunajā tehnoloģijā. Pašlaik viņu darbu ierobežo parasto displeju plakanie, divdimensiju attēli. Neatkarīgi no tā, cik gudri ekrāni ir izkārtoti, tie nevar nodot visas nianses, sarežģījumus un reālu objektu tiešumu 3-D pasaulē. Tā kā jaunās video hologrammas rada pilnībā 3-D attēlus, kas peld telpā netālu no skatīšanās ekrāna, vairāki skatītāji tos var apskatīt no dažādiem leņķiem. Ģeofiziķi, kas pārbauda klinšu veidojumu augstas izšķirtspējas attēlus, varēs ar lielāku precizitāti paredzēt slēpto naftas atradņu atrašanās vietu. Industriālie dizaineri varēs modificēt sporta automašīnas virsbūvi, izmantojot irbuli, uzreiz nosakot izmaiņu ietekmi uz kopējo dizainu. Militārie komandieri varēs vizualizēt labāko kaujas lauka scenāriju. Ķirurgi varēs labāk noteikt drošāko pieeju smadzeņu audzēja noņemšanai, nekad nelietojot nazi. Kādu dienu mēs brīnīsimies, kā mēs izmantojām 2-D attēlus, saka Stīvens Bentons, kurš vada Telpiskās attēlveidošanas grupu MIT Media Lab.

Grupa ir viena no divām novatoriskām pētnieku grupām, kas vada jaunās paaudzes 3-D displeju pilnveidošanu un komercializāciju. Bentons, slavens laboratorijas dibinātājs, ir varavīksnes hologrāfisko attēlu izgudrotājs, kas parādās uz daudzām kredītkartēm un žurnālu vākiem. Otra komanda Ņujorkas Universitātes Mediju pētījumu laboratorijā strādā pie lētākas versijas, ko sauc par 3-D autostereo displeju, kas tuvāko gadu laikā varētu kļūt par komerciālu produktu. NYU darbu vada Kens Perlins, multimediju leģenda, kurš 1996. gadā ieguva Kinoakadēmijas balvu par tehniskajiem sasniegumiem par skaņas un faktūras tehnikas izstrādi, ko mūsdienās plaši izmanto filmās.

Abas plašsaziņas līdzekļu laboratorijas vada meklējumus, taču tās nav vienas. 2000. gada decembrī Ford Motor un Londonā bāzētais QinetiQ atklāja Holographic Imaging, pētniecības un attīstības uzņēmumu Royal Oak, MI, lai izveidotu interaktīvas attēlveidošanas darbstacijas automašīnu dizaineriem. Cīņā ir pieteikušās arī vairākas japāņu grupas, tostarp komandas no Sony, NHK Laboratories un Nihon University. Pirms 12 gadiem visi uzskatīja, ka tas ir pilnīgi neiespējami, saka Bentons. Tagad ir īsta konkurence.

Pirmās sistēmas, kas radītas ar šiem centieniem, visticamāk, būs specializētas lietojumprogrammas tādās jomās kā ķirurģiskā plānošana un automašīnu projektēšana. Taču versijām, kas ir pietiekami lētas, lai tās izmantotu kā mājas izklaides lietojumprogrammas, vajadzētu ātri sekot, galu galā miljoniem videospēļu atskaņotāju padotu kreiso vadības pults īkšķus, lai ieietu Mario pasaules pilnībā 3-D versijā, iespējams, uz visiem laikiem padarot to novecojušu. dimensiju skati, kas ir ierobežoti lielākajā daļā ekrānu. Īsi sakot, NYU Kens Perlins rezumē: Visi iemesli samierināties ar to, ka lietas ir plakanas, pazudīs.

Kristāldzidrs hologrāfisks video

Daudzas pētnieku grupas strādā, lai ieviestu jauninājumus hologrāfiskā video, bet Bentonas telpiskās attēlveidošanas grupa MIT jau sen ir bijusi šīs jomas priekšgalā. Šeit dažādi studenti un darbinieki ir skatījušies uz problēmu no visām pusēm, tā teikt, 13 gadus. Pēdējos gados galvenie pētījuma sponsori ir bijuši ASV Jūras spēki, kas uzskata, ka tās kara laika lēmumu pieņēmējiem būtu izdevīgi aplūkot kaujas ainavas 3D atveidojumu, un Honda, kas cer, ka tās automašīnu dizaineri spēs ražot. Piedāvāto jauno modeļu 3-D attēli ātri. Kad mēs pirmo reizi vērsāmies pie Honda, mēs bijām pārsteigti, uzzinot, ka viņi jau ir domājuši par hologrāfiju, saka Bentons.

MIT centieni no sākuma ir vērsti uz patiesu hologrāfisku video, kas ne tikai sola augstākās kvalitātes 3-D video attēlus, bet arī nodrošina visbiedējošākos tehniskos izaicinājumus. Tās pamatā ir standarta hologrammas izveides pamatdarbības: lāzera stars tiek sadalīts divās daļās. Viena puse ir vērsta uz objektu - teiksim, ābolu. Ābola klātbūtne izkropļo gaismas viļņu modeli starā, modulējot to. Pēc tam šis stars krustojas ar tā otro pusi gaismjutīgā materiālā. Kad abi stari pārklājas, to atšķirīgie gaismas viļņu modeļi traucē viens otru, iegravējot mikroskopisku līniju difrakcijas modeli uz gaismas jutīgo materiālu. Difrakcijas modelis darbojas kā sarežģīts objektīvs. Kad lāzera stars to izgaismo, mikroskopiskās līnijas atspoguļo gaismu tādā veidā, kas rada

Ābola 3-D attēls.

Gaismas un spoguļu vietā Bentons un viņa komanda izmanto īpaši izstrādātus datoralgoritmus. Algoritmi aprēķina noteiktai hologrammai nepieciešamās mikroskopiskās līnijas, pārvērš tās skaņas viļņos un pēc tam nosūta viļņus telūra oksīda kristālu kaudzē, kam ir unikāla īpašība īslaicīgi izkropļot, kad skaņas viļņi iet caur tiem. Šie kropļojumi veido difrakcijas modeļa mikroskopiskās līnijas, kas veido hologrammu. Lāzera stars, kas iet caur šo modeli, pārnes attēlu no kristāliem uz skata ekrānu ( skatiet MIT Mark II hologrāfisko video zemāk).

Slim Films ilustrācija

MIT Mark II hologrāfiskais video displejs rada pārsteidzoši patīkamus un reālistiskus 3D attēlus. Vienā demonstrācijā Honda projektētais sarkanais sporta auto prototips acumirklī izskatās spilgti miniatūrā aptuveni pusmetra attālumā no novērotāja, visas automašīnas graciozās līnijas ir lieliski saskatāmas no dažādiem leņķiem. Iespējams, tas daļēji ir pieredzes novitātes dēļ, taču vieglā mirgošana un mirgojošās attēla joslas gandrīz nenovērš uzmanību no efekta intensīvā reālisma.

Benton grupa nepārtraukti veic uzlabojumus trīs galvenajās jomās: displeja aparatūra un programmatūra, reālisms un attēla kvalitāte un interaktivitāte. Vendija Plesniaka, Media Lab pētniece un konsultante, kura kā students palīdzēja izstrādāt skaitļošanas algoritmus hologrāfiskajai video ierīcei, pievienoja funkciju, kas galu galā varētu novest pie industriālā dizainera sapņu mašīnas: haptic jeb piespiedu atgriezeniskās saites interfeisu, kas ļauj veidojiet projicēto attēlu ar reālu rokas rīku. Lietotājam bakstot, bakstot un grebjot ar irbuli, hologrāfiskais attēls mainās tā, it kā tas būtu māls uz podnieka ripas, un lietotājs jūt pretestību tā, it kā viņa patiešām apstrādātu mālu.

Plesniaks saka, ka sajūtas un kontroles pakāpe, ko nodrošina haptiskā interfeisa apvienošana ar hologrāfiju, nodrošinātu pilnīgu ceļu digitālajā prototipā. Vienā demonstrācijā viņa izmanto irbuli, lai izgrebtu sarkanu bungas formas priekšmetu, it kā tas rotētu uz virpas; citā lapām līdzīgs attēls, to virzot, kļūst iedobis. Kopumā sistēmas radītais attēls ir izcils, šķiet reālistisks un meklē visu pasauli tā, it kā tas peldētu telpā tieši lietotāja priekšā. Lielākajai daļai 3-D sistēmu ir nepieciešams laiks, līdz parādās 3-D efekts, un jūs nekad nesaņemat tik dziļu, cik matemātika saka, ka jums vajadzētu, saka Bentons. Bet jums nav šo problēmu ar hologrammām.

Tomēr sistēmai ir vēl kāds ceļš ejams, pirms tā, visticamāk, tiks komercializēta. Lielākā problēma ir tā, ka, lai izveidotu video hologrammu, ir jāsavāc milzīgs datu apjoms. Tas var nebūt pārsteidzoši, ņemot vērā, ka hologramma nodrošina ne tikai vienu attēla skatu, bet arī visus skatus no jebkura leņķa skaita. Tomēr tikai vienas augstas izšķirtspējas hologrammas difrakcijas modelis var viegli izmantot vairāk nekā terabaitu datu, kas ir pietiekami, lai aizpildītu 1600 kompaktdiskus. Lai izveidotu hologrāfisku video vidēji bez mirgošanas, būtu nepieciešamas vismaz 20 šādas hologrammas sekundē. Skaidrs, ka 20 terabaitu vērtas informācijas apritei katru sekundi būtu nepieciešama ārpuszemes tehnoloģija: mūsdienu ātrākie datori darbojas ar simttūkstošdaļu no šī ātruma. Rezultātā Mark II pieņem vairākus kompromisus attēla kvalitātē, lai samazinātu skaitļošanas prasības līdz pārvaldāmam 16 megabaitiem sekundē. Sistēma izmanto vienu krāsu, veido tikai 10,16 x 12,7 centimetrus attēlus un ģenerē mirgojošu kadru atjaunināšanas ātrumu aptuveni septiņi attēli sekundē. Turklāt, tā kā attēlā ir noņemta informācija, kas nepieciešama, lai novērotājs varētu redzēt augšējo vai apakšējo skatu, attēls mainās tikai tad, kad novērotājs pārvietojas no vienas puses uz otru. Tas ir pārsteidzoši, cik maz cilvēku pamana, ka nekas nemainās, kad paskatās virs vai zem tā, saka Bentons.

Darbā esošajam aparatūras pārtaisījumam vajadzētu daudz tuvināt sistēmu komercializācijai. Kapitālā remonta mērķi ietver pāreju uz paralēlu mikroprocesoru izkārtojumu, kas spēj nodrošināt lielu apstrādes ātrumu, kas nepieciešams, lai sasniegtu lielāku attēla izmēru, lielāku izšķirtspēju un ātrāku kadru ātrumu.

Turklāt grupa cer pāriet uz īpaši augstas izšķirtspējas displeja ekrānu, kura pamatā ir mikroelektromehāniskās sistēmas. Šī tehnoloģija izmantotu tūkstošiem mazu spoguļu un lāzera staru, no kuriem katrs izveido vienu pikseļu no visa difrakcijas modeļa. Paredzams, ka šādi displeji nepastāvēs vismaz dažus gadus, taču Bentons atzīmē, ka viņa grupa jebkurā gadījumā neplāno redzēt, ka tā darbs nesīs komerciālus augļus vēl vismaz četrus gadus. Hologrāfija ir grūta, viņš nopūšoties saka. Tāpēc tas ir viens no plašākajiem Media Lab projektiem.

Pseidohologrāfija

Tikmēr NYU Uzlaboto tehnoloģiju centrā, kas ir otrs pirmais līderis sacensībā, lai radītu šo jauno 3-D vilni, Perlina grupa izmanto nehologrāfisku tehniku, kas spēj nodrošināt dinamiskus, leņķim pielāgotus attēlus, kas izskatās līdzīgi hologrāfisko sistēmu radītajiem attēliem. . Turklāt attēli netiek uzburti, izmantojot sarežģīti modificētu lāzera gaismu. Tā vietā tie tiek parādīti salīdzinoši parastā monitorā, izmantojot pieeju, ko Perlins sauc par hologrāfisko saskarni. Grupa to panāk, izmantojot faktu, ka lielākā daļa no milzīgiem un dārgiem apstrādes un displeja zirgspēkiem, kas nepieciešami hologrāfiska video veidošanai, galu galā tiek izniekoti: hologramma nodrošina vairāk attēlu nekā tie, kas atbilst skatītāju acīm; tas arī nodrošina žilbinošus, leņķim pielāgotus attēlus daudzos tūkstošos vietu, kur nav acu ābolu, kas tos novērtētu. Katrs no šiem atšķirīgajiem neuztvertajiem attēliem ir jāaprēķina, jāpārraida un jāparāda, jo nav praktiski iespējams ierobežot hologrāfisko pārklājumu līdz novērotāja īpašajiem skata leņķiem. Tas ir tāpat kā ar ziloņa pistoli, lai šautu mušu, saka Perlins. Tāpēc viņa sistēma parāda attēlus, kas pielāgoti novērotāja precīzai pozīcijai.

Lai gan NYU NY3D tehnoloģija neizmanto hologrāfiju, tā nodrošina novērotājam tādu pašu skatīšanās pieredzi kā hologrāfiskā sistēma: mehānisms ir stereoskopisks, nodrošinot kreiso un labo aci ar dažādiem attēliem, un attēli mainās atkarībā no skata leņķa. Un, protams, nav nepieciešamas brilles.

Lai pierunātu hologrammai līdzīgus attēlus no vienkārša ekrāna, ir nepieciešami divi triki. Pirmais ir caurspīdīgs šķidro kristālu displejs (LCD), kas maina monitorā redzamā attēla skatu. Displejs atrodas pusmetra attālumā no monitora. Uz tā ieslēdzas un izslēdzas melnas svītras apmēram trīs centimetrus platas, bloķējot attēla vertikālās joslas — teiksim, bumbiņu monitorā aiz tā. Efekts skatītājam nav acīmredzams, jo svītras nobīdās 180 reizes sekundē. Ātrums ir pārāk liels, lai skatītāja smadzenes reģistrētu katras svītras atrašanās vietu un tajā pašā laikā dod iespēju monitoram aizpildīt trūkstošos laukumus katrai acij. Rezultātā katra acs caur slēģu svītru spraugām redz nedaudz atšķirīgu attēlu, kas rada stereoskopisku dziļuma sajūtu (NYU NY3D sistēma, šī lapa). Tas viss darbojas labi, ja vien skatītāja acs āboli atrodas tieši tur, kur sistēma tos paredz, katrai acij sakrītot ar atbilstošajiem attēla laukumiem monitorā. Lai nodrošinātu, ka tas tā ir, Perlin sistēma izmanto otru triku, aktīvi izsekojot novērotāja acis ar divām mazām kamerām, kas uzstādītas virs monitora. Turklāt infrasarkano gaismu izstarojošo diožu (LED) komplekts blakus kamerām sniedz skatītājam neuzkrītošu sarkano acu efektu — acu aizmugures mirdzumu, kas jau sen ir bijis amatieru fotogrāfu posts. Kameras var viegli izolēt skatītāja spilgtos acu zīlītes, ļaujot tām izsekot acīm un pielāgot mainīgo svītru atrašanās vietu tā, lai tās vienmēr bloķētu attēlu tādā veidā, kas saglabā stereoskopisko efektu.

Protams, hologrammas reālisms izriet ne tikai no tās stereoskopiskajām īpašībām; Hologrāfiskos attēlus var apskatīt no visiem leņķiem, kad skatītāja galva pārvietojas ap tiem. Pateicoties savām acu atrašanās vietas noteikšanas iespējām, NYU sistēma var viegli izsekot galvas kustībām un gandrīz nekavējoties mainīt attēlus monitorā pēc vajadzības. Un patiešām, sistēmas demonstrācija, kas parāda rotējošu skeleta pēdu, apstiprina ne tikai to, ka tas nodrošina skaidru, pilnībā 3-D attēlu, bet arī to, ka tas ļauj vienai personai novērtēt attēlu no dažādiem leņķiem, tostarp no augšas vai apakšas. (Grupa arī strādā pie sistēmas, kas vienlaikus nodrošinātu 3-D skatus vairākiem novērotājiem, piemēram, ķirurgu komandai, kas apspriež labāko pieeju sarežģītai procedūrai, vai videospēļu spēlētāju grupai, kas sacenšas kopīgā monitorā.) Rezultāts ir tik reālistisks, saka Džoels Kolins, progresīvo tehnoloģiju centra pētnieks, ka iespējamie displeja pircēji, iespējams, vēlēsies to vienkārši piekārt pie sienas, kur tas attēlotu attēlus, piemēram, Fidži pludmali vai Parīzes bulvāri. kas faktiski mainās atkarībā no skatītāja leņķa. Tas būtu tāpat kā skatīties pa logu, viņš saka. Būdams MIT Media Lab students 80. gadu beigās, Kollins bija lielā mērā atbildīgs par šīs grupas pirmās hologrāfiskās video sistēmas izveidi.

Nesen pieaugot konkurencei no Sony, Ford un citu uzņēmumu grupām, šāda sistēma var būt pietiekami pieņemama, lai nākamajos gados varētu izmantot dažus elementārus lietojumus ( skatiet tālāk sadaļu Uzņēmumi, kas strādā trīs dimensijās ). Tā kā šai sistēmai ir jāaprēķina un jāparāda tikai skati, par kuriem jebkurā brīdī signalizē skatītāja pozīcija, tai ir nepieciešama tikai parasta datora jauda. LCD ekrāns, acu izsekošanas gaismas diodes, augstas kvalitātes monitors un programmatūra nedrīkst palielināt kopējo cenu. Perlins prognozē, ka agrīnās ražošanas versijas, kas paredzētas specializētiem tirgiem, piemēram, ķirurģiskajai plānošanai, tiks izlaistas trīs gadu laikā, un to cena būs aptuveni 5000 USD, savukārt pirmās pilnībā hologrāfiskās sistēmas, visticamāk, prasīs desmitiem tūkstošu dolāru. Vēl labāk, saka Perlins, dažus gadus pēc pirmo sistēmu parādīšanās logu displeja masveida tirgus versijas, iespējams, tiks pārdotas tikai par dažiem simtiem dolāru vairāk nekā parasts monitors, padarot to par realitāti vidusmēra mājsaimniecībā. Perlins, kurš ir atdalījis uzņēmumu, lai komercializētu tehnoloģiju, saka, ka uzņēmums NY3D jau apspriežas ar vairākiem lieliem uzņēmumiem, tostarp Philips un IBM, kas ir ieinteresēti iegūt displeja ražošanas tiesības.

Bet, lai gan Perlin pseidohologrāfiskajai pieejai ir lieliskas izmaksu priekšrocības un vismaz šobrīd noteiktas veiktspējas priekšrocības salīdzinājumā ar īstām hologrāfiskajām sistēmām, tai ir arī daži trūkumi. Sistēmai dažkārt ir grūti nofiksēties uz skatītāja mirdzošajām acīm, un straujas galvas kustības var to sajaukt, izraisot lietotājam īslaicīgu 3-D efekta zudumu. Turklāt tā attēls, kas ir pakļauts vairākiem viegli traucējošiem artefaktiem, tostarp vertikālām joslām, svārstībām un spokiem, nedaudz atpaliek no reāla hologrāfiska attēla izteiksmīgā reālisma. Liela daļa no šīs plaisas tiks samazināta, sistēmai pārejot no neapstrādāta prototipa uz komerciālu versiju, taču pat Perlins atzīst, ka īstu hologrāfisku sistēmu būtu grūti pielāgot attēla kvalitātei. Viņš saka, ka mums noteikti būs komerciāli hologrāfiski displeji, taču tas var aizņemt 20 vai 30 gadus.

Bailes, ka hologrāfiskais ceļš var aizņemt desmit gadus vai vairāk, lai sasniegtu pilnību, izskaidro, kāpēc pat MIT Media Lab aptver savas bāzes: tā izstrādā nehologrāfisku sistēmu, kas darbojas līdzīgi NYU. Savukārt Bentons pieļauj, ka ir iespējams, ka patiesā hologrāfiskā video patiesā vērtība vismaz tuvākajā nākotnē varētu būt reālisma standarta noteikšanā pseidohologrāfiskajām sistēmām.

Kamēr šis standarts nebūs noteikts, abas komandas turpinās virzīties uz priekšu. Savukārt Perlins ir sācis pētīt to, ko plaši uzskatītu par izcilāko pilnas kustības 3-D formātā: sistēmu, kas projicē hologrammas plānā gaisā — saskaņā ar R2-D2 princeses Leias projekciju oriģināla sākuma minūtēs. Zvaigžņu kari filma. Perlins uzskata, ka var izmantot īpaši augstas frekvences skaņas viļņus, lai gaiss saliektu pietiekami daudz gaismas, lai izveidotu šādas hologrammas. Viņa studenti jau ir sākuši eksperimentus, lai pierādītu koncepciju, taču viņš atzīst, ka funkcionējoša sistēma, visticamāk, ir desmitiem gadu un varētu būt smieklīgi dārga.

Tikmēr ir pamats cerēt, ka pseidohologrāfiskās 3-D sistēmas kļūs tik lētas un efektīvas, ka tās varētu nonākt daudzās mājās pirms desmitgades beigām. Tad mums visiem būs greznība raizēties par to, vai tajos ir kaut kas vērts skatīties. Lielā televīzijas problēma nav tā, ka tā ir plakana, saka Bentons. Tas ir tas, ka viņi atcēla Twin Peaks pēc divām sezonām.

paslēpties