Hologramy v pohybu

Půlmetrový protein se vznáší ve vzduchu několik centimetrů před monitorem. Vypadá jako oversize stočená stuha z narozeninového balíčku. Když tři molekulární biologové manévrují kolem obrázku a studují složitou molekulu z různých úhlů, začne se skládat, pomalu se kroutit a propojovat do zamotaného uzlu. Jeho tvar je klíčem k funkci, kterou plní v lidském těle: některé proteiny produkují chemické reakce nebo se chovají jako jakési lešení pro buňky, zatímco jiné pomáhají s dělením buněk. Vytvoření léku, který povzbuzuje nebo blokuje působení proteinu – řekněme, bránící rakovinným buňkám v dělení – by mohlo vést k efektivnější léčbě. Jeden z výzkumníků používá stylus k propíchnutí proteinu na několika místech. Když tak učiní, protein se znovu složí a odhalí místo, na které by mohl být zaměřen lék, který by inhiboval funkci proteinu.

Tento druh interaktivní vědy je na cestě a umožní to nová generace 3D video displejů. Tato technologie využívá sílu hologramů – nebo jejich rozumných faksimilií – k zobrazení překvapivě realistických obrázků, které jako by vyskočily z obrazovky. Představte si 3D scény vytvořené úctyhodnou hračkou View-Master, která má na číselníku reality až 11. Ale nové 3D video obrázky nebudou vyžadovat speciální zobrazovací zařízení. Uživatelé si nebudou muset nasazovat pokrývku hlavy nebo brýle, které ruší pozornost a mohou způsobovat únavu očí, jako je tomu u současných takzvaných 3D displejů.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Ne. Trojrozměrné holografické video obrazy budou generovány počítačem, nikoli fixovány na statické médium; budou zobrazeny v barvě plného pohybu a na základě vstupu od uživatele se změní za běhu. A co víc, diváci, kteří se pohybují po holografickém videu, budou moci vidět, jak se pohybuje ze všech stran – fenomén důležitý pro realismus, který mnoho konvenčních systémů založených na brýlích nedokáže napodobit.

Hlavní proud lékařů, vědců, výzkumníků a vývojářů nových produktů, kteří již při vizualizaci své práce spoléhají na špičkové počítačové displeje, uvidí v této nové technologii dramatické rozdíly. V současné době je jejich práce omezena plochými, dvourozměrnými obrazy konvenčních displejů. Bez ohledu na to, jak důmyslně jsou obrazovky upraveny, nemohou vyjádřit všechny nuance, složitosti a bezprostřednost skutečných objektů ve 3D světě. Protože nové video hologramy produkují plně 3D obrazy, které se vznášejí v prostoru blízko obrazovky, mohou je zkoumat z různých úhlů více diváci. Geofyzici zkoumající snímky skalních útvarů ve vysokém rozlišení budou schopni s větší přesností předpovídat polohu skrytých ložisek ropy. Průmysloví designéři budou moci upravit karoserii sportovního vozu pomocí hrotu stylusu, čímž se okamžitě zjistí vliv změny na celkový design. Vojenští velitelé si budou moci vizualizovat nejlepší scénář bojiště. Chirurgové budou moci lépe určit nejbezpečnější přístup k odstranění mozkového nádoru, aniž by museli používat nůž. Jednoho dne se budeme divit, jak jsme byli zvyklí snášet 2D obrazy, říká Stephen Benton, který vede skupinu Spatial Imaging Group v MIT Media Lab.

Skupina je jedním ze dvou průkopnických výzkumných týmů vedoucích k dokonalosti a komerčnímu využití nové generace 3D displejů. Benton, renomovaný zakládající člen laboratoře, je vynálezcem duhových holografických obrázků, které se objevují na mnoha kreditních kartách a obálkách časopisů. Druhý tým z New York University’s Media Research Lab pracuje na levnější verzi s názvem 3-D autostereo display, která by se mohla stát komerčním produktem během několika příštích let. Úsilí NYU vede Ken Perlin, multimediální legenda, která v roce 1996 získala cenu Akademie filmových umění a věd za technický úspěch za vývoj techniky zvuku a textury, která je dnes široce používána ve filmech.

Pátrání vedou dvě mediální laboratoře, ale ve svém pronásledování nejsou samy. V prosinci 2000 Ford Motor a londýnská QinetiQ spustily Holographic Imaging, výzkumnou a vývojovou společnost v Royal Oak, MI, s cílem vytvořit interaktivní zobrazovací pracovní stanice pro automobilové designéry. A do boje se zapojilo také několik japonských skupin, včetně týmů Sony, NHK Laboratories a Nihon University. Před dvanácti lety si každý myslel, že je to naprosto nemožné, říká Benton. Teď je tu opravdová konkurence.

První systémy vytvořené tímto úsilím budou pravděpodobně specializované aplikace v oblastech, jako je chirurgické plánování a automobilový design. Ale verze dostatečně levné na to, aby sloužily jako aplikace pro domácí zábavu, by měly rychle následovat - koneckonců miliony hráčů videoher by daly palec na levém ovládacím panelu, aby vstoupili do plně 3D verze Mariova světa - možná navždy vykreslování zastaralých dvou- rozměrové pohledy, na které byla omezena většina obrazovek. Stručně řečeno, shrnuje Ken Perlin z NYU: Všechny důvody, proč se smířit s umělostí věcí, které jsou ploché, zmizí.

Křišťálově čisté holografické video

Mnoho výzkumných týmů pracuje na inovaci holografického videa, ale Benton's Spatial Imaging Group na MIT je již dlouho v čele oboru. Zde se různí studenti a zaměstnanci dívají na problém takříkajíc ze všech stran již 13 let. V posledních letech byly hlavními sponzory výzkumu americké námořnictvo, které věří, že jeho váleční rozhodovací činitelé by těžili z pohledu na 3D znázornění bitevní krajiny, a Honda, která doufá, že její konstruktéři automobilů budou schopni vyrábět 3-D snímky navrhovaných nových modelů rychle. Když jsme poprvé oslovili Hondu, s úžasem jsme zjistili, že už mysleli na holografii, říká Benton.

Úsilí MIT se od začátku soustředilo na skutečné holografické video, které nejenže nabízí nejkvalitnější 3D video obrazy, ale také poskytuje ty nejodstrašující technické výzvy. Jeho jádrem jsou základní kroky vytvoření standardního hologramu: Laserový paprsek je rozdělen na dva. Jedna polovina je namířena na předmět – řekněme jablko. Přítomnost jablka narušuje vzor světelných vln v paprsku a moduluje jej. Tento paprsek se pak protne s jeho druhou polovinou v materiálu citlivém na světlo. Když se dva paprsky překrývají, jejich různé vzory světelných vln se vzájemně ruší a vyleptají difrakční obrazec mikroskopických čar na světlocitlivý materiál. Difrakční obrazec funguje jako komplikovaná čočka. Když jej osvětlí laserový paprsek, mikroskopické čáry odrážejí světlo způsobem, který vytváří a

3D obrázek jablka.

Místo světla a zrcadel Benton a jeho tým používají speciálně vyvinuté počítačové algoritmy. Algoritmy vypočítávají druhy mikroskopických čar nezbytných pro určitý hologram, převádějí je na zvukové vlny a poté vlny posílají do hromady krystalů oxidu teluru, které mají jedinečnou vlastnost dočasně se zkreslit, když jimi zvukové vlny procházejí. Toto zkreslení tvoří mikroskopické čáry difrakčního vzoru, které tvoří hologram. Laserový paprsek procházející tímto vzorem přenáší obraz z krystalů na obrazovku ( viz holografické video Mark II MIT níže).

Ilustrace Slim Films

Holografický video displej Mark II od MIT vytváří překvapivě příjemný a realistický 3D obraz. V jedné ukázce se červený prototyp sportovního vozu navržený Hondou okamžitě zdá, jako by se v miniatuře jasně vznášel asi půl metru před pozorovatelem, přičemž všechny půvabné linie vozu jsou dokonale rozeznatelné z různých úhlů. Možná je to částečně kvůli novosti zážitku, ale mírné blikání a třpytivé pruhy obrazu stěží odvádějí pozornost od intenzivní realističnosti efektu.

Skupina Benton neustále vylepšuje tři základní oblasti: hardware a software pro displej, realismus a kvalitu obrazu a interaktivitu. Wendy Plesniak, výzkumnice a konzultantka Media Lab, která jako studentka pomáhala vyvíjet výpočetní algoritmy pro holografické video zařízení, přidala funkci, která by nakonec mohla vést k vysněnému stroji průmyslového designéra: haptické rozhraní, neboli vynucená zpětná vazba, rozhraní, které umožňuje vytvarujte promítaný obraz pomocí skutečného ručního nástroje. Jak uživatel šťouchá, propichuje a vyřezává stylusem, holografický obraz se mění, jako by to byla hlína na hrnčířském kruhu, a uživatelka cítí odpor, jako by hlínu skutečně opracovávala.

Plesniak říká, že míra pocitu a kontroly, kterou poskytuje kombinace haptického rozhraní s holografií, by poskytla kompletní cestu v digitálním prototypování. V jedné ukázce používá stylus k vyřezávání červeného předmětu ve tvaru bubnu, jako by se točil na soustruhu; v jiném se při šťouchnutí listovitý obraz zmáčkne. Obecně je obraz vytvářený systémem brilantní, působí realisticky a vypadá na celém světě, jako by se vznášel v prostoru přímo před uživatelem. U většiny 3-D systémů chvíli trvá, než se 3-D efekt projeví, a nikdy nedosáhnete takové hloubky, jak by podle matematiky měli, říká Benton. Ale ty problémy s hologramy nemáte.

Systém má však před sebou ještě nějakou cestu, než bude pravděpodobně komercializován. Největším problémem je, že vytvoření video hologramu vyžaduje obrovské množství dat. To nemusí být překvapivé, vzhledem k tomu, že hologram poskytuje nejen jeden pohled na obrázek, ale všechny pohledy z libovolného počtu úhlů. Difrakční obrazec z jediného hologramu s vysokým rozlišením však může snadno spotřebovat více než terabajt dat, což je dost na naplnění 1 600 kompaktních disků. Holografické video s mírným blikáním by vyžadovalo alespoň 20 takových hologramů za sekundu. Je jasné, že chrlení informací v hodnotě 20 terabajtů každou sekundu by vyžadovalo mimozemskou technologii: dnešní nejrychlejší počítače pracují se stotisícovou rychlostí. Výsledkem je, že Mark II přijímá řadu kompromisů v kvalitě obrazu, aby snížil výpočetní požadavky na zvládnutelných 16 megabajtů za sekundu. Systém používá jednu barvu, vytváří pouze obrázky 10,16 x 12,7 centimetru a generuje blikající snímkovou frekvenci přibližně sedm obrázků za sekundu. Kromě toho, protože obraz je zbaven informací potřebných k tomu, aby se pozorovatel přizpůsobil pohledu shora nebo zdola, obraz se mění pouze tehdy, když se pozorovatel pohybuje ze strany na stranu. Je úžasné, jak málo lidí si všimne, že se nic nemění, když se pod něj nebo nad něj podíváte, říká Benton.

Hardwarový remake, na kterém se pracuje, by měl systém přiblížit mnohem blíže komercializaci. Mezi cíle generální opravy patří přechod na paralelní mikroprocesorové uspořádání schopné chrlit vysoké rychlosti zpracování potřebné k dosažení větší velikosti obrazu, většího rozlišení a vyšší snímkové frekvence.

Kromě toho skupina doufá, že se jí podaří přejít na obrazovku s ultravysokým rozlišením založenou na mikroelektromechanických systémech. Tato technologie by využívala tisíce malých zrcadel a laserových paprsků – každý z nich by vytvořil jeden pixel celého difrakčního vzoru. Neočekává se, že by takové displeje existovaly alespoň několik let, ale Benton poznamenává, že jeho skupina stejně neplánuje, že jeho práce bude přinášet komerční ovoce alespoň další čtyři roky. Holografie je těžká, říká s povzdechem. Proto je to jeden z nejdelších projektů v Media Lab.

Pseudoholografie

Mezitím v Centru pokročilých technologií NYU, dalším prvním lídrem v závodě ve výrobě této nové vlny 3-D, Perlinova skupina využívá neholografickou techniku ​​schopnou poskytovat dynamické obrazy s upraveným úhlem, které vypadají jako ty, které vytvářejí holografické systémy. . Navíc obrazy nejsou vykouzleny pomocí komplexně upraveného laserového světla. Místo toho jsou zobrazeny na relativně běžném monitoru v přístupu, který Perlin nazývá holografickým rozhraním. Skupina to dotahuje tím, že využívá skutečnosti, že většina obrovského a nákladného výkonu zpracování a zobrazení potřebného k výrobě holografického videa jde nakonec vniveč: hologram poskytuje více obrázků než ty, které se setkávají s očima diváků; poskytuje také oslnivé, úhlově upravené snímky na mnoha tisících místech, kde nejsou žádné oční bulvy, které by je ocenily. Každý z těchto odlišných nevnímaných obrazů musí být spočítán, přenesen a zobrazen, protože neexistuje žádný praktický způsob, jak omezit holografické pokrytí na konkrétní pozorovací úhly pozorovatele. Je to jako střílet na mouchu sloní pistolí, říká Perlin. Jeho systém proto zobrazuje obrázky přizpůsobené přesné poloze pozorovatele.

Ačkoli technologie NY3D společnosti NYU nezahrnuje holografii, poskytuje pozorovateli téměř stejný zážitek ze sledování jako holografický systém: Mechanismus je stereoskopický, poskytuje levému a pravému oku různé obrazy a obrazy se mění s úhlem pohledu. A samozřejmě nejsou potřeba žádné brýle.

Přemýšlení o hologramových obrazech z obyčejné obrazovky vyžaduje dva triky. První přichází ve formě průhledného displeje s tekutými krystaly (LCD), který mění pohled na obraz zobrazený na monitoru. Displej je umístěn půl metru před monitorem. Na něm se zapínají a vypínají černé pruhy široké asi tři centimetry, které blokují vertikální pruhy obrazu – řekněme kouli na monitoru za ním. Účinek není pro diváka zřejmý, protože pruhy se posouvají 180krát za sekundu. Rychlost je příliš vysoká na to, aby mozek diváka zaregistroval umístění každého pruhu, a zároveň dává monitoru možnost doplnit chybějící pruhy pro každé oko. Výsledkem je, že každé oko vidí přes mezery v proužcích závěrky trochu jiný obraz – což vytváří stereoskopický vjem hloubky (NYU's NY3D System, tato stránka). To vše funguje dobře – pokud jsou oční bulvy diváka umístěny přesně tam, kde je systém očekává, přičemž každé oko je zarovnáno s příslušnými pruhy obrazu na monitoru. Aby se zajistilo, že tomu tak je, používá Perlinův systém druhý trik, který aktivně sleduje oči pozorovatele pomocí dvou malých kamer namontovaných nad monitorem. Kromě toho sada infračervených světelných diod (LED) vedle fotoaparátů poskytuje divákovi nenápadný případ červených očí – záře ze zadní strany očí, která byla dlouho prokletí amatérských fotografů. Kamery dokážou snadno izolovat jasné zorničky diváka, což jim umožňuje sledovat oči a upravit umístění posouvajících se pruhů tak, aby vždy blokovaly obraz způsobem, který udrží stereoskopický efekt.

Realismus hologramu samozřejmě nepochází pouze z jeho stereoskopických vlastností; holografické obrázky lze prohlížet ze všech úhlů, když se kolem nich hlava diváka pohybuje. Díky svým schopnostem lokalizace očí může systém NYU pohotově sledovat pohyb hlavy a téměř okamžitě měnit obrázky na monitoru podle potřeby. A skutečně, ukázka systému, která zobrazuje rotující kosterní nohu, potvrzuje nejen to, že poskytuje jasný, plně 3D obraz, ale také to, že umožňuje jedné osobě hodnotit obraz z různých úhlů, včetně shora nebo zespodu. (Skupina také pracuje na systému, který by současně poskytoval 3D pohledy více pozorovatelům, jako je tým chirurgů diskutujících o nejlepším přístupu k obtížné proceduře nebo skupina hráčů videoher soutěžících na sdíleném monitoru.) výsledek je tak realistický, říká Joel Kollin, výzkumník z Centra pro pokročilé technologie, že případní kupci displeje ho možná budou chtít jednoduše pověsit na zeď, kde by představoval obrázky – řekněme pláž na Fidži nebo pařížský bulvár – které se ve skutečnosti mění s ohledem na úhel pohledu diváka. Bylo by to jako dívat se z okna, říká. Jako student MIT Media Lab na konci 80. let byl Kollin z velké části zodpovědný za vybudování prvního holografického video systému této skupiny.

S nedávným nárůstem konkurence ze strany skupin ve společnostech Sony, Ford a dalších společnostech může být takový systém dostatečně cenově dostupný, aby umožnil některé základní aplikace během několika příštích let ( viz Společnosti pracující ve třech dimenzích níže ). Protože tento systém potřebuje vypočítat a zobrazit pouze pohledy signalizované pozicí diváka v daném okamžiku, vyžaduje pouze křupavý výkon běžného počítače. Obrazovka LCD, LED diody pro sledování očí, vysoce kvalitní monitor a software by neměly k celkové ceně příliš přidat. Perlin předpovídá, že rané produkční verze zaměřené na specializované trhy, jako je chirurgické plánování, budou k dispozici do tří let a jejich cena se bude pohybovat kolem 5000 dolarů, zatímco první plně holografické systémy budou pravděpodobně stát desítky tisíc dolarů. Ještě lepší, říká Perlin, pár let poté, co se objevily první systémy, se verze okenního displeje pro masový trh budou pravděpodobně prodávat jen o několik stovek dolarů dráž než běžný monitor, což z něj udělá realitu pro průměrnou domácnost. Perlin, který se oddělil od společnosti za účelem komercializace této technologie, říká, že podnik, NY3D, již jedná s několika velkými společnostmi, včetně Philips a IBM, které mají zájem o získání práv na výrobu displeje.

Ale zatímco Perlinův pseudoholografický přístup má úžasnou cenu a alespoň prozatím určité výkonnostní výhody oproti skutečným holografickým systémům, má také několik nevýhod. Systém má občas problémy se zamknutím do rozzářených očí diváka a rychlé pohyby hlavy jej mohou zmást, což uživateli způsobí dočasnou ztrátu 3D efektu. Navíc jeho obraz, který je vystaven řadě mírně rušivých artefaktů, včetně svislých pruhů, kolísání a duchů, trochu zaostává za ostrý realismus skutečného holografického obrazu. Velká část této mezery se zmenší, až se systém přesune od surového prototypu ke komerční verzi, ale i Perlin připouští, že skutečný holografický systém by bylo náročné sladit z hlediska kvality obrazu. Určitě budeme mít komerční holografické displeje, ale může to trvat 20 nebo 30 let, říká.

Strach, že holografická cesta může trvat deset let nebo déle, než dosáhne dokonalosti, vysvětluje, proč dokonce i MIT Media Lab zakrývá své základny: vyvíjí neholografický systém, který funguje podobně jako ten na NYU. Benton ze své strany připouští, že je možné, že skutečná hodnota skutečného holografického videa, alespoň v blízké budoucnosti, může spočívat v nastavení standardu realismu pro pseudoholografické systémy.

Dokud nebude tento standard stanoven, oba týmy budou pokračovat v postupu. Perlin začal zkoumat to, co by bylo obecně považováno za vrchol v plně pohyblivém 3-D: systém, který promítá hologramy do tenkého vzduchu – podle linií projekce princezny Leiy R2-D2 v úvodních minutách originálu. Hvězdné války film. Perlin věří, že ultravysokofrekvenční zvukové vlny by mohly být použity k tomu, aby způsobily, že vzduch ohne světlo natolik, že vytvoří takové hologramy. Jeho studenti již zahájili experimenty s důkazem konceptu, ale uznává, že fungující systém je pravděpodobně desetiletí vzdálen a mohl by být směšně drahý.

Mezitím existuje důvod doufat, že pseudoholografické 3-D systémy budou tak levné a efektivní, že by mohly skončit v mnoha domácnostech před koncem desetiletí. Pak si všichni dopřejeme luxusu trápit se tím, jestli na nich stojí něco, co stojí za to sledovat. Velký problém televize není v tom, že je plochá, říká Benton. Jde o to, že zrušili Twin Peaks po dvou sezónách.

skrýt