Мечта о создании настоящих трехмерных голограмм — одна из самых вдохновляющих в истории технологий. Задумка корнями уходит во времена Жюля Верна. Яркий пример — иллюзия, которая упоминается романе «Замок в Карпатах». А из более современного — красивые проекции в «Звездных войнах» и «Бегущем по лезвию».
На самом деле, подобные технологии ближе, чем кажется. Не без условностей, но сегодня уже есть интересные концепты или иллюзии, которые проецируют псевдо-2D. В этой статье я расскажу о существующих технологиях, позволяющих создавать голографические эффекты, а также разберу их принцип работы. Подробности под катом!
Почему пока нет настоящих голограмм
Настоящие голограммы — это сложная задача. Требования к точности отображения объема, скорости обновления изображения и взаимодействия с ним — все это создает серьезные технические барьеры. Подумайте сами: можете ли вы ограничить в свободной среде луч от указки? А еще придать ему форму, сложить с другими лучами в хоть сколько-то не примитивную фигуру? Я — нет.
Главная задача — необходимо как-то управлять светом так, чтобы он создавал ощущение объема в пространстве независимо от ракурса. Для этого нужны либо очень точные оптические системы, либо новые материалы и методы генерации изображений, которые адаптируют проекции относительно наблюдателей. Пока что большинство технологий либо ограничены в качестве и разрешении, либо требуют специальных условий. Хоть это и звучит довольно пространно, по ходу статьи вы поймете, о чем я говорю.
Selectel Tech Day — 8 октября
Разберем реальный опыт IT-команд, технический бэкстейдж и ML без спецэффектов. 15 стендов и интерактивных зон, доклады, мастер-классы, вечерняя программа и нетворкинг. Участие бесплатное: нужна только регистрация.
Технологии прошлого
Все началось с голографии на основе интерференции света. Это классическая технология, которая лежит в основе всех представлений о голографии. В основе — интерференция двух световых лучей: объектного (от предмета) и опорного (от лазера). Когда эти лучи пересекаются на светочувствительном материале или цифровом сенсоре, они создают интерференционный узор — голограмму. Позже при подсветке этой записи лазерным лучом изображение восстанавливается в объеме.
Первый полноценный голографический снимок был создан в 1947 году физиком Деннисом Габором (Dennis Gabor), за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году. Однако для получения ярких трехмерных изображений требовался мощный лазер — его появление произошло только в 1960-х годах.
Забавно, что голограмма была получена в ходе попытки повысить разрешающую способность электронных микроскопов той эпохи. Вот так бывает, когда делаешь одно, а получаешь другое — но не хуже.
С тех пор технология получила распространение в высокоточных дисплеях и разных НИОКР. Такая голограмма отличается хорошим качеством, ведь фотополимер — это не набор пикселей с ограниченным числом точек, а плотная структура. Особенно хорошо голография на основе интерференции зарекомендовала себя в архивировании научных и исторических объектов. Первая голограмма — тому подтверждение.
Но это все же: статика и полноценные установки на этапе производства голограмм — что вообще не похоже на технологии, представленные в фильмах. Куда интереснее — мультиплексная голограмма Ллойда Кросса.
Она состоит из десятков ракурсов, каждый из которых видно только под определенным углом. Для этого Ллойд Кросс, создатель технологии, использовал голографическую передачу белого света и камеру с 35-мм фотопленкой.
Посмотреть на процесс изготовления мультиплексной голограммы можно на Дзене.
Изображение создается путем проецирования нескольких ракурсов на плоскость, в результате чего формируется объемное изображение, которое можно наблюдать под разными углами.
Мультиплексная голограмма:
Что-то напоминает, не так ли? Прям магнитик на холодильнике.
Массовые технологии
Начнем с масс маркета и того, что используется на разных мероприятиях — проекционных голографических дисплеев. Данная технология использует отражение изображения на прозрачной пленке или стекле, если речь о больших инсталляциях, под углом к зрителю. В результате создается иллюзия трехмерного объекта «в воздухе». Эта технология широко использовалась еще в театрах XIX века и получила новое развитие с появлением цифровых проекторов.
При этом само изображение голограммой язык не поворачивается назвать. Но зато такие дисплеи входит в число технологий, которые активно используются массовым потребителем. Есть дисплеи на любой вкус и цвет:
Эффект Пеппера, или призрак Пеппера, на базе которого реализована технология, простой в реализации и не требует сложных оптических систем. Однако вы получаете хоть и детализированное изображение, но с ограниченной глубиной и углом обзора. Ну и есть конструкция, которая напоминает «шкатулку». И если вы захотите вывести голограмму с человека, понадобится довольно монструозная подложка.
Куда интереснее смотрится так называемый спин-стенд, или голографический вентилятор. Это устройство, которое использует вращающиеся светодиодные лопасти. При быстром вращении светодиоды создают иллюзию парящего в воздухе объемного изображения. Наверняка вы уже встречали подобные установки у различных магазинов. Надо признать, смотрятся они эффектно и менее монструозно, чем прошлое решение. Но проблемы остаются прежними: глубина и угол обзора ограничены — все зависит от ракурса. То есть это такая же игрушка, как и прошлое устройство, хоть и более привлекательное, например, в качестве второго монитора при проектировании моделей в CAD и САПР.
Современные технологии
А вот теперь мы обсудим то, что по-настоящему напоминает технохардкорные изобретения и больше всего похоже на футуристичные голограммы. Нет никаких лишних подложек — только научные хитрости.
И первая на очереди — ультразвуковая голография, она же — гаптическая голография. Сразу оговорюсь: это концепт, который представили Бен Лонг и его коллеги из Бристольского университета в Великобритании. Принцип работы ухищренный: пользователь может почувствовать объект с помощью множества ультразвуковых излучателей (частота колебаний итоговой интерференционной картины — от 0,4 до 500 Гц). В результате вы тактильно ощущаете голограмму, хоть и не видите ее.
Команда добавила датчик Leap Motion для отслеживания точного положения рук пользователя. Знание, где находятся руки по отношению к виртуальному объекту, означает, что система может направлять ультразвук в нужное время и на нужной частоте, чтобы создать ощущение прикосновения к различным частям объекта. Это создает впечатление, что вы исследуете поверхность объекта, двигая руками в пустом пространстве.
Подобная технология позволяет проецировать голограммы и на жидкость, что достаточно хорошо показано в видеоролике:
Можно ли это считать полноценной голограммой? Хороший вопрос. Акустическая модуляция позволяет получать разные объемные изображения, но это будут все же примитивы без детализации. Плюс не стоит забывать, что это скорее технология виртуальной реальности, ведь основной костяк — тактильные ощущения.
Но что будет, если между акустическими излучателями поместить… пенопласт? Получится голография на основе акустической левитации. Массив звуковых излучателей создает определенную картину стоячих волн, в которых полистироловый 2 мм-шарик буквально висит.
Таким образом, меняя конфигурацию акустических излучателей, шариком можно управлять. А если направить на него свет, в темноте можно получить объемное изображение — к которому, правда, лучше лишний раз не прикасаться. Эту технологию придумали исследователи из Университета Сассекса в Великобритании.
Как сообщает издание The Guardian, благодаря точному управлению ультразвуковым полем ученые могут добавлять звуковые эффекты и музыку к анимированным изображениям. Вибрации можно настроить так, чтобы воспроизводить звуковые волны во всем диапазоне человеческого слуха и, например, имитировать четкую и разборчивую речь. Кроме того, с изображениями можно взаимодействовать и даже ощущать их руками.
Прототип устройства, представленный учеными, использует всего один шарик и способен создавать изображения внутри воздушного куба со стороной 10 см. Однако в будущем исследователи уверены, что можно будет применять более мощные преобразователи с несколькими шариками одновременно для создания более крупных анимаций.
Шрирам Субраманян, один из разработчиков технологии, отметил, что такие голограммы могут использоваться для создания различных видов визуальных развлечений:
«Допустим, вы хотите почувствовать себя Гарри Поттером. Вы можете просто протянуть руку, произнести заклинание, и в руке у вас появится светящийся шар, который будет даже издавать соответствующий звук».
Похожая по результату, но другая по устройству технология — HoloVect. Установка, используя преломление лазерного луча на потоках влажного горячего воздуха позволяет создавать объемные проекции размером 12x12x12 см с частотой обновления около 50 Гц. При этом сама проекция — перекрестная.
По словам разработчика, модель Holovect Mk II — так называется последняя версия устройства — будет полезна для предварительного просмотра заданий, отправляемых на 3D-принтер, а также для применения в образовательных и рекламных целях. Но это уже относительно старый стартап, с момента реализации (2016 год) прошло достаточно времени. Есть более интересная, хоть и менее стабильная технология.
Можно использовать то, что пространство, в котором мы хотим создать изображение, обычно наполнено воздухом — если вы не в космосе, конечно. И если сфокусировать мощный лазерный луч в газе, происходит его ионизация. Это называют лазерно-индуцированным пробоем. Выглядит, как яркая светящаяся точка, на мгновение возникающая в воздухе. И если довольно быстро менять место фокусировки луча, можно рисовать объемные фигуры.
Сегодня даже есть проект, использующий мощные инфракрасные импульсные лазеры, проецирующий около тысячи точек в секунду. Выглядит интересно, но звучит как сварочный аппарат. Более того, в процессе вырабатывается много озона, вредного для здоровья. А прикосновение к такой голограмме по ощущениям напоминает наждачную бумагу — отмечают те, кому удалось это попробовать.
Можно пойти по другому пути и для голографии использовать не один источник, а целый массив. Именно так и сделали разработчики проекта Voxon VX1, который сегодня получил продолжение в виде Voxon VX2. Получится объемный дисплей, в котором объект словно висит в воздухе. Но в реальности это просто матрица из светящихся точек, которая быстро колеблется вверх-вниз.
Демонстрация Voxon VX2:
Voxon VX2, как и другие устройства Voxon Photonics, работает по принципу воксельной объемной визуализации. В основе работы лежит высокоскоростной вращающийся диск со светодиодами (VLED), который формирует 3D-объект, путем быстрой проекции срезов 3D-модели на этот вращающийся диск. В результате, благодаря инерции человеческого зрения эти срезы сливаются в единое объемное изображение, которое можно рассматривать под разными углами без специальных очков.
Заключение
Понятно одно: сложно найти решение, которое будет отвечать всем хотелкам. Для меня идеальная голограмма — та, которая воспроизводится в объеме независимо от ракурса, а еще — не поддается искажениям при появлении препятствий. При этом важно, чтобы она могла функционировать в относительно свободном пространстве, пусть и с нагретым или влажным воздухом.
Интересно узнать, на какую технологию ставите вы. Есть ли шанс у стартапов вроде HoloVect или Voxon? И если да, какая технология кажется более перспективной и почему? Поделитесь своим мнением в комментариях.