Hologrammen in beweging

Een eiwit van een halve meter lang zweeft in de lucht, enkele centimeters voor een monitor. Het ziet eruit als een oversized gekruld lint uit een verjaardagspakket. Terwijl drie moleculair biologen rond het beeld manoeuvreren en het complexe molecuul vanuit verschillende hoeken bestuderen, begint het te vouwen, langzaam te draaien en in elkaar te grijpen tot een verwarde knoop. Zijn vorm is een aanwijzing voor de functie die het in het menselijk lichaam vervult: sommige eiwitten produceren chemische reacties of gedragen zich als een soort steiger voor cellen, terwijl andere helpen bij de celdeling. De creatie van een medicijn dat de werking van een eiwit stimuleert of blokkeert, bijvoorbeeld het voorkomen dat kankercellen zich delen, kan leiden tot effectievere behandelingen. Een van de onderzoekers prikt met een stylus op verschillende punten in het eiwit. Terwijl ze dit doet, vouwt het eiwit zichzelf opnieuw op, waardoor een locatie wordt onthuld die het doelwit kan zijn van een medicijn om de functie van het eiwit te remmen.

Dit soort interactieve wetenschap is onderweg en zal mogelijk worden gemaakt door een nieuwe generatie 3D-videoschermen. De technologie maakt gebruik van de kracht van hologrammen - of redelijke facsimile's daarvan - om verrassend realistische beelden te scheppen die uit het scherm lijken te springen. Stel je de 3D-scènes voor die worden geproduceerd door het eerbiedwaardige View-Master-speelgoed, verhoogd tot 11 op de reality-draaiknop. Maar voor de nieuwe 3D-videobeelden zijn geen speciale weergaveapparaten nodig. Gebruikers hoeven geen hoofddeksel of bril op te doen die de neiging heeft af te leiden en vermoeide ogen kan veroorzaken, zoals bij de huidige zogenaamde 3D-schermen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2002

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Nee. Driedimensionale holografische videobeelden worden gegenereerd door een computer in plaats van te worden vastgezet op een statisch medium; ze worden in full-motion kleur weergegeven en, met input van een gebruiker, on-the-fly gewijzigd. Bovendien kunnen kijkers die rond een holografisch videobeeld bewegen het van alle kanten zien bewegen - een fenomeen dat belangrijk is voor realisme en een fenomeen dat veel conventionele op brillen gebaseerde systemen niet kunnen repliceren.

De hoofdstroom van artsen, wetenschappers, onderzoekers en ontwikkelaars van nieuwe producten die al vertrouwen op hoogwaardige computerschermen om hun werk te visualiseren, zullen dramatische verschillen zien in deze nieuwe technologie. Momenteel wordt hun werk beperkt door de platte, tweedimensionale beelden van conventionele displays. Hoe slim de schermen ook zijn aangekleed, ze kunnen niet alle nuances, ingewikkeldheden en directheid van echte objecten in de 3D-wereld overbrengen. Omdat de nieuwe videohologrammen volledig 3D-beelden produceren die in de ruimte nabij het kijkscherm zweven, kunnen ze door meerdere kijkers vanuit verschillende hoeken worden bekeken. Geofysici die afbeeldingen met een hoge resolutie van rotsformaties onderzoeken, zullen de locatie van verborgen olieafzettingen nauwkeuriger kunnen voorspellen. Industrieel ontwerpers kunnen de carrosserie van een sportwagen aanpassen met de punt van een stylus, waardoor ze onmiddellijk het effect van de verandering op het algehele ontwerp kunnen vaststellen. Militaire commandanten zullen het beste slagveldscenario kunnen visualiseren. Chirurgen zullen beter in staat zijn om de veiligste aanpak te bepalen voor het verwijderen van een hersentumor zonder ooit een mes te hanteren. Op een dag zullen we ons afvragen hoe we vroeger met 2D-beelden omgingen, zegt Stephen Benton, hoofd van de Spatial Imaging Group bij het MIT Media Lab.

De groep is een van de twee baanbrekende onderzoeksteams die de leiding hebben genomen om de nieuwe generatie 3D-beeldschermen te perfectioneren en op de markt te brengen. Benton, een bekend stichtend lid van het lab, is de uitvinder van de holografische regenboogafbeeldingen die op veel creditcards en tijdschriftomslagen voorkomen. Het andere team, van het Media Research Lab van de New York University, werkt aan een goedkopere versie genaamd 3D autostereo display, die binnen enkele jaren een commercieel product zou kunnen worden. De NYU-inspanning wordt geleid door Ken Perlin, een multimedialegende die in 1996 een Technical Achievement Award won van de Academy of Motion Picture Arts and Sciences voor zijn ontwikkeling van een geluids- en textuurtechniek die tegenwoordig veel in films wordt gebruikt.

De twee medialabs leiden de zoektocht, maar ze staan ​​niet alleen in hun zoektocht. In december 2000 lanceerden Ford Motor en het in Londen gevestigde QinetiQ Holographic Imaging, een R&D-bedrijf in Royal Oak, MI, om interactieve imaging-werkstations voor auto-ontwerpers te creëren. En verschillende Japanse groepen hebben zich ook in de strijd gestort, waaronder teams van Sony, NHK Laboratories en Nihon University. Twaalf jaar geleden dacht iedereen dat dit totaal onmogelijk was, zegt Benton. Nu is er echte concurrentie.

De eerste systemen die door deze inspanningen worden geproduceerd, zullen waarschijnlijk gespecialiseerde toepassingen zijn op gebieden zoals chirurgische planning en auto-ontwerp. Maar versies die goedkoop genoeg zijn om als home-entertainment-applicaties te dienen, zouden snel moeten volgen. Miljoenen videogamespelers zouden immers hun linkerduim op het bedieningspaneel geven om in een volledig 3D-versie van Mario's wereld te stappen, waardoor de twee misschien voor altijd overbodig worden. dimensionale weergaven waartoe de meeste schermen beperkt zijn. Kortom, vat Ken Perlin van NYU samen: Alle redenen om de kunstgreep van dingen die plat zijn te verdragen, zullen verdwijnen.

Kristalheldere holografische video

Veel onderzoeksteams werken aan het innoveren van holografische video, maar Benton's Spatial Imaging Group aan het MIT loopt al lang voorop in het veld. Hier bekijken verschillende studenten en medewerkers de problematiek als het ware al 13 jaar van alle kanten. In de afgelopen jaren waren de belangrijkste sponsors van het onderzoek de Amerikaanse marine, die gelooft dat de besluitvormers in oorlogstijd baat zouden hebben bij het bekijken van een 3D-weergave van een strijdlandschap, en Honda, die hoopt dat zijn auto-ontwerpers in staat zullen zijn om 3D-beelden van voorgestelde nieuwe modellen snel. Toen we Honda voor het eerst benaderden, waren we verbaasd te ontdekken dat ze al aan holografie hadden gedacht, zegt Benton.

De inspanningen van het MIT waren vanaf het begin gericht op echte holografische video, die niet alleen de belofte inhoudt van de hoogste kwaliteit 3D-videobeelden, maar ook de meest ontmoedigende technische uitdagingen biedt. De kern zijn de basisstappen voor het maken van een standaardhologram: een laserstraal wordt in tweeën gesplitst. De ene helft is gericht op een object, laten we zeggen een appel. De aanwezigheid van de appel vervormt het patroon van lichtgolven in de bundel en moduleert het. Die straal wordt vervolgens gemaakt om de andere helft te kruisen in lichtgevoelig materiaal. Wanneer de twee bundels elkaar overlappen, interfereren hun verschillende patronen van lichtgolven met elkaar, waardoor een diffractiepatroon van microscopisch kleine lijnen op het lichtgevoelige materiaal wordt geëtst. Het diffractiepatroon werkt als een gecompliceerde lens. Wanneer een laserstraal het verlicht, reflecteren de microscopisch kleine lijnen het licht op een manier die een

3D-afbeelding van de appel.

In plaats van licht en spiegels gebruiken Benton en zijn team speciaal ontwikkelde computeralgoritmen. De algoritmen berekenen de soorten microscopisch kleine lijnen die nodig zijn voor een bepaald hologram, zetten ze om in geluidsgolven en sturen de golven vervolgens naar een stapel telluriumoxidekristallen die de unieke eigenschap hebben om tijdelijk te vervormen wanneer geluidsgolven er doorheen gaan. Die vervorming vormt de microscopisch kleine lijnen van het diffractiepatroon waaruit een hologram bestaat. Een laserstraal die door dat patroon gaat, brengt het beeld van de kristallen naar een beeldscherm ( zie MIT's Mark II Holografische Video, hieronder).

Illustratie door Slim Films

MIT's Mark II Holographic Video Display produceert verrassend aangename en levensechte 3D-beelden. In één demo lijkt een door Honda ontworpen rode prototype-sportwagen onmiddellijk helder in het klein ongeveer een halve meter voor de waarnemer te zweven, waarbij alle sierlijke lijnen van de auto perfect te onderscheiden zijn vanuit verschillende hoeken. Misschien komt het deels door de nieuwigheid van de ervaring, maar de milde flikkering en glinsterende beeldbalken leiden nauwelijks de aandacht af van het intense realisme van het effect.

De groep van Benton verfijnt voortdurend op drie kerngebieden: hardware en software voor de weergave, realisme en beeldkwaliteit en interactiviteit. Wendy Plesniak, een Media Lab-onderzoeker en consultant die als student hielp bij het ontwikkelen van computeralgoritmen voor het holografische videoapparaat, voegde een functie toe die uiteindelijk zou kunnen leiden tot de droommachine van een industrieel ontwerper: een haptische of forcefeedback-interface die het mogelijk maakt om beeldhouw het geprojecteerde beeld met een echt handgereedschap. Terwijl de gebruiker met een stylus port, prikt en kerft, verandert het holografische beeld alsof het klei op een pottenbakkersschijf is, en voelt de gebruiker weerstand alsof ze echt de klei bewerkt.

Plesniak zegt dat de mate van sensatie en controle die wordt geboden door een haptische interface met holografie te combineren, een compleet pad zou bieden in digitale prototyping. In een demonstratie gebruikt ze de stylus om een ​​rood trommelvormig object te snijden alsof het op een draaibank draait; in een andere wordt een bladachtig beeld ingedeukt wanneer er op wordt geprikt. Over het algemeen is het beeld dat door het systeem wordt geproduceerd briljant, lijkt het levensecht en ziet het de hele wereld uit alsof het recht voor de gebruiker in de ruimte zweeft. Bij de meeste 3D-systemen duurt het even voordat het 3D-effect optreedt, en je krijgt nooit zoveel diepte als de wiskunde zegt dat je zou moeten, zegt Benton. Maar die problemen heb je niet met hologrammen.

Het systeem heeft echter nog een lange weg te gaan voordat het waarschijnlijk op de markt zal worden gebracht. Het grootste probleem is dat het maken van een videohologram enorme hoeveelheden gegevens vereist. Dat is misschien niet verrassend, aangezien een hologram niet slechts één weergave van een afbeelding biedt, maar alle weergaven vanuit een willekeurig aantal hoeken. Toch kan het diffractiepatroon van slechts één hologram met hoge resolutie gemakkelijk meer dan een terabyte aan gegevens verbruiken, genoeg om 1600 compact discs te vullen. Een matig flikkervrije holografische video zou minstens 20 van dergelijke hologrammen per seconde vereisen. Het is duidelijk dat het verwerken van 20 terabyte aan informatie per seconde buitenaardse technologie zou vereisen: de snelste pc's van vandaag werken met een honderdduizendste van die snelheid. Als gevolg hiervan accepteert de Mark II een aantal compromissen in beeldkwaliteit om de computervereisten terug te brengen tot een beheersbare 16 megabyte per seconde. Het systeem gebruikt een enkele kleur, maakt slechts 10,16 x 12,7 centimeter beelden en genereert een flikkerende frame-update rate van ongeveer zeven beelden per seconde. Omdat het beeld bovendien is ontdaan van de informatie die nodig is om het zicht van een waarnemer op de boven- of onderkant te accommoderen, verandert het beeld alleen als de waarnemer heen en weer beweegt. Het is verbazingwekkend hoe weinig mensen merken dat er niets verandert als je er overheen of eronder kijkt, zegt Benton.

Een hardware-remake die in de maak is, zou het systeem veel dichter bij commercialisering moeten brengen. De doelen voor de revisie zijn onder meer het overschakelen naar een parallelle microprocessoropstelling die in staat is om de hoge verwerkingssnelheden te realiseren die nodig zijn om een ​​groter beeldformaat, een grotere resolutie en een snellere framesnelheid te bereiken.

Daarnaast hoopt de groep de sprong te maken naar een beeldscherm met ultrahoge resolutie op basis van micro-elektromechanische systemen. Die technologie zou duizenden kleine spiegels en laserstralen gebruiken, die elk één pixel van een heel diffractiepatroon creëren. Dergelijke displays zullen naar verwachting pas over een paar jaar bestaan, maar Benton merkt op dat zijn groep niet van plan is om zijn werk de komende vier jaar commerciële vruchten af ​​te werpen. Holografie is moeilijk, zegt hij met een zucht. Het is dan ook een van de langstlopende projecten van het Media Lab.

pseudoholografie

Ondertussen, bij NYU's Center for Advanced Technology, de andere vroege leider in de race om deze nieuwe golf van 3D te produceren, gebruikt de groep van Perlin een niet-holografische techniek die in staat is om dynamische, hoek-aangepaste beelden te leveren die eruitzien als die geproduceerd door holografische systemen . Bovendien worden de beelden niet opgeroepen met ingewikkeld gemodificeerd laserlicht. In plaats daarvan worden ze weergegeven op een relatief gewone monitor in een benadering die Perlin een holografische interface noemt. De groep haalt dit voor elkaar door te profiteren van het feit dat het grootste deel van de enorme en kostbare verwerkings- en weergavekracht die nodig is om holografische video te produceren, uiteindelijk verloren gaat: een hologram levert meer beelden op dan de ogen van de kijkers; het biedt ook oogverblindende, hoek-aangepaste beelden aan de vele duizenden plaatsen waar er geen oogballen zijn om ze te waarderen. Elk van deze verschillende niet-waargenomen beelden moet worden berekend, verzonden en weergegeven, omdat er geen praktische manier is om de holografische dekking te beperken tot de specifieke kijkhoeken van een waarnemer. Het is alsof je een olifantengeweer hanteert om een ​​vlieg af te schieten, zegt Perlin. Zijn systeem geeft daarom beelden weer die zijn afgestemd op de precieze positie van een waarnemer.

Hoewel de NY3D-technologie van NYU geen gebruik maakt van holografie, biedt het een waarnemer dezelfde kijkervaring als een holografisch systeem: het mechanisme is stereoscopisch, waardoor het linker- en rechteroog verschillende beelden krijgen, en de beelden veranderen met de kijkhoek. En natuurlijk is er geen bril nodig.

Het overhalen van hologramachtige afbeeldingen van een gewoon scherm vereist twee trucs. De eerste komt in de vorm van een transparant liquid-crystal display (LCD) dat de weergave van het beeld op een monitor verandert. Het beeldscherm zit een halve meter voor de monitor. Daarop flitsen zwarte strepen van ongeveer drie centimeter breed aan en uit en blokkeren verticale delen van het beeld - laten we zeggen een bal - op de monitor erachter. Het effect is voor de kijker niet duidelijk, omdat de strepen 180 keer per seconde verschuiven. De snelheid is te hoog voor het brein van de kijker om de locatie van elke streep te registreren en geeft de monitor tegelijkertijd de kans om de ontbrekende banen voor elk oog in te vullen. Het resultaat is dat elk oog een iets ander beeld ziet door de openingen in de sluiterstrepen - die een stereoscopisch gevoel van diepte produceren (NYU's NY3D-systeem, deze pagina). Dit alles werkt prima, zolang de oogbollen van de kijker zich precies daar bevinden waar het systeem ze verwacht, waarbij elk oog in lijn ligt met de juiste beeldstroken op de monitor. Om ervoor te zorgen dat dit het geval is, gebruikt het systeem van Perlin een tweede truc, waarbij actief de ogen van de waarnemer worden gevolgd met twee kleine camera's die boven de monitor zijn gemonteerd. Bovendien geeft een set infrarood light-emitting diodes (LED's) naast de camera's de kijker een onopvallend geval van rode-ogen-achter-het-oog-gloed die lange tijd de vloek is geweest van amateurfotografen. De camera's kunnen de heldere pupillen van de kijker gemakkelijk isoleren, waardoor ze de ogen kunnen volgen en de locatie van de verschuivende strepen kunnen aanpassen, zodat ze het beeld altijd blokkeren op een manier die het stereoscopische effect ondersteunt.

Natuurlijk komt het realisme van een hologram niet alleen voort uit zijn stereoscopische eigenschappen; holografische afbeeldingen kunnen vanuit alle hoeken worden bekeken terwijl het hoofd van de kijker eromheen beweegt. Dankzij de mogelijkheden om de ogen te lokaliseren, kan het NYU-systeem gemakkelijk hoofdbewegingen volgen en de beelden op de monitor vrijwel onmiddellijk wijzigen als dat nodig is. En inderdaad, een systeemdemo die een roterende skeletvoet toont, bevestigt niet alleen dat het een duidelijk, volledig 3D-beeld oplevert, maar ook dat het één persoon in staat stelt het beeld vanuit verschillende hoeken te beoordelen, inclusief van boven of van onder. (De groep werkt ook aan een systeem dat tegelijkertijd 3D-weergaven zou bieden aan meerdere waarnemers, zoals een team van chirurgen die debatteren over de beste aanpak van een moeilijke procedure of een groep videogamespelers die strijden op een gedeelde monitor.) het resultaat is zo realistisch, zegt Joel Kollin, een onderzoeker bij het Center for Advanced Technology, dat eventuele kopers van het display het misschien gewoon aan de muur willen hangen, waar het afbeeldingen zou presenteren, bijvoorbeeld een Fiji-strand of een Parijse boulevard. die daadwerkelijk veranderen met betrekking tot de kijkhoek. Het is net alsof je uit een raam kijkt, zegt hij. Als student aan het MIT Media Lab eind jaren tachtig was Kollin grotendeels verantwoordelijk voor het bouwen van het eerste holografische videosysteem van die groep.

Met de recente toename van concurrentie van groepen bij Sony, Ford en andere bedrijven, is een dergelijk systeem misschien wel betaalbaar genoeg om in de komende jaren een aantal elementaire toepassingen mogelijk te maken ( zie bedrijven die in drie dimensies werken hieronder ). Omdat dat systeem alleen de weergaven hoeft te berekenen en weer te geven die op een bepaald moment door de positie van de kijker worden gesignaleerd, vereist het alleen de crunch-kracht van een gewone pc. Het LCD-scherm, de eye-tracking-LED's, een hoogwaardige monitor en de software zouden niet veel moeten toevoegen aan de totale prijs. Perlin voorspelt dat vroege productieversies die gericht zijn op gespecialiseerde markten, zoals chirurgische planning, binnen drie jaar op de markt zullen komen en in de buurt van $ 5.000 zullen kosten, terwijl de eerste volledig holografische systemen waarschijnlijk tienduizenden dollars zullen kosten. Nog beter, zegt Perlin, een paar jaar nadat de eerste systemen verschijnen, zullen massamarktversies van de etalage waarschijnlijk slechts een paar honderd dollar meer verkopen dan een gewone monitor, waardoor het een realiteit wordt voor het gemiddelde huishouden. Perlin, die een bedrijf heeft afgesplitst om de technologie te commercialiseren, zegt dat de onderneming, NY3D, al in gesprek is met verschillende grote bedrijven, waaronder Philips en IBM, die geïnteresseerd zijn in het verwerven van rechten om het scherm te produceren.

Maar hoewel de pseudoholografische benadering van Perlin een geweldig kostenvoordeel heeft en, althans voorlopig, bepaalde prestatievoordelen ten opzichte van echte holografische systemen, heeft het ook een paar nadelen. Het systeem heeft af en toe moeite om de gloeiende ogen van de kijker vast te houden, en snelle hoofdbewegingen kunnen het in de war brengen, waardoor de gebruiker een tijdelijk verlies van het 3D-effect ervaart. Bovendien valt het beeld, dat onderhevig is aan een aantal licht afleidende artefacten, waaronder verticale balken, weifelen en nevenbeelden, een beetje achter bij het scherpe realisme van een echt holografisch beeld. Veel van die kloof zal kleiner worden naarmate het systeem overgaat van een onbewerkt prototype naar een commerciële versie, maar zelfs Perlin geeft toe dat een echt holografisch systeem een ​​uitdaging zou zijn om te evenaren voor de beeldkwaliteit. We zullen zeker commerciële holografische displays hebben, maar het kan 20 of 30 jaar duren, zegt hij.

De angst dat de holografische route een decennium of langer zou kunnen duren om perfectie te bereiken, verklaart waarom zelfs het MIT Media Lab zijn bases bedekt: het ontwikkelt een niet-holografisch systeem dat ongeveer hetzelfde werkt als dat van NYU. Van zijn kant geeft Benton toe dat het mogelijk is dat de echte waarde van echte holografische video, althans in de nabije toekomst, ligt in het stellen van een standaard voor realisme voor pseudo-holografische systemen.

Tot die norm is vastgesteld, zullen beide teams doorgaan. Van zijn kant is Perlin begonnen met het onderzoeken van wat algemeen zou worden beschouwd als het ultieme in full-motion 3D: een systeem dat hologrammen in de lucht projecteert, in de lijn van R2-D2's projectie van prinses Leia in de eerste minuten van het origineel. Star Wars film. Perlin is van mening dat ultrahoogfrequente geluidsgolven kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat lucht licht genoeg buigt om dergelijke hologrammen te vormen. Zijn studenten zijn al begonnen met proof-of-concept-experimenten, maar hij erkent dat een werkend systeem waarschijnlijk tientallen jaren ver weg is en belachelijk duur kan zijn.

In de tussentijd is er reden om te hopen dat pseudoholografische 3D-systemen zo goedkoop en effectief zullen worden dat ze voor het einde van het decennium in veel huizen terecht kunnen komen. Dan hebben we allemaal de luxe om ons zorgen te maken of er iets is dat de moeite waard is om naar te kijken. Het grote probleem met televisie is niet dat het plat is, zegt Benton. Het is dat ze hebben geannuleerd Twin Peaks na twee seizoenen.

zich verstoppen