Si observa obras de la categoría de ciencia ficción, puede encontrar muchos elementos comunes. Por supuesto, una de las más obvias son las tecnologías increíbles: robots, naves espaciales, cámaras de estasis, etc. Los hologramas se pueden clasificar con seguridad entre los líderes en términos de frecuencia de apariciones en películas, juegos y películas. El antepasado de los hologramas es, como era de esperar, Isaac Asimov, quien menciona esta tecnología en la serie de novelas de la Fundación. El primer debut cinematográfico del holograma fue la película de 1974 Zardoz, protagonizada por Sean Connery. Desde entonces, los hologramas han comenzado a aparecer en prácticamente todas las películas de ciencia ficción hasta el punto de que la tecnología ha dejado de sorprender y, en ocasiones, ha comenzado a causar una absoluta aversión por su increíble versatilidad como herramienta para trazar. Pero,A pesar de las quejas de disgusto de algunos cinéfilos, los científicos de todo el mundo tienen un gran interés en esta increíble tecnología. Un grupo de investigadores de la Universidad Brigham Youngham (EE. UU.) Ha creado una nueva versión de la tecnología para visualizar imágenes holográficas que literalmente cobran vida ante nuestros ojos. Este trabajo ya esta cubierto en Habré , pero echémosle un vistazo más de cerca. ¿Cuál es el secreto de los hologramas en movimiento, cuál es su característica y cómo se ve todo? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Ir.
Base de investigación
En 2018, se publicó un trabajo ( Una pantalla volumétrica de trampa fotoforética ), en el que los científicos describen un dispositivo para la visualización volumétrica utilizando trampas fotoforéticas * ( trampa fotoforética ). El funcionamiento del dispositivo se basa en mantener la partícula en una trampa fotoforética, que arrastra la partícula por cada punto activo de la imagen en el espacio libre (hasta 1 cm 3 ).
* — , , () (), . .Cuando una partícula se mueve a través del espacio libre, es iluminada por un láser visible para formar una imagen que una persona puede ver.
Esta tecnología es nueva y requiere la solución de muchos problemas, los principales son aumentar el volumen de espacio libre de 1 cm 3 a 100 cm 3 y eliminar la incapacidad fundamental de las pantallas volumétricas para crear imágenes virtuales en el espacio libre. El segundo problema se convirtió en la tarea principal del estudio que estamos considerando.
Imagen # 1
En este trabajo, usamos imágenes fotoforéticas basadas en una trampa óptica (OTD de pantalla de trampa óptica), capaz de crear objetos planos y tridimensionales en el aire ( 1b y 1c ).
Con la ayuda de OTD, puede crear una imagen en el borde del volumen del espacio de trabajo y cambiar su paralaje aparente para que el observador sienta que la imagen está detrás del volumen del espacio de trabajo ( 1d ). Este efecto se llama "proyección en perspectiva" y se logra en OTD cambiando la escala, la forma y el paralaje de un objeto en el plano de la imagen de fondo a medida que el observador se mueve. En este caso, el plano en sí también puede girar para mirar al observador, si es finito (es decir, no esférico).
Los autores de estudios anteriores señalan que existe una limitación: todos los puntos de la imagen deben estar a lo largo de una línea que va desde el observador a través del volumen de la pantalla. Los puntos que el usuario percibe en el panel trasero ya no son tridimensionales porque ya no coinciden con la dispersión física, por lo que pierden el atributo de acomodación ideal * , pero adquieren la capacidad de aumentar drásticamente el tamaño de la imagen percibida.
La acomodación * es un entorno fisiológico del ojo que le permite mantener el objeto enfocado cuando cambia la distancia al ojo.Con la proyección en perspectiva, OTD puede generar simultáneamente puntos de imagen real en 3D para el primer plano y puntos de imagen simulados que no son en 3D para el fondo.
Teoría de dispositivos
Como ya hemos entendido, las imágenes de trampas ópticas funcionan manteniendo una o más partículas en una trampa fotoforética. En diferentes obras, el papel de las partículas confinadas fue jugado por una variedad de materiales con geometrías y dimensiones muy diferentes. En este trabajo se utilizaron partículas de celulosa con un tamaño de 10 micrones. Cuando la trampa se movió, las partículas se movieron con ella, pasando por todos los puntos de la imagen. Cuando la partícula alcanzó cierto punto en la imagen, fue iluminada por una combinación de luz roja, verde y azul.
El paso de una partícula a través de un punto ocurrió varias veces por segundo, creando una imagen visible para una persona ( 1a). El sistema visual humano puede procesar de 10 a 12 fotogramas por segundo y percibirlos individualmente, mientras que las velocidades más altas se perciben como movimiento. Por lo tanto, 10 fotogramas por segundo pueden considerarse el límite inferior de un "fondo" convincente para esta técnica de imagen.
Cuanto mayor sea la resolución del sistema y la frecuencia de actualización, más convincente puede ser este efecto, ya que el observador no podrá percibir las actualizaciones de las imágenes mostradas.
Una de las formas más comunes de perspectiva es el trazado de rayos, en el que el observador (persona o cámara) es tratado como un solo punto E = (x 0 , y 0 , z 0) más el punto de visualización de la imagen X = (x, y, z) y el plano en el que se muestra P. Encontrar la intersección de la línea EX con el plano P da la coordenada X en píxeles. La proyección en perspectiva se puede definir mediante la siguiente relación matricial para el plano P perpendicular a la línea EO, donde O es el origen:
La matriz de proyección en perspectiva está diseñada para proyectar una escena desde el espacio a un plano. Esto permite que los puntos 3D se muestren utilizando una superficie 2D.
Prueba práctica del dispositivo
Para demostrar imágenes virtuales simuladas utilizando paralaje modificado (proyección en perspectiva), se creó una imagen OTD plana (2D) de la luna en la parte posterior del espacio de trabajo. Este plano, a su vez, estaba en la parte frontal de la miniatura tridimensional de la casa ( 2b ).
Imagen n. ° 2
La cámara (observador) se colocó sobre un trípode giratorio ( 2a). La velocidad de fotogramas de la luna renderizada se mantuvo a 12 fotogramas por segundo. El número de vóxeles (píxeles volumétricos) por segundo renderizados durante los experimentos fue de aproximadamente 10.000 por segundo. La frecuencia de actualización de las imágenes vectoriales fue de 28 Hz, sin embargo, cuanto mayor es la velocidad, menor es la calidad. Por lo tanto, se decidió bajar la frecuencia a 12 Hz, lo que reduce el efecto de parpadeo.
La función de reproducción de imágenes OTD cambió la proyección de perspectiva en sincronía con el movimiento del brazo de la cámara. La velocidad del movimiento de la cámara fue de aproximadamente 0,0194 m / s. La cámara estaba enfocada en la chimenea de una casa (aproximadamente z = 2 mm). El radio de giro era de 100 mm hasta el borde frontal de la lente de la cámara. Las dimensiones de la casa eran 7,7 x 10,6 x 7,4 mm. El diámetro inicial de la luna era de 0,5 mm y la velocidad de su movimiento era de 12 fotogramas por segundo.
Resultados de la investigacion
Imagen # 3
En 3a - 3c, la luna se "dibuja" en el plano frente a la casa (z = 0 mm), mientras que no cambia, proporcionando una imagen de referencia. En 3d - 3f, la luna todavía se dibuja en z = 0, pero a medida que la cámara gira, la luna se desplaza hacia un lado para obtener un paralaje correspondiente al objeto percibido en z = 8 mm. En 3g - 3ivideo de la cámara superpuesto en la simulación de Blender (ambos con proyección en perspectiva habilitada). En este caso, hay un cambio insignificante causado por la imperfección del dispositivo, pero el paralaje relativo es consistente con los resultados de la simulación con alta precisión (el error promedio fue solo del 5,88%).
El análisis de los resultados experimentales mostró que el paralaje modificado en realidad crea imágenes percibidas detrás del espacio de trabajo. El paralaje modificado después de tener en cuenta el sesgo mostró un buen acuerdo con los resultados de la simulación, lo que indica la eficiencia potencial de aumentar el espacio de visualización de una pantalla volumétrica más allá de los límites físicos de la pantalla.
A pesar de los resultados anteriores, esta técnica tiene algunas limitaciones: no hay disparidad * , la necesidad de rastrear la posición de los ojos del observador y la discrepancia entre la acomodación / vergencia * y otras señales visuales.
* — .
* — , .Los experimentos se llevaron a cabo utilizando una cámara, es decir monóculo. Para que la técnica de formación de imágenes de hologramas sea eficaz para los seres humanos, es necesario realizar un paralaje binocular preciso. Y para ello, el OTD debe haber controlado la dispersión anisotrópica.
La segunda limitación relacionada con el seguimiento del observador es un problema bastante serio, ya que las imágenes OTD convencionales no requieren conocimiento de la posición del usuario y aún proporcionan un ángulo de visión de casi 4π estereorradián * .
Sin embargo, si se logra la dispersión direccional, el seguimiento del observador se puede eliminar en al menos dos dimensiones (horizontal y vertical). La tercera dimensión (la distancia del observador a la imagen) seguirá siendo necesaria para una perfecta reconstrucción de la perspectiva, ya que la proyección en perspectiva se basa en el punto de observación tridimensional.
Estereorradián * es una unidad de medida para ángulos sólidos, es decir, parte del espacio, que es la unión de todos los rayos que emanan de un punto dado (vértice de la esquina) y se cruzan con alguna superficie. El ángulo sólido completo (esfera completa) es 4π estereorradián.
La limitación final es el desajuste entre la marca de acomodación, que hace que el usuario se enfoque en el plano de proyección, y la marca de paralaje, que hace que el espectador se enfoque en el punto percibido. Esta discrepancia entre la estereopsis * y la acomodación puede provocar efectos secundarios adversos para el observador.
Stereopsis *: percepción binocular de la forma, el tamaño y la distancia al objeto; sentido subjetivo de la profundidad del espacio.Para mitigar los efectos negativos, es necesario colocar el plano de proyección en perspectiva a una distancia donde el paralaje es más importante que la acomodación.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .
Epílogo
En este trabajo, los científicos demostraron por primera vez la aplicación práctica de OTD para crear un efecto similar a imágenes virtuales en pantallas con trampa óptica.
Todo esto fue posible gracias al trabajo de los científicos, que hicieron en 2018. Luego pudieron crear una técnica para visualizar objetos en el espacio libre. La base de esta técnica son las trampas ópticas, que atrapan partículas en el aire mediante un láser. A medida que la partícula se mueve, sigue la trampa, dejando tras de sí un camino iluminado por láser flotando en el aire. Los autores de la técnica la llamaron "impresora 3D para luz".
Según los autores del estudio, la mayoría de las pantallas 3D requieren que el espectador mire la pantalla, pero su diseño permite que las imágenes presentes físicamente floten en el espacio libre. En otras palabras, este es un objeto real, no una especie de ilusión.
Un video en el que los autores del estudio hablan de su creación.
En el futuro, los autores del trabajo pretenden mejorar su desarrollo, incluido el aumento del espacio de trabajo del dispositivo. Según ellos, si elige el paralaje de movimiento correcto, puede aumentar visualmente el tamaño del espacio de trabajo sin aumentarlo físicamente. Este truco creará la ilusión de una pantalla de un tamaño infinito, dicen los científicos.
Los hologramas pueden estar bastante hartos de todo el mundo, dada su frecuencia en películas, literatura y videojuegos. Sin embargo, en el mundo real, todavía son extremadamente raros y sus capacidades son muy limitadas. Por eso, mientras admiramos los hologramas en el cine con admiración (o disgusto), los científicos siguen trabajando duro para que esta tecnología deje de ser ciencia ficción y se vuelva tan real y mundana para nosotros como para los héroes del cine.
Gracias por su atención, mantengan la curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, chicos. :)
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