Hologrammer i bevægelse

Et halv meter langt protein svæver i luften, flere centimeter foran en skærm. Det ligner et oversize krøllet bånd fra en fødselsdagspakke. Mens tre molekylærbiologer manøvrerer rundt i billedet og studerer det komplekse molekyle fra forskellige vinkler, begynder det at folde sig, langsomt at sno og gribe ind i en sammenfiltret knude. Dens form er et fingerpeg om den funktion, den udfører i den menneskelige krop: nogle proteiner producerer kemiske reaktioner eller opfører sig som en slags stillads for celler, mens andre hjælper med celledeling. Oprettelse af et lægemiddel, der tilskynder eller blokerer for et proteins handling, for at forhindre kræftceller i at dele sig - kan føre til mere effektive behandlinger. En af forskerne bruger en stylus til at proppe proteinet på flere punkter. Mens hun gør det, folder proteinet sig selv igen og afslører et sted, der kunne målrettes med et lægemiddel for at hæmme proteinets funktion.

Denne form for interaktiv videnskab er på vej, og den vil blive muliggjort af en ny generation af 3-D videoskærme. Teknologien henter kraften fra hologrammer - eller rimelige faksimiler deraf - til at diske op med overraskende realistiske billeder, der ser ud til at springe ud af skærmen. Forestil dig 3-D-scenerne produceret af det ærværdige View-Master-legetøj skruet op til 11 på reality-skiven. Men de nye 3-D-videobilleder kræver ikke specielle visningsenheder. Brugere behøver ikke at tage hovedbeklædningen eller brillerne på, der har tendens til at være distraherende og kan forårsage anstrengte øjne, som de gør med nuværende såkaldte 3-D-skærme.

Denne historie var en del af vores november 2002-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Nej. Tredimensionelle holografiske videobilleder vil blive genereret af en computer i stedet for at blive fikseret i et statisk medium; de vil blive vist i fuld bevægelsesfarve og, med input fra en bruger, ændret på farten. Hvad mere er, seere, der bevæger sig rundt på et holografisk videobillede, vil være i stand til at se det bevæge sig fra alle sider - et fænomen, der er vigtigt for realismen, og et fænomen, som mange konventionelle brillebaserede systemer ikke kan kopiere.

Hovedstrømmen af ​​læger, videnskabsmænd, forskere og nye produktudviklere, der allerede er afhængige af avancerede computerskærme til at visualisere deres arbejde, vil se dramatiske forskelle i denne nye teknologi. I øjeblikket er deres arbejde begrænset af de flade, todimensionelle billeder af konventionelle skærme. Uanset hvor smart skærmene er klædt op, kan de ikke formidle alle nuancerne, forviklingerne og umiddelbarheden af ​​rigtige objekter i 3-D-verdenen. Fordi de nye videohologrammer producerer fuldt 3D-billeder, der svæver i rummet nær visningsskærmen, kan de undersøges fra forskellige vinkler af flere seere. Geofysikere, der undersøger billeder i høj opløsning af klippeformationer, vil være i stand til at forudsige placeringen af ​​skjulte olieforekomster med større nøjagtighed. Industrielle designere vil være i stand til at modificere en sportsvogns krop ved hjælp af spidsen af ​​en stylus, hvilket øjeblikkeligt etablerer ændringens effekt på det overordnede design. Militære chefer vil være i stand til at visualisere det bedste slagmarksscenarie. Kirurger vil være bedre i stand til at bestemme den sikreste tilgang til at fjerne en hjernetumor uden nogensinde at bruge en kniv. En dag kommer vi til at undre os over, hvordan vi plejede at finde os i 2D-billeder, siger Stephen Benton, der leder Spatial Imaging Group på MIT Media Lab.

Gruppen er en af ​​to banebrydende forskerhold, der fører an i opgaven med at perfektionere og kommercialisere den nye generation af 3-D-skærme. Benton, et kendt stiftende medlem af laboratoriet, er opfinderen af ​​de holografiske regnbuebilleder, der vises på mange kreditkort- og magasinforsider. Det andet hold, på New York Universitys Media Research Lab, arbejder på en billigere version kaldet 3-D autostereo-display, som kan blive et kommercielt produkt inden for de næste par år. NYU-indsatsen ledes af Ken Perlin, en multimedielegende, der vandt en Technical Achievement Award fra Academy of Motion Picture Arts and Sciences i 1996 for sin udvikling af en lyd- og teksturteknik, der er meget brugt i film i dag.

De to medielaboratorier leder søgen, men de er ikke alene i deres jagt. I december 2000 lancerede Ford Motor og London-baserede QinetiQ Holographic Imaging, en R&D-virksomhed i Royal Oak, MI, for at skabe interaktive billedbehandlingsarbejdsstationer til bildesignere. Og flere japanske grupper er også gået ind i kampen, herunder hold på Sony, NHK Laboratories og Nihon University. For 12 år siden troede alle, at det var fuldstændig umuligt, siger Benton. Nu er der virkelig konkurrence.

De første systemer produceret af disse bestræbelser vil sandsynligvis være specialiserede applikationer inden for områder som kirurgisk planlægning og bildesign. Men versioner, der er billige nok til at fungere som hjemmeunderholdningsapplikationer, burde hurtigt følge efter - når alt kommer til alt, ville millioner af videospilspillere give deres venstre kontrolpanel tommelfingre for at træde ind i en fuldt ud 3-D-version af Marios verden - måske for altid at gøre forældede de to- dimensionelle visninger, som de fleste skærme har været begrænset til. Kort sagt, opsummerer NYU's Ken Perlin, at alle grundene til at finde sig i den kunstige ting at være flade vil forsvinde.

Krystalklar holografisk video

Mange forskerhold arbejder på at forny holografisk video, men Bentons Spatial Imaging Group på MIT har længe været i spidsen for feltet. Her har forskellige elever og medarbejdere så at sige set på problemet fra alle vinkler i 13 år. I de senere år har hovedsponsorerne for forskningen været den amerikanske flåde, som mener, at dens beslutningstagere i krigstid ville have gavn af at se på en 3-D-repræsentation af et kamplandskab, og Honda, som håber, at dets bildesignere vil være i stand til at producere 3-D billeder af foreslåede nye modeller hurtigt. Da vi først henvendte os til Honda, var vi forbløffede over at finde ud af, at de allerede havde tænkt på holografi, siger Benton.

MIT-indsatsen har fra begyndelsen fokuseret på ægte holografisk video, som ikke kun holder løftet om 3-D-videobilleder af højeste kvalitet, men også giver de mest skræmmende tekniske udfordringer. I sin kerne er de grundlæggende trin til at skabe et standard hologram: En laserstråle er delt i to. Den ene halvdel er rettet mod et objekt - lad os sige et æble. Tilstedeværelsen af ​​æblet forvrænger mønsteret af lysbølger i strålen og modulerer det. Den stråle er så lavet til at skære dens anden halvdel i lysfølsomt materiale. Når de to stråler overlapper hinanden, interfererer deres forskellige mønstre af lysbølger med hinanden og ætser et diffraktionsmønster af mikroskopiske linjer på det lysfølsomme materiale. Diffraktionsmønsteret fungerer som en kompliceret linse. Når en laserstråle oplyser den, reflekterer de mikroskopiske linjer lyset på en måde, der frembringer en

3-D billede af æblet.

I stedet for lys og spejle bruger Benton og hans team specialudviklede computeralgoritmer. Algoritmerne beregner den slags mikroskopiske linjer, der er nødvendige for et bestemt hologram, konverterer dem til lydbølger og sender derefter bølgerne ind i en stak telluroxidkrystaller, der har den unikke egenskab at forvrænge midlertidigt, når lydbølger passerer gennem dem. Denne forvrængning danner de mikroskopiske linjer i diffraktionsmønsteret, der udgør et hologram. En laserstråle, der passerer gennem det mønster, formidler billedet fra krystallerne til en skærm ( se MITs Mark II holografiske video nedenfor).

Illustration af Slim Films

MITs Mark II Holographic Video Display producerer overraskende tiltalende og naturtro 3D-billeder. I en demo ser en rød prototype-sportsvogn designet af Honda øjeblikkeligt ud til at svæve lyst i miniature en halv meter eller deromkring foran iagttageren, alle bilens yndefulde linjer er perfekt kendelige fra forskellige vinkler. Måske er det til dels på grund af oplevelsens nyhed, men den milde flimmer og flimrende billedbjælker afleder næppe opmærksomheden fra effektens intense realisme.

Bentons gruppe laver løbende forbedringer inden for tre kerneområder: hardware og software til skærmen, realisme og billedkvalitet og interaktivitet. Wendy Plesniak, en Media Lab-forsker og konsulent, der som studerende var med til at udvikle computeralgoritmer til den holografiske videoenhed, tilføjede en funktion, der i sidste ende kunne føre til en industriel designers drømmemaskine: en haptisk eller force feedback-grænseflade, der gør det muligt at forme det projicerede billede med et virkeligt håndholdt værktøj. Når brugeren prikker, propper og skærer med en stylus, ændres det holografiske billede, som om det var ler på en pottemagerskive, og brugeren mærker modstand, som om hun virkelig arbejdede med leret.

Plesniak siger, at graden af ​​fornemmelse og kontrol, der tilbydes ved at kombinere en haptisk grænseflade med holografi, ville give en komplet vej inden for digital prototyping. I en demonstration bruger hun pennen til at skære en rød tromleformet genstand, som om den roterede på en drejebænk; i et andet bliver et arklignende billede fordybninger, når det skubbes. Generelt er billedet produceret af systemet strålende, virker naturtro og ser ud for hele verden, som om det svæver i rummet lige foran brugeren. Med de fleste 3-D-systemer tager det et stykke tid, før 3-D-effekten kommer ind, og du får aldrig så meget dybde, som matematikken siger, du skal, siger Benton. Men du har ikke de problemer med hologrammer.

Systemet har dog et stykke vej at gå, før det sandsynligvis vil blive kommercialiseret. Det største problem er, at det at lave et videohologram kræver, at der knases enorme mængder data. Det er måske ikke overraskende, i betragtning af at et hologram ikke kun giver en enkelt visning af et billede, men alle visninger fra et vilkårligt antal vinkler. Alligevel kan diffraktionsmønsteret fra kun ét højopløsningshologram nemt bruge mere end en terabyte data - nok til at fylde 1.600 cd'er. En moderat flimmerfri holografisk video ville kræve mindst 20 sådanne hologrammer i sekundet. Det er klart, at det ville kræve udenjordisk teknologi at cirkulere gennem 20 terabytes værdi af information hvert sekund: Nutidens hurtigste pc'er opererer med en hundrede tusindedel af den hastighed. Som et resultat accepterer Mark II en række kompromiser i billedkvalitet for at bringe computerkravene ned til håndterbare 16 megabyte i sekundet. Systemet bruger en enkelt farve, laver kun 10,16 x 12,7 centimeter billeder og genererer en flimrende frame-opdateringshastighed på omkring syv billeder i sekundet. Desuden, fordi billedet er frataget den information, der er nødvendig for at imødekomme en observatørs syn på toppen eller bunden, ændres billedet kun, når observatøren bevæger sig fra side til side. Det er utroligt, hvor få mennesker bemærker, at intet ændrer sig, når man ser over eller under det, siger Benton.

En hardware-genindspilning, der er i værkerne, skulle bringe systemet meget tættere på kommercialisering. Målene for eftersynet inkluderer at skifte til et parallelt mikroprocessor-arrangement, der er i stand til at skære de høje behandlingshastigheder ud, der er nødvendige for at opnå større billedstørrelse, større opløsning og en hurtigere billedhastighed.

Derudover håber gruppen at tage springet til en ultrahøj opløsning skærm baseret på mikroelektromekaniske systemer. Denne teknologi ville bruge tusindvis af bittesmå spejle og laserstråler - hver af dem skaber en pixel af et helt diffraktionsmønster. Sådanne udstillinger forventes ikke at eksistere i mindst et par år, men Benton bemærker, at hans gruppe ikke har planer om at se deres arbejde bære kommerciel frugt i mindst fire år endnu. Holografi er svært, siger han med et suk. Derfor er det et af de længste projekter på Media Lab.

Pseudoholografi

I mellemtiden, på NYU's Center for Advanced Technology, den anden tidlige leder i kapløbet om at producere denne nye bølge af 3-D, søger Perlins gruppe en ikke-holografisk teknik, der er i stand til at levere dynamiske, vinkeljusterede billeder, der ligner dem, der er produceret af holografiske systemer . Desuden fremtrylles billederne ikke ved brug af komplekst modificeret laserlys. I stedet vises de på en forholdsvis almindelig skærm i en tilgang Perlin kalder en holografisk grænseflade. Gruppen trækker dette ud ved at drage fordel af det faktum, at det meste af den enorme og kostbare behandlings- og displayhestekræfter, der er nødvendige for at producere holografisk video, i sidste ende går til spilde: Et hologram giver flere billeder end dem, der møder seernes øjne; det giver også blændende, vinkeljusterede billeder til de mange tusinde steder, hvor der ikke er øjenæbler til at værdsætte dem. Hvert af disse distinkte uopfattede billeder skal beregnes, transmitteres og vises, fordi der ikke er nogen praktisk måde at begrænse holografisk dækning til en observatørs specifikke betragtningsvinkler. Det er som at svinge en elefantpistol for at skyde en flue, siger Perlin. Hans system viser derfor billeder, der er skræddersyet til en observatørs præcise position.

Selvom NYUs NY3D-teknologi ikke inddrager holografi, giver den en iagttager stort set den samme seeroplevelse som et holografisk system: Mekanismen er stereoskopisk og giver venstre og højre øje forskellige billeder, og billederne ændrer sig med synsvinklen. Og selvfølgelig er der ikke behov for briller.

At lokke hologramlignende billeder fra en almindelig skærm kræver to tricks. Den første kommer i form af et gennemsigtigt flydende krystaldisplay (LCD), der ændrer visningen af ​​billedet, der vises på en skærm. Displayet sidder en halv meter foran skærmen. På den blinker sorte striber omkring tre centimeter brede til og fra, hvilket blokerer lodrette skår af billedet - lad os sige en kugle på skærmen bagved. Effekten er ikke tydelig for seeren, for striberne skifter 180 gange i sekundet. Hastigheden er for høj til, at seerens hjerne kan registrere placeringen af ​​hver stribe og giver samtidig monitoren en chance for at udfylde de manglende skår for hvert øje. Resultatet er, at hvert øje ser et lidt anderledes billede gennem hullerne i lukkerstriberne - hvilket giver en stereoskopisk fornemmelse af dybde (NYU's NY3D System, denne side). Alt dette fungerer fint - så længe beskuerens øjeæbler er placeret præcis, hvor systemet forventer, at de skal være, og hvert øje er på linje med de passende billedskår på skærmen. For at sikre, at dette er tilfældet, bruger Perlins system et andet trick, der aktivt sporer observatørens øjne med to små kameraer monteret over skærmen. Desuden giver et sæt infrarøde lysemitterende dioder (LED'er) ved siden af ​​kameraerne seeren et diskret tilfælde af røde øjne-bagsiden af ​​øjet-gløden, som længe har været amatørfotografernes bane. Kameraerne kan nemt isolere seerens lyse pupiller, så de kan spore øjnene og justere placeringen af ​​de skiftende striber, så de altid blokerer billedet på en måde, der opretholder den stereoskopiske effekt.

Naturligvis kommer et holograms realisme ikke kun fra dets stereoskopiske egenskaber; holografiske billeder kan inspiceres fra alle vinkler, når beskuerens hoved bevæger sig rundt om dem. I kraft af sine øjenlokaliseringsfunktioner kan NYU-systemet let spore hovedbevægelser og næsten øjeblikkeligt ændre billederne på skærmen efter behov. Og faktisk, en systemdemo, der viser en roterende skeletfod, bekræfter ikke kun, at den giver et klart, fuldt 3D-billede, men også at det giver én person mulighed for at vurdere billedet fra forskellige vinkler - inklusive ovenfra eller nedefra. (Gruppen arbejder også på et system, der samtidigt vil give 3D-visninger til flere observatører, såsom et hold af kirurger, der diskuterer den bedste tilgang til en vanskelig procedure, eller en gruppe af videospilspillere, der konkurrerer på en delt skærm.) Resultatet er så realistisk, siger Joel Kollin, forsker ved Center for Avanceret Teknologi, at eventuelle købere af displayet måske vil bare hænge det op på væggen, hvor det vil præsentere billeder, f.eks. en Fiji-strand eller en boulevard i Paris. som faktisk ændrer sig i forhold til seerens vinkel. Det ville være ligesom at kigge ud af et vindue, siger han. Som en MIT Media Lab-studerende i slutningen af ​​1980'erne var Kollin i høj grad ansvarlig for at bygge den gruppes første holografiske videosystem.

Med den seneste stigning i konkurrence fra koncerner hos Sony, Ford og andre virksomheder, kan et sådant system meget vel være overkommeligt nok til at tillade nogle elementære applikationer inden for de næste par år ( se Virksomheder, der arbejder i tre dimensioner, nedenfor ). Fordi dette system kun skal beregne og vise de visninger, der signaleres af seerens position på et givet tidspunkt, kræver det kun knaskraften fra en almindelig pc. LCD-skærmen, eye-tracking-LED'erne, en skærm af høj kvalitet og softwaren burde ikke tilføje meget til den samlede pris. Perlin forudser, at tidlige produktionsversioner rettet mod specialiserede markeder såsom kirurgisk planlægning vil være ude inden for tre år og vil blive prissat i nærheden af ​​$5.000, mens de første fuldt holografiske systemer sandsynligvis vil kræve titusindvis af dollars. Endnu bedre, siger Perlin, et par år efter at de første systemer dukkede op, vil massemarkedsversioner af vinduesdisplayet sandsynligvis kun sælge for et par hundrede dollars mere end en almindelig skærm, hvilket gør det til en realitet for den gennemsnitlige husstand. Perlin, som har udskilt en virksomhed for at kommercialisere teknologien, siger, at satsningen, NY3D, allerede er i diskussioner med flere store virksomheder, herunder Philips og IBM, der er interesserede i at erhverve rettigheder til at producere skærmen.

Men selvom Perlins pseudoholografiske tilgang har en fantastisk omkostningsfordel og, i det mindste for nu, visse præstationsfordele i forhold til ægte holografiske systemer, har den også et par ulemper. Systemet har lejlighedsvis problemer med at låse sig fast på seerens lysende øjne, og hurtige hovedbevægelser kan forvirre det, hvilket får brugeren til at opleve et midlertidigt tab af 3-D-effekten. Oven i købet falder dets billede, som er genstand for en række mildt distraherende artefakter, herunder lodrette bjælker, vaklende og spøgelser, en smule under den skarpe realisme i et ægte holografisk billede. Meget af dette hul vil blive indsnævret, efterhånden som systemet går fra rå prototype til en kommerciel version, men selv Perlin indrømmer, at et ægte holografisk system ville være udfordrende at matche for billedkvalitet. Vi vil helt sikkert have kommercielle holografiske skærme, men det kan tage 20 eller 30 år, siger han.

Frygten for, at den holografiske rute kan tage et årti eller mere at nå perfektion forklarer, hvorfor selv MIT Media Lab dækker sine baser: det er ved at udvikle et ikke-holografisk system, der fungerer meget som det på NYU. For sin del indrømmer Benton, at det er muligt, at den virkelige værdi af ægte holografisk video, i det mindste i den nærmeste fremtid, kan være at sætte en standard for realisme for pseudoholographic systemer.

Indtil den standard er sat, vil begge hold fortsætte med at bevæge sig fremad. For sin del er Perlin begyndt at forske i, hvad der i vid udstrækning ville blive betragtet som det ultimative inden for 3-D i fuld bevægelse: et system, der projicerer hologrammer ud i den blå luft - langs linjerne med R2-D2's projektion af prinsesse Leia i åbningsminutterne af originalen. Star wars film. Perlin mener, at ultrahøjfrekvente lydbølger kunne bruges til at få luft til at bøje lys nok til at danne sådanne hologrammer. Hans elever er allerede begyndt på proof-of-concept-eksperimenter, men han erkender, at et fungerende system sandsynligvis er årtier væk og kan være latterligt dyrt.

I mellemtiden er der grund til at håbe, at pseudoholografiske 3D-systemer bliver så billige og effektive, at de kan ende i mange hjem inden udgangen af ​​årtiet. Så vil vi alle have den luksus at bekymre os om, hvorvidt der er noget, der er værd at se på dem. Det store problem med fjernsyn er ikke, at det er fladt, siger Benton. Det er, at de har aflyst Twin Peaks efter to sæsoner.

skjule