Ologrammi in movimento

Una proteina lunga mezzo metro galleggia a mezz'aria, diversi centimetri davanti a un monitor. Sembra un nastro arricciato oversize da un pacchetto di compleanno. Mentre tre biologi molecolari manovrano intorno all'immagine, studiando la complessa molecola da diverse angolazioni, questa inizia a piegarsi, attorcigliandosi lentamente e intrecciandosi in un nodo aggrovigliato. La sua forma è un indizio della funzione che svolge nel corpo umano: alcune proteine ​​producono reazioni chimiche o si comportano come una sorta di impalcatura per le cellule, mentre altre aiutano la divisione cellulare. La creazione di un farmaco che incoraggi o blocchi l'azione di una proteina, ad esempio impedendo la divisione delle cellule cancerose, potrebbe portare a trattamenti più efficaci. Uno dei ricercatori usa uno stilo per stimolare la proteina in diversi punti. Mentre lo fa, la proteina si ripiega, rivelando una posizione che potrebbe essere presa di mira con un farmaco per inibire la funzione della proteina.

Questo tipo di scienza interattiva è in arrivo e sarà reso possibile da una nuova generazione di display video 3D. La tecnologia sfrutta il potere degli ologrammi, o dei loro ragionevoli facsimili, per creare immagini sorprendentemente realistiche che sembrano uscire dallo schermo. Immagina le scene 3D prodotte dal venerabile giocattolo View-Master alzato fino a 11 sul quadrante della realtà. Ma le nuove immagini video 3D non richiedono dispositivi di visualizzazione speciali. Gli utenti non dovranno indossare il copricapo o gli occhiali che tendono a distrarre e possono causare affaticamento degli occhi, come fanno con gli attuali cosiddetti display 3D.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2002

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No. Le immagini video olografiche tridimensionali verranno generate da un computer anziché essere fissate in un supporto statico; verranno mostrati a colori in full motion e, con l'input di un utente, modificati al volo. Inoltre, gli spettatori che si muovono attorno a un'immagine video olografica saranno in grado di vederla muoversi da ogni lato, un fenomeno importante per il realismo e uno che molti sistemi convenzionali basati su occhiali non possono replicare.

Il mainstream di medici, scienziati, ricercatori e sviluppatori di nuovi prodotti che già si affidano a display di computer di fascia alta per visualizzare il proprio lavoro vedrà differenze drammatiche in questa nuova tecnologia. Attualmente il loro lavoro è vincolato dalle immagini piatte e bidimensionali dei display convenzionali. Non importa quanto abilmente siano vestiti gli schermi, non possono trasmettere tutte le sfumature, le complessità e l'immediatezza degli oggetti reali nel mondo 3D. Poiché i nuovi ologrammi video producono immagini completamente 3D che fluttuano nello spazio vicino allo schermo di visualizzazione, possono essere esaminati da diverse angolazioni da più spettatori. I geofisici che esaminano immagini ad alta risoluzione delle formazioni rocciose saranno in grado di prevedere la posizione dei depositi di petrolio nascosti con maggiore precisione. I designer industriali saranno in grado di modificare il corpo di un'auto sportiva usando la punta di uno stilo, stabilendo istantaneamente l'effetto del cambiamento sul design generale. I comandanti militari saranno in grado di visualizzare il miglior scenario del campo di battaglia. I chirurghi saranno in grado di determinare meglio l'approccio più sicuro per rimuovere un tumore al cervello senza mai maneggiare un coltello. Un giorno ci chiederemo come facevamo a sopportare le immagini 2D, afferma Stephen Benton, che dirige lo Spatial Imaging Group presso il MIT Media Lab.

Il gruppo è uno dei due team di ricerca pionieristici che guidano la carica per perfezionare e commercializzare la nuova generazione di display 3D. Benton, un rinomato membro fondatore del laboratorio, è l'inventore delle immagini olografiche arcobaleno che appaiono su molte carte di credito e copertine di riviste. L'altro team, al Media Research Lab della New York University, sta lavorando a una versione meno costosa chiamata display autostereo 3-D, che potrebbe diventare un prodotto commerciale entro i prossimi anni. Lo sforzo della NYU è guidato da Ken Perlin, una leggenda multimediale che ha vinto un Technical Achievement Award dall'Academy of Motion Picture Arts and Sciences nel 1996 per il suo sviluppo di una tecnica di suono e texture che è ampiamente utilizzata nei film di oggi.

I due laboratori multimediali guidano la ricerca, ma non sono soli nella loro ricerca. Nel dicembre 2000 Ford Motor e QinetiQ, con sede a Londra, hanno lanciato Holographic Imaging, una società di ricerca e sviluppo a Royal Oak, MI, per creare workstation di imaging interattive per i progettisti di automobili. E anche diversi gruppi giapponesi sono entrati nella mischia, compresi i team di Sony, NHK Laboratories e Nihon University. Dodici anni fa tutti pensavano che fosse completamente impossibile, dice Benton. Ora c'è una vera concorrenza.

I primi sistemi prodotti da questi sforzi saranno probabilmente applicazioni specializzate in campi come la pianificazione chirurgica e la progettazione di automobili. Ma le versioni abbastanza economiche da servire come applicazioni di intrattenimento domestico dovrebbero seguire rapidamente, dopotutto, milioni di giocatori di videogiochi darebbero il pollice sinistro del pad di controllo per entrare in una versione completamente 3-D del mondo di Mario, forse rendendo obsoleti per sempre i due- viste dimensionali a cui la maggior parte degli schermi è stata limitata. In breve, riassume Ken Perlin della New York University, Tutte le ragioni per sopportare l'artificio di cose piatte scompariranno.

Video olografico cristallino

Molti team di ricerca stanno lavorando per innovare il video olografico, ma lo Spatial Imaging Group di Benton al MIT è stato a lungo in prima linea nel settore. Qui, vari studenti e personale hanno esaminato il problema da ogni angolazione, per così dire, per 13 anni. Negli ultimi anni i principali sponsor della ricerca sono stati la US Navy, che ritiene che i suoi decisori in tempo di guerra trarrebbero vantaggio dall'osservazione di una rappresentazione 3D di un paesaggio di battaglia, e Honda, che spera che i suoi progettisti di automobili saranno in grado di produrre Immagini 3D di nuovi modelli proposti rapidamente. Quando ci siamo avvicinati per la prima volta alla Honda, siamo rimasti sorpresi nello scoprire che avevano già pensato all'olografia, afferma Benton.

Lo sforzo del MIT si è concentrato fin dall'inizio sul vero video olografico, che non solo mantiene la promessa di immagini video 3D di altissima qualità, ma fornisce anche le sfide tecniche più scoraggianti. Al centro ci sono i passaggi fondamentali per creare un ologramma standard: un raggio laser viene diviso in due. Una metà è diretta a un oggetto, diciamo una mela. La presenza della mela distorce lo schema delle onde luminose nel fascio, modulandolo. Quel raggio viene quindi fatto intersecare con l'altra metà in materiale fotosensibile. Quando i due fasci si sovrappongono, i loro diversi schemi di onde luminose interferiscono tra loro, incidendo uno schema di diffrazione di linee microscopiche sul materiale fotosensibile. Il modello di diffrazione funziona come una lente complicata. Quando un raggio laser lo illumina, le linee microscopiche riflettono la luce in un modo che produce a

Immagine 3D della mela.

Invece di luce e specchi, Benton e il suo team utilizzano algoritmi informatici appositamente sviluppati. Gli algoritmi calcolano i tipi di linee microscopiche necessarie per un determinato ologramma, le convertono in onde sonore e quindi inviano le onde in una pila di cristalli di ossido di tellurio che hanno la proprietà unica di distorcere temporaneamente quando le onde sonore li attraversano. Quella distorsione forma le linee microscopiche del modello di diffrazione che compongono un ologramma. Un raggio laser che passa attraverso quel modello trasmette l'immagine dai cristalli a uno schermo di visualizzazione ( vedi Mark II Holographic Video del MIT, sotto).

Illustrazione di Slim Films

Il display video olografico Mark II del MIT produce immagini 3D sorprendentemente piacevoli e realistiche. In una demo, un prototipo di auto sportiva rossa progettata da Honda sembra librarsi istantaneamente in miniatura a mezzo metro circa davanti all'osservatore, tutte le linee aggraziate dell'auto sono perfettamente distinguibili da diverse angolazioni. Forse è in parte dovuto alla novità dell'esperienza, ma il lieve sfarfallio e le barre luccicanti dell'immagine difficilmente distraggono l'attenzione dall'intenso realismo dell'effetto.

Il gruppo di Benton perfeziona continuamente tre aree principali: hardware e software per il display, realismo e qualità dell'immagine e interattività. Wendy Plesniak, ricercatrice e consulente di Media Lab che da studente ha contribuito a sviluppare algoritmi di calcolo per il dispositivo video olografico, ha aggiunto una funzionalità che potrebbe portare alla macchina dei sogni di un designer industriale: un'interfaccia tattile, o feedback di forza, che rende possibile scolpisci l'immagine proiettata con uno strumento portatile reale. Quando l'utente colpisce, pungola e intaglia con uno stilo, l'immagine olografica cambia come se fosse argilla su un tornio da vasaio e l'utente avverte resistenza come se stesse davvero lavorando l'argilla.

Plesniak afferma che il grado di sensazione e controllo offerto dalla combinazione di un'interfaccia tattile con l'olografia fornirebbe un percorso completo nella prototipazione digitale. In una dimostrazione, usa lo stilo per scolpire un oggetto rosso a forma di tamburo come se stesse ruotando su un tornio; in un altro, un'immagine simile a un foglio diventa increspata quando viene stimolata. In generale, l'immagine prodotta dal sistema è brillante, sembra realistica e guarda tutto il mondo come se fluttuasse nello spazio proprio di fronte all'utente. Con la maggior parte dei sistemi 3D ci vuole un po' di tempo prima che l'effetto 3D entri in gioco e non si ottiene mai la profondità necessaria per la matematica, afferma Benton. Ma non hai questi problemi con gli ologrammi.

Il sistema ha ancora molta strada da fare, tuttavia, prima che possa essere commercializzato. Il problema più grande è che la creazione di un ologramma video richiede lo sgretolamento di enormi quantità di dati. Ciò potrebbe non essere sorprendente, dato che un ologramma fornisce non solo una singola vista di un'immagine, ma tutte le viste da qualsiasi numero di angolazioni. Tuttavia, il modello di diffrazione di un solo ologramma ad alta risoluzione può facilmente utilizzare più di un terabyte di dati, sufficienti per riempire 1.600 compact disc. Un video olografico moderatamente privo di sfarfallio richiederebbe almeno 20 di questi ologrammi al secondo. Chiaramente, sfornare 20 terabyte di informazioni ogni secondo richiederebbe una tecnologia extraterrestre: i PC più veloci di oggi funzionano al centomillesimo di quella velocità. Di conseguenza, il Mark II accetta una serie di compromessi nella qualità dell'immagine per ridurre i requisiti di elaborazione a 16 megabyte gestibili al secondo. Il sistema utilizza un solo colore, realizza solo immagini di 10,16 x 12,7 centimetri e genera una frequenza di aggiornamento dei fotogrammi tremolante di circa sette immagini al secondo. Inoltre, poiché l'immagine viene privata delle informazioni necessarie per adattarsi alla vista dell'osservatore dall'alto o dal basso, l'immagine cambia solo quando l'osservatore si sposta da un lato all'altro. È incredibile come poche persone notino che nulla cambia quando si guarda sopra o sotto, dice Benton.

Un remake hardware in lavorazione dovrebbe portare il sistema molto più vicino alla commercializzazione. Gli obiettivi della revisione includono il passaggio a una disposizione di microprocessori paralleli in grado di sfornare le elevate velocità di elaborazione necessarie per ottenere dimensioni dell'immagine più grandi, una risoluzione maggiore e un frame rate più veloce.

Inoltre, il gruppo spera di fare il salto a uno schermo ad altissima risoluzione basato su sistemi microelettromeccanici. Quella tecnologia impiegherebbe migliaia di minuscoli specchi e raggi laser, ognuno dei quali crea un pixel di un intero schema di diffrazione. Tali display non dovrebbero esistere per almeno alcuni anni, ma Benton nota che il suo gruppo non ha intenzione di vedere il suo lavoro dare frutti commerciali per almeno altri quattro anni. L'olografia è difficile, dice con un sospiro. Ecco perché è uno dei progetti a più lungo raggio del Media Lab.

Pseudoolografia

Nel frattempo, al Center for Advanced Technology della New York University, l'altro dei primi leader nella corsa alla produzione di questa nuova ondata di 3-D, il gruppo di Perlin sta arruolando una tecnica non olografica in grado di fornire immagini dinamiche e angolate che sembrano quelle prodotte da sistemi olografici . Inoltre, le immagini non vengono evocate utilizzando luce laser modificata in modo complesso. Invece vengono visualizzati su un monitor relativamente ordinario in un approccio che Perlin chiama interfaccia olografica. Il gruppo riesce a farlo sfruttando il fatto che la maggior parte della vasta e costosa potenza di elaborazione e visualizzazione necessaria per produrre video olografici alla fine va sprecata: un ologramma fornisce più immagini di quelle che incontrano gli occhi degli spettatori; fornisce anche immagini abbaglianti e angolate alle molte migliaia di luoghi in cui non ci sono occhi per apprezzarli. Ognuna di queste distinte immagini non percepite deve essere calcolata, trasmessa e visualizzata, poiché non esiste un modo pratico per limitare la copertura olografica agli angoli di visualizzazione specifici di un osservatore. È come impugnare un fucile da elefante per sparare a una mosca, dice Perlin. Il suo sistema, quindi, visualizza immagini su misura per la posizione precisa di un osservatore.

Sebbene la tecnologia NY3D della NYU non includa l'olografia, fornisce all'osservatore la stessa esperienza visiva di un sistema olografico: il meccanismo è stereoscopico, fornendo agli occhi sinistro e destro immagini diverse e le immagini cambiano con l'angolo di visione. E, naturalmente, non sono necessari occhiali.

Persuadere immagini simili a ologrammi da uno schermo normale richiede due trucchi. Il primo si presenta sotto forma di un display a cristalli liquidi (LCD) trasparente che altera la visualizzazione dell'immagine mostrata su un monitor. Il display si trova mezzo metro davanti al monitor. Su di esso, strisce nere larghe circa tre centimetri si accendono e si spengono, bloccando le strisce verticali dell'immagine - diciamo, una palla - sul monitor dietro di essa. L'effetto non è ovvio per lo spettatore, perché le strisce si spostano 180 volte al secondo. La velocità è troppo elevata per consentire al cervello dell'osservatore di registrare la posizione di ciascuna striscia e, allo stesso tempo, offre al monitor la possibilità di riempire le strisce mancanti per ciascun occhio. Il risultato è che ogni occhio vede un'immagine leggermente diversa attraverso gli spazi vuoti nelle strisce dell'otturatore, che producono una sensazione stereoscopica di profondità (NYU's NY3D System, questa pagina). Tutto questo funziona bene, purché i bulbi oculari dello spettatore si trovino esattamente dove il sistema si aspetta che siano, ogni occhio allineato con le strisce di immagine appropriate sul monitor. Per garantire che questo sia il caso, il sistema di Perlin impiega un secondo trucco, tracciando attivamente gli occhi dell'osservatore con due piccole telecamere montate sopra il monitor. Inoltre, una serie di diodi a emissione di luce (LED) a infrarossi accanto alle fotocamere offre allo spettatore un discreto bagliore di occhi rossi che è stato a lungo la rovina dei fotografi dilettanti. Le fotocamere possono facilmente isolare le pupille luminose dello spettatore, consentendo loro di seguire gli occhi e regolare la posizione delle strisce mobili in modo che blocchino sempre l'immagine in modo da sostenere l'effetto stereoscopico.

Naturalmente, il realismo di un ologramma non deriva semplicemente dalle sue proprietà stereoscopiche; le immagini olografiche possono essere ispezionate da tutte le angolazioni mentre la testa dell'osservatore si muove intorno ad esse. In virtù delle sue capacità di localizzazione degli occhi, il sistema NYU è in grado di monitorare prontamente il movimento della testa e modificare quasi immediatamente le immagini sul monitor secondo necessità. E in effetti, una demo del sistema che mostra un piede scheletrico rotante conferma non solo che fornisce un'immagine chiara e completamente 3D, ma anche che consente a una persona di valutare l'immagine da diverse angolazioni, anche dall'alto o dal basso. (Il gruppo sta anche lavorando a un sistema che fornirebbe simultaneamente viste 3D a più osservatori, come un team di chirurghi che discutono sull'approccio migliore a una procedura difficile o un gruppo di giocatori di videogiochi che competono su un monitor condiviso). il risultato è così realistico, afferma Joel Kollin, ricercatore presso il Center for Advanced Technology, che eventuali acquirenti del display potrebbero voler semplicemente appenderlo al muro, dove presenterebbe immagini, ad esempio una spiaggia delle Fiji o un viale di Parigi. che effettivamente cambiano rispetto all'angolazione dello spettatore. Sarebbe come guardare fuori da una finestra, dice. Come studente del MIT Media Lab alla fine degli anni '80, Kollin è stato in gran parte responsabile della costruzione del primo sistema video olografico di quel gruppo.

Con il recente aumento della concorrenza da parte di gruppi come Sony, Ford e altre società, un tale sistema potrebbe essere abbastanza abbordabile da consentire alcune applicazioni elementari entro i prossimi anni ( vedere Aziende che lavorano in tre dimensioni, sotto ). Poiché quel sistema ha bisogno di calcolare e visualizzare solo le visualizzazioni segnalate dalla posizione dello spettatore in un dato momento, richiede solo la potenza crunch di un normale PC. Lo schermo LCD, i LED di tracciamento oculare, un monitor di alta qualità e il software non dovrebbero aggiungere molto al prezzo totale. Perlin prevede che le prime versioni di produzione destinate a mercati specializzati come la pianificazione chirurgica usciranno entro tre anni e avranno un prezzo vicino a $ 5.000, mentre i primi sistemi completamente olografici potrebbero costare decine di migliaia di dollari. Ancora meglio, dice Perlin, pochi anni dopo la comparsa dei primi sistemi, le versioni per il mercato di massa del display della finestra probabilmente venderanno solo poche centinaia di dollari in più di un normale monitor, rendendolo una realtà per la famiglia media. Perlin, che ha scorporato una società per commercializzare la tecnologia, afferma che l'impresa, NY3D, è già in trattative con diverse grandi aziende, tra cui Philips e IBM, interessate ad acquisire i diritti per produrre il display.

Ma mentre l'approccio pseudoolografico di Perlin ha un formidabile vantaggio in termini di costi e, almeno per ora, alcuni vantaggi in termini di prestazioni rispetto ai veri sistemi olografici, presenta anche alcuni inconvenienti. Il sistema a volte ha problemi ad agganciarsi agli occhi luminosi dello spettatore e i rapidi movimenti della testa possono confonderlo, causando all'utente una perdita temporanea dell'effetto 3D. Inoltre, la sua immagine, che è soggetta a una serie di artefatti leggermente distraenti, tra cui barre verticali, oscillazioni e ghosting, è un po' al di sotto del realismo nitido di una vera immagine olografica. Gran parte di questo divario verrà ridotto man mano che il sistema passerà dal prototipo grezzo a una versione commerciale, ma persino Perlin ammette che un vero sistema olografico sarebbe difficile da eguagliare per la qualità dell'immagine. Avremo sicuramente display olografici commerciali, ma potrebbero volerci 20 o 30 anni, dice.

La paura che il percorso olografico possa impiegare un decennio o più per raggiungere la perfezione spiega perché anche il MIT Media Lab sta coprendo le sue basi: sta sviluppando un sistema non olografico che funziona in modo molto simile a quello della New York University. Da parte sua, Benton ammette che è possibile che il vero valore del vero video olografico, almeno nel prossimo futuro, possa risiedere nello stabilire uno standard di realismo per i sistemi pseudoolografici.

Fino a quando non verrà stabilito questo standard, entrambe le squadre continueranno ad andare avanti. Da parte sua, Perlin ha iniziato a ricercare quello che sarebbe ampiamente considerato il massimo del 3-D full-motion: un sistema che proietta ologrammi nel nulla, lungo le linee della proiezione di R2-D2 della Principessa Leila nei primi minuti dell'originale. Guerre stellari film. Perlin crede che le onde sonore ad altissima frequenza potrebbero essere impiegate per indurre l'aria a piegare la luce abbastanza da formare tali ologrammi. I suoi studenti hanno già iniziato esperimenti di prova del concetto, ma riconosce che un sistema funzionante è probabilmente lontano decenni e potrebbe essere ridicolmente costoso.

Nel frattempo, c'è motivo di sperare che i sistemi 3D pseudoolografici diventino così economici ed efficaci da poter finire in molte case prima della fine del decennio. Allora avremo tutti il ​​lusso di preoccuparci se c'è qualcosa che vale la pena guardare su di loro. Il grosso problema con la televisione non è che è piatta, dice Benton. È che hanno cancellato Cime gemelle dopo due stagioni.

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