Se você olhar para as obras da categoria de ficção científica, poderá encontrar muitos elementos comuns. Claro, uma das mais óbvias são as tecnologias incríveis - robôs, naves espaciais, câmeras de stasis, etc. Os hologramas podem ser classificados com segurança entre os líderes em termos de frequência de aparições em filmes, jogos e filmes. O antepassado dos hologramas é, sem surpresa, Isaac Asimov, que menciona essa tecnologia na série de romances da Fundação. A primeira estreia cinematográfica do holograma foi o filme Zardoz, de 1974, estrelado por Sean Connery. Desde então, hologramas começaram a aparecer em praticamente todos os filmes de ficção científica a tal ponto que a tecnologia parou de surpreender e, às vezes, começou a causar total aversão por sua incrível versatilidade como ferramenta de plotagem. Mas,Apesar dos resmungos descontentes de alguns cinéfilos, cientistas de todo o mundo têm grande interesse nesta tecnologia incrível. Um grupo de pesquisadores da Brigham Youngham University (EUA) criou uma nova versão da tecnologia para visualizar imagens holográficas que literalmente ganham vida diante de nossos olhos. Este trabalho já é abordado em Habré , mas vamos dar uma olhada nisso. Qual é o segredo de hologramas móveis, qual é sua característica e como tudo parece? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Vai.
Base de pesquisa
Em 2018, um trabalho ( A photophoretic-trap volumetric display ) foi publicado , no qual cientistas descrevem um dispositivo para exibição volumétrica usando captura fotoforética * ( captura fotoforética ). O funcionamento do dispositivo baseia-se em manter a partícula em uma armadilha fotoforética, que arrasta a partícula por cada ponto ativo da imagem no espaço livre (até 1 cm 3 ).
* — , , () (), . .Quando uma partícula se move pelo espaço livre, ela é iluminada por um laser visível para formar uma imagem que uma pessoa pode ver.
Esta tecnologia é nova e requer a solução de muitos problemas, sendo os principais o aumento do volume do espaço livre de 1 cm 3 para 100 cm 3 e a eliminação da incapacidade fundamental dos ecrãs volumétricos para criar imagens virtuais no espaço livre. O segundo problema tornou-se a principal tarefa do estudo que estamos considerando.
Imagem # 1
Neste trabalho, usamos imagens fotoforéticas com base em uma armadilha óptica (OTD de exibição de armadilha óptica), capaz de criar objetos planos e tridimensionais no ar ( 1b e 1c ).
Com a ajuda do OTD, você pode criar uma imagem na borda do volume da área de trabalho e alterar sua paralaxe aparente para que pareça ao observador que a imagem está atrás do volume da área de trabalho ( 1d ). Esse efeito é chamado de "projeção em perspectiva" e é obtido no OTD alterando a escala, a forma e a paralaxe de um objeto no plano da imagem de fundo à medida que o observador se move. Neste caso, o próprio plano também pode virar para enfrentar o observador, se for finito (ou seja, não esférico).
Os autores de estudos anteriores apontam que existe uma limitação - todos os pontos da imagem devem estar ao longo de uma linha que vai do observador ao volume da tela. Os pontos que o usuário percebe no painel traseiro não são mais tridimensionais porque eles não coincidem mais com o espalhamento físico, então perdem o atributo de acomodação ideal * , mas ganham a capacidade de aumentar drasticamente o tamanho da imagem percebida.
A acomodação * é uma configuração fisiológica do olho que permite manter o objeto em foco quando a distância do olho muda.Usando a projeção em perspectiva, o OTD pode gerar simultaneamente pontos de imagem 3D reais para o primeiro plano e pontos de imagem não 3D simulados para o plano de fundo.
Teoria do dispositivo
Como já entendemos, a imagem por armadilha óptica funciona mantendo uma ou mais partículas em uma armadilha fotoforética. Em diferentes trabalhos, o papel das partículas confinadas foi desempenhado por uma variedade de materiais com geometrias e dimensões muito diferentes. Neste trabalho, foram utilizadas partículas de celulose com tamanho de 10 mícrons. Quando a armadilha se movia, as partículas se moviam com ela, passando por todos os pontos da imagem. Quando a partícula atingiu um determinado ponto da imagem, ela foi iluminada por uma combinação de luz vermelha, verde e azul.
A passagem de uma partícula por um ponto ocorreu várias vezes por segundo, criando uma imagem visível para uma pessoa ( 1a) O sistema visual humano pode processar de 10 a 12 quadros por segundo e percebê-los individualmente, enquanto velocidades mais altas são percebidas como movimento. Portanto, 10 quadros por segundo podem ser considerados o limite inferior de um "pano de fundo" convincente para esta técnica de imagem.
Quanto maior a resolução do sistema e a taxa de atualização, mais convincente pode ser esse efeito, pois o observador não será capaz de perceber as atualizações das imagens exibidas.
Uma das formas mais comuns de perspectiva é o traçado de raios, em que o observador (pessoa ou câmera) é tratado como um único ponto E = (x 0 , y 0 , z 0) mais o ponto de exibição da imagem X = (x, y, z) e o plano no qual é exibido P. Encontrar a interseção da linha EX com o plano P fornece a coordenada X em pixels. A projeção em perspectiva pode ser definida pela seguinte relação de matriz para o plano P perpendicular à linha EO, onde O é a origem:
A matriz de projeção em perspectiva é projetada para projetar uma cena do espaço em um plano. Isso permite que pontos 3D sejam exibidos usando uma superfície 2D.
Teste prático do dispositivo
Para demonstrar imagens virtuais simuladas usando paralaxe modificada (projeção em perspectiva), uma imagem OTD plana (2D) da lua foi criada na parte de trás do espaço de trabalho. Esse avião, por sua vez, estava na parte frontal da miniatura tridimensional da casa ( 2b ).
Imagem nº 2
A câmera (observador) foi colocada em um tripé rotativo ( 2a) A taxa de quadros da lua renderizada foi mantida em 12 quadros por segundo. O número de voxels (pixels volumétricos) por segundo renderizados durante os experimentos foi de aproximadamente 10.000 por segundo. A taxa de atualização das imagens vetoriais foi de 28 Hz, no entanto, quanto maior a velocidade, menor a qualidade. Portanto, decidiu-se diminuir a frequência para 12 Hz, o que reduz o efeito de cintilação.
A função de reprodução de imagem OTD alterou a projeção de perspectiva em sincronia com o movimento do braço da câmera. A velocidade de movimento da câmera foi de aproximadamente 0,0194 m / s. A câmera estava focada na chaminé de uma casa (aproximadamente z = 2 mm). O raio de giro foi de 100 mm até a borda frontal da lente da câmera. As dimensões da casa eram 7,7 x 10,6 x 7,4 mm. O diâmetro inicial da lua era de 0,5 mm e a velocidade de seu movimento era de 12 quadros por segundo.
Resultados da pesquisa
Imagem # 3
Em 3a - 3c, a lua é "desenhada" no plano em frente à casa (z = 0 mm), enquanto não muda, fornecendo uma imagem de referência. Em 3d - 3f, a lua ainda é desenhada em z = 0, mas conforme a câmera gira, a lua é deslocada para o lado para obter uma paralaxe correspondente ao objeto percebido em z = 8 mm. Em 3g - 3ivídeo da câmera sobreposto na simulação do Blender (ambos com projeção em perspectiva habilitada). Nesse caso, há um deslocamento insignificante causado pela imperfeição do dispositivo, mas a paralaxe relativa é consistente com os resultados da simulação com alta precisão (o erro médio foi de apenas 5,88%).
A análise dos resultados experimentais mostrou que a paralaxe modificada realmente cria imagens percebidas atrás do espaço de trabalho. A paralaxe modificada após considerar o viés mostrou boa concordância com os resultados da simulação, o que indica a eficiência potencial de aumentar o espaço de exibição de uma exibição volumétrica além dos limites físicos da exibição.
Apesar dos resultados acima, esta técnica tem algumas limitações: nenhuma disparidade * , a necessidade de rastrear a posição dos olhos do observador e a discrepância entre acomodação / vergência * e outros sinais visuais.
* — .
* — , .Os experimentos foram realizados em uma câmera, ou seja, monocular. Para que a técnica de imagem de holograma seja eficaz para humanos, é necessário realizar uma paralaxe binocular precisa. E para isso, o OTD deve ter espalhamento anisotrópico controlado.
A segunda limitação relacionada ao rastreamento do observador é um problema bastante sério, uma vez que as imagens OTD convencionais não requerem o conhecimento da posição do usuário e ainda fornecem um ângulo de visão de quase 4π steradianos * .
No entanto, se a dispersão direcional for alcançada, o rastreamento do observador pode ser eliminado em pelo menos duas dimensões (horizontal e vertical). A terceira dimensão (a distância do observador à imagem) ainda será necessária para uma reconstrução perfeita da perspectiva, uma vez que a projeção da perspectiva é baseada no ponto de observação tridimensional.
Steradian * é uma unidade para medir ângulos sólidos, ou seja, parte do espaço, que é a união de todos os raios que emanam de um determinado ponto (vértice do canto) e se cruzam com alguma superfície. O ângulo sólido completo (esfera completa) é de 4π esteradianos.
A limitação final é o descompasso entre a marca de acomodação, que faz o usuário focar no plano de projeção, e a marca de paralaxe, que faz o observador focar no ponto percebido. Essa discrepância entre a estereopsia * e a acomodação pode causar efeitos colaterais adversos para o observador.
Estereopsia * - percepção binocular da forma, tamanho e distância ao objeto; sentido subjetivo da profundidade do espaço.Para mitigar os efeitos negativos, é necessário colocar o plano de projeção em perspectiva a uma distância em que a paralaxe seja mais importante do que a acomodação.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas .
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas demonstraram pela primeira vez a aplicação prática do OTD para criar um efeito semelhante a imagens virtuais em monitores com uma armadilha óptica.
Tudo isso se tornou possível graças ao trabalho dos cientistas, que eles fizeram em 2018. Em seguida, eles foram capazes de criar uma técnica para visualizar objetos no espaço livre. A base dessa técnica são as armadilhas ópticas, que prendem partículas no ar usando um laser. Conforme a partícula se move, ela segue a armadilha, deixando para trás um caminho iluminado por laser flutuando no ar. Os autores da técnica a chamaram de "impressora 3D para luz".
De acordo com os autores do estudo, a maioria dos monitores 3D exige que o espectador olhe para a tela, mas seu design permite que as imagens fisicamente presentes flutuem no espaço livre. Em outras palavras, este é um objeto real, não algum tipo de ilusão.
Um vídeo em que os autores do estudo falam sobre sua criação.
No futuro, os autores do trabalho pretendem aprimorar seu desenvolvimento, inclusive aumentando o espaço de trabalho do dispositivo. De acordo com eles, se você escolher a paralaxe de movimento correta, poderá aumentar visualmente o tamanho do espaço de trabalho sem realmente aumentá-lo fisicamente. Esse truque criará a ilusão de uma tela de tamanho infinito, dizem os cientistas.
Os hologramas podem estar fartos de todos, dada sua frequência em filmes, literatura e videogames. No entanto, no mundo real, eles ainda são extremamente raros e suas capacidades são muito limitadas. Portanto, enquanto admiramos os hologramas do cinema com admiração (ou aversão), os cientistas continuam a trabalhar duro para que essa tecnologia deixe de ser ficção científica e se torne tão real e mundana para nós quanto para os heróis do cinema.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)
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