Американцы утверждают, что осуществили прямую трансляцию подвижных голографических изображений, то есть широко шагнули в то самое будущее, где трёхмерная проекция человека на равных общается с живыми людьми. Учёные говорят, что успех им принесла технология, принципиально отличная от известных 3D-дисплеев, и деловито рассуждают о перспективах её применения. Всё это, впрочем, не мешает достигнутым результатам выглядеть более чем скромно.

Кратко об этом открытии мы писали ранее (см. статью), но как обычно это бывает новое время приносит новые подробности.

Голографическое телеприсутствие (holographic telepresence) – это голография с постоянной и быстрой перезаписью изображения в реальном времени. Прогресса в развитии этой технологии добились профессор Нассер Пейгамбарян (Nasser Peyghambarian) и его коллеги из университета Аризоны. Учёные действовали в кооперации со специалистами из Nitto Denko Technical (калифорнийского подразделения японской корпорации Nitto Denko).

Новая система, по уверению её авторов, способна на частоту обновления изображения в один кадр за две секунды. Правда, в представленных роликах зрителям предложено рассматривать с разных точек зрения статичные кадры.

Может показаться, что невелика разница. Будь там хотя бы и серия кадров (по одному в пару секунд) — это всё равно смехотворно мало, ведь для нормальной видеоконференции нужны 30 кадров в секунду. Однако, чтобы оценить новое достижение в полной мере, нужно знать предысторию.

Рис. 1. Команда продемонстрировала, что голографическое телеприсутствие обеспечивает картинке свойство полного параллакса: объект можно рассмотреть одновременно с разных сторон и каждый зритель видит свою сторону предмета (или человека). Всё это, разумеется, без всяких очков и систем отслеживания положения глаз зрителей (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature, Nitto Denko Technical).

Нынешние объёмные дисплеи – не важно, автостереоскопические или требующие специальные очки – выдают вполне реалистичное 3D-изображение заранее отснятых предметов, будь то трёхмерные фильмы, графика из игр и так далее.

Но при этом зритель, сместившись относительно центра экрана правее или левее хоть на 60–80 градусов, всё равно не сможет увидеть ухо смотрящего точно на него персонажа – просто потому, что с этой стороны объект не был записан.

Иное дело голограммы. Специальные пластинки, сохраняющие интерференционную картину, при правильном освещении воспроизводят верный поток лучей «от предмета» – с какой стороны на такой снимок ни посмотри. Так создаётся иллюзия трёхмерной копии вещицы в фотографической рамке.

Рис. 2. Одно из преимуществ новинки – изображение записывается с одной стороны пластины, а просматривать его можно с другой. Стало быть, лазерную установку можно скрыть так, что несколько зрителей, расположившись вокруг экрана, будут видеть лишь иллюзорный трёхмерный объект. Кстати, хотя в прототипе изображение монохромное, учёные уже экспериментируют с пластинами, которые позволят передавать по каналам связи и цветные голограммы (фото Pierr e-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

До голографического дисплея отсюда один логичный шаг: нужно сделать так, чтобы голограмму на пластине можно было быстро стирать и перезаписывать в реальном времени, да ещё по сигналу, передаваемому извне. Такой переход, однако, оказался технически не менее сложным вызовом, чем изобретение голографии самой по себе.

Рис. 3. «Помоги мне, Оби-Ван Кеноби, ты моя единственная надежда!» О голографической системе из классических «Звёздных войн» (Star Wars) 1977 года (нижние кадры) вспоминают и сами авторы нынешнего устройства в своей статье в Nature. В плане приближения эффекта к трёхмерным проекторам из легендарной киносаги со «скоростной» голограммой Нассера (красные снимки) могут сравниться разве что эксперименты с висящей в воздухе плазмой и быстро вращающимся зеркалом (кадры с сайтов technologyreview.com, maximumpc.com).

Для постоянной перезаписи нужны были материалы, быстро перестраивающие свою структуру в ответ на воздействие лазера. Подобрать их оказалось непросто. К примеру, в Массачусетском технологическом институте (MIT) систему с подвижными голограммами построили ещё в 1989 году.

Увы, изображение в ней занимало объём всего 25 кубических миллиметров. Это было бесконечно далеко от практического применения, а попытки нарастить размер дисплея пресекались ухудшением качества картинки и ростом сложности оптики, что ввергло сторонников голографических видеосистем в отчаяние.

Рис. 4. Материал Пейгамбаряна и его коллег удостоен обложки ноябрьского номера Nature. Некоторые подробности технологии можно также узнать из пресс-релиза университета (иллюстрация Nature).

Основание для оптимизма появилось в 2007 году, когда Nitto Denko Technical при участии Нассера и ряда его коллег создала полимер (смотрите статью в Nature), способный играть роль голографической фотопластинки многократного действия.

Размер чувствительного материала достигал 10х10 сантиметров. При этом максимальный темп перезаписи изображения на такой пластине составлял один кадр за три-четыре минуты.

Рис. 5. Образец многократно перезаписываемой голограммы 2007 года. Частота обновления раз в несколько минут не позволяет считать её подвижной (фото University of Arizona/Nasser Peyghambarian).

Ныне та технология существенно усовершенствована. Со слов одного из её авторов Пьера-Александра Бланше (Pierre-Alexandre Blanche), экран из нового фоторефрактивного материала способен обновлять голограмму каждые две секунды, что «делает его первым, который можно описать как систему с отображением в квазиреальном времени».

Начинается всё с 16 камер, полукругом стоящих вокруг объекта. Они снимают его с разных сторон. Компьютер проводит обработку данных и передаёт информацию, необходимую для создания голограммы, через цифровой канал в другую комнату (город, страну).

Там в дело вступает кодирующий импульсный лазер, вспыхивающий с частотой 50 герц при длине одного импульса в наносекунду. Его свет складывается с волнами от опорного лазера, а интерференционная картина запечатлевается на поверхности дисплея. При этом каждая вспышка лазера записывает один хогель, или гогель (hogel — сокращение от holographic pixel, голографический пиксель).

Рис. 6. Упрощённый принцип записи голограммы: опорный луч (вверху) и объектный луч (внизу) через систему линз проецируются на фоточувствительный материал (оранжевая полоса), в котором волны смешиваются, а картина их интерференции записывается. Освещение такой пластины опорным лучом позволяет восстановить трёхмерную картину, которую нёс луч объектный. Внизу: съёмка модели замка с новой системой (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

Происходит запись так. Полимерный композит сложного состава в новом экране зажат между двух прозрачных электродов. Когда свет от лазеров попадает на молекулы сенсибилизатора в составе композита, они создают разделение зарядов.

Полимер, подобранный учёными, намного лучше проводит положительные заряды, чем отрицательные, так что первые уходят прочь от места возникновения.

В свою очередь разделение зарядов создаёт электрическое поле, которое меняет ориентацию красного, зелёного и синего пигментов в составе композита. Теперь, когда хогель освещается внешним светом от светодиодов, он создаёт нужную точку в общей голограмме. А через пару секунд новая вспышка наносекундного лазера меняет хогель в соответствии со следующим кадром видео.

Рис. 7. Одно из изображений, переданных новой установкой (слева), и прототип системы с экраном 12 х 12 дюймов (справа) (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

В качестве теста системы её авторы устроили видеоконференцию, в ходе которой голографическое изображение сотрудника Nitto Denko передавалось из Калифорнии в Аризону.

Поперечник экрана в нынешней установке составляет 10 дюймов (25,4 см), но авторы технологии уже тестируют большие пластины (вплоть до 17 дюймов). Скорость обновления изображения тоже может быть увеличена: для этого нужно модифицировать красители в полимере, чтобы они меняли своё состояние быстрее, а также перейти к лазерам, выдающим более короткие импульсы с большей частотой.

Голографическое телеприсутствие означает, что мы можем записывать трёхмерные изображения в одном месте и воспроизводить их в любой точке мира в реальном времени", – говорит Нассер Пейгамбарян.

Рис. 8. До сих пор голографическая запись могла похвастать хорошим разрешением и глубиной изображений, но не динамикой (фото Norma Jean Gargasz/UANews).

Системы трёхмерной видеосвязи, игры и реклама — далеко не все направления, в которых пригодятся подвижные голограммы. К примеру, они очень понравятся медикам. Вокруг голографического пациента, лежащего на столе-дисплее, можно будет собирать консилиумы, в которых будут перемешаны участники, присутствующие живьём и находящиеся в других городах, хирурги смогут принимать дистанционное участие в операциях.

Ещё благодаря голограммам инженеры получат возможность с безопасного расстояния следить за ходом процессов на опасных производствах… Таковы перспективы новой системы, если учёным удастся нарастить размер, разрешение изображения и частоту кадров.

По материалам: