Hologram i rörelse

Ett halvmeter långt protein svävar i luften, flera centimeter framför en bildskärm. Det ser ut som ett överdimensionerat böjt band från ett födelsedagspaket. När tre molekylärbiologer manövrerar runt bilden och studerar den komplexa molekylen från olika vinklar, börjar den att vikas, långsamt vrida sig och sammankopplas till en trasslig knut. Dess form är en ledtråd till den funktion den utför i människokroppen: vissa proteiner producerar kemiska reaktioner eller beter sig som ett slags byggnadsställningar för celler, medan andra hjälper till med celldelning. Skapandet av ett läkemedel som uppmuntrar eller blockerar ett proteins verkan, säg, förhindrar cancerceller från att dela sig - kan leda till mer effektiva behandlingar. En av forskarna använder en penna för att driva proteinet på flera punkter. När hon gör det, återveckas proteinet sig självt och avslöjar en plats som kan riktas mot ett läkemedel för att hämma proteinets funktion.

Den här typen av interaktiv vetenskap är på väg, och den kommer att möjliggöras av en ny generation av 3D-videoskärmar. Tekniken utnyttjar kraften hos hologram - eller rimliga faksimiler därav - för att diska upp häpnadsväckande realistiska bilder som ser ut att dyka upp från skärmen. Föreställ dig 3D-scenerna som produceras av den ärevördiga View-Master-leksaken som vrids upp till 11 på reality-ratten. Men de nya 3D-videobilderna kräver inga speciella visningsenheter. Användare behöver inte ta på sig huvudbonader eller glasögon som tenderar att vara distraherande och kan orsaka ansträngda ögon, som de gör med nuvarande så kallade 3-D-skärmar.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Nej. Tredimensionella holografiska videobilder kommer att genereras av en dator istället för att fixeras i ett statiskt medium; de kommer att visas i full-motion färg och, med input från en användare, ändras i farten. Dessutom kommer tittare som rör sig runt en holografisk videobild att kunna se den röra sig från alla sidor - ett fenomen som är viktigt för realism och ett fenomen som många konventionella glasögonbaserade system inte kan replikera.

Huvudströmmen av läkare, forskare, forskare och nya produktutvecklare som redan förlitar sig på avancerade datorskärmar för att visualisera sitt arbete kommer att se dramatiska skillnader i denna nya teknik. För närvarande är deras arbete begränsat av de platta, tvådimensionella bilderna av konventionella displayer. Oavsett hur smart skärmarna är klädda kan de inte förmedla alla nyanser, krångligheter och omedelbarhet hos verkliga objekt i 3D-världen. Eftersom de nya videohologrammen producerar helt 3D-bilder som svävar i rymden nära visningsskärmen, kan de undersökas från olika vinklar av flera tittare. Geofysiker som undersöker högupplösta bilder av bergformationer kommer att kunna förutsäga platsen för dolda oljefyndigheter med större noggrannhet. Industriella designers kommer att kunna modifiera en sportbils kaross med spetsen på en penna, vilket omedelbart etablerar förändringens effekt på den övergripande designen. Militära befälhavare kommer att kunna visualisera det bästa slagfältsscenariot. Kirurger kommer att bättre kunna avgöra den säkraste metoden för att ta bort en hjärntumör utan att någonsin använda en kniv. Någon gång kommer vi att undra hur vi brukade stå ut med 2D-bilder, säger Stephen Benton, som leder Spatial Imaging Group vid MIT Media Lab.

Gruppen är en av två banbrytande forskarteam som leder arbetet med att perfekta och kommersialisera den nya generationen av 3D-skärmar. Benton, en känd grundare av labbet, är uppfinnaren av regnbågens holografiska bilder som visas på många kreditkorts- och tidningsomslag. Det andra teamet, vid New York Universitys Media Research Lab, arbetar på en billigare version som kallas 3-D autostereodisplay, som kan bli en kommersiell produkt inom de närmaste åren. NYU-satsningen leds av Ken Perlin, en multimedialegend som vann ett Technical Achievement Award från Academy of Motion Picture Arts and Sciences 1996 för sin utveckling av en ljud- och texturteknik som används flitigt i filmer idag.

De två medialabb leder strävan, men de är inte ensamma i sin strävan. I december 2000 lanserade Ford Motor och London-baserade QinetiQ Holographic Imaging, ett FoU-företag i Royal Oak, MI, för att skapa interaktiva bildbehandlingsarbetsstationer för bildesigners. Och flera japanska grupper har också gett sig in i striden, inklusive team på Sony, NHK Laboratories och Nihon University. För tolv år sedan trodde alla att det här var helt omöjligt, säger Benton. Nu är det verklig konkurrens.

De första systemen som produceras av dessa ansträngningar kommer sannolikt att vara specialiserade applikationer inom områden som kirurgisk planering och bildesign. Men versioner som är billiga nog att fungera som hemunderhållningsprogram borde snabbt följa efter, trots allt skulle miljontals videospelsspelare ge sina vänstra kontrollpanel tummarna för att kliva in i en helt 3D-version av Marios värld, vilket kanske för alltid gör föråldrade två- dimensionella vyer som de flesta skärmar har begränsats till. Kort sagt, sammanfattar NYU:s Ken Perlin: Alla anledningar till att stå ut med konstigheten att saker är platt kommer att försvinna.

Kristallklar holografisk video

Många forskarlag arbetar med att förnya holografisk video, men Bentons Spatial Imaging Group vid MIT har länge varit i fältets framkant. Här har olika elever och personal tittat på problemet från alla håll så att säga i 13 år. Under de senaste åren har huvudsponsorerna för forskningen varit den amerikanska flottan, som tror att dess beslutsfattare i krigstid skulle ha nytta av att titta på en 3D-representation av ett stridslandskap, och Honda, som hoppas att dess bildesigners kommer att kunna producera 3D-bilder av föreslagna nya modeller snabbt. När vi först närmade oss Honda blev vi förvånade över att få reda på att de redan hade tänkt på holografi, säger Benton.

MIT-satsningen har från början fokuserat på äkta holografisk video, som inte bara håller ut löftet om 3-D-videobilder av högsta kvalitet, utan också ger de mest skrämmande tekniska utmaningarna. I kärnan är de grundläggande stegen för att skapa ett standardhologram: En laserstråle delas i två delar. Ena halvan är riktad mot ett föremål, låt oss säga ett äpple. Närvaron av äpplet förvränger mönstret av ljusvågor i strålen och modulerar det. Den strålen görs sedan för att skära sin andra halva i ljuskänsligt material. När de två strålarna överlappar varandra interfererar deras olika mönster av ljusvågor med varandra och etsar ett diffraktionsmönster av mikroskopiska linjer på det ljuskänsliga materialet. Diffraktionsmönstret fungerar som en komplicerad lins. När en laserstråle lyser upp den reflekterar de mikroskopiska linjerna ljuset på ett sätt som producerar en

3D-bild av äpplet.

Istället för ljus och speglar använder Benton och hans team specialutvecklade datoralgoritmer. Algoritmerna beräknar de typer av mikroskopiska linjer som behövs för ett visst hologram, omvandlar dem till ljudvågor och skickar sedan vågorna till en stapel telluroxidkristaller som har den unika egenskapen att de förvrängs tillfälligt när ljudvågor passerar genom dem. Den förvrängningen bildar de mikroskopiska linjerna i diffraktionsmönstret som utgör ett hologram. En laserstråle som passerar genom det mönstret överför bilden från kristallerna till en bildskärm ( se MIT:s Mark II Holographic Video, nedan).

Illustration av Slim Films

MIT:s Mark II Holographic Video Display producerar överraskande tilltalande och verklighetstrogna 3D-bilder. I en demo verkar en röd prototyp av sportbil designad av Honda omedelbart sväva ljust i miniatyr en halvmeter eller så framför betraktaren, alla bilens graciösa linjer perfekt urskiljbara från olika vinklar. Kanske är det delvis på grund av nyheten i upplevelsen, men det milda flimmern och skimrande bildfälten avleder knappast uppmärksamheten från effektens intensiva realism.

Bentons grupp gör ständigt förbättringar inom tre kärnområden: hårdvara och mjukvara för displayen, realism och bildkvalitet och interaktivitet. Wendy Plesniak, en Media Lab-forskare och konsult som som student hjälpte till att utveckla beräkningsalgoritmer för den holografiska videoenheten, lade till en funktion som i slutändan skulle kunna leda till en industridesigners drömmaskin: ett haptiskt, eller force feedback, gränssnitt som gör det möjligt att skulptera den projicerade bilden med ett verkligt handhållet verktyg. När användaren petar, sticker och skär med en penna förändras den holografiska bilden som om den vore lera på en krukmakares hjul, och användaren känner av motstånd som om hon verkligen arbetade med leran.

Plesniak säger att graden av känsla och kontroll som ges genom att kombinera ett haptiskt gränssnitt med holografi skulle ge en komplett väg i digital prototyping. I en demonstration använder hon pennan för att rista ett rött trumformat föremål som om det roterade på en svarv; i en annan blir en arkliknande bild gropar när den trycks. Generellt sett är bilden som produceras av systemet lysande, verkar verklighetstrogen och ser ut för hela världen som om den svävar i rymden mitt framför användaren. Med de flesta 3D-system tar det ett tag för 3D-effekten att komma in, och du får aldrig så mycket djup som matematiken säger att du borde, säger Benton. Men du har inte de problemen med hologram.

Systemet har dock en bit kvar innan det sannolikt kommer att kommersialiseras. Det största problemet är att att göra ett videohologram kräver att enorma mängder data bryts. Det kanske inte är förvånande, med tanke på att ett hologram inte bara ger en enda vy av en bild, utan alla vyer från valfritt antal vinklar. Ändå kan diffraktionsmönstret från bara ett högupplöst hologram lätt använda mer än en terabyte data - tillräckligt för att fylla 1 600 cd-skivor. En måttligt flimmerfri holografisk video skulle kräva minst 20 sådana hologram per sekund. Uppenbarligen skulle det krävas utomjordisk teknologi för att churra igenom 20 terabyte värd information varje sekund: dagens snabbaste datorer fungerar med en hundratusendel av den hastigheten. Som ett resultat accepterar Mark II ett antal kompromisser i bildkvalitet för att få ner datorkraven till hanterbara 16 megabyte per sekund. Systemet använder en enda färg, gör endast 10,16 x 12,7 centimeter bilder och genererar en flimrande bilduppdateringshastighet på cirka sju bilder per sekund. Dessutom, eftersom bilden är fråntagen information som behövs för att ge en observatörs syn på toppen eller botten, ändras bilden bara när observatören rör sig från sida till sida. Det är otroligt hur få människor märker att ingenting förändras när man tittar över eller under det, säger Benton.

En hårdvaru-remake som är på gång borde föra systemet mycket närmare kommersialisering. Målen för översynen inkluderar att byta till ett parallellt mikroprocessorarrangemang som kan churna ut de höga bearbetningshastigheter som behövs för att uppnå större bildstorlek, högre upplösning och en snabbare bildhastighet.

Dessutom hoppas gruppen kunna ta steget till en ultrahögupplöst bildskärm baserad på mikroelektromekaniska system. Den tekniken skulle använda tusentals små speglar och laserstrålar - var och en skapar en pixel av ett helt diffraktionsmönster. Sådana skärmar förväntas inte existera på åtminstone några år, men Benton noterar att hans grupp inte planerar att se dess arbete bära kommersiell frukt på minst fyra år till. Holografi är svårt, säger han med en suck. Det är därför det är ett av de längsta projekten på Media Lab.

Pseudoholografi

Samtidigt, vid NYU:s Center for Advanced Technology, den andra tidiga ledaren i kapplöpningen för att producera denna nya våg av 3-D, anlitar Perlins grupp en icke-holografisk teknik som kan tillhandahålla dynamiska, vinkeljusterade bilder som ser ut som de som produceras av holografiska system . Dessutom framtrollas bilderna inte genom att använda komplext modifierat laserljus. Istället visas de på en relativt vanlig bildskärm i ett tillvägagångssätt som Perlin kallar ett holografiskt gränssnitt. Gruppen lyckas med detta genom att dra fördel av det faktum att det mesta av den enorma och kostsamma bearbetnings- och displayhästkraften som behövs för att producera holografisk video i slutändan går till spillo: ett hologram ger fler bilder än de som möter tittarnas ögon; det ger också bländande, vinkeljusterade bilder till de många tusentals platser där det inte finns några ögonglober som kan uppskatta dem. Var och en av dessa distinkta ouppfattade bilder måste beräknas, överföras och visas, eftersom det inte finns något praktiskt sätt att begränsa holografisk täckning till en observatörs specifika betraktningsvinklar. Det är som att använda en elefantpistol för att skjuta en fluga, säger Perlin. Hans system visar därför bilder som är skräddarsydda för en observatörs exakta position.

Även om NYU:s NY3D-teknik inte utnyttjar holografi, ger den en observatör ungefär samma tittarupplevelse som ett holografiskt system: Mekanismen är stereoskopisk, förser vänster och höger öga med olika bilder, och bilderna förändras med betraktningsvinkeln. Och naturligtvis behövs inga glasögon.

Att locka hologramliknande bilder från en vanlig skärm kräver två knep. Den första kommer i form av en transparent flytande kristallskärm (LCD) som ändrar visningen av bilden som visas på en monitor. Skärmen sitter en halvmeter framför monitorn. På den blinkar cirka tre centimeter breda svarta ränder av och på, vilket blockerar vertikala strängar av bilden, låt oss säga en boll på skärmen bakom den. Effekten är inte uppenbar för tittaren, eftersom ränderna skiftar 180 gånger per sekund. Hastigheten är för hög för att tittarens hjärna ska kunna registrera platsen för varje ränder och ger samtidigt monitorn en chans att fylla i de saknade strängarna för varje öga. Resultatet är att varje öga ser en något annorlunda bild genom luckorna i slutarränderna - vilket ger en stereoskopisk känsla av djup (NYU:s NY3D-system, denna sida). Allt detta fungerar bra - så länge som tittarens ögonglober är placerade exakt där systemet förväntar sig att de ska vara, varje öga i linje med lämpliga bildsträngar på monitorn. För att säkerställa att så är fallet använder Perlins system ett andra trick, som aktivt spårar observatörens ögon med två små kameror monterade ovanför monitorn. Dessutom ger en uppsättning infraröda lysdioder (LED) bredvid kamerorna tittaren ett diskret fall av röda ögon-baksidan av ögat-glöden som länge har varit amatörfotografers förbannelse. Kamerorna kan enkelt isolera betraktarens ljusa pupiller, vilket gör det möjligt för dem att spåra ögonen och justera placeringen av de skiftande ränderna så att de alltid blockerar bilden på ett sätt som upprätthåller den stereoskopiska effekten.

Naturligtvis kommer ett holograms realism inte bara från dess stereoskopiska egenskaper; holografiska bilder kan inspekteras från alla vinklar när betraktarens huvud rör sig runt dem. Tack vare sin förmåga att lokalisera ögonen kan NYU-systemet enkelt spåra huvudrörelser och nästan omedelbart ändra bilderna på monitorn efter behov. Och faktiskt, en systemdemo som visar en roterande skelettfot bekräftar inte bara att den ger en tydlig, helt 3D-bild, utan också att den tillåter en person att bedöma bilden från olika vinklar, inklusive uppifrån eller under. (Gruppen arbetar också med ett system som samtidigt skulle ge 3D-vyer till flera observatörer, till exempel ett team av kirurger som diskuterar den bästa metoden för en svår procedur eller en grupp videospelsspelare som tävlar på en delad monitor.) resultatet är så realistiskt, säger Joel Kollin, forskare vid Center for Advanced Technology, att eventuella köpare av displayen kanske vill helt enkelt hänga upp den på väggen, där den skulle presentera bilder, till exempel en Fiji-strand eller en boulevard i Paris. som faktiskt förändras med avseende på betraktarens vinkel. Det vore precis som att titta ut genom ett fönster, säger han. Som student vid MIT Media Lab i slutet av 1980-talet var Kollin till stor del ansvarig för att bygga gruppens första holografiska videosystem.

Med den senaste tidens ökande konkurrens från grupper på Sony, Ford och andra företag kan ett sådant system mycket väl vara tillräckligt överkomligt för att möjliggöra vissa elementära applikationer inom de närmaste åren ( se Företag som arbetar i tre dimensioner nedan ). Eftersom det systemet behöver bara beräkna och visa de vyer som signaleras av tittarens position vid varje givet tillfälle, kräver det bara kraften från en vanlig dator. LCD-skärmen, eyetracking-lysdioderna, en högkvalitativ bildskärm och programvaran borde inte lägga mycket till det totala priset. Perlin förutspår att tidigproduktionsversioner riktade mot specialiserade marknader som kirurgisk planering kommer att finnas ute inom tre år och kommer att kosta i närheten av $5 000, medan de första helt holografiska systemen sannolikt kommer att kosta tiotusentals dollar. Ännu bättre, säger Perlin, några år efter att de första systemen dyker upp kommer massmarknadsversioner av fönsterdisplayen förmodligen att sälja för bara några hundra dollar mer än en vanlig bildskärm, vilket gör det till verklighet för det genomsnittliga hushållet. Perlin, som har knutit av ett företag för att kommersialisera tekniken, säger att satsningen, NY3D, redan för diskussioner med flera stora företag, inklusive Philips och IBM, som är intresserade av att förvärva rättigheter att producera displayen.

Men medan Perlins pseudoholografiska tillvägagångssätt har en fantastisk kostnadsfördel och, åtminstone för nu, vissa prestandafördelar jämfört med äkta holografiska system, har den också några nackdelar. Systemet har ibland problem med att låsa på tittarens glödande ögon, och snabba huvudrörelser kan förvirra det, vilket gör att användaren upplever en tillfällig förlust av 3D-effekten. Utöver det faller dess bild, som är föremål för ett antal milt distraherande artefakter, inklusive vertikala staplar, vacklande och spökbilder, lite mindre än den skarpa realismen hos en riktig holografisk bild. Mycket av det gapet kommer att minska när systemet går från rå prototyp till en kommersiell version, men till och med Perlin medger att ett riktigt holografiskt system skulle vara utmanande att matcha för bildkvalitet. Vi kommer säkert att ha kommersiella holografiska skärmar, men det kan ta 20 eller 30 år, säger han.

Rädslan för att den holografiska vägen kan ta ett decennium eller mer att nå perfektion förklarar varför till och med MIT Media Lab täcker sina baser: det utvecklar ett icke-holografiskt system som fungerar ungefär som det på NYU. För sin del medger Benton att det är möjligt att det verkliga värdet av äkta holografisk video, åtminstone inom en snar framtid, kan ligga i att sätta en standard för realism för pseudoholographic system.

Tills den standarden är satt kommer båda lagen att fortsätta gå framåt. Perlin har för sin del börjat undersöka vad som allmänt skulle anses vara det ultimata inom 3-D i full rörelse: ett system som projicerar hologram i luften längs linjerna av R2-D2:s projektion av prinsessan Leia i originalets inledningsminuter. Stjärnornas krig filma. Perlin tror att ultrahögfrekventa ljudvågor kan användas för att få luft att böja ljus tillräckligt för att bilda sådana hologram. Hans elever har redan påbörjat proof-of-concept-experiment, men han erkänner att ett fungerande system sannolikt är decennier bort och kan bli löjligt dyrt.

Under tiden finns det anledning att hoppas att pseudoholografiska 3-D-system ska bli så billiga och effektiva att de kan hamna i många hem innan årtiondets slut. Då har vi alla lyxen att oroa oss för om det finns något värt att titta på på dem. Det stora problemet med tv är inte att den är platt, säger Benton. Det är att de avbröt Tvillingtoppar efter två säsonger.

Dölj