Wenn Sie sich Werke aus der Kategorie Science-Fiction ansehen, finden Sie viele gemeinsame Elemente. Eine der offensichtlichsten sind natürlich unglaubliche Technologien - Roboter, Raumschiffe, Stasis-Kameras usw. Hologramme können in Bezug auf die Häufigkeit des Auftretens in Filmen, Spielen und Filmen sicher zu den führenden Unternehmen gezählt werden. Der Urvater der Hologramme ist nicht überraschend Isaac Asimov, der diese Technologie in der Romanreihe Foundation erwähnt. Das erste Filmdebüt für das Hologramm war 1974 der Film Zardoz mit Sean Connery. Seitdem tauchen Hologramme in praktisch allen Science-Fiction-Filmen auf, bis die Technologie nicht mehr in Erstaunen versetzt wurde und zuweilen eine völlige Abneigung gegen ihre unglaubliche Vielseitigkeit als Plotwerkzeug hervorruft. Aber,Trotz des unzufriedenen Murrens einiger Kinogänger haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt ein großes Interesse an dieser unglaublichen Technologie. Eine Gruppe von Forschern der Brigham Youngham University (USA) hat eine neue Version der Technologie zur Visualisierung holographischer Bilder entwickelt, die buchstäblich vor unseren Augen zum Leben erweckt werden. Diese Arbeit ist schon Habré behandelt , aber schauen wir es uns genauer an. Was ist das Geheimnis bewegter Hologramme, was ist ihr Merkmal und wie sieht das alles aus? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.
Grundlagen der Forschung
Bereits 2018 wurde eine Arbeit ( A volopetrische Anzeige mit photophoretischer Falle ) veröffentlicht , in der Wissenschaftler ein Gerät zur volumetrischen Anzeige mit photophoretischem * Einfangen ( photophoretisches Einfangen ) beschreiben. Der Betrieb des Geräts basiert darauf, dass das Partikel in einer photophoretischen Falle gehalten wird, die das Partikel im freien Raum (bis zu 1 cm 3 ) durch jeden aktiven Punkt des Bildes zieht .
* — , , () (), . .Wenn sich ein Teilchen durch den freien Raum bewegt, wird es von einem sichtbaren Laser beleuchtet, um ein Bild zu erzeugen, das eine Person sehen kann.
Diese Technologie ist neu und erfordert die Lösung vieler Probleme. Die Hauptprobleme bestehen darin, das Volumen des freien Speicherplatzes von 1 cm 3 auf 100 cm 3 zu erhöhen und die grundsätzliche Unfähigkeit volumetrischer Anzeigen zu beseitigen, virtuelle Bilder im freien Speicherplatz zu erstellen. Das zweite Problem wurde zur Hauptaufgabe der Studie, die wir betrachten.
Bild Nr. 1
In dieser Arbeit verwendeten wir eine photophoretische Bildgebung basierend auf einer optischen Falle (OTD von der Anzeige einer optischen Falle) ), die sowohl flache als auch dreidimensionale Objekte in der Luft erzeugen können ( 1b und 1c ).
Mit Hilfe von OTD können Sie ein Bild am Rand des Volumens des Arbeitsbereichs erstellen und seine scheinbare Parallaxe so ändern, dass dem Betrachter der Eindruck entsteht, dass sich das Bild hinter dem Volumen des Arbeitsbereichs befindet ( 1d ). Dieser Effekt wird als "perspektivische Projektion" bezeichnet und bei OTD durch Ändern des Maßstabs, der Form und der Parallaxe eines Objekts in der Ebene des Hintergrundbilds während der Bewegung des Betrachters erreicht. In diesem Fall kann sich die Ebene selbst auch dem Betrachter zuwenden, wenn sie endlich (d. H. Nicht sphärisch) ist.
Die Autoren früherer Studien weisen darauf hin, dass es eine Einschränkung gibt - alle Punkte des Bildes müssen entlang einer Linie liegen, die vom Betrachter durch das Volumen der Anzeige verläuft. Die Punkte, die der Benutzer auf der Rückseite wahrnimmt, sind nicht mehr dreidimensional, da sie nicht mehr mit der physischen Streuung übereinstimmen, sodass sie das Attribut der idealen Anpassung * verlieren , sondern die wahrgenommene Bildgröße drastisch erhöhen können.
Akkommodation * ist eine physiologische Einstellung des Auges, mit der Sie das Objekt scharf halten können, wenn sich der Abstand zum Auge ändert.Mithilfe der perspektivischen Projektion kann OTD gleichzeitig sowohl echte 3D-Bildpunkte für den Vordergrund als auch simulierte Nicht-3D-Bildpunkte für den Hintergrund generieren.
Gerätetheorie
Wie wir bereits verstanden haben, funktioniert die optische Fallenabbildung, indem ein oder mehrere Partikel in einer photophoretischen Falle gehalten werden. In verschiedenen Arbeiten wurde die Rolle von eingeschlossenen Partikeln von einer Vielzahl von Materialien mit sehr unterschiedlichen Geometrien und Abmessungen gespielt. In dieser Arbeit wurden Celluloseteilchen mit einer Größe von 10 Mikrometern verwendet. Wenn sich die Falle bewegte, bewegten sich die Partikel mit und passierten alle Punkte des Bildes. Wenn das Teilchen einen bestimmten Punkt im Bild erreichte, wurde es durch eine Kombination aus rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet.
Der Durchgang eines Teilchens durch einen Punkt erfolgte mehrmals pro Sekunde, wodurch ein für eine Person sichtbares Bild entstand ( 1a). Das menschliche visuelle System kann 10 bis 12 Bilder pro Sekunde verarbeiten und einzeln wahrnehmen, während höhere Geschwindigkeiten als Bewegung wahrgenommen werden. Daher können 10 Bilder pro Sekunde als Untergrenze eines überzeugenden "Hintergrunds" für diese Bildgebungstechnik angesehen werden.
Je höher die Systemauflösung und die Bildwiederholfrequenz sind, desto überzeugender kann dieser Effekt sein, da der Betrachter die Aktualisierungen der angezeigten Bilder nicht wahrnehmen kann.
Eine der häufigsten Formen der Perspektive ist die Strahlverfolgung, bei der der Betrachter (Person oder Kamera) als ein einzelner Punkt E = (x 0 , y 0 , z 0) behandelt wird) plus dem Anzeigepunkt des Bildes X = (x, y, z) und der Ebene, auf der P angezeigt wird. Wenn Sie den Schnittpunkt der Linie EX mit der Ebene P ermitteln, erhalten Sie die X-Koordinate in Pixel. Die perspektivische Projektion kann durch die folgende Matrixbeziehung für die Ebene P senkrecht zur Linie EO definiert werden, wobei O der Ursprung ist:
Die perspektivische Projektionsmatrix dient zum Projizieren einer Szene aus dem Raum auf eine Ebene. Dadurch können 3D-Punkte mithilfe einer 2D-Oberfläche angezeigt werden.
Praktischer Test des Gerätes
Um simulierte virtuelle Bilder mit modifizierter Parallaxe (perspektivische Projektion) zu demonstrieren, wurde auf der Rückseite des Arbeitsbereichs ein flaches (2D) OTD-Bild des Mondes erstellt. Diese Ebene befand sich wiederum auf der Vorderseite der dreidimensionalen Miniatur des Hauses ( 2b ).
Bild Nr. 2
Die Kamera (Beobachter) wurde auf ein rotierendes Stativ gestellt ( 2a). Die Bildrate des gerenderten Mondes wurde bei 12 Bildern pro Sekunde gehalten. Die Anzahl der während der Experimente gerenderten Voxel (volumetrischen Pixel) pro Sekunde betrug ungefähr 10.000 pro Sekunde. Die Bildwiederholfrequenz von Vektorbildern betrug 28 Hz. Je höher die Geschwindigkeit, desto geringer die Qualität. Daher wurde beschlossen, die Frequenz auf 12 Hz zu senken, wodurch der Flickereffekt verringert wird.
Die OTD-Bildwiedergabefunktion änderte die perspektivische Projektion synchron mit der Bewegung des Kameraarms. Die Geschwindigkeit der Kamerabewegung betrug ungefähr 0,0194 m / s. Die Kamera wurde auf den Schornstein eines Hauses fokussiert (ca. z = 2 mm). Der Wenderadius betrug 100 mm zur Vorderkante des Kameraobjektivs. Die Abmessungen des Hauses betrugen 7,7 x 10,6 x 7,4 mm. Der anfängliche Durchmesser des Mondes betrug 0,5 mm und die Geschwindigkeit seiner Bewegung betrug 12 Bilder pro Sekunde.
Forschungsergebnisse
Bild 3
In 3a - 3c wird der Mond in der Ebene vor dem Haus "gezeichnet" (z = 0 mm), während er sich nicht ändert, wodurch ein Referenzbild bereitgestellt wird. In 3d - 3f wird der Mond immer noch mit z = 0 gezeichnet, aber wenn sich die Kamera dreht, wird der Mond zur Seite verschoben, um eine Parallaxe zu erhalten, die dem bei z = 8 mm wahrgenommenen Objekt entspricht. Bei 3g - 3iVideo von der Kamera, das der Blender-Simulation überlagert ist (beide mit aktivierter perspektivischer Projektion). In diesem Fall gibt es eine unbedeutende Verschiebung, die durch die Unvollkommenheit des Geräts verursacht wird, aber die relative Parallaxe stimmt mit den Simulationsergebnissen mit hoher Genauigkeit überein (der durchschnittliche Fehler betrug nur 5,88%).
Die Analyse der experimentellen Ergebnisse zeigte, dass die modifizierte Parallaxe tatsächlich Bilder erzeugt, die hinter dem Arbeitsbereich wahrgenommen werden. Die modifizierte Parallaxe nach Berücksichtigung der Vorspannung zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen, was auf die potenzielle Effizienz der Vergrößerung des Anzeigeraums einer volumetrischen Anzeige über die physikalischen Grenzen der Anzeige hinaus hinweist.
Trotz der obigen Ergebnisse weist diese Technik einige Einschränkungen auf: keine Ungleichheit * , die Notwendigkeit, die Position der Augen des Betrachters zu verfolgen, und die Diskrepanz zwischen Akkommodation / Vergenz * und anderen visuellen Signalen.
* — .
* — , .Die Experimente wurden unter Verwendung einer Kamera durchgeführt, d.h. monokular. Damit die Hologramm-Bildgebungstechnik für den Menschen wirksam ist, muss eine genaue binokulare Parallaxe realisiert werden. Und dafür muss die OTD die anisotrope Streuung kontrolliert haben.
Die zweite Einschränkung in Bezug auf die Beobachterverfolgung ist ein ziemlich ernstes Problem, da herkömmliche OTD-Bilder keine Kenntnis der Position des Benutzers erfordern und dennoch einen Blickwinkel von fast 4π- Steradianen * bieten .
Wenn jedoch eine Richtungsstreuung erreicht wird, kann die Beobachterverfolgung in mindestens zwei Dimensionen (horizontal und vertikal) eliminiert werden. Die dritte Dimension (der Abstand vom Betrachter zum Bild) ist für eine perfekte Rekonstruktion der Perspektive weiterhin erforderlich, da die perspektivische Projektion auf dem dreidimensionalen Beobachtungspunkt basiert.
Steradian * ist eine Einheit zum Messen von Raumwinkeln, d.h. Teil des Raumes, der die Vereinigung aller Strahlen ist, die von einem bestimmten Punkt (Scheitelpunkt der Ecke) ausgehen und eine Oberfläche schneiden. Der volle Raumwinkel (volle Kugel) beträgt 4π Steradiane.
Die letzte Einschränkung ist die Nichtübereinstimmung zwischen der Akkommodationsmarke, durch die sich der Benutzer auf die Projektionsebene konzentriert, und der Parallaxenmarke, durch die sich der Betrachter auf den wahrgenommenen Punkt konzentriert. Diese Diskrepanz zwischen Stereopsis * und Akkommodation kann für den Betrachter nachteilige Nebenwirkungen verursachen.
Stereopsis * - binokulare Wahrnehmung der Form, Größe und Entfernung zum Objekt; subjektiver Sinn für die Tiefe des Raumes.Um die negativen Auswirkungen abzuschwächen, muss die perspektivische Projektionsebene in einem Abstand platziert werden, in dem Parallaxe wichtiger ist als Akkommodation.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .
Epilog
In dieser Arbeit haben Wissenschaftler erstmals die praktische Anwendung von OTD demonstriert, um einen Effekt zu erzielen, der virtuellen Bildern auf Displays mit einer optischen Falle ähnelt.
All dies wurde dank der Arbeit von Wissenschaftlern möglich, die sie bereits 2018 geleistet hatten. Dann konnten sie eine Technik zur Visualisierung von Objekten im freien Raum entwickeln. Grundlage dieser Technik sind optische Fallen, die mit einem Laser Partikel in der Luft einfangen. Während sich das Teilchen bewegt, folgt es der Falle und hinterlässt einen laserbeleuchteten Pfad, der in der Luft schwebt. Die Autoren der Technik nannten es "3D-Drucker für Licht".
Laut den Autoren der Studie erfordern die meisten 3D-Displays, dass der Betrachter auf den Bildschirm schaut, aber ihr Design ermöglicht es, dass physisch präsentierte Bilder im freien Raum schweben. Mit anderen Worten, dies ist ein reales Objekt, keine Illusion.
Ein Video, in dem die Autoren der Studie über ihre Entstehung sprechen.
In Zukunft wollen die Autoren der Arbeit ihre Entwicklung verbessern, einschließlich der Vergrößerung des Arbeitsraums des Geräts. Wenn Sie die richtige Bewegungsparallaxe wählen, können Sie den Arbeitsraum visuell vergrößern, ohne sie tatsächlich physisch zu vergrößern. Dieser Trick wird die Illusion eines Displays bis zu einer unendlichen Größe erzeugen, sagen Wissenschaftler.
Hologramme können aufgrund ihrer Häufigkeit in Filmen, Literatur und Videospielen die Nase voll haben. In der realen Welt sind sie jedoch immer noch äußerst selten und ihre Fähigkeiten sind sehr begrenzt. Während wir Hologramme im Kino mit Bewunderung (oder Abneigung) bewundern, arbeiten Wissenschaftler weiterhin hart daran, dass diese Technologie keine Science-Fiction mehr ist und für uns ebenso real und banal wird wie für die Helden des Kinos.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)
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