Si vous regardez des œuvres de la catégorie science-fiction, vous pouvez trouver de nombreux éléments communs. Bien sûr, l'une des technologies les plus évidentes sont les technologies incroyables - robots, vaisseaux spatiaux, caméras de stase, etc. Les hologrammes peuvent être classés avec confiance parmi les leaders en termes de fréquence d'apparitions dans les films, les jeux et les films. L'ancêtre des hologrammes est, sans surprise, Isaac Asimov, qui mentionne cette technologie dans la série de romans Foundation. Le premier film pour l'hologramme était le film de 1974 Zardoz, avec Sean Connery. Depuis lors, les hologrammes ont commencé à apparaître dans pratiquement tous les films de science-fiction au point que la technologie a cessé d'étonner et a parfois commencé à provoquer une aversion totale pour son incroyable polyvalence en tant qu'outil de traçage. Mais,Malgré les grognements mécontents de certains cinéphiles, les scientifiques du monde entier s'intéressent vivement à cette technologie incroyable. Un groupe de chercheurs de l'Université Brigham Youngham (États-Unis) a créé une nouvelle version de la technologie de visualisation d'images holographiques qui prennent vie littéralement sous nos yeux. Ce travail est déjà couvert sur Habré , mais regardons-le de plus près. Quel est le secret des hologrammes en mouvement, quelle est leur caractéristique et à quoi tout cela ressemble-t-il? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Va.
Base de recherche
En 2018, un travail ( Un affichage volumétrique à piège photophorétique ) a été publié , dans lequel les scientifiques décrivent un dispositif d'affichage volumétrique utilisant le piégeage photophorétique * ( piégeage photophorétique ). Le fonctionnement du dispositif est basé sur le maintien de la particule dans un piège photophorétique, qui entraîne la particule à travers chaque point actif de l'image en espace libre (jusqu'à 1 cm 3 ).
* — , , () (), . .Lorsqu'une particule se déplace dans l'espace libre, elle est éclairée par un laser visible pour former une image qu'une personne peut voir.
Cette technologie est nouvelle et nécessite la solution de nombreux problèmes, les principaux étant d'augmenter le volume d'espace libre de 1 cm 3 à 100 cm 3 et d'éliminer l'incapacité fondamentale des écrans volumétriques à créer des images virtuelles en espace libre. Le deuxième problème est devenu la tâche principale de l'étude que nous envisageons.
Image # 1
Dans ce travail, nous avons utilisé l'imagerie photophorétique basée sur un piège optique (OTD de l'affichage de piège optique), capable de créer des objets plats et tridimensionnels dans l'air ( 1b et 1c ).
Avec l'aide d'OTD, vous pouvez créer une image au bord du volume de l'espace de travail et changer sa parallaxe apparente pour qu'il apparaisse à l'observateur que l'image est derrière le volume de l'espace de travail ( 1d ). Cet effet est appelé «projection en perspective» et est obtenu en OTD en modifiant l'échelle, la forme et la parallaxe d'un objet sur le plan de l'image d'arrière-plan au fur et à mesure que l'observateur se déplace. Dans ce cas, le plan lui-même peut également tourner pour faire face à l'observateur, s'il est fini (c'est-à-dire non sphérique).
Les auteurs des études précédentes soulignent qu'il existe une limitation - tous les points de l'image doivent se trouver le long d'une ligne allant de l'observateur à travers le volume de l'affichage. Les points que l'utilisateur perçoit sur le panneau arrière ne sont plus tridimensionnels car ils ne coïncident plus avec la diffusion physique, ils perdent donc l'attribut d' hébergement idéal * , mais acquièrent la capacité d'augmenter considérablement la taille de l'image perçue.
L'accommodation * est un réglage physiologique de l'œil qui vous permet de garder l'objet au point lorsque la distance à l'œil change.En utilisant la projection en perspective, OTD peut générer simultanément des points d'image 3D réels pour le premier plan et des points d'image non 3D simulés pour l'arrière-plan.
Théorie des appareils
Comme nous l'avons déjà compris, l'imagerie par piège optique fonctionne en maintenant une ou plusieurs particules dans un piège photophorétique. Dans différents travaux, le rôle des particules confinées a été joué par une variété de matériaux aux géométries et dimensions très différentes. Dans ce travail, des particules de cellulose d'une taille de 10 microns ont été utilisées. Lorsque le piège se déplaçait, les particules se déplaçaient avec lui, passant par tous les points de l'image. Lorsque la particule atteignait un certain point de l'image, elle était éclairée par une combinaison de lumière rouge, verte et bleue.
Le passage d'une particule à travers un point se produisait plusieurs fois par seconde, créant une image visible pour une personne ( 1a). Le système visuel humain peut traiter 10 à 12 images par seconde et les percevoir individuellement, tandis que des vitesses plus élevées sont perçues comme un mouvement. Par conséquent, 10 images par seconde peuvent être considérées comme la limite inférieure d'un «arrière-plan» convaincant pour cette technique d'imagerie.
Plus la résolution du système et le taux de rafraîchissement sont élevés, plus cet effet peut être convaincant, car l'observateur ne pourra pas percevoir les mises à jour des images affichées.
L'une des formes les plus courantes de perspective est le lancer de rayons, dans lequel l'observateur (personne ou caméra) est traité comme un point unique E = (x 0 , y 0 , z 0) plus le point d'affichage de l'image X = (x, y, z) et le plan sur lequel est affiché P. Trouver l'intersection de la ligne EX avec le plan P donne la coordonnée X en pixels. La projection en perspective peut être définie par la relation matricielle suivante pour le plan P perpendiculaire à la ligne EO, où O est l'origine:
La matrice de projection en perspective est conçue pour projeter une scène depuis l'espace sur un plan. Cela permet aux points 3D d'être affichés à l'aide d'une surface 2D.
Test pratique de l'appareil
Pour démontrer des images virtuelles simulées à l'aide de la parallaxe modifiée (projection en perspective), une image OTD plate (2D) de la lune a été créée à l'arrière de l'espace de travail. Cet avion, à son tour, était sur la face avant de la miniature tridimensionnelle de la maison ( 2b ).
Image n ° 2
La caméra (observateur) a été placée sur un trépied rotatif ( 2a). La fréquence d'images de la lune rendue a été maintenue à 12 images par seconde. Le nombre de voxels (pixels volumétriques) par seconde rendus au cours des expériences était d'environ 10 000 par seconde. Le taux de rafraîchissement des images vectorielles était de 28 Hz, cependant, plus la vitesse est élevée, plus la qualité est faible. Par conséquent, il a été décidé d'abaisser la fréquence à 12 Hz, ce qui réduit l'effet de scintillement.
La fonction de lecture d'image OTD a changé la projection en perspective en synchronisation avec le mouvement du bras de la caméra. La vitesse du mouvement de la caméra était d'environ 0,0194 m / s. La caméra était focalisée sur la cheminée d'une maison (environ z = 2 mm). Le rayon de braquage était de 100 mm par rapport au bord avant de l'objectif de la caméra. Les dimensions de la maison étaient de 7,7 x 10,6 x 7,4 mm. Le diamètre initial de la lune était de 0,5 mm et la vitesse de son mouvement était de 12 images par seconde.
Résultats de recherche
Image # 3
En 3a - 3c, la lune est "dessinée" dans le plan devant la maison (z = 0 mm), alors qu'elle ne change pas, fournissant une image de référence. En 3d - 3f, la lune est toujours dessinée à z = 0, mais lorsque la caméra tourne, la lune est décalée sur le côté pour obtenir une parallaxe correspondant à l'objet perçu à z = 8 mm. À 3g - 3ividéo de la caméra superposée à la simulation Blender (les deux avec la projection en perspective activée). Dans ce cas, il y a un décalage insignifiant causé par l'imperfection de l'appareil, mais la parallaxe relative est cohérente avec les résultats de la simulation avec une grande précision (l'erreur moyenne n'était que de 5,88%).
L'analyse des résultats expérimentaux a montré que la parallaxe modifiée crée en fait des images perçues derrière l'espace de travail. La parallaxe modifiée après prise en compte du biais a montré un bon accord avec les résultats de la simulation, ce qui indique l'efficacité potentielle de l'augmentation de l'espace d'affichage d'un affichage volumétrique au-delà des limites physiques de l'affichage.
Malgré les résultats ci-dessus, cette technique présente certaines limites: aucune disparité * , la nécessité de suivre la position des yeux de l'observateur, et l'écart entre l'accommodation / vergence * et les autres signaux visuels.
* — .
* — , .Les expériences ont été réalisées à l'aide d'une caméra, c'est-à-dire monoculaire. Pour que la technique d'imagerie holographique soit efficace pour les humains, il est nécessaire de réaliser une parallaxe binoculaire précise. Et pour cela, l'OTD doit avoir contrôlé la diffusion anisotrope.
La deuxième limitation liée au suivi des observateurs est un problème assez sérieux, car les images OTD conventionnelles ne nécessitent pas de connaissance de la position de l'utilisateur et fournissent toujours un angle de vue de presque 4π stéradians * .
Cependant, si la diffusion directionnelle est obtenue, le suivi de l'observateur peut être éliminé dans au moins deux dimensions (horizontale et verticale). La troisième dimension (la distance de l'observateur à l'image) sera encore nécessaire pour une reconstruction parfaite de la perspective, puisque la projection en perspective est basée sur le point d'observation tridimensionnel.
Le stéradian * est une unité de mesure des angles solides, c'est-à-dire partie de l'espace, qui est l'union de tous les rayons émanant d'un point donné (sommet du coin) et coupant une surface. L'angle solide complet (sphère complète) est de 4π stéradians.
La dernière limitation est la non-concordance entre la marque d'accommodation, qui fait que l'utilisateur se concentre sur le plan de projection, et la marque de parallaxe, qui permet au spectateur de se concentrer sur le point perçu. Cet écart entre la stéréopsie * et l'accommodation peut entraîner des effets secondaires indésirables pour l'observateur.
Stereopsis * - perception binoculaire de la forme, de la taille et de la distance par rapport à l'objet; sens subjectif de la profondeur de l'espace.Pour atténuer les effets négatifs, il est nécessaire de placer le plan de projection en perspective à une distance où la parallaxe est plus importante que l'accommodation.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de vous pencher sur le rapport des scientifiques .
Épilogue
Dans ce travail, les scientifiques ont pour la première fois démontré l'application pratique de l'OTD pour créer un effet similaire aux images virtuelles sur des écrans avec un piège optique.
Tout cela est devenu possible grâce au travail des scientifiques, ce qu'ils ont fait en 2018. Ensuite, ils ont pu créer une technique de visualisation d'objets dans l'espace libre. La base de cette technique est constituée de pièges optiques, qui piègent les particules dans l'air à l'aide d'un laser. Au fur et à mesure que la particule se déplace, elle suit le piège, laissant derrière elle un chemin éclairé par laser flottant dans l'air. Les auteurs de la technique l'ont appelée «imprimante 3D pour la lumière».
Selon les auteurs de l'étude, la plupart des écrans 3D exigent que le spectateur regarde l'écran, mais leur conception permet aux images physiquement présentes de flotter dans l'espace libre. En d'autres termes, c'est un objet réel, pas une sorte d'illusion.
Une vidéo dans laquelle les auteurs de l'étude parlent de leur création.
A l'avenir, les auteurs des travaux entendent améliorer leur développement, notamment en augmentant l'espace de travail de l'appareil. Selon eux, si vous choisissez la bonne parallaxe de mouvement, vous pouvez augmenter visuellement la taille de l'espace de travail sans les augmenter physiquement. Cette astuce créera l'illusion d'un écran jusqu'à une taille infinie, disent les scientifiques.
Les hologrammes peuvent en avoir assez de tout le monde, étant donné leur fréquence dans les films, la littérature et les jeux vidéo. Cependant, dans le monde réel, ils sont encore extrêmement rares et leurs capacités sont très limitées. Par conséquent, alors que nous admirons les hologrammes du cinéma avec admiration (ou aversion), les scientifiques continuent de travailler dur pour que cette technologie cesse d'être de la science-fiction et devienne aussi réelle et banale pour nous que pour les héros du cinéma.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez une bonne semaine de travail, les gars. :)
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