Hologramas en movimiento

Una proteína de medio metro de largo flota en el aire, varios centímetros frente a un monitor. Parece una cinta rizada de gran tamaño de un paquete de cumpleaños. A medida que tres biólogos moleculares maniobran alrededor de la imagen, estudiando la compleja molécula desde diferentes ángulos, comienza a doblarse, girando lentamente y entrelazándose en un nudo enredado. Su forma es una pista de la función que realiza en el cuerpo humano: algunas proteínas producen reacciones químicas o se comportan como una especie de andamiaje de las células, mientras que otras ayudan en la división celular. La creación de un medicamento que estimule o bloquee la acción de una proteína, digamos, evitando que las células cancerosas se dividan, podría conducir a tratamientos más efectivos. Uno de los investigadores usa un lápiz óptico para pinchar la proteína en varios puntos. Mientras lo hace, la proteína se pliega, revelando una ubicación que podría ser atacada con un medicamento para inhibir la función de la proteína.

Este tipo de ciencia interactiva está en camino y será posible gracias a una nueva generación de pantallas de video en 3-D. La tecnología recurre al poder de los hologramas, o facsímiles razonables de los mismos, para mostrar imágenes sorprendentemente realistas que parecen emerger de la pantalla. Imagínese las escenas en 3-D producidas por el venerable juguete View-Master subido a 11 en el dial de realidad. Pero las nuevas imágenes de video en 3-D no requerirán dispositivos de visualización especiales. Los usuarios no tendrán que ponerse el casco o las gafas que tienden a distraer y pueden causar fatiga visual, como sucede con las llamadas pantallas 3D actuales.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2002

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No. Las imágenes de video holográficas tridimensionales serán generadas por una computadora en lugar de ser fijadas en un medio estático; se mostrarán en color de movimiento completo y, con la entrada de un usuario, se cambiarán sobre la marcha. Es más, los espectadores que se muevan por una imagen de video holográfica podrán verla moverse desde todos los lados, un fenómeno importante para el realismo y que muchos sistemas convencionales basados ​​en anteojos no pueden replicar.

La corriente principal de médicos, científicos, investigadores y desarrolladores de nuevos productos que ya confían en pantallas de computadora de alta gama para visualizar su trabajo verán diferencias dramáticas en esta nueva tecnología. Actualmente, su trabajo está limitado por las imágenes planas y bidimensionales de las pantallas convencionales. No importa qué tan hábilmente estén vestidas las pantallas, no pueden transmitir todos los matices, complejidades e inmediatez de los objetos reales en el mundo 3-D. Debido a que los nuevos hologramas de video producen imágenes completamente en 3-D que flotan en el espacio cerca de la pantalla de visualización, múltiples espectadores pueden examinarlas desde diferentes ángulos. Los geofísicos que examinen imágenes de alta resolución de formaciones rocosas podrán predecir la ubicación de depósitos de petróleo ocultos con mayor precisión. Los diseñadores industriales podrán modificar la carrocería de un automóvil deportivo con la punta de un lápiz, estableciendo instantáneamente el efecto del cambio en el diseño general. Los comandantes militares podrán visualizar el mejor escenario del campo de batalla. Los cirujanos podrán determinar mejor el método más seguro para extirpar un tumor cerebral sin tener que empuñar un cuchillo. Algún día nos preguntaremos cómo solíamos aguantar las imágenes 2-D, dice Stephen Benton, quien dirige el Spatial Imaging Group en el MIT Media Lab.

El grupo es uno de los dos equipos de investigación pioneros que lideran la carga para perfeccionar y comercializar la nueva generación de pantallas 3-D. Benton, un miembro fundador de renombre del laboratorio, es el inventor de las imágenes holográficas del arco iris que aparecen en muchas tarjetas de crédito y portadas de revistas. El otro equipo, del Laboratorio de Investigación de Medios de la Universidad de Nueva York, está trabajando en una versión menos costosa llamada pantalla autoestéreo 3D, que podría convertirse en un producto comercial en los próximos años. El esfuerzo de la NYU está dirigido por Ken Perlin, una leyenda multimedia que ganó un Premio al Logro Técnico de la Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas en 1996 por su desarrollo de una técnica de sonido y textura que se usa ampliamente en las películas de hoy.

Los dos laboratorios de medios lideran la búsqueda, pero no están solos en su búsqueda. En diciembre de 2000, Ford Motor y QinetiQ, con sede en Londres, lanzaron Holographic Imaging, una empresa de I + D en Royal Oak, MI, para crear estaciones de trabajo de imágenes interactivas para diseñadores de automóviles. Y varios grupos japoneses también han entrado en la refriega, incluidos los equipos de Sony, NHK Laboratories y Nihon University. Hace doce años, todo el mundo pensaba que esto era completamente imposible, dice Benton. Ahora hay una competencia real.

Los primeros sistemas producidos por estos esfuerzos probablemente serán aplicaciones especializadas en campos como la planificación quirúrgica y el diseño de automóviles. Pero las versiones lo suficientemente baratas como para servir como aplicaciones de entretenimiento en el hogar deberían seguir rápidamente; después de todo, millones de jugadores de videojuegos darían el pulgar del panel de control izquierdo para ingresar a una versión completamente en 3-D del mundo de Mario, quizás dejando obsoletos para siempre a los dos. vistas dimensionales a las que se han limitado la mayoría de las pantallas. En resumen, resume Ken Perlin de NYU: Todas las razones para aguantar el artificio de que las cosas sean planas desaparecerán.

Video holográfico cristalino

Muchos equipos de investigación están trabajando para innovar el video holográfico, pero el Spatial Imaging Group de Benton en el MIT lleva mucho tiempo a la vanguardia del campo. Aquí, varios estudiantes y personal han estado analizando el problema desde todos los ángulos, por así decirlo, durante 13 años. En los últimos años, los principales patrocinadores de la investigación han sido la Marina de los EE. UU., Que cree que sus tomadores de decisiones en tiempos de guerra se beneficiarían al observar una representación en 3-D de un paisaje de batalla, y Honda, que espera que sus diseñadores de automóviles puedan producir Imágenes 3-D de nuevos modelos propuestos rápidamente. Cuando nos acercamos a Honda por primera vez, nos sorprendió descubrir que ya habían estado pensando en la holografía, dice Benton.

El esfuerzo del MIT se ha centrado desde el principio en el verdadero video holográfico, que no solo mantiene la promesa de imágenes de video en 3D de la más alta calidad, sino que también brinda los desafíos técnicos más abrumadores. En esencia, se encuentran los pasos básicos para crear un holograma estándar: un rayo láser se divide en dos. La mitad está dirigida a un objeto, digamos, una manzana. La presencia de la manzana distorsiona el patrón de ondas de luz en el haz, modulándolo. Luego, se hace que ese rayo se cruce con su otra mitad en material sensible a la luz. Cuando los dos haces se superponen, sus diferentes patrones de ondas de luz interfieren entre sí, grabando un patrón de difracción de líneas microscópicas en el material sensible a la luz. El patrón de difracción funciona como una lente complicada. Cuando un rayo láser lo ilumina, las líneas microscópicas reflejan la luz de una manera que produce una

Imagen tridimensional de la manzana.

En lugar de luces y espejos, Benton y su equipo utilizan algoritmos informáticos especialmente desarrollados. Los algoritmos calculan los tipos de líneas microscópicas necesarias para un determinado holograma, las convierten en ondas sonoras y luego las envían a una pila de cristales de óxido de telurio que tienen la propiedad única de distorsionarse temporalmente cuando las ondas sonoras los atraviesan. Esa distorsión forma las líneas microscópicas del patrón de difracción que forman un holograma. Un rayo láser que atraviesa ese patrón transmite la imagen de los cristales a una pantalla de visualización ( vea el video holográfico Mark II del MIT, a continuación).

Ilustración de Slim Films.

La pantalla de video holográfica Mark II del MIT produce imágenes en 3D sorprendentemente agradables y realistas. En una demostración, un prototipo de automóvil deportivo rojo diseñado por Honda parece instantáneamente flotar brillantemente en miniatura a medio metro más o menos frente al observador, todas las elegantes líneas del automóvil perfectamente discernibles desde diferentes ángulos. Quizás se deba en parte a la novedad de la experiencia, pero el leve parpadeo y las barras de imagen relucientes apenas distraen la atención del intenso realismo del efecto.

El grupo de Benton está perfeccionando continuamente tres áreas principales: hardware y software para la pantalla, realismo y calidad de imagen, e interactividad. Wendy Plesniak, investigadora y consultora de Media Lab que, como estudiante, ayudó a desarrollar algoritmos informáticos para el dispositivo de video holográfico, agregó una característica que en última instancia podría conducir a la máquina de los sueños de un diseñador industrial: una interfaz háptica, o force feedback, que hace posible esculpe la imagen proyectada con una herramienta de mano de la vida real. A medida que el usuario empuja, pincha y talla con un lápiz, la imagen holográfica cambia como si fuera arcilla en un torno de alfarero, y el usuario siente resistencia como si realmente estuviera trabajando la arcilla.

Plesniak dice que el grado de sensación y control que ofrece la combinación de una interfaz háptica con holografía proporcionaría un camino completo en la creación de prototipos digitales. En una demostración, usa el lápiz óptico para tallar un objeto rojo con forma de tambor como si estuviera girando en un torno; en otro, una imagen en forma de hoja se vuelve hoyuelos cuando se pincha. En general, la imagen producida por el sistema es brillante, parece realista y parece a todo el mundo como si estuviera flotando en el espacio justo frente al usuario. Con la mayoría de los sistemas 3-D, el efecto 3-D tarda un poco en aparecer, y nunca se obtiene tanta profundidad como dicen las matemáticas, dice Benton. Pero no tienes esos problemas con los hologramas.

Sin embargo, el sistema tiene un largo camino por recorrer antes de que sea probable que se comercialice. El mayor problema es que hacer un holograma de video requiere procesar enormes cantidades de datos. Eso puede no ser sorprendente, dado que un holograma proporciona no solo una vista única de una imagen, sino todas las vistas desde cualquier número de ángulos. Aún así, el patrón de difracción de un solo holograma de alta resolución puede consumir fácilmente más de un terabyte de datos, suficiente para llenar 1.600 discos compactos. Un video holográfico moderadamente libre de parpadeos requeriría al menos 20 hologramas de este tipo por segundo. Claramente, procesar 20 terabytes de información por segundo requeriría tecnología extraterrestre: las PC más rápidas de hoy funcionan a una velocidad cienmilésima. Como resultado, el Mark II acepta una serie de compromisos en la calidad de imagen para reducir los requisitos informáticos a 16 megabytes por segundo manejables. El sistema utiliza un solo color, genera solo imágenes de 10,16 por 12,7 centímetros y genera una frecuencia de actualización de fotogramas parpadeante de aproximadamente siete imágenes por segundo. Además, debido a que a la imagen se le quita la información necesaria para acomodar la vista de un observador de la parte superior o inferior, la imagen cambia solo cuando el observador se mueve de un lado a otro. Es sorprendente cómo pocas personas notan que nada cambia cuando miras por encima o por debajo de él, dice Benton.

Una nueva versión de hardware que está en proceso debería acercar mucho más el sistema a la comercialización. Los objetivos de la revisión incluyen cambiar a una disposición de microprocesador en paralelo capaz de producir las altas velocidades de procesamiento necesarias para lograr un tamaño de imagen más grande, una mayor resolución y una velocidad de fotogramas más rápida.

Además, el grupo espera dar el salto a una pantalla de visualización de ultra alta resolución basada en sistemas microelectromecánicos. Esa tecnología emplearía miles de pequeños espejos y rayos láser, cada uno creando un píxel de un patrón de difracción completo. No se espera que tales exhibiciones existan durante al menos algunos años, pero Benton señala que su grupo no planea que su trabajo dé frutos comerciales por lo menos durante otros cuatro años de todos modos. La holografía es difícil, dice con un suspiro. Por eso es uno de los proyectos de mayor alcance en el Media Lab.

Pseudoholografía

Mientras tanto, en el Centro de Tecnología Avanzada de NYU, el otro líder temprano en la carrera para producir esta nueva ola de 3-D, el grupo de Perlin está reclutando una técnica no holográfica capaz de proporcionar imágenes dinámicas ajustadas al ángulo que se parecen a las producidas por sistemas holográficos. . Además, las imágenes no se evocan mediante el uso de luz láser complejamente modificada. En cambio, se muestran en un monitor relativamente común en un enfoque que Perlin llama interfaz holográfica. El grupo logra esto aprovechando el hecho de que la mayor parte de la enorme y costosa potencia de procesamiento y visualización necesaria para producir videos holográficos finalmente se desperdicia: un holograma proporciona más imágenes que las que se encuentran con los ojos de los espectadores; también proporciona imágenes deslumbrantes y ajustadas en ángulo a los miles de lugares en los que no hay globos oculares para apreciarlos. Cada una de estas imágenes distintas no percibidas debe calcularse, transmitirse y mostrarse, porque no existe una forma práctica de limitar la cobertura holográfica a los ángulos de visión específicos de un observador. Es como empuñar una pistola elefante para dispararle a una mosca, dice Perlin. Su sistema, por lo tanto, muestra imágenes adaptadas a la posición precisa de un observador.

Aunque la tecnología NY3D de NYU no incluye la holografía, le brinda al observador la misma experiencia visual que un sistema holográfico: el mecanismo es estereoscópico, brindando a los ojos izquierdo y derecho diferentes imágenes, y las imágenes cambian con el ángulo de visión. Y, por supuesto, no se necesitan gafas.

Conseguir imágenes similares a hologramas desde una pantalla simple requiere dos trucos. El primero tiene la forma de una pantalla de cristal líquido (LCD) transparente que altera la vista de la imagen que se muestra en un monitor. La pantalla se encuentra a medio metro frente al monitor. En él, rayas negras de unos tres centímetros de ancho se encienden y apagan, bloqueando las franjas verticales de la imagen, digamos, una bola en el monitor detrás de ella. El efecto no es obvio para el espectador, porque las franjas cambian 180 veces por segundo. La velocidad es demasiado rápida para que el cerebro del espectador registre la ubicación de cada franja y, al mismo tiempo, le da al monitor la oportunidad de completar las franjas faltantes de cada ojo. El resultado es que cada ojo ve una imagen ligeramente diferente a través de los espacios en las franjas del obturador, que producen una sensación estereoscópica de profundidad (NYU's NY3D System, esta página). Todo esto funciona bien, siempre y cuando los ojos del espectador estén ubicados exactamente donde el sistema espera que estén, cada ojo alineado con las franjas de imagen adecuadas en el monitor. Para asegurarse de que este sea el caso, el sistema de Perlin emplea un segundo truco, rastreando activamente los ojos del observador con dos pequeñas cámaras montadas sobre el monitor. Además, un conjunto de diodos emisores de luz infrarroja (LED) junto a las cámaras le dan al espectador un caso discreto de ojos rojos, el resplandor del fondo del ojo que durante mucho tiempo ha sido la pesadilla de los fotógrafos aficionados. Las cámaras pueden aislar fácilmente las pupilas brillantes del espectador, lo que les permite seguir los ojos y ajustar la ubicación de las franjas cambiantes para que siempre bloqueen la imagen de una manera que mantenga el efecto estereoscópico.

Por supuesto, el realismo de un holograma no proviene simplemente de sus propiedades estereoscópicas; Las imágenes holográficas se pueden inspeccionar desde todos los ángulos a medida que la cabeza del espectador se mueve a su alrededor. En virtud de sus capacidades de localización de ojos, el sistema NYU puede rastrear fácilmente el movimiento de la cabeza y alterar casi de inmediato las imágenes en el monitor según sea necesario. Y, de hecho, una demostración del sistema que muestra un pie esquelético giratorio confirma no solo que proporciona una imagen clara y completamente en 3-D, sino que también permite que una persona evalúe la imagen desde diferentes ángulos, incluso desde arriba o desde abajo. (El grupo también está trabajando en un sistema que proporcionaría simultáneamente vistas tridimensionales a múltiples observadores, como un equipo de cirujanos debatiendo el mejor enfoque para un procedimiento difícil o un grupo de jugadores de videojuegos que compiten en un monitor compartido). El resultado es tan realista, dice Joel Kollin, investigador del Centro de Tecnología Avanzada, que los eventuales compradores de la pantalla pueden querer simplemente colgarlo en la pared, donde presentaría imágenes, digamos, una playa de Fiji o un bulevar de París. que en realidad cambian con respecto al ángulo del espectador. Sería como mirar por una ventana, dice. Como estudiante del MIT Media Lab a fines de la década de 1980, Kollin fue en gran parte responsable de la construcción del primer sistema de video holográfico de ese grupo.

Con el reciente aumento de la competencia de grupos en Sony, Ford y otras compañías, un sistema de este tipo puede ser lo suficientemente asequible como para permitir algunas aplicaciones elementales en los próximos años ( consulte Empresas que trabajan en tres dimensiones, a continuación ). Debido a que ese sistema necesita calcular y mostrar solo las vistas indicadas por la posición del espectador en un momento dado, solo requiere la potencia de una PC ordinaria. La pantalla LCD, los LED de seguimiento ocular, un monitor de alta calidad y el software no deberían agregar mucho al precio total. Perlin predice que las primeras versiones de producción destinadas a mercados especializados, como la planificación quirúrgica, saldrán dentro de tres años y tendrán un precio cercano a los $ 5,000, mientras que los primeros sistemas completamente holográficos probablemente costarán decenas de miles de dólares. Aún mejor, dice Perlin, unos años después de que aparezcan los primeros sistemas, las versiones para el mercado masivo del escaparate probablemente se venderán por solo unos pocos cientos de dólares más que un monitor común, lo que lo convertirá en una realidad para el hogar promedio. Perlin, que ha creado una empresa para comercializar la tecnología, dice que la empresa, NY3D, ya está en conversaciones con varias empresas grandes, incluidas Philips e IBM, que están interesadas en adquirir los derechos para producir la pantalla.

Pero si bien el enfoque pseudoholográfico de Perlin tiene una gran ventaja en el costo y, al menos por ahora, ciertas ventajas de rendimiento sobre los verdaderos sistemas holográficos, también tiene algunos inconvenientes. En ocasiones, el sistema tiene problemas para fijarse en los ojos brillantes del espectador y los movimientos rápidos de la cabeza pueden confundirlo, lo que hace que el usuario experimente una pérdida temporal del efecto 3-D. Además de eso, su imagen, que está sujeta a una serie de artefactos que distraen levemente, incluidas barras verticales, oscilaciones y fantasmas, se queda un poco corta del realismo nítido de una imagen holográfica real. Gran parte de esa brecha se reducirá a medida que el sistema pase de un prototipo en bruto a una versión comercial, pero incluso Perlin admite que un verdadero sistema holográfico sería un desafío para igualar la calidad de imagen. Sin duda tendremos pantallas holográficas comerciales, pero podría llevar 20 o 30 años, dice.

El temor de que la ruta holográfica pueda tardar una década o más en alcanzar la perfección explica por qué incluso el MIT Media Lab está cubriendo sus bases: está desarrollando un sistema no holográfico que funciona de manera muy similar al de NYU. Por su parte, Benton admite que es posible que el valor real del verdadero video holográfico, al menos en un futuro cercano, pueda estar en establecer un estándar de realismo para los sistemas pseudoholográficos.

Hasta que se establezca ese estándar, ambos equipos seguirán avanzando. Por su parte, Perlin ha comenzado a investigar lo que se consideraría lo último en 3D de movimiento completo: un sistema que proyecta hologramas en el aire, siguiendo las líneas de la proyección de R2-D2 de la Princesa Leia en los primeros minutos del original. Guerra de las Galaxias película. Perlin cree que se podrían emplear ondas sonoras de frecuencia ultra alta para hacer que el aire doble la luz lo suficiente como para formar tales hologramas. Sus estudiantes ya han comenzado experimentos de prueba de concepto, pero reconoce que es probable que falten décadas para un sistema que funcione y que podría ser ridículamente caro.

Mientras tanto, hay motivos para esperar que los sistemas 3-D pseudoholográficos sean tan baratos y efectivos que podrían terminar en muchos hogares antes del final de la década. Entonces todos tendremos el lujo de preocuparnos por si hay algo que valga la pena ver sobre ellos. El gran problema de la televisión no es que sea plana, dice Benton. Es que cancelaron Twin Peaks después de dos temporadas.

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