Hologrami - Slike in video v treh razsežnostih
Svetlobni hologrami in holografski videi ter filmi 3D že dolgo vzbujajo pozornost. Kako delujejo holografski in stereoskopski predvajalniki? Koliko stanejo? Kaj bo prinesel njihov prihodnji razvoj? Bomo lahko filme 3D s prostim očesom že kmalu gledali tudi doma?
Hologrami prinašajo v svet računalniških iger povsem nove dimenzije, še posebej združitev navidezne resničnosti z realnim svetom, ter povsem nove možnosti interakcije človeka z računalnikom. Pri inženirskem načrtovanju si trirazsežne modele zgradb, letal, vozil in plovil lažje predstavljamo, če si jih lahko ogledamo kot holograme. Podobno si kirurgi želijo pred operacijo natančno ogledati notranjost dela pacientovega telesa, ki ga bodo operirali, ter predvideti potek operacije in ukrepanje ob morebitnih zapletih.
Android R2D2 iz serije filmov Vojna zvezd in Voxonov kupolasti holografski prikazovalnik. Vir: Voxon photonics media kit
Kaj je holografija?
Beseda holografija je sestavljena iz starogrških besed holos (slov. celoten) in grapho (slov. pisati), kar pomeni celoten zapis slike. Holografski posnetki, ki so osnova za izdelavo svetlobnih hologramov, vsebujejo poleg podatkov o intenziteti svetlobe tudi njen fazni zamik oziroma vse podatke o trirazsežni obliki, velikosti in barvah predmeta.
Kako nastane hologram?
Osnovna fizikalna pojava, na osnovi katerih izdelamo svetlobni hologram, sta interferenca in lom svetlobe. Omogočata nastanek t. i. statičnih svetlobnih valov, ki jih s prostim očesom opazimo v zraku, lahko pa jih tudi posnamemo s kamero.
Enostavno prostorsko grafiko, kot je krivulja, geometrijski lik ali iz geometrijskih likov sestavljeno geometrijsko telo, na primer kvader, lahko v prazen prostor projiciramo tudi z računalniško vodenimi laserji. Pri tem statični svetlobni valovi nastanejo zaradi interference njihovih svetlob. Mnogi si pri izdelovanju velikih hologramov v zraku še vedno pomagajo tudi z meglico (denimo iz tekočega dušika), ki jo sicer pogosto uporabljajo tudi za vizualne učinke.
Laserski prikazovalniki in laserski učinki. Vir: Wikipedija
Lom svetlobe in njeno projekcijo lahko v holografski sliki dosežemo tudi pod prozorno (stekleno ali plastično) kupolo ali piramido. Holografske slike lahko ustvarijo tudi večplastni zasloni LCD, le da teh ne moremo opazovati z vseh strani, ampak moramo stati pred zaslonom. Razlika v primerjavi z današnjimi filmi 3D je predvsem v tem, da za ogled ne potrebujemo očal 3D. Proizvajalci tovrstnih zaslonov, ki jih danes uporabljajo predvsem igralne konzole, menijo, da bodo zorni kot že kmalu lahko povečali skoraj do 180 stopinj. Večina tovrstnih zaslonov ima za zdaj manj kot pet plasti LCD, saj se z večanjem njihovega števila hkrati zmanjšuje prozornost. Tako mora imeti spodnja plast višjo svetilnost, če naj bo videti enako svetla kot zgornja, hkrati pa se svetloba pri prehajanju skozi plasti tudi nekoliko razprši.
Holoxica na svojih spletnih straneh predstavlja principe delovanja holografskih prikazovalnikov. Vir: spletna stran holoxica.com
Po drugi strani sodobni predvajalniki 3D s svetlobnim poljem ustvarijo več svetlobnih polj z različnimi perspektivami holograma, a navadno le po vodoravni osi. Tako opazovalec z levim in desnim očesom vidi različni sliki, ne da bi potreboval kakršenkoli pripomoček. Čeprav po vertikalni osi sicer vselej vidi enako sliko, to za občutek globinske slike ni bistveno, saj med gledanjem videa svojega pogleda navadno ne dviga gor in dol, da bi videl hologram iz različnih vertikalnih perspektiv.
Čeprav v laboratorijih ob pomoči nanotehnologij že razvijajo ležeče, za holografske zaslone s polji zrcal nanometrske velikosti, ki bodo omogočali bistveno več perspektiv s prostim očesom, bomo morali nanje počakati še vsaj nekaj let.
Kje jih lahko kupimo in koliko stanejo?
V svetovnih spletnih trgovinah lahko za okoli 10 evrov kupimo pripomočke za prikaz holografskih slik z običajnimi prikazovalniki 2D visoke ločljivosti v pametnih telefonih in računalniških tablicah. Narobe obrnjene piramide, potem ko jih položimo na vodoravno položen prikazovalnik, štiri perspektive predmeta projicirajo v isti del prostora, kjer nastane hologram, ki ga lahko opazujemo s prostim očesom.
Trgovine so založene tudi z enostavnimi holografskimi prikazovalniki, namenjenimi igri, zabavi in oglaševanju (stanejo med 50 in 1.000 evri), medtem ko lahko v specializiranih trgovinah (npr. britanska holoxica.com) naročimo holografske prikazovalnike za profesionalno rabo z veliko višjimi ločljivostmi, namenjene delu v medicini in inženirskemu načrtovanju.
A ti so še sorazmerno dragi ter okorni in mnogi ponudijo le nekaj trirazsežnih perspektiv opazovanega predmeta pri sorazmerno majhnem največjem kotu gledanja, drugi se zanašajo na sorazmerno nizke ločljivosti po vsaki od prostorskih osi, kot je 1.000 x 1.000 x 200. Stanejo med 2.500 in 100.000 evri, odvisno od kompleksnosti in principa delovanj. Končna cena je odvisna tudi od carinskih in drugih dajatev v posameznih državah, zato nekateri proizvajalci cen ne oglašujejo, lahko pa pošljemo povpraševanje.
Stereoskopski ali holografski video?
Naše oči hkrati ne vidijo celotne holografske slike, temveč z vsakim očesom naenkrat vidimo zgolj enega izmed dvorazsežnih pogledov nanjo, podobno kot digitalna kamera 3D. Občutek globinske slike prostora pred nami ustvarijo naši možgani, ko združijo sliki z obeh očes. Za potopitev v virtualni svet tako povsem zadošča kakovostna stereoskopska slika, ki jo lahko s posebnim programskim orodjem ustvarimo že na zaslonu pametnega telefona, opazujemo pa ob pomoči papirnega ali plastičnega pripomočka, s katerim pogled vsakega od očes usmerimo izključno na svoj del zaslona.
Trirazsežni video vsebuje zaporedji nekoliko zamaknjenih gibljivih slik za levo in desno oko, kar poustvari globinsko sliko. Za njegov ogled potrebujemo naglavni stereoskopski prikazovalnik ali razne pripomočke, kot so raznobarvna, polarizacijska ali zatemnilna očala, ki iz enotne slike na platnu izluščijo sliki za levo in desno.
Kaj je volumetrična točka ali voxel?
Če angleški izraz pixel pomeni točko na zaslonu dvorazsežnega prikazovalnika, kakršni so današnji računalniški monitorji in televizorji, ali točko v digitalizirani sliki 2D, ki jo zajame klasična digitalna kamera, predstavlja voxel (volumetrična točka) prostorsko točko svetlobnega holograma, ki jo holografski prikazovalnik izriše v prostoru.
V laboratorijih že razvijajo tudi projekcijske sisteme, ki sledijo premikanju oči gledalca in mu s premikanjem zrcal v vsako oko projicirajo svoj svetlobni tok, zaradi česar ne potrebuje prej omenjenih pripomočkov, vendar pa je to težko zagotoviti za veliko število hkratnih gledalcev.
Holografski video namesto tega nastane prostoru in ne na platnu, zato ga lahko opazujemo z različnih zornih kotov, pri čemer vsakokrat vidimo drugačno sliko, kot če bi opazovali stvari v naravi.
Je velikanski tok podatkov res nujen?
Filmski producenti vse pogosteje snemajo v stereoskopski tehniki, saj je potrebna hitrost prenosa podatkov pri videu 3D le dvakrat večja kot pri običajnem, 2D. Film je mogoče predvajati tudi v običajni tehniki, ki ne zahteva uporabe posebnih očal ali naglavnih stereoskopskih prikazovalnikov.
Takole si inženirsko načrtovanje ob pomoči holografskega prikazovalnika predstavljajo pri Hypervsnu. Vir: spletna stran hypervsn.com
Po drugi strani je treba že za kratek holografski video shraniti za nekaj velikostnih razredov več podatkov kot pri klasičnem videu 2D. Denimo, za minuto videa ločljivosti 1280 x 720 pri 32-bitni barvni globini in 25 slikah na sekundo moramo shraniti 1.280 x 720 x 4 x 25 bajtov oziroma malo manj kot 88 MB podatkov. Medtem ko bi za sekundo holografskega videa ločljivosti 1.280 x 720 x 1.024 pri 32-bitni barvni globini in 25 slikah na sekundo potrebovali kar 1.024-krat več podatkov, okoli 88 GB. Pri tem bi morala biti hitrost prenosa podatkov iz računalnika v holografski prikazovalnik kar 88 GB/s, kar pomeni, da bi morali celoten video naložiti v pomnilnik računalnika, saj ga z diska ne bi mogli tako hitro prečrpati, ali pa bi morali uporabiti zapleteno in zelo drago polje pogonov SSD, kamor bi s kirurško natančnostjo razporedili podatke videa, da bi bilo lahko tako hitro dostopni.
S kakovostnim izgubnim stiskanjem podatkov, kakršnega uporabljamo tudi pri videu 2D in 3D (npr. MP4), lahko potrebno hitrost toka podatkov za okoli desetkrat zmanjšamo, a kaj to pomaga, če večina filmov traja okoli dve uri. Obenem so se mnogi že navadili na filme 2D z ločljivostmi 2K, 4K in 8K, vendar si podobnih holografskih filmov 3D, ki bi jim dodali še globinsko razsežnost 2.100 ali 4.096 volumetričnih točk, z današnjimi računalniki ne moremo predstavljati. Alternativa so enostavni holografski prikazovalniki, ki hkrati prikazujejo le nekaj perspektiv holograma (piramidni, denimo, samo 4), a je to vseeno dovolj, da naši možgani za silo sestavijo prostorsko sliko.
Največji proizvajalci holografskih prikazovalnikov in rešitev za izdelavo hologramov
Četudi je trg holografskih prikazovalnikov in z njimi povezanih storitev ter programske opreme zanje še sorazmerno majhen, v zadnjih letih hitro raste. Čeprav pri nekaterih proizvajalcih pogrešamo cenejše rešitve za domačo rabo, so holografski predvajalniki za izložbena okna in javne predstavitve na voljo že od konca 90. let prejšnjega.
Looking Glass (lookingglassfactory.com) je eno pomembnejših podjetij s tega področja, v svojem programu pa imajo vse od majhnih holografskih foto okvirjev, do stenskih »televizorjev« velikosti 32 palcev in celo 65-palčni model, ki je namenjen trgovinam, oz. oglaševanju.
Cy vision (cyvision.com) proizvaja programske holografske prikazovalnike, namenjene predvsem proizvajalcem avtomobilov z asistenco pri vožnji in samovozečih avtomobilov. Prikazovalniki so namenjeni tudi voznikom z okvaro globinskega vida.
Holoxica (holoxica.com) razvija tehnologije za trirazsežne vizualizacije na inženirskem in medicinskem področju. Za tri generacije holografskih segmentnih, projekcijskih in volumetričnih prikazovalnikov in programsko razvojno okolje za načrtovanje modelov 3D, Holoviewer, so prejeli tudi številne odmevne nagrade. Holoviewer deluje v računalniškem oblaku (naročnina stane 148 britanski funtov (GBP) letno), najdražjo različico enerprise (za 498 GBP letno) pa lahko namestimo tudi v svoj računalniški sistem.
Holoxicin pokončni holografski prikazovalnik z diagonalo 20,1 cm, ki je prej kot ne primeren za enoosebno rabo, stane 399 GBP, medtem ko moramo za največji, ležeči zaslon z diagonalo 80,1 cm odšteti kar 19.499 GBP. Ob pomoči polja holografskih prikazovalnikov (t. i. holografske stene) razvijajo tudi sisteme za oddaljeno prisotnost.
Hypervsn (hypervsn.com) ima z 21 milijoni dolarjev največji prihodek med vsemi proizvajalci holografskih prikazovalnikov in je hkrati prejemnik številnih uglednih nagrad za holografske prikazovalnike ter programsko opremo zanje. Prikazovalnik 3D Hypervsn solo omogoča prikaz do 75 cm visokih figur, medtem ko lahko iz polja tovrstnih prikazovalnikov ustvarimo holografsko steno. Za prikaz hologramov človeške velikost potrebujemo prikazovalnik Hypervsm Holographic Human.
Hypervsnjevo razvojno okolja Hypervsn software suite za načrtovanje hologramov. Vir: spletna stran hypervsn.com
Light Field Lab (lightfieldlab.com) razvija napredne tehnologije za holografski prikaz na osnovi nanotehnologije. Ko jim je leta 2019 uspelo zbrati dodatnih 28 milijonov dolarjev za financiranje svojih projektov, so se lahko lotili tudi zahtevnejših tehnoloških podvigov, kot je izdelava holografskih prikazovalnikov, ki jih bo mogoče kot holografske kocke zložiti v velik prikazovalnik, da bo ustvaril navidezni svet, v katerega se bomo potopili brez uporabe očal 3D ali drugih pripomočkov.
MDH Hologram (mdhhologram.com) je že konec 90. let preteklega stoletja patentiral tehnologijo za projekcijski sistem 3D, ki so ga že leta 1996 namestili v muzeju Swarovski v Avstriji. Njihova najodmevnejša tehnologija Eyemagic omogoča ogled hologramov s številnih zornih kotov, a kljub temu dobro skrije tehnične elemente, ki to omogočajo. Daljše opazovanje holograma zaradi odlične optične globine ni utrujajoče kot pri nekaterih konkurenčnih prikazovalnikih.
Nanjing dseelab digital technology (dseelab.com) ima veliko patentov, znanja in izkušenj na področju holografije. Osnova prikazovalnikov so vetrnice LED raznih velikosti, ki delujejo samostojno ali pa so del večjega stenskega holografskega prikazovalnika. Razvojna osnova 3D video generation tool združuje različna programska orodja za pripravo trirazsežnih (oglasnih) napisov in logotipov, posebne učinke v ozadju in holografskih videov.
Dseelabovo programsko orodje 3D maker. Vir: dseelab.com
Realfiction Holdings (realfiction.com) proizvaja holografske prikazovalnike vseh vrst. Med najbolj popularnimi je serija Dreamoc, iz katere so prodali že več kot 10.000 prikazovalnikov tipov XL5, XXL3, POP3 in Diamond, ki se razlikujejo predvsem po velikosti in so namenjeni predvsem predstavitvam ter oglaševanju v javnih prostorih in trgovinah.
SeeReal Technologies (seereal.com) ima na področjih avtostereoskopskih in holografskih prikazovalnikov že več kot sto patentov in je osvojil tudi več prestižnih nagrad. Hologrami zaradi odlične optične globine niso utrujajoči za gledanje.
VividQ (vivid-q.com) razvija nove generacije holografskih in stereoskopskih prikazovalnikov, ki omogočajo potopitev uporabnika v navidezne svetove. Veliko pozornosti namenjajo avtomobilskim projekcijskim zaslonom in pametnim projekcijskim holografskim predvajalnikom ter razvoju programskih razvojnih okolij opreme za načrtovanje programske opreme zanje. Razvijajo tudi programska orodja za ustvarjanje hologramov.
Voxon Photonics (voxon.co) je priznan proizvajalec holografskih prikazovalnikov za inženirsko načrtovanje, medicinsko rabo in poučevanje. Hologramov ne prikazujejo le v realnem času, ampak omogočajo tudi uporabniško interakcijo. Ena izmed možnosti je vrtenje holograma, ki se ga navidezno dotaknemo.
Hologrami so lahko zanimiva popestritev pouka. Vir: Voxon photonics media kit
Hologrami pod steklom
Saj ne, da raziskovalcev, izumiteljem in številnim proizvajalcem ne bi privoščili radosti ob naraščanju popularnosti njihovih domiselnih izdelkov za prikaz hologramov, a so mnogi še veliko premalo dodelani, da bi bili zares uporabni ali da se jih ne bi prej ali slej naveličali. Kakorkoli, prvi prikazovalniki hologramov, ki jih lahko gledamo s prostim očesom, so tu.
Prozorna piramida s stranicami iz plastike ali stekla z odrezano konico, ki jo s tanjšim delom položimo na zaslon pametnega telefona, da ustvarimo svoj prvi hologram.
Holografske prikazovalnike pa tudi holografske stene lahko kupimo tudi v Sloveniji. Vir: teksel.si
Prozorna piramida projicira svetlobo iz štirih delov prikazovalnika LCD z visoko ločljivostjo v svoje središče, v katerem nastane holografska slika. Pri tem velja poudariti, da lahko gibljive holograme ustvarimo samo ob pomoči posebej prilagojenih videov, ki jih lahko predvajamo z Youtuba. Ti so oblikovani tako, da natančno ustrezajo velikosti povprečnega prikazovalnika 2D pametnega telefona. Upoštevajo tudi področje pod središčem piramide, ki ne sme biti osvetljeno. Piramido moramo narobe obrnjeno postaviti na sredo zaslona pametnega telefona. Pri predvajanju brez holografskega pripomočka takoj opazimo, da je vsak okvir (slika) videa sestavljena iz štirih slik, po ene v vsakem kvadrantu. Vsaka izmed njih predstavlja eno od perspektiv predmeta, ki ga želimo prikazati v obliki gibljivega holograma.
Dražji, zmogljivejši in natančnejši tovrstni holografski prikazovalniki imajo vgrajen svoj prikazovalnik, a so nekateri predvsem zaradi lepšega videza obrnjeni na glavo, tako da je prikazovalnik LCD na vrhu, piramida s steklenimi stenami pa spodaj. Naprava je navadno obdana s črnim ohišjem, ki dovoljuje le poglede, v katerih lahko vidimo dovolj kakovostne holograme. Dovolj kakovostno in jasno sliko pa lahko dosežemo le z dobro in natančno izdelanimi prikazovalniki vseh velikosti.
Podobno tehnologijo uporabljajo tudi pri Voxonu, le da hologram namesto v piramidi nastane v prozorni okrogli kupoli. Prikazovalniki, katerih cene segajo tudi prek 10.000 dolarjev, so namenjeni predvsem profesionalni rabi pri inženirskem načrtovanju in v medicini. Denimo, Voxon vx1 zmore ločljivost približno 1.000 x 1.000 x 200 prostorskih točk pri največji velikosti holograma 18 x 18 x 8 cm. To se morda v primerjavi z ločljivostjo 4K pri prikazovalnikih 2D (ki jih uporabljajo za osnovo tudi številni enostavni holografski prikazovalniki) ne zdi veliko, a ko izračunamo število vseh volumetričnih točk, ugotovimo, da jih je kar 200 milijonov, medtem ko je pri dvorazsežnem prikazovalniku 4K le 3.840 x 2.160 pik, kar znese 8,3 milijona. Ne preseneča torej, da ima vx1 kar sedem vmesnikov USB 3.0 in lahko v sekundi osveži 500 milijonov prostorskih točk. A zadnje zadošča le za dve osvežitvi celotnega svetlobnega polja na sekundo. Po drugi strani pa je res, da hologram skoraj nikoli ne zasede celotnega svetlobnega polja, zato je dovolj, če osvežujemo samo tisti del, v katerem je prikazan.
Hologrami v zraku nad večkrako vetrnico LED
Poseben način prikazovanja hologramov omogočajo vrteče se vetrnice LED, ki imajo dva kraka (ali več) posejana z linijami računalniško krmiljenih barvnih svetlečih diod, s katerimi lahko nad svojo osjo vrtenja ustvarijo impresivne holograme z različnimi ločljivostmi. Cenejši imajo zgolj dvokrako vetrnico, medtem ko dražji bolj spominjajo na mnogokrake propelerje sodobnih turbopropelerskih letal.
Poceni holografski predvajalniki za razvedrilo v spletni trgovini Amazon. Vir: amazon.de
Kalo delujejo? Vetrnice izkoriščajo persistenco naših oči in vidnih živcev, ki ohranjajo sliko še kratek čas po tem, ko ta izgine. Tako vetrnice med vrtenjem ustvarjajo domišljijske podobe in druge gibljive holograme, ki jih lahko opazujemo s prostim očesom. Večje število svetlečih diod v verigah LED omogoča višjo ločljivost in kakovostnejšo grafiko. Omenimo še, da lahko vetrnice LED upravljamo prek Wi-Fija, bluetootha in priključka USB ter da imajo novejše tudi že kar visoke ločljivosti, ki znašajo več kot 1.400 x 500 pik. Mnoga podjetja vetrnice uporabljajo v velikih oglasnih panojih.
Sestavljeni holografski prikazovalniki
Skoraj vse televizijske hiše imajo svoje studie opremljene z velikimi sestavljenimi prikazovalniki 2D, ki pogosto prekrijejo celotno steno. Tako ni več potrebno digitalno mešanje slik, saj lahko, denimo ob napovedi vremena, napovedovalec enostavno stopi pred prikazovalnik. Tega ni težko sestaviti iz prikazovalnikov manjše velikosti.
Light field lab je eden od razvijalcev novih holografskih tehnologij in inovatorjev, ki deluje na številnih področjih. Vir: lightfieldlab.com
Na podoben način lahko proizvajalci v holografsko steno ali holografski oglasni pano zložijo tudi holografske prikazovalnike, ki delujejo na osnovi svetlobnih vetrnic, medtem ko je sestavljanje tistih, ki delujejo na osnovi drugih tehnologij, lahko tudi precej bolj zapleteno, saj gledalci napake v globinski sliki veliko hitreje opazijo. Nekatere holografske prikazovalnike je treba natančno razpostaviti na posebno ogrodje in nagniti pod ustreznimi koti.
Holografski prikazovalnik lahko enostavno in skoraj zastonj izdelamo tudi sami!
Že res, da profesionalni holografski prikazovalniki stanejo kupe denarja in da nam je morda za tiste, ki jih lahko kupimo za domačo rabo (od nekaj deset do nekaj sto evrov) zaradi slabše kakovosti svetlobnih hologramov morda žal denarja, vendar lahko holografski predvajalnik z ločljivostjo zaslona našega pametnega telefona sestavimo tudi sami.
Potrebujemo prozorno plastično embalažo s čim več ravnimi ploskvami, iz katerih lahko izrežemo štiri enake enakokrake trikotnike, ki tvorijo stranice piramide. Nato vsem prirežemo vrhove in jih zlepimo v piramido s prozornim lepilnim trakom. Piramido narobe obrnjeno položimo na zaslon pametnega telefona, ležečega na ravni površini, in z Youtuba zaženemo enega od številnih holografskih videov.
Stranica zgornjega kvadrata piramide je 10 mm, stranica spodnjega 60 mm, višina piramide brez vrha pa 35 mm. Natančna navodila za izdelavo z izrisom oblike stranice na milimetrski papir najdete na spletni strani instructables.com v projektu DIY 3D Hologram …