Принципи и съвременни приложения на холографските симулации

Автор: Асистент Йоана Иванова

 

                Резюме

                Статията е посветена на холографските симулации като средство за задълбочено изследване на представителни обекти от природонаучни и инженерни области, както и от околната среда. В разработката са описани различни експериментални методи за създаване на холографски изображения с използване на специализирани технически средства. Разгледан е пример за визуализиране на 3D модели на реални обекти с помощта на холографски проектор от типа „пирамида“.

                Ключови думи: холографски методи, холографска пирамида, холографски проектор, лазер, 3D моделиране.


РЕКЛАМА:

***

 

            Холографията е едно от физическите явления, които притежават истинско очарование и уникалност, произтичащи от силното им въздействие върху възприятията. Терминът „холография“ е с гръцки произход („холос“ – цял, „графос“ – пиша).  За съвременните изследователи „холографската Вселена“1, както Майкъл Толбът е озаглавил своето известно произведение, посветено на холографията, отдавна не представлява загадка.  Въпреки че по своята същност класическата холограма е 3D изображение, създадено с помощта на лазер, самата концепция за холографията е изцяло математическа. Смята се, че теориите, които предшестват практическата разработка на холограмата, се зараждат през 1947 г., когато служейки си с уравненията на Фурие или т.нар. преобразувания на Фурие, унгарският учен Денис Габор успява да трансформира образ на даден обект в интерференчни структури върху холографска плака. Ученият установява експериментално, че този процес на преобразувание може да протича и в обратна посока, т.е. получените интерференчни структури   могат отново да се превърнат в първоначалния образ на обекта.

Интерференцията на светлинни лъчи не е единственият метод за създаване на холограми, тъй като съществува възможност за тяхното компютърно синтезиране. Интересен за изучаване е един от най-иновативните в технологично отношение методи, чрез който се реализира реалистична холографска симулация на действителен обект с използване на негов дигитален 3D модел, създаден със специализиран софтуер. Ефектът е особено впечатляващ, ако се наблюдава холографска визуализация на анимиран 3D обект. Тогава имаме възможност да се насладим на красотата на движението, което се извършва свободно в пространството, извън ограниченията на екран или дисплей. Този метод е особено полезен на 3D дизайнери и аниматори, които биха искали да видят как техните дигитални творения оживяват извън  компютърната виртуална реалност, въпреки че компютърът присъства като основно средство при изпълнение на експеримента. Този метод, при който холoграма се създава с помощта на проектор от типа „пирамида“ и мобилно устройство,  е реализуем не само в лабораторни условия. Това го прави особено популярен сред професионалисти в областта на 2D и 3D компютърната графика и анимация, тъй като не се изискват експертни знания в сферата на физическите и математическите науки, както и сложна апаратура за създаване на друг вид холограми. Затова този подход предстои да бъде обяснен детайлно в разработката.

Поради голямото разнообразие от възможни класификации на холограмите, е необходимо да бъде избрана за разглеждане тази от тях, която е най-удачна съобразно поставените цели в конкретен случай. Могат да бъдат дадени множество примери за изследване на обекти от различни области с помощта на холографски симулации. Холографските методи се използват също за съхраняване и обработка на информация. Това обуславя голямото разнообразие от практически приложения на холограмите.

Холографските изображения, за които на Денис Габор е присъдена Нобелова награда през 1972 г., са трансмисионни и се получават вследствие на интерференция на две или повече вълни, които създават интерференчна картина при разширяването и преминаването си една през друга. Лазерната светлина е чиста, кохерентна форма на светлина, което я прави особено подходяща за холографски изображения. Холограма се създава, когато излъчваната от единичен лазер светлина се раздели на два отделни лъча. Първият лъч бива отразен от обекта, който трябва да бъде фотографиран, а вторият лъч се „сблъсква“ с отразената светлина от първия. Така получената интерференчна картина се записва на фотоплака. Използваните материали са предимно на основата на сребърен халогенид (сребърен бромид).  При преминаване на друг лазерен лъч през филма триизмерният образ на оригинала отново се появява, въпреки че на пръв поглед образът върху филма трудно би могъл да бъде оприличен на фотографирания обект. Холограма може да представлява всяка  дифракционна решетка, съставена от повтарящи се елементи с размери, сравними с дължината на вълната.

Освен своята триизмерност, холограмите притежават и уникалното свойство да се самовъзстановяват. Например, ако холографска фотоплака, която вече съдържа образа на даден обект, бъде разрязана наполовина и всяка половина бъде осветена с лазер, в резултат се вижда, че всяка половина съдържа първоначалния цялостен образ на обекта. Този ефект може да се наблюдава многократно, ако продължим да разрязваме холографския филм на все по-малки части, но качеството на образа ще намалява правопропорционално на размера им.

В музеите и художествените галерии често се използват обемно отражателни холограми за визуализиране на действителен 3D модел на даден експонат или картина с използване на точков източник бяла светлина. Това се прави с цел защита на оригиналния актив от националното културно-историческо наследство, както и в случаите, когато е необходимо обемно пресъздаване на ценен исторически артефакт, който не е наличен. Този вид холография, наред с методите 3D принтиране и сканиране, спада към съвременните технологии за дигитализация на културно-историческото наследство с цел неговото съхранение.

Освен трансмисионни и отражателни холограми, съществува и трети вид, които се наричат хибридни и могат да бъдат класифицирани по следния начин:

  • 2D релефни холограмите се произвеждат масово на ниски цени за целите на сигурността. Оригиналното холографско изображение се записва върху фоточувствителен материал, наречен фоторезист. Пример може да бъде даден с холограмите върху кредитни карти, лични документи и шофьорски книжки.
  • холограми, получени чрез холографска интерферометрия в реално времеза да бъдат измерени минимални изменения в един обект е необходимо да се направят две експозиции. Получените две изображения интерферират помежду си и върху обекта се наблюдават „интерферентни ресни“, които разкриват преместването на вектора. Виртуалното изображение се сравнява директно с оригиналния обект в реално време. Интересно е, че дори невидими обекти като топлината или ударните вълни, могат да бъдат преобразувани във видими. Съществуват множество инженерни приложения в това направление на холометрията.
  • многоканални холограмичрез промяна в ъгъла на гледане на светлината върху една холограма могат да бъдат наблюдавани съвършено различни сцени.
  • интегрални холограми една трансмисионна или отражателна холограма може да бъде направена чрез серия от снимки на един обект, сканиран с помощта на камера от всички страни. Всеки изглед се визуализира върху LCD екран, осветен с лазерна светлина и се използва като обектен сноп за запис на холограмата върху тясна вертикална лента на холографска плака. Следващите изгледи се записват по аналогичен начин на съседни ленти. Съставната холограма се възприема чрез бинокулярното зрение като стереоскопично изображение. Изгледите могат да бъдат обработвани софтуерно за постигане на по-добър краен резултат.
  • компютърно генерирани холограми

В холографията има три основни елемента: светлинен източник, холограма и изображение. Ако два от тези елемента са известни предварително, третият може да бъде изчислен. Например, дължината на вълната може да бъде изчислена, ако са известни параметрите на дифракционната решетка: константа на дифракционната решетка; ъгъл от направлението към централния максимум, под който се вижда избрана точка от екрана; широчина на процепа.

Компютърно-генерираната холография (CGH – Computer-generated Holography) се използва широко за производство на холографски оптични елементи за сканиране и фокусиране, както и на оптични устройства (CD плейъри, оптични дискови устройства).2 При холографския запис данните се записват по цялата дълбочина на материала за разлика от обикновените запаметяващи устройства, при които записът се осъществява повърхностно. С тази технология се постигат изключително високи скорости на пренос, тъй като холографските устройства четат или записват стотици хиляди битове в секунда едновременно. Плътността на данни достига около 4 GB на кубичен милиметър. Триизмерният запис на данни става с помощта на записващ лазер, чийто лъч преди записа се разделя чрез призма на записващ и еталонен лъч. В пресечната точка на двата лъча се формира холограмата. Записващият лъч се предава към пространствен модулатор на светлина (SLM – Spatial Light Modulator), който по своята същност наподобява матрица от пиксели с неголеми размери. Върху чипа на устройството се създава 2D образ на обработените данни, които предстои да бъдат запаметени. Холограмата, записана на носителя, представлява копие на този образ. Нейното положение се определя от ъгъла на падане на  еталонния лъч. Лъчите, пропуснати през SLM, се пресичат с еталонния лъч и в пресечните точки протича химическа реакция. Матрицата от данни се „запечатва“ на тези места. Пространственият запис на данни представялва 3D холограма, която се получава при комбиниране на различни ъгли на еталонния лъч и положението на SLM матрицата.3

Освен гореописаното приложение, съществуват множество други примери, които показват, че тенденциите за развитие в областта на холографията са свързани основно с 3D холографските технологии. Към тях принадлежи електро-холографският дисплей, при който се използва електро-холография за запис и реконструиране на 3D обекти.   Когато едно 3D изображение бива реконструирано, технологията улавя паралакса, т.е. видимото изместване на положението на даден обект, което се дължи на неговото наблюдение от две различни точки.

Холограмите непрекъснато се усъвършенстват и вече могат да бъдат физически осезаеми, т.е. интерактивни. Това се постига с помощта на софтуер, който разчита ултразвукови вълни. При допир до холографското изображение потребителят усеща натиск върху дланта си.

Въпреки че научните открития в тази област до момента са наистина впечатляващи, върховото постижение тепърва предстои. Според прогнозите на изследователи от Масачузетския технологичен институт холографската телевизия ще навлезе в живота ни през 2022 г., което ще окаже силно влияние върху начина, по който възприемаме заобикалящия ни свят.4 Първият холограмен интерфейс е създаден през 2015 г. от група японски изследователи от университета Тсукуба с помощта на плазма и лазер. Демонстрираните от японската компания Burton Inc. „въздушни“ холографски симулации са наречени от създателите си „Светлини на феи“. В проекта се използва фемтосекунден лазер, който е изключително бърз импулсен лазер (1 фемтосекунда [fs] e равна на 1.10-15 s). Колкото по-бърз е лазерът, толкова по-нисък е рискът от изгаряне при взаимодействие с него, защото в този случай енергията от светлинните точки не може да се предаде на молекулите на кожата и да причини увреждане. Лазерът възбужда атомите във въздуха и чертае холограми с резолюция 4000 и 200 000 точки в секунда. Според авторите на проекта при докосване на светлините точки плазмата генерира ударни вълни. Според създателите си тази технология може да бъде използвана на публични места като информационно табло, за да се уведомяват хората за спешни ситуации като бедствия, аварии и терористични атаки, които представляват заплаха за здравето и живота им.5  Тук е мястото да се каже, че холографските технологии все повече навлизат и в сферата на медицинските науки. Звуковата холография се прилага широко в медицинската диагностика. Това се практикува, когато е необходимо да се получи информация за вътрешни органи. За целта се генерират подводни сигнали, чрез които се създават акустични изображения на биологически непрозрачни обекти. На Фигура 1 е показана реалистична хологрaфска симулация на човешкото тяло с включени всички органи и системи, която се използва за обучение на студенти по медицина.6 С помощта на тази холограма анатомията и физиологията на човека могат да бъдат детайлно изследвани, което на свой ред повишава качеството на образование.7

Фиг.1

Предстои да бъде описан един кратък експеримент, даващ възможност на всеки потребител, у когото се е породило желание да създаде холограма, да го направи без да разполага с лазери и други сложни устройства. Необходими са мобилно устройство (таблет или смартфон), холографски проектор от тип „пирамида“ и софтуер за създаване на холографско видео. В конкретния случай за своя експеримент авторът е използвал и софтуер 3DS Max за 3D моделиране на обекта, който е предмет на изследването. Експериментът се изразява в холографска визуализация на движението на самолет (AWACS/ Boewing E-3) по определена траектория с помощта на гореизброените средства. Рендерирано изображение на 3D обекта на фона на произволно избрана снимка8 е показано на Фигура 2.

Начинът на позициониране на холографския проектор върху таблета, е показан на Фигура 3. При стартиране на холографското видео в центъра на пирамидата се появява холограмното изображение.

Фиг.2

За да се създаде холографско видео е необходим подходящ софтуер за редактиране на видео, който дава възможност изображение (анимация) да се разположи по осите на координатна система, като всеки път се завърта на 90º по часовниковата стрелка. Холографският проектор от тип „пирамида“ може да бъде закупен (Holho, HoloGram Pyramid и др.), 3D моделиран и принтиран от прозрачен PLA (Polylactic Acid) материал или ръчно изработен от прозрачен материал. Очаква се в близките години на пазара да се появят нов модел смартфони, способни да прожектират директно във въздуха холограми с високо качество благодарение на вграден микрочип, който се разработва от компанията Ostendo Technologies.9

Съществува възможност за задълбочаване на изследването до нивото на холографска симулация на база на математически модел, който да описва движението на материална точка в пространството с помощта на уравнения.

Фиг.3

След този поглед в недалечното бъдеще на холографията вече не е трудно да си представим как холограмите, които досега сме виждали основно в научно-фантастичните филми или в лаборатории, ще навлязат постепенно в ежедневието ни като нещо много повече от впечатляващ визуален ефект. Разгледаните примери в голяма степен разкриват предимствата от използването на холографските технологии за различни научни и инженерни цели, но далеч не изчерпват богатите възможности от приложения, тъй като холографията е върхово научно постижение, което непрекъснато се развива и усъвършенства, за да бъде полезно на човешкото общество.

 

 

 

1                     Толбот, Майкъл. Холографската вселена. София: Изток-Запад, 2003. ISBN: 9543215030

2                     Jeong, Tung. Basic Principles and Applications of Holography. 2010. https://spie.org/Documents/Publications/00%20STEP%20Module%2010.pdf.

3              Bulgarian IT. Холографският запис – бъдещето на оптичните устрйства. http://bulgarianit.com/en/harduer/holografskiyat-zapis-b-descheto-na-optichnite-ustroystva.html

4              B2C. 3D Hologram and the Future of Technology and Entertainment. http://www.business2community.com/tech-gadgets/3d-hologram-future-technology-entertainment-01214803#21c86zuBYhcjWSmU.97

5              IDGbg. Японци създадоха холограмен интерфейс с помощта на плазма и лазер. http://www.idg.bg/technologii/326319/yapontsi-sazdadoha-hologramen-interfejs-s-pomoshtta-na-plazma-i-lazer

6              https://i.ytimg.com/vi/SKpKlh1-en0/maxresdefault.jpg

7              Engadget. Here’s how Microsoft HoloLens could teach the next wave of doctors. http://www.engadget.com/2015/07/08/microsoft-hololens-medical-student-demo/

8. PIXELStalk. Nature Wallpaper. http://www.pixelstalk.net/wp-content/uploads/2016/03/Sunset-over-clouds-wallpaper-1920×1080.jpg

9. Digital. Иновациите, които ще направят холограмите реалност. http://www.digital.bg/novini/иновациите-които-ще-направят-холограмите-реалност-news46223.html


Европейска нощ на учените 2022 г.: