Голограмма на смартфоне. Обман века или будущее уже здесь?

    image

    В июле 2017 года производитель кинокамер «RED» анонсировал новый смартфон «RED HYDROGEN»


    Сама новость про RED и смартфоны обескуражила многих обывателей: «Серьезно? Они же камеры делают — какие еще смартфоны...»

    Но ещё более неожиданным стало заявление о том, что смартфон будет поддерживать голограммы!

    Многие решили, что ребята сошли с ума, либо это какой то обман века, странный пиар или…
    Неужели это возможно? Может не за горами и световой меч?

    — Да, это возможно.

    Но не так как нам рисует голливуд — проекцию принцессы Леи мы не увидим. Скорей всего вы просто не знаете что такое голограмма потому что смотрели много фантастики вместо изучения физики. Как раз для таких людей и написана эта статья — просто о сложном.

    Голография vs Фотография


    — Что же такое голограммы? Посмотрим википедию...
    Голография — набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.

    Скорей всего понимания не прибавилось — лучше посмотрите видео


    Если вам показалось, что это зеркала и банки от фанты за стеклом — пересмотрите еще раз.
    Это и есть настоящие голограммы. Никакой хитрости — только наука.

    Как это работает?


    Для начала ответим на вопрос — как мы вообще воспринимаем объем? Это возможно благодаря тому, что у нас два глаза — каждый видит объект с разных сторон.


    Мозг обрабатывает эти две немного разных картинки и строит в нашем сознании одну объемную модель. Благодаря этому мы можем оценивать расстояние до предметов просто посмотрев на них — мозг автоматически оценивает напряжение глазных мышц и определяет расстояние с довольно высокой точностью.

    Глаз как оптический прибор


    Камера работает на тех же принципах что и человеческий глаз — поэтому рассмотрим глаз как оптический прибор.


    Глаз реагирует на свет, а свет, как известно — это электромагнитная волна, точно такая же как, например, вайфай — только более высокой частоты.

    Для того чтобы глаз что то увидел — в него из этой точки должен прийти свет, когда мы видим какой то объект — мы регистрируем отраженный этим объектом во все стороны свет, который отражает во все стороны каждая точка поверхности

    Каждая точка поверхности отражает свет во все стороны!


    Это крайне важный принцип, который нужно понять — через каждый кусочек пространства проходит целая мешанина различных волн в самых разных направлениях, но видим мы только то, что попадает к нам в глаз через зрачок.

    Из всей мешанины волн в глаз/фотоаппарат попадает лишь маленький кусочек от волны, который проскочил через зрачок.

    Волна уходит дальше, но мы этого не видим потому что наш глаз не может регистрировать волны которые не идут прямо в него, но это не значит что их нет!


    Когда мы поворачиваем голову, чтобы увидеть объект находящийся сбоку — в наш глаз начинают попадать кусочки волн, отраженных от этого объекта.

    Эти волны всегда были тут, просто они невидимы для глаза, пока не будут идти в него спереди.

    По тому же принципу работает фотоаппарат/кинокамера — из всего многообразия волн проходящих во все стороны через пространство — фиксируется только часть, которая идет в одном направлении — поэтому фотографии выглядят плоскими — это всего лишь малая часть изначальной информации

    Голография



    Теперь наконец можем перейти к принципу создания объемных снимков, рассмотрим часть пространства, обведенную фиолетовым, представим что поставили перед объектом стекло.


    Если бы нам удалось каким то образом заморозить/запомнить картину волн, проходящих через это стекло, а затем воспроизвести в точности все амплитуды, частоты и фазы — тогда бы мы сохраняли не маленький зеленый кусочек от волны, который несет информацию только об одном направлении, а целую картину всех волн, которая содержит информацию обо всех возможных углах обзора.

    Если не видно разницы...


    Если из стекла выходит точно такая же картина из волн, которые испускал объект на момент «запечатывания» этой картины — визуально будет невозможно отличить такую «фотографию» от реального объекта, причем объект будет виден под всеми углами так как восстановлена вся картина волн, проходивших через пространство


    Камера видит только в одном направлении — так что для того чтобы зафиксировать весь фронт волны нам нужно сделать снимки во всех направлениях, а потом объединить их в одну объемную картину — на таком принципе основано 3D сканирование.

    Такой метод съемки 3D объектов аналогичен FDM 3D печати пластиком, которые на самом деле печатают в 2D просто много много раз — на качественном уровне это «костыль»

    Реализация


    Дело за малым — осталось всего лишь придумать как запечатать в пространстве все радиоволны, которые через него проходят, а затем восстановить, тут я пожалуй не буду углубляться в технические детали — главное понять основной принцип. (Если будет интерес — есть возможность снять голограмму в лаборатории спектроскопии, тут много нюансов — так что это тема для следующей статьи).

    Останавливаем свет


    Проблема в том, что волны находятся в постоянном движении. А если мы хотим зафиксировать картину в пространстве — мы должны прореагировать с каким то фоточувствительным материалом в течение некоторого времени и запечатываемая картина должна быть неподвижна на это время.

    Делая обычную фотографию — мы не останавливаем свет, мы вырезаем узкое направление вдоль которого экспонируем матрицу лучами с постоянной амплитудой, каждый из которых соединяет точку объекта и пиксель на матрице.

    Стоячие волны

    Мы хотим запечатлеть все направления разом, и у нас нет глаза Агамото, чтобы заморозить время — придется думать головой.

    Хорошо что это уже сделал еще в 1947 году Денеш Габор (тысяча девятьсот сорок седьмом году, Карл!). За что получил нобелевскую премию.

    Суть в следующем — если сложить две волны с одинаковой частотой и разными направлениями, то в местах пересечения максимумов и минимумов этих волн возникнет стоячая волна — виртуальная волна(так как световые волны друг на друга не действуют), которая является суммой двух бегущих волн одинаковой частоты. За счет этого можно засветить неподвижную картину из пересечений двух волн в фотопластинке.

    Засвечивая одну пластинку тремя цветами опорных волн — красным синим и зеленым — мы получим полноцветную голограмму, не отличимую от оригинала.

    Если теперь убрать предмет и посветить на пластинку опорной волной — из пластинки выйдет точная копия волн, которые создавал сканируемый предмет.


    Технологические требования


    Так как очень важно, чтобы частоты предметной и опорных волн были одинаковые — необходим невероятно стабильный источник света, чтобы стоячая волна оставалась неподвижной — при небольшом различии частот — волна начнет двигаться и голограмма смажется.


    Зеленый свет


    Такой источник существует — он называется лазер. До изобретения лазера в 1960 году голография не имела коммерческого развития, для записи использовались газоразрядные лампы.

    В 2009 году был изобретен первый в мире полупроводниковый зеленый лазер (красный и синий уже были). До этого зеленые лазеры использовали удвоение частоты инфракрасного лазерного диода, пропущенного через нелинейный оптический кристалл, удваивающий частоту. Однако данная конструкция имеет крайне низкий кпд, высокую стоимость, сложность и т.д.

    Изобретение полупроводникового зеленого лазера дало зеленый свет разработке миниатюрных RGB лазерных проекторов. Прошло уже 9 лет — вполне достаточное время для перехода технологии в промышленное использование- и сейчас мы начинаем наблюдать самых активных участников рынка, скоро будет еще больше классных и интересных продуктов

    Разрешающая способность


    Разрешающая способность записывающей пластинки должна быть невероятно высокой — ведь расстояние между засвечиваемыми узлами стоячей волны сравнимо с длинной волны света, а это ~600нм! То есть разрешающая способность как минимум 1666 мм^-1.

    Если при фотографировании — каждой точке матрицы соответствует точка на объекте, то в голограмме — на каждую точку матрицы падает свет от всех точек объекта, то есть каждая часть голограммы содержит информацию о всем объекте.

    Выводы:


    1. Принцип голографии был придуман полвека назад, но реализовать его на хорошем уровне не позволяло отсутствие технологий — в частности лазеров, материалов для записи
    2. Даже используя обычные пластинки — создание голограммы достаточно тонкий и кропотливый процесс — сделать голографический полноцветный сканер и голографический экран с цифровым управлением в смартфоне — очень сильный вызов.
    3. Даже возможность делать одну статическую голограмму со штатива(не говоря уже о записи голограммы «с рук») и отображать ее на революционном голографическом дисплее в форм факторе смартфона — уже будет достижением которое изменит целые индустрии.

    P.S. Также голография используется в производстве процессоров и микроскопии, позволяя преодолеть дифракционный предел обычного фотошаблона.

    UPD: Спасибо за комментарий gritchenkoant
    Относительно недавно была статья про камеры и дисплеи светового поля, похоже, что RED как раз на этой основе и готовит свою новинку
    spie.org/newsroom/6623-high-resolution-3d-light-field-display?SSO=1
    VDS.SH / DEDIC.SH
    VDS и серверы нужно покупать только у нас :)

    Комментарии 58

      –5
      Насколько я знаю наша память работает по тому же принципу(т.е. голограмма), потому забывая часть информации об объекте/событии, теряется лишь точность/мелкие детали, но не полностью воспоминание.
        +5
        Это всего лишь безосновательное красивое философствование. Все исследования последних десятилетий дают описание процесса, гораздо больше похожего на изготовление jpeg или даже mp3 (сжатие с потерями с эмпирикой по части важности тех или иных потерь) с последующим восстановлением (с использованием всё той же эмпирики для восстановления потерянного).

        2 GeekberryFinn: кому интересны кареты с усилителем гужевого управления?
        +3
        Что-то мне подсказывает, что они сделают псевдо-голографию — поместят перед дисплеем матрицу из стеклянных трубок, построенную так, что свет от одного пикселя попадает в один глаз, а от соседнего — в другой. Дальше — дело за софтом.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          0
          в том и интрига, что RED делают лучшие камеры с впечатляющими параметрами — если бы такое заявили производители смартфонов — скорей всего был бы развод маркетинговый. Но тут создание таких систем — основной профиль компании. Хотя на мой взгляд задача сделать честные голограммы в смартфоне на сегодняшний день нереализуема пока. Но и нанотехнологии и фотоника не стоят на месте — на сегодняшний день одни из передовых областей науки
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              0
              И что же там за «фундаментальный огрех»?
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          +2
          Был же HTC Evo 3d, вот и тут таких «голограмм» завезут.
            0
            И LG Optimus 3D был. И Nintendo 3DS все еще есть)
            0
            А почему только на смартфоне? Компьютерные дисплеи где?
              0

              Да сделали бы просто качественные 2d дисплеи с показателями смартфонных :(

                0
                Не понимаю зачем это на смартфоне

                Настоящая голограмма жизненно нужна в 3d-очках и шлемах VR, потому что позволит выдавать правильное и разное фокусное расстояние для виртуальных объектов, и разместить такой экран можно без линз непосредственно перед зрачком (тогда он может быть очень маленьким), со всеми вытекающими от сюда бонусами.
                +1
                необходим невероятно стабильный источник света,


                Вот на тех голограммах, что в самом начале статьи, лазер для воспроизведения не нужен. Они денисюковские, толстослойные. У меня, кстати, такая есть. :) Ей для воспроизведения нужен яркий точечный источник света. Не точечный размоет голограмму (поэтому матовые лампы применять не стоит. А вот галогенные лампы идут отлично).

                  0
                  для воспроизведения — да, для записи нужен лазер
                    0
                    Разумеется. Но речь-то о воспроизведении на смартфоне.
                      0
                      так они и записывать собираются
                        0
                        Смартфоном? Там такая фишка есть, что размер голограммы и размер плёнки, обычно, одинаков (посмотрите схему записи — там предметная и опорная волна накладываются на плёнку в размер предмета). Отмасштабировать как-то можно, но, говорят, очень-очень сложно. Я методику масштабирования не знаю и не читал про неё. Кстати, можно как-то ещё переснять голограмму, чтобы предмет был снаружи, а не внутри.
                          +1
                          Речь о том и идет, что это не голограмма, а псевдоголограмма, реальная голография пока что слишком сложна для записи и воспроизведения (если вообще возможна) в рамках портативных устройств
                            +1
                            Что реальная нереальна известно любому, кто посмотрит на разрешение фотоплёнки для голографии и допуск на смещение объектов при экспозиции (этот параметр удивит почти любого — там чуть ли не нанометры, насколько я помню).
                  +2

                  Голограммы вообще мистическая штуковина, меня больше всего когда-то поразило, что все оптические эффекты сохраняются на голограмме: например, линза будет увеличивать и искажать предмет за ней. Позже даже наблюдал это в живую в техническом музее в Праге.


                  А со стороны RED, конечно, странно вкидывать такой жирный анонс без хотя бы капли подробностей или демки. Больше похоже на работу наглого маркетолога, чем на годы R&D.
                  (Ровно по этому же принципу статье для энциклопедии добавили хайпа, притянув за уши громкий анонс ;)

                    +4
                    например, линза будет увеличивать и искажать предмет за ней.


                    Есть у меня и такая голограмма. :) Вот она на канале коллеги (он мне эту голограмму и принёс, как и вторую, вышеприведённую):


                    Обратите внимание на линзу перед фотографией.
                    Это голограмма «75 лет ГОИ».
                      +1
                      Так вот же обзор The Verge. Говорят что, просто снимается изображение двумя камерами под разными углами, а потом промежуточные изображения достраиваются с помощью хитрого алгоритма интерполяции.
                      0
                      Для начала ответим на вопрос — как мы вообще воспринимаем объем?
                      Это возможно благодаря тому, что у нас два глаза
                      Не понимаю:
                      1) Люди, видящие только одним глазом, объём тоже воспринимают, не промахиваются рукой мимо кружки на столе, например. Как так?
                      2) Почему я вижу объём на видео, снятым «одним глазом» камеры?
                        +2
                        Так мозг достраивает картинку по опыту. :)
                          –1
                          По какому опыту, если:
                          а) Люди могут с рождения быть с одним глазом;
                          б) Я, может, впервые увидел голограмму на видео (или даже не знал, что это голограмма, пока не увидел 3D и не догадался, что это называется голограммой)?
                            +3
                            1) У людей даже с рождения набирается опыт дистанции.
                            2) Так предмет вам поворачивали и вы это увидели. А кроме того, даже не поворачивая, снимок весьма объёмен за счёт игры света.
                              0
                              1) Принимается, спасибо :) но только как подтверждение утверждения, что «мозг достраивает картинку по опыту». А так, даже с одним глазом можно воспринимать объём, как минимум просто за счёт фокусировки глаза на объектах, стоящих на разном расстоянии от глаза + если головой (или даже только глазом) еле заметно подвигать.
                              2) Так, значит, не нужно два глаза, чтобы воспринимать объём (в т.ч. голограмму).
                                0

                                Дело не в том, насколько мозг крут в достраивании пространства на основе недостаточной информации, а что-бы можно было голограмму покрутить и заглянуть за угол.

                              +2
                              Есть способ по проверке бинокулярности нашего зрения, называется метод Кальфа
                              Далее взял с сайта какого-то
                              Этот метод еще называется пробой с промахиванием. Опыт можно провести самостоятельно. Для этого Вам понадобятся два длинных предмета. Возьмите в одну руку, например, карандаш и держите его в горизонтальном положении. В другую руку возьмите второй карандаш. Его необходимо держать вертикально. Разведите в руки стороны, двигайте ими в течение некоторого времени, чтобы запутать себя, а после этого соедините кончики карандашей. При полноценном бинокулярном зрении данная задача не вызовет никаких затруднений. Если есть какие-либо нарушения, Вы будете промахиваться и не сможете соединить карандаши. Убедиться в этом Вы можете, закрыв один глаз и повторив эксперимент. Если у Вас нет под рукой карандашей, ручек и других предметов, опыт можно провести с помощью пальцев, однако точность его снизится.

                                –2
                                Попробовал сейчас — и двумя глазами, и каждым по отдельности, и несколько раз — самая большая разница была миллиметра два, не больше. Это что-то показывает?
                                +2
                                Мозг использует для построения объема не только параллакс бинокулярного зрения, но и параллакс движения (когда зритель движется относительно двух разноудаленных неподвижных объектов, то более дальний объект будет смещаться в поле зрения медленнее ближнего и наоборот). А так же напряжение мышц фокусировки хрусталика и опыт перспективы. Голограммы, о которых идет речь в статье, кстати, накрывают все эти оптические источники информации.

                                Если же минимизировать их все, то объем вы действительно ощущать перестанете. Возьмите лист бумаги, сделайте в нем прямоугольную прорезь в центре, затем натяните за прорезью две нити на разном удалении от листа (скажем, 2 и 3 см) так, чтобы точки крепления нитей были скрыты за листом, затем отойдите от листа на метр и, не двигаясь, посмотрите через прорезь на нити сначала с двумя открытыми глазами, потом с одним. В первом случае вы легко определите ближнюю нить. Во втором — с очень большим трудом, если вообще сможете.
                                  –1
                                  Мозг использует для построения объема не только параллакс бинокулярного зрения, но и параллакс движения (когда зритель движется относительно двух разноудаленных неподвижных объектов, то более дальний объект будет смещаться в поле зрения медленнее ближнего и наоборот). А так же напряжение мышц фокусировки хрусталика и опыт перспективы. Голограммы, о которых идет речь в статье, кстати, накрывают все эти оптические источники информации.
                                  Именно это и написал чуть выше, но менее грамотно, спасибо!

                                  Получается, что второй глаз не обязателен, чтобы видеть голограммы (воспринимать объём) — исправьте статью, пожалуйста.
                                    0
                                    И все же он «крайне желателен», так как у большинства людей наибольший вклад в восприятие объема вносит именно параллакс бинокулярного зрения. Без второго глаза ощущение объема будет, но уже совсем не то, далеко не в том качестве и только при движении.

                                    Чтобы понять, о чем речь, в следующий раз при посещении 3d киносеанса попробуйте сравнить восприятие картинки при двух открытых глазах и при одном закрытом.
                                      0
                                      3d киносеансы сильно отличаются друг от друга технологиями — так их обобщать нельзя.
                                        0
                                        Технологиями они отличаются сугубо по способу разделения изображения для каждого из глаз, что в контексте обсуждаемого вопроса значения не имеет.
                                        Так что — можно.
                                      0
                                      Скажем голуби несмотря на то что у них каждый глаз видит своё поле, всё равно видят объем, только людям не надо все время двигать головой туда сюда, что бы оценивать расстояние. Да если вы одноглазый то всё равно сможете оценить голограмму и увидеть разницу между ней и фотографией, но с двумя глазами это намного проще и удобнее.
                                    0
                                    Попробую привести не очень точную аналогию, лишь для понимания:

                                    Для двух неподвижных матриц, расположенных горизонтально, число дискретных уровней глубины не может превышать горизонтального разрешения этих матриц.

                                    Но если бы у нас была одна матрица, мы могли бы сдвинуть её на некоторое число пикселей по горизонтали и сделать ещё один снимок, число уровней глубины определялось бы числом пикселей, на которое мы сдвинули камеру.

                                    Да одноглазые видят объём, но «уровней» глубины они видят на порядок меньше.
                                    0
                                    Не только по опыту, а еще за счет, того что глаз это высокоточная оптика до 100 FPS, соответственно просто движения головы помогают оценить расстояние до объекта.
                                    Это и есть одна из причин, почему VR шлемы требуют от 60 FPS, а лучше 120 FPS, именно для точного позиционирования головы.
                                      0
                                      Интересно, не задумывался об этом. Я считал, что это для минимизации input lag, чтоб картинка не слишком отставала от движения пользователя.
                                      И, вроде как, минимум — 90 FPS.
                                        0
                                        Возьмите простую задачу определить расстояние по картинке в мониторе и в реальности, почувствуете разницу и как раз из-за микродвижений головы и/или ориентации в простанстве.
                                        3Д картинка так же будет страдать «близорукостью».
                                    0

                                    У моего сына с рождения плохо видел один глаз, я часто замечал, что у него, например, кружку со стола взять с первого раза не получалось, летящий мяч он часто поймать не мог. Начал носить очки, появилось нормальное чувство глубины и это все прошло.

                                      0
                                      Думаете, именно очки помогли, или просто развитие (в т.ч. опыт) с возрастом?
                                      0
                                      В формировании ощущения объема (точнее, разницы расстояний до объектов) участвует несколько разных механизмов восприятия, помимо бинокулярного зрения:
                                      — аккомодация (фокусировка) хрусталика;
                                      — параллакс движения;
                                      — перекрытие дальних объектов ближними (так сказать, «z-упорядочивание»);
                                      — перспектива (для чего мозг должен знать размер объектов).

                                      Последние два работают и для статических картин и фото.
                                      Параллакс движения — только для видео (хотя бы из двух кадров*) и реального мира.
                                      Аккомодация — только для реального мира.

                                      *«Видео» из двух кадров — это по сути, чередование кадров обычной стереопары:
                                      image
                                      +2
                                      Меня очень огорчает то, что технология, доработанная в MIT и анонсированная на SIGGRAPH/TED еще в 2014 году, позволяющая корректировать картинку под параметры глаза (близорукость-дальнозоркость) за счет аналогичной манипуляции исходным изображением — подстройкой его под плоскую линзу, отклоняющую разные пиксели в виртуально световом поле — и тем самым обеспечивать фокусировку изображения без очков, так и была положена под сукно.

                                      Казалось бы, появились всякие девайсы от тех же Tobii, позволяющие примерно предположить параметры взгляда, плотность изображения на юзерских девайсах выросла с <80 до >1440ppi. Отнюдь :(
                                        +5
                                        Имхо современные анонсы в лес. Слежу за всевозможными проекционными штуками и половина из них уже на стадии анонса фейк. Причем ребята даже не понимают, что в презентационном видео не должно быть черного цвета при проецировании на белую стену.
                                          0

                                          А можно пример такого фейка? Благодарю!

                                            0
                                            Ммм… закладок на фейк не делаю уж сори) Даже названий не помню. Но натыкался не раз.
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                +3
                                                Да, для такого гаджета пришлось бы выбривать окошко на руке.
                                                  +1
                                                  И зачернять его.
                                                    +1
                                                    Просто браслет рассчитан на негров :)
                                                +1
                                                У них там встроена передовая разработка — источник чёрного света. Генерируется светодиодом на основе сжиженного вакуума.
                                                0
                                                Похоже на PR, зачем делать смартфон, если они специализируются на очень дорогих камерах.
                                                Не проще ли сделать пускай даже экспериментальное, большое и дорогое устройство за 30К и доказать, что у тебя есть соотвествующие технологии. А потом уже лезть в ширпотреб сегмент.
                                                  0
                                                  Вот интересно. Те сине-зелёно-фиолетовые наклейки-голограммы, одна из которых изображена в статье. В девяностые и начале 2000-х они продавались в каждом ларьке Роспечати. Болшие и маленькие. Мы, школьники, клеили их на пеналы и учебники, или холодильники.
                                                  Где они сейчас? Почему не продаётся таких готовых наклеек? Почему нет сервисов, чтобы отправить десяток фоток, каждую с чуть нового ракурса, заплатить денежку и получить по почте открытку с готовой голограммой такого типа?
                                                    0
                                                    Как минимум пару проектов уже запустили по печати голограммы на основе данных заказчика (или как услуга, генерация необходимой голограммы по трехмерной модели, это требует диких вычислительных ресурсов), возможности принтеров уже это позволяют.

                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                  Самое читаемое