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Hologrammes en mouvement
Une protéine d'un demi-mètre de long flotte dans les airs, à plusieurs centimètres devant un moniteur. Il ressemble à un ruban frisé surdimensionné provenant d'un paquet d'anniversaire. Alors que trois biologistes moléculaires manœuvrent autour de l'image, étudiant la molécule complexe sous différents angles, elle commence à se plier, se tordant lentement et s'emboîtant en un nœud enchevêtré. Sa forme est un indice de la fonction qu'elle remplit dans le corps humain : certaines protéines produisent des réactions chimiques ou se comportent comme une sorte d'échafaudage pour les cellules, tandis que d'autres aident à la division cellulaire. La création d'un médicament qui encourage ou bloque l'action d'une protéine, par exemple, empêcher les cellules cancéreuses de se diviser pourrait conduire à des traitements plus efficaces. L'un des chercheurs utilise un stylet pour piquer la protéine en plusieurs points. Ce faisant, la protéine se replie, révélant un emplacement qui pourrait être ciblé avec un médicament pour inhiber la fonction de la protéine.
Ce type de science interactive est en route et sera rendu possible par une nouvelle génération d'écrans vidéo en 3D. La technologie utilise la puissance des hologrammes - ou des fac-similés raisonnables de ceux-ci - pour produire des images étonnamment réalistes qui semblent sortir de l'écran. Imaginez les scènes 3D produites par le vénérable jouet View-Master monté jusqu'à 11 sur le cadran de réalité. Mais les nouvelles images vidéo 3D ne nécessiteront pas d'appareils de visualisation spéciaux. Les utilisateurs n'auront pas à enfiler le casque ou les lunettes qui ont tendance à être gênants et peuvent provoquer une fatigue oculaire, comme ils le font avec les écrans 3D actuels.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2002
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Non. Les images vidéo holographiques tridimensionnelles seront générées par un ordinateur plutôt que fixées dans un support statique ; ils seront affichés en couleurs animées et, avec la contribution d'un utilisateur, modifiés à la volée. De plus, les téléspectateurs qui se déplacent autour d'une image vidéo holographique pourront la voir bouger de tous les côtés, un phénomène important pour le réalisme et que de nombreux systèmes conventionnels à base de lunettes ne peuvent pas reproduire.
Le grand nombre de médecins, de scientifiques, de chercheurs et de développeurs de nouveaux produits qui s'appuient déjà sur des écrans d'ordinateur haut de gamme pour visualiser leur travail verront des différences dramatiques dans cette nouvelle technologie. Actuellement, leur travail est limité par les images plates et bidimensionnelles des écrans conventionnels. Peu importe à quel point les écrans sont habilement habillés, ils ne peuvent pas transmettre toutes les nuances, les complexités et l'immédiateté des objets réels dans le monde 3D. Étant donné que les nouveaux hologrammes vidéo produisent des images entièrement en 3D qui flottent dans l'espace près de l'écran de visualisation, ils peuvent être examinés sous différents angles par plusieurs téléspectateurs. Les géophysiciens examinant des images à haute résolution de formations rocheuses seront en mesure de prédire l'emplacement des gisements de pétrole cachés avec une plus grande précision. Les designers industriels pourront modifier la carrosserie d'une voiture de sport à l'aide de la pointe d'un stylet, établissant instantanément l'effet du changement sur la conception globale. Les commandants militaires pourront visualiser le meilleur scénario de champ de bataille. Les chirurgiens seront mieux à même de déterminer l'approche la plus sûre pour retirer une tumeur cérébrale sans jamais brandir un couteau. Un jour, nous allons nous demander comment nous supportions les images 2D, déclare Stephen Benton, qui dirige le Spatial Imaging Group au MIT Media Lab.
Le groupe est l'une des deux équipes de recherche pionnières menant la charge pour perfectionner et commercialiser la nouvelle génération d'écrans 3D. Benton, un membre fondateur renommé du laboratoire, est l'inventeur des images holographiques arc-en-ciel qui apparaissent sur de nombreuses cartes de crédit et couvertures de magazines. L'autre équipe, du Media Research Lab de l'Université de New York, travaille sur une version moins chère appelée affichage autostéréo 3D, qui pourrait devenir un produit commercial dans les prochaines années. L'effort de NYU est dirigé par Ken Perlin, une légende du multimédia qui a remporté un prix de réalisation technique de l'Académie des arts et des sciences du cinéma en 1996 pour son développement d'une technique de son et de texture largement utilisée dans les films aujourd'hui.
Les deux laboratoires médiatiques mènent la quête, mais ils ne sont pas seuls dans leur poursuite. En décembre 2000, Ford Motor et QinetiQ, basé à Londres, ont lancé Holographic Imaging, une société de R&D à Royal Oak, MI, pour créer des postes de travail d'imagerie interactifs pour les concepteurs de voitures. Et plusieurs groupes japonais sont également entrés dans la mêlée, notamment des équipes de Sony, des laboratoires NHK et de l'université Nihon. Il y a douze ans, tout le monde pensait que c'était complètement impossible, dit Benton. Maintenant, il y a une vraie concurrence.
Les premiers systèmes produits par ces efforts seront probablement des applications spécialisées dans des domaines tels que la planification chirurgicale et la conception automobile. Mais des versions suffisamment bon marché pour servir d'applications de divertissement à domicile devraient rapidement suivre, après tout, des millions de joueurs de jeux vidéo donneraient le pouce de leur manette de commande gauche pour entrer dans une version entièrement en 3D du monde de Mario, rendant peut-être à jamais obsolète les deux. vues dimensionnelles auxquelles la plupart des écrans ont été limités. En bref, résume Ken Perlin de NYU, Toutes les raisons de supporter l'artifice des choses plates disparaîtront.
Vidéo holographique cristalline
De nombreuses équipes de recherche s'efforcent d'innover en matière de vidéo holographique, mais le Spatial Imaging Group de Benton au MIT est depuis longtemps à l'avant-garde du domaine. Ici, divers étudiants et membres du personnel ont examiné le problème sous tous les angles, pour ainsi dire, depuis 13 ans. Ces dernières années, les principaux sponsors de la recherche ont été l'US Navy, qui pense que ses décideurs en temps de guerre gagneraient à regarder une représentation en 3D d'un paysage de bataille, et Honda, qui espère que ses concepteurs automobiles seront en mesure de produire Images 3D des nouveaux modèles proposés rapidement. Lorsque nous avons approché Honda pour la première fois, nous avons été étonnés de découvrir qu'ils avaient déjà pensé à l'holographie, dit Benton.
L'effort du MIT s'est depuis le début concentré sur une véritable vidéo holographique, qui non seulement tient la promesse d'images vidéo 3D de la plus haute qualité, mais fournit également les défis techniques les plus intimidants. À la base se trouvent les étapes de base de la création d'un hologramme standard : un faisceau laser est divisé en deux. Une moitié est dirigée vers un objet, disons une pomme. La présence de la pomme déforme le motif des ondes lumineuses dans le faisceau, le modulant. Ce faisceau est ensuite amené à croiser son autre moitié en matériau photosensible. Lorsque les deux faisceaux se chevauchent, leurs différents motifs d'ondes lumineuses interfèrent l'un avec l'autre, gravant un motif de diffraction de lignes microscopiques sur le matériau photosensible. Le diagramme de diffraction fonctionne comme une lentille compliquée. Lorsqu'un faisceau laser l'éclaire, les lignes microscopiques reflètent la lumière d'une manière qui produit un
Image 3D de la pomme.
Au lieu de la lumière et des miroirs, Benton et son équipe utilisent des algorithmes informatiques spécialement développés. Les algorithmes calculent les types de lignes microscopiques nécessaires pour un certain hologramme, les convertissent en ondes sonores, puis envoient les ondes dans un empilement de cristaux d'oxyde de tellure qui ont la propriété unique de se déformer temporairement lorsque les ondes sonores les traversent. Cette distorsion forme les lignes microscopiques du motif de diffraction qui composent un hologramme. Un faisceau laser traversant ce motif transmet l'image des cristaux à un écran de visualisation ( voir la vidéo holographique Mark II du MIT, ci-dessous).
Illustration par Slim Films
L'affichage vidéo holographique Mark II du MIT produit des images 3D étonnamment agréables et réalistes. Dans une démo, un prototype de voiture de sport rouge conçu par Honda semble instantanément planer brillamment en miniature à environ un demi-mètre devant l'observateur, toutes les lignes gracieuses de la voiture étant parfaitement discernables sous différents angles. C'est peut-être en partie à cause de la nouveauté de l'expérience, mais le léger scintillement et les barres d'image chatoyantes détournent à peine l'attention du réalisme intense de l'effet.
Le groupe Benton apporte continuellement des améliorations dans trois domaines principaux : le matériel et les logiciels pour l'affichage, le réalisme et la qualité d'image, et l'interactivité. Wendy Plesniak, chercheuse et consultante au Media Lab qui, en tant qu'étudiante, a aidé à développer des algorithmes de calcul pour le dispositif vidéo holographique, a ajouté une fonctionnalité qui pourrait finalement conduire à la machine de rêve d'un designer industriel : une interface haptique, ou retour de force, qui permet de sculptez l'image projetée avec un outil portable réel. Au fur et à mesure que l'utilisateur pique, pousse et sculpte avec un stylet, l'image holographique change comme s'il s'agissait d'argile sur un tour de potier, et l'utilisateur ressent une résistance comme si elle travaillait vraiment l'argile.
Plesniak affirme que le degré de sensation et de contrôle procuré par la combinaison d'une interface haptique avec l'holographie fournirait une voie complète au prototypage numérique. Dans une démonstration, elle utilise le stylet pour sculpter un objet en forme de tambour rouge comme s'il tournait sur un tour ; dans un autre, une image en forme de feuille devient capitonnée lorsqu'elle est poussée. En général, l'image produite par le système est brillante, semble réaliste et ressemble à tout le monde comme si elle flottait dans l'espace juste devant l'utilisateur. Avec la plupart des systèmes 3D, il faut un certain temps pour que l'effet 3D entre en jeu, et vous n'obtenez jamais autant de profondeur que les mathématiques le suggèrent, explique Benton. Mais vous n'avez pas ces problèmes avec les hologrammes.
Cependant, le système a encore du chemin à parcourir avant qu'il ne soit susceptible d'être commercialisé. Le plus gros problème est que faire un hologramme vidéo nécessite de traiter d'énormes quantités de données. Cela n'est peut-être pas surprenant, étant donné qu'un hologramme ne fournit pas seulement une vue unique d'une image, mais toutes les vues sous un certain nombre d'angles. Néanmoins, le diagramme de diffraction d'un seul hologramme haute résolution peut facilement utiliser plus d'un téraoctet de données, soit assez pour remplir 1 600 disques compacts. Une vidéo holographique modérément sans scintillement nécessiterait au moins 20 de ces hologrammes par seconde. De toute évidence, le brassage de 20 téraoctets d'informations par seconde nécessiterait une technologie extraterrestre : les PC les plus rapides d'aujourd'hui fonctionnent à un cent millième de cette vitesse. En conséquence, le Mark II accepte un certain nombre de compromis en termes de qualité d'image afin de réduire les exigences de calcul à 16 mégaoctets par seconde. Le système utilise une seule couleur, ne crée que des images de 10,16 x 12,7 centimètres et génère un taux de mise à jour des images scintillantes d'environ sept images par seconde. De plus, comme l'image est dépourvue des informations nécessaires pour s'adapter à la vue d'un observateur du haut ou du bas, l'image ne change que lorsque l'observateur se déplace d'un côté à l'autre. C'est incroyable comme peu de gens remarquent que rien ne change lorsque vous regardez par-dessus ou en dessous, dit Benton.
Un remake du matériel en cours devrait rapprocher le système de la commercialisation. Les objectifs de la refonte incluent le passage à un agencement de microprocesseurs parallèles capable de produire les vitesses de traitement élevées nécessaires pour obtenir une taille d'image plus grande, une résolution plus élevée et une fréquence d'images plus rapide.
De plus, le groupe espère faire le saut vers un écran d'affichage à ultra haute résolution basé sur des systèmes microélectromécaniques. Cette technologie utiliserait des milliers de minuscules miroirs et faisceaux laser, chacun créant un pixel d'un motif de diffraction entier. De telles expositions ne devraient pas exister avant au moins quelques années, mais Benton note que son groupe ne prévoit pas de voir son travail porter ses fruits commerciaux avant au moins quatre ans de toute façon. L'holographie est difficile, dit-il avec un soupir. C'est pourquoi il s'agit de l'un des projets à plus long terme du Media Lab.
Pseudoholography
Pendant ce temps, au Center for Advanced Technology de NYU, l'autre leader dans la course pour produire cette nouvelle vague de 3-D, le groupe de Perlin fait appel à une technique non holographique capable de fournir des images dynamiques à angle ajusté qui ressemblent à celles produites par des systèmes holographiques. . De plus, les images ne sont pas évoquées en utilisant une lumière laser modifiée de manière complexe. Au lieu de cela, ils sont affichés sur un moniteur relativement ordinaire dans une approche que Perlin appelle une interface holographique. Le groupe y parvient en tirant parti du fait que la plupart des vastes et coûteuses puissances de traitement et d'affichage nécessaires à la production de vidéos holographiques sont finalement gaspillées : un hologramme fournit plus d'images que celles qui rencontrent les yeux des téléspectateurs ; il fournit également des images éblouissantes et ajustées en angle aux milliers d'endroits où il n'y a pas de globe oculaire pour les apprécier. Chacune de ces images distinctes non perçues doit être calculée, transmise et affichée, car il n'existe aucun moyen pratique de limiter la couverture holographique aux angles de vision spécifiques d'un observateur. C'est comme brandir un fusil à éléphant pour tirer sur une mouche, dit Perlin. Son système affiche donc des images adaptées à la position précise d'un observateur.
Bien que la technologie NY3D de NYU n'utilise pas l'holographie, elle offre à un observateur la même expérience visuelle qu'un système holographique : le mécanisme est stéréoscopique, fournissant aux yeux gauche et droit des images différentes, et les images changent avec l'angle de vision. Et bien sûr, aucune lunette n'est nécessaire.
L'obtention d'images semblables à des hologrammes à partir d'un écran ordinaire nécessite deux astuces. Le premier se présente sous la forme d'un écran à cristaux liquides (LCD) transparent qui modifie la vue de l'image affichée sur un moniteur. L'écran se trouve à un demi-mètre devant le moniteur. Des bandes noires d'environ trois centimètres de large s'allument et s'éteignent dessus, bloquant des bandes verticales de l'image, disons une balle sur le moniteur derrière elle. L'effet n'est pas évident pour le spectateur, car les rayures se déplacent 180 fois par seconde. La vitesse est trop rapide pour que le cerveau du spectateur enregistre l'emplacement de chaque bande et, en même temps, donne au moniteur une chance de remplir les bandes manquantes pour chaque œil. Le résultat est que chaque œil voit une image légèrement différente à travers les espaces dans les bandes de l'obturateur, ce qui produit une sensation stéréoscopique de profondeur (NYU's NY3D System, cette page). Tout cela fonctionne bien tant que les globes oculaires du spectateur sont situés exactement là où le système s'attend à ce qu'ils soient, chaque œil s'alignant avec les bandes d'images appropriées sur le moniteur. Pour s'assurer que c'est le cas, le système de Perlin utilise une deuxième astuce, en suivant activement les yeux de l'observateur avec deux petites caméras montées au-dessus du moniteur. De plus, un ensemble de diodes électroluminescentes (DEL) infrarouges à côté des caméras donne au spectateur un cas discret d'yeux rouges, l'éclat du fond de l'œil qui a longtemps été le fléau des photographes amateurs. Les caméras peuvent facilement isoler les pupilles lumineuses du spectateur, leur permettant de suivre les yeux et d'ajuster l'emplacement des bandes changeantes afin qu'elles bloquent toujours l'image d'une manière qui maintient l'effet stéréoscopique.
Bien sûr, le réalisme d'un hologramme ne vient pas seulement de ses propriétés stéréoscopiques ; les images holographiques peuvent être inspectées sous tous les angles lorsque la tête du spectateur se déplace autour d'elles. Grâce à ses capacités de localisation des yeux, le système NYU peut facilement suivre le mouvement de la tête et modifier presque immédiatement les images sur le moniteur selon les besoins. Et en effet, une démonstration du système qui affiche un pied squelettique rotatif confirme non seulement qu'il fournit une image claire et entièrement en 3D, mais également qu'il permet à une personne d'évaluer l'image sous différents angles, y compris d'en haut ou d'en bas. (Le groupe travaille également sur un système qui fournirait simultanément des vues 3D à plusieurs observateurs, comme une équipe de chirurgiens débattant de la meilleure approche pour une procédure difficile ou un groupe de joueurs de jeux vidéo en compétition sur un moniteur partagé.) Le Le résultat est si réaliste, déclare Joel Kollin, chercheur au Center for Advanced Technology, que les acheteurs éventuels de l'écran voudront peut-être simplement l'accrocher au mur, où il présenterait des images - disons, une plage des Fidji ou un boulevard parisien - qui changent réellement par rapport à l'angle du spectateur. Ce serait comme regarder par la fenêtre, dit-il. En tant qu'étudiant au MIT Media Lab à la fin des années 1980, Kollin était en grande partie responsable de la construction du premier système vidéo holographique de ce groupe.
Avec la récente montée de la concurrence des groupes Sony, Ford et d'autres sociétés, un tel système pourrait bien être suffisamment abordable pour permettre certaines applications élémentaires au cours des prochaines années ( voir Entreprises travaillant dans trois dimensions, ci-dessous ). Parce que ce système n'a besoin de calculer et d'afficher que les vues signalées par la position du spectateur à un moment donné, il ne nécessite que la puissance d'un PC ordinaire. L'écran LCD, les LED de suivi des yeux, un moniteur de haute qualité et le logiciel ne devraient pas ajouter grand-chose au prix total. Perlin prédit que les premières versions destinées à des marchés spécialisés tels que la planification chirurgicale sortiront d'ici trois ans et coûteront environ 5 000 dollars, tandis que les premiers systèmes entièrement holographiques coûteront probablement des dizaines de milliers de dollars. Mieux encore, dit Perlin, quelques années après l'apparition des premiers systèmes, les versions grand public de l'affichage de la fenêtre ne se vendront probablement que quelques centaines de dollars de plus qu'un moniteur ordinaire, ce qui en fera une réalité pour le ménage moyen. Perlin, qui a créé une entreprise pour commercialiser la technologie, affirme que l'entreprise, NY3D, est déjà en pourparlers avec plusieurs grandes entreprises, dont Philips et IBM, qui souhaitent acquérir les droits pour produire l'écran.
Mais si l'approche pseudoholographique de Perlin présente un avantage considérable en termes de coût et, du moins pour l'instant, certains avantages en termes de performances par rapport aux vrais systèmes holographiques, elle présente également quelques inconvénients. Le système a parfois du mal à se verrouiller sur les yeux brillants du spectateur, et des mouvements rapides de la tête peuvent le perturber, provoquant une perte temporaire de l'effet 3D pour l'utilisateur. En plus de cela, son image, qui est sujette à un certain nombre d'artefacts légèrement gênants, notamment des barres verticales, des oscillations et des images fantômes, est un peu en deçà du réalisme net d'une véritable image holographique. Une grande partie de cet écart sera réduite à mesure que le système passera d'un prototype brut à une version commerciale, mais même Perlin admet qu'un véritable système holographique serait difficile à égaler pour la qualité d'image. Nous aurons certainement des écrans holographiques commerciaux, mais cela pourrait prendre 20 ou 30 ans, dit-il.
La peur que la route holographique puisse prendre une décennie ou plus pour atteindre la perfection explique pourquoi même le MIT Media Lab couvre ses bases : il développe un système non holographique qui fonctionne un peu comme celui de NYU. Pour sa part, Benton concède qu'il est possible que la valeur réelle d'une véritable vidéo holographique, du moins dans un avenir proche, réside dans l'établissement d'une norme de réalisme pour les systèmes pseudo-holographiques.
Jusqu'à ce que cette norme soit établie, les deux équipes continueront d'aller de l'avant. Pour sa part, Perlin a commencé à rechercher ce qui serait largement considéré comme le nec plus ultra de la 3-D en mouvement complet : un système qui projette des hologrammes dans les airs, le long des lignes de la projection de la princesse Leia par R2-D2 dans les premières minutes de l'original. Guerres des étoiles film. Perlin pense que les ondes sonores à ultra-haute fréquence pourraient être utilisées pour faire plier l'air suffisamment pour former de tels hologrammes. Ses étudiants ont déjà commencé des expériences de validation de principe, mais il reconnaît qu'un système fonctionnel est probablement dans des décennies et pourrait être ridiculement coûteux.
En attendant, il y a lieu d'espérer que les systèmes 3-D pseudoholographiques deviendront si bon marché et efficaces qu'ils pourraient se retrouver dans de nombreux foyers avant la fin de la décennie. Ensuite, nous aurons tous le luxe de nous demander s'il y a quelque chose qui vaut la peine d'être regardé sur eux. Le gros problème avec la télévision n'est pas qu'elle est plate, dit Benton. C'est qu'ils ont annulé Pics jumeaux après deux saisons.