Çıplak gözle 3D'de yeni atılım: ses odaklı, havadan stereo görüntüleme, görebilir, duyabilir ve dokunabilir
"Mükemmel" üç boyutlu ekran nasıldır?
Bilim adamlarının peşinde olduğu hedef, yardımcı araçlar olmadan, özel açılar olmadan ve belirli izleyicilerle sınırlı kalmadan gerçek çıplak gözle 3D elde etmektir.
13 Kasım'da Nature dergisinde, Birleşik Krallık'taki Sussex Üniversitesi'nden araştırmacılar, çok modlu bir akustik tuzak ekranı (MATD) tanıttı: İşitme ve dokunmanın üç içeriğini bütünleştiren ve yalnızca ses iletimini tek bir çalışma prensibi olarak kullanan asılı bir gövde ekranı.
Bu şekilde, temel görüntüleme yöntemi hologramlar, sanal gerçeklik ve stereoskoplar gibi teknolojilerden tamamen farklıdır. Bu daha tanıdık yöntemler, derinlik yanılsaması yaratmak ve insanlara gerçekçi bir etki vermek için ışık tekniklerini kullanır. Ancak hologramlar yalnızca belirli açılardan görülebilir.Hem sanal gerçeklik hem de stereo lensler kask veya gözlük gerektirir ve tüm bu teknolojiler göz yorgunluğuna neden olabilir. Buna karşılık, gerçek bir 3D görüntü oluşturmak için lazer, elektrik alanı, sis projeksiyonu veya diğer yöntemlerin kullanılması, çıplak gözle herhangi bir açıdan görülebilir.
Araştırmacılar tarafından tasarlanan sistem, görüntülenen rengi kontrol etmek için görüntü hacminin hızlı taranması sırasında parçacıkları akustik olarak yakalar ve parçacıkları kırmızı, yeşil ve mavi ışıkla ışınlar. Aynı zamanda, ikincil çentik filtresinin zaman bölmeli çoklama, genlik modülasyonu ve faz minimizasyon yöntemlerinin kullanılması, MATD'nin görsel ekranla birlikte işitsel ve dokunsal içeriği sunmasını sağlar.
Sussex Üniversitesi Mühendislik ve Enformasyon Okulu'ndan Ryuji Hirayama ve makalenin ilk yazarı, görüntüleme sisteminin sırasıyla 8.75 m / s ve 3.75 m / s kadar yüksek olan dikey ve yatay yönlerde parçacık hızını kontrol ettiğini gösterdi. Manevra kabiliyeti, daha önce gösterilen diğer optik veya akustik yöntemlerin performansından çok daha üstündür. Ayrıca Sussex Üniversitesi araştırma ekibi, bu teknolojinin maddelerin temassız, yüksek hızlı manipülasyonu için fırsatlar sağladığını ve hesaplamalı üretim ve biyotıp gibi alanlarda uygulanacağını söyledi.
Şekil | Havada gezinen sanal bir kelebek (Kaynak: Eimontas Jankauskis / Univ. Sussex)
Bilim kurgu tarafından ateşlenen araştırma
İnsanlara izlenimi veren ilk 3 boyutlu görüntü, 1977'de yayınlanan epik bilim kurgu filmi "Yıldız Savaşları" olmalıdır. Prenses Leia, Luke Skywalker ve Obi-Wan'a bir tehlike mesajının üç boyutlu bir görüntüsünü gönderdi. O zamandan beri, devamı birçok üç boyutlu görüntüleme teknolojisine sahip. İnsanların "Yıldız Savaşları" nın büyük önem taşıdığını düşünmelerinin nedeni, sadece büyük bir dünya görüşü inşa ettiği için değil, aynı zamanda sınırlı teknik koşullar altında bir çocuk hayali efsanesi yaratmak için hayal gücünü kullanmasıdır. 3D stereo görüntüleme teknolojisi önemli kavramlardan biridir.
Şu anda piyasada bulunan stereoskopik ekranlar genellikle 2D görüntüleri 3D'ye dönüştürür. Örneğin, Voxon VX1, fotonları hızlı bir şekilde yukarı ve aşağı titreşebilen bir ekrana yansıtır ve özel gözlükler olmadan doğrudan görüntülenebilen bir 3B görüntü oluşturur. Ancak bu teşhir cihazının mekanik aksamlarının karmaşık yapısı nedeniyle sadece camın arkasına kilitlenebilmekte ve müzelerde teşhir dışında uygun uygulamalar bulmak mümkün olmamıştır.
2006 yılında, Burton'ın Kawasaki, Japonya'daki CEO'su Hidei Kimura, ilk olarak görüntüleri doğrudan üç boyutlu uzayda çizmeyi denedi ve başka bir bilim insanıyla birlikte, lazerle hava moleküllerinden elektronları çıkarabilen bir teknoloji geliştirdiler. Onları parlatmak için. Aynı zamanda, lazerin odağını yüksek hızda hareket ettirerek, pürüzlü bir görüntü oluşturmak için sürekli plazma ışık noktaları oluşturabilirler. O sırada Kimura şunları söyledi: "Bu teknoloji, doğrudan havada 3D görüntüler oluşturmak için hiçbir şeye ihtiyaç duymuyor." Ayrıca bu teknolojiyi, gökyüzünde acil durum bilgilerini yayınlamak veya spor oyunları sırasında sahada 3D oynatmayı yansıtmak için kullanmayı öngörmüştü. .
Yıllar süren geliştirmelerden sonra, plazma teknolojisi nispeten kararlı görüntüler üretebilir, ancak yine de bazı büyük sınırlamaları vardır: çözünürlüğü düşüktür, bir lazer patlaması görüntüdeki yalnızca bir noktaya eşittir ve lazer çok güçlüyse, İnsanlara yakar. Japonya'daki Tsukuba Üniversitesi'nde bilgisayar bilimcisi olan Yoichi Ochiai, bu sorunları keşfettikten sonra daha fazla araştırma yaptı.
2016 yılında, Ochiai'nin araştırma ekibi, dokunulabilir görüntüler oluşturmak için düşük enerjili, kısa darbeli lazerler kullanan bir plazma ekran teknolojisi geliştirdi. Bu görüntülerin genişliği, Kimura'nın ekibinin görüntülerinden çok daha küçük olan yalnızca birkaç milimetredir. Ancak kullanılan lazer darbe frekansı daha yüksek olduğu ve modülatör lazerin birden fazla odak noktasına sahip olmasına izin verdiği için, ekip görüntünün çözünürlüğünü Kimura'nın ekibine kıyasla 10 ila 200 kat artırdı. İğne büyüklüğündeki periler gibi daha karmaşık görüntüler de oluşturabilirler.
Sussex Üniversitesi'ndeki akustik 3B görüntüleme araştırması, başka bir bilim kurgu çalışmasından ilham aldı: 1960'larda yayınlanan Star Trek dizisinde ünlü olan çekici ışın. Daha sonra Sussex Üniversitesi'ndeki araştırma ekibini yöneten Sriram Subramanian, 2012 gibi erken bir zamanda, küçük nesneleri sabitlemek ve taşımak için ses dalgaları oluşturma ve yüksek voltaj noktaları oluşturma yöntemine öncülük etti. Ancak Ryuji Hirayama'nın laboratuvara geldiği 2018 yılına kadar sesli görüntüler oluşturmanın bir yolunu bulmuşlardı.
Nature dergisinde tanıtılan görüntüleme cihazı karmaşık değil, sadece klavyeye dokunun ve Ryuji Hirayama küçük bir asılı parçacığı hayata geçirebilir. Beyaz noktaları havada zıplatmak, gezinmek ve havada süzülmek için manipüle edebilir. Tekrar tıkladığınızda küçük nokta parlayan bir kelebek oluşturacak; kara kutuda döndüğünde kanatlarını çırpacaktır.
(Kaynak: Eimontas Jankauskis / Univ. Sussex)
Ortadaki hava deformasyonunun arkasında aslında nispeten basit bir ayar vardır: Ultrasonik dalgalar oluşturarak parçacıkların hareketini kontrol eden, asılı parçacıkların üstünde ve altında iki ince 256 mikro hoparlör dizisi vardır. Çok hızlı hareket ettiği için çıplak gözün görebildiği şey, çapı yalnızca birkaç santimetre olan, gelişen bir 3D görüntüdür. Tıpkı yüksek hızlı dağlama makinesiyle eskiz gibi, doğrudan havada çizilir.
Ek olarak, görüntüyü üreten ultrasonik hoparlör de ses yayabilir ve insanların dokunsal hissetmesini sağlayabilir. Kelebeğe uzanırsanız parmaklarınız titreyebilir. Sussex Üniversitesi araştırma ekibi tarafından sunulan başka bir vakada, havada Kraliçe'nin "We Will Rock You" eşliğinde gülümseyen bir yüz belirdi.
Şekil | a. Parçacıkların küreselliğini ve çapını ölçmek için kamera cihazı; b. Farklı parçacık çaplarının maksimum doğrusal hızı; c. Farklı parçacık çapları ile üretilen gülen yüz desenleri (Kaynak: Eimontas Jankauskis / Univ. Sussex)
Sabit bir görüntüyü göstermek için, asılı parçacıkların her görüntü karesini saniyenin onda birinden daha kısa sürede oluşturması gerekir. Önceki çalışmalarda, akustik havaya yükselme, hareket hızı nispeten yavaşken, nesneleri olabildiğince sabit tutmaya daha fazla odaklanma eğilimindeydi. Hirayama'nın araştırma yeniliği, parçacıkları kararlı hale gelmeden önce ortadan kaldırmak ve özellikle hareket yollarını hesaplamak ve parçacıkların her yeni hedef noktasını planlamak için bir program tasarlamakta yatıyor.
Araştırma ekibi odağı saniyede 40.000 kez değiştirebilir. Hirayama, parçacıkların saniyede 8,75 metre hıza ulaşabildiklerini ve bunun da 2 mm'lik bir alanı geçtiklerinde neredeyse anında hareket etmelerini sağladığını söyledi. Parçacıklar hareket ettiğinde, hızla değişen bir LED, renkleri üretmek için onları ışıkla yıkayacaktır.
Şekil | Yüzen bir ekranla sunulan küre. Bu fotoğrafın pozlama süresi 0,025-20 saniyedir. Sadece 0,1 saniye içinde çizilen görüntü insan gözünün sürekli bir görüntüsüdür (Kaynak: Eimontas Jankauskis / Univ. Sussex)
İmkansız oluyor
Hirayama araştırma ekibi, ABD'nin Utah kentindeki Brigham Young Üniversitesi'nde fizikçi olan Daniel Smalley'in çalışmalarından esinlenmiştir.Elektroholografi ekibi, kendisini uzay görüntüleme ve holografik projeksiyon alanındaki araştırmalara adamıştır. Smalley, aynı sayıda parçacık ve veriyle, ekibinin görüntü boyutunun Sussex Üniversitesi'ndeki araştırma ekibinin yalnızca onda biri olduğunu, ancak çözünürlüğün yaklaşık 10 kat daha yüksek olduğunu söyledi.
Sussex Üniversitesi'nin teknolojisinin de eksiklikleri vardır: Ekranın her iki tarafında hoparlörler gerektirir, bu da izleyicinin ekranla etkileşim yeteneğini sınırlar ve ayrıca görüntünün boyutunu da sınırlar. Ancak donanım yükseltilirse, Sriram Subramanian (başka bir araştırma ekibi üyesi), ses dalgaları olan görüntüler oluşturmak için yalnızca hoparlörün ekranın bir tarafına yerleştirilmesi gerektiğini söyledi.
Ek olarak, araştırmacılar ayrıca asılı parçacıkların basınca nasıl tepki verdiğini anlamak için çalışıyorlar. Bu, parçacıkları daha hızlı hareket ettirmelerine yardımcı olabilir, böylece aynı anda birden çok parçacığa sahip daha karmaşık görüntüler çizebilir ve görme ile dokunmayı birleştiren birden fazla deneyim sağlayabilir. Mevcut ortamda, dokunsal geribildirim ve görüntü tamamen örtüşmez, çünkü her biri birbirini engelleyen bir alan oluşturur.
Yukarıda bahsedilen Tsukuba Üniversitesi'nde bir bilgisayar bilimcisi olan Yoichi Ochiai ekibi, iki alan arasındaki karşılıklı etkileşim sorunundan kaçınmanın ve dokunma ve görme hissini örtüştürmenin bir yolunu buldu. Lazer darbeleriyle görüntüler çizerken, dokunsal geri bildirim elde etmek için akustik alanları kullanıyorlar.Ochiai'nin araştırma ekibi, bu yöntemi havada Braille noktaları çizmek için uyguladı.
Daniel Smalley, Sussex Üniversitesi'ndeki araştırma ekibinin teknolojisiyle ilgili olarak şunları söyledi: "Şimdiye kadar çok az fizikçi, parçacıkların böyle bir görüntü oluşturacak kadar hızlı hareket etmesini sağlamak için sesin kullanılabileceğini düşünüyor. Bu yılın Ağustos ayında, Birleşik Krallık Risto Üniversitesi'nde fizikçi olan Tatsuki Fushimi ve iş arkadaşları bunun mümkün olduğunu ilk kanıtlayanlar oldular, ancak parçacıklarının şekli tanımlaması daha uzun sürüyor, bu da yalnızca 1 cm'den küçük görüntülerin şu şekilde gösterilebileceği anlamına geliyor: Sürekli tek bir nesne. Ancak Sussex Üniversitesi araştırma ekibinin sonuçları, bizi daha önce imkansız olan şeylerin olduğuna ikna etti. "
Şekil | Daniel Smalley'in laboratuvarında görüntülenen kelebek (Kaynak: Nate Edwards / BYU Fotoğrafı)
"Star Wars" ve "Iron Man" gibi filmler insanlar için çok etkileyici olduğundan, herhangi bir 3D ekran kaçınılmaz olarak filmlerdeki holografik görüntülerle karşılaştırılacaktır. Ana araştırma yönü çıplak gözle 3D görüntüleme teknolojisi olan Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi Enstrümantasyon Bilimi ve Optoelektronik Mühendisliği Fakültesi'nde profesör olan Wang Qionghua, "Sussex Üniversitesi'nin teknolojisi daha önce benzer yöntemlerden daha büyük görüntüler oluşturabilir ve birleştirir. İnsanları yeniden üretime (holografik görüntü) yaklaştıran ses. Ancak bu görüntülerin boyutu hala küçük ve gerçek olmaktan çok uzak. "Wang Qionghua," Yıldız Savaşları "nda bir tür 3B görüntü oluşturmak için hala ihtiyaç olabileceğine inanıyor. On yıl veya daha uzun.
Ancak Birleşik Krallık'taki Derby Üniversitesi'nde 3D teknolojisi üzerine çalışan bir fizikçi olan Barry Blundell şu uyarıyı yapıyor: "Daha zengin ve daha gerçekçi görüntüler oluşturmak için kayan ekran teknolojisini kullanmaya çalışmamalısınız. Sanki kimse heykellere bakmayacak ve Resimlere bakın ve karşılaştırın. Diye ekledi, Holografik görüntülerle rekabet etmek, teknolojiyi yalnızca ticarileştirmede çıkmaza sokacaktır. Bu görüntüleme teknolojisi, çok fazla ayrıntı gerektirmeden sunulamayan diğer medyalara en iyi şekilde uygulanır. Karmaşık 3B hareketleri görüntüleme gibi sahneler. "
Bu bağlamda Daniel Smalley, dokunsal etkileşimin çok faydalı olduğuna inanıyor. Örneğin, cerrahlar bu görüntüleme teknolojisini, bir kateterin bir kalp damarından geçirilmesi gibi işlemlerin uygulanması gibi pratik eğitim için kullanabilir. Ayrıca, "Bir milyon hareketli parçacık varsa, varlıktan ayrılmış bir yüz oluşturulabilir ve uzaktan yüz yüze etkileşim gerçekleştirilebilir" dedi.
"Sanal gerçekliğin sağladığı gerçekçi görüntülerle karşılaştırıldığında, havada insan avatarları oluşturmak daha güçlü bir varlık duygusu sağlayabilir. Bu heyecan verici bir tasarım olacak." Ayrıca Sussex Üniversitesi'ne de inanıyor. Akustik gösterim yöntemi, laboratuvardan çıkmak için mutlaka uzun bir geliştirme aşaması gerektirmez. Smalley, "Diğer teknolojileri geliştirmeden önce bu teknolojinin ticarileştirileceğine bahse girerim" dedi.
Elbette, Sussex Üniversitesi laboratuvarında, milyonlarca parçacığın sergilenmesini gerçekleştirmek için daha gidilecek uzun bir yol var.
Tüm ekran efektlerini gösterdikten sonra, Hirayama ekranı kapattı ve kanatlarını çırpan kelebek kayboldu ve onları oluşturan boncuklar ekran tabanında zıpladı. Hirayama onları aldı ve kutuya koydu. Belki insanlar sihirbazın silindir şapkasını dört gözle bekleyebilir ve araştırma ekibinin gelecekte daha heyecan verici "sihir" gösterileri getirmesini bekleyebilir.
