HoloTrue3D – krok w kierunku holograficznego video

HoloTrue3D – krok w kierunku holograficznego video

  • kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska, Politechnika Warszawska
  • Tytuł projektu: Holo True3D: Wielowiązkowe obrazowanie i pomiary holograficzne
  • Konkurs: MAESTRO, ogłoszony 15 czerwca 2011 r.
  • Panel: ST 7
Holograficzny obraz róży

fot. mgr inż. Weronika Zaperty

W ostatnich latach techniki obrazowania trójwymiarowego cieszą się ogromnym zainteresowaniem społecznym zwłaszcza w takich zastosowaniach jak trójwymiarowa telewizja, edukacja, gry komputerowe, technika wirtualna i rozszerzona, a także w kręgach naukowych i inżynierskich w obszarze dokładnych pomiarów obiektów 3D. Projekt HoloTrue3D: Wielowiązkowe holograficzne obrazowanie i pomiary realizowany w ramach programu MAESTRO finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki doskonale wpisuje się w te zainteresowania i tęsknotę ludzi za możliwością jak najbardziej naturalnego obcowania ze sobą na odległość. Holografia umożliwia kodowanie, a później odtwarzanie informacji o trójwymiarowych scenach w sposób najbardziej naturalny dla percepcji człowieka to znaczy poprzez rejestrację, a później odtworzenie frontu falowego wytworzonego przez te sceny (rys. 1). Dzięki temu holografia pozbawiona jest podstawowych wad komercyjnych technik obrazowania trójwymiarowego jak stereowizja lub autostereowizja. Jednak, aby wprowadzić techniki holograficzne do urządzeń konsumenckich musi zostać spełnionych szereg warunków, które stawiają bardzo wysokie wymagania przed układami rejestrującymi hologramy cyfrowe oraz przed displejami holograficznymi. Podstawowym problemem jest tutaj zbyt małe pasmo przestrzenne (wymiar pikseli, liczba pikseli) kamer i modulatorów światła. Aby uzyskać barwny, dobrej jakości i w szerokim polu widzenia holograficzny obraz obiektu trójwymiarowego należałoby zastosować urządzenia o miliardzie pikseli.

Celem projektu HoloTrue3D jest zaproponowanie rozwiązań, które umożliwią z jednej strony taką manipulację rejestracją danych, ich przetwarzaniem i wyświetlaniem, aby uzyskać znaczny skok jakościowy w rekonstruowanym obrazie i video holograficznym, które może oglądać w szerokim polu widzenie wielu widzów jednocześnie. Z drugiej strony opracowywane są metody i urządzenia holograficzne rozszerzające możliwości pomiarów i monitorowania zmian w mikro- i makroobiektach inżynierskich.

Od początku projektu zbudowane zostały trzy układy rejestracji danych dla displeja holograficznego. Pierwszy układ, który wykorzystuje wiązki laserowe o trzech różnych długościach fali, pozwala na rejestrację barwnych hologramów Fresnel’a obiektów statycznych w 360 deg kąta pola widzenia. Zarejestrowane w systemie dane umożliwiają na późniejsze wyświetlenie obrazu holograficznego widzianego z dowolnej perspektywy poziomej. Zaletą hologramów Fresnel’a jest możliwość ich bezpośredniej rekonstrukcji w układzie wyświetlacza holograficznego, dzięki czemu można w łatwy sposób sprzęgnąć układy detekcji i rekonstrukcji. Dla potrzeb rejestracji sceny dynamicznej moduł rejestracji barwnych hologramów będzie powielony wielokrotnie poprzez ustawienie szeregu kamer holograficznych wokół rejestrowanej sceny, jak to już zrealizowano w pewnym zakresie w układzie dla rejestracji monochromatycznej. Hologramy Fresnel’a mają jednak istotną wadę: możliwa jest rejestracja scen o stosunkowo małych rozmiarach i ograniczonym zakresie pasma informacyjnego.

Holograficzny obraz figurki gargulca

fot. mgr inż. Weronika Zaperty

Problem ten może być zminimalizowany poprzez zastosowanie konfiguracji holografii Fourier’a, która umożliwia rejestrację większej i bardziej multimedialnej sceny (rys.2). Jednakże zwiększenie sceny wiąże się ze spadkiem rozdzielczości obrazu. Żeby zwiększyć rozdzielczość zastosowano w drugim układzie rejestracji technikę holografii syntetycznej. Rejestrowany jest zestaw hologramów z poprzecznym przesunięciem kamery CCD. Kolejne hologramy są „zszywane” w jeden hologram, tak aby zwiększyć jego finalny wymiar. Przez zastosowanie tej techniki i sensora o 4 gigapikselach udało się osiągnąć rozmiar hologramu syntetycznego o blisko 100 gigapikselach. Taki hologram będzie służył jako źródło danych dla wielomodulatorowego układu wyświetlacza holograficznego. Użycie syntetycznego, dużego hologramu dla wszystkich modulatorów światła pozwala na usunięcie błędów z układu rejestracji. W przypadku dużych scen użycie do rejestracji źródeł laserowych ogranicza zastosowania multimedialne holografii cyfrowej. Dlatego w trzecim układzie rejestracja danych realizowana jest w układzie 9 kamer cyfrowych umieszczonych wokół obiektu na okręgu o znanej geometrii. Kamery rejestrują obrazy 2D, które następnie konwertowane są na tzw. stereohologramy. Układ pozwala zarejestrować scenę o objętości pomiarowej nawet do 1m3.

Drugą integralną częścią projektu jest rozwój metod wyświetlaczy holograficznych. Dotychczasowe badania są prowadzone przede wszystkim w dwóch obszarach: (1) budowa wyświetlaczy holograficznych o zwiększonej liczbie widoków użytych do generacji obrazu holograficznego, (2) rozwój metod pozwalających na rekonstrukcję hologramów barwnych, w tym również umożliwiających rekonstrukcje światłem niekoherentnym lub nawet białym.

Wyświetlacz holograficzny - widok z góry i z przodu.

fot. mgr inż. Weronika Zaperty

Aby wyświetlić hologram i uzyskać atrakcyjną multimedialnie rekonstrukcję konieczna jest, podobnie jak w przypadku rejestracji, bardzo duża liczba pikseli wyświetlacza holograficznego. Może to zostać osiągnięte poprzez zwiększanie liczby przestrzennych modulatorów światła (SLM) w układzie wyświetlacza lub/oraz zastosowanie przestrzenno-czasowego multipleksingu. Zbudowano dwa wyświetlacze holograficzne z wieloma SLM-ami, z których każdy stosuje inną metodę multipleksingu. W pierwszej metodzie wykorzystywany jest dodatkowy SLM użyty do multiplikacji otrzymanych widoków. Zbudowany wyświetlacz pokazany jest na rys. 3a. Przykładowe rekonstrukcje trójwymiarowego obiektu widzianego z różnej perspektywy przedstawiono na rys. 3b. Dzięki zastosowaniu opracowanej w ramach projektu metody multipleksingu obrazów w wyświetlaczu o sześciu SLM-ach o wysokiej (HD) rozdzielczości udało się uzyskać rekonstrukcję generowaną przez 50 gigapikseli. Wartość ta jest równa liczbie pikseli dla 24 obrazów HD (24x1920x1080). Druga metoda multipleksingu wykorzystuje wiele źródeł laserowych oświetlających SLM-y wyświetlacza holograficznego. Źródła, zsynchronizowane czasowo z SLM-ami wyświetlacza, oświetlają modulatory ze ściśle określonych kierunków. Pozwala to na utworzenie integralnej rekonstrukcji holograficznej o zwiększonej liczbie pikseli. Atrybutem tej metody jest możliwość otrzymywania większych wymiarów rekonstruowanej sceny w porównaniu z metodą wykorzystującą dodatkowy SLM.

Modele zbudowane z wielu SLM-ów pozwalają na rekonstrukcję jednobarwną. Obecnie prowadzone są prace zmierzające do opracowania wyświetlacza holograficznego umożliwiającego barwną rekonstrukcję holograficzną, bez redukcji kątów pola widzenia i wymiaru uzyskiwanego obrazu. Zastosowana technika wykorzystuje dodatkowe filtry barwne umiejscowione w płaszczyźnie modulatora. Rozkład przestrzenny filtra jest tak dobrany, aby różne pola pojedynczego SLM-a realizowały rekonstrukcje dla różnych barw (rys.4). Obecnie budowany jest pojedynczy wyświetlacz, który pozwala na rekonstrukcję barwną jedynie w dużej odległości od powierzchni modulatorów. W następnym etapie zastosowanie metod multipleksingu pozwoli na usunięcie tej niedogodności.

Prowadzone są również prace teoretyczno-numeryczne nad generacją danych holograficznych, których wykorzystanie umożliwi uzyskanie wysokiej jakości rekonstrukcji holograficznej światłem niekoherentnym. Zbudowano wyświetlacz pozwalający na rekonstrukcję komputerowo generowanych hologramów tęczowych światłem białym. Metoda ta wykorzystuje technikę zespolonej modulacji pola.

Wyświetlacz holograficzny

fot. mgr inż. Weronika Zaperty

Zaawansowane prace teoretyczno-eksperymentalne prowadzone w obszarze holograficznego obrazowania mają swoje bezpośrednie przełożenie na metrologiczne zastosowania cyfrowej holografii. Zbudowano modele kamery holograficznej i cyfrowego mikroskopu holograficznego z aktywną modyfikacją wiązki odniesienia, która umożliwi ich pracę w różnych trybach pomiarowych i rozszerzy zakres zastosowań. W szczególności opracowywane są metody pomiarów mikroobiektów (np. mikrosoczewek) o dużych gradientach kształtu lub różnicach współczynnika załamania. W zakresie zastosowań do pomiarów mikroobiektów biologicznych rozpoczęto ciekawe badania statyczne i dynamiczne kolonii bakterii i zarodków roślin. Zaproponowane rozwiązania numeryczne umożliwiają rekonstrukcję obrazu z wysoką rozdzielczością i z możliwością dostosowania do potrzeb pomiarowych. W ramach interferometrii holograficznej bardzo ciekawym kierunkiem prowadzonych prac jest zaproponowanie i wstępne badania konfiguracji rejestrująco-rekonstruującej dla cyfrowej realizacji interferometrii holograficznej w czasie rzeczywistym.

Projekt HoloTrue3D jest na półmetku, opracowano już wiele metod i modułów rejestracji i rekonstrukcji hologramów cyfrowych, które pozwalają się nieco zbliżyć do wymagań jakie stawiają widzowie przed producentami displeji 3D: uzyskano rejestrację i rekonstrukcję barwnych scen trójwymiarowych o większych wymiarach, zademonstrowano możliwość rekonstrukcji obrazów holograficznych o akceptowalnej jakości z wykorzystaniem światła niekoherentnego, a nawet białego, uzyskano rekonstrukcje holograficzne w dużym polu widzenia umożliwiającego obserwację przez kilku widzów równocześnie. Opracowano szereg układów rozszerzających znacznie zastosowania cyfrowej holografii w pomiarach mikroobiektów technicznych i biologicznych. Przed Zespołem projektowym jest jeszcze dużo pracy, aby doprowadzić przedstawione koncepcje i modele urządzeń do etapu pełnego układu holograficznego video takiego jaki oglądamy w filmach science fiction jednak każdy etap realizacji projektu HoloTrue3D przybliża nas do tego momentu.