Самое горячее: Европа признала соцсети опасными (50); "Фобос-Грунт" уже не спасти (11); Мобильники убивают детей (26); ЕЩЕ >>
РАЗДЕЛЫ
Архив
« ноябрь 2014  
пн вт ср чт пт сб вс
          1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30

Про трехмерку настоящую и ненастоящую

Устройства | обзор | 05.03.2010 12:00

Фантазии писателей одно время вдохновляли ученых: все эти «наутилосы», «гиперболоиды» и полеты на Луну; с другой стороны, и фантазии писателей имели отправную точку в научных работах. Конец 19-ого века в этом смысле был хорошим временем. Поражающее воображение буйство технологий: телефон, телеграф, радио, электричество — сочеталось с популярностью и доступностью науки. Каждый образованный человек при желании вполне мог разобраться в самых современных теориях — причем во всех сразу. А разобравшись, он, конечно, сразу же пускался в мечтаниях о будущих открытиях, более или менее предметные.

В начале и особенно в середине 20-ого века ситуация начала меняться. Наука сделала грандиозный качественный скачок, вышла за пределы всякого т.н. «здравого смысла». Фантастика едва за ней поспевала, становясь всё менее научной, пока, наконец, не перестала быть научной вовсе. Парадоксы теории относительности можно еще встретить, а вот квантовомеханические эффекты почти не обсуждаются. Чего уж говорить о теории струн и м-теории.

Разрыв между наукой и фантастикой произошел, видимо, где-то в 70х-80х. Во-первых, это время возникновения Интернета - вероятно, первого изобретения, которое практически ни в каком виде не было предсказано фантастами. Т.е. потом, конечно, задним числом вспоминали Лема, Стругацких, кого-то еще. Но так вот, по-честному если разобраться, то выяснится, что у централизованной справочной системы БВИ и роботов-насекомых Лема мало общего с Интернетом.

Во-вторых, это время создания оригинальной трилогии «Звездных войн» — мегауспешной фантастической саги, где наука сознательно была отброшена в сторону, как препятствие зрелищности. Хотя по мне так в беззвучной гибели, в расцветающих в тишине огненных бутонах много больше красоты, чем во всех этих разрывах, щелчках, бабабахах и свисте.

Конечно, можно долго разбирать причины смерти научной фантастики (некоторые даже говорят, что и не умерла она вовсе). Но однако же несомненно то, что она служила своеобразным мостом между ученым миром и всем остальным. Мост разрушился, ученый мир пошел каким-то своим путем, весь остальной — своим остальным.

Собственно сейчас мы живем в удивительное время: буйство технологий сочетается с буйным же распространением магического сознания. Многие ли хотя бы в принципе понимают как устроен их мобильный телефон, компьютер? Ответственно заявляю: число этих сознательных граждан минимально, как в абсолютных, так и в относительных цифрах. Для многих же, причем не трактористов каких-то, а вполне себе обладателей белых воротничков, их гаджеты нечто вроде волшебных артефактов: совершение загадочных пассов, произнесение заклинаний приводит к появление в блюдечке физиономии тещи, загорающей где-нибудь на Гоа. Как так получается — неизвестно. Известно только, что волшебная сила артефактов со временем иссякает, поэтому нужно постоянно ходить в специальные лавки волшебников и закупать новые.

Эта примечательная тенденция дает о себе знать многообразными способами. Например, необычайной популярностью игр, книжек и фильмов про эльфов с орками. Механика мира в этих изделиях прекрасно отвечает представлениям граждан, одновременно гражданам нравится благородство главных персонажей. То есть вроде как искусство отражает реальность, но и погладить по голове на забывает.

Другое проявление — в языке. Научные термины в массах постепенно приобрели какие-то отличные от первоночальных значения. Один из самых ярких примеров здесь слово «голограмма». Впрочем, обо всем по порядку.

Обычное стерео

Существует несколько методов создания объемного изображения. Условно их можно поделить на три большие группы.

Первая группа — это стереоскопические. Дело в том, что наше восприятие глубины на расстояниях до 200 метров во многом связано именно с тем, что правый и левый глаз смотрят на объекты под разными углами. И если показать разным глазам немного разные изображения, то возникнет иллюзия объемного изображения.

Идея эта не нова. Еще в конце 19-ого века японец T. Enami (t-enami.org) печатал на карточках пары фотографий одной и той же сцены, снятые под немного разными углами. К карточкам полагался специальный оптический прибор, стереоскоп, благодаря которому можно было одним глазом смотреть на одну половину карточки, а другим на другую.

В 20-м веке ту же идею использовали и в кино. Надеть на каждого зрителя в зале по паре кинопроекторов вряд ли получилось бы, поэтому нужно было придумать другой способ разделения картинок. И он довольно быстро нашелся. Картонные очки с синими и красными светофильтрами стали простым и дешевым решением, позволявшим показывать стереокино в любом зале.

Первый такой фильм сняли еще в 22м году, а в 70х в серьез обсуждалась возможность телевизионного стереовещания. Однако у цветого кодирования есть большой недостаток — плохая цветопередача. Его отчасти можно скомпенсировать, но только отчасти. В современных бурно развивающихся системах 3d, таких как imax и realid, используются поляризационные фильтры, что позволяет улучшить качество картинки, но одновременно возникают дополнительные требования к экранам и проекторам. При желании можно обойтись вовсе без дорогих, тяжелых очков и разделять изображения с помощью системы линз, амплитудных решеток или даже системы из нескольких LCD-дисплеев с нейропаттернами. Но основной принцип все тот же, что и в первых стеофильмах, снятых задолго до фильма «Аватар».

И он сам по себе плох.

Угол, который образуют лучи, исходящие от объекта в горизонтальной плоскости и упирающиеся к нам в глаза, называется параллаксом. И параллакс важный, но не единственный параметр, по которому ориентируется наш мозг. Собственно, мы до сих пор очень слабо представляем, как же устроен наш мозг. Поэтому любые попытки его «обмануть» чреваты не только дискомфортом, но и проблемами со здоровьем.

Так, к примеру, при просмотре стерео происходит рассогласование сигналов двух вспомогательных систем — глазодвигательной и аккомодационной. В естественных условиях обе системы работают согласовано: одна сводит/разводит оси глаз, другая производит фокусировку. При переводе взгляда с одного объекта на другой автоматически происходит и смена фокусировки. В случае же стереоизображения оси переводятся с предмета на предмет, но фокус глаза должен неизменно оставаться на экране, а не перемещаться от одного виртуального объекта к другому. Иначе изображение начнет двоиться.

И у многих действительно двоится. Не только из-за рассогласования вспомогательных систем, но и из-за ограниченной способности сенсорной зрительной системы объединять в трехмерные образы, слишком отстоящие друг от друга точки левого и правого изображений. Другими словами, существует критичные значения параллаксов, превышение которых приводит к тому, что человек начинает воспринимать видимое разными глазами по отдельности.

Проблема заключается в том, что и критичные значения параллаксов, и способность переносить рассогласование вспомогательных систем для разных людей различны, и сверх того, меняются с возрастом. Эти недостатки принципиально неустранимы, они порожаются самим способом формирования иллюзии объема. Как бы стереоскопические системы не развивались в дальнейшем, все равно у части людей будет пропадать стереоэффект, у другой части при злоупотреблениях возникнут проблемы со зрением.

Альтернативное стерео

Впрочем, принципиальный недостаток стереосистем вполне может стать основой для киберпанковского сюжета: в мире, порабощенном с помощью технологий виртуальной реальности, останутся «избранные», не подверженные этой виртуальной реальности. Понятно, что половина из них — сами поработители, а другая — доблестные повстанцы.

Очевидно, что для успешной борьбы с повстанцами нужны технологии, основанные на других принципах. И они во множестве разрабатываются. Например, можно сделать полусферу, внутри которой будет вращается прозрачная пластина со светодиодами, управляя которыми можно формировать трехмерную картинку. Как варианты можно использовать вращающиеся призмы, миниатюрные вертолеты с лампочками, кривые зеркала, проекции на водяном паре и зданиях. Или можно просто облепить обыкновенными экранами круглое помещение — впервые эта идея реализована была в 1955 году студией Диснея, сейчас ею же занимается Гугл.

Это очень разнородные устройства, у которых тем не менее есть одна общая черта, позволяющая их объединить в одну группу — все они имеют очень серьезные ограничения. Нужна либо какая-то особенно среда, либо нельзя получить полноцветное изображение, или есть ограничение на форму и количество объектов, или на скорость смены кадров. Словом, все они - скорее экзотика, порой впечатляющая, но едва ли можно надеяться, что хоть одна из этих технологий получит широкое распространение.

Будущее за технологиями, которые с одной стороны будут достаточно универсальны и гибки, а с другой стороны будут создавать полную иллюзию — т.е. воссоздавать при необходимости все характеристики световой волны. И такая технология будущего известна уже почти полвека — это голография.

Обычная голография: начало

Слово «голография» благодаря фантастическим произведениям знают почти все, но изрядная часть этих всех благодаря этим же фантастическим произведениям называет «голографическими» любые трехмерные изображения. Что, конечно, неверно.

Понять, как устроена голограмма несложно, если вспомнить опыт Юнга из школьного курса физики. Есть две простынки, подвешанные к потолку одна перед другой, в первой иголкой проделаны два отверстия. Если за ней зажечь лампочку, то на второй простынке, служащей экраном, появятся полосы — картина интерференции. Там, где световые волны придут в фазе они усилят друг друга, там где в противофазе погасят.

Схема простая и понятная. Если в ней заменить лампочку на лазер, простынку с отверстиями — на систему линз и зеркал, разделяющих луч лазера на два, а экран - на какую-нибудь фоточувствительную пластинку, то получится схема записи голограмм имени Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса. Сущность процесса записи состоит в регистрации интерференции двух световых волн, одна из них называется опорной, другая объектной.

В простом случае опорная и объектные волны не различаются и имеют простую и легко воспроизводимую форму — плоскую или сферическую, а записываемая картина интерференции выглядит как череда полос — это так называемые элементарные голограммы-решетки. Если такую голограмму осветить уже только опорной волной, то из-за дифракции на решетке восстановится объектная волна — так происходит считывание голограммы. При желании объектной волне можно придать какую-нибудь сложную форму, например, осветить ею предварительно лицо любимой женщины. Тогда и картина интерференции приобретает какой-то замысловатый вид. Но суть останется та же.

Голографию - как слово и метод - придумал венгерский физик Дэннис Габор. Как это часто бывает в науке, делать он этого не собирался. Он работал в совершенно другой области, занимался электронной микроскопией и, рассматривая свои размытые картинки, думал примерно такую мысль: «Обидно все-таки, вся информация в пучке уже есть (если только Гюйгенс не соврал), а нифига оттуда не извлекается. Это оттого, друг мой Дэннис, что ты пренебрегаешь фазой волны, а без фазы у тебя только половина информации. Прикинь, нельзя ли как-нибудь интерференцию использовать? Что-то у Липпмана такое было».

И Дэннис так хорошо прикинул, что через 23 года получил за свое изобретение Нобелевскую премию. Правда, в электронной микроскопии его метод «восстановления волн» никакой роли не сыграл, тогда как его оптические опыты, задуманные только как модельные, положили начало целой новой области.

Схема записи пропускающих голограмм Габора была очень несовершенна. Она не позволяла записывать непрозрачные объекты, давала изображения-«двойники», которые приходилось дополнительно компенсировать; он использовал двумерную регистрирующую среду, т.е. запись шла только на поверхности, что налагало свои ограничения, и сверх того, у него не было лазера. Как оптики прошлого обходились без лазеров, вообще непредставимо.

В 1962-1964 годах физики Лейт и Упатникс значительно усовершенствовали схему Габора, и кроме того они впервые использовали лазер. В том же 1962 году было зарегистрировано изобретение 35-тилетнего советского ученого Юрия Денисюка.

В отличии от Габора, Денисюк хотел изобрести именно голографию, хотя и не знал ни работ Габора тогда, ни самого слова «голография», вместо которого употреблял не прижившийся термин «волновая фотография». Дело в том, что после окончания Ленинградского института точной механики и оптики он поступил на работу в Государственный оптический институт, где ему поручили разработку обычных линзовых и призменных приборов — дело важное, но рутинное и скучное. Молодой специалист развлекал себя тем, что читал научно-фантастические рассказы.

В числе прочих попался ему рассказ «Звездные корабли» писателя Ефремова. Вот что сам Денисюк рассказывает о нем в своей книжке «Мой путь в голографию»:

«На меня произвел большое впечатление один из эпизодов этого рассказа: современные археологи, раскапывая место, где инопланетяне охотились на динозавров много миллионов лет тому назад, случайно находят странную пластинку.

«Оба профессора невольно содрогнулись, когда удалили пыль с поверхности пластинки. Из глубокого совершенно прозрачного слоя, увеличенное неведомым оптическим ухищрением до своих естественных размеров, на них взглянуло странное лицо. Изображение было сделано трехмерным, а главное, невероятно живым, особенно это относилось к глазам».

У меня возникла дерзкая мысль: нельзя ли создать такую фотографию средствами современной оптики? Или, если быть более точным, нельзя ли создать фотографии, воспроизводящие полную иллюзию реальности зарегистрированных на них сцен?»

Это был тот случай, когда научная фантастика действительно удивительным образом подтолкнула к реальным научным открытиям. Благодаря рассказу Ефремова Денисюк начал большую работу, в ходе которой придумал собственную схему записи отражающей трехмерной голограммы.

Схема Денисюка открыла совершенно невероятные возможности. Дифракционная эффективность голограмм, характеристика степени восстановления объектной волны, доходит до 100%, причем считывание голограммы теперь можно было производить с помощью обыкновенных источников света: ламп и естественного освещения. Голограмма Денисюка сама собою выбирает из сплошного спектра те длины волн, на которых была записана. Оказалось, что записать и восстановить можно не только амплитуду, фазу, спектральный состав, но и поляризацию света. В переводе с греческого «голография» значит «полная запись». И это в самом деле так. Если в стереоскопических технологиях стоит проблема недостаточности используемых параметров, то в случае голографии записываются параметры, которые человек даже не способен воспринять.

Голографическое кино

Голограмму довольно быстро удалось сделать цветной. Для этого нужно было делать запись на трех длинах волн, которые при сложении давали полноцветное изображение. Но вот с тем, чтобы заставить голограмму двигаться, возникли некоторые сложности.

Казалось бы, голографический фильм можно легко сделать по аналогии с обыкновенным, заменив просто кадры кинопленки на голограммы. Но у этого подхода сразу же обнаружились большие недостатки. Во-первых, голограмма имеет ограниченные размеры, и для того, чтобы её растянуть на экран кинотеатра, нужно либо зеркало размером с экран, либо линза того же размера. А во-вторых, даже использование дорогостоящих линз и зеркал большого диаметра не позволяло показывать фильмы сколько-нибудь большой аудитории из-за малых угловых размеров изображения.

Несмотря на эти проблемы голографические фильмы все же снимались. Первый из них был снят в 1976 году ученым Виктором Комаром. Правда «фильм» тут слишком громкое слово: это был 20-тисекундный ролик с изображением движущегося человека, формируемый линзой 60x80 см. С другой стороны, и «Прибытие поезда» тоже не сильно длинная была кинокартина.

Примерно в том же 76-м году режиссёр Лукас делал первую серию своей знаменитой саги.

С этого момента в голографическом кино случился некоторый застой. Объемные разговаривающие картинки из «Звездных войн» оказались гораздо занимательней, чем реальное голографическое кино. Это не значит, разумеется, что развитие голографии затормозилось, нет.

Изобразительная голография — только одно из многих приложений. Непрерывно шел прогресс сред для голографии, методов, источников излучения. Появились голографические микроскопы, голографические устройства памяти, системы распознавания образов и даже философские концепции. А простой сотрудник фирмы «Полароид» Стивен Бентон придумал радужные голограммы, которые сейчас встречаются повсюду: на пластиковых карточках, коробках с играми, музыкой etc. Секрет успеха радужных голограмм - в простоте изготовления: оказалось что их можно штамповать, как китайскую пластмассу. Действительно, строго говоря, интерференционную картину на голограмме необязательно формировать оптическим способом. Можно процарапать алмазом, можно вытравить кислотой – как угодно.

Цифровые голограммы

Идея заменить оптические методы на неоптические оказалась очень плодотворна. Собственно, на их перспективность указывал еще Денисюк в своей «Цифровой голографии».

В частности, удобно использовать микроэлектронику: расчет интерференционной картины производить на компьютере, а выводить на жидкокристаллическом мониторе. Подобными работами занимался и тот же Бентон, и японские инженеры из Citizen Watch Company, которые умудрились убедить свое руководство, что голографическое видео — это лучший способ протестировать их жк-дисплеи.



Проблема была только в том, что у жк-дисплев образца 80-х было низкое разрешение, а у компьютеров слабые процессоры. Достаточно сказать, что суперкомпьютер с 16 тысячами ядер, которым пользовался Бентон в своей работе, считал каждый фрейм фильма в течении нескольких часов.

Впрочем, к нашему времени и процессоры разогнались, и разрешение у мониторов не то что прежде. Так, в прошлом году японские ученые рассказывали, как им удалось на специализированной компьютерной системе достичь скорости в 10 fps для монохромной картинки из 100 тыс. точек. Что, конечно, еще далеко до 60-ти полноцветных фреймов в секунду, но уже сравнимо. В перспективе, когда компьютеры станут еще быстрее, голограммы можно будет снимать прямо на мобильник. Уже сейчас есть технологии, позволяющие из фотографий, снятых с руки с разных ракурсов, строить компьютерные 3d-модели. Дальше нужно только рассчитать для 3d-модели голограмму.



Однако использование LCD - не единственный путь. Другая многообещающая технология — это динамические голограммы. В отличии от статической голограммы, для которой есть последовательность этапов записи, фиксации и считывания, в динамической голографии все этапы совмещены по времени. Традиционной областью для применения динамических голографии являются адаптивные системы, где нужно, чтобы характеристики системы подстраивались под меняющиеся условия. Но с разработкой новых сред, в частности, фоторефрактивных полимеров, появилась возможность использовать динамические голограммы в качестве экранов.



Предсказание технологий будущего - дело простое и безнадежное одновременно. Простое потому что ростки будущего есть уже не в настоящем даже, а в прошлом. Стереокино изобретено почти столетие назад. Компьютеры принципиально не меняются уже 30-40 лет: конечно, процессоры стали быстрее, операционные системы обросли рюшечками и свистелками, мониторы стали быстрее, четче и ярче, кнопки на клавиатура мягче нажимаются — а в принципе все то же.

Ли Смолин, американский физик-теоретик, один из авторов теории петлевой квантовой гравитации, в 2006-м году опубликовал книгу «Неприятности с физикой», где сетовал на то, что его поколение достигло столь малого по сравнению с предшественниками, и рассуждал о том, отчего так случилось. И действительно, Стандартная Модель оказалась последним событием 200-летнего взрывного роста физики, самой, вероятно, успешной из всех наук. Она была полностью сформирована к началу 80-х.

С тех пор мы только проживаем капитал накопленных знаний. Чтобы предсказать будущее, надо просто посмотреть какие капиталы еще не освоены: среди них нельзя не заметить голографическое кино, голографические диски и оптические компьютеры.

В этом же пуле неосвоенных капиталов уже скоро полвека лежит термоядерный синтез. Сколько еще пролежит — неизвестно. Если заработает ITER, экспериментальный реактор, сооружаемый сейчас во Франции, то, вероятно, не долго. Но может и не заработать: расстояние от научной идеи до конкретной технологии, а от конкретной технологии до внедрения, становится известно только после того, как это расстояние пройдено. Предсказывать его - дело безнадежное.

Другие обзоры

Последние комментарии
об издании | тур по сайту | подписки и RSS | вопросы и ответы | размещение рекламы | наши контакты | алфавитный указатель

Copyright © 2001-2014 «Вебпланета». При перепечатке ссылка на «Вебпланету» обязательна.

хостинг от .masterhost