Mejor que los hologramas: las naves estelares animadas en 3D se pueden ver desde cualquier ángulo

Inspirado en las exhibiciones de ciencia ficción como la holocubierta de Star Trek y el proyector Princess Leia de Guerra de las Galaxias, un equipo de ingeniería eléctrica e informática de BYU está trabajando para desarrollar tecnologías de visualización volumétrica sin pantalla.

Los científicos de la Universidad Brigham Young (BYU) han creado pequeñas animaciones en 3D a partir de la luz. Las animaciones rinden homenaje a Star Trek y Star Wars con pequeñas versiones del USS. Empresa y un crucero de batalla Klingon que lanza torpedos de fotones, así como sables de luz verde y roja en miniatura con rayos luminosos reales. Las animaciones son parte del proceso en curso de los científicos “Proyecto Princesa Leia“, Apodado así porque se inspiró en parte en el momento icónico de Star Wars Episodio IV: Una nueva esperanza cuando R2D2 proyecta una imagen 3D grabada de Leia entregando un mensaje a Obi-Wan Kenobi. Los investigadores describieron los últimos avances en sus llamadas tecnologías de visualización volumétrica sin pantalla en un artículo reciente publicado en la revista Scientific Reports.

“Lo que ves en las escenas que creamos es real; no hay nada generado por computadora sobre ellas”, dijo el coautor Dan Smalley, profesor de ingeniería eléctrica en BYU. “Esto no es como las películas, donde los sables de luz o los torpedos de fotones nunca existieron realmente en el espacio físico. Estos son reales, y si los miras desde cualquier ángulo, los verás existiendo en ese espacio”.

La tecnología que hace de esta ciencia ficción una realidad potencial se conoce como pantalla de trampa óptica (OTD). Estos no son hologramas; son imágenes volumétricas, ya que pueden verse desde cualquier ángulo ya que parecen flotar en el aire. Una pantalla holográfica dispersa la luz a través de una superficie 2D, y los patrones de interferencia microscópica hacen que la luz parezca que proviene de objetos que están delante o detrás de la superficie de la pantalla. Entonces, con los hologramas, uno debe estar mirando esa superficie para ver la imagen en 3D. Por el contrario, una visualización volumétrica consiste en superficies de dispersión distribuidas en el mismo espacio 3D ocupado por la imagen 3D resultante. Eso significa que cuando miras la imagen, también estás viendo la luz dispersa.

Fotoforesis

Smalley compara el efecto con las pantallas 3D interactivas de Tony Stark en Hombre de Acero o Avatarmesa de proyección de imágenes. La plataforma de visualización volumétrica de BYU utiliza láseres para atrapar una sola partícula de una fibra vegetal llamada celulosa y calentarla de manera uniforme. El truco utiliza un fenómeno llamado fotoforesis, en el que las lentes esféricas crean aberraciones en la luz láser, calentando partículas microscópicas y atrapándolas dentro del rayo. Los investigadores usan espejos controlados por computadora para empujar o tirar de la partícula donde lo deseen en el espacio de visualización para crear la imagen deseada, todo mientras la iluminan con un segundo conjunto de láseres que proyectan luz roja, verde y azul visible.

La tecnología también explota persistencia de la visión, un fenómeno de percepción que surge porque el cerebro tiene una propensión natural a suavizar las interrupciones de los estímulos. El cerebro retiene la impresión de que la luz llega a la retina durante aproximadamente 1/10 a 1/15 de segundo, el tiempo suficiente para que el mundo no se vuelva negro cada vez que parpadeamos. No puede distinguir cambios en la luz que ocurren más rápido que eso. Este es el mismo principio detrás de la animación clásica o los libros animados que muchos de nosotros hicimos cuando éramos niños. Las películas, como los folioscopios, nos parecen continuas, pero en realidad, las imágenes parpadean en la pantalla a una velocidad lo suficientemente rápida como para percibir una imagen sin parpadeos.

En el caso de Smalley et al.Para mostrar la trampa óptica, la persistencia de la visión significa que la trayectoria de la partícula aparece como una línea sólida, en un efecto similar a agitar una bengala en la oscuridad. Es casi como una impresión 3D con luz. “La partícula se mueve a través de cada punto de la imagen varias veces por segundo, creando una imagen por persistencia de la visión”, escribieron los autores. “Cuanto mayor sea la resolución y la frecuencia de actualización del sistema, más convincente se puede hacer este efecto, donde el usuario no podrá percibir las actualizaciones de las imágenes que se le muestran, y con una resolución suficiente, tendrá dificultades para distinguir la imagen de la pantalla puntos de puntos de imagen del mundo real “.

En 2018, el equipo usó su sistema para crear varias imágenes diminutas, sin pantalla y flotantes: una mariposa, un prisma, un Pokémon y una versión elástica del logotipo de BYU, por ejemplo. Los investigadores incluso produjeron una imagen de un miembro del equipo vestido con una bata de laboratorio, agachado en la famosa posición de Princesa Leia. Este último trabajo se basa en esos logros para crear animaciones simples en el aire. Además de las batallas de naves espaciales y sables de luz, los científicos de BYU también crearon figuras de palitos virtuales y las animaron. Los estudiantes de los investigadores incluso pudieron interactuar con las figuras de palitos colocando los dedos en el centro de la pantalla, creando la ilusión de que las figuras caminaban y saltaban de los dedos.

“La mayoría de las pantallas 3D requieren que mires una pantalla, pero nuestra tecnología nos permite crear imágenes flotando en el espacio, y son físicas, no un espejismo”. dijo Smalley. “Esta tecnología puede hacer posible la creación de contenido animado vibrante que orbita o se arrastra o explota fuera de los objetos físicos de todos los días”.

La vista de paralaje

La investigación también ha abordado una deficiencia clave de las pantallas de trampa óptica: la capacidad de mostrar imágenes virtuales. Si bien teóricamente es posible hacer imágenes volumétricas más grandes que la pantalla en sí, crear una imagen volumétrica ópticamente correcta de la luna, por ejemplo, requeriría un OTD escalado a proporciones astronómicas. Los autores establecen una analogía con los decorados de películas o escenarios teatrales, “donde los accesorios y los jugadores deben ocupar un espacio fijo incluso cuando intentan capturar una escena destinada a ocurrir al aire libre o en el espacio exterior”. Los teatros tradicionalmente han superado esta limitación mediante el uso de fondos planos con perspectiva pictórica en 3D y señales de oclusión, entre otros trucos. Los teatros también pueden emplear fondos de proyección, en los que el movimiento se puede utilizar para simular el paralaje.

El equipo de BYU se inspiró en esos trucos teatrales y decidió emplear un telón de fondo de proyección de perspectiva variable en el tiempo con su sistema OTD. Esto permitió al equipo aprovechar trucos de percepción como el paralaje de movimiento para hacer que la pantalla pareciera más grande que su tamaño físico real. Como prueba de principio, los investigadores simularon la imagen de una luna creciente que parece moverse a lo largo del horizonte detrás de una casa en miniatura impresa en 3D.

El siguiente paso es averiguar cuál es la mejor manera de escalar el volumen de la pantalla desde el 1 cm actual.3 a más de 100 cm3 e incorporar señales visuales más allá del paralaje, como la oclusión. Otras limitaciones incluyen la necesidad de rastrear la posición del ojo del espectador y el hecho de que el experimento fue monocular en lugar de binocular (la visión humana normal es binocular). Hacer que el sistema OTD sea binocular requeriría un mejor control de la dispersión direccional.

A pesar de estas limitaciones, el equipo de BYU cree que su método de simulación de imágenes virtuales con pantallas de trampa óptica, combinado con superficies de proyección en perspectiva, sigue siendo preferible a la combinación de OTD con sistemas holográficos. “A diferencia de los OTD, los hologramas son extremadamente intensivos desde el punto de vista computacional y su complejidad computacional escala rápidamente con el tamaño de la pantalla”, escribieron los investigadores. “Tampoco es cierto para las pantallas OTD”.

Los investigadores señalan que para crear un fondo de estrellas, un sistema de visualización holográfica necesitaría terabytes de datos por segundo para representar correctamente los puntos similares a estrellas, independientemente de la cantidad de estrellas en el fondo. Por el contrario, los OTD solo requerirían un ancho de banda proporcional al número de estrellas visibles.

DOI: Informes científicos, 2021. 10.1038 / s41598-021-86495-6 (Acerca de los DOI).

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