Что такое голограмма
Голограмма — это оптический клон объекта. В отличие от фотографии, голограмма трехмерна, так как фиксирует объем объекта и изменение перспективы при взгляде с разных углов.
Голограмму часто путают с 3D–изображением. Но 3D-изображение выглядит объемно только с одной точки обзора, а голограмма — с любой. Голограммы и 3D-изображения создаются принципиально по-разному: для получения 3D-картинки готовят два изображения (для правого и левого глаза) и соединяют их. Благодаря стереоэффекту мозг воспринимает такое изображение как объемное. А голограммы создают, записывая с помощью лазера структуру отраженной от объекта волны (ее амплитуду и фазу). Этот метод называется «голография» (переводится с древнегреческого как «пишу всё»).
В фантастических фильмах вроде «Звездных войн» или «Железного человека» голограммы выглядят как трехмерные изображения человека или предмета, видимые невооруженным глазом, с которыми можно взаимодействовать. Несмотря на то, что в кино мы давно привыкли к ним, в реальности их еще не существует. Но пока ученые активно работают в этом направлении, существуют технологии, «имитирующие» голограммы. С помощью одной из таких оптических иллюзий, называемой «Призрак Пеппера» мир увидел выступления «воскресших» Тупака Шакура, Майкла Джексона и Роя Орбисона. В повседневной жизни голограммы — переливающиеся объемные изображения — можно увидеть на некоторых купюрах, кредитных картах и документах (например, на заграничном паспорте нового образца и трудовой книжке), а также на многих товарах и акцизных марках.
Как создаются голограммы
Принцип голографии сформулировал венгерско-британский ученый Деннис Габор в 1947 году. Но реализовать его в полной мере удалось только в 1960-х, после создания лазера. В 1971 году за это открытие Габор получил Нобелевскую премию по физике.
Сейчас для создания и демонстрации голограмм используется два метода — физический (для оптических дисплеев) и компьютерный (для очков дополненной реальности).
Физический метод
Он основывается на законах оптики и на свойствах световых волн — дифракции и интерференции. Для создания оптической голограммы лазер направляют на объект. При помощи зеркала лазерный луч разделяется на две части, образуя две волны — опорную и объектную. Объектная волна попадает на предмет и отражается на фотопластине, создавая интерференционную картину, а опорная направляется напрямую на фотопластину. Голограмма появляется в месте соединения лучей в одну точку. Для демонстрации голограммы эту фотопластину необходимо осветить световой волной, схожей с опорной. Процесс создания голограмм крайне сложен, что делает их надежным элементом защиты документов и товаров — голограмму почти невозможно подделать. Интересное свойство голограммы — если фотопластинку с записанной на нее голограммой разделить на две или более части, то каждая часть сохранит цельное изображение (с потерей качества).
Компьютерный метод (CGH — Computer-Generated Hologram)
Основное отличие этого метода в том, что для цифровой голограммы не всегда нужен реальный объект. Если для создания оптической голограммы яблока необходимо осветить это яблоко лазерным лучом, для получения интерференционной картины, то в случае с CGH достаточно задать необходимые параметры, и программа сама вычислит волновой фронт и «нарисует» интерференционную картину яблока. В настоящее время к CGH относят также голограммы, записанные физическим путем, но обработанные и хранящиеся на компьютере.
Компьютерную голограмму можно распечатать на фотопластинке, а можно сразу выводить на специальный 3D-дисплей. Именно такие дисплеи устанавливаются в шлемах и очках смешанной реальности.
Microsoft с 2012 года занимается разработкой MR-очков (mixed reality, «смешанная реальность») Hololens. Они выглядят как надеваемый на голову обруч с двумя линзами. Технология выводит проекции перед человеком в очках, интегрирует виртуальные объекты в реальный мир, позволяя не только видеть, но и взаимодействовать с ними. И если изначально Hololens разрабатывались в основном для игр, то впоследствии их стали использовать в образовании, медицине, инженерии, бизнесе и не только. Очки смешанной реальности также есть у компании Magic Leap: они весят меньше, чем аналог от Microsoft, так как компьютер находится отдельно и соединяется с очками через кабель.
Псевдоголограммы
В современной массовой культуре значение термина «голограмма» размылось, и так стали называть практически все объемные проекции и оптические иллюзии. В качестве экранов используются прозрачные пленки обратной проекции, голографические сетки и специальные дисплеи, работающие по принципу «Призрака Пеппера». Как уже упоминалось, именно он позволяет «воскрешать» умерших певцов. Эффект трехмерности достигается за счет диагонального экрана, расположенного между отражаемым объектом и зрителями. А высокие технологии проецирования и грамотно выстроенный свет позволяют создать эффект реального артиста на сцене.
Как и где используют голограммы
Техногиганты, такие как Microsoft, Google и Meta, тратят сотни миллионов долларов на разработку голограмм. И неспроста: голография может стать чрезвычайно полезным инструментом в науке, медицине, коммуникации и других областях.
Коммуникация
В научной фантастике голограммы часто используются как способ связи. До появления парящих в воздухе голограмм как в «Звездных войнах» человечеству еще далеко, но уже сделаны существенные шаги. В 2017 году состоялся первый полноценный голографический звонок при помощи технологии 5G. Американская компания Verizon и Korea Telecom использовали экспериментальные устройства, позволившие собеседникам видеть голограммы друг друга.
Американская компания Portl производит специальную машину для «голопортации» — голографических звонков. Звонящему достаточно встать на белом фоне напротив смартфона. А для принятия звонков используется футуристичный белый короб, похожий на шкаф фокусника, или холодильник — внутри этого короба появляется проекция человека. «Голограмма звонящего» может в реальном времени общаться с собеседниками и видеть их, при помощи установленной в коробе камеры.
У Microsoft система голографической коммуникации построена на базе Hololens. В очках смешанной реальности собеседники предстают друг перед другом не как реальные проекции себя, а как объемные цифровые аватары. Они могут разговаривать и взаимодействовать друг с другом — играть в игры, открывать статьи, демонстрировать графики и 3D-модели, ходить вокруг воображаемого стола.
Компания Google в 2021 анонсировала видеочат Project Starline, который позволит собеседникам видеть друг друга будто на расстоянии вытянутой руки. Человек садится за стол с вертикально расположенным экраном, похожим на зеркало, в котором и отражается объемное изображение собеседника. Основное отличие технологии Google в том, что задний фон дисплея становится прозрачным, создавая эффект присутствия человека в комнате.
Медицина
Операция на сердце, проведенная в Сингапуре в 2022 году, наглядно демонстрирует пользу голографических технологий в медицине. Хирурги оперировали на сердце в очках Hololens 2, а перед ними в центре комнаты парила голограмма сердца пациента, созданная из снимков его компьютерной томографии. Профессор Теодорос Кофидис, проводивший операцию, уверяет, что такая технология позволяет «эффективно прогнозировать» исход операции, особенно для пациентов с анатомическими особенностями.
Проведение операций в очках смешанной реальности позволяет врачам совершать действия в режиме hands-free: рассматривать снимки и результаты анализов пациента, открывать во всплывающем окне его историю болезни, в реальном времени советоваться с коллегами из разных концов света. Голография — один из ключевых инструментов в телемедицине. С помощью очков смешанной реальности Microsoft, врачи из Нагасаки могут консультировать пациентов на самых отдаленных и труднодоступных островах Японии: местный врач проводит осмотр пациента в очках Hololens. Камера на его устройстве «сканирует» пациента и выводит объемную проекцию на дисплей коллеге из университета Нагасаки, который также находится в очках. Врач из Нагасаки, не покидая своего кабинета, помогает вести осмотр и консультирует пациента.
Образование
Использование трехмерных технологий в образовании делает процесс обучения более интерактивным и наглядным. Например, можно рассмотреть парящую в воздухе 3D-модель Земли, чертеж здания или детально воссозданную кровеносную систему человека.Голографические очки также позволяют моделировать опасные ситуации, чтобы люди учились с ними справляться. Этой технологией заинтересовалась армия США и закупила у Microsoft модифицированные Hololens для проведения военных учений в более безопасной обстановке.
Голограммы в музеях делают экскурсии более интерактивными. Например, Египетский музей в Каире в качестве гидов предлагает виртуальных фараона Тутанхамона и царицу Анхесенамон.
Развлечения
Голография в сфере развлечений используется не только для «виртуального воскрешения» артистов. Мадонна выступила на сцене с нарисованными персонажами группы Gorillaz, а популярная японская певица Хацунэ Мику и вовсе существует только в виртуальной реальности, что не мешает ей активно гастролировать.
Российская компания SILA SVETA создает шоу на стыке искусства и высоких технологий с помощью голографических проекций и световых инсталляций для крупных артистов и коммерческих клиентов. Голограмма, помимо практических свойств, выглядит очень эффектно, поэтому часто используется для презентации продуктов.
А можно будет потрогать? Тренды голографии
«В будущем вместо того, чтобы просто общаться по телефону, вы сможете сидеть, как голограмма на моем диване, или я смогу сидеть, как голограмма на вашем диване, даже если мы находимся в разных штатах или на расстоянии сотен миль друг от друга», — именно так миллиардер Марк Цукерберг рисует будущее метавселенной, над которой не первый год трудится его компания Meta.
Другое направление голографии — попытки сделать голограммы осязаемыми. Еще в 2015 году японские ученые Digital Nature Group создали осязаемую голограмму с помощью фемтосекундных лазеров, способных создавать сверхкороткие импульсы. Голограмма выглядит как бабочка, она способна перемещаться в пространстве и даже сесть человеку на палец, создавая ощущение легкого покалывания (за счет лазерных импульсов).
В 2021 году исследователи из Университета Глазго создали голограмму с имитацией тактильных ощущений, посредством подачи струй воздуха через специальные форсунки. Исследователи назвали такую технологию «аэротактильной»: специальные датчики отслеживают движение руки во время взаимодействия и подают воздух соответственно. На презентации технологии, в качестве примера была представлена «аэротактильная» голограмма баскетбольного мяча, которую можно было трогать и крутить. На этом ученые и не думают останавливаться. По словам исследователя Равиндера Даахии, они намерены менять температуру подаваемого воздуха, чтобы создавать ощущение холода или тепла, а также добавлять ароматы. Возможно, скоро мы сможем не только увидеть Марка Цукерберга на своем диване, но и пожать ему руку.