Делаем простое приспособление для просмотра 3D голограмм на вашем смартфоне или планшете. Вы когда-нибудь хотели лицезреть видео или смотреть картинки в 3D без очков? Из этого урока вы узнаете, как сделать очень простое устройство для просмотра 3D-голограмм на вашем смартфоне или планшете. Все, что вам нужно для этого, — пять минут вашего времени. И да, сегодня нам не понадобятся Ардуино, Raspberry и другие платы.
Как работает 3D-голограмма из пирамиды?
Голографическая пирамида — это простое устройство, которое может быть изготовлено путем создания из листа пластика фигуры в форме пирамиды с обрезанным верхом. Устройство создает трехмерную иллюзию для зрителя и делает изображение или видео таким, как если бы оно находилось в воздухе. Работает по принципу Призрака Пеппера (англ. википедия). Четыре симметрично противоположных варианта одного и того же изображения проецируются на четыре грани пирамиды. В принципе, каждая сторона проецирует изображение, падающее на нее, в центр пирамиды. Эти проекции работают в унисон, образуя целую фигуру, которая создает трехмерную иллюзию.
Маленькое уточнение!
Голограмма — объёмное изображение, полученное голографическим методом, именно так написано в толковом словаре Ожегова. В современном толковом словаре русского языка Т.Ф. Ефремовой говорится, что голограмма — это объемное изображение предмета на фотопластинке, полученное методом голографии. Выходит, голограмма это нечто «плоское», но имитирующая объём.
К чему я это? А к тому, что сегодня в этой сфере огромная путаница с терминами! Сегодня многообразие объёмных и аэрозольных дисплеев, различного рода проекций обычно называют голограммами для того чтобы обыватели быстро вникали о чём пойдёт речь. Поэтому когда в новостях говорят про то, как голограмма известного человека появилась на сцене, то обычно, речь идёт о самой банальной проекции.
Бывают более продвинутые проекции, это уже аэрозольные экраны.
Речь в статье пойдёт об объёмных дисплеях, которые могут показывать объёмную картинку со всех ракурсов. Объёмные дисплеи условно делят на 2 типа:
Static volume — в этих устройствах нет макроскопических подвижных деталей (экранов или зеркал) Классическим примером являются светодиодные кубы, когда в каждой точке пространства вокселем является светодиод. В настоящий момент такие кубы распространяются как игрушки.
Swept volume – тип дисплеев с подвижным экраном, который работает за счёт персистенции. Такой тип я и пытался собрать.
Создаем пирамиду для 3D-голограмм
1. Распечатайте шаблон, показанный ниже, на листе бумаги формата A4.
ПРИМЕЧАНИЕ. Если у вас нет доступа к принтеру, вы также можете создать шаблон самостоятельно. Нарисуйте основную «трапецию» на листе бумаги, используя размеры на рисунке выше. Параллельные стороны = 1 см и 6 см, две другие стороны равны 4,5 см каждая. Вы всегда можете удвоить или утроить размеры пропорционально для использования на большом дисплее.
2. Обведите форму на пластиковом листе, используя линейку и ручку. Для трапециевидного шаблона выделите четыре аналогичных контура на пластиковом листе. Теперь аккуратно вырежьте контуры режущим лезвием и линейкой. Постарайтесь сделать свои разрезы как можно более точными для создания более идеальной пирамиды.
3. Если вы использовали шаблон распечатки: очень легко надрежьте красные края с помощью режущего лезвия. Это позволит вам лучше сложить края и сформировать форму пирамиды. Склейте открытые края листа, используя прозрачную ленту.
Если вы использовали трапециевидный шаблон: соедините четыре края, чтобы сформировать форму пирамиды. Соедините их. В любом случае, в итоге у вас будет пирамида, подобная той, что показана ниже.
4. Вот и все! Вы сделали себе пирамиду для будущих голограмм! Все, что вам нужно сделать сейчас, это воспроизвести голограмму на вашем телефоне. Поместите голограмму в центре экрана, как показано на рисунке ниже, и наслаждайтесь шоу. Не забудьте выключить свет в комнате, прежде чем начать воспроизведение видео.
5. Теперь самое важное! Можно найти множество голограмм на YouTube. То что может получиться — вы можете увидеть на видео ниже.
Принцип работы
Персистенция, она же инерция зрения — это способность глаза, соединять быстро сменяющиеся изображения в одно — неподвижное. Представьте себе 2 картинки. Если они будут быстро сменять друг друга, то они сольются в одну. Наглядный пример это тауматроп:
Подвижные экраны подобных объёмных дисплеев могут быть прямоугольными, дискообразными или с винтовым поперечным сечением. Главное, экран должен двигаться так быстро, что куча статичных картинок сливаются в одну объёмную.
Чертим трапецию
После того как подготовлены все необходимые элементы, следует приступить к черчению трапеции (трафарета). Для этого берём лист бумаги и с помощью линейки и карандаша чертим трапецию с такими сторонами:
После окончания берём ножницы и вырезаем получившуюся трапецию. Это будет трафарет с помощью которого будут сделаны стены будущей пирамидки.
Вырезать трапеции из коробочек от CD (4 штуки)
Это самый трудоёмкий этап изготовления пирамидки, требующий повышенного внимания. Причина трудоёмкости в том, что пластик, из которого изготовлена коробка CD диска очень хрупкий и при сильном давлении может начать трескаться.
Принципы физики
Амплитуда и фаза характеризуют объекты волн. Зарегистрировать амплитуду можно без проблем. Настоящую голографическую пирамиду может без проблем зарегистрировать обыкновенная фотопленка. Она преобразует ее в фотографическое почернение. Интерференция нужна для регистрации фазовых соотношений голографической пирамиды. Она преобразует ее в фазовые амплитудные соотношения. При помощи нескольких электромагнитных волн получается интерференция.
Частоты этих волн голографической пирамиды должны совпадать. Две волны необходимо сложить в определенной области, чтобы записать голограмму. Одна из этих областей — опорная волна. Другая — объектная волна голографической пирамиды. В этом месте нужно вставить пластинку или любой другой материал. В результате в этой области возникает картинка. Чтобы получить объектную волну, нужно просветить опорной волной эту пластинку. В результате чего мы получим такой же свет, который отражается от объекта записи.
Голограмма на смартфоне. Обман века или будущее уже здесь?
В июле 2022 года анонсировал новый смартфон «RED HYDROGEN»
Сама новость про RED и смартфоны обескуражила многих обывателей: «Серьезно? Они же камеры делают — какие еще смартфоны…»
Но ещё более неожиданным стало заявление о том, что смартфон будет поддерживать голограммы
!
Многие решили, что ребята сошли с ума, либо это какой то обман века, странный пиар или… Неужели это возможно? Может не за горами и световой меч?
— Да, это возможно.
Но не так как нам рисует голливуд — проекцию принцессы Леи мы не увидим. Скорей всего вы просто не знаете что такое голограмма потому что смотрели много фантастики вместо изучения физики. Как раз для таких людей и написана эта статья — просто о сложном.
Голография vs Фотография
— Что же такое голограммы? Посмотрим википедию…
Голография —набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.
Скорей всего понимания не прибавилось — лучше посмотрите видео Если вам показалось, что это зеркала и банки от фанты за стеклом — пересмотрите еще раз. Это и есть настоящие голограммы.
Никакой хитрости — только наука.
Как это работает?
Для начала ответим на вопрос — как мы вообще воспринимаем объем
? Это возможно благодаря тому, что у нас два глаза — каждый видит объект с разных сторон. Мозг обрабатывает эти две немного разных картинки и строит в нашем сознании одну объемную модель. Благодаря этому мы можем оценивать расстояние до предметов просто посмотрев на них — мозг автоматически оценивает напряжение глазных мышц и определяет расстояние с довольно высокой точностью.
Глаз как оптический прибор
Камера работает на тех же принципах что и человеческий глаз — поэтому рассмотрим глаз как оптический прибор.
Глаз реагирует на свет
, а свет, как известно — это
электромагнитная волна
, точно такая же как, например, вайфай — только
более высокой частоты
.
Для того чтобы глаз что то увидел — в него из этой точки должен прийти свет, когда мы видим какой то объект — мы регистрируем отраженный этим объектом во все стороны
свет, который отражает
во все стороны каждая точка поверхности
Каждая точка поверхности отражает свет во все стороны!
Это крайне важный принцип, который нужно понять — через каждый кусочек пространства проходит целая мешанина различных волн в самых разных направлениях, но видим мы только то, что попадает к нам в глаз через зрачок.
Из всей мешанины волн в глаз/фотоаппарат попадает лишь маленький кусочек от волны, который проскочил через зрачок.
Волна уходит дальше, но мы этого не видим потому что наш глаз не может регистрировать волны которые не идут прямо в него, но это не значит что их нет
!
Когда мы поворачиваем голову, чтобы увидеть объект находящийся сбоку — в наш глаз начинают попадать кусочки волн, отраженных от этого объекта.
Эти волны всегда были тут
, просто они невидимы для глаза, пока не будут идти в него спереди.
По тому же принципу работает фотоаппарат/кинокамера — из всего многообразия волн проходящих во все стороны через пространство — фиксируется только часть, которая идет в одном направлении
— поэтому фотографии выглядят плоскими — это всего лишь
малая часть изначальной информации
Голография
Теперь наконец можем перейти к принципу создания объемных снимков
, рассмотрим часть пространства, обведенную фиолетовым, представим что поставили перед объектом стекло. Если бы нам удалось каким то образом заморозить/запомнить картину волн, проходящих через это стекло, а затем
воспроизвести в точности все амплитуды, частоты и фазы
— тогда бы мы сохраняли не маленький зеленый кусочек от волны, который несет информацию только об
одном направлении
, а целую картину всех волн, которая содержит информацию обо всех возможных углах обзора.
Если не видно разницы…
Если из стекла выходит точно такая же картина из волн, которые испускал объект на момент «запечатывания»
этой картины — визуально будет невозможно отличить такую
«фотографию»
от реального объекта, причем объект будет виден под всеми углами так как восстановлена вся картина волн, проходивших через пространство Камера видит только в одном направлении — так что для того чтобы зафиксировать весь фронт волны нам нужно сделать снимки во всех направлениях, а потом объединить их в одну объемную картину — на таком принципе основано 3D сканирование.
Такой метод съемки 3D объектов аналогичен FDM 3D печати пластиком, которые на самом деле печатают в 2D просто много много раз — на качественном уровне это «костыль»
Реализация
Дело за малым — осталось всего лишь придумать как запечатать в пространстве все радиоволны, которые через него проходят, а затем восстановить, тут я пожалуй не буду углубляться в технические детали — главное понять основной принцип. (Если будет интерес — есть возможность снять голограмму в лаборатории спектроскопии, тут много нюансов — так что это тема для следующей статьи).
Останавливаем свет
Проблема в том, что волны находятся в постоянном движении
. А если мы хотим зафиксировать картину в пространстве — мы должны прореагировать с каким то фоточувствительным материалом в течение некоторого времени и запечатываемая
картина должна быть неподвижна на это время
.
Делая обычную фотографию — мы не останавливаем свет, мы вырезаем узкое направление вдоль которого экспонируем матрицу лучами с постоянной амплитудой, каждый из которых соединяет точку объекта и пиксель на матрице.
Стоячие волны
Мы хотим запечатлеть все направления разом
, и у нас нет
глаза Агамото
, чтобы заморозить время — придется думать головой.
Хорошо что это уже сделал еще в 1947 году Денеш Габор
(тысяча девятьсот сорок седьмом году, Карл!). За что получил нобелевскую премию.
Суть в следующем — если сложить две волны с одинаковой частотой и разными направлениями, то в местах пересечения максимумов и минимумов этих волн возникнет стоячая волна
— виртуальная волна(так как световые волны друг на друга не действуют), которая является суммой двух бегущих волн одинаковой частоты. За счет этого можно засветить неподвижную картину из пересечений двух волн в фотопластинке.
Засвечивая одну пластинку тремя цветами опорных волн — красным синим и зеленым — мы получим полноцветную голограмму, не отличимую от оригинала.
Если теперь убрать предмет и посветить на пластинку опорной волной — из пластинки выйдет точная копия волн, которые создавал сканируемый предмет.
Технологические требования
Так как очень важно, чтобы частоты предметной и опорных волн были одинаковые — необходим невероятно стабильный источник света, чтобы стоячая волна оставалась неподвижной — при небольшом различии частот — волна начнет двигаться и голограмма смажется.
Зеленый свет
Такой источник существует — он называется лазер
. До изобретения лазера в 1960 году голография не имела коммерческого развития, для записи использовались газоразрядные лампы.
В 2009 году был изобретен первый в мире полупроводниковый зеленый лазер
(красный и синий уже были). До этого зеленые лазеры использовали удвоение частоты инфракрасного лазерного диода, пропущенного через нелинейный оптический кристалл, удваивающий частоту. Однако данная конструкция имеет крайне низкий кпд, высокую стоимость, сложность и т.д.
Изобретение полупроводникового зеленого лазера
дало зеленый свет разработке миниатюрных
RGB лазерных проекторов
. Прошло уже 9 лет — вполне достаточное время для перехода технологии в промышленное использование- и сейчас мы начинаем наблюдать самых активных участников рынка, скоро будет еще больше классных и интересных продуктов
Разрешающая способность
Разрешающая способность записывающей пластинки должна быть невероятно высокой — ведь расстояние между засвечиваемыми узлами стоячей волны сравнимо с длинной волны света, а это ~600нм! То есть разрешающая способность как минимум 1666 мм^-1.
Если при фотографировании — каждой точке матрицы соответствует точка на объекте, то в голограмме — на каждую точку матрицы падает свет от всех точек
объекта, то есть каждая часть голограммы содержит информацию о всем объекте.
Выводы:
- Принцип голографии был придуман полвека назад, но реализовать его на хорошем уровне не позволяло отсутствие технологий — в частности лазеров, материалов для записи
- Даже используя обычные пластинки — создание голограммы достаточно тонкий и кропотливый процесс — сделать голографический полноцветный сканер и голографический экран с цифровым управлением в смартфоне — очень сильный вызов.
- Даже возможность делать одну статическую голограмму со штатива(не говоря уже о записи голограммы «с рук») и отображать ее на революционном голографическом дисплее в форм факторе смартфона — уже будет достижением которое изменит целые индустрии.
P.S. Также голография используется в производстве процессоров и микроскопии, позволяя преодолеть дифракционный предел обычного фотошаблона.
UPD:
Спасибо за комментарий gritchenkoant
Относительно недавно была статья про камеры и дисплеи светового поля, похоже, что RED как раз на этой основе и готовит свою новинку spie.org/newsroom/6623-high-resolution-3d-light-field-display?SSO=1
Положить конструкцию на телефон
Теперь остался последний шаг и можно будет увидеть 3D голограмму в середине пирамидки. На первых секундах после запуска видео появляется рисунок в виде крестика, по граням которого надо поместить изготовленную пирамидку. Для более точного размещения лучше нажать паузу и выставить как надо.
Вот так с помощью подручных средств вы сможете изготовить пирамидку за 5 минут, в центре которой вы увидите 3D изображение. Благодаря разнообразию доступных видео можно посмотреть удивлять окружающих разными голограммами и даже использовать их в качестве ночника.
(24 голоса, среднее: 4 из 5) Поделитесь с друзьями!
Размеры пирамиды
Голографическая пирамида имеет такие размеры: ширина верхней части трафарета равна 10 мм, нижняя часть – 60 мм, а высота – 35 мм. Также очень важно, что пирамида должна находиться под углом 45 градусов. Далее прикрепляем трафарет на стекло. Его нужно временно приклеить на двухсторонний скотч. Дальше сделаем надрезы с помощью ножа, отломим стекло с помощью плоскогубцев. Сначала можно зажать заготовку в тисках.
В результате заготовка должна быть, как треугольник. Сколы обрабатываем наждачной бумагой. Те же самые действия проделываем еще 3 раза. В результате у нас должны быть четыре штуки заготовки.
Когда все заготовки готовы, нужно снять подложки и склеить их между собой клеевым пистолетом. Наша задача выполнена, чтобы мы смогли увидеть иллюзию, нам нужно установить ее по центру на экране смартфона. Еще нужно закрыть пирамиду куском картона. Запускаем картину и наблюдаем с любого ракурса.
Правила соблюдения размеров
В сетях сегодня можно найти специальное видео для 3D-голограммы. Анимационные картинки, обычно изображенные на черном фоне, — основа для 3D-проекции, которая появится в прозрачной пирамиде. Нужно скачать их и включить на экране устройства. Для проверки соответствия размеров нужно сделать следующее.
Если все параметры правильные, призму для монитора можно считать готовой и годной к использованию при воспроизведении объемного изображения.
Картинка, созданная в центре призмы, привлечет внимание и ребенка, и взрослого.
Немного истории
Иллюзия голограммы появилась давно. Подобная техника с 19 века использовалась в театрах, парках, музеях и на концертах. Эффект получил название Призрака Пеппера по имени ученого Д. Г. Пеппера, распространившего явление посредством демонстрации. Это было в 1862 году, а сегодня искусство голограммы достигло совершенства. Мир начал знакомиться с феноменом еще в 16 веке, когда неаполитанский ученый Джамбаттиста делла Порта разработал камеру для иллюзии. Им же написана работа «Натуральная магия», которая является первым упоминанием о воспроизведении иллюзий. Ученый рассматривал вопрос о том, как в камере могут быть видны предметы, которых там на самом деле нет.
Современное применение
Современными примерами сегодня являются, например, прозрачные и полупрозрачные достопримечательности в парках Уолта Диснея. Мир знает их как крупнейшие реализации этой идеи. На длинной сцене собрано несколько эффектов. Гигантская голограмма в 9,1 м просматривается в пустом бальном зале. Анимированные призраки движутся в скрытых черных комнатах. Самая современная версия применяется в башне Террора Сумеречной Зоны.
Аттракцион в городе Нэшвилле использует классическую технику, давая гостям увидеть духов, взаимодействующих со средой. Их видно особенно близко. В Калифорнии также есть аттракцион Хэллоуин на Лесных горах, изображающий сюжетных персонажей. Проекция изображения на пол и отражение его в стекле позволяет живому актеру взаимодействовать с призраком, что используется в спектаклях. Мир может увидеть феномен в Нидерландах, Австралии, Америке, музеях, парках, научных выставках и аттракционах. Иллюзия находит применение в разных сферах:
Повествование о создании 3D-изображений следует закончить фразой персонажа Билла Шифра из мультипликационного сериала Gravity Falls: «Помни, что реальность — иллюзия, вселенная — голограмма, скупай золото!». Данный герой, нарисованный в форме всевидящего ока, по идее мультика появился из второго измерения «плоских умов». Он мог поселяться в сознании, посещать сны и обладал черным юмором. Ненавидя соплеменников, уничтожал второе измерение и помогал проявляться третьему.
Необходимые элементы
Чтобы увидеть 3D изображение на смартфоне для начала понадобится изготовить 3D пирамидку. Какие же элементы необходимы для её изготовления:
- простой карандаш;
- маркер;
- линейка (необязательно длинная);
- бумага (желательно в клетку, чтобы не использовать транспортир);
- ножницы (чтобы вырезать трафарет);
- нож (идеально подойдёт канцелярский);
- скотч (прозрачный, неширокий) или клей для пластмассы;
- пластиковые контейнеры от CD дисков (прозрачные).
Материалы для создания голограммы
Теперь коснемся такой темы, как «Фиксированная голограмма». Как сделать ее? Подготовьте:
- голографические пластинки;
- лазерную указку;
- предмет для будущей голограммы;
- ночник;
- книгу или схожий по параметрам предмет;
- светочувствительный порошок;
- 4 емкости с дистиллированной водой;
- фен.
