Исследователи из Гонконгского университета (HKU) под руководством профессора Ифана Эвана Пэна с факультета инженерии разработали два метода, которые помогают голографическим дисплеям правдоподобнее передавать изменения фокуса, перспективы и внешнего вида материалов. Работа сочетает компьютерную графику, волновую оптику - раздел физики о поведении света как волны - и калибровку на основе искусственного интеллекта. Результаты получены в компьютерных симуляциях и на лабораторных прототипах дисплеев.

Голографический дисплей восстанавливает световые волны, а не просто показывает плоскую картинку. Благодаря этому он может имитировать то, как в реальной комнате ближние и дальние предметы оказываются в фокусе на разном расстоянии, как открываются скрытые под одним углом поверхности и как блики скользят по глянцу. Но рассчитать такие волны сложно: многие существующие методы сначала описывают сцену набором изображений с выбранных глубин или ракурсов, а затем переводят их в голограмму. На этом пути теряется часть информации, из-за чего размытие меняется неестественно, объекты видны неверно или эффект работает только с определённых точек.

В одном исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда начинает с полигональных сеток - соединённых между собой участков поверхности, из которых строят трёхмерные модели в анимации, инженерии и научной визуализации. Такой подход сохраняет описание поверхностей и глубины сцены, а не только набор плоских кадров. "Использование сеток позволяет сохранять трёхмерную структуру сцены на протяжении всего процесса генерации голограммы", - пояснил Сянъюй Мэн, один из первых авторов обеих работ.

Кроме яркости изображения, исследователи учитывают амплитуду световой волны - её силу - и фазу, то есть положение в цикле колебания. Вместе они определяют, как свет распространяется и формирует изображение на разных расстояниях. Калибровка с помощью ИИ сглаживает разрыв между расчётом и реальным дисплеем: обученная модель по измерениям камеры компенсирует несовершенства оптической системы. В лабораторных тестах метод дал более плавные изменения фокуса и более чёткие детали, а объекты, скрытые из одной точки обзора, становились видны из другой.

Вторая работа, опубликованная в ACM Transactions on Graphics, посвящена взаимодействию света с материалами. Зеркало отражает окружение, стекло преломляет проходящий свет, а глянцевая поверхность рассеивает его по-разному в разных направлениях. Метод HoloPathTracer объединяет трассировку путей - графический приём, при котором виртуальные лучи света прослеживаются через сцену, - с волновой оптикой. Расчёт сохраняет не только яркость, но и фазу, необходимую для голограммы. "HoloPathTracer дополнительно моделирует, как свет физически взаимодействует с геометрией и материалами сцены", - отметил Вэньбинь Чжоу, также один из первых авторов.

Полученные голограммы передают отражения, преломления, смещающиеся блики и косвенное освещение вместе с естественными изменениями фокуса и ракурса. Чтобы ускорить работу, команда повторно использует пути света при создании серии голограмм и кэширует части освещения сцены.

Оба метода решают разные части одной задачи: подход на основе сеток даёт калиброванный путь от привычных трёхмерных моделей к голограммам, а HoloPathTracer расширяет их возможности за счёт более сложного взаимодействия света и материалов. Пока это исследовательские прототипы. Для массовых устройств в реальном времени понадобятся более быстрые вычисления и совершенствование пространственных модуляторов света - устройств, которые формируют свет в голографическом дисплее, - и окружающей оптики. "Мы верим, что это направление поможет сделать голографические впечатления более естественными и визуально реалистичными для будущих систем VR и AR", - сказал Пэн.

Источник: Tech Xplore