Holografische Systeme

Transkript

1 Holografische Systeme Durchgeführt im Rahmen des Seminars aus Software Engineering: Mensch-Maschine-Kommunikation Sommersemester 2009 Am Institut für Pervasive Computing der Johannes Kepler Universität Linz Unter der Seminarleitung von a.univ.-prof. Dipl.-Ing. Dr. Günther Blaschek von: Gratzer Katharina , 800 Kogler Sandra , 800

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung-Grundlagen der Holografie Computerhologramme Große holografische Displays als Alternative zu stereoskopischen Displays Stereoskopische Displays Holografische Displays Ein anderer Zugang zu holografischen Displays Berechnung von Hologrammen Beobachter Tracking Holografische audio-visuelle Plattform ecollaboration Chancen und Risiken Video-Holographie Darstellung von Hologrammen auf Glasflächen Zukunftsperpektiven Literatur... 12

3 3 1 Einleitung-Grundlagen der Holografie Holographie ist eine Methode, Objekte dreidimensional abzubilden. Die Informationen über das Objekt werden dauerhaft auf speziellem Filmmaterial gespeichert. [1] Zur Aufnahme eines Hologramms wird das Objekt mit einem Laser beleuchtet, dessen Streulicht den verwendeten Fotofilm trifft. Der Film selbst wird ebenfalls mit dem gleichen Laser direkt bestrahlt (Referenzwelle). Auf dem Film überlagern sich nun Objekt- und Referenzwelle. Dadurch entstehen in der holografischen Schicht Interferenzstreifen. Der fotografische Film wird belichtet und entwickelt. Um die Objektwelle wiedergeben zu können, muss das Hologramm mit einer Lichtwelle beleuchtet werden, die der Referenzwelle möglichst ähnlich sein soll. Diese Beleuchtungswelle wird an dem Interferenzmuster des Hologramms gebeugt, so dass die Objektwelle erzeugt wird. Blickt man nun auf das Hologramm, sieht man ein dreidimensionales Bild des Objektes. [2] 2 Computerhologramme Bereits 1967 wurden die ersten mit dem Computer generierten Hologramme erzeugt. Bei der Erzeugung von Hologrammen durch Computer müssen Hindernisse überwunden werden, deren Ursache in der riesigen Informationsfülle liegt, die verarbeitet und gespeichert werden muss. Um sich diese Schwierigkeiten vor Augen führen zu können, muss man nur bedenken, dass auf einem normalen Hologramm ein Interferenzmuster gespeichert ist, dessen Details kleiner als 1/1000 mm sein können. Wird auch berücksichtigt, dass diese Details unterschiedliche Helligkeitsstufen aufweisen können, so ergibt sich, dass ein Quadratzentimeter eines Hologramms eine Informationsfülle von 400 MByte aufweisen kann. Bei der Erzeugung von Computerhologrammen muss jedes Byte des Interferenzmusters aus den im Computer gespeicherten Objektdaten berechnet werden. In Forschung und Technik werden computergenerierte Holgramme (CGH) zur Erzeugung spezieller Holografisch- Optischer-Elemente (HOE) verwendet. [3] Zur Herstellung eines CGH muss in einem ersten Schritt die komplexe Amplitude der Objektwelle in der Hologrammebene berechnet werden. Dies ist die Fouriertransformation der Amplitude im Objektraum. Die Objektwelle wird punktweise berechnet, wobei wichtig ist, dass die Zahl dieser Objektpunkte ausreichend groß ist. Eine gute Abbildung bekommt man mit einem Feld von 1000 x 1000 Punkten. Die Rechenzeit für die diskrete Fouriertransformation ist infolge der vielen komplexen Multiplikationen in zwei Dimensionen

4 4 extrem hoch. Ein Mittel um die Rechenzeit zu verkürzen ist die schnelle Fouriertransformation (FFT). [4] 3 Große holografische Displays als Alternative zu stereoskopischen Displays 3D Displays umfassen stereoskopische und holografische Displays. Wegen der von Natur aus besseren 3D Qualität werden holografische Displays als die bevorzugte Alternative zu stereoskopischen Displays angesehen. Die Prinzipien hinter stereoskopischen und holografischen Displays sind grundlegend verschieden. [5] 3.1 Stereoskopische Displays Das räumliche, stereoskopische Sehen beruht zum großen Teil darauf, dass wir jede Szene aus zwei unterschiedlichen Blickpunkten sehen, da Aufgrund des Augenabstandes die von beiden Augen wahrgenommenen Bilder etwas gegeneinander versetzt sind. [6] Stereoskopische Displays stellen verschiedene Abbildungen eines 3D Objekts für das linke und rechte Auge des Betrachters zur Verfügung. Diese verschiedenen Bilder werden entweder gleichzeitig oder hintereinander abgebildet. Jedes Bild wird auf einem Flüssigkristall Bildschirm (LCD) abgebildet. Jedes Auge erkennt direkt die Abbildung so wie sie auf dem LCD abgebildet wird. Räumliche oder zeitliche Strahlenteilertechnologien bewirken dass jedes Auge nur sein zugehöriges Bild sieht. [5] 3.2 Holografische Displays Holografische Displays basieren auf Lichtstreuung an einem Flüssigkristall Bildschirm. Ein Hologramm das im Wesentlichen die Fouriertransformation eines 3D Objektes ist, wird auf dem Bildschirm verschlüsselt. Im idealen Fall hat das Licht, das am Bildschirm mit dem kodierten Hologramm gebeugt wird, dieselbe Wellenfront wie Licht, das durch ein wirklich existierendes Objekt erzeugt würde. Idealerweise imitiert eine holografische Objektrekonstruktion perfekt ein reales Objekt. Das Auge des Betrachters erkennt nicht den Bildschirm selber, sondern das 3D Objekt welches im Raum durch das Hologramm rekonstruiert wird. Bisher war ihre verbreitete Benutzbarkeit durch die erforderliche große Zahl an Pixel der Bildschirme behindert. [5]

5 5 3.3 Ein anderer Zugang zu holografischen Displays Ein neuer Zugang zu holografischen Displays von SeeReal lässt unnötige Informationen über die Wellenfront weg und reduziert deutlich die Anforderungen an die Auflösung des verwendeten Bildschirms und den Berechungsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen holografischen Displays. [5] Der fundamentale Unterschied zwischen den herkömmlichen holografischen Displays und der Vorgehensweise von SeeReal liegt im ursprünglichen Ziel der holografischen Rekonstruktion. In herkömmlichen Displays ist das hauptsächliche Ziel, wie bereits erwähnt, das Objekt zu rekonstruieren. Im Gegensatz dazu, ist es das Ziel von SeeReal die Wellenfront zu rekonstruieren, die von einem real existierenden Objekt an den Positionen der Augen erzeugt würde. [5] Abbildung 1 illustriert diesen Zugang. Sie zeigt eine Fouriertransformationslinse, einen Bildschirm und das Auge eines Beobachters. Kohärentes Licht, welches durch die Linse gesendet wird, erhellt den Bildschirm. Der Bildschirm ist mit einem Hologramm kodiert, das einen Objektpunkt eines 3D Objektes rekonstruiert. Die Abbildung zeigt ein Objekt mit einem Objektpunkt und seiner kugelförmigen Wellenfront. Es ist ersichtlich, dass komplexere Objekte mit vielen Objektpunkten möglich sind, indem die einzelnen Hologramme überlagert werden. Der herkömmliche Zugang zu holografischen Displays erzeugt eine Wellenfront, die hier rot dargestellt wird. Die Information über die Wellenfront des Objektpunktes ist auf dem gesamten Bildschirm kodiert. Das Licht rekonstruiert den Objektpunkt, der von einem größeren Bereich als dem der Pupille des Auges sichtbar ist. Da das Auge nur die Information über die Wellenfront sieht, die von der Pupille übermittelt wird, wird somit die meiste Information verschwendet. Mit anderen Worten: es wird viel Aufwand betrieben um Licht in Bereiche zu projizieren, die nicht gesehen werden können. [5] Im Gegensatz dazu, schränkt der neue Zugang die Information über die Wellenfront auf die notwenige Information ein. Abbildung 1 zeigt ein virtuelles Sichtfeld in der Nähe einer Pupille. Die Information über die Wellenfront ist auf einen Bereich auf dem Bildschirm eingeschränkt, dem sogenannten Subhologramm (SH). Die Position und Größe des SH wird geometrisch festgelegt, indem das Sichtfenster durch den Objektpunkt auf den Bildschirm projiziert wird. Dies wird durch grüne Linien dargestellt. Nur das Licht, das in das SH ausgesendet wird, erreicht das Sichtfenster und ist somit für das Auge von Bedeutung. Der Beobachter wird nicht merken, dass die Information über die Wellenfront außerhalb des Sichtfensters nicht vorhanden ist, solange sich die Pupille in einem Sichtfenster befindet. Die wichtige Idee dieser Herangehensweise ist, dass es für ein holografisches Displays am

6 6 wichtigsten ist, die Wellenfront an der Augenposition zu rekonstruieren, die von einem wirklich existierenden Objekt erzeugt werden würde, und nicht das Objekt selbst zu rekonstruieren. [5] Holografische Displays versprechen eine Vielzahl von Anwendungen: färbige, holografische 3D Bilder in Qualität vergleichbar mit HDTV, CAD/CAM Anwendungen und Computerspiele. [7] Abbildung 1: Seitenansicht eines holografischen Displays mit Linse, Bildschirm, Objektpunkt und Beobachter. Die Information über die Wellenfront, die im herkömmlichen Zugang erzeugt wird ist rot dargestellt. Die notwendige Information, die tatsächlich bei einem Sichtfenster benötigt wird, ist in grün dargestellt. [5] 3.4 Berechnung von Hologrammen Es gibt zwei Methoden um Hologramme zu berechnen. Bei der ersten Methode wird das Hologramm vom Objekt Punkt für Punkt berechnet. Das Subhologramm jedes Objektpunktes wird berechnet und entsprechend größer eingestellt und positioniert. Das endgültige Hologramm wird durch Überlagerung der Subhologramme aller Objektpunkte erzeugt. Die zweite Methode besteht aus drei Schritten, wobei das Hologramm Schicht für Schicht aus dem Objekt berechnet wird. Die Berechnungschritte der ersten Methode sind größer, da es mehr Objektpunkte als Objektschichten gibt. Das wird dadurch ausgeglichen, dass die Subhologramme der ersten Methode kleiner sind als die Schichten der zweiten Methode. [5]

7 7 3.5 Beobachter Tracking Der Bildschirm ist mit einem Augenpositionsdetektor und Nachführungseinheiten ausgestattet. Dadurch ist es möglich die Größe eines Sichtfensters ungefähr auf die Größe der Pupille eines Auges zu reduzieren. Zwei Sichtfenster, d.h. eines für das linke und eines für das rechte Auge, befinden sich immer an den Positionen der Augen des Betrachters. Diese zwei Sichtfenster können durch zeitliche oder räumliche Datenübertragung nach dem Multiplexverfahren erzeugt werden. Zusätzliche Sichtfenster für mehrere Beobachter können auf dieselbe Art erzeugt werden. Deshalb kann der Betrachtungswinkel des rekonstruierten Objektes vergrößert werden, ohne die Auflösung des Bildschirms erhöhen zu müssen. Es gibt zwei Möglichkeiten für die Nachführungseinheiten: Lichtquellen Nachführung und Lichablenkungseinheiten. Hierauf soll jedoch nicht weiter eingegangen werden. [5] 4 Holografische audio-visuelle Plattform Renault will gemeinsam mit den 3D-Simulationsspezialisten Holografika Kft. und OKTAL ein interaktives, holografisches 3D-System entwickeln und so den Konstrukteuren eine dreidimensionale Visualisierung von Karosserien und anderen Komponenten ermöglichen. Ariva heißt das Projekt und baut auf dem von der EU finanzierten Coherent-Projekt (Collaborative Holographic Environments for Networked Tasks) auf, welches bereits im Jahr 2007 abgeschlossen wurde. [8] Beim Coherent-Projekt wurde eine neue, vernetzte holografische audio-visuelle Plattform entwickelt. Sie ermöglicht, dass mehrere Betrachter, welche sich auch im Raum bewegen können, die Darstellung von realistischen 3D-Bildern gleichzeitig ansehen können. Darüber hinaus benötigt das System keine externen Apparaturen, wie Shutter- oder Polarisationsbrille. Im Rahmen des Projektes wurde ein großtechnisches 3D Display mit einem holografischen Bildschirm in der Größenordnung von Metern gebaut, das in der Lage ist 24 bit hochauflösende Farb-3D-Bilder darzustellen. Das Coherent-System befasst sich mit dem Zusammenspiel der Benutzer, indem ein kamerabasiertes Trackingsytem zur Gestenkontrolle verwendet wird. [9] Mit der verbesserten Ariva-Technik hoffen nun die Entwickler, ihr System nicht nur in der Automobilbranche, sondern auch in anderen Bereichen vermarkten zu können. [8]

8 8 5 ecollaboration Die Firma Cisco hat sogenannte Telepresenter-Systeme entwickelt, die den Teilnehmern an einem Konferenztisch suggerieren, bis zu sechs weitere Teilnehmer auf 65-Zoll- Plasmabildschirmen säßen mit am Tisch. Die teuren Systeme, deren Einführungskosten im sechs- bis siebenstelligen Bereich liegen, sind gegenwärtig in etwa 100 Großunternehmen im Einsatz. [10] Aktuell hat Cisco weltweit 309 TelePresence Einrichtungen in mehr als 40 Ländern und 135 Städten intern zum Einsatz gebracht. Bis dato wurden darüber über TelePresence Meetings abgehalten. Umgerechnet konnten 160 Million Dollar Reisekosten (Basis: 4 Teilnehmer pro Meeting) und über Tonnen an Emissionen eingespart werden. [11] Mittelweile ist es auch schon möglich, dass Gesprächspartner dreidimensional, per Hologramm, aufeinander treffen. Am 9. November 2007 präsentierten Cisco-CEO John Chambers und sein Senior Vice President für Emerging Technologies, Marthin DeBeer, im Rahmen der Eröffnung der Cisco-Zentrale für den Fernen Osten im indischen Bangalore, ein voll funktionsfähiges holografisches Kommunikationssystem. [12] Das System ist eine Kombination der TelePresence Technologie von Cisco und der Musion 3D Holografie-Projektions-Technologie. [13] Abbildung 2: Das erste öffentliche Holografie-Treffen zwischen den Cisco-Managern Chambers und DeBeer [14]

9 9 Bei der Vorführung befand sich John Chambers vor Ort und hielt ein Telepresence-Meeting der Zukunft mit DeBeer ab, der als virtueller Gesprächspartner ebenfalls in Lebensgröße als 3D-Abbild zu sehen war, sich jedoch in der Unternehmenszentrale in Kalifornien befand. Die holographische Darstellung von DeBeer, also die Sprachwiedergabe, Bild und Bewegungen, wirkten nahezu lebensecht, die Übertragung führte kaum zu Verzerrungen. Die Verzögerung beträgt gegenwärtig nach Unternehmensangaben nur maximal 160 Millisekunden und die benötigte Bandbreite übersteigt die des 2D-Telepresenters nur geringfügig. Das Hologramm wird bei diesen 3D-Systemen in Glasquader projiziert. Auf der Aufnahmeseite können sich die Teilnehmer in dem bisher verfügbaren Pilotsystem auf einer Fläche von etwa einem auf zwei Metern frei bewegen. Nähere Details zur Hologramm-Technologie haben die Cisco- Forschungsabteilung jedoch noch nicht verlassen. [12] 5.1 Chancen und Risiken Teamarbeit gehört heute selbstverständlich zu unserem Arbeitsalltag. Oft verbindet sie Menschen aus unterschiedlichen Fachgebieten und geografischen Regionen. Gut organisiert kann sich dies positiv auswirken, indem bahnbrechende Ideen entstehen. Die virtuelle Zusammenarbeit zwischen Menschen auf Basis intelligenter Netzwerke, die sogenannte ecollaboration, soll die einzelnen Teammitglieder koordinieren und die Qualität der Beiträge unterstützen. ecollaboration lässt sich in zeitversetzte asynchrone und synchrone Kommunikation unterteilen. Zu den asynchronen Anwendungen gehören beispielsweise s. Kennzeichen der synchronen Kommunikation ist der Live-Charakter. Hierzu zählen Chat oder Online-Videokonferenzen. Schon vor Einführung eines Tools sollte jedoch die Akzeptanz bei den Mitarbeitern überprüft und die Vorteile für die einzelnen Team-Mitglieder genau dargelegt werden. Werden grundlegende Probleme gelöst, steigt meist auch der Grad der Akzeptanz für die Technologie. Anschließend geht es darum, die Mitarbeiter im richtigen Umgang mit den Tools zu schulen. Trotz all dieser Technik gilt jedoch weiterhin, dass die internen Abläufe geregelt sein müssen: Kommt das einzelne Mitglied seiner Aufgabenstellung nicht nach, ist auch ecollaboration ineffizient. Auch Kommunikationsdiffusität ist eine Gefahr: Je mehr Kanäle genutzt werden, desto schwerer wird es, diese zu verwalten. Wissen kann in der Datenflut schlicht verloren gehen. Daher sollten Unternehmen auf einen durchdachten Umgang mit den Collaboration-Tools achten, um einen Informationsüberfluss zu vermeiden. [15] Wachsende Computerleistung und höhere Netzwerkgeschwindigkeiten werden die weltweiten Märkte tiefgreifend verändern. Klar ist: Der globale Wettbewerb erfordert immer schnellere

10 10 Innovationszyklen und steigende Produktivität. ecollaboration ist der Schlüssel für die langfristige Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. [11] Man erwartet, dass bereits in vier Jahren jährlich über zwei Millionen Flugbuchungen durch Telekonferenzen ersetzt werden und somit Reisekosten und CO 2 -Emissionen deutlich reduziert werden. [11] 6 Video-Holographie Das Mark III Displaysystem ist die dritten Generation von elektro-holografisches Displays des MIT Media Laboratory. Bei der Entwicklung wurde auf die Größe und Kosten geachtet, damit holografische Videodisplays für den Konsumenten Realität werden können. [16] Er besitzt drei wichtige Neuerungen gegenüber den ersten Systemen. Erstens kann das System die 3D-Bilder auf Standard-Grafik-Prozessoren berechnen. Zweitens konnte das MIT-Team einen akustooptischen Modulator verbessern. Dieser leitet das Laserlicht so um, dass sich ein Hologramm aufbaut. Der neue Modulator hat eine höhere Bandbreite, so dass sich auch eine höhere Auflösung ergibt. Drittens war es den Forschern erstmals möglich, die schweren optischen Komponenten auf das Nötigste zu reduzieren. Sie sorgten früher dafür, dass die Geräte so groß wie ein Esstisch waren. Um ein holografisches Video zu erzeugen, produziert die Software ein dreidimensionales Bild in Echtzeit mit allen darauf enthaltenen Objekten. Die Software nutzt eine Ansammlung von Werten, die alle Punkte auf der Oberfläche des Objektes in drei Dimensionen beschreiben. Mit einem solchen Modell berechnet dann ein Algorithmus, wie ein Laser das Licht projizieren muss, um das Hologramm zu erzeugen. Da es noch länger dauern wird bis HD-Hologramme mit großen Bildschirmdiagonalen erstellt werden können, die Konsumenten im 2D-Bereich zunehmend verlangen, werden zunächst kommerzielle Anwender die Hauptabnehmer sein, denen auch kleinere Displays ausreichen. Der Mark II schafft derzeit, bei ordentlicher Auflösung, die Größe eines Rubik-Würfels und kann lediglich Schwarzweiß-Bilder darstellen. Ein System der vierten Generation ist jedoch bereits in Planung. [17] Professionelle Anwender könnten mit Holografie-Displays bereits medizinische Aufnahmen wie Kernspin- und CT-Bilder betrachten oder sich beim Design von Produkten inspirieren lassen. [17] 7 Darstellung von Hologrammen auf Glasflächen Die Darstellung von Hologrammen auf Glasflächen wird bereits für die Werbetechnik zum Beispiel in Schaufenstern oder bei Messeständen eingesetzt, jedoch lassen sich damit auch

11 11 architektonische Highlights setzen. [18] Für die Projektion wird ein speziellen Polymer zwischen zwei Glasscheiben eingebracht, dass Wahlweise durch Laser-Licht von hinten (dem Betrachter abgewandte Seite) oder von vorne (dem Betrachter zugewandte Seite) direkt oder über Spiegelsysteme beleuchtet wird, wodurch das holografische Bild entsteht. [19] Bei modernen Systemen ist das Hologramm selbst bei Tageslicht gut erkennbar. Durch Videopositionierungssysteme ist sogar eine Interaktion, wie das Bewegen der Bilder durch eine Handbewegung möglich. Eine Anordnung als Multi-Touch System ist das Obscura VisionAire von Obscura Digital, wobei hier keine physische Berührung stattfindet. Es erlaubt eine intuitive Benutzerführung ähnlich dem System wie es beim iphone verwendet wird. Ein weiterer Vorteil ist, das die Hologramme auch mitten in den Raum gestellt werden können, was bisher vor allem in Museen verwendet wird. [18, 20] Das Prinzip der Darstellung von Hologrammen auf Glasflächen wird auch bei Dremoc von RealFiction genützt. Diese Anwendung wird vor allem zum Produkt Marketing eingesetzt, wobei ein Hologramm über dem Produkt zu schweben scheint. [21] 8 Zukunftsperpektiven Holografische Displays werden sich dahingehend entwickeln, dass sie für den privaten Haushalt geeignet sind. Hier erwartet man sich vor allem hohes Interesse bei Computerspielern. Dies ermöglicht den Spielen den dreidimensionalen Zutritt in die virtuelle Welt. Die Bildqualität wird mit denen in HDTV vergleichbar sein. Kommerzielle Anwendungen werden sich im Bereich von Konstruktionen mit CAD/CAM ergeben. Ein weiteres System, das den Entwicklern, sowohl in der Automobilindustrie als auch in anderen Branchen von Nutzen sein wird, ist das sich zurzeit noch in Entwicklung befindliche Ariva- Projekt. ecollaboration wird sich in den kommenden 5 Jahren vor allem bei internationalen Unternehmen etablieren, weil es erhebliche Anschaffungskosten mit sich bringt. Der Vorteil des Systems liegt in einer Zeit- und Kostenersparnis. Deshalb wird das Telepresense - System in Zukunft ergänzend zu persönlichen Meetings verwendet werden, da auch in Zukunft der persönliche Kontakt zwischen Geschäftspartnern wichtig sein wird. Eine Nutzung von holografischen Kommunikationssystemen in den nächsten Jahren in privaten Haushalten ist wegen der hohen Anschaffungskosten nicht zu erwarten. Im Moment werden Video-Displays wie der Mark III des MIT bereits für medizinische Anwendungen wie die Visualisierung von Kernspin- und CT-Aufnahmen verwendet. In

12 12 diesem Bereich werden sie sich in den nächsten Jahren zunehmend gegenüber herkömmlichen Displays durchsetzen. Die holografische Projektion auf Glasflächen wird in den nächsten fünf Jahren verstärkt im Bereich Marketing Anwendung finden, jedoch kann mit dieser Darstellung noch nicht die Bildqualität herkömmlicher Displays erreicht werden. Sollte es in Zukunft möglich werden die Darstellungsqualität weiter zu verbessern ist es sehr wahrscheinlich, dass diese Technologie auch Einzug in die privaten Haushalte finden wird. Holografische Systeme werden in den nächsten Jahren immer stärker in alltägliche Bereiche Einzug finden. Diese Entwicklung wird in großen Firmen starten und sich immer mehr auf private Haushalte ausbreiten. 9 Literatur [1] Holografie-Online, [2] J. Eichler und G. Ackermann, Holografie, Springer Verlag, 5-6 [3] P. Heiß, Die neue Holographie-Fibel. Optische und Computer-Hologramme verstehen und selber machen, 4. Auflage, Wittig Fachbuch, 1995, [4] J. Eichler und G. Ackermann, Holografie, Springer Verlag, 246 [5] SeeReal, [6] P. Heiß, Die neue Holographie-Fibel. Optische und Computer-Hologramme verstehen und selber machen, 4. Auflage, Wittig Fachbuch, 1995, [7] SeeReal, [8] Display Magazin, [9] COHERENT, [10] IT-Business, [11] IT-Business, [12] IT-Business, index.html,

13 13 [13] Dimensional Studios, [14] IT-Business, [15] IT-Business, dex.html, [16] MIT-Object based media, [17] Technology Review, /artikel/89350/0/0, [18]Decatron Media Engineering, [19] Decatron Media Engineering, [20] Obscura Digital, [21] RealFiction,