בעקבות הנסיכה ליאה: החיפוש אחרי הולוגרפיה מהסרטים

בטח זכורה לך הסצנה מהסרט מלחמת הכוכבים שבה מוקרנת ללוק סקייווקר וחבורתו הולוגרמה של הנסיכה ליאה הקוראת לעזרה. זאת הייתה הולוגרפיה במיטבה, למרות שהסרט יצא לאקרנים בשנות ה־70! אנחנו עוד רחוקים מאוד מהיום שבו יהיו לנו הולוגרמות כאלו, אבל ממשיכים לעבוד כדי להתקרב צעד אחר צעד להגשמת החזון הזה. שוחחנו עם פרופסור פיטר שלקנס (Peter Schelkens; מקבוצת המחקר ETRO של imec באוניברסיטה החופשית של בריסל [VUB]), שקיבל את מענק Consolidator ממועצת המחקר האירופית (ERC) וסיים לאחרונה מחקר שתרם תרומה משמעותית וקרב אותנו צעד נוסף ליום שבו יהיו לנו הולוגרמות כמו שרואים בסרטים.

תקציר תולדות ההולוגרפיה  

פיתוח צגים הולוגרפיים קטנים כפי שרואים בסרט מלחמת הכוכבים הוא ללא ספק משאת נפשו של כל מי שעוסק במחקר ובפיתוח של פתרונות הולוגרפיה.

צג כזה יפתור חלק מהמגבלות הטכנולוגיות המובנות של מסכים סטריאוסקופיים שנמצאים כיום בשימוש. אחת הבעיות המרכזיות שצגים הולוגרפיים יכולים לפתור היא תופעה המוכרת בשם Vergence-Accommodation Conflict (קונפליקט וגרגציה־אקומודציה), שבה העיניים צריכות להתמקד בראיית העומק (אקומודציה) ובו בזמן לזוז כדי להתמקד בנקודה מסוימת במרחב (וגרגציה).

בגישה הסטריאוסקופית, בגלל המגבלות הפיזיות של הצג, המאבק בין ראיית העומק להתמקדות בעצם מסוים מוביל לעתים קרובות לעייפות ולתחושת אי־נוחות. צגים הולוגרפיים פותרים את הבעיה הזאת ומאפשרים הצגת תמונה עמוקה ברזולוציה גבוהה, על ידי שימוש במספר גדול יותר של זוויות צפייה (מספרן וזוויות הצפייה של כל נקודה במרחב של סצנה נתונה). התוצאה היא חוויית צפייה טבעית יותר ותמונה אמיתית יותר.

עם זאת, אחד המכשולים המרכזיים בדרך לבניית צגים כאלה הוא גודל הפיקסל של מאפנני האור המרחביים (SLM) שמרכיבים את הצג: ככל שזווית הצפייה המבוקשת גדולה יותר, כך על גודל הפיקסלים של מאפנני האור המרחביים להיות קטן יותר.

במילים אחרות: צג הולוגרפי קטן מספיק שמספק זווית צפייה של 180°, צריך להיות מורכב מפיקסלים קטנים מאוד. עד כמה קטנים? כ־200 ננו־מטר, מחצית מאורך הגל הקצר ביותר של הספקטרום הנראה. ניסיון לבנות צג כזה בטכנולוגיות הקיימות שלנו יסתכם בצג עם מספר עצום של פיקסלים (10 טרה־פיקסלים בקירוב). נכון להיום, מדובר במכשול אמיתי.

זאת הסיבה שאנחנו עדיין נאלצים להקרין הולוגרמות בעזרת משקפיים מיוחדים שזוויות הצפייה שלהם מוגבלות, כך שאין צורך להציג הולוגרמה בזווית גדולה מ־180°, כי ממילא אישון העין יכול לזוז רק מספר מילימטרים מאחורי המשקפיים. עבור שימושים כאלה מספיקים מאפנני אור מרחביים (SLM) עם גודל פיקסל של 4 עד 10 מיקרו־מטר. מעבדות שונות עובדות על אבות טיפוס של משקפיים כאלה, כולל מאפנני אור מרחביים (SLM) לרזולוציית 4K, שישמשו בסופו של דבר בדור חדש של יישומי מציאות רבודה שיציג עומק תמונה ופריטי מידע וירטואליים אמיתיים מאוד.

תמונה 1: מפת הדרכים לפיתוח צג הולוגרפי

אולם, פיתוח צג הולוגרפי הוא לא האתגר היחיד. אתגר נוסף הוא יצירת ההולוגרמות הטבעיות האלו והעברתן, תהליך שמצריך כוח מחשוב רב וצורך המון חשמל.

על כן, אחד האתגרים המרכזיים שעלינו לפתור כדי שנוכל לבצע את קפיצת המדרגה הבאה בתחום ההולוגרפיה הוא יעילות הקידוד, יצירת ההולוגרמה והעברת המידע ההולוגרפי. כדי לעשות זאת נדרשת טכנולוגיית עיבוד אותות חדשה וזה בדיוק הנושא שהעסיק בחמש השנים האחרונות את החוקרים שקיבלו את מענק Consolidator ממועצת המחקר האירופית (ERC).

פרויקט INTERFERE: יצירת הולוגרמות, דחיסת מידע והערכה אובייקטיבית של איכותן.  

הולוגרמה נוצרת מהקרנה של אלומת אור באורך גל מסוים ממקור אור קוהרנטי, כשהתמונה המתקבלת היא למעשה דגם ההתאבכות שאותו אפשר להציג כתמונה באמצעות מטריצה של מספרים מרוכבים.

ערכו של כל פיקסל הוא תוצאה של סכום האור שנפלט מכל נקודה בסצנה התלת־ממדית שלה קו ראייה ישיר עם הפיקסל. פירושו של דבר שהנתונים הסטטיסטיים ומאפייני האות של הולוגרמות שונים בתכלית מאלה של תמונות רגילות שבהן כל פיקסל הוא תוצאה של אלומת אור המגיעה אל הפיקסל (ולא של חזית גל האור). זאת הסיבה שאלגוריתמים מסורתיים לעיבוד תמונה לא יעילים בניתוח המידע הזה. ואם לא די בכך, מכיוון שיש צורך בפיקסלים קטנים כדי לאפשר זוויות עקיפה גדולות (כדי לאפשר זוויות צפייה רחבות), כמות המידע גדולה מאוד ודורשת משאבי מחשוב, אחסון ותקשורת מתאימים ויקרים.

מטרתו של מחקר INTERFERE מטעם מועצת המחקר האירופית (ERC):

• ייעול החישוב הנדרש ליצירת הולוגרמות ולהצגתן. מכיוון שהולוגרמה מושפעת מכל המרכיבים של תמונת תלת־מימד, אנחנו זקוקים לאמצעים להצגת תמונה אמיתית ולתמיכה ברזולוציה גבוהה מאוד, כמו גם לשיטות יעילות ליצירת הולוגרמות ומודלים להעברתן.
• דחיסת הולוגרמות. שיטות דחיסה מסורתיות מסירות מהתמונה מידע חזותי לא חשוב כדי להקטין את גודלה. אחת השיטות הנפוצות היא סינון של תדירויות מרחביות גבוהות שהעין האנושית פחות רגישה להן. אולם, כשמדובר בהולוגרמות, התדירויות המרחביות הגבוהות מכילות מידע הנחוץ ליצירת זוויות הצפייה הרחבות יותר ולכן יש צורך בשיטות דחיסה המתאימות למאפייני האות של ההולוגרמה.
• הערכת איכות ההולוגרמה. כדי לעקוב אחרי איכות ההולוגרמה וההולוגרמה המפוענחת, יש להגדיר שיטות להערכת האיכות. עד כה ניתנה רק תשומת לב מעטה לנושא הזה.

מהירות חישוב הולוגרמות גדולה פי יותר מ־2,500

גישה אחת ליצירת הולוגרמות משתמשת בענני נקודות (שאותם אפשר ליצור על ידי סריקת סצנה טבעית באמצעות סורק LIDAR לדוגמה). הדרך הפשוטה ביותר לחישוב הולוגרמה לפי ענן נקודות היא לחשב את התפשטות האור עבור כל נקודה בנפרד עד למישור ההולוגרמה. אולם זהו תהליך שדורש כוח חישוב ניכר.

השיטה שפותחה בפרויקט INTERFERE מהירה הרבה יותר. היא מחלקת את ענן הנקודות למקטעים ומחשבת את ההולוגרמות בכל מישור משנה לפי כל הנקודות שנמצאות עד למרחק מסוים ממישור ההולוגרמה. ההולוגרמה (המקומית) שמתקבלת מוקרנת ישירות למישור הבא ביחד עם יתר הנקודות שבסמוך לה, וחוזר חלילה. מכיוון שמישורי המשנה קרובים מאוד זה לזה, התפשטות האור צריכה לכסות רק מרחקים קצרים מאוד וכך נוצרים מקטעי עקיפה קטנים הרבה יותר מהמישור השלם. כמו כן, השיטה הזאת מסירה נקודות המוסתרות על ידי נקודות אחרות.

התוצאה: הולוגרמה באיכות זהה לגישה המקורית, אולם בשיטת INTERFERE היא נוצרת פי 2,500 מהר יותר! זאת ועוד, בזמן שחלף מאז סיום הפרויקט שופרה השיטה הזאת עוד יותר וכיום היא משתמשת בתדירות כדי לבנות הולוגרמה רק מהרכיבים הבולטים ביותר. שיפור זה מאיץ את השיטה, המהירה גם ככה, פי 30!

פיתוח דור חדש של שיטות דחיסת תמונה

דחיסת תמונה היא תהליך מורכב שבדרך כלל מתבצע במספר שלבים. הפרויקט מטעם מועצת המחקר האירופית (ERC) מתמקד בשיטת ההתמרה שמפרקת את המידע ההולוגרפי לרכיבי היסוד שלה בהתאם לייצוג הרצוי.

השיטה הראשונה שהגיעה לבשלות מעשית השתמשה בהתמרת Wavelet JPEG~2000 מותאמת עם פיצול עדין של רצועות התדרים הגבוהות, שמכוונת את ההתמרה בצורה גמישה יותר אל עבר התדירויות השולטות (ולא רק אנכית ואופקית). השיטה הזאת מאפשרת לקבל דחיסה טובה יותר או איכות גבוהה יותר, לפי הצורך. כך לדוגמה, עבור תמונות מיקרוסקופיות שלא באותו ציר, השיגה השיטה שיפור איכות של 11 עד 12 דציבל, שהוא שיפור משמעותי.

התמרה נוספת שפותחה במיוחד בפרויקט INTERFERE משפיעה על נתוני המופע של ההולוגרמה. רוב מאפנני האור המרחביים (SLM) מאפננים רק את מופע גל האור ולא את המשרעת שלו. הבעיה בכך היא שחישובים המשתמשים בנתוני מופע גל האור (הנע בטווח שבין מספר פאי חיובי לשלילי) מציגים המון שגיאות לתהליך. שיטת ההתמרה החדשנית שפותחה בפרויקט INTERFERE פותרת את הבעיה הזאת. לדוגמה: עבור תמונת 8-סיביות, הודגמו שיפורי דחיסה מרשימים של עד ל־1.3 סיביות לכל פיקסל. אף יותר מזה, השיטה הזאת מהירה יותר משיטות הדחיסה המסורתיות.

סוף סוף ניתנה הדעת גם להולוגרמות דינמיות, שבהן יש צורך לפצות על תנועה. שיטה חדשה שפותחה במחקר INTERFERE מאפשרת לתאר את התנועה בכל המישורים (קדימה, אחורה, שמאלה, ימינה, למעלה ולמטה) ובכל זוויות הסיבוב האפשריים. התוצאה: מרגע שידועה התנועה, אפשר לבצע שינויים בהולוגרמה באופן שמאפשר לחזות במדויק מהי התמונה הבאה. התוצאות הללו הן קפיצת מדרגה משמעותית בתחום הזה לעומת השימוש במקודדי וידאו מסורתיים והשיטה החדשה כבר משמשת במערכת מקודד וידאו הולוגרפי מלא.

הערכת איכות ההולוגרמות

הערכת איכותן של ההולוגרמות השונות רחוקה מלהיות עניין של מה בכך. העדר מדדים מתאימים במחקר ההולוגרפי הוא מכשול משמעותי וגורם מעכב. מחקר INTERFERE עסק גם בנושא זה.

השיטות להערכת איכות מבוססות על מדדים אובייקטיבים (כלומר מדידת מאפיינים מסוימים של ההולוגרמה) או שיטות סובייקטיביות שבהן מתבקשים משתתפים לדרג את איכות ההולוגרמה על סמך התרשמותם.

השיטה האחרונה דורשת מאמץ ניכר בגלל שיש צורך במספר גדול של מדרגים כדי לתת לתוצאות תוקף סטטיסטי. עם זאת, נכון להיום היא השיטה המהימנה ביותר לקבלת ציון איכות בלתי־תלוי. צוות המחקר INTERFERE פיתח שיטות בדיקה והשווה בין ציוני האיכות עבור צג הולוגרפי לאלה של הולוגרמות שהורכבו באמצעים נומריים על שדה אור וצגים רגילים.

מכיוון ששיטות סובייקטיביות דורשות מאמץ רב, לרוב ההעדפה היא לשיטות מדידה אוטומטיות המשתמשות במדדים אובייקטיבים. איכותם של המדדים האלה אומתה בניסויים הסובייקטיביים שתוארו לעיל. כמו כן, פותחו מדדים חדשים.

כיום, קבוצת JPEG מתכננת להשיק תקן קידוד הולוגרפי במסגרת תקן JPEG~Pleno.

[

תמונה 2: הערכת איכות ההולוגרמות

על פיטר שלקנס

פיטר שלקנס (Peter Schelkens) הוא פרופסור במחלקה לאלקטרוניקה ולמידע (ETRO), קבוצת מחקר של imec באוניברסיטה החופשית של בריסל (Vrije Universiteit Brussel, בראשי תיבות: VUB, בלגיה). הוא עוסק במחקר בתחום עיבוד אותות רב־ממדיים ובדגש על מחקר רב־תחומי. בשנת 2014 קיבל פיטר את מענק Consolidator ממועצת המחקר האירופית (ERC) של האיחוד האירופי. כיום מכהן פיטר שלנקס כיו”ר קבוצת המשנה קידוד, בדיקה ואיכות של קבוצת התקינה ISO/IEC JTC1/SC29/WG1 (JPEG). כמו כן, הוא מעורב בריכוז הפעילות בנושא תקן JPEG Pleno לטכנולוגיות שדה אור, הולוגרפיה וענן נקודות. פיטר שלנקס מחזיק בתואר Msc בהנדסת חשמל בפיזיקה יישומית, תואר בהנדסה ביו־רפואית (פיזיקה רפואית) ו־Ph.D במדעים יישומיים מהאוניברסיטה החופשית של בריסל (VUB).

פיטר שלקנס