Un nuevo método denominado holografía tensorial podría permitir crear hologramas en tiempo real para la realidad virtual, la impresión 3D, la imagen médica y mucho más.
La tecnología también puede funcionar en un teléfono inteligente.
Se prevé que la tecnología podría acercar los hologramas disponibles comercialmente.
A pesar de años de expectativas, los cascos de realidad virtual aún no han desplazado a los televisores ni a las pantallas de ordenador como los dispositivos preferidos para ver vídeos. Una razón: la RV puede hacer que los usuarios se sientan mal. Pueden producirse náuseas y fatiga visual porque la RV crea la ilusión de una visualización 3D, aunque el usuario en realidad mira una pantalla 2D de distancia fija. La solución para una mejor visualización 3D podría estar en una tecnología de 60 años reinventada para el mundo digital: los hologramas.
Los hologramas ofrecen una representación excepcional del mundo 3D que nos rodea. Además, son bellos. Los hologramas ofrecen una perspectiva cambiante según la posición del espectador, y permiten que el ojo ajuste la profundidad focal para enfocar alternativamente el primer plano y el fondo.
Los investigadores llevan mucho tiempo buscando crear hologramas generados por ordenador, pero el proceso tradicionalmente ha requerido una supercomputadora que procese simulaciones físicas, lo que consume mucho tiempo y puede producir resultados menos que fotorrealistas. Ahora, investigadores del MIT han desarrollado una nueva forma de producir hologramas casi al instante, y el método basado en aprendizaje profundo es tan eficiente que puede ejecutarse en un portátil en un abrir y cerrar de ojos, según afirman los investigadores.
«Antes se pensaba que, con el hardware de consumo existente, era imposible realizar cálculos de holografía 3D en tiempo real», afirma Liang Shi, autor principal del estudio y estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT (EECS). «Muchas veces se ha dicho que los displays holográficos disponibles comercialmente estarán listos dentro de 10 años, pero esta afirmación se repite desde hace décadas».
Shi cree que el nuevo enfoque, que el equipo denomina «holografía tensorial», hará que por fin ese esquivo objetivo de 10 años esté al alcance. El avance podría impulsar la expansión de la holografía a campos como la RV y la impresión 3D.
Shi trabajó en el estudio, publicado hoy en Nature, junto con su asesor y coautor Wojciech Matusik. Otros coautores son Beichen Li, del EECS y del Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación del MIT, así como los antiguos investigadores del MIT Changil Kim (actualmente en Facebook) y Petr Kellnhofer (actualmente en la Universidad de Stanford).
La búsqueda de una mejor imagen 3D
Una fotografía convencional basada en lentes codifica el brillo de cada onda luminosa: una foto puede reproducir fielmente los colores de una escena, pero en última instancia produce una imagen plana.
En cambio, un holograma codifica tanto el brillo como la fase de cada onda luminosa. Esta combinación ofrece una representación más fiel del paralaje y la profundidad de una escena. Así, mientras que una fotografía de los «Nenúfares» de Monet puede resaltar la paleta de colores de la pintura, un holograma puede dar vida a la obra, reproduciendo la textura 3D única de cada pincelada. Pero, a pesar de su realismo, los hologramas son difíciles de crear y compartir.
Desarrollados a mediados del siglo XX, los primeros hologramas se grababan ópticamente. Esto requería dividir un haz láser: la mitad del haz se utilizaba para iluminar el sujeto y la otra mitad como referencia para la fase de las ondas luminosas. Esta referencia genera la sensación de profundidad única de un holograma. Las imágenes resultantes eran estáticas, por lo que no podían captar el movimiento. Además, solo existían en formato físico, lo que dificultaba su reproducción y distribución.
La holografía generada por ordenador evita estos desafíos al simular la configuración óptica. Pero el proceso puede ser un trabajo computacional arduo. «Como cada punto de la escena tiene una profundidad diferente, no se pueden aplicar las mismas operaciones a todos ellos», afirma Shi. «Eso aumenta significativamente la complejidad». Dirigir un superordenador en clúster para ejecutar estas simulaciones basadas en la física podría tardar segundos o minutos por cada holograma individual. Además, los algoritmos existentes no modelan la oclusión con precisión fotorrealista. Por ello, el equipo de Shi adoptó un enfoque distinto: permitir que el ordenador aprendiera la física por sí mismo.
Utilizaron el aprendizaje profundo para acelerar la holografía generada por ordenador, lo que permite generar hologramas en tiempo real. El equipo diseñó una red neuronal convolucional, una técnica de procesamiento que utiliza una cadena de tensores entrenables para imitar, de forma aproximada, la manera en que los humanos procesan la información visual. Entrenar una red neuronal suele requerir un conjunto de datos amplio y de alta calidad, que previamente no existía para los hologramas 3D.
El equipo creó una base de datos personalizada con 4000 pares de imágenes generadas por ordenador. Cada par relacionaba una imagen, incluida la información de color y profundidad de cada píxel, con su holograma correspondiente. Para crear los hologramas de la nueva base de datos, los investigadores utilizaron escenas con formas y colores complejos y variables, con la profundidad de los píxeles distribuida uniformemente desde el fondo hasta el primer plano, y con un nuevo conjunto de cálculos basados en la física para tratar la oclusión. Este enfoque produjo datos de entrenamiento fotorrealistas. A continuación, el algoritmo se puso manos a la obra.
Al aprender de cada par de imágenes, la red de tensores ajustó los parámetros de sus propios cálculos, mejorando sucesivamente su capacidad para crear hologramas. La red totalmente optimizada funcionó órdenes de magnitud más rápido que los cálculos basados en la física. Esta eficiencia sorprendió al propio equipo.
«Nos asombra lo bien que funciona», afirma Matusik. En cuestión de milisegundos, la holografía tensorial puede crear hologramas a partir de imágenes con información de profundidad, que proporcionan las imágenes típicas generadas por ordenador y que pueden calcularse mediante una configuración de múltiples cámaras o un sensor LiDAR (ambos son estándar en algunos teléfonos inteligentes nuevos). Este avance allana el camino hacia la holografía 3D en tiempo real. Además, la red de tensores compacta requiere menos de 1 MB de memoria. «Es insignificante, si se tienen en cuenta las decenas y centenas de gigabytes disponibles en los teléfonos móviles más recientes», afirma.
La investigación «demuestra que los displays holográficos 3D verdaderos son prácticos con requisitos computacionales solo moderados», afirma Joel Kollin, arquitecto óptico principal de Microsoft que no participó en la investigación. Añade que «este artículo muestra una mejora notable en la calidad de imagen respecto a trabajos anteriores», lo que «aportará realismo y comodidad al espectador». Kollin también insinúa la posibilidad de que los displays holográficos como este puedan incluso personalizarse según la prescripción oftalmológica del espectador. «Los displays holográficos pueden corregir las aberraciones del ojo. Esto hace posible que la imagen del display sea más nítida de lo que el usuario podría ver con lentes de contacto o gafas, que solo corrigen aberraciones de bajo orden, como el enfoque y el astigmatismo».
«Un avance considerable»
La holografía 3D en tiempo real mejoraría una gran variedad de sistemas, desde la RV hasta la impresión 3D. El equipo afirma que el nuevo sistema podría ayudar a sumergir a los espectadores de RV en escenarios más realistas, al tiempo que elimina la fatiga visual y otros efectos secundarios del uso prolongado de la RV. La tecnología podría desplegarse fácilmente en displays que modulen la fase de las ondas luminosas. Actualmente, la mayoría de los displays de consumo asequibles solo modulan el brillo, aunque el coste de los displays de modulación de fase disminuiría si se adoptaran ampliamente.
Según los investigadores, la holografía tridimensional también podría impulsar el desarrollo de la impresión 3D volumétrica. Esta tecnología podría resultar más rápida y precisa que la impresión 3D tradicional capa por capa, ya que la impresión 3D volumétrica permite proyectar simultáneamente todo el patrón 3D. Otras aplicaciones incluyen la microscopía, la visualización de datos médicos y el diseño de superficies con propiedades ópticas únicas.
«Es un avance considerable que podría cambiar por completo la percepción que la gente tiene de la holografía», afirma Matusik. «Sentimos que las redes neuronales nacieron para esta tarea».
El trabajo contó, en parte, con el respaldo de Sony.
