Специалисты из инженерной школы имени Самуэля Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Калифорнийского института нанотехнологий представили инновационную технологию трехмерного отображения, которая разрешает одну из ключевых сложностей голографических систем. Опубликованное в журнале Light Science and Applications исследование описывает компактное устройство для мгновенной 3D-проекции, позволяющее формировать изображения с вариативной глубиной.

В отличие от стереоскопического трехмерного кинопоказания, известного зрителям благодаря кинотеатрам, новая разработка приближается к концепции голографической платформы из научно-фантастических фильмов, позволяя проецировать сложные объемные сцены в режиме реального времени. Тем не менее, создание реалистичных трехмерных проекций ранее было ограничено рядом существенных технических барьеров, главным среди которых является взаимное влияние между слоями изображения.

При создании 3D-объектов изображение разделяется на отдельные плоскости, которые демонстрируются на разных уровнях глубины. При этом элементы одного слоя могут частично перекрывать соседний слой, что разрушает восприятие целостного трехмерного объекта. Предложенная система преодолевает эту трудность посредством сочетания цифрового кодировщика, пассивного оптического декодера и алгоритма глубокого обучения.

Сначала изображение поступает в кодировщик, который с использованием нейронной сети Фурье разделяет пространственные и частотные компоненты на последовательность отдельных изображений. Затем устройство анализирует координаты точек проецирования изображения и одновременно формирует трехмерную визуальную композицию. После этого изображения декодируются и выводятся на специально оптимизированные поверхности, где при распространении света происходит полевое программирование с учетом глубины.

Используя новейшие разработки в сфере машинного обучения и трехмерной проекции, созданный метод позволяет оптически направить каждый слой изображения на нужную дистанцию. Одновременно происходит исправление искажений внутри плоскости. Это приводит к формированию компактного дисплея высокого разрешения, который за один цикл создает иллюзию объемного объекта из спроецированного света, что способствует более реалистичному восприятию глубины и улучшает зрительный комфорт для смотрящего.

Совершенствование технологий трехмерной визуализации крайне важно для широкого спектра практических задач, таких как дополненная реальность, виртуальная среда, голография и полное погружение в изображение. Долгое время одним из основных ограничений развития являлось ухудшение качества картинки вследствие перекрытия световых потоков.

На текущем этапе исследователи представили работу своей системы на модели объемного представления с 28 последовательными слоями, а также разработали упрощенный прототип, состоящий из двух плоскостей, для проверки правильности работы алгоритма. Проведенные тесты подтвердили теоретические расчеты: визуальное качество соответствовало прогнозируемым значениям и значительно превышало результаты обычной проекции без использования дифракционного декодера.

Проведение испытаний показало, что разработанная технология обладает возможностью масштабирования при сохранении компактности размеров и обеспечивает высокое разрешение по глубине для трехмерного дисплея. В настоящее время авторы видят основные перспективы применения в ближних дисплейных системах, микроскопии и объемных оптических вычислениях; однако дальнейшие улучшения могут расширить возможности до многофокусной голографии и энергосберегающих трехмерных систем.

Исследование опубликовано в журнале Light Science and Applications.