Teknik Baru Dapat Menghasilkan Hologram 3D Secara Real-Time

Terlepas dari hype bertahun-tahun, headset realitas virtual belum menggulingkan layar TV atau komputer sebagai perangkat masuk untuk menonton video. Salah satu alasannya: VR bisa membuat pengguna merasa mual. Mual dan ketegangan mata dapat terjadi karena VR menciptakan ilusi tampilan 3D meskipun pengguna sebenarnya menatap layar 2D jarak tetap. Solusi untuk visualisasi 3D yang lebih baik dapat terletak pada teknologi berusia 60 tahun yang dibuat ulang untuk dunia digital: hologram.

Hologram menghadirkan representasi luar biasa dari dunia 3D di sekitar kita. Selain itu, mereka cantik. Hologram menawarkan perspektif yang berubah berdasarkan posisi pemirsa, dan memungkinkan mata untuk menyesuaikan kedalaman fokus untuk secara bergantian fokus pada latar depan dan latar belakang.

Para peneliti telah lama berusaha membuat hologram yang dihasilkan komputer, tetapi prosesnya secara tradisional membutuhkan superkomputer untuk mengaduk-aduk simulasi fisika, yang memakan waktu dan dapat menghasilkan hasil yang kurang fotorealistik. Sekarang, para peneliti MIT telah mengembangkan cara baru untuk menghasilkan hologram hampir seketika dan metode berbasis pembelajaran mendalam sangat efisien sehingga dapat berjalan di laptop dalam sekejap mata, kata para peneliti.

"Orang-orang sebelumnya berpikir bahwa dengan perangkat keras tingkat konsumen yang ada, tidak mungkin melakukan perhitungan holografi 3D waktu nyata," kata Liang Shi, penulis utama studi dan mahasiswa PhD di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer (EECS) MIT. "Sering dikatakan bahwa tampilan holografik yang tersedia secara komersial akan ada dalam 10 tahun, namun pernyataan ini telah ada selama beberapa dekade."

Shi percaya pendekatan baru, yang disebut tim sebagai "holografi tensor," akhirnya akan membawa tujuan 10 tahun yang sulit dicapai itu dalam jangkauan. Kemajuan ini dapat memicu limpahan holografi ke bidang-bidang seperti VR dan pencetakan 3D.

Shi mengerjakan penelitian tersebut, yang diterbitkan hari ini di Nature, dengan penasihat dan rekan penulisnya Wojciech Matusik. Rekan penulis lainnya termasuk Beichen Li dari EECS dan Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory di MIT, serta mantan peneliti MIT Changil Kim (sekarang di Facebook) dan Petr Kellnhofer (sekarang di Stanford University).

Pencarian untuk 3D yang lebih baik

Sebuah foto berbasis lensa yang khas mengkodekan kecerahan setiap gelombang cahaya, sebuah foto dapat dengan setia mereproduksi warna pemandangan, tetapi pada akhirnya menghasilkan gambar yang datar.

Sebaliknya, hologram mengkodekan kecerahan dan fase setiap gelombang cahaya. Kombinasi itu memberikan penggambaran yang lebih benar tentang paralaks dan kedalaman pemandangan. Jadi, sementara foto "Water Lilies" Monet dapat menonjolkan langit-langit warna lukisan, hologram dapat menghidupkan karya tersebut, menampilkan tekstur 3D yang unik dari setiap sapuan kuas. Namun terlepas dari realismenya, hologram merupakan tantangan untuk dibuat dan dibagikan.

Pertama kali dikembangkan pada pertengahan 1900-an, hologram awal direkam secara optik. Untuk itu diperlukan pemisahan sinar laser, dengan separuh sinar digunakan untuk menerangi subjek dan separuh lainnya digunakan sebagai referensi untuk fase gelombang cahaya. Referensi ini menghasilkan rasa kedalaman hologram yang unik. Gambar yang dihasilkan statis, sehingga tidak dapat menangkap gerakan. Dan mereka hanya hard copy, membuat mereka sulit untuk direproduksi dan dibagikan.

Holografi yang dihasilkan komputer menghindari tantangan ini dengan mensimulasikan pengaturan optik. Tetapi prosesnya bisa menjadi pekerjaan berat komputasi. "Karena setiap titik dalam adegan memiliki kedalaman yang berbeda, Anda tidak dapat menerapkan operasi yang sama untuk semuanya," kata Shi. "Itu meningkatkan kompleksitas secara signifikan." Mengarahkan superkomputer berkerumun untuk menjalankan simulasi berbasis fisika ini bisa memakan waktu beberapa detik atau menit untuk satu gambar holografik. Selain itu, algoritme yang ada tidak memodelkan oklusi dengan presisi fotorealistik. Jadi tim Shi mengambil pendekatan yang berbeda: membiarkan komputer mengajarkan fisika untuk dirinya sendiri.

Mereka menggunakan pembelajaran mendalam untuk mempercepat holografi yang dihasilkan komputer, memungkinkan pembuatan hologram waktu nyata. Tim merancang jaringan saraf convolutional, teknik pemrosesan yang menggunakan rantai tensor yang dapat dilatih untuk secara kasar meniru bagaimana manusia memproses informasi visual. Pelatihan jaringan saraf biasanya membutuhkan kumpulan data besar dan berkualitas tinggi, yang sebelumnya tidak ada untuk hologram 3D.

Tim membangun database kustom dari 4.000 pasang gambar yang dihasilkan komputer. Setiap pasangan mencocokkan gambar, termasuk informasi warna dan kedalaman untuk setiap piksel dengan hologram yang sesuai. Untuk membuat hologram dalam database baru, para peneliti menggunakan pemandangan dengan bentuk dan warna yang kompleks dan bervariasi, dengan kedalaman piksel yang didistribusikan secara merata dari latar belakang ke latar depan, dan dengan serangkaian perhitungan berbasis fisika baru untuk menangani oklusi. Pendekatan itu menghasilkan data pelatihan fotorealistik. Selanjutnya, algoritma mulai bekerja.

Dengan belajar dari setiap pasangan gambar, jaringan tensor mengubah parameter perhitungannya sendiri, secara berturut-turut meningkatkan kemampuannya untuk membuat hologram. Jaringan yang dioptimalkan sepenuhnya mengoperasikan urutan besarnya lebih cepat daripada perhitungan berbasis fisika. Efisiensi itu mengejutkan tim itu sendiri.

"Kami kagum dengan kinerjanya," kata Matusik. Hanya dalam milidetik, holografi tensor dapat membuat hologram dari gambar dengan informasi kedalaman yang disediakan oleh gambar yang dihasilkan komputer dan dapat dihitung dari pengaturan multikamera atau sensor LiDAR (keduanya standar pada beberapa smartphone baru). Kemajuan ini membuka jalan bagi holografi 3D waktu nyata. Terlebih lagi, jaringan tensor yang ringkas membutuhkan memori kurang dari 1 MB. "Ini diabaikan, mengingat puluhan dan ratusan gigabyte tersedia di ponsel terbaru," katanya.

Penelitian "menunjukkan bahwa tampilan holografik 3D yang sebenarnya praktis dengan hanya persyaratan komputasi yang moderat," kata Joel Kollin, arsitek optik utama di Microsoft yang tidak terlibat dalam penelitian. Dia menambahkan bahwa "makalah ini menunjukkan peningkatan yang nyata dalam kualitas gambar dibandingkan karya sebelumnya," yang akan "menambah realisme dan kenyamanan bagi pemirsa." Kollin juga mengisyaratkan kemungkinan bahwa tampilan holografik seperti ini bahkan dapat disesuaikan dengan resep mata penonton. "Tampilan holografik dapat mengoreksi penyimpangan di mata. Ini memungkinkan tampilan gambar yang lebih tajam daripada yang dapat dilihat pengguna dengan kontak atau kacamata, yang hanya mengoreksi aberasi tingkat rendah seperti fokus dan astigmatisme."

Sebuah lompatan yang cukup besar

Holografi 3D waktu nyata akan meningkatkan banyak sistem, mulai dari VR hingga pencetakan 3D. Tim mengatakan sistem baru dapat membantu membenamkan pemirsa VR dalam pemandangan yang lebih realistis, sambil menghilangkan ketegangan mata dan efek samping lain dari penggunaan VR jangka panjang. Teknologi ini dapat dengan mudah digunakan pada tampilan yang memodulasi fase gelombang cahaya. Saat ini, tampilan kelas konsumen yang paling terjangkau hanya memodulasi kecerahan, meskipun biaya tampilan modulasi fase akan turun jika diadopsi secara luas.

Holografi tiga dimensi juga dapat meningkatkan pengembangan pencetakan 3D volumetrik, kata para peneliti. Teknologi ini terbukti lebih cepat dan lebih tepat daripada pencetakan 3D lapis demi lapis tradisional, karena pencetakan 3D volumetrik memungkinkan proyeksi simultan seluruh pola 3D. Aplikasi lain termasuk mikroskop, visualisasi data medis, dan desain permukaan dengan sifat optik yang unik.

"Ini adalah lompatan besar yang benar-benar dapat mengubah sikap orang terhadap holografi," kata Matusik. "Kami merasa seperti jaringan saraf lahir untuk tugas ini."