Verrons-nous un jour un film diffusé en 3D sur notre table basse ? Peter Schelkens (VUB/imec) a déjà apporté une contribution importante à la recherche de ce Saint Graal de l'holographie.
Qui ne se souvient pas de la scène légendaire de Star Wars où un hologramme de la princesse Leia demande désespérément de l'aide à Luke Skywalker et ses camarades ? L'holographie à son meilleur, dans un film qui a maintenant plus de quarante ans. Nous avons encore un long chemin à parcourir pour faire de cette vision de Star Wars une réalité.
Aujourd'hui, bien sûr, nous pouvons générer la perception d'images en trois dimensions avec des lunettes 3D au cinéma ou avec un casque VR sur la tête. De plus, notre œil gauche voit une image différente de notre œil droit, après quoi notre cerveau crée une illusion tridimensionnelle. Cependant, l'expérience visuelle avec de telles projections stéréoscopiques n'est pas très confortable. C'est la faute du soi-disant conflit d'accommodation-vergence. Dans des circonstances normales, lorsque nous regardons un objet proche, nos globes oculaires se tournent vers notre nez (convergence). Si on regarde un objet éloigné, ils font le mouvement inverse (divergence). Dans le même temps, la force de notre lentille oculaire s'ajuste pour voir l'objet nettement à cette distance souhaitée (accommodation). Cependant, lorsque l'image est projetée sur des lunettes VR, nos globes oculaires fixent un écran à quelques centimètres de distance, tandis que nous demandons à notre lentille oculaire de se concentrer sur un point dans un monde simulé lointain. Nos yeux peuvent maintenir cette position évasée dans la réalité virtuelle pendant un certain temps, mais avec le temps, nous pouvons en conséquence être assez fatigués.
Avec un affichage de table holographique - comme nous le connaissons de Star Wars - ce problème disparaît. Nous verrions alors une illusion tridimensionnelle apparaître au-dessus d'une table sans que notre cerveau ne connaisse de conflit. De plus, une résolution de profondeur élevée à différents angles de vision créerait une expérience visuelle réaliste. Par conséquent, ces écrans sont depuis longtemps le Saint Graal pour quiconque développe une technologie permettant de générer des perceptions tridimensionnelles.
Cependant, nous en sommes loin. L'un des principaux obstacles est qu'un tel écran de table holographique nécessite une énorme quantité de pixels holographiques. Plus l'écran est grand, plus l'angle de vue que vous devez prendre en charge est large et plus les pixels doivent être petits. Développer un écran de table holographique avec un angle de vision de 180° nécessite des pixels d'environ 200 nanomètres - la moitié de la longueur d'onde de la lumière que vous utilisez. Si nous devions construire un tel écran comme nous le faisons aujourd'hui, cela se traduirait rapidement par une quantité gigantesque de pixels; et c'est une énorme pierre d'achoppement.
Ainsi l'holographie ne démarrera pas tout de suite via les images tridimensionnelles qui apparaissent sur notre table basse. Nous verrons les premiers hologrammes numériques à travers un casque. En plaçant un écran juste devant nos yeux, l'angle de vision est automatiquement limité :derrière des lunettes, nos pupilles ne peuvent bouger que de quelques millimètres. Ainsi, pour les visiocasques, une taille de pixel de 4 à 10 micromètres suffira. Plusieurs laboratoires ont déjà commencé à développer des prototypes. Celles-ci finiront par se retrouver dans la prochaine génération d'applications de réalité augmentée, dans lesquelles elles créeront un affichage de profondeur parfait.
Indépendamment de ce à quoi ressemblera l'application, il reste cependant plusieurs obstacles à surmonter. Pour activer les applications holographiques, nous devons d'abord nous assurer que nous pouvons générer, encoder et transférer efficacement des données holographiques. Et c'est moins simple qu'il n'y paraît.
Dans les images ordinaires, chaque pixel est le résultat d'une onde lumineuse arrivant en ce point. Dans les hologrammes, chaque pixel est la somme de toutes les ondes lumineuses émises à partir de chaque point de la scène 3D enregistrée dans la ligne de visée de ce pixel. En d'autres termes, les mathématiques derrière le traitement des hologrammes sont complètement différentes. Les algorithmes classiques de traitement d'images ne fonctionneront plus si nous les appliquons simplement aux hologrammes.
De plus, comme nous voulons prendre en charge des angles de vision plus larges, les pixels doivent être plus petits, ce qui rend les ensembles de données énormes. Différents angles de vue ne peuvent jamais être vus en même temps par le même utilisateur, mais des données doivent être générées en continu pour cela. Si l'on procède de manière naïve, la production et la transmission d'hologrammes nécessiteraient une énorme puissance de calcul. Cela entraînerait une consommation d'électricité gigantesque.
Peter Schelkens, professeur à ETRO (un groupe de recherche imec à la VUB), a décidé de résoudre ces problèmes. Il a reçu une bourse ERC pour développer une nouvelle technologie de traitement du signal dans le cadre du projet "INTERFERE".
La première solution est une technique inventive pour calculer plus rapidement les hologrammes. Les nuages de points sont utilisés pour générer un hologramme, qui peut être créé, par exemple, avec un scanner LIDAR. Le moyen le plus simple de calculer un hologramme basé sur un tel nuage de points est de calculer la propagation de la lumière pour chaque point séparément, mais cela prend beaucoup de temps et de puissance informatique. La méthode INTERFERE divise un nuage de points en différentes parties et calcule des hologrammes locaux pour chaque plan de partie. Cela produit finalement des hologrammes tout aussi bons, mais la méthode est 2 500 fois plus rapide.
De plus, le projet ERC s'est concentré sur l'amélioration de la compression d'images. La clé de la compression des images réside dans l'omission (ou le rendu moins précis) de parties de cette image. Par exemple, les techniques de compression classiques essaieront de filtrer les fréquences spatiales plus élevées - parce que notre œil y est de toute façon moins sensible. Cependant, vous ne pouvez pas utiliser cette approche dans le cas de l'holographie, car les hologrammes sont construits avec précision avec beaucoup de contenu haute fréquence (notamment pour pouvoir prendre en charge des angles de vision plus larges). Néanmoins, INTERFERE a réussi à améliorer la compression d'image avec de nouvelles techniques, de sorte que moins de données sont nécessaires pour transmettre des hologrammes de la même qualité.
En outre, des hologrammes dynamiques ont également été étudiés, qui compensent le mouvement. Une nouvelle technique développée par les chercheurs d'INTERFERE permet de décrire tous les mouvements de translation possibles (avant, arrière, gauche, droite, haut et bas) et toutes les rotations possibles. Sur la base de ces informations de mouvement, un hologramme peut être manipulé de telle sorte que l'image suivante puisse être prédite avec précision. C'est un bond en avant spectaculaire. La technologie a déjà été intégrée dans un codec vidéo holographique.
Comparer objectivement des hologrammes et évaluer leur qualité est loin d'être une évidence. Le manque de mesures adéquates a donc été une lacune importante et un facteur inhibiteur dans la recherche holographique ces dernières années. Par conséquent, des procédures ont été définies pour la première fois dans l'étude de l'ERC pour déterminer la qualité des hologrammes.
Nous pouvons évaluer la qualité d'un hologramme de deux manières :soit avec une métrique objective (c'est-à-dire en testant diverses propriétés de l'hologramme), soit en demandant à des sujets humains d'évaluer subjectivement sa qualité. Ces tests utilisateurs sont les plus fiables, mais aussi très laborieux. Après tout, vous avez besoin de suffisamment de sujets de test pour obtenir des résultats statistiquement pertinents. Par conséquent, l'équipe INTERFERE a conçu une métrique objective qui a été entièrement validée par des expériences sur des sujets. Maintenant qu'une métrique aussi fiable est disponible, il n'est plus nécessaire de mettre en place des tests utilisateurs longs et coûteux pour tester la qualité d'un hologramme.
