Hologramski zasloni i zasloni svjetlosnog polja

Zaslon koji zna gdje je promatrač

Najjednostavniji način da zaslon pokaže prostornu sliku bez naočala jest da prestane pokazivati istu sliku svima. Uz zaslon se postavi kamera koja prati položaj očiju gledatelja. Program iz tog položaja izračuna dvije slike, po jednu za svako oko, a optika ispred ploče pobrine se da lijeva slika dođe samo do lijevog, a desna samo do desnog oka.

Takav se uređaj u ponudama redovito naziva hologramskim zaslonom, premda s hologramom u izvornom smislu nema veze: nema ni interferencije ni zapisa faze. Ono što ga čini uvjerljivim jest promjena pogleda pri pomaku (motion parallax). Kad gledatelj pomakne glavu ustranu, program preračuna prizor iz novog položaja, pa se bliži predmeti pomaknu više od daljih — upravo kao u stvarnosti.

Ograničenje je u tome što zaslon u svakom trenutku može posluživati samo jednog gledatelja. Druga osoba koja stane uz prvu vidjet će sliku izračunanu za tuđe oči i doživjeti izobličen prizor. Neki uređaji prate dvoje ljudi naizmjence, uz upola manju brzinu prikaza, ali skupina od pet ljudi oko stola ostaje izvan dosega.

Drugo ograničenje je kašnjenje. Ako od pomaka glave do osvježene slike prođe više od dvadesetak milisekundi, prizor zaostaje i doima se kao da pluta. Zbog toga takvi zasloni traže brzo praćenje i brzu ploču, obično na 120 Hz ili više, što poskupljuje cijeli sklop.

Zašto stereoskopija nije dovoljna

Prostorni dojam gradi se iz više tragova. Dva su najvažnija konvergencija — zakretanje očiju prema unutra kad se gleda bliski predmet — i akomodacija, promjena zakrivljenosti očne leće kojom se prizor izoštrava. Kod stvarnog predmeta oba traga govore isto: predmet je na pola metra.

Kod stereoskopskog zaslona oni se razilaze. Oči se zakreću prema mjestu na kojem se predmet čini da jest, recimo pola metra ispred ploče, ali izoštriti moraju samu ploču, koja je na dva metra. Taj se nesklad naziva nesklad konvergencije i akomodacije (vergence–accommodation conflict) i glavni je uzrok umora očiju i glavobolje pri dužem gledanju.

Postoji i drugi nedostatak. Stereoskopski par nosi točno dva pogleda, i to ona koja je odabrao autor snimke. Ako se gledatelj pomakne, prikaz ostane isti, pa se predmet doima kao da se okreće za njim. Kod zaslona koji prati pogled to je riješeno preračunavanjem, ali samo za jednog gledatelja.

Iz tablice se vidi zašto je svjetlosno polje sljedeći korak. Ono ne šalje dvije slike nego mnogo njih, svaku u svoj smjer. Time se vraća promjena pogleda pri pomaku, a ako je pogleda dovoljno gusto, i akomodacija se približi točnoj jer u zjenicu ulazi više susjednih pogleda odjednom.

Zaslon svjetlosnog polja

Svjetlosno polje (light field) opis je svjetlosti u prostoru koji za svaku točku i svaki smjer navodi koliko svjetlosti onuda prolazi. Obična ploha zaslona opisuje samo točke: svaki piksel šalje istu svjetlinu u sve smjerove. Zaslon svjetlosnog polja dodaje smjer.

Izvedba je začuđujuće jednostavna. Ispred ploče vrlo visoke razlučivosti postavi se mreža sitnih valjkastih leća ili pregrada s prorezima. Skupina od nekoliko desetaka susjednih piksela nalazi se ispod jedne leće, a leća svakog od njih šalje u drugi smjer. Gledatelj iz danog položaja vidi po jedan piksel iz svake skupine, i ti pikseli zajedno čine cjelovitu sliku — jedan pogled.

Uobičajeni uređaji te vrste daju 40 do 100 pogleda raspoređenih u kutu od približno 40 stupnjeva. Izvan tog kuta slika se ponavlja ili nestaje, pa je položaj gledatelja ograničen na luk pred zaslonom. Promjena pogleda je vodoravna; pri kretanju gore i dolje prizor se najčešće ne mijenja jer bi okomiti pogledi tražili još toliko puta više piksela.

Cijena je razlučivost. Ploča od 15 360 točaka u širini, podijeljena na 45 pogleda, svakom pogledu ostavlja oko 340 točaka. Prostorni dojam je uvjerljiv, ali je slika mekana i sitan tekst na njoj nije čitljiv. To je temeljna pogodba svih takvih uređaja: više pogleda znači glađe kretanje i mutniju sliku.

Koliko pogleda je dovoljno

Odgovor slijedi iz veličine zjenice. Ako su susjedni pogledi na mjestu gledatelja razmaknuti manje od promjera zjenice, u oko istodobno ulaze dva ili više njih i prijelaz se ne primjećuje. Ako su razmaknuti više, gledatelj pri pomaku glave osjeti skokove, kao da slika preskače s položaja na položaj.

Pri četrdeset pogleda u kutu od 40 stupnjeva kutni korak iznosi oko jednog stupnja. Na udaljenosti od 1,5 m to je razmak od približno 27 mm između susjednih pogleda, dakle mnogo više od promjera zjenice koji je od 2 do 5 mm. Prijelazi se stoga vide. Da bi bili neprimjetni, trebalo bi nekoliko stotina pogleda, a s njima i ploča razlučivosti kakva još ne postoji.

Drugi izlaz prikaza pokazuje drugu stranu iste pogodbe. Svako povećanje broja pogleda razmjerno smanjuje broj točaka koje pripadaju jednom pogledu. Pri sto pogleda i ploči od 7680 točaka ostaje ih 77 po pogledu, što je manje od širine slova u ovom retku. Zato se u praksi traži sredina: dovoljno pogleda da kretanje bude podnošljivo, dovoljno točaka da se predmet prepozna.

Dvije izvedbe usmjerivačke optike

Da bi piksel slao svjetlost samo u jedan smjer, ispred ploče mora stajati nešto što ostale smjerove zatvara ili preusmjerava. Izvedbe su dvije i obje su starije od same zamisli svjetlosnog polja.

Pregrada s prorezima (parallax barrier) je nepropusna maska s uskim prorezima postavljena na malenoj udaljenosti ispred ploče. Kroz svaki prorez iz danog smjera vidi se samo jedan piksel iz skupine ispod njega. Izvedba je jeftina i tanka, a postavljanje jednostavno. Nedostatak je očit: maska zaustavlja većinu svjetlosti, pa zaslon postaje osjetno tamniji i troši više energije za istu svjetlinu.

Mreža valjkastih leća (lenticular lens array) radi obrnuto. Umjesto da svjetlost zaustavi, ona je skreće, pa se gotovo sva iskoristi. Zaslon ostaje svijetao, ali je izrada zahtjevnija: leće moraju biti izrađene i postavljene s točnošću reda mikrometra, a i tada se pri rubovima pojavljuju prijelazni pojasevi u kojima se dva susjedna pogleda miješaju.

Obje izvedbe dijele istu posljedicu. Kut pod kojim se leća ili prorez postavlja obično nije okomit nego blago nagnut u odnosu na stupce piksela. Nagib se bira tako da se gubitak razlučivosti raspodijeli i po širini i po visini, umjesto da cijeli padne na širinu. Zato slika na takvim zaslonima izgleda ravnomjerno mekano, a ne razvučeno u jednom smjeru.

Hologramski zasloni u užem smislu

Postoje i zasloni koji naziv zaslužuju u izvornom smislu. Umjesto piksela koji nose boju, oni nose izračunani hologramski uzorak i obnavljaju valni oblik. Osnova im je prostorni modulator svjetlosti iz prethodne jedinice, uz proširenu lasersku zraku i optiku koja sliku podiže iznad ploče.

Takav zaslon rješava nesklad konvergencije i akomodacije jer oko doista izoštrava na udaljenost na kojoj se predmet čini da jest. Rješava i promjenu pogleda, i to neprekidno, a ne u koracima. Prepreka je količina podataka: za sliku pristojne veličine i kuta gledanja treba onoliko holo-piksela koliko je izračunato u prethodnoj jedinici, i to šezdeset puta u sekundi. Zato su ti uređaji zasad maleni, skupi i uglavnom laboratorijski.

Postoji i treća skupina koja miješa oba svijeta. Hologramski optički element (holographic optical element) je hologram koji ne prikazuje sliku nego se ponaša kao leća ili zrcalo. Otisnut u tanku foliju, on svjetlost s malenog zaslona uz sljepoočnicu skreće prema oku, a istodobno propušta pogled na prostoriju. Upravo se takvi elementi ugrađuju u prozirne zaslone naočala, pa u njima hologram ipak postoji — ne kao slika, nego kao optički dio.

Izbor za projekt HT-1

Zadatak traži robotsku ćeliju u mjerilu 1:1 na plohi od 96 m², tako da se oko nje može obići. Provjerimo redom što od navedenog to može.

Zaslon s praćenjem očiju otpada odmah: ćelija visoka dva i pol metra ne stane u prikaz koji izlazi iz ploče dijagonale 32 inča, a i gledatelj bi bio samo jedan. Zaslon svjetlosnog polja otpada iz istog razloga uvećanog za kut prikaza od 40 stupnjeva: gledatelj se ne može pomaknuti iza predmeta. Zaslon s modulatorom otpada zbog količine podataka.

Ostaju naočale. One nemaju nijedno od tih ograničenja jer sliku ne stvaraju u prostoru nego u oku, a prostor im služi samo kao okvir na koji se slika sidri. Gledatelj hoda gdje želi, prikaz ga slijedi, a mjerilo 1:1 ne košta ništa dodatno jer se slika ionako računa iz položaja glave.

Cijena tog izbora poznata je i mjerljiva: sliku vidi samo onaj tko naočale nosi, vidno polje iznosi 43 stupnja, a iznad 1500 lx prikaz blijedi. Za razgledavanje u dvoje trebaju dvoje naočala i zajedničko sidro, o čemu se govori u trećem modulu.

Vrijedi zapisati i obrnuti zaključak. Da je zadatak bio prikazati model prihvatnice na stolu, za skupinu od troje ljudi koji je zajedno razgledavaju, zaslon svjetlosnog polja bio bi bolji izbor od naočala: nema opreme na glavi, nema higijene dijeljenja uređaja i svi vide isto. Izbor uređaja uvijek slijedi iz veličine prikaza i broja gledatelja, a tek onda iz cijene.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.