América Latina. Apesar de anos de hype, os fones de ouvido de realidade VIRTUAL ainda não ultrapassaram as telas de TV ou computador como dispositivos de referência para visualização de vídeo.
Uma razão: a realidade VIRTUAL pode fazer com que os usuários se sintam mal. Náuseas e tensão nos olhos podem ocorrer porque a realidade virtual cria uma ilusão de visualização 3D, embora o usuário esteja de fato olhando para uma tela 2D de distância fixa. A solução para uma melhor visualização 3D pode estar em uma tecnologia de 60 anos refeita para o mundo digital: hologramas.
Hologramas oferecem uma representação excepcional do mundo 3D ao nosso redor. Além disso, são lindas. Os hologramas oferecem uma perspectiva de mudança baseada na posição do espectador, e permitem que o olho ajuste a profundidade focal para alternar o primeiro plano e o fundo.
Os pesquisadores há muito buscam fazer hologramas gerados por computador, mas o processo tradicionalmente requer um supercomputador para realizar simulações físicas, que é demorado e pode produzir menos do que resultados fotorealistas. Agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova maneira de produzir hologramas quase instantaneamente, e o método baseado em aprendizagem profunda é tão eficiente que pode ser executado em um laptop em um piscar de olhos, dizem os pesquisadores.
"As pessoas pensaram anteriormente que, com o hardware de consumo existente, era impossível fazer cálculos de holografia 3D em tempo real", diz Liang Shi, principal autora do estudo e doutoranda no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT. "Muitas vezes foi dito que exposições holográficas disponíveis comercialmente estarão disponíveis em 10 anos, mas essa afirmação existe há décadas."
Shi acredita que a nova abordagem, que a equipe chama de "holografia tensor", finalmente colocará essa meta esquiva de 10 anos ao alcance. A descoberta poderia alimentar um transbordamento de holografia em campos como realidade virtual e impressão 3D.
Shi trabalhou no estudo, publicado hoje na Nature, com seu conselheiro e coautor Wojciech Matusik. Outros coautores incluem Beichen Li da EECS e o Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT, bem como os ex-pesquisadores do MIT Changil Kim (agora no Facebook) e Petr Kellnhofer (agora na Universidade de Stanford).
A busca por um 3D melhor
Uma fotografia típica baseada em lentes codifica o brilho de cada onda de luz; uma foto pode reproduzir fielmente as cores de uma cena, mas, em última análise, produz uma imagem plana.
Em contraste, um holograma codifica tanto o brilho quanto a fase de cada onda de luz. Essa combinação oferece uma descrição mais fiel do paralaxe e profundidade de uma cena. Assim, enquanto uma fotografia de "Lírios de Água" de Monet pode destacar a paleta de cores das pinturas, um holograma pode trazer a obra à vida, representando a textura 3D única de cada pincelada. Mas apesar de seu realismo, hologramas são um desafio para fazer e compartilhar.
Desenvolvidos pela primeira vez em meados do século XX, os primeiros hologramas foram registrados opticamente. Isso exigiu a divisão de um raio laser, com metade do feixe usado para iluminar o sujeito e a outra metade usada como referência para a fase das ondas de luz. Esta referência gera a sensação única de profundidade de um holograma. As imagens resultantes eram estáticas, então não conseguiram capturar o movimento. E eram apenas cópias impressas, o que dificultava a reprodução e o compartilhamento.
A holografia gerada por computador evita esses desafios simulando a configuração óptica. Mas o processo pode ser um trabalho árduo computacional. "Como cada ponto da cena tem uma profundidade diferente, você não pode aplicar as mesmas operações a todos", diz Shi. "Isso aumenta significativamente a complexidade." Executar um supercomputador agrupado para executar essas simulações baseadas em física pode levar segundos ou minutos para uma única imagem holográfica. Além disso, algoritmos existentes não modelam a oclusão com precisão fotorealista. Então a equipe de Shi tomou uma abordagem diferente: deixar o computador ensinar física a si mesmo.
Eles usaram aprendizado profundo para acelerar a holografia gerada por computador, permitindo a geração de hologramas em tempo real. A equipe projetou uma rede neural convolucional, uma técnica de processamento que usa uma cadeia de tensores treinentes para imitar aproximadamente como os humanos processam informações visuais. Treinar uma rede neural geralmente requer um conjunto de dados grande e de alta qualidade, que não existia anteriormente para hologramas 3D.
A equipe construiu um banco de dados personalizado de 4.000 pares de imagens geradas por computador. Cada par combinava uma imagem, incluindo as informações de cor e profundidade de cada pixel, com seu holograma correspondente. Para criar os hologramas no novo banco de dados, os pesquisadores usaram cenas com formas e cores complexas e variáveis, com a profundidade dos pixels distribuídos uniformemente de fundo em primeiro plano, e com um novo conjunto de cálculos baseados em física para lidar com a oclusão. Essa abordagem resultou em dados de treinamento fotorealista. Em seguida, o algoritmo tem que funcionar.
Ao aprender com cada par de imagens, a rede tensor modificou os parâmetros de seus próprios cálculos, melhorando sucessivamente sua capacidade de criar hologramas. A rede totalmente otimizada operava ordens de magnitude mais rápido do que os cálculos baseados em física. Essa eficiência surpreendeu a própria equipe.
"Estamos impressionados com o quão bem funciona", diz Matusik. Em apenas milissegundos, a holografia tensor pode criar hologramas a partir de imagens com informações de profundidade, que são fornecidas por imagens típicas geradas por computador e podem ser calculadas a partir de uma configuração de várias câmeras ou de um sensor LiDAR (ambos são padrão em alguns novos smartphones). Este avanço abre caminho para a holografia 3D em tempo real. Além disso, a rede tensor compacta requer menos de 1 MB de memória. "É insignificante, considerando as dezenas e centenas de gigabytes disponíveis no celular mais recente", diz ele.
A pesquisa "mostra que verdadeiros displays holográficos 3D são práticos apenas com requisitos computacionais moderados", diz Joel Kollin, arquiteto óptico chefe da Microsoft que não estava envolvido na pesquisa. Ele acrescenta que "este documento mostra uma melhoria acentuada na qualidade da imagem em relação ao trabalho anterior", o que "adicionará realismo e conforto ao espectador". Kollin também sugere a possibilidade de que telas holográficas como esta possam até ser personalizadas para a prescrição oftalmica do espectador. "Telas holográficas podem corrigir aberrações no olho. Isso torna possível uma imagem de tela mais nítida do que o usuário pode ver com lentes de contato ou óculos, que só corrijam para aberrações de baixa ordem, como foco e astigmatismo."
"Um salto considerável"
A holografia 3D em tempo real melhoraria uma infinidade de sistemas, da realidade virtual à impressão 3D. A equipe diz que o novo sistema poderia ajudar a imergir os espectadores vr em cenários mais realistas, ao mesmo tempo em que elimina a tensão ocular e outros efeitos colaterais do uso prolongado de VR. A tecnologia poderia ser facilmente implementada em displays que modulam a fase das ondas de luz. Atualmente, os displays de consumidores mais acessíveis modulam apenas o brilho, embora o custo dos displays de modulação de fase diminuísse se fossem amplamente adotados.
A holografia tridimensional também poderia impulsionar o desenvolvimento da impressão 3D volumosa, dizem os pesquisadores. Esta tecnologia pode ser mais rápida e precisa do que a impressão 3D camada por camada tradicional, já que a impressão 3D volumostrica permite a projeção simultânea de todo o padrão 3D. Outras aplicações incluem microscopia, visualização de dados médicos e design de superfície com propriedades ópticas únicas.
"É um salto considerável que pode mudar completamente a atitude das pessoas em relação à holografia", diz Matusik. "Sentimos que as redes neurais nasceram para essa tarefa."
O trabalho foi apoiado, em parte, pela Sony.
Texto escrito por Daniel Ackerman do MIT.
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