Apesar de anos de exagero, os fones de ouvido de realidade virtual ainda não derrubaram as telas de TV ou computador como dispositivos essenciais para a visualização de va­deos. Um motivo: a RV pode fazer os usuários se sentirem mal . Podem ocorrer na¡useas e cansaa§o visual porque a RV cria uma ilusão de visualização 3D, embora o usua¡rio esteja, na verdade, olhando para uma tela 2D de distância fixa. A solução para uma melhor visualização 3D poderia estar em uma tecnologia de 60 anos refeita para o mundo digital: hologramas.

Os hologramas fornecem uma representação excepcional do mundo 3D ao nosso redor. Além disso, eles são lindos. (Va¡ em frente - verifique a pomba hologra¡fica em seu cartão Visa.) Os hologramas oferecem uma perspectiva varia¡vel com base na posição do observador e permitem que o olho ajuste a profundidade focal para focar alternadamente no primeiro e no segundo plano.

Os pesquisadores hámuito buscam fazer hologramas gerados por computador, mas o processo tradicionalmente requer um supercomputador para fazer simulações físicas, o que édemorado e pode produzir resultados menos do que fotorreala­sticos. Agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova maneira de produzir hologramas quase instantaneamente - e o manãtodo baseado no aprendizado profundo étão eficiente que pode ser executado em um laptop em um piscar de olhos, dizem os pesquisadores.

“As pessoas pensavam anteriormente que, com o hardware existente para o consumidor, seria impossí­vel fazer ca¡lculos de holografia 3D em tempo real”, diz Liang Shi, principal autor do estudo e aluno de doutorado no Departamento de Engenharia Elanãtrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT. “Costuma-se dizer que as telas hologra¡ficas disponí­veis comercialmente estara£o disponí­veis em 10 anos, mas esta afirmação já existe hádécadas”.

Shi acredita que a nova abordagem, que a equipe chama de “holografia tensorial”, finalmente trara¡ essa meta indescrita­vel de 10 anos ao seu alcance. O avanço pode impulsionar a holografia em campos como VR e impressão 3D.

Shi trabalhou no estudo, publicado hoje na Nature , com seu orientador e coautor Wojciech Matusik. Outros co-autores incluem Beichen Li do EECS e o Laborata³rio de Ciência da Computação e Inteligaªncia Artificial do MIT, bem como os ex-pesquisadores do MIT Changil Kim (agora no Facebook) e Petr Kellnhofer (agora na Universidade de Stanford).

Uma fotografia ta­pica baseada em lentes codifica o brilho de cada onda de luz - uma foto pode reproduzir fielmente as cores de uma cena, mas acaba produzindo uma imagem plana.

Em contraste, um holograma codifica o brilho e a fase de cada onda de luz. Essa combinação oferece uma representação mais verdadeira da paralaxe e da profundidade de uma cena. Assim, enquanto uma fotografia dos “Nenaºfares” de Monet pode destacar a paleta de cores das pinturas, um holograma pode dar vida ao trabalho, reproduzindo a textura 3D exclusiva de cada pincelada. Mas, apesar de seu realismo, os hologramas são um desafio para fazer e compartilhar.

Desenvolvido pela primeira vez em meados de 1900, os primeiros hologramas foram gravados opticamente. Isso exigia a divisão de um feixe de laser, com metade do feixe usado para iluminar o assunto e a outra metade usada como referaªncia para a fase das ondas de luz. Essa referaªncia gera uma sensação única de profundidade de um holograma. As imagens resultantes eram esta¡ticas, então não podiam capturar movimento. E eram apenas ca³pias impressas, o que os tornava difa­ceis de reproduzir e compartilhar.

A holografia gerada por computador contorna esses desafios simulando a configuração a³ptica. Mas o processo pode ser um trabalho a¡rduo computacional. “Como cada ponto da cena tem uma profundidade diferente, vocênão pode aplicar as mesmas operações para todos eles”, diz Shi. “Isso aumenta significativamente a complexidade.” Direcionar um supercomputador agrupado para executar essas simulações baseadas em física pode levar segundos ou minutos para uma única imagem hologra¡fica. Além disso, os algoritmos existentes não modelam a oclusão com precisão fotorreala­stica. Portanto, a equipe de Shi adotou uma abordagem diferente: deixar o computador ensinar física a si mesmo.

Eles usaram o 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 treina¡veis ​​para imitar aproximadamente como os humanos processam as informações visuais. O treinamento de uma rede neural normalmente requer um grande conjunto de dados 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 combinou uma imagem - incluindo informações de cor e profundidade para 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 varia¡veis, com a profundidade dos pixels distribua­da uniformemente do fundo para o primeiro plano, e com um novo conjunto de ca¡lculos baseados na física para lidar com a oclusão. Essa abordagem resultou em dados de treinamento fotorreala­sticos. Em seguida, o algoritmo começou a funcionar.

Ao aprender com cada par de imagens, a rede tensorial ajustou os parametros de seus pra³prios ca¡lculos, aumentando sucessivamente sua capacidade de criar hologramas. A rede totalmente otimizada operou ordens de magnitude mais rápido do que os ca¡lculos baseados na física. Essa eficiência surpreendeu a própria equipe.

“Estamos maravilhados com o seu desempenho”, diz Matusik. Em meros milissegundos, a holografia tensorial pode criar hologramas a partir de imagens com informações de profundidade - que são fornecidas por imagens tipicas geradas por computador e podem ser calculadas a partir de uma configuração multica¢mera ou sensor LiDAR (ambos são padrãoem alguns novos smartphones). Este avanço abre caminho para holografia 3D em tempo real. Além do mais, a rede de tensores compactos requer menos de 1 MB de memória. “a‰ insignificante, considerando as dezenas e centenas de gigabytes disponí­veis no celular mais recente”, diz ele.

A pesquisa “mostra que os verdadeiros monitores hologra¡ficos 3D são práticos, com apenas requisitos computacionais moderados”, diz Joel Kollin, um dos principais arquitetos a³pticos da Microsoft que não esteve envolvido na pesquisa. Ele acrescenta que “este artigo mostra uma melhora acentuada na qualidade da imagem em relação ao trabalho anterior”, o que “adicionara¡ realismo e conforto para o visualizador”. Kollin também sugere a possibilidade de que telas hologra¡ficas como essa possam ser personalizadas para a prescrição ofta¡lmica do visualizador. “As exibições hologra¡ficas podem corrigir as aberrações no olho. Isso possibilita uma imagem de exibição mais na­tida do que o que o usua¡rio poderia ver com contatos ou a³culos, o que são corrige aberrações de baixa ordem, como foco e astigmatismo. ”

A holografia 3D em tempo real aprimoraria uma sanãrie de sistemas, de VR a  impressão 3D. A equipe afirma que o novo sistema pode ajudar a imergir os visualizadores de RV em um cena¡rio mais realista, ao mesmo tempo que elimina o cansaa§o visual e outros efeitos colaterais do uso de RV a longo prazo. A tecnologia poderia ser facilmente implantada em monitores que modulam a fase das ondas de luz. Atualmente, os monitores de consumo mais acessa­veis modulam apenas o brilho, embora o custo dos monitores com modulação de fase cairia se fosse amplamente adotado.

A holografia tridimensional também pode impulsionar o desenvolvimento da impressão 3D volumanãtrica, dizem os pesquisadores. Essa tecnologia pode ser mais rápida e precisa do que a impressão 3D tradicional camada por camada, uma vez que a impressão 3D volumanãtrica permite a projeção simulta¢nea de todo o padrão3D. Outras aplicações incluem microscopia, visualização de dados médicos e o design desuperfÍcies com propriedades a³pticas exclusivas.

“a‰ um salto considera¡vel que pode mudar completamente as atitudes das pessoas em relação a  holografia”, diz Matusik. “Sentimos que as redes neurais nasceram para essa tarefa.”

O trabalho foi apoiado, em parte, pela Sony.