La tecnología holográfica convierte las gafas comunes en un país de las maravillas 3D

Utilizando holografía e inteligencia artificial, estas gafas pueden mostrar imágenes en movimiento en 3D a todo color además de una vista sencilla del mundo real. Crédito: Andrew Brodhead

Los ingenieros de Stanford afirman haber logrado un avance significativo en la realidad aumentada combinando avances en tecnologías de visualización, imágenes holográficas e inteligencia artificial.

Investigadores en el innovador campo de la informática espacial han creado un prototipo de casco de realidad aumentada que proyecta imágenes dinámicas en 3D a todo color en las lentes de lo que parecen gafas normales. Este nuevo modelo proporciona una experiencia 3D visualmente inmersiva en un diseño elegante y cómodo que es fácil de usar todo el día, a diferencia de los voluminosos sistemas de realidad aumentada actuales.

«Nuestros auriculares miran al mundo exterior como gafas de uso diario, pero lo que el usuario ve a través de las lentes es un mundo enriquecido cubierto de imágenes 3D computarizadas vibrantes y a todo color», dijo Gordon Wetzstein, profesor asociado de ingeniería eléctrica. y experto en el campo rápidamente emergente de la informática espacial. Wetzstein y un equipo de ingenieros presentan su dispositivo en un nuevo artículo de la revista. Naturaleza.

Aunque ahora es sólo un prototipo, dicen que esta tecnología podría transformar campos que van desde los juegos y el entretenimiento hasta la capacitación y la educación, en cualquier lugar donde las imágenes computarizadas puedan mejorar o informar la comprensión del mundo que los rodea por parte del usuario.

«Uno puede imaginar a un cirujano usando gafas de este tipo para planificar una cirugía delicada o compleja o a un mecánico de aviones usándolas para aprender a trabajar en el último motor a reacción», dijo Manu Gopakumar, estudiante de doctorado en el laboratorio Computational Imaging de Stanford dirigido por Wetzstein y su colega. dijo el primer autor del artículo.

Se superan los obstáculos

El nuevo enfoque es el primero en atravesar un complejo laberinto de requisitos de ingeniería que hasta ahora han producido auriculares no rentables o experiencias visuales en 3D poco satisfactorias que pueden dejar al usuario fatigado visualmente o incluso con un poco de náuseas en ocasiones.

«No existe ningún otro sistema de realidad aumentada en este momento con un factor de forma compacto comparable o que iguale la calidad de nuestras imágenes 3D», dijo Gun-Yeal Lee, investigador postdoctoral en el laboratorio de Stanford Computational Imaging y co-primer autor del artículo.

Para tener éxito, los investigadores superaron obstáculos técnicos mediante una combinación de imágenes holográficas mejoradas por IA y novedosos enfoques de dispositivos nanofotónicos. El primer obstáculo fue que las técnicas de visualización de imágenes de realidad aumentada requieren a menudo el uso de sistemas ópticos complejos. En estos sistemas, el usuario en realidad no ve el mundo real a través de las lentes de los auriculares. En cambio, las cámaras montadas en el exterior de los auriculares capturan el mundo en tiempo real y combinan esa imagen con una imagen computarizada. La imagen combinada resultante se proyecta luego estereoscópicamente al ojo del usuario.

“El usuario ve una aproximación digitalizada del mundo real con imágenes computarizadas superpuestas. Es una especie de realidad virtual aumentada, no una verdadera realidad aumentada”, explicó Lee.

Estos sistemas, explica Wetzstein, son necesariamente voluminosos porque utilizan lentes de aumento entre el ojo del usuario y las pantallas de proyección, lo que requiere una distancia mínima entre el ojo, las lentes y las pantallas, lo que genera un tamaño adicional.

«Más allá de la torpeza, estas limitaciones también pueden conducir a un realismo perceptivo insatisfactorio y, a menudo, a molestias visuales», dijo Suyeon Choi, estudiante de doctorado en el laboratorio de Imágenes Computacionales de Stanford y coautor del documento.

Una aplicación asesina

Para producir imágenes en 3D visualmente más satisfactorias, Wetzstein pasó por alto los enfoques estereoscópicos tradicionales en favor de la holografía, una técnica visual ganadora del Nobel desarrollada a finales de los años cuarenta. A pesar de la gran promesa de las imágenes 3D, una adopción más generalizada de la holografía se ha visto limitada por la incapacidad de representar indicaciones precisas de la profundidad 3D, lo que ha llevado a una experiencia visual aburrida y a veces nauseabunda.

El equipo de Wetzstein utilizó IA para mejorar las señales de profundidad en imágenes holográficas. Luego, utilizando avances en nanofotónica y tecnologías de visualización de guías de ondas, los investigadores pudieron proyectar hologramas calculados en las lentes de las gafas sin depender de ópticas adicionales voluminosas.

Se construye una guía de ondas grabando patrones a escala nanométrica en la superficie de la lente. Pequeñas pantallas holográficas montadas en cada templo proyectan las imágenes calculadas a través de patrones grabados que hacen rebotar la luz en la lente antes de que llegue directamente al ojo del espectador. Al mirar a través de las lentes de las gafas, el usuario ve tanto el mundo real como las imágenes calculadas en 3D a todo color que se muestran en la parte superior.

Calidad como la vida

El efecto 3D se mejora porque se crea tanto estereoscópicamente, en el sentido de que cada ojo ve una imagen ligeramente diferente como lo haría en las imágenes 3D tradicionales, como holográficamente.

«Con la holografía, también se obtiene el volumen 3D completo delante de cada ojo, lo que aumenta la calidad de las imágenes 3D realistas», dijo Brian Chao, estudiante de doctorado en el laboratorio de Imágenes Computacionales de Stanford y también coautor del documento.

El resultado final de las nuevas técnicas de visualización de guías de ondas y las mejoras en las imágenes holográficas es una experiencia visual 3D real que resulta visualmente satisfactoria para el usuario sin la fatiga que desafiaba los enfoques anteriores.

«Las pantallas holográficas han sido consideradas durante mucho tiempo la técnica 3D definitiva, pero nunca han logrado ese gran avance comercial», dijo Wetzstein. «Tal vez ahora tengan la excelente aplicación que han estado esperando todos estos años».

Referencia: “Pantallas holográficas 3D de realidad aumentada a todo color con guías de ondas de metasuperficie” por Manu Gopakumar, Gun-Yeal Lee, Suyeon Choi, Brian Chao, Yifan Peng, Jonghyun Kim y Gordon Wetzstein, 8 de mayo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07386-0

Esta investigación fue financiada por una beca de posgrado en ciencia e ingeniería de Stanford, la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación, la beca Kwanjeong, la beca de doctorado Meta Research, el premio ARO PECASE, Samsung y el programa de premios de investigación Sony. Parte de este trabajo se llevó a cabo en Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) y Stanford Nanofabrication Facility (SNF), con el apoyo de la National Science Foundation y la National Coordinated Nanotechnology Infrastructure.