Op zoek naar de heilige graal van de holografie

Wie herinnert zich niet de legendarische Star Wars-scène waarin een hologram van Prinses Leia wanhopig de hulp inroept van Luke Skywalker en zijn kameraden? Holografie op zijn best, in een film die intussen al meer dan veertig jaar oud is. Om deze Star Wars-visie ooit werkelijkheid te laten worden, hebben we nog een lange weg af te leggen.

Vandaag kunnen we natuurlijk wel de perceptie van driedimensionale beelden opwekken met een 3D-brilletje in de bioscoop of met een VR-headset op ons hoofd. Daarbij krijgt ons linkeroog een ander beeld te zien dan ons rechteroog, waarna onze hersenen een driedimensionale illusie tot leven wekken. De kijkervaring bij dergelijke stereoscopische projecties is echter weinig comfortabel. Dat is de schuld van het zogenaamde accomodatie-vergentie-conflict. Wanneer we in normale omstandigheden naar een dichtbijgelegen object kijken, dan draaien onze oogbollen zich naar onze neus toe (convergentie). Kijken we naar een verafgelegen object, dan maken ze de omgekeerde beweging (divergentie). Tegelijk past de sterkte van onze ooglens zich aan om het object op die gewenste afstand scherp te zien (accomodatie). Wordt het beeld echter geprojecteerd op een VR-bril dan staren onze oogbollen naar een scherm dat zich op enkele centimeters bevindt, terwijl we onze ooglens vragen om zich te concentreren op een punt in een verafgelegen gesimuleerde wereld. Onze ogen kunnen deze spreidstand in de virtuele realiteit wel eventjes volhouden, maar na verloop van tijd kunnen we daardoor behoorlijk vermoeid raken.

Bij een holografische tafeldisplay – zoals we die kennen uit Star Wars – verdwijnt dat probleem. We zouden dan een driedimensionale illusie boven een tafel zien verschijnen zonder dat onze hersenen een conflict ervaren. Een hoge diepte-resolutie bij verschillende kijkhoeken zou bovendien een levensechte kijkervaring creëren. Daarom vormen zulke schermen al lang de heilige graal voor iedereen die technologie ontwikkelt om driedimensionale percepties op te wekken.

Daar zijn we echter nog lang niet aan toe. Eén van de belangrijkste hinderpalen is dat zo’n holografische tafeldisplay een enorme hoeveelheid holografische pixels nodig heeft. Hoe groter het scherm, hoe breder de kijkhoek die je moet ondersteunen en hoe kleiner de pixels moeten zijn. Voor de ontwikkeling van een holografische tafeldisplay met een kijkhoek van 180° zijn er pixels nodig met een grootte van ongeveer 200 nanometer - de helft van de golflengte van het licht dat je gebruikt. Als we zo’n scherm zouden bouwen op de manier zoals we dat vandaag doen, resulteert dat al snel in een gigantische hoeveelheid pixels; en dat is een gigantisch struikelblok.

De holografie zal dus niet meteen van start gaan via driedimensionale beelden die op onze salontafel verschijnen. De eerste digitale hologrammen zullen we via een headset bekijken. Met een beeldscherm vlak voor onze ogen te plaatsen, wordt de kijkhoek namelijk automatisch beperkt: achter een bril kunnen onze pupillen slechts enkele millimeters bewegen. Daarom zal voor head-mounted schermen een pixelgrootte van 4 tot 10 micrometer volstaan. Verschillende labo’s zijn al begonnen met de ontwikkeling van prototypes. Die zullen uiteindelijk hun weg vinden naar de volgende generatie augmented reality-toepassingen, waarin ze een perfecte diepteweergave zullen creëren.  

Los van hoe de toepassing er precies zal uitzien, zijn er echter nog verschillende obstakels te overwinnen. Om holografische toepassingen überhaupt mogelijk te maken,  moeten we er eerst voor zorgen dat we holografische data efficiënt kunnen genereren, coderen en overdragen. En dat is minder eenvoudig dan het lijkt.

Bij gewone beelden is elke pixel het resultaat van een lichtgolf die op dat punt aankomt. Bij hologrammen is elke pixel de som van alle lichtgolven die door elk punt van de opgenomen 3D scène binnen de zichtlijn van die pixel worden uitgezonden. Met andere woorden, de wiskunde achter de verwerking van hologrammen is totaal verschillend. Klassieke beeldverwerkingsalgoritmes zullen niet meer werken als we ze zonder meer toepassen op hologrammen.

Naarmate we grotere kijkhoeken willen ondersteunen, moeten de pixels bovendien kleiner zijn, waardoor de datasets enorm worden. Verschillende kijkhoeken kunnen nooit tegelijkertijd door eenzelfde gebruiker worden bekeken, maar er moet wel voortdurend data voor gegenereerd worden. Als we daarvoor op een naïeve manier te werk gaan, zou de productie en transmissie van hologrammen ontzettend veel rekenkracht vragen. Dat zou een gigantisch  elektriciteitsverbruik met zich meebrengen.

Peter Schelkens, als professor verbonden aan ETRO (een imec-onderzoeksgroep aan de VUB), besloot om deze problemen op te lossen. Hij kreeg een ERC-beurs om nieuwe signaalverwerkingstechnologie te ontwikkelen binnen het project 'INTERFERE'.

De eerste oplossing is een inventieve techniek om sneller hologrammen te kunnen berekenen. Om een hologram te genereren wordt gebruik gemaakt van puntenwolken, die bijvoorbeeld kunnen worden gecreëerd met een LIDAR-scanner. De eenvoudigste manier om een hologram te berekenen op basis van zo'n puntenwolk is om de lichtpropagatie voor elk punt afzonderlijk te uit te rekenen, maar dat kost ontzettend veel tijd en computerkracht. De methode van INTERFERE verdeelt een puntenwolk in verschillende delen en berekent - voor elk deelvlak - lokale hologrammen. Dat levert uiteindelijk even goede hologrammen op, maar de methode is  2.500 keer sneller.

Daarnaast richtte het ERC-project zich op het verfijnen van de beeldcompressie. De sleutel tot het comprimeren van beelden zit hem in het weglaten – of minder nauwkeurig weergeven – van stukken van dat beeld. Zo zullen klassieke compressietechnieken bijvoorbeeld proberen om hogere spatiale frequenties weg te filteren – omdat ons oog daar sowieso minder gevoelig voor is. Die benadering kan je in het geval van holografie echter niet gebruiken, omdat hologrammen precies gebouwd worden met zeer veel hoogfrequente inhoud (niet in het minst om grotere kijkhoeken te kunnen ondersteunen). Desondanks slaagde INTERFERE erin om met nieuwe technieken de beeldcompressie te verbeteren, zodat er minder data nodig is om hologrammen van dezelfde kwaliteit door te sturen.

Verder werden ook dynamische hologrammen onderzocht, waarbij gecompenseerd wordt voor beweging. Een nieuwe techniek die de INTERFERE-onderzoekers hebben ontwikkeld, maakt het mogelijk om alle mogelijke translatiebewegingen (voorwaarts, achterwaarts, links, rechts, omhoog en omlaag) en alle mogelijke rotaties te beschrijven. Op basis van die bewegingsinfo kan een hologram zo gemanipuleerd worden dat het volgende beeld precies voorspeld kan worden. Dat is een spectaculaire sprong voorwaarts. De techniek werd  al geïntegreerd in een holografische videocodec.

Hologrammen objectief vergelijken en de kwaliteit ervan inschatten, is verre van evident. Het ontbreken van een adequate metriek was de voorbije jaren dan ook een belangrijke lacune en een remmende factor in het holografisch onderzoek. Daarom werden binnen het ERC-onderzoek ook voor het eerst procedures gedefinieerd om de kwaliteit van hologrammen vast te stellen.

We kunnen de kwaliteit van een hologram op twee manieren evalueren: ofwel met een objectieve metriek (d.w.z. door verschillende eigenschappen van het hologram te testen) ofwel door menselijke proefpersonen de kwaliteit ervan subjectief te laten beoordelen. Die gebruikerstesten zijn het meest betrouwbaar, maar ook zeer arbeidsintensief. Om statistisch relevante resultaten te verkrijgen, heb je immers genoeg proefpersonen nodig. Daarom ontwierp het INTERFERE-team een objectieve metriek die grondig gevalideerd werd door middel van experimenten met proefpersonen. Nu zo’n betrouwbare metriek er is, moeten niet langer telkens tijdrovende en dure gebruikerstesten worden opgezet om de kwaliteit van een hologram te testen.