Viajando al futuro: hologramas 3D en tiempo real

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Star Wars: Una Nueva Esperanza, fue de las primeras visualizaciones que hubo sobre cómo sería la tecnología en el futuro. No se está hablando en la actualidad de guerras intergalácticas, pero sí de hologramas en 3D creados casi instantáneamente. El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) está desarrollando un nuevo método llamado holografía tensorial, que permitiría crear hologramas para Realidad Virtual (VR), impresión 3D, imágenes médicas y más.

Los hologramas son representaciones del mundo en tercera dimensión y ofrecen una perspectiva que se ajusta a la posición visual del espectador. Los investigadores llevaban años indagando cómo podían generar estos hologramas por computadora. Sin embargo, el proceso era extremadamente complejo, pues requería una supercomputadora que realizara simulaciones físicas que toman mucho tiempo en hacerse, logrando resultados menos que fotorrealistas.

Ahora, con las nuevas tecnologías que se han estado desarrollando y con los nuevos hallazgos que se hacen día tras día en los campos digitales, investigadores del MIT junto con ayuda de Sony han logrado producir hologramas casi al instante utilizando una metodología basada en el deep learning. Para comprender a mayor profundidad cómo funciona esto, es clave mencionar que los algoritmos que se basan en deep learning tienen una ventaja significativa sobre las generaciones anteriores de algoritmos de machine learning, pues hacen un mejor uso de conjuntos de datos mucho más grandes. Esto los vuelve tan eficientes, que se pueden ejecutar en una computadora sencilla en un abrir y cerrar de ojos.

Liang Shi, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT, estableció que antes las personas pensaban que con el hardware existente era prácticamente imposible hacer cálculos holográficos en 3D en tiempo real. Comentó que se decía que las pantallas holográficas estarían disponibles en 10 años; desafortunadamente, esta afirmación estuvo presente por décadas. Shi cree que la holografía tensorial finalmente podrá llegar a este objetivo futurista que se tiene desde hace mucho tiempo.

La ciencia que está detrás de los hologramas es distinta a la de una fotografía. Mientras que la última codifica el brillo de cada onda de luz, el primero codifica el brillo y la fase de cada onda de luz, ofreciendo así una imagen más fiel.

La holografía generada por computadora busca simular una configuración óptica, pero el problema es que este proceso es un trabajo duro a nivel computacional. Esto es debido a que cada punto de la escena (o imagen) tiene una profundidad diferente, por lo que no se pueden aplicar las mismas operaciones para todos. Siguiendo esta lógica, tomaría bastantes minutos dirigir una supercomputadora agrupada para ejecutar estas simulaciones basadas en la física para una sola imagen holográfica. Así que el equipo de Shi adoptó un enfoque diferente: dejar que la computadora aprendiera física por sí misma.

De esta manera, el equipo de Shi utilizó deep learning para acelerar la holografía generada por computadora, permitiendo la generación de hologramas en tiempo real. Diseñaron una herramienta basada en una técnica de procesamientos que utiliza una cadena de tensores entrenables para imitar la manera en que los humanos procesan la información visual; esto se llama red neural convolucional. El entrenamiento de este tipo de redes requiere un conjunto grande y de alta calidad de datos.

Fue por esto que el equipo diseñó una base de datos personalizada de cuatro mil pares de imágenes generadas por computadora. Cada par hizo coincidir una imagen, incluida la información de color y profundidad de cada píxel, con su holograma correspondiente. Para crear los hologramas en la nueva base de datos, los investigadores utilizaron nuevas escenas que tenían formas y colores complejos y variables, con la profundidad de píxeles distribuida uniformemente desde el fondo hasta el primer plano, y con un nuevo conjunto de cálculos basados ​​en la física para manejar la oclusión. Ese enfoque resultó en datos de entrenamiento fotorrealistas. A continuación, el algoritmo se puso a trabajar. Aprendió cada par de imágenes y modificó los parámetros para sus propios cálculos, mejorando sucesivamente su capacidad para crear hologramas. La red totalmente optimizada operó órdenes de magnitud más rápido que los cálculos basados ​​en la física.

En sólo milisegundos, la holografía tensorial tiene el potencial de crear hologramas a partir de imágenes con información de profundidad, que se proporciona mediante imágenes típicas generadas por computadora y se puede calcular a partir de una configuración multicámara. Este avance abre el camino para la holografía 3D en tiempo real. Además, la red tensorial compacta requiere menos de 1 MB de memoria.

La holografía 3D en tiempo real mejoraría una gran cantidad de sistemas, desde la Realidad Virtual hasta la impresión 3D. El equipo dice que el nuevo sistema podría ayudar a sumergir a los espectadores de Realidad Virtual en escenarios más realistas, al tiempo que elimina la fatiga visual y otros efectos secundarios del uso prolongado del entorno virtual. La holografía en tercera dimensión también podría impulsar el desarrollo de la impresión 3D volumétrica, pues la tecnología podría resultar más rápida y precisa que la impresión tradicional capa por capa.

Tal y como dijo la princesa Leia a Obi-Wan, la tecnología y la innovación son la única esperanza. A partir de ahora, ya sólo queda esperar el momento en que mundos como el de Ready Player One se vean en el día a día.

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