Images 3D de style Star Wars créées à partir d’un seul grain de mousse (vidéo)

Un globe dans un affichage volumétrique. Cette photo a été prise avec des temps d’exposition de 0,025 à 20 secondes. (Seules les images dessinées dans les 0,1 secondes qui suivent apparaissent sous forme d’images continues pour l’œil humain.) Crédit: Eimontas Jankauskis / Univ. Sussex

Mis au point par une équipe anglo-japonaise, le « MATD » est été capable de produire simultanément un contenu visuel, auditif et tactile grâce à l’acoustophorèse ou lévitation acoustique… digne de Star Wars !

En un clic de clavier, Ryuji Hirayama donne vie à une perle de mousse apathique. La tache blanche se lève et plane avec une immobilité parfaite dans l’espace. Un autre coup, et le point se transforme en une forme lumineuse en forme de papillon, qui bat des ailes alors qu’il tourne autour d’une boîte noire.
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 Diego Martinez Plasencia, collègue d’Hirayama à l’Université du Sussex à Brighton, au Royaume-Uni, va dans la boîte pour montrer qu’il n’y a pas de condition. L’effet semble être de la pure magie.
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 «Je l’ai d’abord montré à mes filles. Ils étaient comme – « wow » », dit Martinez Plasencia, ses yeux s’écarquillant de joie enfantine.
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Derrière la métamorphose en vol se cache une installation relativement simple. Deux réseaux élancés de 256 minuscules enceintes situées au-dessus et au-dessous de la perle le déplacent en générant des ondes ultrasonores. L’objet fléchit si rapidement que tout l’œil voit est une image 3D en évolution constante de quelques centimètres de largeur, dessinée dans les airs comme si elle était gravée à grande vitesse par Etch a Sketch.

Les mêmes haut-parleurs à ultrasons qui créent l’image peuvent également générer des sensations audio et tactiles. Atteindre le papillon, et votre doigt pourrait sentir un battement. Dans un autre cas, un visage souriant apparaît, accompagné des notes de «We Will Rock You» de Queen’s. Remarquablement, la plupart des composants utilisés pour créer ces effets sont disponibles dans le commerce.

«C’est une plate-forme élégante et excitante», déclare Daniel Smalley, physicien à l’université Brigham Young de Provo, dans l’Utah, qui a dévoilé l’ an dernier une technique similaire utilisant des lasers pour diriger une couche de cellulose et produire des images  . Jusqu’à présent, peu de physiciens pensaient qu’il serait possible d’utiliser le son pour déplacer une perle assez rapidement pour créer un tel écran, dit-il.

En août, Tatsuki Fushimi, physicien à l’Université de Bristol, au Royaume-Uni, et ses collaborateurs ont été les premiers à montrer que cela était réalisable. Mais leur perle prenait plus de temps à tracer des formes, ce qui signifie que seules les images de moins de 1 cm de diamètre pouvaient apparaître comme un seul objet continu . Le travail de l’équipe de Sussex est

«un élément d’ingénierie qui nous porte à croire que des choses que nous ne pensions pas étaient possibles», dit Smalley.

Le dispositif acoustique, décrit dans Nature Le 13 novembre, le dernier exemple d’une technologie de génération d’images 3D appelée écran volumétrique, qui diffère fondamentalement de technologies telles que les hologrammes, la réalité virtuelle et les stéréoscopes. Ces approches plus familières utilisent des astuces de la lumière pour créer l’illusion de profondeur, et peuvent être grandeur nature et photoréalistes.

Mais les hologrammes ne peuvent être vus que sous certains angles. La réalité virtuelle et les stéréoscopes nécessitent un couvre-chef et toutes ces techniques peuvent causer une fatigue oculaire. En revanche, les affichages volumétriques en espace libre utilisent des lasers, des champs électriques, des projections de brouillard et d’autres approches pour créer de véritables images 3D que les spectateurs peuvent voir de n’importe quel point de vue. En ce sens, ils sont les plus proches de toutes les technologies d’affichage du message SOS de la princesse Leia dans le film 1977, Star Wars .

La recherche sur les écrans volumétriques est encore plus ancienne que ce film. Et l’approche présente un avantage crucial par rapport aux hologrammes, car elle nécessite beaucoup moins de puissance de calcul. Malgré des décennies d’efforts, les affichages en espace libre se limitent toujours à de petits dessins rudimentaires, et ils ont eu du mal à décoller commercialement, explique Smalley.

Il espère néanmoins que les travaux combinant différentes technologies plus pratiques, y compris la lévitation acoustique, aideront l’affichage volumétrique à trouver son application qui tue. Cela pourrait être utilisé dans des maquettes interactives détaillées destinées aux stagiaires en médecine, par exemple, ou pour donner aux gens la possibilité de discuter en 3D avec des parents éloignés. Et la méthode acoustique de l’équipe Sussex ne nécessiterait pas nécessairement une longue phase de développement pour pouvoir sortir du laboratoire, explique Smalley.

Lumières et son

Les présentoirs volumétriques déjà sur le marché fonctionnent généralement en créant des images 2D en 3D. Le Voxon VX1, par exemple, projette des photons sur un écran qui vibre rapidement de haut en bas. Chronométré à droite, cela crée une image 3D sans avoir besoin de lunettes spéciales.

Mais les composants mécaniques complexes de l’écran signifient qu’il est verrouillé derrière du verre et qu’il n’a jusqu’à présent trouvé que des utilisations de niche, comme dans les étalages de musée.

En 2006, Hidei Kimura a fait l’une des premières tentatives de dessiner des images directement sur l’espace 3D 4 . Kimura, directeur général de Burton, une société basée à Kawasaki City, au Japon, et ses collaborateurs universitaires ont développé une technique utilisant un laser pour éliminer les électrons des molécules d’air, les faisant briller. En déplaçant le point focal du laser à haute vitesse, ils pourraient créer des points luminescents de plasma qui se construisent pour produire une image grossière. «Sans rien, nous pouvons créer des images 3D directement dans les airs», explique Kimura, qui envisage d’utiliser la technique pour diffuser des informations d’urgence dans le ciel ou pour projeter des rediffusions 3D au-dessus du terrain lors d’un événement sportif.

La technique plasma crée des images relativement stables, mais elle a quelques limitations majeures: sa résolution est faible (un souffle laser équivaut à un point de l’image) et le laser est si intense qu’il pourrait causer des brûlures, explique Yoichi Ochiai, informaticien. artiste à l’université de Tsukuba au Japon.

En 2016, l’équipe d’Ochiai a adapté la technique du plasma en utilisant un laser à énergie plus faible et à impulsions plus courtes pour obtenir des images tactiles sans danger . De quelques millimètres, les images sont beaucoup plus petites que celles de l’équipe Kimura. Mais en utilisant des lasers qui émettent des impulsions à une fréquence plus élevée et des modulateurs pour façonner le faisceau en plusieurs foyers, l’équipe peut augmenter la résolution de 10 à 200 fois celle utilisée dans les travaux de Kimura. Cela leur permet de créer des images plus complexes, telles que des fées de la taille d’une tête d’épingle.

À Sussex, l’affichage 3D acoustique a commencé avec un autre pilier de la science-fiction: le rayon de tracteur rendu célèbre par la série télévisée Star Trek des années 1960 . Depuis 2012, Sriram Subramanian, qui dirige l’équipe, a mis au point des méthodes permettant de créer des ondes sonores pour créer des points de haute pression pouvant piéger et déplacer de petits objets  . Mais ce n’est que lorsque Hirayama est venu au laboratoire en 2018 que l’équipe a trouvé un moyen d’utiliser le son pour créer des images.

Pour apparaître comme une image solide, une perle doit créer chaque cadre d’image en moins d’un dixième de seconde. Jusqu’à présent, la lévitation acoustique avait tendance à viser à maintenir les objets aussi stables que possible; le mouvement se fait relativement lentement en mode arrêt-démarrage, d’un point stable à un autre.

L’innovation de Hirayama a été de casser le talon avant de s’immobiliser, en calculant chaque nouveau point cible du matériel conçu spécialement pour le calcul. Cela signifiait que l’équipe pouvait changer la cible du champ 40 000 fois par seconde. La perle atteint des vitesses pouvant atteindre 8,75 mètres par seconde, ce qui

« ressemble à de la téléportation quand une perle de 2 millimètres de large traverse quelques centimètres d’espace, dit Hirayama. Au fur et à mesure que la perle se déplace, une LED changeant rapidement éclaire l’écran pour créer de la couleur.

L’équipe s’inspire des travaux de Smalley utilisant des lasers pour déplacer et illuminer un grain de fibre végétale de cellulose  . En utilisant le même nombre de particules et de données, M. Smalley explique que ses images ne représentent qu’un dixième de la taille de celles de l’équipe de Sussex, mais qu’elles ont une résolution dix fois supérieure.

La technique Sussex présente un inconvénient: elle nécessite des haut-parleurs situés de part et d’autre de l’écran, ce qui limite la capacité du spectateur à interagir avec l’écran et limite sa taille. Mais avec les mises à niveau matérielles, Subramanian indique qu’il serait possible d’utiliser un type d’onde acoustique différent pour créer des images avec des haut-parleurs d’un seul côté. Les chercheurs travaillent également à mieux comprendre comment la perle réagit aux forces qui agissent sur elle, ce qui leur permettrait de la déplacer plus rapidement, de dessiner des images plus complexes en faisant léviter plusieurs perles à la fois et d’intégrer plus étroitement la vue et le toucher. .

Dans la configuration actuelle, la sensation tactile et l’image ne se produisent pas exactement au même endroit, car les champs nécessaires à leur création peuvent interférer les uns avec les autres. Le groupe d’Ochiai a déjà trouvé un moyen de réunir le toucher et la vue en utilisant des champs qui n’interférent pas: un champ acoustique pour le retour tactile et un laser pour dessiner des images minuscules dans le plasma. Le groupe a utilisé l’approche pour dessiner des points en braille dans les airs.

Avantage interactif

Inévitablement, tout affichage 3D est comparé aux hologrammes Star Wars . La technique de Sussex crée des images plus grandes que les méthodes similaires précédentes et incorpore le son. Elle nous rapproche donc de la recréer, explique Qiong-Hua Wang de l’Université Beihang à Beijing, qui travaille sur des dispositifs d’affichage 3D. Mais les images sont encore minuscules et loin d’être photoréalistes. La création du type d’effet 3D dans Star Wars par n’importe quel moyen pourrait prendre dix ans, voire plus, a-t-elle déclaré.

Barry Blundell, physicien spécialisé dans les technologies 3D à l’Université de Derby, au Royaume-Uni, met en garde contre toute tentative d’utilisation de la technologie volumétrique pour créer des écrans riches et réalistes. «Personne ne regarderait une sculpture et la comparerait à une peinture», dit-il. Il ajoute que les efforts pour concurrencer les hologrammes ont souvent abouti à des impasses commerciales et que les écrans sont mieux adaptés aux applications qui seraient impossibles sur d’autres supports, sans nécessiter des détails élevés, tels que des écrans interactifs capables de montrer des images 3D complexes. mouvements.

L’interactivité pourrait être puissante, dit Smalley. Les chirurgiens en formation peuvent par exemple utiliser de tels écrans pour pratiquer l’introduction d’un cathéter dans les vaisseaux du cœur. Avec un million de particules en mouvement, ajoute-t-il, « vous pouvez avoir un visage désincarné – faites de la téléprésence face à face ». Créer des avatars de personnes dans un espace pourrait donner une impression de présence plus forte qu’une image photoréaliste vue à travers la réalité virtuelle, dit-il.

Au laboratoire de Sussex, l’affichage d’un million de particules semble très éloigné. Seul le temps dira si l’approche du groupe ouvrira la voie à de tels chiffres. Après avoir montré le répertoire limité d’astuces de sa sphère, Hirayama coupe le courant aux haut-parleurs. Le papillon qui claque disparaît et la perle qui l’a créé tombe et rebondit doucement sur la base de l’écran. Hirayama le ramasse et le range dans une boîte avec des centaines d’autres, prêts à tout moment à créer de la magie dans les airs.

(Source : Nature)

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