Введение

Современность не перестаёт удивлять разнообразием способов обработки большого количества информации. Не секрет, что информация представляется в виде мультимедиа, анимации, текста, фотоизображений. 3D голограмма представляет инновационную технологию, с помощью которой можно создать трехмерное изображение. Технология 3D голограммы актуальна для изучения, потому что её продвижение может изменить мир к лучшему. Во многих фантастических фильмах часто используют 3D голограммы, так неужели на рубеже 2100 года такие голограммы не появятся?  Хотя сейчас эта технология не до конца изучена и не воплощена в полной мере, я считаю, что на рубеже 2100 года метод 3D голограмм будет являться основным методом вывода данных, а так же использоваться почти во всех сферах жизни людей.

Цель моего проекта:

Привлечь внимание к технологии 3D голограммы.

Для достижения цели я поставил следующие задачи:

1. Изучить литературные источники по данной теме;
2. Узнать, где на сегодняшний день применяется голограмма;
3. Выяснить, откуда появилось понятие голограмма;
4. Найти способ создания голограммы;
5. Сравнить цену голографического проектора в магазине, на сайте с самодельным проектором.
6. Сконструировать прибор, который будет выдавать 3D голограммы.

Объект исследования: 3D голограмма.

Предмет исследования: потенциальные возможности использования 3D голограммы.

Методы исследования:

1. Изучение и обобщение информационных источников
2. Создание прибора и программы для вывода 3D голограммы
3. Тестирование прибора и программы
4. Анализ полученных результатов

Гипотеза: технология 3D голограммы одна из передовых технологий и её можно воссоздать в домашних условиях.

1.Теоретическая часть

1.1 Голограмма

Голограмма означает некий проецируемый образ объекта либо существа, применяющийся в коммуникационных целях.[1] Основоположником голографии (от др.-греч. ὅλος – полный и γράφω – пишу) – направления о технологиях для точной записи, трансляции и изменения волновых полей оптического электромагнитного излучения, создающих трёхмерные изображения, – часто называют венгерского физика Д. Габора, описавшего данный принцип в 1947 г. и введшего термин «голограмма» в научный оборот. Академик РАН, один из отечественных основоположников голографии Ю.Н. Денисюк отмечал, что его побудила к исследованию объёмных изображений в рамках разработки трёхмерной голографии фантастическая повесть советского палеонтолога И.А. Ефремова «Звездные корабли», написанная в 1946 и опубликованная в 1947 гг. Ю.Н. Денисюк в собственных исследованиях учёл принцип, что человек видит не сами объекты, а их световые образы. У него возникла идея записать на фотопластинке само световое поле, а после этого плоскую световую волну нацелить на пластинку, чтобы восстановить образ отсутствующего объекта. Запись интерференционной картины данного объекта не только в двух измерениях, но и в глубине позже стала называться методом Денисюка или методом трёхмерной фиксации. Кроме применения лазеров, учёных к созданию полноценной объёмной голограммы приблизил дифракционный эффект Брэгга, когда появляются интенсивно засвеченные плоскости, где и возникает голограмма. Голландский физик Герардт Хоофт вообще выдвинул гипотезу голографической Вселенной. Эту идею полностью подтвердить пока не удалось.

1.2 Из чего состоит голограмма

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра. Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированной желатины, которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90% падающего света преобразуется в изображение), однако они чувствительны только в области коротких волн. Наряду с фотографическими мелкозернистыми галогенсеребряными средами, применяются так называемые фотохромные среды, изменяющие спектр поглощения под действием записывающего света.[2]

Одними из эффективнейших среди фотохромных кристаллов являются щёлочно-галоидные кристаллы, из которых наилучшие результаты были получены на аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия. При голографической записи, в качестве регистрирующей среды, так же широко используются сегнетоэлектрические кристаллы. В основном это ниобат лития — LiNbO3. Однако, эти кристаллы обладают недостатками присущими фотохромным материалам. Трудность состоит в низкой величине голографической чувствительности. В последние годы интенсивно разрабатываются регистрирующие среды на базе голографических фотополимерных материалов, представляющих собой многокомпонентную смесь органических веществ, нанесенную в виде аморфной пленки толщиной 10-150 мкм на стеклянную или пленочную подложку. Фотополимерные пленки, менее дорогостоящие чем кристаллы ниобата лития, не так громоздки и имеют по сути большую величину изменения коэффициента преломления, что приводит к большим значениям дифракционной эффективности и большей яркости голограммы. Однако, с другой стороны ниобат лития, из-за его толщин, способен сохранять большие объёмы информации, чем фотополимерные пленки, толщины которых ограничены.

1.3 Виды голографии

Так как голографический метод применим ко всем волнам: электронным, рентгеновским, световым, микроволнам, акустическим и сейсмическим при условии наличия когерентных источников этих волн, пригодных для формирования соответствующих голографических полей. Голография может быть:

• Цифровая
• Рентгеновская
• Оптическая
• Акустическая
• Сейсмическая

Наибольшее распространение в настоящее время получила оптическая голография, что объясняется, в первую очередь, доступностью лазеров – источников когерентного излучения, и средств регистрации и наблюдения восстановленных изображений. Активно ведутся работы по рентгеновской голографии, основанной на использовании ондуляторов – синхротронных источников когерентного рентгеновского излучения, и цифрового восстановления голограмм в виртуальном пространстве компьютера, однако широкого распространения эти методы пока еще не получили. Что касается акустической и сейсмической голографии, то в настоящее время они практически не развиваются, поскольку не могут серьезно конкурировать по информативности с широко используемыми в интроскопии методами компьютерной томографии.

1.4 Разделение оптических голограмм

• Согласно записанной информации - 2D голограмма.

Этот тип голограмм выглядит как 2D - картинка, с зонами, окрашенными четырьмя основными цветами и палитрой их взаимных переходов. При изменении угла зрения меняется её цвет или же происходит изменения графических контуров или структуры

• Комбинация голограмм - 2D/3D голограмма.

Компромиссом между качеством освещения и глубиной голограммы является запись 2D - графики. Так можно в пространстве по отношению друг к другу расположить несколько плоских графических изображений. Необходимо следить за тем, чтобы размеры отдельных изображений были такими, чтобы за них можно было "заглянуть"

• Трехмерная голограмма – 3D голограмма.

Объемная картинка, созданная благодаря уникальному фотографическому методу – голографии. По факту, при помощи специального лазера в воздухе возникает трехмерное изображение, которое невероятно похоже на реальный объект. Такую картинку можно обойти со всех сторон, сделать ее более или менее точной, изменить размер и даже прикоснуться к ней. О данной голограмме и пойдет дальнейшая речь.

1.5 Способ создания 3D голограммы

Создание объемной фигуры в воздухе – не самое простое занятие, ведь оно требует исполнения многих физических принципов. Для того, чтобы понять механизм возникновения голограммы необходимо знать два определения:

• Интерференция волн – одновременное уменьшение или увеличение яркости двух или более световых волн при их наложении друг на друга.
• Когерентность – согласованность нескольких процессов в физике.

Для создания 3d голограммы необходимо наличие минимум двух световых волн, одна из которых будет опорной, а другая – объектной, то есть направленной на объект. Также необходимо понимать, что источник света имеет огромное значение, ведь важно, чтобы частоты лучей точно совпадали между собой. В современной голографии используются специальные лазеры, до изобретения которых создание объемных изображений в воздухе было практически невозможным.

Таким образом, для создания голограммы 3d необходимо два лазера, один из которых дает опорную волну, а второй накладывается на него. При их пересечении происходит интерференция волн и возникает трехмерная картинка.

1.6 Путь от простейшего к сложному

• Создана первая цветная 3D-голограмма. 2013 год.[3]

Специалистами южнокорейского института ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute) разработана технология, позволяющая формировать цветные трехмерные голограммы и просматривать их с помощью настольного дисплея.

На нее можно смотреть со всех сторон, изменение цветов достигается за счет эффекта интерференции между лучами нескольких лазеров.

Размер голограммы составляет приблизительно 7,5 см, и учитывая сложность ее получения, это пока максимум, но уже в 2021 году исследователи планируют увеличить размер проецируемого объекта до 25 см.

•  В Саратовском техническом университете изобрели 3D-изображение, которое может имитировать все что угодно. 14 апреля 2014.[4]

Оригинальной идеей прославился технический университет в Саратове. Студенты воплотили в жизнь то, что раньше мы могли видеть только в фантастических фильмах. Трехмерное изображение, висящее в воздухе, может имитировать все, что угодно. К тому же им можно управлять руками. Специалисты в один голос говорят о большом будущем изобретения.

Легким движением руки – хоть деталь космического аппарата, хоть девушку с обложки – студент технического университета Максим Железов создает прямо в воздухе. Он и его научная группа разработали уникальную технологию 3D-макетов, или иначе объемных голограмм. В отличие от всех существующих аналогов, их голограммы реагируют на прикосновения и обладают цветом и яркостью. Проектом уже заинтересовались в Сколково.

• Ученые создали голограмму, которую можно потрогать и послушать.      16 ноября 2019.[5]

Исследователи из Сассекского университета создали анимированную 3D-голограмму, которую можно не только видеть со всех сторон, но и потрогать, а также услышать. Об этом сообщает Gizmodo.

Основана технология на звуковых волнах и крошечном шарике диаметром два миллиметра. Волны заставляют шарик двигаться с неуловимой глазом скоростью и выписывать в полете запрограммированную фигуру. Человек видит законченную трехмерную модель, а если поднести к голограмме руку, можно ощутить перемещения шарика.

Дополнительно шарик можно заставить вибрировать на частотах, которые создают звуковые волны. Таким образом, получается крошечный левитирующий динамик.

Хотя голограмма с шариком и далека от технологий «Звездных войн» или «Стартрека», Gizmodo уверен, что у нее большое будущее. Возможно, в ближайшее время ее усовершенствованная версия заменит людям очки виртуальной реальности

1.7 Работа голографических проекторов

Создатели современных гаджетов предлагают огромное количество разнообразных голографических проекторов для разных целей и возможностей. Некоторые из них выглядят, как стандартные проекторы, некоторые формируют изображения внутри куба или другой геометрической фигуры. Есть также своеобразные проекторы-вентиляторы, которые создают изображения посредством быстрого вращения и остаются незамеченными зрителями.

Но все эти разновидности объединяют общие особенности:

• программное обеспечение для работы за компьютером или ноутбуком;
• дистанционное управление;
• высокое качество картинки;
• наличие ярких светодиодов для реальности визуализации;
• большая площадь охвата изображения;
• небольшой размер;
• возможность считывания SD-карт для оперативной смены контента и т.д.

Все это делает голографический проектор удобным в использовании на любых локациях, будь то кинотеатр, кафе, сцена, офис, школа, университет или дом.

Какой бы вид голографического проектора не выбрать, он однозначно упростит любую задачу и привлечет внимание к деятельности выступающего.

1.8 Способы применения 3D голограммы

• Политика

Мир сегодняшнего политического субъекта сложно представить без грамотного конструирования его виртуального образа – партии нужен узнаваемый бренд, а политическому лидеру – имиджевая конструкция, ориентированная на его целевую аудиторию. То, что сейчас принято называть «виртуальным», равнозначно не только сети Интернет, но и голограммам.

• Маркетинг и реклама

Стандартная и скучная реклама в виде буклетов, видеороликов, баннеров, всплывающих окон, радиовещания уже не привлекают большого количества клиентов, ведь современный человек научился не обращать на все это внимание, так как это его привычное окружение. Именно поэтому голограммы в воздухе станут отличным решением для успешного продвижения товара или услуги.

• Бизнес

Для качественного и быстрого развития важно заинтересовать не только клиентов, но и партнеров по бизнесу. В этом случае голограмма также станет незаменимой, ведь она презентует планы и намерения с наилучшей стороны.

• Шоу-бизнес

Для того, чтобы удивить зрителя уже недостаточно прекрасной актерской игры или вокальных данных. Не спасут даже харизма и пестрые костюмы. А вот голограмма в воздухе точно заинтригует и позволит создать незабываемое шоу.

• Медицина

Даже такая сложная отрасль человеческой деятельности становится намного проще и безопаснее благодаря голографии. Голограмма была уже не раз успешно использована для малоинвазивных операций, когда врач минимизирует вмешательство в организм пациента. 3D голограмма нужного органа позволяет в деталях рассмотреть все особенности и избежать врачебной ошибки. При этом доктору не придется лишний раз отвлекаться на очки виртуальной реальности или прочие гаджеты.

• Обучение

Благодаря реалистичности изображения необходимый предмет можно рассматривать со всех сторон, увеличивая его отдельные детали. Такая точность визуализации позволяет качественнее ознакомиться с любым материалом, а также усвоить его не только на уровне теории, но и на практике.

• Развлечения

Ну, и куда же без развлечений. Очевидно, что 3D голограммы являются отличным способом занять личное время, ведь можно прикоснуться к любимому персонажу, визуализировать концерт у себя дома, а также с головой окунуться в виртуальный мир компьютерных игр.

1.9 Примеры использования 3D голограмм в различных областях

Эмпирическая реклама

WWF: #StopWildlifeTrafficking  

Чтобы привлечь внимание общества к проблеме торговли животными, WWF и The People’s Postcode Lottery представили голограмму слона в полный рост, который целую неделю бродил по улицам Лондона. Также в рамках кампании на нескольких пешеходных переходах организаторы нанесли следы морских черепах, снежных барсов и тигров — тех животных, которые больше всего страдали от браконьеров.

Политика

3D-голограмма премьера Турции выступила перед его сторонниками.[6]

Премьер-министр Турции Тайип Эрдоган, приглашенный на церемонию презентации кандидатов на пост мэра города Измир, предстал перед собравшимися в виде 3D-голограммы. В правящей Партии справедливости и развития заявили, что занятость помешала главе государства посетить мероприятие лично.

 «Мы хотели пригласить поучаствовать и Тайипа Эрдогана, но он не смог приехать из-за плотного графика. Тогда мы использовали нестандартный ход – голографическое изображение главы партии. Это не просто красивый и оригинальный предвыборный ход, но одновременно и послание нашим сторонникам», – рассказал РИА» Новости» глава пресс-службы измирского отделения ПСР Танер Алкан.

«Мы собираемся на выборы в тени атак, подготовленных предательскими сетями. Я призываю всех моих кандидатов в мэры не тратить свое время на них», – заявил Эрдоган.

Первым политиком, использующим данную технологию, стал индиец Нарендра Моди, один из лидеров националистической Индийской народной партии. Моди использовал технологию по полной, одновременно выступив перед избирателями сразу на 53 предвыборных мероприятиях.

 

Медицина

Израильские ученые разработали аппарат, создающий 3D-голограмму внутренних органов

В Израиле разработали уникальную технологию, которая позволяет врачам видеть внутренние органы пациента, как на ладони. Новый аппарат создает в операционной объемную 3D-голограмму, которой можно управлять прямо руками.

Технология, разработанная израильскими учеными, позволит хирургам рассмотреть любой внутренний орган человека. Первые 3D-голограммы планируют использовать для проведения кардиоопераций.

3D-голограмма строится с помощью анализа данных пациента и световых лучей. Все происходит в реальном времени, так что врач может рассмотреть даже самые мелкие изменения и реакции, происходящие в организме человека во время операции или процедуры.

Еще одно важное достоинство трехмерного изображения - заболевания какого-либо органа человека можно будет заметить на самой ранней стадии и сразу приступить к лечению. При таком раскладе, многие пациенты смогут обойтись даже без хирургического вмешательства.

Ученые надеются, что новая система поможет сократить процент врачебных ошибок. Разработчики не сообщают, когда начнут внедрять новую методику. Но убеждены, что спрос на неё будет расти во всем мире.

Шоу-бизнес

Цифровизация современного общества предполагает, что научные открытия в области голографии всё больше обретают не только теоретическую, но и прикладную значимость. Активным интересантом, применяющим 3D голограммы, стал бизнес, а именно шоу-бизнес. В 2014 г. на телевизионной церемонии Billboard Music Awards американская компания Pulse Evolution явила миру голограмму Майкла Джексона, «выступившую» под песню «Slave to the Rhythm». Сотрудники компании признались, что использовали принципы иллюзионистской практики XIX столетия – так называемый «Призрак Пеппера». Подобный приём применялся в 2012 г. для создания голограммы рэпера Тупака Шакура, появившейся на музыкальном фестивале Coachella. Правда, разработчики искусственного изображения отмечают, что это на деле является не полноценной голограммой, а эффектной иллюзией, в создании которой используются не самые инновационные технологии, а напротив, традиционные. Метод этой технологии кроется в проецировании определённого образа на большой расположенный перед наблюдателями лист стекла или пластика, установленный под углом в 45 градусов. Для создания изображения М. Джексона применялись более сложные технологии: сначала специальные камеры сняли фон, состоящий из золотого трона поп-короля и живых актёров, после этого на компьютере подготовили цифровую копию певца и продумали анимационный сценарий.

Развлечения

В Гонконге для детей показали голографическое шоу. На глазах у зрителей практически из воздуха начали появляться различные предметы, персонажи мультиков и видеоигр. Выглядят предметы так натурально, что хочется к ним прикоснуться.

2.Практическая часть

Рассмотрев историю открытия и дальнейшего развития различных видов голограмм, а также другие теоретические аспекты, я постарался самостоятельно получить 3D-голограмму и создать проектор для её выведения.

2.1 Проектор

Можно было купить проектор, но после сравнения цен я понял, что лучше сделать его своими руками (Приложение6). В начале я разработал чертеж (Приложение1). После чего выбрал материал. Для создания проектора мне требовалось 4 отражающие поверхности. Наиболее подходящим вариантом стало оргстекло, так как оно довольно легко поддается обработке и не может разбиться как обычное стекло. Далее я склеил 4 обработанных оргстекла в виде пирамиды. Проектор готов (Приложение2).

2.2 Проблемы с проектором и их решение

При испытании начальной версии проектора было замечено двойное изображение, что нарушало ощущение реальности объекта, который мы видим. Данная проблема, как оказалось, возникла из-за ширины оргстекла. Для решения проблемы можно уменьшить ширину стекла. Но я решил просто затонировать оргстекло. В итоге получил не только четкое изображение, но и более яркое (Приложение3).

2.3 Программное обеспечение

Для того чтобы на мой проектор выводилось изображение максимально похожее на трехмерный объект, потребовалось расположить изображение объекта в 4 областях экрана. Если данное мне изображение объекта было статично и не имело фона, то расположить его в 4 областях не составляло труда. Для создания голограммы я использовал видеозапись, сделанную оператором в рекламном агентстве «Лайм» и видеоредактор Movavi Video Editor Plus, который я выбрал по причине интуитивно понятного каждому человеку интерфейса.

После того как я разместил видеоизображение в 4 областях экрана, нужно было убрать лишние детали, поставить звуковую дорожку и загрузить полученное видео на устройство. При удалении не нужных объектов возникла проблема с мощностью ЦПУ, которой не хватало для столь весомой работы. Решения этому не нашлось, так что пришлось около 6 часов ждать, пока загрузится видео и включать максимальное охлаждение, чтобы процессор не перегрелся. В итоге я получил 3D-голограмму в движении.

2.4 Проблемы с ПО

В ходе работы я понял, что включение отдельных голограмм занимает большое количество времени и при поставленном на экран проекторе не совсем удобно. Поэтому мне пришлось думать о включении голограмм из вне, например, с помощью жестов или голоса. Поскольку для управления голограммы при помощи жестов потребовались бы сенсорные экраны, этот вариант остался в разработке. Второй же вариант, управление голограмм голосом, я начал воплощать в реальность. За основу была взята программа Laitis, которая позволяла управлять встроенным в Windows программным обеспечением. Чтобы не перегружать Laitis, пришлось убрать из нее все функции управления и оставить лишь голосовой ввод. После очистки программы, были введены команды голосового управления, которые могли использовать лишь заданные им пути. Также для удобства был добавлен самостоятельно созданный голографический помощник по имени Майкл (Приложение 4). По завершению работы от Laitis осталось лишь название и функция голосового ввода. Так как прошлое название уже не подходит, я называл программу именем голографического помощника, ведь именно он встречает нас, когда мы начинаем работу с голограммами.

 

Заключение

Результат практической работы

1. Собран и доработан голографический проектор.

2. Созданы видеоролики для голографического проектора.

3. Создан голографический помощник «Майкл».

4. Составлена однолинейная работа «Майкла» и некоторые ответвления.

 Недоработки практической работы

1. По причине нехватки аппаратуры голограмма со всех сторон имеет одно изображение.

2. По причине автономной работы Майкла оборудование должно быть подключено к сети.

3. Временное отсутствие разнообразия различных путей работы «Майкла».

При работе над данным проектом я:

1. Изучил литературные источники по данной теме.

2. Выяснил где на сегодняшний день применяют голограммы.

3. Узнал откуда появилось понятие голограммы.

4. Нашел способ создания голограммы.

5. Сконструировал прибор, который выдает 3D голограммы.

6. Создал голографический помощник.

7. Создал видеофайлы для голографического проектора.

8. Воссоздал технологию 3D голограммы в домашних условиях.

9. Сравнил цены голографических проекторов в магазинах со стоимостью самодельного проектора.

Мои выводы:

Голограмма — продукт голографии, объемное изображение, создаваемое различными способами, воспроизводящими изображение трехмерного объекта. Голографии прочат будущее визуальных развлечений, поскольку до сих пор этот способ остается самым многообещающим способом визуализации трехмерных сцен.

Человечество постепенно выходит на новый этап развития, когда достижения предыдущих десятилетий отходят на второй план, а современные технологии обретают все большую популярность. И это не удивительно, ведь инновации позволяют намного быстрее и качественнее выполнять привычные действия и громко заявлять о себе. Именно поэтому в независимости от вида деятельности и профессии так важно идти в ногу со временем. И считается, что на рубеже 2100 года время станет на этап  развития 3D голограмм, ведь скорее всего не только новые технологии позволят воссоздать всеми желаемую голограмму из фильма «Star wars», но и современные умы смогут понять как остановить или «связать в узел» свет, чтобы голограмма была полностью самостоятельной.

Итоги:

Воссозданная мной технология 3D голограмм не только работает, но и имеет свои индивидуальные функции и способности. Сделанный мною проектор намного дешевле проекторов, созданных по той же технологии и продаваемых в магазинах, а также в отличие от магазинных проекторов изображение с него хорошо видно даже при дневном свете.

Таким образом, цель достигнута и гипотеза доказана.

Я считаю, что сделанное мной сейчас далеко не предел возможностей данной технологии, поэтому я буду продолжать улучшать свою работу.

Список литературы

1. Ефремов И.А. «Звездные корабли». – М.: АСТ, 2018. – 384 с.

2. Талбот Майкл «Голографическая Вселенная. Новая теория реальности». – М.: София, 2014. – 384 с.

3.Федорченко С.Н. Политическая голограмма: новая возможность коммуникации или скрытая угроза 3D манипулирования цифровым обществом? /Вестник Московского государственного областного университета (электронный журнал) 2018 №2

Интернет-ресурсы

1. ITC.ua https://itc.ua/blogs/sozdana-pervaya-tsvetnaya-3d-gologramma/
2. 3600. Новости https://360tv.ru/news/tekst/kak-nastojaschaja-uchenye-sozdali-gologrammu-kotoruju-mozhno-uslyshat-i-potrogat/ -
3. Новости. Первый канал https://www.1tv.ru/news/2014-04-14/48089-v_saratovskom_tehnicheskom_universitete_izobreli_3d_izobrazhenie_kotoroe_mozhet_imitirovat_chto_ugodno
4. Политическая голограмма https://cyberleninka.ru/article/n/politicheskaya-gologramma-novaya-vozmozhnost-kommunikatsii-ili-skrytaya-ugroza-3d-manipulirovaniya-tsifrovym-obschestvom/viewer -.
5. Вологодская областная универсальная научная библиотека  https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/011/360.htm -.
6. Новости IT и высоких технологий http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/259-chto-takoe-gologramma -
7. Техкульт https://www.techcult.ru/technology/5215-chto-takoe-gologramma

Полезные самоделки https://www.freeseller.ru/5422-3d-gologramma-svoimi-rukami.html