Cuando se habla de hologramas, uno piensa inmediatamente en el icónico personaje Data de la serie de ciencia ficción Star Trek.
No es difícil pensar que, con la llegada de tecnologías cada vez más innovadoras, la creación de hologramas hiperrealistas como los de Star Trek pueda ser posible. Esto, también, gracias a la ayuda de la inteligencia artificial, que permite “dar vida” a la imagen, haciéndola interactuar con el entorno.
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Qué es un holograma: el significado
El término holograma designa una técnica específica de visualización de imágenes tridimensionales o, en un sentido técnico, la creación de la llamada imagen paralela mediante rayos de luz láser. En general, los hologramas son imágenes tridimensionales estereoscópicas que adoptan diferentes perspectivas según el lugar desde el que se miren.
Dennis Gabor
Los primeros hologramas fueron teorizados y luego inventados por el físico húngaro Dennis Gabor, utilizando haces de luz verde generados por una lámpara de vapor de mercurio. Este descubrimiento, que le valió a Gabor el Premio Nobel en 1971, no se explotó hasta principios de los años 60, cuando empezaron a aparecer las llamadas fuentes de luz láser altamente coherentes. Es decir, con una diferencia de fase constante en el tiempo (a diferencia de la luz natural, que se define como altamente incoherente).
La luz láser y los hologramas
La constancia característica de la luz láser es lo que permite reproducir con precisión una imagen previamente grabada mediante la combinación de dos rayos láser. El primero es difractado por el objeto, mientras que el segundo es reflejado por un espejo. A continuación, se hace que los dos rayos láser interfieran entre sí. Así se genera un efecto fotográfico tridimensional, que además permite percibir la tercera dimensión; a diferencia de la simple proyección de una imagen sobre una superficie.
Otra peculiaridad del holograma es también que contiene toda la información sobre el objeto a reproducir. Aunque el holograma se cortara en dos partes, el objeto seguiría estando representado en su totalidad.
La fase constante de la luz láser también se utiliza en cirugía. ¿Por qué? Ya que permite realizar operaciones microscópicas de gran precisión, limitando al máximo el grado de invasividad de la operación.
Cómo funciona un holograma
Como ya se ha dicho, la holografía es una técnica fotográfica única en la que se reproducen objetos en 3D mediante la interferencia de ondas luminosas creadas por una luz láser. Cuando los hologramas son iluminados por el láser, son capaces de crear el clon 3D exacto del objeto y duplicar sus características.
Cómo se crea el holograma a través de un verdadero juego de espejos
- al grabar la imagen que se va a reproducir, se envía un haz de luz láser hacia el objeto que se va a reproducir;
- el haz de luz también se envía hacia una placa de material sensible;
- la luz del láser interfiere con la reflejada por el objeto. Las longitudes de las dos trayectorias ópticas (la que brilla directamente sobre la placa y la que se refleja en ella desde el objeto) deben ser lo más cercanas posible entre sí, o su diferencia debe ser mucho menor que la longitud de coherencia de la fuente utilizada;
- En la placa del material sensible se forman líneas, denominadas franjas de interferencia (similares a las ondas que se forman en una masa de agua o al encuentro de varias ondas sonoras);
- la imagen, así grabada, contendrá toda la información sobre el objeto a reproducir dentro del llamado patrón de interferencia, que registra la intensidad y la fase de la luz procedente del objeto;
- Al hacer pasar un haz de luz láser a través de las franjas de interferencia, este se difractará, generando ondas de luz que se superpondrán unas a otras, reconstruyendo la imagen tridimensional del objeto originalmente grabado.
De este modo, el espectador podrá ver la imagen en tres dimensiones como si estuviera físicamente presente.
Gracias a los avances tecnológicos, ahora es posible realizar hologramas a gran escala, que también son visibles mediante el uso de luz blanca o luz solar, y hologramas impresos, similares a los que se encuentran en los billetes o tarjetas de crédito; que reproducen una imagen mediante la difracción de la luz en un soporte de plástico transparente, que a su vez se coloca sobre una superficie de plata.
En concreto, se trata de una verdadera ilusión óptica.
¿Qué es una pirámide holográfica?
La pirámide holográfica es una pantalla con cuatro proyecciones simétricamente opuestas hechas de cristal u otro material transparente, de modo que se puede observar lo que ocurre en el centro de la pirámide desde cada lado. La imagen generada en el centro de la pirámide en 3D es el reflejo de cada proyección formando una figura entera flotante.
La pirámide holográfica es un sistema muy utilizado en publicidad y marketing para proyectar cualquier elemento en 3 dimensiones (productos, personas, logotipos, etc.).
La búsqueda de métodos de nueva generación
Aunque en la actualidad el uso de hologramas ha pasado en gran medida por la aduana (hasta el punto de que se organizan las denominadas giras de hologramas, o “actuaciones” sobre el escenario de hologramas en 3D de estrellas del pasado como Tupac, Elvis Presley o Michael Jackson), los científicos no han dejado de investigar nuevos métodos para generarlos, que permiten colocar el holograma libremente en el espacio (sin visores, por ejemplo) o aumentar su fidelidad.
A modo de ejemplo, en 2019, un grupo de científicos de un grupo de investigación de una universidad turca anunciaron que serían capaces de desarrollar hologramas sin distorsiones, solucionando los problemas relacionados con el llamado cross-talk, es decir, la interferencia generada por el gran número de imágenes bidimensionales necesarias para generar el holograma.
Cómo generar una imagen holográfica tridimensional
De hecho, para poder generar una imagen holográfica verdaderamente tridimensional, según los investigadores, es necesario ejercer un control total sobre la profundidad y la capacidad de proyección dinámica, que actualmente se ven obstaculizadas por la elevada diafonía de la técnica de reproducción.
La principal dificultad radica en almacenar toda la información necesaria para representar una imagen 3D compleja en la forma 2D de un holograma sin que las proyecciones generadas a diferentes profundidades se contaminen entre sí.
Para resolver este problema, los científicos han modelado previamente los frentes de onda para, cito, “reducir localmente la difracción de Fresnel a la holografía de Fourier, que permite incluir una fase aleatoria para cada profundidad sin alterar la proyección de la imagen en esa profundidad concreta, pero elimina la diafonía debido a la casi ortogonalidad de los grandes vectores aleatorios“. De este modo, es posible reproducir proyecciones 3D dinámicas de gran volumen y alta densidad utilizando hasta 1.000 planos de imagen simultáneamente, lo que aumenta drásticamente la calidad de la imagen renderizada.
Hologramas “escuchables”.
También en 2019, un grupo de investigadores de la Universidad de Sussex publicó un estudio en la revista Nature que permitió generar un holograma que no solo se puede ver, sino también escuchar (como es el caso del holograma que envía la princesa Leia en la serie de películas de Star Wars), gracias a un dispositivo llamado Multimodal Acoustic Trap Display (o MATD).
En el estudio, los científicos lograron reproducir la imagen de una mariposa batiendo sus alas atrapando una bola de poliestireno entre varias ondas sonoras. El rápido movimiento de la bola permite que el color se mueva, creando la ilusión de que hay un objeto suspendido en el espacio. Para lograr este ambicioso objetivo, el MATD utiliza 256 altavoces, situados por encima y por debajo de un módulo 3D, en el que se reproduce la imagen. Los altavoces emiten entonces ultrasonidos que crean bolsas de baja presión en el aire que rodea la bola de poliestireno. La manipulación de las ondas sonoras permite así que la bola se mueva en el espacio, generando una figura tridimensional cuya forma puede cambiar con el tiempo; lo que permite detectar el objeto como móvil y no solo estático.
Nuevas técnicas de difracción de la luz
En Japón, en 2020, mediante el uso de nanomateriales especialmente fabricados por la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio, se pudieron probar nuevas técnicas de difracción de la luz, que permitieron generar una imagen del globo terráqueo girando sobre sí mismo como si estuviera suspendido en el aire, sin necesidad de utilizar ningún tipo de superficie reflectante o visor para verlo.
“La animación de un holograma de metasuperficie se realizó mediante un enfoque cinematográfico“, afirma el equipo de investigación. “Se reconstruyeron imágenes en tiempo real utilizando fotogramas ordenados secuencialmente de hologramas de metasuperficie. Se adoptó una nanopertura rectangular de Au como píxel de meta-átomos y se dispuso para reproducir la distribución de fase basada en una fase Pancharatnam-Berry. Dispusimos 48 fotogramas de hologramas en un sustrato de 2 cm2 y medimos y evaluamos el retardo de los meta-átomos fabricados para reconstruir la imagen holográfica, demostrando con éxito la película a una velocidad de 30 fotogramas por segundo.
Hologramas interactivos
En la Universidad de Tsukuba, en cambio, se logró crear hologramas interactivos mediante el uso de un láser de alta velocidad (un láser de femtosegundo, que puede disparar ráfagas de 30 a 270 femtosegundos, es decir, la millonésima parte de una mil millonésima de segundo) y un complejo sistema de cámaras y espejos, con una resolución final de 200.000 puntos por segundo.
En resumen, los investigadores del grupo Digital Nature utilizan un modulador espacial de luz (que permite controlar el haz en el espacio) para dirigir el haz láser hacia una serie de lentes y espejos que, en combinación con un escáner 3D, permiten generar el holograma final. El holograma así generado puede ser tocado y modificado por el espectador (como ejemplo, el científico muestra cómo marcar una casilla en el aire).
Hologramas en 3D gracias a la inteligencia artificial
El objetivo de la investigación científica sobre hologramas no es solo mejorar su visibilidad, sino también cruzar sus funciones con otras tecnologías innovadoras, como la realidad aumentada (RA), la realidad virtual (RV) y la inteligencia artificial.
En concreto, un estudio realizado por investigadores de los Institutos Tecnológicos de Massachusetts (MIT), cofinanciado por Sony, y publicado en la revista científica Nature ha demostrado cómo, gracias a un nuevo método de aprendizaje profundo denominado holografía tensorial, es posible generar un vídeo holográfico de forma instantánea aprovechando la capacidad de cálculo de un simple ordenador.
La peculiaridad de la inteligencia artificial creada por el MIT es que está compuesta por tensores que pueden entrenarse para aprender a procesar la información visual y de profundidad de forma similar al cerebro humano.
A diferencia de las imágenes holográficas “tradicionales”, que requieren una enorme capacidad de cálculo y de memoria para ser generadas por un ordenador (al tener que procesar para cada píxel la profundidad de la imagen en función de la posición del espectador), los investigadores comprobaron que la holografía tensorial era capaz, en cambio, de generar hologramas 3D a partir de las típicas imágenes generadas por ordenador con datos de profundidad, calculados a partir de una configuración multicámara, en cuestión de milisegundos.
Red neuronal
Esto es posible gracias a una red neuronal que, como se ha mencionado, imita la forma en que el cerebro humano procesa toda la información visual. La red neuronal se entrenó entonces mediante una base de datos compuesta por más de 4.000 imágenes generadas por ordenador, en las que se indicaba la información de color y profundidad de cada píxel individual, con los hologramas correspondientes.
Analizando el conjunto de datos, la red neuronal aprendió a calcular la forma óptima de generar los hologramas, consiguiendo producirlos en unos pocos milisegundos y utilizando menos de un megabyte de memoria.
Liang Shi, el investigador que dirigió el estudio, señaló que el uso de simulaciones físicas para la holografía generada por ordenador implica calcular la apariencia de muchas piezas de un holograma y luego combinarlas para obtener el holograma final. El uso de tablas de consulta es como almacenar una serie de piezas de hologramas de uso frecuente, pero esto sacrifica la precisión y sigue requiriendo el paso de combinación.
En cierto modo, añade, la holografía generada por ordenador es un poco como averiguar cómo cortar un pastel. Utilizar simulaciones físicas para calcular la apariencia de cada punto en el espacio es un proceso que requiere mucho tiempo y se parece a utilizar ocho cortes precisos para producir ocho trozos de pastel. El uso de tablas de consulta para la holografía generada por ordenador es como marcar el límite de cada rebanada antes de cortar. Aunque esto ahorra algo de tiempo al eliminar el paso de calcular dónde cortar, hacer los ocho cortes sigue llevando mucho tiempo.
¿Cuánto cuesta un holograma?
Aunque las empresas de hologramas no muestran el precio en sus páginas web, en 2012 algunos rumores informaron de que el costo del holograma de Tupac rondaba los 400.000 dólares por un espectáculo de tres minutos.
Aprendizaje profundo y redes neuronales convolucionales para hologramas
En cambio, la nueva técnica utiliza el aprendizaje profundo para entender esencialmente cómo cortar un pastel en ocho rebanadas utilizando solo tres cortes. La red neuronal convolucional (n.d.a. una red en la que las neuronas individuales están dispuestas de forma que emulan la organización de la corteza visual) aprende atajos para generar un holograma completo sin tener que calcular por separado el aspecto de cada pieza del holograma, al tiempo que reduce la memoria necesaria para generarlo.
El nuevo sistema requiere menos de 620 kilobytes de memoria. Además, puede generar 60 hologramas 3D en color por segundo con una resolución de 1.920 por 1.080 píxeles en una sola GPU de consumo. Los investigadores pudieron ejecutarlo en un iPhone 11 Pro a una velocidad de 1,1 hologramas por segundo y en una TPU Google Edge a una velocidad de 2 hologramas por segundo. De ello se desprende que, en caso de que esta tecnología se implante de forma generalizada, en el futuro sería posible generar hologramas en tiempo real en visores móviles de realidad virtual (RV) y realidad aumentada (RA).
Técnicas de impresión volumétrica en 3D
La holografía 3D en tiempo real también podría ayudar a mejorar las denominadas técnicas de impresión volumétrica en 3D, que crean objetos 3D proyectando imágenes sobre charcos de líquido, generando complejas estructuras huecas. Y no solo eso: también podría utilizarse en la creación de pinzas ópticas y acústicas útiles para manipular la materia a nivel microscópico, así como microscopios holográficos capaces de analizar células, y hologramas estáticos convencionales destinados a los campos del arte, la seguridad, el almacenamiento de datos y otros.
El equipo de investigación afirma incluso que la tecnología de seguimiento ocular podría añadirse al sistema actual de generación de hologramas para agilizar el proceso y crear hologramas de alta resolución exclusivamente donde miran los ojos. O el sistema podría mejorarse para permitir que se generen hologramas que también puedan ver las personas con discapacidad visual, sin que tengan que usar gafas o equiparse con lentes especiales de RV graduadas.
En el campo de la medicina, el uso de la tecnología de aprendizaje profundo para crear imágenes tridimensionales podría revolucionar el diagnóstico por imagen al crear imágenes extremadamente precisas en muy poco tiempo (un requisito necesario en el campo de la medicina para un diagnóstico correcto y oportuno).
Hologramas y medicina: posibles desarrollos
La investigación sobre hologramas e inteligencia artificial puede aportar increíbles beneficios a la medicina y el diagnóstico en general. ¿De qué manera? reduciendo los costes y aumentando el grado de fiabilidad de la imagen devuelta. Y no sólo eso, también permitirá generar simulaciones prospectivas sobre los pacientes.
En este sentido, el Sistema de Salud de la Universidad Nacional de Singapur está trabajando en un algoritmo que predice el riesgo de caídas de los pacientes en las salas a partir del análisis de imágenes holográficas en 3D. La evaluación de estos riesgos es crucial para prevenir las caídas y las lesiones relacionadas con ellas en los pacientes del hospital.
El mismo grupo de investigadores desarrolló una plataforma para el manejo del cáncer gastroesofágico. Esta permite compartir los datos del paciente y los informes de diagnóstico por imagen en 3D para obtener consultas de equipos multidisciplinarios, incluso a distancia. Este tipo de plataformas son muy útiles para los hospitales pequeños y periféricos. ¿Por qué? Ya que pueden recibir consultas rápidas y recomendaciones de tratamiento actualizadas con solo introducir los datos clínicos del paciente.
Y no solo eso: a partir de informes holográficos en 3D, un algoritmo de inteligencia artificial puede analizar con exactitud el fondo del ojo, detectando con extrema precisión si el paciente tiene una condición que indique la presencia de un tumor cerebral u otras condiciones que puedan conducir a la pérdida de visión o poner en peligro la vida.
Piense también en las ventajas que obtendrían los médicos al poder transferir rápidamente diagnósticos, radiografías y otros trazados a una representación holográfica en 3D.
Conclusiones
Hasta ahora, la tecnología holográfica ha sido cosa de unos pocos debido a los elevados costes asociados a su uso. Sin embargo, los últimos avances en investigación sugieren que, en un futuro no muy lejano será posible realizar modelos tridimensionales cada vez más precisos y al alcance de todos. Lo que beneficiará a sectores estratégicos como la medicina y la seguridad.
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