Tạo các hình chiếu 3 D theo phong cách Star Wars

Laser và hệ thống hạt tạo ra những hình ảnh chuyển động ba chiều xuất hiện bồng bềnh trong không trung.

Daniel Smalley đã từng mơ xây dựng nên một loại holograms 3 D (kỹ thuật tạo ảnh ba chiều) như trong các bộ phim khoa học viễn tưởng ăn khách. Nhưng khi xem nhà phát minh Tony Stark đưa đôi bàn tay vào bộ áo giáp 3 D ma quái trong bộ phim Iron Man (2008), Smalley nhận ra rằng mình có thể sẽ không sử dụng được holography (kĩ thuật chụp toàn ảnh), tiêu chuẩn hiện nay cho sự hiển thị 3 D công nghệ cao, bởi vì đôi tay của Stark có thể ngăn nguồn sáng hologram. ‘Nó làm tôi cáu tiết”, Smalley, nhà vật lý tại trường đại học Brigham Young ở Provo, Utah (Mỹ), cho biết. Anh đã cố gắng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này.

Nhóm nghiên cứu của Smalley đã thực hiện một cách tiếp cận khác– sử dụng kỹ thuật “hiển thị khối” (volumetric display) – để tạo ra những hình ảnh 3 D chuyển động mà người xem có thể nhìn thấy từ bất cứ góc nào. Một số nhà vật lý cho rằng công nghệ này trở nên hiện thực hơn bất thứ công nghệ nào khác để tái tạo hình chiếu 3 D của công chúa Leia trong bộ phim Star Wars sản xuất năm 1977. “Đây là việc tạo ra thứ mà hologram không thể làm được – nó đem lại cho anh cái nhìn toàn cảnh, một hiển thị theo phong cách công chúa Princess Leia- bởi đây không phải là một hologram”, Miles Padgett nhà vật lý quang học tại trường đại học Glasgow, Anh, nhận xét.

Được miêu tả trong “A photophoretic-trap volumetric display” đăng trên Nature vào ngày 24/1/2018 vừa qua, kỹ thuật này hoạt động giống như một bảng vẽ kiểu Etch a Sketch (tạo phác họa) tốc độ cao: dùng các lực được tạobằng một chùm tia laser gần như vô hình để bẫy một hạt – của một bó sợi thực vật (hay còn được gọi là cellulose) – và làm nóng hạt này một cách không đều. Nó cho phép các nghiên cứu viên có thể đẩy và cáccellulose bao quanh. Một hệ laser thứ hai chiếucác luồng ánh sáng khả kiến – đỏ, xanh lá cây và xanh lơ – chiếu vào hạt bị “bẫy”, chiếu sáng nó khi nó di chuyển trong không trung. Con người không thể phân biệt được các hình ảnh [chuyển động] với tốc độ nhanh hơn 10 lần/giây, do đó nếu hạt bị bẫy đó chuyển động với vận tốcđủ nhanh, quỹ đạo của nó sẽ hiện ra như một đường liền nét – như một ngôi sao chuyển động trong bóng tối. Và nếu hình ảnh này thay đổi đủ nhanh, nó tạo ra cảm giác như đang chuyển động. Sự hiển thị có thể phủ lên các vật hiện hữu và người xem có thể đi bộ quanh nó trong không gian thực.

Cho đến nay, các hình ảnh được tạo ra còn rất nhỏ – chừng vài milimet. Và chỉ một đường đơn giản được tạo ra với tốc độ vừa đủ để tạo hình ảnh chuyển động. Nhóm nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề này để tạo ra một bản vẽ đường chuyển động xoắn ốc và phác thảo tĩnh một con bướm.

Tuy cần tối ưu hơn nữa nhưng kỹ thuật này là một thiết kế đơn giản với tiềm năng lớn để phát triển, theo William Wilson, nhà nghiên cứu về công nghệ nano tại đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts.

“Đó là một chiến thắng về công nghệ. Tôi ước nó là của tôi”, Padgett nói.

Cách tiếp cận này có nhiều tiến bộ hơn các kỹ thuật tạo hình 3 D hiện tại. Công nghệ hologram tạo các hình ảnh 3 D bằng cách chiếu các tia sáng qua màn hình 2 D có chứa các vạch vân giao thoa nhiễu xạ. Các vạch này điều khiển các đường truyền tia sáng để chúng giao thoa tạo ra một cảm giác bức ảnh có chiều sâu. Các hologram đỉnh cao nhất có màu sắc và có kích cỡ như thật nhưng bởi vì ánh sáng phải chiếu ra từ màn hình 2 D nên góc nhìn bị giới hạn. Và bởi vì thay đổi các vạch giao thoa theo tốc độ [chuyển động của hình ảnh] là một thách thức thực sự, hologram về cơ bản chỉ là tạo ảnh tĩnh.

Phương pháp “hiển thị khối” tái tạo hình ảnh thực thể trong không gian 3 chiều. Phần lớn các hệ thống hiện nay chiếu các hình ảnh vào màn hình 2 D quay nhanh. Nhiều kỹ thuật hiển thị phức tạp hơn – bao gồm những phương pháp được các nghiên cứu viên tại Trường đại học Keio tại Tokyo đã truyền cảm hứng cho Smalley – sử dụng những quả cầu bằng plasma siêu nóng trong không gian 3 chiều. Nhưng những kỹ thuật đó chỉ tạo ra một màu đơn. Những cách tiếp cận khác sử dụng thiết bị thực tế tăng cường như HoloLens của Microsoft, có thể tạo ra ảo ảnh về hình ảnh 3 D như thế giới thực. Nhưng cách này cần bộ kính đặc biệt (headgear) và dữ liệu đặc biệt, Smalley nhận xét.

Hệ thống mới nhất có thể tạo ra các hình ảnh phân giải cao hơn một màn hình máy tính thông thường – cỡ 1.600 điểm mỗi inch. Nhưng để tạo được những hình ảnh như thật với những hình ảnh chuyển động phức hợp và diện tích hiển thị rộng, các nhà vật lý sẽ cần phải tìm cách tăng tốc chuyển động các hạt và kiểm soát toàn bộ [chuyển động] của chúng hơn nữa.

Smalley cho biết, anh có những ý tưởng về việc giải quyết các vấn đề này như thế nào. “Nếu chúng ta có nhiều tiến triển trong khoảng bốn năm tới như cách chúng ta đã làm trong thời gian qua, tôi nghĩ chúng ta sẽ thành công trong việc tạo ra một hiển thị với kích thước hữu ích”.

Những tàn dư ma quái

Một trở ngại của kỹ thuật này là có nhiềukhó khăn trong việc loại bóng mờ, được nhìn xuyên quacác hình chiếu, Nasser Peyghambarian – một nhà quang học của Đại học Arizona ở Tucson, nhận định. Nguyên nhân là mắt cũng sẽ nhận được ánh sáng từ một hạt tại “mặt sau” cũng như từ “mặt trước” của ảnh.

Vấn đề cuối cùng là bởi các lực dùng để điều khiển các hạt quá nhỏ nên hệ thống này thiếu ổn định. Nó có thể ảnh hưởng đến các ứng dụng trong quân sự như mô phỏng trên màn hình một trận đánh 3 D để huấn luyện trong quân đội, bởi vì bất cứ ngọn gió mạnh nào cũng có thể thổi bạt các hạt khỏi quỹ đạo của nó. Để giải quyết việc này, Smalley cho biết, hệ thống có thể tán xạ ánh sáng khỏi các lớp hạt xuất hiện một cách tạm thời. “Anh sẽ không thể thực hiện được điều đó trong một cơn lốc xoáy, tuy nhiên cũng không vượt quá sức tưởng tượng của con người để điều này thành hiện thực”.

Thanh Nhàn dịch

TS. Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học KHTN – ĐHQGHN) hiệu đính

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-01125-y#ref-CR1