Siamo abituati a vedere ologrammi con persone, animali e oggetti che sembrano reali ma in realtà non esistono e non possiamo toccarle. Trascinare un’icona su un cellulare o un tablet è il nostro pane quotidiano, ma sono elementi piatti, non sono in tre dimensioni. A questo punto il progetto InteVol nasce e segna il suo obiettivo: creare grafiche 3D nell’aria e poter interagire con esse. Toccali, modificali, manipolali. Nello stile più puro di film come Iron Man.
La sfida è creare il primo display volumetrico con interazione diretta che consenta alle persone di mettere le mani o altri oggetti all’interno del dispositivo per afferrare e manipolare direttamente la grafica. Per fare ciò, c’è anche il sostegno di una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca (ERC) che cerca progetti ad alto rischio ma innovativi. Cioè, categoricamente nuove tecnologie.
I limiti di uno schermo piatto
Se guardiamo il monitor del nostro computer con una lente d’ingrandimento, vedremo che ha migliaia di pixel che emettono luce. Questi pixel sono posizionati su un piano (lo schermo) e, per mostrarci informazioni tridimensionali, è necessario simulare la riduzione delle dimensioni in base alla distanza oltre che a texture, ombre, luci e occlusioni.
La grafica 3D sintetica è migliorata molto negli ultimi anni. Basta confrontare il primo film di Tron con quelli attuali, dove gli extra generati dal computer non si distinguono più da quelli reali. Tuttavia, la grafica 3D visualizzata su uno schermo non ci fornisce le stesse informazioni visive che otteniamo guardando il mondo reale e quindi non sfrutta appieno le nostre capacità di visione tridimensionale innate come la disparità binoculare e la messa a fuoco.
- La disparità binoculare è la stima delle profondità dovute alle piccole differenze che esistono tra le immagini che raggiungono ciascun occhio.
- La sistemazione della messa a fuoco significa che, quando fissiamo gli occhi su un oggetto, il resto degli oggetti è sfocato.
Sebbene potremmo non notare questi effetti quando guardiamo il mondo reale, ci aiutano a percepire la profondità e misurare la distanza.
Gli occhiali per realtà virtuale forniscono disparità binoculare, ma, oltre a essere una seccatura, non ci danno una sistemazione di messa a fuoco.
Che cos’è un display volumetrico ?
In un display volumetrico i pixel non sono limitati a una superficie piana, ma emettono luce da diversi punti all’interno di un volume. Pertanto, visualizza elementi grafici che hanno le stesse informazioni visive di un oggetto del mondo reale. Chiamiamo “voxel” i punti luce di un volume 3D, in analogia con i pixel 2D degli schermi.
Esistono diverse tecnologie per le visualizzazioni volumetriche. Il più tradizionale è costituito da una superficie rotante o oscillante su cui vengono proiettate le immagini. Quando la superficie si muove ad alta velocità, le immagini vengono percepite insieme come un volume. Altre tecnologie più recenti utilizzano voxel di plasma creati con un laser focalizzato, voxel di particelle levitanti o materiali ottici non lineari che si illuminano quando i raggi ultravioletti e infrarossi si intersecano.
In nessuno di questi casi, non possiamo inserire la nostra mano per manipolare direttamente la grafica perché il volume del display è solido, le particelle cadono o ci ustioniamo la mano. La grafica 3D appare in un posto, ma la nostra interazione con loro deve avvenire in un altro: è sempre un’interazione indiretta.
Avanzare l’interazione diretta
Ci siamo abituati a utilizzare tablet e telefoni utilizzando il touch screen. È intuitivo e naturale trascinare le icone con il dito o toccare direttamente i pulsanti che vogliamo premere. Questa è un’interazione diretta, in cui l’output visivo è allineato con l’input delle nostre azioni.
È a questo punto che InteVol, che partirà da ottobre 2022, proverà a realizzare il primo display volumetrico che permetta l’interazione diretta con la grafica che mostra. Ma non illudiamoci, non è facile creare un volume su cui proiettare grafiche che permetta anche di toccarle con le mani.
Come sarà fatto?
Verranno utilizzate simultaneamente diverse tecnologie che funzionano in sinergia. Cioè, ognuno di loro funzionerebbe individualmente, ma combinati producono un display a risoluzione più elevata.
In generale, ci sarà una nuvola di particelle di vapore acqueo su cui viene proiettata la luce visibile, ma verranno utilizzate particelle più complesse man mano che il progetto procede.
Levitazione acustica
Usiamo la forza che gli ultrasuoni esercitano su piccoli oggetti per modellare la nuvola di particelle. Campi acustici complessi vengono emessi utilizzando centinaia di piccoli altoparlanti, regolando le loro emissioni in modo che, intersecando tutte le onde acustiche, il campo sonoro abbia la forma dell’oggetto che vogliamo mostrare.
Il campo sonoro fa sì che la nuvola di particelle abbia una forma simile all’oggetto, ma senza contenerne tutti i dettagli, poiché il suono non consente un’elevata risoluzione spaziale. Ad esempio, un viso avrebbe la forma generale, ma dettagli come le palpebre o le linee della fronte dovrebbero essere realizzati con un’altra tecnologia.
Illuminazione tomografica
Funziona al contrario della tomografia medica. Nella tomografia tradizionale, vengono effettuate diverse proiezioni 2D da diverse angolazioni per ricostruire il nostro corpo in 3D.
Nell’illuminazione tomografica, i piani di luce vengono proiettati sulla nuvola di particelle da diverse angolazioni in modo da creare un volume di luce con i dettagli dell’oggetto.
Tracciatura volumetrica
La distribuzione della densità della nuvola di particelle è nota in tempo reale, consentendo il controllo a circuito chiuso della levitazione acustica e dell’illuminazione tomografica.
Se la sua distribuzione è nota, le eterogeneità nella nuvola di particelle consentono di aumentare la risoluzione spaziale invece di ridurla.
Microfabbricazione di particelle optoacustiche
È una tecnologia in più per ottenere risultati migliori utilizzando particelle micrometriche anziché una nuvola di vapore acqueo.
Le particelle prodotte sono progettate per far rimbalzare il suono in modo ottimale, riflettere la luce agli angoli desiderati e avere un peso neutro per fluttuare naturalmente all’interno del volume del display. Tutto questo, a garanzia della loro sicurezza per le vie respiratorie.
A cosa servirà questa tecnologia?
Questo progetto indagherà anche quali sono le interazioni più efficaci per manipolare e creare contenuti. Dalle semplici prese e rotazioni della mano, a come utilizzare l’intelligenza artificiale per correggere i percorsi che facciamo nell’aria o trasformarli in oggetti.
Le applicazioni più semplici sarebbero per la visualizzazione e l’assemblaggio di pezzi come gli ingranaggi di sistemi meccanici o frammenti di oggetti archeologici.
Successivamente, le applicazioni che richiedono navigazione e ridimensionamento verranno utilizzate, ad esempio, per pianificare un intervento laparoscopico.
L’applicazione più ambiziosa sarà quella di facilitare la creazione di idee tra più persone. Ad esempio, un processo creativo in cui una persona disegna una forma nell’aria che diventa un oggetto 3D interattivo e altre persone possono agire su di essa o disegnare più oggetti che interagiscono tra loro.
Che aspetto avrebbe un “display” di InteVol?
Il primo prototipo sarà molto limitato: sarà come un cubo con uno dei lati ripiegato in modo che l’utente possa introdurre la mano o altri oggetti. In seguito speriamo di avere un display in cui ci sia solo una superficie piana sul tavolo e un’altra superficie sopra. Cioè un cubo, ma solo con la base e la parte superiore.
Il display ideale sarebbe una superficie piana che si appoggia sul tavolo, consentendo la visualizzazione e l’accesso dai lati e dall’alto. Possiamo anche immaginare display che possiamo tenere in mano e proiettare grafiche più grandi. Questo potrebbe essere impossibile o potrebbe essere per un progetto futuro al di là di Intevol.
Autore
Asier Marzo Pérez, Università Pubblica di Navarra
