IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как создать 3D голограмму
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Иллюзия голограммы на протяжении длительного времени была предметом размышления ученых, артистов и фокусников. И не удивительно, в голографическом изображении есть «чарующая магия».
Всемирно известный художник Сальвадор Дали пробовал работать в технике голографии.Дали пояснил, чем является голография для художника: «Голография, как искусство, проявляет себя синтезом оптической науки и художественного творчества, в котором многие замыслы требуют совместной работы ученых, конструкторов и художников».
Голография – это особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Такая фотографическая запись называется голограммой.
Удивительные свойства голограмм творчески осмысливались и использовались для создания необычных эффектов: 3D-голография, или псевдоголография. Вы можете обходить объемное изображение вокруг, и оно будет меняться так, будто вы ходите вокруг голографического «объемного» объекта, но в действительности это иллюзия, созданная особым сочетанием 3D-технологий. Объемность изображения создается камерами с контроллерами движений и 3D-проекцией на цилиндрический экран.
С появлением планшетов, мобильных телефонов, смартфонов, стало ясно, что однажды пути этих двух знаковых технологий пересекутся. Такую псевдоголограмму теперь каждый может сделать на планшете, смартфоне и экране компьютера.Для получения трехмерной картинки на экран устройства устанавливается четырехгранная пирамида без вершины. С помощью специально подготовленного движущегося изображения, воспроизводящегося на экране, и этой пирамиды можно создать объемную картинку. Изображение, отражаясь от плоскостей пирамиды, проявляется в виде 3D-проекции.
В своей работе я буду изучать создание 3D-голограммы с помощью голографической пирамиды.
Актуальность:владение информацией о 3D технологиях полезно для развития 3D мышления современного школьника.
Гипотеза:Я думаю, что 3D-голограмма, полученная с помощью голографической 3D пирамиды не является истинной голограммой.
Предмет исследования:3D голограмма.
Объект исследования: создание голограммы 3D.
Метод исследования: конструирование, эксперимент.
Цель исследования:
Изучение создания 3D голограммы.
Задачи исследования:
1. Понять, что такое голограмма, историю ее создания;
2. Узнать, что такое голография, псевдоголография, и, как изготовить голографическую 3D пирамиду;
3. Изучить этапы создания 3D голограммы;
4. Рассмотреть современное применение 3D голограмм;
5. Создать свою голографическую 3D пирамиду и 3D голограмму (своего фото и видео) в специальном редакторе.
Содержание работы:
История развития голографии
В 16 веке неаполитанский ученый Джамбаттиста делла Порта разработал камеру (рис.1) для иллюзии. Им же написана работа «Натуральная магия», которая является первым упоминанием о воспроизведении иллюзий. Ученый рассматривал вопрос о том, как в камере могут быть видны предметы, которых там на самом деле нет.
Рис. 1Принцип построения изображения в камере-обскуре
Ка́мера-обску́ра (лат. camera obscūra— «тёмная комната») — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов [1, 2]. Камера обскура представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стене. Лучи света, проходя сквозь малое (диаметр которого зависит от «фокусного расстояния» камеры, приблизительно 0,1—5 мм) создают перевёрнутое изображение на экране. На основе камеры-обскуры были сделаны некоторые фотокамеры, называющиеся «стеноп» [1, 2].
В 1826 г. француз Жозеф Нисефор Ньепс удивил многих, сделав первую в истории человечества фотографию, полученную при использовании «камеры обскуры». С точки зрения науки фотография регистрирует амплитуду светового сигнала икогда мы фотографируем, мы все проецируем на плоскость.
Французский физик Габриэль Липпман (1908г.) открыл новый способ фотографической регистрации информации. Габриэль Липпман разработал теорию использования световых волн для захвата цвета в фотографии. Учёный покрыл ртутью заднюю сторону стеклянных фотографических пластин, чтобы она действовала как зеркало, и световые волны отскакивали обратно через эмульсию, создавая волновую интерференцию.
И только с 1947 года появляются первые публикации по голографии. Деннис Габор, создатель голограммы, объяснил, что запись не только амплитуды, но и фазы световой волны позволяет потом воспроизвести объемную картину.
Однако полное осуществление идеи Габора стало возможным только после появления в 1960 г. источников света высокой степени когерентности — лазеров. Исходная схема Габора была усовершенствована американскими физиками Э. Лейтом и Ю. Упатниексом, которые получили в 1963 г. первые лазерные голограммы. Советский ученый Ю. Н. Денисюк предложил в 1962 г. оригинальный метод фиксирования голограмм на толстослойной эмульсии. Этот метод, в отличие от голограмм на тонкослойной эмульсии, дает цветное изображение предмета.
Голография
Конечно, современная голография шагнула уже в жизнь, и часто люди воспринимают голографию как область прикладной, развлекательной индустрии.
Что такое голография? Любая регистрация информации начинается с двух вещей: с носителя информации — это свет, а второй — на чем зарегистрировать информацию, то есть регистрирующая среда [4]. Если переводить с греческого, «холос» («полный, совершенный») и «графо» («пишу»).
Голография – набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Изображение, получаемое с помощью голографии, называется гологра́мма, и считается наиболее точным автостереоскопическим воспроизведением зрительного впечатления, производимого снятыми объектами.
Если взять фотографию как очень похожее слово, то она с точки зрения науки регистрирует амплитуду светового сигнала. И когда мы фотографируем, мы все проектируем на плоскость. А основу голографии составляет запись амплитуды и фазы. Запись не только амплитуды, но и фазы световой волны позволяет затем воспроизвести объемную картину [7, 8].
Голограммы, полученные Эмметтом Лейтом (рис.2), достаточно реалистично передают объемный образ объекта. Правда, существовали некоторые ограничения и неудобства, так как для восстановления изображения необходим лазер, как и при экспозиции, да и окрасочный цвет объекта не передается.
Трехмерная голограмма, записанная по методу Юрия Николаевича Денисюка (рис.3) в толстослойной фотоэмульсии, полностью восстанавливает не только объем объекта, но и его цвет. Так как на одну голограмму можно записать изображение предмета для трех длин волн: красный, синий и зеленый. При восстановлении голограммы будут формироваться сразу три голографических изображения предмета соответственно в красных, синих и зеленых тонах, с последующим формированием одного цветного.
Рис.2 Схема установки Э. Лейта
Рис.3 Схема установки Ю.Н. Денисюка
3D голография
3D голография (псевдоголография) – это гибридная голография, преимущество которой перед простой голограммой в том, что позволяет создавать «в воздухе» иллюзию трехмерного изображение легко доступным способом. Принцип получения голограммы в голографической установке похож на принцип получения изображения в плоском зеркале.
На грани голографической 3D пирамиды (далее по тексту пирамиды) проецируется одна из четырех частей изображения с экрана смартфона или компьютера. Таким образом, с каждой стороны зритель видит свою картинку, что создает иллюзию трехмерных объектов внутри пирамиды, рис.4.
С помощью специально подготовленного движущегося изображения, воспроизводящегося на экране, и пирамиды можно создать иллюзию объемной картинки. Изображение, отражаясь от плоскостей пирамиды, проявляется в виде 3D-проекции [4]. Эффект трехмерности создается за счет черного фона и прозрачности материала пирамиды.
Рис.4 – Голографическая 3D пирамида
Габариты пирамиды для голограммы могут быть любыми, они определяются в зависимости от размера экрана устройства, на котором будет воспроизводиться 3D-картинка [3]. В сетях сегодня можно найти специальное видео для 3D-голограммы. Анимационные картинки, обычно изображенные на черном фоне, — основа для 3D-проекции, которая появится в прозрачной пирамиде, рис.5. Нужно скачать их и включить на экране устройства. Для проверки соответствия размеров нужно сделать следующее: 1) расположить смартфон (в данном случае — планшет) вверх экраном; 2) поставить пирамиду меньшим основанием на экран; 3) посмотреть на изображение сверху. Маленький квадрат (срез верхушки пирамиды) должен быть примерно в 2 раза меньше расстояния между движущимися картинками; 4) само изображение в целом не должно выходить за пределы большего квадрата; 5) высоту пирамиды проверяем по углу наклона ребра — примерно 45°. Тогда изображение не окажется слишком высоко, выходя за пределы прозрачной конструкции, или низко. Если все параметры правильные, пирамиду для монитора можно считать готовой и годной к использованию при воспроизведении объемного изображения.
Е сли хочется сделать голограмму из самого себя, нужно на черном фоне сфотографироваться или записать видео. Затем можно использовать практически любой фоторедактор и программу для анимации, рис.6. Специальная картинка для 3D включает фото человека, повторенное 4 раза и расположенное крестообразно. Эти 4 одинаковых изображения на черном фоне нужно разместить в рамках квадрата, рис.5
Рис. 5 Заготовка (фото) для создания 3D-голограммы
На экране телефона изображение будет двухмерным. Далее надо посмотреть на него сбоку через голографическую 3D пирамиду, установленную на экран основанием (квадратом) со сторонами 720х720 мм и картинка предстанет в пирамиде как бы объемной, а не двухмерной, рис.4 [5].
Можно записать видео со своим изображением на темном фоне. Используя любой фоторедакторе, и заготовку (рис.5), по разметке выставить 4 одинаковых видео. Дальше редактор (рис.6) преобразует в одно видео, которое можно будет смотреть с помощью через голографической 3D пирамиды.
Рис. 6 Фоторедактор для создания 3D-голограммы
Современное применение 3D голограмм
Голограммы используются на документах, кредитках и этикетках – это защитные голограммы, рис.7 Также голограммы используют во всем мире в качестве наклеек на товарные упаковки и документы. Они служат прекрасной защитой от подделок: скопировать голографическую запись очень трудно, рис.8.
Голограммы, полученные по технологии советского ученого Ю.Н.Денисюка (рис.9) используются для изготовления объемных картин.
Однако большие технические сложности, связанные с производством обычных голограмм, не привели к их массовому распространению.
а б
Рис.7 Радужные голограммы
Рис.8 Голографическая наклейка Рис.9 Голограмма Ю.Н.Денисюка
А вот псевдоголограммы нашли широкое применение. Визуальное восприятие играет большую роль при любом представлении и презентации. Созданная реклама с яркими визуальными 3D эффектами запоминается. Используется данная технология в местах с большим потоком посетителей: выставки, торговые центры, открытые площадки.
Современными примерами сегодня являются, например, прозрачные и полупрозрачные достопримечательности в парках Уолта Диснея. Гигантская голограмма в 9,1 м просматривается в пустом бальном зале. Анимированные призраки движутся в скрытых черных комнатах. Самая современная версия применяется в башне Террора Сумеречной Зоны [3].Аттракцион в городе Нэшвилле использует классическую технику, давая гостям увидеть духов, взаимодействующих со средой. В Калифорнии также есть аттракцион Хэллоуин на Лесных горах, изображающий сюжетных персонажей. Проекция изображения на пол и отражение его в стекле позволяет живому актеру взаимодействовать с призраком, что используется в спектаклях.
Иллюзия находит применение в разных сферах, например, виртуальная японская певица Hatsune Miku (рис.10 а), Немецкий Цирк Ронкалли заменил животных голограммами (рис.10б, в), реклама товара (рис.10г, д), или выставочные экспонаты музея: выбираешь интересующий экспонат (рис.10е) и видишь его голограмму, рис.10 ж.
а б
в
гд
е ж
Рис.10 Применение псевдоголограмм
Практическая часть:
В практической части работы я изготовлю призму для голограммы и свою голограмму. Чтобы изготовить голографическую 3D пирамиду для голограммы, беру 4 коробки от компьютерных дисков с прозрачными крышками, скотч, ножницы.
Э тапы создания пирамиды: 1) Отламываю от коробки прозрачную крышку; 2) Вырезаю из заготовок геометрические фигуры по трафарету. 3) Изготавливаю картонную равнобедренную трапецию с основаниями 2 и 12 см и высотой 8 см. 4) Трафарет прикладываю к пластику и обвожу маркером (лучше черным). 5) С помощью металлической линейки и канцелярского ножа делаю точные прорезы по намеченным линиям. 6) Разламываю пластик по разрезу. 7) Получилось 4 трапеции. Они одинаковы по форме и размерам. 8) Трапеции склеиваю между собой скотчем. 9) Формирую объемную призму. 10) Ребра с наружной стороны закрепляю скотчем [3]. 11) Призма готова, рис.11.
Рис.11 Голографическая 3D пирамида
Для создания своего 3D фото, я в обычной программе Paint свое фото повторил 4 раза и расположил следующим образом, см. рис.12а. Затем с помощью призмы и телефона наблюдал результат, рис.12б.
Для создания видео беру редактор, например, Movavi Video Suite. Помещаю в проект подложку (квадрат со сторонами 720х720 с белыми расчерченными линиями), рис.13. Затем по разметке выставляю 4 одинаковых видео. Затем редактор их преобразует в одно. Затем используя призму, могу на своем телефоне посмотреть свое 3D видео, рис.14.
а б
Рис.12 Мое 3D - фото
Рис.13 Редактор Movavi Video Suite.
Рис.14 Мое 3D видео
Выводы:
1. В своей работе я и изучил историю создания голограммы;
2. Узнал, что такое голография и 3D голография (псевдоголография);
3. Изучил этапы создания голографической 3D-пирамиды;
4. Рассмотрел современное применение 3D голограмм;
5. В практической части своей работы, я создал голографическую 3D-пирамиду, и свою псевдоголограмму (своего фото и видео) в видео редакторе.
Моя гипотеза подтвердилась. 3D-голограмма, полученная с помощью голографической 3D пирамиды не является истинной голограммой и не основана на принципах голографии.
Список литературы:
[электронный ресурс] Голография для любознательных.Книга для научных сотрудников школьного возраста /Акилов .А.А, Шевцов М.К. /
Издательство: Издательские решения/ 2018 г.- 260c;
[электронный ресурс] википедия
[электронный ресурс] http://illjuzija.ru/zritelnye-iskazheniya/opticheskie-illyuzii/kak-delaetsya-illyuziya-gologrammy.html
[электронный ресурс] https://www.popmech.ru/gadgets/14544-grani-illyuzii-gologramma-dlya-smartfona/
[электронный ресурс] https://habr.com/ru/post/158231/
[электронный ресурс] https://postnauka.ru/video/83763
[электронный ресурс] http://opt.mya5.ru/golografiya/
18