Hologramas en 3D en tiempo real generados por inteligencia artificial

Un nuevo método llamado holografía tensorial permite crear hologramas para realidad virtual, impresión 3D, imágenes médicas y más.
Hologramas en 3D en tiempo real generados por inteligencia artificial
Crédito: Michael Dziedzic vía Unsplash

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Star Wars: A New Hope", el clásico del año 1977 dirigido por George Lucas, fue, para muchos de nosotros, la primera historia que nos acercó y maravilló al mostrarnos un holograma.

Ayúdame Obi-Wan Kenobi, eres mi última esperanza”, decía el holograma de la Princesa Leia proyectado por R2D2 en la entrega de “La guerra de las galaxias: Episodio IV- Una nueva esperanza.” Sin duda, una escena memorable.

Lo cierto es que esta innovadora tecnología ha traspasado las pantallas y la ciencia ficción y, actualmente, se está desarrollando exitosamente gracias a los avances de la Inteligencia Artificial.Hasta el día de hoy, los auriculares de realidad virtual no han derribado las pantallas de televisores y computadoras como dispositivo de referencia para ver videos. ¿Una razón? la realidad virtual puede hacer que los usuarios se sientan mal. Mientras que los usuarios están mirando fijamente una pantalla 2D de distancia fija, la realidad virtual crea la ilusión de una pantalla 3D, lo que puede provocar náuseas y fatiga visual. Una solución para lograr una mejor visualización 3D serían justamente los hologramas, una tecnología de 60 años rediseñada para el mundo digital.

Los hologramas proporcionan una excelente representación del mundo 3D que nos rodea, debido a que ofrecen una perspectiva que se ajusta a la posición visual de cada espectador.

Los investigadores llevaban años indagando cómo podían generar estos hologramas por computadora. No obstante, el proceso era extremadamente complejo ya que requerían una supercomputadora que pudiese realizar simulaciones físicas.

Ahora, con las nuevas tecnologías que se han desarrollado y con los nuevos hallazgos en el campo digital, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), con la colaboración de Sony, han logrado producir hologramas casi al instante utilizando una metodología basada en el deep learning.

"La gente pensaba anteriormente que, con el hardware existente para el consumidor, era imposible hacer cálculos de holografía 3D en tiempo real", dice Liang Shi, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT.

El desarrollo de este nuevo método se llama holografía tensorial, mismo que permite crear hologramas para realidad virtual, impresión 3D, imágenes médicas y más.

Esta técnica, basada en el aprendizaje profundo, es tan eficiente que puede “ejecutarse en una computadora sencilla en un abrir y cerrar de ojos”, afirman los investigadores.

Para el estudio publicado en Nature, Shi trabajó con su asesor y coautor Wojciech Matusik. Otros coautores son: Beichen Li de EECS y el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT, así como los ex investigadores del MIT: Changil Kim (ahora en Facebook) y Petr Kellnhofer (actualmente en la Universidad de Stanford).

Hacia la holografía 3D en tiempo real con redes neuronales profundas

Imagen: Michael Dziedzic vía Unsplash

Antes que nada, hay que destacar que la ciencia que está detrás de los hologramas es distinta a la de una fotografía. Mientras que la última codifica el brillo de cada onda de luz, el primero codifica el brillo y la fase de cada onda de luz, ofreciendo así una imagen más fiel.

La holografía generada por la computadora busca simular una configuración óptica, pero el problema está en que el proceso es un trabajo duro a nivel computacional. Esto se debe a que cada punto de la escena (o imagen) tiene una profundidad diferente, por lo que no se pueden aplicar las mismas operaciones para todos.

Esta dificultad llevó a que el equipo de Shi adopte un enfoque diferente: dejar que la computadora aprenda física por sí misma.

Para lograr esto utilizaron deep learning, lo que les permite acelerar la holografía generada por computadora, permitiendo así la generación de hologramas en tiempo real.

Los científicos diseñaron una herramienta basada en una técnica de procesamiento que utiliza una cadena de tensores entrenables para imitar la manera en que los humanos procesan la información visual, lo que se llama red neuronal convolucional. El entrenamiento de este tipo de redes requiere un conjunto grande y de alta calidad de datos.

Por este motivo, el equipo de investigación diseñó una base de datos personalizada de cuatro mil pares de imágenes generadas por computadora. Cada par hizo coincidir una imagen, incluida la información de color y profundidad de cada píxel, con su holograma correspondiente.

Para crear los hologramas en la nueva base de datos, los investigadores utilizaron nuevas escenas que tenían formas y colores complejos y variables, con la profundidad de píxeles distribuida uniformemente desde el fondo hasta el primer plano, y con un nuevo conjunto de cálculos basados en la física para manejar la oclusión.  Ese enfoque resultó en datos de entrenamiento fotorrealistas.

Posteriormente, el algoritmo se puso a trabajar. Aprendió cada par de imágenes y modificó los parámetros para sus propios cálculos, mejorando sucesivamente su capacidad para crear hologramas. La red totalmente optimizada operó órdenes de magnitud más rápido que los cálculos basados en la física.

Con este estudio quedó demostrado que, en sólo milisegundos, la holografía tensorial tiene el potencial de crear hologramas a partir de imágenes con información de profundidad, que se proporcionan mediante imágenes típicas generadas por computadora y se pueden calcular a partir de una configuración multicámara. Precisamente este es el avance que abre el camino para el holograma en 3D en tiempo real.

Cabe destacar que la holografía 3D en tiempo real podría mejorar una gran cantidad de sistemas, desde la realidad virtual hasta la impresión 3D.

El equipo liderado por Shi destaca que el nuevo sistema podría ayudar a sumergir a los espectadores de realidad virtual en escenarios más realistas, al tiempo que elimina la fatiga visual y otros efectos secundarios del uso prolongado del entorno virtual.

La holografía en tercera dimensión también podría impulsar el desarrollo de la impresión 3D volumétrica, ya que la tecnología podría resultar más rápida y precisa que la impresión tradicional capa por capa.

Tal y como le dijo la Princesa Leia a Obi-Wan, “la tecnología y la innovación son la única esperanza”. Y, a este paso, es bastante probable que dentro de poco tiempo nos comuniquemos a través de interfaces de hologramas similares a los que vimos en las películas de Star Wars.

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