Holographie in Echtzeit und Farbe auf einem elektronischen Display

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Mit einem Hologramm lassen sich aufbereitete Daten in Echtzeit, in Farbe und mit einer hohen Auflösung auf elektronischen Anzeigen darstellen. Wie ist der aktuelle Stand und was wird möglich sein?

Bei dem Thema Holographie schweifen die Gedanken prototypisch zu einer Art weiterentwickelter Videotelefonie ab: Die lebensgroße Abbildungen einer Person, die physisch nicht anwesend ist, wird über der Tischmitte projiziert und spricht mit den tatsächlich Anwesenden. Hollywood lässt grüßen. Ebenso fantastisch ist auch die Vorstellung eines Arztes, der ein Organ dreidimensional vor sich sehen, es rotieren und ohne Eingriff untersuchen kann. Auch wenn wir noch nicht ganz so weit sind, macht Holographie einen großen Schritt in diese Richtung: Durch holographische Lösungen, die Echtzeit, Farbe und hohe Auflösung in elektronische Anzeigen implementieren können.

Zur Erinnerung: Ein Hologramm rekonstruiert eine Darstellung mithilfe des physikalischen Prinzips der Diffraktion, also der Beugung von Lichtstrahlen. Diffraktion wiederum entsteht, wenn Licht auf Strukturen trifft, die so groß oder kleiner sind als die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes. Übersetzt: Ein Hologramm ist eine zweidimensionale Oberfläche, die Licht so beugen respektive verteilen kann, dass sich daraus bei geeigneter Beleuchtung mittels gezielter Interferenz dreidimensionale Objekte ergeben, technisch gesagt rekonstruieren, die hinter und oder vor einer Oberfläche zu sein scheinen.

Hologramme sind keine Zukunftsvisionen mehr

Holographie ist gegenwärtig allerdings weder fertig erlernt noch sind alle Werkzeuge dafür vorhanden beziehungsweise vollends entwickelt. Dennoch sind Hologramme oder holografische Techniken spätestens jetzt keine Zukunftsvision oder geheime Spielerei in den physikalischen Elfenbeintürmen der Forschungsinstitute mehr, sondern werden zunehmend für die Breite nutzbar: Als eine sehr vielseitig anwendbare Technologie für Hersteller komplexer Visualisierungssysteme. Dies gilt auch für bereits existierende volumetrische Daten, die nun ebenfalls mittels holographischer Methoden volumetrisch, das heißt wirklich dreidimensional – und nicht nur stereoskopisch – dargestellt werden können.

Mit anderen Worten: Es geht nicht um ein fertiges holographisches Display oder Produkt, das aus einem Katalog nach Seriennummer bestellt werden kann. Es geht um die sehr komplexe Entwicklungen, das Know-how beziehungsweise die Möglichkeit, solche oder vergleichbare technische Displays und Produkte für und mit Kunden nach deren Bedürfnissen realisieren zu können. Sie können im Idealfall nach dem Baukastenprinzip übergreifend für alle Anwendungen und Hersteller eingesetzt werden. Das heißt, sofern Hersteller beziehungsweise Systemintegratoren in der Lage sind, in Abhängigkeit von Aufwand, Schnittstellen oder technischen Anforderungen, ihre eigenen Apparate und Systeme selbst herzustellen.

Große Datenmengen visualisieren

Am Beispiel von Big Data: Bereits die vorhandenen Datenmengen sind zu groß, dass sie nur mit enormen Aufwand geprüft werden können, mal eben schnell geht das nicht. Die Daten zu validieren erst recht nicht. Holographie, genutzt zur volumetrischen Darstellung, schafft hier einen neuen Ansatz. Auch riesige Datenmengen können in volumetrischen Gebilden visualisiert und je nach Darstellungsform sehr schnell plausibilisiert und sogar auch validiert werden.

Das ist zunächst noch nicht so sexy wie eine holographische Videokonversation mit Darth Vader, aber mindestens so effektiv! Es ist daher keine Überraschung, das erste Anwendungsszenarien in der Medizin und der Geodäsie geplant sind. Darüber hinaus eignen sich die holographische Lösungen für viele Bereiche wie wissenschaftliche Datendarstellungen respektive -analysen, Simulationen, technische Designs in Architektur und Konstruktion sowie hoheitliche Dienste und Avionik.

Echte dreidimensionale Darstellung

Aber: Auch wenn es sich um eine Technik und kein pures Display handelt, ist die Rede dennoch nicht von einem theoretischen Konstrukt, sondern der Möglichkeit echter dreidimensionaler Darstellung mit massiver Rechenpower, entsprechender diffraktiver optischer Elemente und speziellen Flachdisplays. Sie erlaubt beispielsweise bei einer virtuellen Bildgröße von 1 m x 0,75 m ein VoW (Virtual Observer Window) von circa 45 Grad in alle Richtungen und nutzt dabei 0,5 mm Hogels (hologhrafische optische Elemente). Mit einer resultierenden direktionalen Auflösung von beispielsweise 128 Lichtstrahlen/Hogel und 60 fps (Frames pro Sekunde) arbeitet die Anzeige damit in Echtzeit. Ein Muster-Display von Wammes & Partner berechnet bei einer physikalischen Basisgröße von 36 cm x 25 cm x 10 cm rund 1,5 Mrd. Lichtstrahlen pro Sekunde und stellt damit beispielsweise zur Veranschaulichung, echte dreidimensionale medizinische Daten von der Computertomographie dar.

Da auch bestehende Daten volumetrisch dargestellt werden sollen und bereits ein eigenes Ökosystem an Software, Treibern und Dienstleistungen existiert, ist die diese Technik kompatibel mit einer Vielzahl an Datenformaten. Dazu zählen beispielsweise neben den bekannten Grafikformaten wie OBJ, gltf oder fbx auch die grafischen Designs 3DS Max, Maya und Blender, die Drucker beziehungsweise Scanner-Formate STL point cloud, XYZ, sonar, sowie Lidar, die volumetrischen Formate Dicom und nrrd, die mathematischen Matlab oder Mathematica, molekulare PDB, MOL und sogar die CAD-Formate AutoCAD und ProEngineer. Weitere folgen.

Holografisches Bild etwa 150 GByte groß

Übersetzt in den Alltag: Ein durchschnittliches Handyfoto ist zwischen ein bis zehn Megabyte groß. Ein Frame, also ein Standbild beziehungsweise eine holografische Szenendarstellung, ist abhängig von Darstellung, Auflösung und Größe in etwa 150 GByte groß. Das ist das Fünfzehntausendfache. Um echt holographisch leistungsfähig zu sein, müssen Rechner in der Sekunde etwa 25 bis 30 dieser holografischen Szenen verarbeiten.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2020 (Download PDF)

Da die Datenmenge umso grösser ist, je höher die Auflösung der Darstellung sein soll, wächst sie entsprechend schnell zu einer riesigen Größenordnung. Die Herausforderung für Entwickler liegt darin, diese Datenmengen in einem permanenten Optimierungsprozess auf das Wesentliche zu reduzieren, um mit verfügbarer und bezahlbarer Hard- und Software möglichst große Volumenbereiche detailreich adressieren zu können.

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* Klaus Wammes ist Geschäftsführer bei Wammes & Partner in Gundersheim.

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