צגי תלת מימד: סוף סוף הם כאן

עשרות שנים ציפו לבואם, וסוף סוף הם כאן: צגים המסוגלים להציג עצמים אמיתיים ממש בשלושה ממדים. הם כבר משתלבים בתעשיות הבריאות, הצבא, הסרטים ועוד

ממציאים השקיעו שנים של מאמץ בניסיונות ליצור צגים המסוגלים לברוא יש מאין דמויות תלת-ממדיות ממשיות למראה, דמויות שמשתמשים יוכלו לבצע עליהן פעולות ולעבוד אִתן. כימאים יוכלו לנצל פלאים כאלו ולתכנן בעזרתם מולקולות חדשות של תרופות. מחפשי נפט וגז יוכלו לראות בדיוק לאן עליהם לכוון את מקדחיהם.

מנתחים יוכלו להעביר גשושות או אלומות קרינה דרך פרוסות מסודרות של מידע אבחוני שהושג באמצעות מכונות הדמיה, באמצעות תהודה מגנטית (MRI) או טומוגרפיה ממוחשבת (CT) כדי לבחון הליכים רפואיים לפני ביצוע ניתוח. אך מכשולים כגון תמונה מהבהבת, זווית ראייה צרה או הצורך להרכיב משקפיים מיוחדים מנעו עד כה שימוש במכשירים כאלה.

שתי חברות שילבו לאחרונה בטכנולוגיות שלהן כמה רכיבים מן המוכן, בין השאר שבב דיגיטלי לעיבוד אור (DLP) של חברת טקסס אינסטרומנטס, כדי ליצור מערכות אינטראקטיביות, המכונות צגי נפח תלת-ממדיים, שמתגברות על מגבלות אלו. המוצרים של שתי החברות מתחילים עכשיו לצאת מן המעבדות אל השוק המסחרי.

מקרינים דמויות מרחפות באוויר

רק רגע. הרי הולוגרמות הן תלת-ממדיות ואפשר לראות אותן גם בלי משקפיים מצחיקים, לא? אכן כן, אך הן מוקלטות פעם אחת כתמונה מוגמרת ולפיכך הן אינן אינטראקטיביות. מהנדסים יצרו גם מארגי קוביות ומערכים מסתחררים של דיודות פולטות אור (LED) כדי ליצור תצוגת גוף מלאה, אבל כושר ההפרדה המתקבל הוא גס, בגלל ההגבלות שמטילים הקשרים בין הדיודות. מועמדים אחרים הם תלת-ממדיים לכאורה אך בעצם אינם כאלו.

ה-Heliodisplay של חברת IO2 2 Technology מסן פרנסיסקו מקרין דמויות מרחפות על מישור מאונך של ענן אדי מים דקיק התלוי מעל המתקן, והן נראות כאילו יש להן עומק, אך זוהי אשליה הנובעת מהיעדר רמזי עומק, ואין שם תצוגה ממשית בממד השלישי.

משתמשים המעוניינים להטעין נתונים רפואיים תלת-ממדיים במכונה ביום אחד וסצנות קרב תלת-ממדיות למחרת, ואז לסובב, להסיט או לשנות אותן בעת הצפייה יכולים להשתמש בשתי המצאות הראויות לתואר “נפחיות”: Perspecta ו-DepthCube.
Perspecta, שפותחה על ידי חברת Actuality Systems בבדפורד שבמסצ'וסטס, היא כעין כדור בדולח המיועד להתבוננות פנימה, אל תוכם של עצמים.

בתוך כיפת פלסטיק שקופה, עשויה פוליקרבונאט, שוכן מסך שטוח בצורת דיסקית שקוטרה 25 סנטימטרים, שמסתובבת על ציר אנכי במהירות של 900 סיבובים לדקה. המערכת קולטת נתונים המיוצרים על ידי סורק של CT, MRI או PET (טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים) ומחלקת את המידע בשיטה מתמטית למערך רדיאלי של 198 מקטעים, כמו תפוח החתוך סביב ליבתו לפרוסות דקות. פרוסות המידע המאוחסנות בזיכרון ביניים האוגר את מסגרות התמונה מוזנות לשלושה שבבי DLP. שבבים אלו הם מערכים של מאות אלפי מראות קטנטנות, שאפשר להטות כל אחת מהן בנפרד על ידי מעגלים אלקטרוניים מודפסים. שבבים אלו משמשים גם כבסיס לפעולתן של טלוויזיות מקרן, של מקרני שקופיות חדשים וגם במקרני סרטים דיגיטליים שעשויים להחליף את סלילי הסרטים בבתי הקולנוע. ב- Perspecta, כל DLP אחראי על צבע ומקרין את האור שלו דרך מנסרה על המסך המסתחרר במהירות, וכך מתגלה דמות תלת-ממדית.

נדרשה עבודת פרך מתמטית רבה כדי להגשים את הרעיון של Perspecta. “נדרשו לנו שלוש או ארבע שנים להמציא את האלגוריתמים המאפשרים לנו לפרוס את נתוני הדמות,” אומר גרג א' פָבָלוֹרָה, סמנכ”ל הטכנולוגיות של Actuality. “לדוגמה, רשמנו פטנט על הדרך שבה אפשר לצייר קו ישר על גבי מסך מסתובב- מפני שלא מובן מאליו איזו נקודה יש לבחור על הרשת הזו בזמן שהיא מסתובבת.”

Perspecta בוראת דמות זוהרת, שקופה למחצה. כל פיקסל נפחי (ווֹקסל) שנראה כמצוי בנקודה מסוימת במרחב באמת מצוי שם, אבל אפשר לראות אותו רק כשהמסך חולף מבעד לנקודה הזו – ומכאן הצורך בקצב סיבוב גבוה. מסך הפלסטיק נראה כממחטת נייר דקיקה ומתוחה, והוא שקוף למחצה ומחזיר למחצה, כך שצופים העומדים מסביב לדמות יכולים לראות אותה מכל זווית שהיא. היחידה מספקת פָּרָלָקסָה אנכית ואופקית; אם צופה מניע את ראשו מעלה מטה או ימינה ושמאלה, עצמים אחוריים שקודם לכן הוסתרו על ידי עצמים שניצבו מלפנים ייכנסו לשדה הראייה, כפי שמתרחש בעולם הממשי.

יהיה אפשר להשתמש גם בעכבר דמוי עט כדי להגדיל או להקטין את הדמות, לסובב ולהפוך אותה, או לשנות צבעים.

מאפיין זה התאפשר רק לאחרונה בזכות ההתקדמות המהירה בגרפיקה ממוחשבת. “בהדמיה הראשונה שלנו מ-2002,” נזכר פלבורה, “נדרשו 45 דקות של עיבוד כדי לבצע הקלקה וגרירה. כעת אפשר להשיג כרטיס וידאו מן המוכן במחיר של כמה מאות דולרים, והוא מחשב את הבעיה בקלות.”

כמו כן, עבר זמן עד שפלבורה ועמיתיו הבינו שאין די בהבאת טכנולוגיות הליבה לכדי שלמות אם הם מעוניינים להקים עסק; עליהם לזהות שוק התחלתי ולפתח מערכת מוכנה לשימוש התפורה על פי מידותיו. הנישה שנמצאה הייתה טיפולי הקרנות בגידולים סרטניים. רופאים צריכים לתכנן בקפידה את המסלולים אליהם הם מכוונים את אלומות הקרינה, בניסיון לגרום לקרניים לפגוע בכמה שיותר תאים סרטניים ולהמיתם, ובו בזמן למזער כמה שאפשר את הפגיעה ברקמות הבריאות הסמוכות. אונקולוגים נאלצים לעבוד עם פרוסות דו-ממדיות של נתונים סרוקים, ולכן תכנון מסלולי הקרניים של טיפול מסוים יכול לארוך כמה שעות. Actuality פיתחה את מערכת PerspectaRad כתוספת לציוד ההקרנות שמצוי בשימוש, המיוצר על ידי Philips Medical Systems.
PerspectaRad מתהדרת בצג התלת-ממדי וכן בתוכנה המקשרת בין ההתקן למערכות של פיליפס. כשרופא לוחץ על כפתור, דמות של גידול במוח, לדוגמה, שהופקה על פי נתוני CT, מופיעה בשלושה ממדים. כפתור אחר מוסיף את מסלולי הקרינה שנבחרו על ידי מומחה הקרינה, המתכנן את הטיפול. המומחה יכול לראות בדיוק היכן יפגעו הקרניים בגידול, דרך אילו רקמות מוח בריאות הן יעברו, ואת ענן מנת הקרינה, כלומר את נפח הרקמה שיושפע על ידיה. הדמיה זו מסייעת לרופאים לכוונן את אלומות הקרינה לצורך שיפור הטיפול והפחתת הנזק. מחירן של מערכות ה-PerspectaRad הראשונות עומד על כ-90,000 דולר. ייצור המוני יותר יוכל להוריד את המחיר ל-65,000 דולר, לדברי פבלורה, אך לא סביר שהצגים יגיעו לשוק הפרטי.

The LightSpace DepthCube

עם זאת, הטיפולים צפויים להרוויח מן הטכנולוגיה. ג'יימס צ'וּ, מנהל המחלקה לפיזיקה רפואית במרכז האוניברסיטאי הרפואי על שם רוּש בשיקגו, חקר לאחרונה 12 חולים עם גידול במוח שתכניות הטיפול עבורם פותחו גם על ידי PerspectaRad וגם על ידי השיטות המקובלות. את התכניות סקרו רופאים שלא ידעו באיזו שיטה נעשה שימוש. הפרוטוקולים שפותחו על ידי PerspectaRad התבררו כטובים יותר בשישה מקרים, שקולים בארבעה מקרים וגרועים יותר בשני מקרים.

המערכת הבהירה כיצד להפחית את הנזק הנלווה לעצב הראייה. צ'ו, שתיאר את התוצאות כ”מעניינות”, מתכנן מחקר נרחב יותר שיכלול חולים עם גידולים במקומות אחרים בגוף. “כשאנו עובדים אך ורק עם נתוני CT,” הוא אומר, “עלינו להתבונן בפרוסות נפרדות ובאופן כלשהו לשלב את כולן בראש כדי לקבל תמונה תלת-ממדית. בעזרת המערכת אפשר לראות את התמונה התלת-ממדית באופן ישיר.”

צ'ו גם מתלהב מיכולתה של המערכת להציג תמונות נעות של חלקי גוף פנימיים. רקמות פנימיות ואברים פנימיים נעים בעקבות פעימות הלב ובעקבות התמלאות הריאות והתרוקנותן, ולכן גילוי ציר התנועה של גידול הוא יכולת שימושית להפליא. בעזרת מידע כזה, רופא יוכל לכוון אלומת קרינה באנרגיה נמוכה לאורך ציר התנועה, במקום קרן בעלת עוצמה גבוהה יותר לרוחבו, וכך לצמצם את הנזק הנלווה.

לדברי צ'ו, Perspecta תוכל גם לאפשר השתלה מדויקת יותר של “זרעים” רדיואקטיביים בבלוטת הערמונית כדי לטפל בסרטן שהתפתח בה, בזכות העובדה שהיא תאפשר לרופא לפצות בצורה טובה יותר על תנועת הרקמה המתרחשת כשמוחדרת המחט המטמינה את הזרעים.

עומק, רוחב וגובה מלאים

DepthCube, הצג הנפחי האינטראקטיבי השני, פותח על ידי חברת LightSpace Technologies מנורוולק שבקונטיקט. מדובר במסך מקרן אחורי, שעיצובו מזכיר מעט מסוף מחשב, ושמידות החזית שלו הן 40 על 30 סנטימטרים. עוביו של ה”מסך” 10 סנטימטרים והוא עשוי מסנדוויץ' של 20 לוחות זכוכית, ועם זאת הדמות נראית כאילו היא בעומק של 30 סנטימטרים. צופים המפוזרים בצורה אקראית מסביב למסך יראו, כל אחד ואחד מהם, עצמים בפרספקטיבה המתאימה. מבנים פנימיים מופיעים ונעלמים עם שינוי זווית הצפייה. המערכת תהיה שימושית, למשל לצוות של מהנדסי מוצר הבודקים כיצד חלקים, שגרסה ראשונית שלהם סורטטה בעזרת מערכת תכנון וייצור באמצעות מחשב (תיב”ם), יתאימו – או לא יתאימו – זה לזה.

כשבנה נשיא חברת LightSpace, אלן סאליבן, את האבטיפוס הראשון שלו לפני שמונה שנים, הוא הצליח לרתום שלישיית שבבי DLP של טקסס אינסטרומנטס כדי להקרין הדמיה שאפשר לייחס לה עומק על גבי 20 הלוחות, המופרדים זה מזה במרווחי אוויר דקים. כל DLP ב- DepthCube מכיל 786,432 מראות המרצפות שטח שגודלו כציפורן אצבע.

סאליבן היה עדיין זקוק לדרך נוחה לייצר מידע עומק, ולא היה מאושר ממנו כשהוא גילה שכרטיס גרפי תלת-ממדי מסחרי וקל להשגה יוכל לעשות את המלאכה.

כרטיסים גרפיים משתמשים בחוצץ צבע – פיסת זיכרון קטנטנה – כדי להצמיד לכל פיקסל שעל מסך דו-ממדי את הצבע המתאים לו. אבל לכרטיסים יש גם רכיב חבוי המכונה חוצץ עומק, שמתאר את העומק של כל פיקסל. ביישום רגיל, חוצץ העומק כמעט אינו מנוצל, מפני שכשמעוניינים ליצור תמונה דו-ממדית די להגדיר רק את השכבה החיצונית ביותר של הפיקסל. וכך, מתאר סאליבן בנימה מהורהרת, התברר כי המקום שחיפש עבור מידע העומק שלו “היה מצוי שם, חינם אין כסף”.

המידע מפעיל את 20 הלוחות, המכונים תריסי פיזור מגביש נוזלי, שביכולתם לעבור במהירות ממצב מפזר (מציג) למצב שקוף (מעביר). תכונה זו מאפשרת ללוח להציג פיקסל או לתת לו לעבור ללוחות אחרים לפי הצורך. בכל רגע נתון כל הלוחות ריקים חוץ מלוח אחד, אבל המעבדים מקרינים פרוסות דמות מתואמות 50 פעם בשנייה על כל לוח, וכך יוצרים עומק, גובה ורוחב מלאים.

האבטיפוס של DepthCube סיפק לצופה תלת-ממדיות נאה, אבל רק במגבלות עומק המסך של עשרת הסנטימטרים; חלקים שונים של הדמות נראו כמעט כמו לוחות של תפאורה מקרטון על במת תיאטרון, הניצבים זה אחרי זה. זה היה הרגע שבו הייתה לסאליבן, שחקר לפני כן לייזרים באנרגיות גבוהות מאוד במעבדה הלאומית האמריקנית לורנס ליוורמור, הברקה פתאומית שזיכתה אותו בפטנט.

התחוור לו כי האלגוריתמים המכונים אלגוריתמי ביטול קיפולים (antialiasing), שבהם משתמשים כדי להחליק קצוות משוננים של תמונות דו-ממדיות, יוכלו לתפקד גם כמחליקי מעברים בין 20 הלוחות של DepthCube. החידוש הזה גורם ל-15.3 מיליוני הווקסלים הפיזיים להיראות כמו כמות מסחררת – 465 מיליון – של ווקסלים וירטואליים. “אנו מייצרים 31 תת-מישורים בין המישורים הפיזיים, כך שהרזולוציה הנתפסת אצל הצופה גבוהה בהרבה,” מסביר סאליבן. כתוצאה מכך, עבור המוח האנושי יכולה הדמות להיראות כבעלת עומק של עד 30 סנטימטרים.

נתוני הדמות המוזנים לשבב יכולים להגיע כמעט מכל תוכנת תלת-ממד התומכת בממשק OpenGL, פרוטוקול נפוץ שמשתמשות בו תוכנות תיב”ם והנדסה כגון Catia או ProEngineer.

LightSpace מכרה קומץ מכשירים כאלה למכוני מחקר, ביניהם מעבדת המחקר של חיל האוויר האמריקני ואוניברסיטת הוקאידו ביפן, במחיר של 50,000 דולר ליחידה. סאליבן מכיר בעובדה כי במחירים כאלה השוק מוגבל, אבל לדבריו הוא יכול לראות את הדרך המובילה למוצר שיעלה כ-5,000 דולר. “אין בטכנולוגיה שלנו שום דבר שאי אפשר למצוא בטלוויזיית מקרן אחורי, חוץ מתריסי הגביש הנוזלי,” הוא אומר, “ואת אלו אפשר לייצר די בזול בכמויות גדולות.”

המוצרים שפותחו על ידי שתי החברות הצעירות הולכים וצוברים הערכה ממנהלים בתחום טכנולוגיות התלת-ממד, ויש יישומים נוספים בדרך. חוקר האופטיקה סטיב היינס, בעליה של מעבדת הַינְסלָבּ בגלנדייל שבקליפורניה, קובע כי “שתי החבורות האלה עושות דברים קשים להחריד ועד עכשיו זה מצליח להן.” המקומות הטבעיים למכירת הטכנולוגיה הזו, הוא מוסיף, הם היכן שיש כסף: “תעשיות הבריאות, הצבא והסרטים.”

מנורת קשת מקרינה אור מבעד לאמצעים אופטיים ומנסרה, המפרידים אותו לקרניים כחולות, אדומות וירוקות המוחזרות על ידי שבב עיבוד אור דרך מקרן לעבר מראות ממסר. המראות מובילות את הקרניים אל אחד מבין 20 מסכים. כל מסך מורכב משני לוחות זכוכית המכילות שכבות מוליכות ותערובת של גביש נוזלי שמפזרת אור.

באמצעות הארה של מערכת המסכים שעובייה עשרה סנטימטרים, מסך אחרי מסך, יוצרת המערכת דמות תלת-ממדית הנראית כבעלת עומק של 30 סנטימטרים. לדוגמה, דמות של מחצית ראש אדם מאפשרת למבנים מסוימים להיראות (הסינוסים צבועים בצהוב עז; הסחוסים בכתום), בעוד מבנים אחרים יכולים להישאר מוסתרים.

כתב: סטיוארט פ' בראון. פורסם במגזין “סיינטיפיק אמריקן “.

על המחבר – סטיוארט פ' בראון

סטיוארט פ' בראון (Brown) היה חבר בצוות הכתבים של כתבי העת Popular Science ו-Fortune. כיום הוא עיתונאי עצמאי. הוא מכנה את תחום הכתיבה הנוכחי שלו “העולם מעשה ידי אדם,” הכולל מדעי תעופה וחלל, תחבורה וביוטכנולוגיה.