ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГОЛОГРАФИИИ И ПСЕВДОГОЛОГРАФИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ. Статья Черных. Эффективное использование технологий голографиии и псевдоголографии в автоматизированных системах военного назначения
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
C. В. Калиниченко, кандиат техн. наук, доцент; В. Ю. Черных курсант 24 курса, ВКА им. А.Ф. Можайского ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГОЛОГРАФИИИ И ПСЕВДОГОЛОГРАФИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ В представленной статье приведено описание технологий голографии и псевдоголографии. Рассмотрены актуальность и эффективность их использования в автоматизированных системах управления военного назначения. Ключевые слова: 3D-технологии, голография, 3D-голография, псевдоголография, визуализация, оптика. ВВЕДЕНИЕ В век электронных технологий все больше сфер применения охватывают робототехнические комплексы. Они позволяют вести боевые действия без риска для человека, осуществлять тушение пожаров, перевозку грузов и многое другое. Темп развития информационных технологий в современном обществе невероятно высок, поскольку появилась необходимость переработки гораздо большего объема информации, поэтому чтобы увеличить скорость обработки получаемых данных и оперативность решения научных и производственных вопросов, возникла необходимость создания технологий, которые позволят оптически визуализировать различные модели. В особенности, если объекты очень большие, или, наоборот, очень мелкие, либо сложно устроенные для использования традиционных технологий. Наиболее эффективными в этом плане выступают 3D-технологии, а также голография наряду с псевдоголографией. Использование голограмм позволит эффективнее управлять войсками и вооружением. Наглядное представление состояния робототехнического комплекса, отображение частей и подразделений может обеспечить точность и оперативность выполнения задач. Актуальность темы исследования заключается в том, что с помощью голографии возможно удаленно анализировать текущую обстановку и ее изменение, рассматривать различные объекты и управлять техникой в реальном времени, что может повысить оперативность принятия решения и увеличить боеспособность армии. Разработка голограмм, всегда была объектом внимания ученых. Значительный вклад в решение этих проблем внесли такие отечественные исследователи, как Ю.Н. Денисюк, А.Б. Согоконь, Н.Г.Власов, В.А. Мариновский, Ю.И.Савилова, К.Коффман. И зарубежные исследователи такие, как Эмметт Лейт, Юрис Упатниекс, Деннисом Габором, Стивен Бентон. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ Голография (с др. греческого голо — полный + графия — пишу) — 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. В основе голограммы лежит два основных явления в оптике: дисперсия и интерференция света [2, C. 74]. Голограмма - объёмное изображение на пластинке, полученное с помощью голографии, т.е. голограмма — элемент, который использует световой поток, чтобы формировать определенные узоры, которые невозможно подделать. Голограмма представляет собой плоскую поверхность, которая при правильном освещении и отражении отображается как трехмерное изображение. Голограмма может также проецировать трехмерное изображение в воздух — это реалистичное изображение, которое можно сфотографировать, хотя его нельзя коснуться. Поскольку они не могут быть скопированы обычными способами, голограммы широко используются для предотвращения подделки и защиты документов, таких как кредитные карты, водительские права и билеты на вход. Слово голограмма исходит от греческих корней «holos» — означающих «целый», «полный» и «gramma» — письменный знак. Процесс изготовления голограммы называется голографией. Первая голограмма была создана в 1947 году Деннисом Габором, ученым из Венгрии, который работал в Имперском колледже Лондона. [3, C.15]. Отчасти это изобретение можно назвать спонтанным, так как основная задача, которую перед собой поставил Д. Габор, — усовершенствование электронного микроскопа, чтобы тот смог регистрировать данные об амплитудах, а также фазах электронных волн. Это стало возможным благодаря наложению электронных волн на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Д. Габор разработал одноосевую схему (рисунок 1), по которой объект фактически расположен в поле опорных волн. Часть светового потока, что рассеивается на прозрачном объекте, создает в свою очередь предметную волну, а прямо прошедший свет выступает в качестве опорной волны. Во время попадания света на поверхность голограммы, формируется мнимое и действительное изображение объекта [15, C.45]. Но данная схема имеет и определенный недостаток — распространение лучей света, прошедших через голограмму, идут в одном направлении, что мешает правильному и точному восприятию.  Рисунок 1 – Одноосевая схема После этого активную работу над исследованиями и улучшениями голографии начал советский физик Денисюк, которому удалось осуществить запись голограммы в трехмерной среде. В 69-м году ученый С. Бентон из Соединенных Штатов Америки впервые записал голограмму, которая была видимой при обычном свете [4, C.5]. Голограмма переливалась всеми цветами, из-за чего получила название «радужной». Такой тип голографического изображения оказался достаточно недорогим в производстве и эффективным. А самое главное — удобным, так как больше не нужно было использовать какое-либо специфическое оборудование для того, чтобы увидеть изображение. Благодаря труду С.Бентона голограммы переходят в серийное производство и активно вливаются на производственный рынок того времени. Интерференционные картины просто «штамповались» на пластик. Начинается их активное применение для защиты важных документов и дорогих продуктов. Позже в условиях активного развития технологий голограммы становятся еще более массовыми в силу своей доступности. Современная технология позволяет копировать объемные голограммы «по Денисюку» типографским способом. Для этого голограмму получают в особом светочувствительном материале — фоторезисторе. После экспонирования материал обрабатывают растворителем, который смывает его слой до зон почернения. Образуется микрорельеф, с которого снимают отпечаток — матрицу. При помощи этой матрицы в пластическом материале печатают копии голографического рельефа, покрывают их слоем металла и прозрачной защитной пленкой. Таким способом изготавливают защитные марки на упаковках пищевых продуктов и документах. Подделать их практически невозможно [24, C.42]. В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИИ Голография основывается на двух физических явлениях — дифракции и интерференции световых волн [35, C. 47]. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм. Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера — удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны [8, C.46]. ИСКУССТВО ГОЛОГРАФИИ Хотя голограмма является визуальным изображением физического объекта, она сильно отличается от фотографии. Голограмма формирует реальное объемное изображение, в отличие от фотографии и даже от таких подделок под объемность, как стереограммы. Стереограмма — картина или видеоряд, использующий два отдельных изображения, позволяющих достичь стереоэффекта [35, C.57]. Реальность состоит в том, что голограмму можно наблюдать с разных точек, наблюдая части объекта или сцены, которые были скрыты при наблюдении с другой точки зрения. В этом смысле голографическое изображение ведет себя полностью как реальный объект. Особенно хорошо это иллюстрируют голографические изображения прозрачных объектов, например, голограмма линзы полностью сохраняет все свойства реальной линзы, и поэтому через изображение линзы можно просматривать увеличенное изображение расположенных за ней объектов. Динамический диапазон яркостей на голограмме на несколько порядков выше, чем на фотографии. На фотографии (как и в живописи) максимальная яркость — это просто яркость не закрашенного листа бумаги (или яркость белил). На голографическом изображении такого ограничения нет, так как яркие места формируются за счет света, приходящего со всей поверхности голограммы. Если на бумажном изображении яркость формируется вычитанием из максимальной яркости, то на голограмме — перенаправлением света из темных участков на светлые. Именно этим объясняется удивительная реальность передачи прозрачных предметов, стекла, водяных капель, то есть тех объектов, которые в действительности имеют очень большой динамический диапазон яркости. То, что художникам и фотографам дается с большим трудом, за счет специальных приемов, голограмма отображает автоматически предельно точно. Но, в отличие от фотографий и картин, для наблюдения голограмм в необходим точечный источник света (лампа), иначе изображение в некоторой степени размывается. Кроме того, существует отдельный вид голографии, такой как псевдо-голография. Псевдо-голография — создание голограмм путем отражения отображаемого изображения от зеркальной поверхности. Существует несколько способов реализации псевдо-голограмм. Разберем следующие из них: Псевдо-голограмма на основе просветной пленки — технически представляет из себя проекционный экран, который почти полностью прозрачен (его основа изготавливается из прочного стекла) и в то же время отображает яркое и контрастное изображение, создаваемое на нем обычным проектором [8]. Сам проектор располагается под определенным углом за экраном, благодаря чему зрители его не видят. Принцип работы данного вида псевдо-голограмм изображен на рисунке 3. Особенности данного вида псевдо-голограмм: Изображение проецируется на прозрачную голографическую пленку, которая нанесена на поверхность экрана. Кроме того, пленку можно нанести практически на любую прозрачную поверхность — например, на витрину. Размер пленки подразумевает бесшовное нанесение на экраны размером до 60 дюймов Изображение проецируется под углом 20, 38 или 55 градусов, что позволяет спрятать проектор от глаз наблюдателя исходя из особенностей помещения Голографический экран можно использовать как интерактивную панель. Это достигается благодаря дополнительному сенсорному слою. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГОЛОГРАММ ВОЕННОГО И ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Применение голограмм возможно в различных сферах. Одной из перспективных сфер применения является военное картографирование. Географическая разведка является неотъемлемой частью военной стратегии, и полноразмерные голографические изображения используются для улучшения разведки. Некоторые зарубежные компании уже поставляют более 13000 3D голографических карт «боевых мест», в год, для американской армии. Это позволяет солдатам просматривать трехмерную местность и помогает в обучении. Компания делает это, принимая сложные компьютерные данные изображения. Пользователи могут «смотреть» на высококачественное трехмерное изображение ландшафта, хранящегося на голограмме. Голограммы также начали широко использоваться в военно-промышленном комплексе, а именно для маскировки военных объектов. Но для применения голограмм нужна система управления или системный подход в управлении ими, так как системный подход в управлении предполагает усиленное внимание к внутренним преобразовательным процессам функционирования голографической системы. При отсутствии правил и системного подхода в управлении голограммами могут возникнуть последствия в будущем, которые могут привести к непоправимым ошибкам и угрозам безопасности страны. Возможно применение в медицинской сфере. Голография может также произвести революцию в медицине, как инструмент для визуализации данных пациента во время обучения студентов и хирургов. Многие медицинские системы генерируют сложные данные с использованием передовых технологий обработки изображений, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковое сканирование. Как правило, эта электронная информация используется для отображения плоского изображения на экране компьютера, но его также можно использовать для создания полноцветных, генерируемых компьютером 3D голографических изображений. Преимущество здесь, как и всех «реальных» голограмм, заключается в том, что не нужны специальные устройства просмотра или очки. Студенты и врачи могут просто «смотреть», беспрепятственно, на трехмерные изображения. Хранение нескольких разных изображений в одной и той же голограмме означает, что зритель может перемещаться по экрану, позволяя им исследовать различные органы или части тела. На сегодняшний день компания выпустила трехмерные голографические изображения структур, включая мозг, печень, легкие, сердце, скелет, сосудистую систему, нервы и мышцы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Возможности современной голографии пока еще достаточно скромны. Изображения выглядят куда менее реалистично, нежели реальные объекты, не умеют перемещаться и не могут проецироваться в произвольном направлении. И все же их можно применять в боевых целях. Проведенные исследования позволили выявить преимущества эффективного применения технологий псевдоголографии в автоматизированных системах специального назначения: Экономия сырья отсутствие потерь сырья в виде отходов, поскольку отпадает необходимость их использования; Высокий контроль качества – легкая и высокотехнологичная проверка качества изделия или проекта на всех этапах производства; Мобильность производства —не нужны чертежи и образцы, ибо компьютерная модель будущего изделия или проекта со всеми замерами, которые произвела программа, готова для передачи в производство; Ускорение обмена данными; Отличная визуализация — оптическая иллюзия позволяет не только рассмотреть, но и мгновенно добавить любые необходимые изменения, что также ускоряет процесс работы. Список используемых источников Тимофеев А.В. Адаптивные робототехнические комплексы - Санкт-Петербург: Машиностроение, 1988 - с.332. Artamonov D.A. Principles of image formation in groove stereography. Chung J. Kuo, Meng Hua Tsai. Three-dimensional holographic imaging. 2015. Unterseher, Fred, Jeannene Hansen и Bob Schlesinger. Справочник по голографии: создание голограмм легким путем. Ross Books, 2016. С.157 А.М. Морозов, И.В. Кононов. Оптические голографические приборы. 1988 год. Анализ финансовой отчетности: учебник / Под общ. Ред. М.А. Вахрушиной. Изд. 2-е. М.: Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2015. 367 с. Артамонов Д.А., Власов Н.Г., Колейчук В.Ф., Топунов А.И. Штриховая стереография с изменяющимся масштабом изображения. Быков В.П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2014. 320 с. Валента Эд. Фотография в натуральных цветах. Ч.1 - Старые фотохимические способы и Липпманский способ прямой цветной интерференционной фотографии. 2015. 357 с. Власов Н.Г. Объемное изображение рисунка, созданного на плоскости. 2014. 89 с. Власов Н.Г., Соломахо Г.И. О повышении разрешающей способности в изображении двух взаимно когерентных источников. 2015. 157 с. Воробьев С.П. Наблюдение отражающих голограмм. 2014. 95 с. Воробьев С.П. Особенности распределения яркости голограмм Денисюка. 2015 87 с. Гинзбург В.М., Степанов Б.М. Голография. Методы и аппаратура. 2014. 189 с. Глаубер Р. Оптическая когерентность и статистика фотонов. 2014. 357с. Денисюк Ю.Н. отв. редактор. Оптическая голография с записью в трехмерных средах. 2018.121. Дидебулидзе А. Цветная фотография на солях серебра. 2015. 457 с. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Реальный интерферометр Фабри-Перо. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 2018. 176 с. Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ. М.: Мир, 2015. 560 с. История голограммы и голографии [сайт] [Электронный ресурс]/ http://www.etiketki24.ru/interesnye-stati/istoriya-gologrammy-i-golografii/ (дата обращения 28.02.2018) Ищенко Е.Ф. Открытые оптические резонаторы. - М.:Советское радио. 2018. 420 с. Картужанский А.Л., Красный-Адмони Л.В. Химия и физика фотографических процессов. Л.: Химия, 2017, 137 с. Каспер, Джозеф Э. и Стивен А. Феллер. Полная книга голограмм: как они работают и как их создавать. John Wiley & Sons, 2017. 150 с. Кириллов Н.И. Высокоразрешающие материалы для голографии и процессы их обработки. М.: Наука. 2017. 136 с. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука. 2015. 380 с. |
