Tipos de Hologramas

Existem vários tipos de hologramas que variam, de forma geral, na forma como é efectuada a gravação (meios e técnicas de gravação e tipos de modulação da onda), a reconstrução e o display. Existem dois tipos de hologramas analógicos (por transmissão e por reflexão) e depois, existem os digitais e gerados por computador.

 

Hologramas Analógicos

Num holograma por transmissão, o feixe de referência e o do objecto incidem do mesmo lado da placa holográfica, o que origina padrões de interferência perpendiculares ao plano da placa.

 

Num holograma por reflexão, o feixe de referência e o do objecto incidem em lados opostos da placa holográfica, o que origina padrões de interferência paralelos ao plano da placa. Nestes hologramas a reconstrução pode ser feita com luz branca.

 

 

 

Hologramas Digitais

Na holografia digital, o meio de gravação convencional (placa holográfica) é substituído por um dispositivo de carga acoplada (em inglês, Charge Coupled Device – CCD) e a reconstrução passa a ser feita por computador. O CCD é um sensor para captação de imagens formado por um circuito integrado que converte intensidades de cargas eléctricas em informação digital, o que permite traduzir um padrão de interferência em bits, ao actuar como uma matriz de pixéis.

A vantagem deste tipo de hologramas, para além de dispensarem todo o processo de tratamento fotográfico associado às placas holográficas convencionais, o que os torna mais rápidos (débitos de vídeo são possíveis de atingir), é o facto de a imagem do holograma poder ser processada num computador, o que elimina muitos dos requisitos necessários da holografia convencional.

Como desvantagem, existe o facto de a resolução espacial ser tipicamente mais baixa do que a dos hologramas convencionais, gravados em placas holográficas. Contudo, este inconveniente tem sido reduzido através de uma técnica intitulada phase-shifting digital holography, que tem sido aplicada à área da microscopia holográfica.

Holografia Digital

 

Uma vez que as técnicas de gravação óptica e reprodução digital são limitadas pelo tamanho e resolução dos sensores, e não são técnicas simples, os hologramas gerados computacionalmente têm gerado interesse, e o seu estudo tem-se desenvolvido, por dispensarem toda a componente óptica de produção de holografia.

 

 

Hologramas Gerados por Computador

Neste tipo de hologramas, os padrões de interferência são digitais, gerados por cálculos computacionais e o processamento é digital, o que dispensa a existência de uma montagem óptica e tem como grande vantagem a possibilidade de representar objectos que não existem fisicamente.

O computador gera o padrão de interferências e usa-o num modulador espacial de luz (em inglês, Spatial Light Modulator – SLM) que vai difractar a luz incidente de um laser, de forma semelhante ao que as placas holográficas fazem, o que permite reconstruir o campo luminoso do objecto original, recriando-o tridimensionalmente. Em alternativa, o padrão pode ser armazenado ou reproduzido em displays 3D.

A fase crucial na produção destes hologramas é a representação matemática do padrão de interferências (aquisição), de seguida este tem que ser codificado (codificação) e depois reconstruído (reconstrução).

Na figura é apresentada a arquitectura geral dos CGH, que é ainda baseada em tecnologias existentes para imagem e vídeo, nomeadamente técnicas de compressão como o JPEG, JPEG200, MPEG-1/2/4 ou H.264/AVC, mas que no futuro poderá vir a ter os seus próprios standards (e.g. JPEG Pleno).

 

 

O processo consiste em pré-processar, segmentar, transformar, pós-processar e comprimir a informação.

O padrão de interferências é dividido em vários blocos DCT bidimensionais, e estes são depois rearranjados numa sequência vídeo sobre a qual podem ser aplicados os standards de compressão para imagem, neste caso, dinâmica.

Este não é o único processo de codificação existente para hologramas. Nomeadamente, existem:

  • técnicas de compressão sem perdas (lossless) para aplicações mais exigentes que não podem tolerar perdas de informação – baseadas em códigos Huffman, Lempel-Ziv (LZ77), Lempel-Ziv-Welch (LZW) e Burrows-Wheeler (BW);
  • técnicas de compressão com perdas (lossy), que permitem factores de compressão (FC) mais elevados, o que degrada a qualidade, tendo, portanto, que existir um trade-off, para garantir uma dada qualidade com um bom FC, aproveitando as propriedades do Sistema Visual Humano (SVH). Esta compressão é essencial para se atingirem débitos de transmissão e armazenamento razoáveis. – codificações como a da Figura 6 e através de vectores de quantização, entre outros métodos.

 

 Codificação de Imagem 

Quando o elemento a ser codificado é uma imagem, o processo da figura faz-se da seguinte forma:

1. o padrão de interferências da imagem é gerado a partir da imagem original (modelo 3D do objecto) e adquirido, no bloco CGH;

2. É feito o pré-processamento que separa as componentes RGB ou YUV e cada componente é codificada independentemente, no bloco Pre-Processing;

3. Cada componente é segmentada (e.g. em blocos 8×8) e é aplicada uma transformada 2D (e.g. DCT), nos blocos Segmentation e Transform. Isto permite a redução da redundância espacial, ao segmentar a imagem em blocos com várias amostras.

Idealmente, quanto maiores os blocos, melhor é explorada a redundância espacial, no entanto blocos muito grandes tornam-se ineficientes uma vez que a redundância é, normalmente, local;

4. Por fim é aplicado um standard de compressão, para diminuir o tamanho das imagens no formato raw, através de quantização, que explora a irrelevância, e de codificação entrópica, que explora a redundância estatística. Existem várias hipóteses de codecs, e.g.:

  • JPEG: baseia-se em DCT e a quantização é feita pela eliminação dos coeficientes DCT de maior frequência, atribuindo-se um maior passo de quantização a estes, pelo facto de o SVH não ser tão sensível a mudanças em frequências elevadas;
  • JPEG 2000: baseia-se em DWT e trata todas as frequências de forma igual. Os fluxos de código são regiões de interesse e é possível o acesso aleatório espacial. Permite armazenar diferentes partes da mesma imagem com qualidade diferente.