Физика будущего

Смешение реальностей

К середине века все мы, скорее всего, будем жить в странном мире, представляющем собой смешение настоящей и виртуальной реальности. Контактные линзы или очки позволят человеку видеть перед собой не только реальный мир, но и наложенные на него виртуальные изображения. По крайней мере так считает Сусуму Тачи (Susumu Tachi) из японского Университета Кейо и многие другие ученые. Тачи разрабатывает особые очки, способные смешать фантазию и реальность. Его первая цель – сделать так, чтобы вещи могли исчезать и появляться прямо на глазах.

Конец закона Мура. Электронные микросхемы изготавливаются тем же методом, что и рисунки на футболках, только вместо краски из пульверизатора на шаблон фокусируется ультрафиолетовый луч, выжигающий изображение на многослойной кремниевой подложке. Затем при помощи кислоты изображение вытравливается, создавая сотни миллионов транзисторов. Но существует предел миниатюризации, связанный с конечным размером атомов. Значит, когда-то Кремниевая долина станет «ржавым поясом»?

Я побывал у профессора Тачи и увидел некоторые из его замечательных экспериментов по смешению настоящей и виртуальной реальности. Одна из несложных демонстраций – исчезновение объекта (по крайней мере в ваших очках). Сначала я надел специальный светло-коричневый плащ, который расправлялся вокруг меня парусом, стоило развести руки в стороны. Затем на плащ навели видеокамеру, а еще одну видеокамеру поставили снимать все за моей спиной, где по улице спокойно ехали автобусы и автомобили. Мгновением позже компьютер совместил два изображения и спроецировал на мой плащ, как на экран, происходящее позади меня. Стоило посмотреть сквозь специальную линзу, и мое тело исчезало, оставляя лишь изображения машин и автобусов. Поскольку моя голова не была прикрыта плащом, выглядело все так, будто голова одна парила в воздухе без тела, как у Гарри Поттера в плаще-невидимке.

Затем профессор Тачи показал мне совершенно особые очки. Надев их, я получил возможность видеть перед собой реальные объекты, но мог при желании заставить их исчезнуть. Это не настоящая невидимость, и работает она только для человека в специальных очках, которые накладывают два изображения. Однако это часть амбициозной программы профессора Тачи, которую иногда называют «дополненной реальностью».

К середине века все мы будем жить в настоящем, полностью функционирующем кибермире, в котором объекты мира реального смешаны с компьютерными изображениями. В связи с этим резко изменятся, вероятно, представление человека о рабочем месте, торговля, развлечения и образ жизни. Дополненная реальность повлияет и на рынок. Первым коммерческим приложением как раз и станет возможность делать реальные объекты невидимыми или, наоборот, делать невидимое видимым.

К примеру, если вы пилот или водитель, вы сможете видеть одновременно на 360° вокруг себя; мало того, вы будете видеть то, что находится у вас под ногами, поскольку очки или линзы позволят взгляду проникать сквозь стены самолета или автомобиля. Исчезнут «слепые» зоны, из-за которых происходит так много аварий и гибнут люди. Во время воздушного боя пилот будет видеть вражеские самолеты, где бы они ни находились, даже под собой, как если бы его самолет был полностью прозрачен. Водители тоже будут видеть всю обстановку вокруг, поскольку крошечные камеры подадут на их контактные линзы полное панорамное изображение.

Это пригодится и астронавтам, работающим на наружной поверхности космического корабля; они смогут видеть сквозь стены, перегородки и корпус своего корабля. В какой-то момент такая технология может оказаться спасительной. Если вы занимаетесь ремонтом подземных коммуникаций, прибор покажет вам, как в точности соединяются все эти провода, трубы, краны и переключатели. Это может оказаться жизненно важным в случае взрыва газа или прорыва трубы с паром, когда скрытые в стенах трубы необходимо быстро отремонтировать или переключить.

Если вы геолог, вы сможете видеть сквозь толщу земли подземные запасы воды или нефти. Снимки исследуемой территории в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, сделанные со спутников и самолетов, компьютер обработает и подаст на ваши линзы вместе с трехмерным анализом площадки и всего, что скрыто под ее поверхностью. Проходя по безжизненному ландшафту, в линзах вы будете «видеть» залежи ценных минералов.

Вы сможете не только делать реальные объекты невидимыми, но и наоборот – «проявлять» и делать видимым невидимое.

Если вы архитектор, вы сможете, не выходя из пустой комнаты, «увидеть» перед собой трехмерное изображение проектируемого здания. Вы сможете «пройтись» по его внутренним помещениям, и ваши чертежи «оживут». Дизайнер, пройдя по пустым комнатам, сможет увидеть только еще задуманные интерьеры с мебелью, коврами и украшениями на стенах; то же сможет сделать и заказчик проекта. Такая экскурсия поможет, прежде чем воплощать проект, визуализировать его и убедиться, что он полностью соответствует его пожеланиям. Просто взмахнув руками, дизайнер сможет создавать новые комнаты, стены и мебель. В дополненной реальности каждый станет волшебником; взмахни палочкой – и сотвори все, что твоей душе угодно.

Дополненная реальность: революция в туризме, искусстве, шопинге и войне

Вы видите, что дополненная реальность потенциально может оказать и на торговую, и на производственную сферу огромное влияние. При помощи дополненной реальности можно облегчить выполнение и улучшить результат буквально любой работы. К тому же эта технология невероятным образом обогатит нашу жизнь, развлечения и вообще человеческое общество.

К примеру, в музее можно будет переходить от экспоната к экспонату под руководством виртуального гида, который подробно расскажет вам о самых интересных объектах; этот же «гид» при помощи контактной линзы дополнит экспонаты в витринах интересными видеороликами и другими материалами. Вам покажут полную реконструкцию зданий и памятников во всем их величии, а заодно позабавят историческими анекдотами. Римскую империю, к примеру, вы «увидите» не в виде сломанных колонн и заросших сорняками развалин, а как будто возрожденную; сможете побродить по форуму, услышите комментарии специалистов, получите любую информацию.

Ученые Пекинского технологического института уже делают первые шаги в этом направлении. Они воссоздали в киберпространстве легендарный Юаньминюань – Сад совершенной ясности, уничтоженный франко-британскими войсками во время Второй опиумной войны 1860 г. До наших дней от этого знаменитого ансамбля остались одни руины. Но если вы посмотрите на развалины со специальной платформы, вы увидите перед собой сад во всем его великолепии. В будущем такие зрелища станут привычными.

Еще более продвинутую систему – пешую экскурсию по швейцарскому городу Базелю – создал изобретатель Николас Некке (Nikolas Neecke). Вы надеваете специальные очки и гуляете по улочкам древнего города; при этом одновременно с реальным изображением вы видите трехмерные изображения древних зданий и даже людей. Турист вполне может вообразить себя путешественником во времени. Компьютер сам определяет ваше местонахождение и показывает вам через очки картины древних времен, как будто вы перенеслись в Средневековье. Сегодня для того, чтобы эта система работала, вам придется надеть большие очки и нести на себе тяжелый рюкзак с GPS-оборудованием и компьютерами. Завтра все это свободно уместится в контактных линзах.

Контактные интернет-линзы будут распознавать лица людей, показывать вам биографические данные на них и переводить их слова в виде субтитров. Туристы будут пользоваться такими линзами, чтобы воочию увидеть разрушенные памятники древности. Художники и архитекторы будут дорабатывать с их помощью свои виртуальные творения. Возможности дополненной реальности неисчерпаемы

Если в чужой стране вам доведется водить машину, то в контактной линзе все приборы и надписи на панели управления вы будете видеть на своем, а не на местном языке, так что вам не придется опускать взгляд, чтобы что-то увидеть. Вы будете видеть и дорожные знаки, и, если захотите, описания близлежащих объектов, таких как туристические достопримечательности. Перевод дорожных знаков и объявлений также не составит труда.

Турист, путешествующий пешком, сможет в любой момент узнать не только свое положение в чужой стране, но и названия всех местных растений и животных, сможет взглянуть на карту и узнать прогноз погоды. Увидит он и тропинки, скрытые растительностью, и места стоянок.

Человек, занятый поисками подходящего жилья, проходя или проезжая в машине по улице, увидит окрест дома и квартиры, выставленные на продажу или сдающиеся внаем. Его линза покажет стоимость квартиры или дома, наличие удобств и т. п.

Взглянув на ночное небо, вы увидите не только звезды и созвездия, но и границы между ними, как в планетарии, и названия звезд – и все это на фоне настоящего неба. Вы увидите, где находятся на небе галактики, далекие черные дыры и другие интересные астрономические объекты, сможете скачать лекции на заинтересовавшую тему.

Дополненная реальность не только даст вам возможность видеть сквозь непрозрачные объекты и посещать экзотические места; она придет на помощь, если вам срочно потребуется какая-то специализированная информация.

К примеру, если вы актер, музыкант или еще кто-то, кому приходится заучивать наизусть большие объемы информации, в будущем вы будете видеть перед собой все необходимое – текст, ноты, программу, хронометраж спектакля и т. п. Вам не потребуются ни телесуфлер, ни карточки-шпаргалки, ни бумажные ноты, ни специальные пометки с напоминаниями. Вам вообще не придется больше ничего заучивать наизусть.

Вот еще несколько примеров.

• Если вы студент и пропустили лекцию, вы сможете скачать и просмотреть лекции виртуальных профессоров по любому предмету. Технология дистанционного присутствия сделает так, что образ реального профессора появится перед вами и ответит на все ваши вопросы. Вы также сможете увидеть в своей линзе демонстрацию различных экспериментов, видео и т. п.

• Если вы солдат в поле, специальные очки или шлем обеспечат вас самой последней информацией, картами, схемами расположения частей противника и направлений вражеского огня, последними приказами и инструкциями командования и т. п. Во время перестрелки, когда вокруг свистят пули, вы сможете видеть позиции противника сквозь препятствия и детали рельефа, поскольку беспилотные самолеты-разведчики сверху рассмотрят и зарегистрируют их.

• Если вы хирург, занятый тонкой и срочной операцией, вы сможете видеть пациента насквозь (при помощи портативного МРТ-аппарата и датчиков, запущенных внутрь его тела). Кроме того, вы сможете в любой момент просмотреть справочные материалы, медицинские записи и видеозаписи предыдущих операций.

• Играя в видеоигру, вы сможете при помощи своей контактной линзы погрузиться в киберпространство. Находясь в пустой комнате, вы будете видеть идеальные трехмерные изображения всех своих друзей и путешествовать по какой-то незнакомой местности, готовясь к схватке с воображаемыми инопланетянами. Вы будете ощущать себя на поле боя чужой планеты, где вокруг вас и ваших товарищей по оружию сверкают боевые лучи инопланетного оружия.

• Если вам захочется уточнить какие-то спортивные данные или статистику выступлений определенного спортсмена, информация мгновенно появится на вашей контактной линзе.

Это означает, что человеку уже не будут нужны ни сотовый телефон, ни часы, комнатные или наручные, ни MP3-плеер. Все иконки различных гаджетов, которыми вы прежде пользовались, отобразятся на вашей линзе, и компьютер обеспечит вам доступ к этим приборам в любое время. Таким образом можно будет звонить по телефону, посещать музыкальные сайты и т. п. Дополненная реальность возьмет на себя функции большей части домашней техники.

Среди ученых, раздвигающих рамки дополненной реальности, можно назвать Пэтти Маес (Pattie Maes) из медиалаборатории MIT. Вместо того чтобы использовать особые контактные линзы или очки, она планирует проецировать экран компьютера на обычные объекты окружающего мира. Ее проект под названием SixthSense («Шестое чувство») предусматривает ношение крохотной камеры и проектора на шее в виде своеобразного медальона, способного проецировать изображение компьютерного экрана на любой подходящий предмет, к примеру на стол или стену. Нажатие воображаемых клавиш позволит активировать компьютер, в точности как если бы вы печатали на настоящей клавиатуре. А поскольку экран компьютера можно спроецировать на любую ровную и твердую поверхность, одновременно в такие экраны можно будет превратить сотни самых разных предметов.

Кроме того, человек, пользующийся этой системой, надевает на пальцы особые пластиковые наперстки. Движения пальцев становятся командами, результат выполнения которых появляется на импровизированном экране. К примеру, вы сможете рисовать на экране движениями пальцев; сможете пользоваться пальцами вместо мышки и управлять движением курсора. А стоит сложить пальцы обеих рук «домиком», активируется цифровая камера, и вы сможете заснять все что захотите.

Это означает также, что во время похода по магазинам ваш компьютер будет сканировать продукты, считывать информацию с упаковки и выдавать вам ее в удобном виде: это может быть полный состав продукта, калорийность (т. е. все, что написано на упаковке даже самым мелким шрифтом), а также отзывы других потребителей. А поскольку соответствующие микросхемы будут стоить дешевле, чем наклейки со штрихкодами, каждый коммерческий продукт будет снабжен собственной разумной биркой, которую сможет без труда прочесть ваш компьютер.

Еще одним приложением дополненной реальности может стать рентгеновское зрение, очень похожее на то, которым обладал Супермен в комиксах. Ученые предполагают использовать здесь процесс, известный как обратное рассеяние рентгеновских лучей. Если получится, то при помощи очков или контактных линз, чувствительных к рентгеновскому излучению, вы, подобно героям комиксов, сможете видеть сквозь стены и другие непрозрачные объекты. Каждый ребенок, впервые познакомившись с комиксами про Супермена, мечтает стать «быстрее выпущенной пули и сильнее локомотива». Тысячи детей кутаются в плащи, прыгают с подоконников, пытаясь взлететь, и приписывают себе возможность видеть сквозь стены. Тем не менее рентгеновское зрение – не плод воображения, оно вполне может стать реальностью.

Конечно, использование обычных рентгеновских лучей вызвало бы множество проблем. Во-первых, чтобы получить изображение, вам надо поместить позади объекта специальную пленку, облучить его, а затем эту пленку проявить. Однако обратное рассеяние позволяет решить эту проблему. Рентгеновские лучи испускаются специальным слабым источником и наполняют всю комнату; они отражаются от стен и пронизывают интересующие вас объекты с обратной стороны. Ваши очки воспринимают именно эти отраженные лучи, прошедшие сквозь объект. Изображение в них по качеству может быть ничуть не хуже, чем подобные рисунки в комиксах. (А увеличение чувствительности очков поможет снизить интенсивность рентгеновского излучения и, соответственно, минимизировать риск для здоровья.)

Универсальные переводчики

В фильмах «Звездный путь» и «Звездные войны», как, впрочем, практически во всех научно-фантастических фильмах, все инопланетяне прекрасно говорят по-английски^[4]. В любом таком фильме существует штука под названием «универсальный переводчик», позволяющая землянам мгновенно найти общий язык с любой инопланетной цивилизацией и избавляющая от необходимости объясняться с инопланетянами при помощи жестов.

Когда-то считалось, что универсальный переводчик – совершенно нереалистичная футуристическая идея, но первые варианты подобных приборов уже созданы. Это означает, что в будущем, если вы окажетесь в чужой стране и заговорите там с местными жителями, в ваших контактных линзах появятся субтитры, как если бы вы смотрели иностранный фильм. Вы также сможете попросить компьютер озвучить перевод и подать его непосредственно вам в уши. Два человека смогут беседовать между собой, причем каждый из них будет говорить на своем языке, а слова собеседника слышать в компьютерном переводе (если у обоих будет включен универсальный переводчик). Перевод, конечно, не будет идеальным (никуда не денутся проблемы с переводом идиом, сленга и образных выражений), но для понимания смысла сказанного его будет вполне достаточно.

К решению проблемы универсального перевода существует несколько подходов. Во-первых, необходимо создать устройство, которое могло бы преобразовывать устную речь в письменный текст. В середине 1990-х гг. на рынке появились первые системы распознавания речи, способные понимать до 40 000 слов с 95 %-ной точностью. Если учесть, что в обычной бытовой речи используется всего лишь от 500 до 1000 слов, можно понять, что эти системы для своего времени были более чем адекватными. После того как запись с голоса готова, каждое слово следует перевести на нужный язык при помощи компьютерного словаря. Затем приходит черед самого сложного: вставить слова в контекст, при необходимости добавить сленг, разговорные выражения и т. п. Все это требует очень точного понимания языковых нюансов. Компьютерный перевод по этой технологии – целая наука, известная как CAT (computer assisted translation).

Другой способ предложили ученые Университета Карнеги – Меллон в Питтсбурге. У них уже есть прототип, способный переводить с китайского на английский, а с английского на испанский или немецкий. Электроды, закрепленные на шее и лице говорящего, улавливают сокращения речевых мышц и расшифровывают по ним произнесенные слова. Здесь не нужен микрофон и вообще никакая аудиотехника, а слова можно проговаривать даже беззвучно. Затем компьютер переводит слова, а синтезатор речи произносит их вслух. В простых разговорах, где используется 100–200 слов, ученым удалось достичь 80 %-ной точности.

«Идея состоит в том, что вы можете беззвучно артикулировать слова на английском, а звучать они будут на китайском или другом языке», – говорит Таня Шульц (Tanja Schultz), участник исследований. В будущем компьютер, возможно, научится читать по губам, так что и электроды не будут нужны. И можно себе представить, в принципе, оживленную беседу двух людей, говорящих на разных языках.

В будущем языковые барьеры, так долго и трагично не позволявшие представителям разных культур понять друг друга^[5], возможно, падут, и поспособствуют этому универсальный переводчик и интернет-очки (или линзы).

Итак, дополненная реальность открывает перед нами совершенно новый мир, но в этом мире существуют свои ограничения. Проблемы не связаны с техникой, а возможности расширенной реальности не ограничены пропускной способностью канала – ведь по оптико-волоконному кабелю можно передать сколько угодно информации.

Настоящий камень преткновения здесь – программное обеспечение. Создавать его можно только старым добрым способом – вручную. Все коды, строчку за строчкой, должен будет написать человек карандашом на бумаге или в крайнем случае на портативном компьютере; только так можно будет пробудить к жизни эти воображаемые миры. Технику можно производить в любых количествах, да и вычислительные мощности увеличивать тоже (добавляешь новые чипы – и готово!), а вот массовое производство мозгов невозможно. Это означает, что путь человечества к полномасштабной дополненной реальности будет нелегким и займет несколько десятилетий.

Голограммы и трехмерные образы

К середине века мы, вероятно, увидим еще одно техническое новшество – настоящее трехмерное кино и телевидение. Когда-то давно, в 1950-х гг., при просмотре трехмерного фильма вы должны были надеть неуклюжие очки с разноцветными стеклами – красным и синим. Дело в том, что человеческие глаза, правый и левый, видят чуть-чуть по-разному. На экран проецируется сразу два изображения, одно синее и одно красное. Стекла служат фильтрами, и в результате в левый и правый глаз поступает немножко разное изображение; мозг смешивает их, и возникает иллюзия объема. Восприятие глубины изображения, таким образом, создавалось искусственно. (Чем дальше друг от друга расположены глаза, тем лучше воспринимается глубина изображения. Именно поэтому у некоторых животных глаза находятся на конце гибких стебельков: так объем воспринимается лучше всего.)

Определенный прогресс обеспечивают 3D-очки из поляризованного стекла, благодаря которым левый и правый глаз получают два разных поляризованных изображения. Таким способом можно создавать полноцветные, а не красно-синие, объемные изображения. Свет – это волна, и колебания в нем могут происходить в разных плоскостях – к примеру, в вертикальной и горизонтальной. Поляризованная линза пропускает только световые колебания определенной направленности. Так что если стекла ваших очков поляризованы в разных направлениях, вы можете создать эффект трехмерности изображения. В более сложном варианте трехмерности можно подавать разные изображения прямо на контактные линзы.

Трехмерное телевидение, которое также нужно смотреть в очках, уже появилось на рынке. Очень скоро, однако, необходимость в очках исчезнет, их сменят двояковыпуклые линзы. Телеэкран будет специально изготавливаться таким образом, чтобы выдавать для глаз два различных изображения чуть-чуть под разными углами. Каждый глаз зрителя будет видеть свое изображение, а вместе они создадут иллюзию трехмерности. У этой системы есть свои недостатки: голова должна быть правильно расположена; каждый глаз должен находиться в предназначенной именно для него точке. (Принцип действия такого телевидения основан на хорошо известной оптической иллюзии. Иногда встречаются рекламные щиты, изображения на которых волшебным образом меняются, по мере того как мы движемся вдоль них. Делается это так. Два изображения раскладываются на множество тонких полосок, которые затем кладутся вперемешку, составляя композитное изображение. Затем это изображение накрывается своеобразной линзой – стеклянным листом с множеством вертикальных пазов, причем каждый паз размещается точно над двумя полосками. Пазы имеют такую форму, чтобы под одним углом видна была одна полоска, а под другим – другая. Поэтому, проходя мимо такой картины, мы видим, как одно изображение внезапно превращается в другое, а затем обратно. Трехмерное телевидение заменит неподвижные изображения в этой системе движущимися, и 3D-эффект будет достигаться без применения специальных очков.)

Но самый продвинутый вариант трехмерного изображения – это голограмма. Без всяких очков человек видит точный волновой фронт трехмерного изображения, как если бы изображенный объект в реальности находился перед вами. Голограммы известны уже несколько десятилетий (их можно увидеть на выставках, открытках и кредитных карточках) и нередко мелькают в фантастических фильмах. В «Звездных войнах» завязкой сюжета служит голографический призыв о помощи, посланный принцессой Леей членам Повстанческого альянса.

Проблема в том, что голограмму очень трудно изготовить.

При создании голограммы лазерный луч расщепляется на два. Один луч направляется на объект, изображение которого вы хотите получить, затем отражается и попадает на специальный экран. Второй луч направляется непосредственно на экран. Смешение двух этих лучей создает на экране сложную интерференционную картину, содержащую «застывшее» трехмерное изображение объекта; это изображение закрепляется на специальной пленке, покрывающей экран. Затем, если сквозь экран пропустить другой лазерный луч, в пространстве появится настоящее трехмерное изображение объекта.

Голографическое телевидение – довольно своеобразная вещь. Во-первых, изображение все равно должно проецироваться на экран. Сидя перед экраном, вы будете видеть точное трехмерное изображение объекта; при этом вы, естественно, не сможете протянуть руку и прикоснуться к нему. Трехмерное изображение останется лишь иллюзией.

Это означает, что при просмотре футбольного матча по голографическому телевизору движение зрителя перед экраном вызывает соответствующее изменение изображения. Вы можете наблюдать за матчем едва ли не с середины поля, игроки будут бегать прямо перед вами. Но потянувшись за мячом, вы упретесь руками в экран.

Однако настоящую техническую проблему, из-за которой у нас до сих пор нет голографического телевидения, представляет хранение информации. Настоящее трехмерное изображение содержит громадное количество информации, во много раз больше, чем обычное двумерное. Компьютер непрерывно обрабатывает двумерные изображения; они разбиты на крохотные точки – пиксели, и изображением каждого пикселя управляет крохотный транзистор. Но в трехмерном кино кадры должны сменяться с частотой 30 штук в секунду^[6]. Несложный расчет показывает, что количество информации, необходимой для генерации движущихся трехмерных изображений, намного превосходит возможности сегодняшнего Интернета.

К середине века эта проблема, возможно, будет решена, ведь ширина интернет-канала растет экспоненциально.

Но на что будет похож трехмерный телевизор?

Один из вариантов – это экран в форме цилиндра или купола, внутри которого размещается зритель. На экран проецируется голографическое изображение, и зритель оказывается в окружении объемных фигур, очень похожих на реальные.