L’Holographie numérique pour la visualisation 3D : rencontre avec Antonin Gilles, Ingénieur R&D Holography

Discours politique, promotion de produit, effets spéciaux, l’holographie est partout… mais le terme est rarement utilisé à bon escient ! Thématique de recherche clé depuis le lancement de b<>com, nous avons posé toutes nos questions à Antonin Gilles, expert sur le sujet.

Comment définirais-tu l’holographie ?

L’holographie est un procédé permettant d’enregistrer puis de reproduire l’onde lumineuse issue d’un objet ou d’une scène donnée. Cette technique a été inventée par le physicien hongrois Denis Gabor en 1948 et a connu ses premières applications pour la visualisation 3D avec l’invention des lasers dans les années 1960. Si l’acquisition conventionnelle d’un hologramme s’effectue de manière optique, le développement des techniques numériques permet aujourd’hui de les générer par ordinateur, ouvrant de nouvelles perspectives d’applications. Attention, l’holographie ne doit pas être confondue avec d’autres techniques, telles que le fantôme de Pepper, qui se base uniquement sur une projection 2D sur un support semi-transparent !

Quelle est la valeur ajoutée de l’holographie ?

Nous sommes convaincus du potentiel de l’holographie car elle promet à l’utilisateur une expérience agréable et confortable du début à la fin. Un hologramme utilise la diffraction pour reproduire l’onde lumineuse qui serait émise, transmise ou réfléchie par une scène donnée, permettant à l’utilisateur de la percevoir comme si elle était physiquement présente devant lui. Ainsi, contrairement aux systèmes stéréoscopiques utilisés aujourd’hui pour la visualisation 3D (réalité virtuelle, réalité augmentée, lunettes de cinéma 3D…), l’holographie fournit tous les indices de perception de la profondeur du système visuel humain, procurant l’illusion du relief la plus naturelle et réaliste possible. Elle permet notamment de résoudre le conflit accommodation-convergence des systèmes stéréoscopiques, qui peut entrainer maux de têtes et nausées lors d’une utilisation prolongée.

Quelles sont les applications industrielles de l’holographie ?

Concrètement, toutes les applications qui nécessitent une visualisation 3D naturelle et réaliste peuvent tirer parti des avantages de l’holographie : les systèmes de téléconférence et de téléprésence, la médecine augmentée, les jeux vidéo en réalité virtuelle, les affichages tête haute dans les avions ou les voitures, ou encore les assistants virtuels. A plus long terme, les écrans holographiques pourraient remplacer les écrans de télévision conventionnels.

Au-delà de la visualisation 3D, l’holographie est déjà utilisée dans de nombreux domaines. On l’oublie souvent, mais on retrouve des hologrammes sur chacun de nos billets de banque, cartes de crédit, passeports et cartes d’identité car leur grande difficulté de reproduction les rend très difficile à falsifier ! Parmi les autres applications de l’holographie, on peut citer la mémoire holographique, pour stocker plusieurs Téraoctets de données sur une surface comparable à celle d’un DVD, l’interférométrie holographique, qui permet de mesurer des déplacements statiques et dynamiques avec une précision de l’ordre de la centaine de nanomètres ainsi que la microscopie et la tomographie holographique, permettant de mesurer le volume des objets observés.

Quels sont les freins à son développement ?

L’holographie utilise la diffraction de la lumière pour créer l’illusion du relief. Cela impose des limites physiques concernant la taille des pixels de l’hologramme qui doivent être de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière pour permettre ce phénomène de diffraction. Pour obtenir une image de grande taille, le nombre de pixels doit donc être bien supérieur à la résolution 8K utilisée dans les écrans de dernière génération aujourd’hui. A titre d’exemple, un hologramme de 10cm par 10cm avec un angle de visualisation de 120° nécessite plus de 70 milliards de pixels, soit 2000 fois plus que la 8K. Heureusement, pour les casques de réalité augmentée ou virtuelle holographiques, nous n’avons pas besoin d’écran aussi grand car ils sont proches des yeux de l’utilisateur !

Quelles problématiques sont abordées chez b<>com ?

Nous nous intéressons particulièrement aux applications pour la réalité augmentée et la réalité virtuelle, avec deux axes de recherche principaux.

Le premier axe concerne la synthèse numérique d’hologrammes, avec l’objectif d’obtenir le rendu 3D le plus réaliste possible en temps réel. Nous avons récemment développé un moteur de rendu holographique permettant de calculer des hologrammes de résolution full-HD à plus de 256 trames par seconde sur un ordinateur personnel. Nous avons également proposé plusieurs algorithmes pour reproduire les occultations ainsi que les reflets spéculaires dans la scène de manière précise.

Le deuxième axe de recherche concerne la compression et la transmission des données holographiques. En effet, un hologramme de résolution 4k comprend plusieurs centaines de Megaoctets par trame, ce qui est très difficile à transmettre en temps réel avec les  systèmes de communication actuels. Néanmoins, chaque trame contient la lumière émise par la scène dans toutes les directions possibles, et une grande partie de ces informations n’est pas perçue par l’utilisateur. Aussi, nous avons proposé plusieurs schémas de compression permettant de ne transmettre que les rayons lumineux qui sont réellement perçus par l’utilisateur, réduisant considérablement la quantité de données à envoyer.

L’ensemble de ces développements sont actuellement intégrés dans un prototype de casque de réalité augmentée holographique.

Antonin Gilles et Patrick Gioia qui travaillent sur l'holographie au sein du labo Nouveaux Contenus Média.

Quels sont vos liens avec la communauté internationale sur ces sujets ?

Depuis presque 7 ans, nous entretenons des échanges réguliers avec plusieurs laboratoires de recherche publics et privés spécialisés en holographie numérique. Nous pouvons notamment citer le NICT (National Institute of Information and Communications Technology) et l’Université de Tsukuba au Japon, l’ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute) et le KETI (Korea Electronics Technology Institute) en Corée, la Vrije Universiteit de Bruxelles, l’université de Cagliari ou encore l'Institut Supérieur d'Informatique de Tunis.

Dans le cadre de nos travaux sur la compression d’hologrammes, nous contribuons par ailleurs activement à l’activité de normalisation JPEG Pleno. Nous avons également mis à disposition de la communauté une base de données holographiques (hologram-repository.labs.b-com.com) pour l’évaluation des algorithmes de compression. Nos travaux ont également donné lieu à plusieurs publications scientifiques.