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- 슈퍼 컴퓨터도 모든 픽셀 연산하는데 복잡성 때문에 몇 분 소요
- 적응형 신경망 인공 지능 활용, 알고리즘으로 홀로그램 효과 정확하게 재현
- 이 시스템에는 약 640KB의 메모리와 표준 그래픽 카드의 성능만 필요
- 스마트 폰이나 Google의 Tensor 프로세서(TPU)가 탑재된 장치에서도 실행
- 홀로그램 현미경도 가능

스마트폰용 홀로그래피
학습 알고리즘은 일상적인 컴퓨터에서도 홀로그램 생성을 가능하게 한다.

모두를 위한 홀로그래피가 있을까?
연구원들이 디지털 홀로그램에 필요한 계산량을 대폭 줄였다. 

이를 통해 인공 지능 기반 방법은 거의 실시간으로 홀로그램을 생성할 수 있다. 

이 기술은 컴퓨팅 성능이 거의 필요하지 않아 스마트 폰에서도 실행된다. 

곧 디지털 홀로그래피를 일상적인 사용에 적합하게 만들 수 있다. 

▲ 태블릿과 스마트폰용 홀로그램이 곧 나올까? 새로운 AI 기반 기술이 이를 가능하게 할 수 있다. photo pixabay

2차원 이미지와 달리 홀로그램은 물체의 공간적 깊이도 전달한다.
아날로그 홀로그램은 스캐닝 광선의 단계에서 깊이 정보를 인코딩하여 이를 달성한다.
그런 다음 참조 빔 및 간섭 효과와 비교해 공간 이미지를 생성한다.
디지털 홀로그램의 경우 컴퓨터는 위상 편이를 계산하여 필요한 간섭 효과를 재현한다.
이를 프레넬 회절이라고도 한다. 

▲ 다른 각도에서 단일 홀로그램의 두 가지보기. Author : Georg-Johann Lay

엄청난 컴퓨팅 노력

문제는 이러한 디지털 홀로그램에 필요한 컴퓨팅 성능이 매우 좋아야 한다는 것이다.
매사추세츠 공과대학(MIT)의 리양 쉬(Liang Shi)는 "모든 픽셀은 깊이가 다르기 때문에 각 픽셀에 대해 하나의 산술 연산을 사용할 수 없다. 이로 인해 복잡성이 엄청나게 증가한다"고 설명한다.

슈퍼 컴퓨터 조차도 더 복잡한 홀로그램을 위해 몇 초 또는 몇 분의 컴퓨팅이 필요하다.
예를 들어 비디오 또는 VR 응용 프로그램에 대한 실시간 홀로그램은 거의 불가능하다.

이러한 이유로 디지털 홀로그램은 여전히 ​​일상생활에서 사용되지 않았다.
Shi는 "시판되는 홀로그램 디스플레이가 10년내에 출시될 것으로 종종 예측했지만 이 예측은 수십 년 동안 지속되고 있었다" 며 "이전에는 일반적인 일상 하드웨어로는 실시간 홀로 그래프를 계산하는 것이 불가능하다고 생각했다."

신경망은 스스로 홀로그래피를 가르친다.

Shi와 그의 팀은 최근 디지털 홀로그램을 일상적인 사용에 더 적합하게 만드는 방법을 찾았음에 틀림없다. 새로운 기술의 핵심은 인공 지능인 적응형 신경망이다.
이것은 물리적 광학 법칙과 인간의 시각 능력에 대한 정보를 받는다. 그런 다음 AI 시스템은 4천 쌍의 2차원 사진과 이에 상응하는 기존의 홀로그램으로 훈련되었다.

이 훈련을 통해 알고리즘은 홀로그램 효과를 최대한 정확하게 재현하는 방법을 독자적으로 획득했다. 원칙적으로 시스템은 서로 다른 주파수의 가상 확산 렌즈를 사용하고 중첩하여 이를 달성한다.

 

개별 이미지 포인트를 계산하는 대신 알고리즘은 깊이 효과를 얻기 위해 각 포인트에 대해 다르게 결합되는 고정된 가상 렌즈 세트를 사용한다. 일반 그래픽 카드로 충분하다.

▲ 개인이 찍은 TPU 3.0 기기 사진 author : Zinskauf (출처https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tensor_Processing_Unit_3.0.jpg)

MIT의 선임 저자 오즈치에치 마투식(Wojciech Matusik)은 “우리는 그것이 얼마나 잘 작동하는지 놀랐다”고 말했다. 이 ‘텐서 홀로그래피’ 방법은 몇 밀리 초 안에 1920 x 1080 픽셀의 복잡한 홀로그램을 생성할 수 있다.

이 시스템에는 약 640KB의 메모리와 표준 그래픽 카드의 성능만 필요하다.
연구진은 "우리의 신경망은 심지어 iPhone 11과 같은 스마트 폰이나 Google의 Tensor 프로세서(TPU)가 탑재된 장치에서도 실행된다"고 말했다. 구글 TPU는 적응형 알고리즘을 작동하도록 특별히 설계되었다.

추가 테스트에서 신경망은 이미 상용화된 위상 변조기에 의해 표시될 수있는 방식으로 복잡한 홀로그램을 변환했다. 이 홀로 아이 프로젝터는 홀로그램을 3차원 이미지로 재현했다.

VR에서 3D 프린팅에 이르는 애플리케이션

Shi와 그의 동료들에 따르면, 새로운 기술은 일상적인 컴퓨터로 할 수 있는 디지털 홀로그래피로 가는 길을 열 수 있다고 한다. 이 텐서 홀로그래피는 예를 들어 VR 애플리케이션이나 밝기 외에 빛의 위상을 변조하는 미래의 디스플레이에 사용될 수 있다.

"그것은 홀로그래피에 대한 사람들의 태도를 완전히 바꿀 수 있는 상당한 도약이 될 것"이라고 Matusek은 말했다.
Tensor 홀로그램은 또한 3D 프린팅에서 새로운 가능성을 열 수 있다.
레이저를 사용해 2차원 레이어의 재료를 경화하거나 용융하는 대신 전체 3차원 디자인을 한 번에 투사할 수 있기 때문이다. 홀로그램 현미경도 가능하다.
(네이처, 2021; doi : 10.1038 / s41586-020-03152-0)
출처 : Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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