DE102006004299A1 - Verfahren zur Datenkompression computergenerierter Videohologramme - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Datenkompression einer Sequenz computergenerierter Videohologramme, welche aus Bilddaten mit Tiefeninformation als Hologrammwerte zur Darstellung einer dreidimensionalen, durch Objektpunkte strukturierten Szene auf einem Spatial-Light-Modulator, SLM, kodiert sind, um ein moduliertes Wellenfeld zu erzeugen, wobei Änderungen der zu kodierenden Bilddaten, welche nur in beschränkten Bereichen auftreten, so kodiert werden, dass diese nur in beschränkten Bereichen der Hologrammwerte der SLM-Kodierung Änderungen hervorrufen, umfassend die Schritte - (S1) Definition einer Phasenmatrix mit festgelegten Phasenwerten; - (S2) Ermittlung aller sichtbaren Objektpunkte der Szene gemäß der Position eines Betrachters und der Tiefeninformation der Bilddaten, sowie - (S3) Kodierung der Szene der Sequenz der Bilddaten, wobei den sichtbaren Objektpunkten bei einer Transformation zu Hologrammwerten unabhängig von der jeweiligen Tiefeninformation der Objektpunkte und in jedem Bild der Sequenz einem Objektpunkt jeweils der gleiche definierte Phasenwert zugrunde gelegt wird, so dass unveränderte Objektpunkte unveränderte Hologrammwerte implizieren und somit eine effiziente Datenkompression der Sequenz erlauben.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenkompression einer Sequenz computergenerierter Videohologramme, CGVH.
  • Im Gegensatz zu klassischen Hologrammen, die als Interferenzmuster photografisch oder auf andere Weise gespeichert sind, existieren CGVH als Ergebnis der Berechnung von diskreten Hologrammdaten aus Sequenzen einer dreidimensionalen Szene und ihrer Speicherung mit beispielsweise elektronischen Mitteln, mit einem elektronischen Speichermedium eines Computers, Graphikprozessors, Graphikadapters oder in ähnlichen Hardwarekomponenten.
  • Das modulierte interferenzfähige Licht breitet sich im Raum vor den Augen eines Betrachters als eine komplexe, zweidimensionale, durch die Amplitudenwerte steuerbare Lichtwellenfront zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene aus. Dabei bewirkt das Kodieren einer Lichtmodulatormatrix mit den Hologrammwerten der computergenerierten Videohologramme, dass das vom Displayschirm ausgehende, in Pixeln modulierte Wellenfeld durch Interferenzen in den Raum die gewünschte dreidimensionale Szene rekonstruiert.
  • Die Darstellung von Hologrammen in Echtzeit hat aufgrund der Weiterentwicklung von Hardwarekomponenten und berechnungstechnischen Verfahren Anwendung in wichtigen Bereichen erzielen können.
  • Eine wichtige Aufgabenstellung der digitalen Holographie liegt in einer vielfach höheren Datenmenge pro Bild im Vergleich zu herkömmlichen Videodaten. Diese große Datenmenge stellt sehr hohe Anforderungen an die Speicher- und Übertragungsmedien wie beispielsweise Netzwerkkomponenten und Bus-Systeme.
  • Selbst die Übertragung und Verarbeitung herkömmlicher Videodaten stellt hohe Anforderungen an die Ressourcen. Mit Datenkompression und leistungsfähigeren Speichermedien wird versucht, die zu verarbeitende Datenmenge handhaben zu können.
  • Eine effiziente Kompression ist wichtiges Hilfsmittel damit Speicherung und Übertragung der Daten hinreichend performant erfolgen. Eine handhabbare Datenmenge soll dazu beitragen, eine Weiterverbreitung und Akzeptanz von CGVH-Systemen zu ermöglichen.
  • Die berechneten Hologrammdaten kodieren eine Lichtmodulatormatrix, welche interferenzfähiges Licht in Amplitude und Phase, kurz komplexwertige oder einfache Amplitude genannt, elektronisch gesteuert beeinflusst.
  • In diesem Dokument wird als die Lichtmodulatormatrix beziehungsweise Spatial-Light-Modulator SLM als eine Einrichtung zum Steuern der Intensität, Farbe und/oder Phase durch Schalten, Austasten oder Modulieren von Lichtstrahlen einer oder mehrerer unabhängiger Lichtquellen bezeichnet. Ein holographisches Display beinhaltet in der Regel eine Matrix steuerbarer Pixel, wobei die Pixel die Amplitude und/oder Phase von durchstrahlenden Lichts verändern und so die Objektpunkte rekonstruieren. Ein SLM umfasst eine derartige Matrix. Der SLM kann beispielsweise diskret als Akusto-optischer Modulator AOM oder auch auch kontinuierlich aufgeführt sein. Eine Ausführung zur Rekonstruktion der Hologramme durch Amplitudenmodulation kann mit einem Liquid Crystal Display (LCD) erfogen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf weitere steuerbare Vorrichtungen um hinreichend kohärentes Licht zu einer Lichtwellenfront oder zu einem Lichtwellenrelief zu modulieren.
  • Die Bezeichnung Pixel umfasst ein steuerbares Hologramm-Pixel der SLM, repäsentiert einen diskreten Wert des Hologrammpunktes und ist einzeln adressiert und gesteuert. Jedes Pixel repräsentiert einen Hologrammpunkt des Hologramms. Im Falle eines LCDs bedeutet ein Pixel ein individuell ansteuerbares Display-Pixel. Für eine DLP ist ein Pixel ein individuell steuerbaren Mikrospiegel oder eine kleine Gruppe davon. Bei einer kontinuierlichen SLM umfasst ein Pixel eine imaginäre Region, welche den Hologrammpunkt representiert. Bei einer Farbdarstellung wird in der Regel ein Pixel in mehrere Subpixel unterteilt welche die Grundfarben repräsentieren.
  • In den meisten holographischen Systemen ist das kodierte Hologram die Transformation der 3D-Szene. Eine Transformation wird in diesem Dokument weitläufig interpretiert und umfasst jedes mathematische oder rechnerunterstützte Verfahren, welches eine Transformation darstellt oder approximiert und auf der Maxwellschen Wellengleichung basiert. Die besonders bevorzugt verwendete Fouriertransformation lässt sich programmtechnisch einfach implementieren und kann überdies sehr genau durch optische Systeme realisiert werden.
  • Im Gegensatz zur Darstellung von 2D-Videodaten wird bei der holographischen Darstellung die Lichtwellenfront der 3D-Objekte or 3D-Szenen durch die Interferenz und Überlagerung kohärenter Lichtwellen generiert. Dabei werden für jedes Pixel die Hologrammwerte bestimmt, die erforderlich sind, die Wellenfront zur Rekonstruktion jedes Punktes des Objekts beizutragen. Ein einzelnes Pixel trägt somit mit dem entsprechend modulierten Licht zur Darstellung der gesamten Szene bei. Umgekehrt betrachtet ist die Information zu jedem einzelnen Szenepunkt auf dem gesamten Hologramm verteilt.
  • Ändert sich nur ein kleiner Bereich der zu rekonstruierenden Szene, so sind alle Pixelwerte des Hologramms betroffen und es werden alle Pixel mit einem neuen Wert belegt, um das nur wenig veränderte Objekt wiederum zu rekonstruieren. Änderungen des Objekts bewirken folglich auch, dass die Bildpunkte des Videoframes aus welchen die Pixelwerte der SLM generiert werden, unterschiedlich sind, obwohl der Rest der Szene gleich bleibt.
  • Hieraus ist ersichtlich, dass beispielsweise Verfahren aus der Gruppe der Differenzbildkompression nur unbefriedigende Kompressionsraten erzielen. Eine effiziente Kompression von Differenzbildern erscheint daher mit derartigen Hologrammen nicht möglich.
  • Stand der Technik
  • In der Weiterführung der Aufgabe werden in der Fachliteratur weiterführende Konzepte, beispielsweise eine Datenkompression durch Karhunen-Loeve-Transformation KLT vorgeschlagen.
  • Yoshihiro Ishida et al "Bit Allocation in the Transform Coding of Hologram Patterns" beschreibt eine Realisierung einer effektiven Kompression von Hologrammmustern mit umfangreichen Dateninformationen. Die Kompression der Muster erfolgt anhand einer Betrachtung des reproduzierten Bildes, wobei unnötige Komponenten zur Reproduktion des Bildes aus dem Hologrammmuster, beispielsweise durch Bandpassfilterung, entfernt wird. Die unnötigen Komponenten werden dabei von den notwendigen Komponenten getrennt und so die Datenmenge reduziert.
  • T. Naughton et al "Compression of digital holograms for three-dimensional object reconstruction and recognition", beschreibt eine Anwendung von verlustloser und verlustbehafteter Kompression bei dreidimensionaler Objektrekonstruktion basierend auf Phasen-Shift-Holographie. Mit standardmäßigen verlustlosen Kompressionstechniken wird das digitale Hologramm vor Anwendung eines Burrows-Wheeler-coding-Algorithmus in einer Zwischenkodierung von separaten Datenströmen für reale und imaginäre Komponenten gespeichert. Verlustbehaftete Kompressionstechniken basieren auf Subsampling, Quantisierung und diskrete Fouriertransformation.
  • Bei den vielfach genannten Vorschlägen zur verlustbehafteten Datenkompression kann der Nachteil einer Qualtitätseinbuße der holografischen Darstellung nicht überwunden werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, für die Darstellung von digitalen Videohologrammen in Echtzeit ein Verfahren zur effizienten Kompression einer Sequenz von Hologrammdaten bereitzustellen. Dabei soll die zur Speicherung oder Verarbeitung erforderliche Datenmenge pro Videoframe signifikant verringert werden. Überdies sollen die resultierenden Hologrammdaten die Anwendung bekannter, möglichst einfacher beziehungsweise standardisierter Datenkompressionsverfahren erlauben und dabei so hohe Kompressionsraten erzielen, dass eine ressourcenschonende und wirtschaftliche Anwendung ermöglicht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das Verfahren dient zur Datenkompression einer Sequenz computergenerierter Videohologramme, welche ausgehend von einem Bildinhalt aus Bilddaten mit Tiefeninformation als Hologrammwerte kodiert sind.
  • Zur Wiedergabe der Sequenz ist eine Einrichtung mit einem Spatial-Light-Modulator, SLM, mit einer Vielzahl von Pixeln vorgesehen.
  • Aus hinreichend kohärentem Licht wird von dem mit Hologrammwerten gesteuerten SLM ein moduliertes Wellenfeld erzeugt und durch Interferenzen im Raum die gewünschte reale oder virtuelle dreidimensionale Szene rekonstruiert.
  • Ausgehend vom SLM werden in pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsräumen Betrachterfenster generiert. Die Fenster liegen in Augennähe des Betrachters und können mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt werden.
  • Es ist ein Ausgangspunkt der Erfindung, dass jener Bereich, in dem ein Betrachter eine Szene sieht, durch einen pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsraum, das sogenannte Frustrum, gegeben ist, der sich vom SLM zum Betrachterfenster erstreckt. Der Pyramidenstumpf kann in einer Näherung durch eine Pyramide ersetzt werden, da das Betrachterfenster viel kleiner als der SLM ist.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Einrichtung sind die Betrachterfenster so klein dimensioniert, dass, bei einer inversen Betrachtungsweise, Änderungen in beschränkten Bereichen des zu kodierenden Bildinhalts nur in beschränkten Bereichen der SLM, also in wenigen Pixeln, Änderungen der Hologrammwerte hervorrufen.
  • Schritt 1 Phasenmatrix
  • In ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Phasenmatrix mit festgelegten Phasenwerten definiert. In einer einfachen Lösung werden die Zufallswerte der Phasen gleichverteilt gewählt, wobei weitere Verteilungen gegebenenfalls zur weiteren Bildverbesserung denkbar sind. Vorzugsweise wird ausgehend von einer Auflösung des SLM mit m-Pixelzeilen und n-Pixelspalten eine Phasenmatrix gleicher Dimension festgelegt.
  • Schritt 2 Sichtbarkeit
  • Der zweite Verfahrensschritt umfasst die Ermittlung der Sichtbarkeit der Szene. Gemäß der Position des Betrachters und der Tiefeninformation des Bildinhalts wird die Szene in sichtbare Objektpunkte strukturiert. In einer einfachen Lösung wird das Objekt der Szene innerhalb des Frustrums mit einer dreiachsigen Diskretisierung strukturiert und ausgehend vom Betrachterfenster die sichbaren Objektpunkte der Szene ermittelt. Bei dieser Berechnung wird die Szene in eine Vielzahl virtueller Ebenen geschnitten, die zur SLM parallel liegen.
  • Vorzugsweise wird ausgehend von einer Auflösung des SLM mit m-Pixelzeilen und n-Pixelspalten die Schnittebenen in eine äquivalente Rasterung mit m-Objektpunkten pro Zeile und n-Objektpunkten pro Spalte diskretisiert. Die Schnittebenen liegen dabei innerhalb des pyramidenförmigen Frustrums und werden mit Vorteil trotz der unterschiedlichen Ausdehungen in die gleiche Anzahl von n*m Punkten diskretisiert. Mit Vorteil wird dabei erreicht, dass Bereiche der Szene, die näher zum Betrachter liegen entsprechend feiner disketisiert werden als Bereiche, die vom Betrachter weit entfernt sind. In einer einfachen Ausführung wird für alle Punkt geprüft, ob sie bereits von einem dem Betrachter näheren Punkt verdeckt werden. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung werden weitere Ausführungsformen erläutert.
  • Die Ermittlung der Sichtbarkeit ergibt in Verbindung mit der zur SLM analog gewählten Rasterung in Summe über alle Schnittebenen n*m sichtbare Objektpunkte, für welche im ersten Verfahrensschritt ebenso viele Phasenwerte bereitgestellt wurden. Ist die Anzahl der sichtbaren Objektpunkte kleiner als die vorgesehene Dimension n*m, so wird den restlichen Punkten die verschwindende Intensität Null zugewiesen.
  • Die Szene ist somit durch n*m sichtbare Objektpunkte hinreichend genau strukturiert. Andere Verhältnisse der Rasterungen zwischen SLM, Phasenmatrix und den sichtbaren Objektpunkten sind denkbar und können entsprechend transformiert werden.
  • Schritt 3 Kodierung
  • Im Weiteren liegt dem Verfahren der Gedanke zugrunde, dass eine effizientere Kompression einer Sequenz erreichbar ist, soferne Objektpunkte, deren Amplitude sich nicht ändert, in aufeinanderfolgenden Bildern einer Sequenz auch identische Phasenwerte behalten.
  • Die im ersten Schritt festgelegte Phasenmatrix wird für jedes zu berechnende Hologramm der Sequenz verwendet. Dabei wird den sichtbaren Objektpunkten bei einer Transformation zu Hologrammwerten unabhängig von der jeweiligen Tiefeninformation eines jeweiligen Objektpunkts und in jedem Bild der Sequenz der gleiche definierte Phasenwert zugrunde gelegt.
  • Bleibt ein Objektpunkt in aufeinanderfolgenden Bildern gleich, so bekommt er automatisch in jedem Bild der Sequenz den gleichen Hologrammwert. Entfällt ein Objektpunkt, so bekommt unter Umständen ein anderer Punkt im nächsten Bild der Sequenz stattdessen den Phasenwert, die der erste Objektpunkt zuvor hatte. Die einmal einem Objektpunkt zugewiesenen Phasenwerte werden nicht mehr geändert. Unveränderte Objektpunkte implizieren unveränderte Hologrammwerte. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit eine effiziente Datenkompression der Sequenz und erlaubt überdies die Anwendung einfacher und schneller Kompressionsverfahren, wie sie beispielsweise durch die Gruppe der Differenzbildverfahren realisiert werden können. Die Anwendung weiterer Kompressionsverfahren ist ebenso möglich.
  • Die Kodierung nach Burckhardt bzw. Zweiphasenkodierung wird im Ausfürhungsbeispiel näher erläutert. Weitere Verfahrensgruppen der Kodierung, beispielsweise Kinoform sind denkbar.
  • Bei einer handelsüblichen Auflösung des SLM, welche bereits eine qualitativ hochwertige Darstellung des Hologramms ermöglicht, können die bisher sehr hohen und kostenintensiven Anforderungen an die Speicher- und Übertragungsmedien nachhaltig verringert werden. Es handelt sich um eine Erfindung von hohem wirtschaftlichem Wert.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die Kompressionseinrichtung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele weiterführend erläutert.
  • Die Beispiele basieren auf Einrichtungen zur Darstellung von computergenerierten Videohologrammen, welche der Anmelder bereits in PCT/EP 2005 009604 sowie WO 2004/044659 beschrieben hat.
  • Den genannten Verfahren und Displays liegt dabei der Gedanke zugrunde, nicht das Objekt der Szene zu rekonstruieren, welches sodann vom Betrachter gesehen werden kann, sondern in zwei kleine Betrachtungsfenster, welche jeweils die Pupillen der Betrachter überdecken, jene Wellenfront zu rekonstruieren, die das Objekt der Szene aussenden so aussenden würde, wenn es an der vorgegebenen Stelle real existieren würde.
  • Durch die Betrachterfenster kann der Betrachter die Szene sehen. Die virtuellen Betrachterfenster überdecken die Pupillen des Betrachters und werden mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt.
  • Zwischen dem SLM des Hologrammdisplays und den Betrachterfenstern ist ein virtueller pyramidenstumpförmiger Betrachterbereich aufgespannt, wobei die SLM die Grundfläche und das Betrachterfenster die Spitze bildet. Bei sehr kleinen Betrachterfenstern kann der Pyramidenstumpf als Pyramide betrachtet werden. Der Betrachter sieht durch die Betrachterfenster in Richtung der SLM und nimmt im Betrachterfenster die Wellenfront wahrgeneriert wird, welche die Szene repräsentiert sieht das im Betrachterbereich rekonstruierte Objekt der Szene.
  • In einem ersten Ausfürungsbeispiel des Verfahrens werden die computergenerierten Videohologramme mit einem Hologrammdisplay rekonstruiert, welches der Anmelder bereits in der Druckschrift PCT/EP 2005 009604 "Verfahren und Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von computergenerierten Videohologrammen" beschrieben hat.
  • Die horizontale Parallaxe zur Erzeugung des Stereo-Effekts wird durch räumliches Multiplexing, beispielsweise durch eine Lentikularmaske und die Darstellung der Hologramme in benachbarten SLM-Spalten erzielt.
  • Die Betrachterfenster sind dabei so klein dimensioniert, dass, bei einer inversen Betrachtungsweise Änderungen in beschränkten Bereichen des zu kodierenden Bildinhalts nur in beschränkten Bereichen der SLM, also in wenigen Pixeln, Änderungen der Hologrammwerte hervorrufen.
  • Die folgende Ausführung wird mit einer SLM mit m-Pixelzeilen und n-Pixelspalten weiterführend erläutert. Der SLM ist hier ein LCD-Display, welches hinreichend moduliertes Licht in den Amplitudenwerten moduliert. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Datenkompression weiterführend erläutert.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Phasenmatrix mit Phasenwerten festgelegt. Die Phasenmatrix umfasst gleich der SLM m-Zeilen und n-Spalten, wobei die Phasenwerte in Zeilen- und Spaltenrichtung gleichverteilt gewählt sind.
  • Ein zweiter Verfahrensschritt betrifft die Diskretisierung des Objekts der Szene und die Ermittlung von sichbaren Objektpunkten der Szene. Die Ermittlung der Sichtbarkeit erfolgt gemäß der Position des Betrachters, also der Blickrichtung durch die kleinen Betrachterfenster auf das Objekt der Szene sowie gemäß der Tiefeninformation der Szenepunkte.
  • In einer einfachen Realisierung wird das Objekt in Ebenen parallel zur SLM geschnitten. In jeder Schnittebene wird das Objekt innerhalb des Betrachterbereichs in Punkte gerastert und zwar analog zur Auflösung der SLM in ebenso n-Zeilen und m-Spalten. Ausgehend vom Betrachterauge werden nun die Punkte in der Sichtbarkeitsebene geprüft, ob ein neuer Punkt schon von einem vorhergehenden Punkt verdeckt ist. Infolge der gleichen Anzahl an Rasterpunktwerten in jedem Datensatz verändert sich damit die zugeordnete Fläche zu den einzelnen Rasterpunkten proportional zum Abstand vom Betrachterfenster. Ziel der Sichtbarkeitsbestimmung ist die Bestimmung beziehungsweise Selektion von m mal n sichtbaren Punkten die nunmehr das sichtbare Objekt diskretisieren.
  • Die Schrittweite zwischen den Schnittebenen ist in einfachen Ausführungsformen äquidistant, kann jedoch individuell der Tiefeninformation der Szene angepasst werden.
  • Ausgehend vom Betrachter werden in jeder Schnittebene der Schnitt mit dem Objekt ermittelt und von diesen Randpunkten die Sichtbarkeit geprüft, ob sie bereits von einem dem Betrachter näheren Punkt verdeckt werden. Beginnend mit den virtuellen Schnittebene, welche dem Betrachter am nächsten liegt. Die Sichtbarkeit der Objektpunkte wird durch Randpunkte bestimmt, die als Schnitt der Ebene mit dem Rand des Objekts ermittelt.
  • Ein abgetasteter Szenepunkt in Zeile i und Spalte j einer entfernteren Ebene liegt für das Auge im Zentrum des Viewing window verdeckt hinter dem Element in Zeile i und Spalte j einer näheren Ebene. Bei der Berechnung wird also geprüft, ob ein Szenepunkt i, j schon in einer dem Auge näherliegenden Ebene vorhanden ist und gegebenenfalls eliminiert.
  • Im dritten Verfahrensschritt, der Kodierung, wird den sichtbaren Objektpunkten bei einer Transformation zu Hologrammwerten unabhängig von der jeweiligen Tiefeninformation eines jeweiligen Objektpunkts und in jedem Bild der Sequenz der gleiche definierte Phasenwert zugrunde gelegt. Bleibt ein Objektpunkt in aufeinanderfolgenden Bildern gleich, so bekommt er automatisch in jedem Bild der Sequenz den gleichen Hologrammwert. Eine Anwendung der Differenzbildkompression erlaubt eine effiziente Verringerung des Datenumfangs der Sequenz.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden im Gegensatz zum oben genannten räumlichen Multiplexing die Betrachterfenster bei einem Hologrammdisplay nach der Druckschrift WO 2004/044659 "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" durch zeitliches Multiplexing generiert.
  • Durch sequentielles Schalten der Lichtquelle und des SLM-Inhalts werden zwei leicht perspektivisch verschiedene Bildansichten an die jeweiligen Betrachterfenster gelenkt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Datenkompression kann auf beide Bildansichten angewendetwerden. Eine zusätzliche Verringerung der gespeicherten Datenmenge kann erzielt werden, wenn beispielsweise die untschiedliche Perspektive für Bereiche im Hintergrund der Szene vernachlässigt wird und die Ansichten als gleich angenommen werden.
  • Die erhaltenen in den beiden Ausfürungsbeispiel generierten Hologrammwerte werden in eine Burckhardt-Kodierung oder in eine Zweiphasenkodierung umgewandelt.
  • Im Falle der Burckhardt-Kodierung wird der komplexe Wert durch drei, in den Werten 0 bis 255 diskretisierten Graustufen repräsentiert, wobei der durch 255 repräsentierte Wert den maximal erzielbaren Komponentenwert repräsentiert. Ausgehend von einer festgelegten maximal erzielbaren Signalstärke wird die aktuelle Signalstärke gemäß dem Maximalwert als Bezugsgröße und den verfügbaren 255 Intervallen normiert.
  • Der Maximalwert wird am Beginn der Datenkompression gewählt und initialisiert.
  • Eine Änderung des Maximalwerts zwischen zwei Bildern führt zu einer Änderung der Hologrammwerte in allen Pixeln und vermindert dadurch die erzielbare Kompressionsrate der Sequenz, da sich bei Bildern, wo sich der Maximalwert ändert, die ansonsten hohe Kompressionsrate nicht erzielen lässt.
  • Der in einer Videosequenz auftretende Maximalwert, beziehungsweise das entsprechende Quantil einer Normalverteilung, ist zu Beginn der Kodierung nicht bekannt. Eine einfache Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Spitzenwerte, welche den Maximalwert überschreiten, abzuschneiden und durch den Maximalwert zu ersetzen. Der Maximalwert entspricht einem entsprechenden Quantil der Normalverteilung und erlaubt eine entsprechende statistische Beschreibung.
  • Eine zu große Wahl des Maximalwerts bedingt naturgemäß eine gröbere Rasterung der Zwischenintervalle. Andererseits hat eine zu kleine Wahl zur Folge, dass ein entsprechend höherer Anteil von Spitzenwerten nur durch den Maximalwert angenähert werden kann. In diesen Punkten kann der in die Kodierung eingehende Eingangswert nicht mehr durch einen entsprechenden Ausgangswert nach der Kodierung rekonstruiert werden.
  • Die Kompressionseinrichtung zur Duchrführung der Datenkompression umfasst mindestes Speichermittel zur Speicherung der Phasenmatrix, Rechenmittel zur Generierung der Phasenwerte der Phasenmatrix, Rechenmittel zur Strukturierung der Szene in sichtbare Objektpunkte mit entsprechenden Speichermitteln, Rechenmittel zur Kodierung der sichtbaren Objektpunkte aufgrund der Phasenwerte zu Hologrammwerten und weiteren Speichermitteln, welche zumindest eine Teilsequenz als Eingangsdaten für die Datenkompression bereitstellt.
  • Die Druckschrift DE 10 2004 063 838 des Anmelders beschreibt ein Verfahren zum Berechnen von computergenerierten Videohologrammen. Es ordnet Objekte mit komplexen Amplitudenwerten einer dreidimensionalen Szene in Rasterpunkten von parallelen, virtuellen Schnittebenen zu, um zu jeder Schnittebene einen separaten Objektdatensatz mit diskreten Amplitudenwerten in Rasterpunkten zu definieren und aus den Bilddatensätzen eine holographische Kodierung für eine Lichtmodulatormatrix eines Hologrammdisplays zu berechnen. Im Weiteren beschreibt die Schrift eine Signalbearbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Verfahrenschritte sind durch die entsprechenden Elemente der Signaleinrichtung implementiert und umfassen:
    • – (S1) Transformation des Objektdatensatzes einer jeden Schnittebene in eine zweidimensionale Verteilung von Wellenfeldern in mindestens ein virtuelles Fenster in einer Referenzebene nahe den Augen eines Betrachters
    • – (S2) Addition der berechneten Verteilungen für alle Schnittebenen in einen Referenzdatensatz
    • – (S3) Transformation des Referenzdatensatzes von der Referenzebene in eine endlich entfernte, parallele Hologrammebene am Ort des SLMs zur Erzeugung eines Hologrammdatensatzes für das gemeinsame CGH.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer einfachen Ausführung auf diese Signaleinrichtung zur Kodierung aufgebaut. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Signaleinrichtung zu erweitern, indem einzelne Verfahrensschritte modifiziert werden.
  • Die Verwendung der Schnittebenen bietet in einer Modifikation ebenso die Möglichkeit, die Szene, wie im ersten Ausführungsbeispiel erläutert, in sichtbare Objektpunkte zu strukturieren. Die Kodierung wird erweitert, indem, wie in den vorangestellten Ausführungsbeispielen erläutert, den sichtbaren Objektpunkten die Phasenwerte der Phasenmatrix zugeordnet werden. Die generierten Hologramm werden in drei- oder zweiphasige Komponenten getrennt und beispielsweise durch ein Differenzbildverfahren, welches ebenfalls mit entsprechenden Rechenmitteln implementiert ist, effizient komprimiert.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Datenkompression einer Sequenz computergenerierter Videohologramme, welche aus Bilddaten mit Tiefeninformation als Hologrammwerte zur Darstellung einer dreidimensionalen, durch Objektpunkte S(i, j) strukturierten Szene auf einem Spatial-Light-Modulator, SLM, kodiert sind, um ein moduliertes Wellenfeld zu erzeugen, wobei Änderungen der zu kodierenden Bilddaten, welche nur in beschränkten Bereichen auftreten, so kodiert werden, dass diese nur in beschränkten Bereichen der Hologrammwerte der SLM-Kodierung Änderungen hervorrufen, umfassend die Schritte – (S1) Definition einer Phasenmatrix mit festgelegten Phasenwerten φ(i, j) – (S2) Ermittlung aller sichtbaren Objektpunkte der Szene gemäß der Position eines Betrachters und der Tiefeninformation der Bilddaten, – (S3) Kodierung der Szene der Sequenz der Bilddaten, wobei den sichtbaren Objektpunkten S(i, j) bei einer Transformation zu Hologrammwerten unabhängig von der jeweiligen Tiefeninformation der Objektpunkte und in jedem Bild der Sequenz einem Objektpunkt jeweils der gleiche definierte Phasenwert φ(i, j) zugrunde gelegt wird, so dass unveränderte Objektpunkte unveränderte Hologrammwerte implizieren und somit eine effiziente Datenkompression der Sequenz erlauben.
  2. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1 für eine Wiedergabeeinrichtung, die ausgehend vom SLM in pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsräumen mindestens ein virtuelles Betrachterfenster generiert, welches jeweils eine Pupille eines Betrachters überdeckt und mit der Bewegung des Betrachters nachgeführt wird.
  3. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 2, wobei die Betrachterfenster so klein dimensioniert sind, dass Änderungen in beschränkten Bereichen der zu kodierenden Bilddaten nur in beschränkten Bereichen Änderungen der Hologrammwerte der SLM-Kodierung hervorrufen.
  4. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 3 wobei das Objekt durch eine dreiachsige Diskretisierung in sichtbare Szenepunkte S(i, j) strukturiert wird.
  5. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 4, wobei das Objekt durch eine dreiachsige Diskretisierung innerhalb des Rekonstruktionsraumes in sichtbare Szenepunkte S(i, j) strukturiert wird.
  6. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 4, wobei das Objekt durch eine dreiachsige Diskretisierung innerhalb des Rekonstruktionsraumes in sichtbare Szenepunkte S(i, j) strukturiert wird, wobei jeder zur SLM parallelen virtuellen Schnittebene der Diskretisierung eine konstante Strukturierung zugeordnet wird.
  7. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Gleichheit oder Äquivalenz einer Anzahl sichtbarer Objektpunkte, einer Auflösung der SLM, einer Zeilen- und Spaltendimension der Phasenmatrix sowie der Strukturierung des Objekts.
  8. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichheit oder Äquivalenz der Zeilen- und Spaltendimension der Phasenmatrix, der Auflösung der SLM, der Anzahl der sichtbaren Objektpunkte sowie einer Rasterung virtueller Schnittebenen zur Ermittlung der Sichtbarkeit der Objektpunkte.
  9. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 7 oder 8, wobei, falls die Anzahl der sichtbaren Objektpunkte die gewählte Dimension unterschreitet, den restlichen Objektpunkten die verschwindende Intensität Null zugewiesen wird.
  10. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1, wobei die Kodierung der Szene nur für die sichtbaren Objektpunkte S(i, j) erfolgt.
  11. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1, wobei Objektpunkte S(i, j), deren Amplitude sich nicht ändert, in aufeinanderfolgenden Bildern einer Sequenz auch identische Phasenwerte behalten.
  12. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1, wobei die Zeilenwerte und/oder die Spaltenwerte der Phasenmatrix gleichverteilt sind.
  13. Verfahren zur Datenkompression nach Anspruch 1, wobei die komplexen Hologrammwerte in Burckhardt-Komponenten oder Zweiphasenkomponenten umgewandelt werden.
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