JP2004531784A - コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

コンピュータ生成ホログラムを表示する方法は、表示すべき物体の真の形状を近似する１組のファセットとして画像を表示することを含む。これらの各ファセットに、ともに画像を構成する点を配置する。本発明は、異なる向きと角度で隣接するファセットに、その接合箇所の周囲に点の過剰配置または不足配置の領域を作り出さずに、点を配置することができる複数のアレイ構造を提供し、その結果、より高画質な画像をもたらす。本発明は、主に干渉に基づくコンピュータ生成ホログラムを生成するのに適用可能であるが、点のアレイから物体を形成する他のタイプの３Ｄディスプレイで使用することもできる。

Description

【０００１】
本発明は、物体を３次元で表示できるシステムで表示する３次元物体を表現するための方法およびシステムに関する。より詳細には、隣り合うファセット（ｆａｃｅｔ）を備える画像を表示する方法に関し、各ファセットは、距離をおくと切れ目のない表面にみえるように点が配置されまたは充填されている。
【０００２】
従来の技術
干渉に基づくアルゴリズムを使用して、コンピュータ生成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ、ＣＧＨ）を表示するのに必要とされる計算を行う際に、適切な距離をおいて見たとき連続体らしくみえる点のアレイを、表示すべき物体に配置する必要がある。これらは物体点として知られる。通常、コンピュータグラフィックスの分野では、表示すべき物体を量子化して、実際の形状に近い一連の平面ファセットにする。物体を構成する点は、これらのファセット上に配置される。このような物体を十分に離れた距離から眺めると、観察者には、個々の点ではなく、あたかも色のついた切れ目のない線や領域で描かれたごとき完全な物体が見えることになる。こうなるには、目が隣接する点を見分けられないように、十分な密度の点が存在しなければならない。一般に、目から点に対して張る角度が、１分（２９０マイクロラジアン）の弧よりも大きい場合、人間の目は２つの点を解像することができる。起こりそうな最小の物体に対する目の距離を知ることによって、最小の物体点配置密度を計算することができる。
【０００３】
一般に、ファセット自体は、異なるサイズのものであり、互いに異なる角度で当接することになる。物体が湾曲を有する場合、ファセットが小型になるほど、湾曲した領域をより実際に近く表現することができる。次いで、ファセットに物体点を配置する。これらの物体点のそれぞれは、図形の基本要素を形成し、これらの物体点は、全体として表示すべき物体を形成する。
【０００４】
切れ目のない表面を有する画像の一部を示そうとする場合、物体点の配置密度に急激な変化があるべきではない。単一のファセット上でこのような均一な密度を得ることにはなんの問題もない。しかし、ファセットが互いに異なる角度で結合するとき、一般に、それらの点は、一方のファセットから他方のファセットに流れていかず、依然として局所的に均一な密度を保つ。このため、ファセットの境界にわたって物体点の密度が不均一になるという問題を招く。物体上に、密度が大きすぎると明るい領域ができ、密度が小さすぎると暗い領域ができる。
【０００５】
発明の記述
本発明によれば、物体を３次元で表示することができるコンピュータシステムで、３次元物体を表現する方法が開示される。使用に際して、
１組の平面ファセットによって物体の表面を近似し、
１組のノードを規定するグリッドを各ファセット上に置き、
グリッドの各ノードに１つの点を関連付け、
各点をファセット面上の関連するノードから離れるように移動させ、
移動距離および移動方向をランダムまたは擬似ランダムな方法で決定し、
それによって、それらの点全体を物体の表現として使用する。
【０００６】
本発明は、実際の物体点がグリッドのノード上にあるように拘束されていない、グリッドを有する物体点配置を開示する。点をグリッドからランダムに摂動させると、ファセットの境界にある点の作用が改善することがわかっている。こうしたグリッド配置は、共有縁部領域の点密度に対して小さい影響しか与えずに、グリッド配置がそれ自体の他の向きに当接することができるという特徴を有している。したがって、ある特定のグリッドの向きをもつ１つのファセットを、点密度の明らかな変化をほとんど伴わずに、異なる向きをもつ別のファセットに隣接させることができる。
【０００７】
ただし、一変形形態は、ほぼ正三角形のグリッドを使用して、そのグリッドのすべての頂点が、それらの頂点に最も近い６つの頂点からほぼ等距離となる場合、ファセットの境界において満足できる点の作用が得られるというものである。しかし、これは、本明細書で説明する摂動を加えることによって改善される。
【０００８】
したがって、本発明は、人間の目の解像能力に適合する最小の点密度を有し、依然として物体表面の局所的な過剰配置または不足配置を回避する方法を提供する。
【０００９】
各ファセット上に置かれた各グリッドが、ファセットをディスプレイの設計面に平行な平面になるように回転させた全体的な原点に対して、共通の原点と向きを有することが好ましい。
【００１０】
本発明は、干渉に基づくホログラムを生成することができるディスプレイを有する、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムで実施することが好ましい。本明細書では、このディスプレイパネル自体を、ＣＧＨ設計面（ＣＤＰ）と称する。
【００１１】
本発明による方法は、コンピュータシステム上で動作するコンピュータプログラムとして実施することができる。このプログラムは、キャリア、たとえば、ハードディスクシステム、フロッピー（登録商標）ディスクシステム、または他の適当なキャリアに記憶することができる。コンピュータシステムは、単一のコンピュータに統合することもできるし、またはネットワークを介してともに接続された分散形要素を含むこともできる。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、
１組の平面ファセットによって物体の表面を近似し、
１組のノードを規定する関連する数学的原点のグリッドを、各ファセット上に置き、
グリッドの各ノードに１つの点を関連付け、
各点をファセット面上の関連するノードから離れるように移動させ、
移動距離および移動方向をランダムまたは擬似ランダムな方法で決定し、
それによって、それらの点全体を物体の表現として使用する、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムが提供される。こうしたディスプレイシステムにより、本明細書中の他の箇所で提供された方法が実施される。
【００１３】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例としてのみ詳細に説明する。
【００１４】
発明の詳細な説明
図１に、単一のファセット１を示し、この単一のファセット１は、物体の一部を表現するために使用することができ、理想的な場合にはファセットが均一に不透明にみえるように、観察者の距離に見合った点密度で、点２が完全にランダムに配置される。いくつかの明らかな点の塊（たとえば３）と、いくつかの空白領域４があることがわかる。これらは、物体上で、物体のその部分の明るさの不均一として見立つ。高密度の領域は明るすぎるようにみえ、空白領域は物体中に穴があるようにみえる。
【００１５】
図２ａに、単一のファセットに対して作用する解決方法を示す。点２を、十分に距離をおいて見た場合、均一な密度にみえる矩形メッシュに配置する。このメッシュは、同じメッシュを用いた隣り合うファセットを考えるときには、あまりうまく作用しない。図２ｂに、ともに矩形メッシュを有し、３Ｄ空間で同じ平面上にない隣り合うファセット１、５の典型的な例を示す。この場合、特に高密度の点が、ファセットの共有の境界６のところに作り出される。また、境界が異なる場所にある場合、密度が疎な領域が作り出される可能性もある。したがって、矩形グリッドは望ましくない。
【００１６】
一般に、物体を表現するファセットの多くは非常に小さい。ファセットが小型になるほど、曲面をより正確に表現することができる。したがって、曲面を近似するのに使用するファセットには、ファセット当たり非常にわずかな点しかなくなる傾向がある。ファセットが十分に小さい場合、必要とされる点密度で、あるファセット上に点が存在しないことさえ起こり得る。極めてわずかな点しかもたないこれらの小型のファセットには、それ自体の問題がある。図３ａに、それぞれが約４つの点を保持するのに十分な大きさの、９つの小型のファセットからなる組を示す。各ファセット（たとえば６）は標準グリッドをもち、すべてのファセットの向きは同じであるが、依然として、ある境界のところ（たとえば７）で、明らかに点がかたまっており、他の境界のところでは点が不足している。これは、ファセットが３Ｄ空間で異なる平面上にある一般の場合に予想され得るように、グリッドが共通の原点を共有していないためである。ファセットのサイズが小さくなるにつれ、この効果は大きくなり（図３ｂ）、図３ｃでは最終的には点がランダム化されてみえる。これには、もちろん、図１に関して論じたすべての問題がある。
【００１７】
これらの問題に対する解決方法が見つかっている。図４に、この解決方法の一実施形態を示す。ここで、各ファセット９、１０は、正三角形のグリッド上に配置された点を有する。共通の原点を使用して、各ファセットごとにグリッドを開始する。これは、ファセットを、その３Ｄの向きから、ＣＤＰに平行な平面になるように回転することによって実現される。次いで、点からなるグリッドを、それぞれの場合に、全体的な原点から開始する。点の配置に続いて、これらの点を、最初の回転を逆にした分だけ回転し、元のファセット表面上の該当する位置に配置する。図４で、それぞれこのようなグリッド配置を有する２つのファセット９、１０を、互いに隣接して置いたとき、図２に示す縁効果がはるかに低減し、点２の明らかな団塊化または集団化が非常に少なくなることがわかる。ファセットの縁部に近接していない点（たとえば１１）については、それらの点１１のそれぞれは、それに最も近い６つの隣接点から等距離にあることがわかる。これが、三角形配置の結果である。
【００１８】
これにより、本問題に対する優れた解決方法が与えられるが、さらに改善できることがわかっている。正三角形グリッド上の各点を、ランダムなあるいは疑似ランダムな方向に、ある範囲内でランダムにあるいは疑似ランダムに選択した距離だけ変位させた場合、上記の縁効果がさらに低減する。本応用例では、グリッド間隔の３分の１倍の範囲がうまく作用するが、この範囲は応用例に適するものに設定することができる。他の適切な範囲として、グリッド間隔の０．４倍、または０．２５倍、または０．１８倍とすることもできるが、本発明をこれらの値に限定するものではない。図５に、三角形マトリックスに基づく点が０．３３３の制限距離内で上記のように摂動されたものを備える、隣接する２つのファセット１２、１３を示す。縁部１４における優れた作用がわかる。
【００１９】
図６に、最初の外観がどうであれ、それらの点が確かに、前で説明したように歪められたグリッド上にあることを示す。
【００２０】
図１ないし図６で境界をもつファセットを示すところには、実際にはこのような境界はないことに留意されたい。また、実際には、ファセットは、３Ｄ空間で任意の平面上にあり矩形である必要はなく、辺の数はいくつでもよく、不規則な形でもよい。現在、実施されている実施形態では、主に三角形のファセットを使用している。
【００２１】
図７に、本発明の一実施形態で実行する処理ステップのブロック図を示す。ここで、ＣＤＰは、それ自体の「全体的に」六角形グリッドを有するとみなされ、六角形グリッドは、各ファセット上に置かれる各グリッド用の基準グリッドとして下記に説明するように使用する。ファセットをＣＤＰと共面になるように回転した後、制限ボックスをファセットの周りに描く。この制限ボックスは、グリッドと同じ向きで、回転したファセットであるポリゴンを囲む最小の矩形ボックスである。このボックス内でＣＤＰの六角形グリッドの交点上にある点は、物体点であるとみなされる。次いで、これらの点に摂動を与え、その後、回転してファセットの元の向きに戻す。
【００２２】
本発明は、Ａｃｔｉｖｅ−Ｔｉｌｉｎｇ（商標登録）コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムで実施されているが、真の３Ｄ画像を表示でき、表面を構成するのに点のアレイを用いる、任意の３Ｄディスプレイシステムを用いてもよい。コンピュータシステム自体は、スタンドアローンユニットとすることもできるし、またはネットワークで接続された遠隔要素を有することもできるはずである。
【００２３】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムは、ホログラフィアニメーションの複数の異なるフレームを高速に再生することによって、ホログラフィ動画像を生成する手段である。Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムは、本質的に、光源からの光を第１空間光変調器（ＳＬＭ）手段上に向けるとともに、第１高速ＳＬＭ手段からの変調光の複数のＳＬＭサブフレームを、空間複合の第２ＳＬＭ上にリレーするためのシステムを備える。ＣＧＨは、この第２ＳＬＭから投影される。
【００２４】
完全なＣＧＨパターンは、画素数が第１ＳＬＭの複合度に等しいサブフレームに分割される。これらのフレームは、第１ＳＬＭ上に時系列に表示され、各フレームは、第２ＳＬＭの別々の部分に投影される。したがって、完全な画像は、第２ＳＬＭ上に経時的に形成される。第１ＳＬＭ手段は第１ＳＬＭのアレイを備え、各第１ＳＬＭのアレイは、個々のサブフレームをそれぞれの領域の上で第２ＳＬＭ上に並べる。
【００２５】
アレイ内のＳＬＭからの光が、意図されない第２ＳＬＭの複数部分に迷光として入射してはならない。これを防止するために、シャッタを、第１ＳＬＭ手段と第２ＳＬＭの間に配置して、現在書込み中でない第２ＳＬＭの領域をマスキングすることができる。あるいは、画像を書き込むよう求められていない領域を覆う第２ＳＬＭ上の電極に、単に駆動電圧を供給しないようにもできる。そうすると、これらの領域内で第２ＳＬＭに当たる光は、変調層に影響を及ぼさないようになる。こうすると、シャッタシステムが必要なくなる。こうしたシステムの第１ＳＬＭは、第２ＳＬＭと比べて、変調パターンを迅速に変更することができるタイプのものである。したがって、第１ＳＬＭのフレーム更新速度は、第２ＳＬＭのフレーム読出し速度よりも速い。
【００２６】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムには、第１ＳＬＭアレイよりもずっと遅い速度でアドレスされる第２ＳＬＭで生成される画像が、第１ＳＬＭの動作によって効果的に制御されるという利点がある。このため、ＳＬＭアレイ内で使用する高速フレーム速度ＳＬＭで利用可能な時間的情報と、第２ＳＬＭとして現在の光学的にアドレスされるＳＬＭを使用して実現することができる高空間解像度とのトレードオフが可能になる。こうして、高空間解像度画像を、低解像度画像シーケンスを使用してＳＬＭに高速に書き込むことができる。
【００２７】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムの完全な説明については、ＰＣＴ／ＧＢ９８／０３０９７を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
点をランダムに配置した単一ファセットを示す図である。
【図２ａ】
点を矩形アレイに配置した単一ファセットを示す図である。
【図２ｂ】
点をそれぞれ向きが異なる矩形グリッド上にそれぞれ配置した、隣接する２つのファセットを示す図である。
【図３ａ】
ファセットサイズが減少するとき、複数のファセットにわたり同じグリッド原点を維持することの重要性を示す図である。
【図３ｂ】
ファセットサイズが減少するとき、複数のファセットにわたり同じグリッド原点を維持することの重要性を示す図である。
【図３ｃ】
ファセットサイズが減少するとき、複数のファセットにわたり同じグリッド原点を維持することの重要性を示す図である。
【図４】
メッシュグリッドを正三角形マトリックスの形に配置した、本問題に対する一解決方法を示す図である。
【図５】
図４のメッシュ配置に対して改善されたメッシュ配置を示す図である。
【図６】
図５に描いた点のメッシュ配置を示す図である。
【図７】
本発明の実施に際して、コンピュータシステムが行うステップを示すブロック図である。

Claims (14)

1. 物体を３次元で表示することができるコンピュータシステムで、３次元物体を表現する方法であって、使用に際して、
   １組の平面ファセットによって前記物体の表面を近似し、
   １組のノードを規定するグリッドを前記各ファセット上に置き、
   前記グリッドの各ノードに１つの物体点を関連付け、
   各物体点を前記ファセット面上の関連するノードから離れるように移動させ、
   移動距離および移動方向をランダムまたは擬似ランダムな方法で決定し、
   それによって、物体点全体を前記物体の表現として使用する方法。
2. グリッドの各ノードが、該ノードに最も近い６つの各隣接ノードから等距離であるような、グリッドである、請求項１に記載の方法。
3. 各点の移動距離が、前記グリッドの隣接したノード間の平均間隔の多くとも０．４倍である、請求項１または２に記載の方法。
4. 各点の移動距離が、前記グリッドの隣接したノード間の平均間隔の多くとも０．３３３倍である、請求項１または２に記載の方法。
5. 各点の移動距離が、前記グリッドの隣接したノード間の平均間隔の多くとも０．２５倍である、請求項１または２に記載の方法。
6. 各点の移動距離が、前記グリッドの隣接したノード間の平均間隔の多くとも０．１８倍である、請求項１または２に記載の方法。
7. 各点の移動距離がゼロである、請求項１または２に記載の方法。
8. 各ファセット上に置かれた各グリッドが、前記ファセットをディスプレイの設計面に平行な平面になるように回転させた全体的な原点に対して、共通の原点と向きを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を使用して、３次元物体を表現することができるコンピュータプログラム。
10. 請求項９に記載のコンピュータプログラムを含むキャリア。
11. １組の平面ファセットによって物体の表面を近似し、
    １組のノードを規定するグリッドを前記各ファセット上に置き、
    前記グリッドの各ノードに１つの点を関連付け、
    各点を前記ファセット面上の関連するノードから離れるように移動させ、
    移動距離および移動方向をランダムまたは擬似ランダムな方法で決定し、
    それによって、それらの点全体を前記物体の表現として使用するコンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム。
12. コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムが、
    光源と、
    関連するフレーム更新速度を有し、前記光源からの光を変調する第１空間光変調器手段と、
    前記第１空間光変調器手段からの光の経路内にあり、前記第１空間光変調器手段からの変調光を誘導するリレー光学手段と、
    関連するフレーム読出し速度を有し、前記リレー光学手段からの前記誘導光の経路内にあり、表示用の実際の画像を生成するように構成された第２空間光変調器とを備え、
    前記第１空間光変調器手段の更新速度が、前記第２空間光変調器手段のフレーム読出し速度よりも速い、請求項１１に記載のコンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム。
13. 図４ないし図７を参照して、実質的に本明細書中で記載されたような、方法。
14. 図４ないし図７を参照して、実質的に本明細書中で記載されたような、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム。

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