JP2005025167A - ホログラフィック再生データ圧縮装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラフィックデータの再生の際、ＣＣＤから出力される映像データの各ピクセルを示す出力ビット列のなかで、ピクセルレベルの相対的な大きさ比較に影響が小さい上位ビット列を圧縮することで、出力ビット列に削除すべき下位ビット数を相対的に増加させて、各ピクセルを示すデータのＢＥＲ損失を最小化することができるホログラフィックデータ圧縮装置及び方法を提供する。
【解決手段】ホログラフィック媒体に入射する再生用参照光により再生される干渉模様の映像をキャプチャし、ｍビットに変換して出力し、前記ｍビットのデータのなかで、下位ｊビットを除去した後、前記ｍ−ｊビットを上位ｋビットと残りｍ−ｊ−ｋビットに分けて出力する分離器（splitter）と、前記上位ｋビットをｌビットに圧縮して出力する圧縮器と、前記圧縮器から出力されるｌビットと前記分離器から出力されるｍ−ｊ−ｋビットを結合してｎビットを出力する併合器とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明はホログラフィックデータ再生システムに係り、記憶媒体から再生されるデータに簡単なビット演算を行って、ＢＥＲ（Bit Error Rate）を最小化しながらデータを圧縮するホログラフィック再生データの圧縮装置及び方法に関するものである。

ホログラフィックデータの記録及び再生システムは、対象物体から発生する信号光と参照光を相互干渉させるときに発生する干渉模様を、この干渉模様の強度に敏感に反応する記憶媒体、例えば光屈折性ポリマーなどの記憶媒体に記録して再生する装置である。このようなホログラフィックデータの記録及び再生システムにおいては、参照光の角度を変化させる方法などにより信号光の強度及び位相までも記録することにより、物体の３次元形状を表示することができ、かつバイナリデータからなったページ単位の大量のホログラムデータを同一の記憶媒体に記録することができる。

図１は信号光と参照光間の干渉を用いて３次元状のホログラムデータ（つまり、干渉模様）をホログラフィック媒体に記録し、ホログラフィック媒体に記録された３次元状のホログラムデータを再生する従来技術によるホログラフィックデータ記録及び再生システムの構成図である。

同図に示すように、従来のホログラフィックデータ記録及び再生システムは、レーザ光を発生する光源１００と、ホログラムデータを記録するホログラフィック媒体１１４とを含む。前記光源１００と記憶媒体１１４間には、多数の光学系を含む二つの経路、つまり信号光処理経路Ｓ１と参照光処理経路Ｓ２が形成される。

光分離器１０２は、光源１００から発生して入射するレーザ光を参照光と信号光に分離し、参照光は反射させて参照光処理経路Ｓ２に提供し、信号光は透過させて信号光経路Ｓ１に提供する。

参照光処理経路Ｓ２に提供された参照光は反射ミラー１０８により反射され、反射された参照光は光学レンズからなった光学系１１２を介してホログラフィック媒体１１４に入射する。このような光学構造を有する参照光処理経路Ｓ２に沿って、ホログラムデータの記録又は再生に必要な記録用又は再生用参照光が記憶媒体１１４に提供される。

一方、参照光処理経路Ｓ２において、反射ミラー１０８はアクチュエータ１１０により駆動されて、参照光を前もって設定した角度、例えばデータ記録のための角度（記録角）又はデータ再生のための角度（再生角）に偏向させて記憶媒体１１４に提供する。ここで、記録されたデータの再生のために使用される再生角は、そのデータが記録されるときに使用された記録角と同一である。

信号光処理経路Ｓ１上には、空間光変調器（ＳＬＭ）１０４、反射ミラー１０６、及び光学レンズ１０７が信号光の出射方向に順次設けられる。

このような光学構造を有する信号光処理経路Ｓ１において、空間光変調器１０４は、外部入力データによって、信号光を、バイナリデータを示す多数のピクセルからなったページ単位データに変調する。変調された信号光は反射ミラー１０６により反射され、光学レンズ１０７を介してホログラフィック媒体１１４に提供される。

したがって、それぞれ信号光処理経路Ｓ１及び参照光処理経路Ｓ２に沿ってホログラフィック媒体１１４に入射する信号光と参照光はホログラフィック媒体１１４の内部で干渉を引き起こす。干渉により発生する干渉模様の強度によってホログラフィック媒体１１４の内部で光誘導現象が発生し、その結果、ホログラフィック媒体１１４に干渉模様が記録される。

前記ホログラフィックデータの記録過程でホログラフィック媒体１１４に記録されたデータはつぎのような過程により再生される。

すなわち、ホログラフィック媒体１１４に記録されたデータを読み取るため、参照光、つまり再生用参照光のみをホログラフィック媒体１１４に照射すると、記憶媒体１１４の内部に記録された干渉模様により参照光が回折して、バイナリデータを示す多数のピクセルからなったページ単位のデータ（信号光）が復元され、復元された信号光のイメージはＣＣＤ１１６によりキャプチャされる。

ＣＣＤ１１６は、キャプチャされたイメージ（ページ）の各ピクセルのレベルを所定のｍビットのバイナリデータに変換して分離器（splitter）１１８に出力する。分離器１１８は、ＣＣＤ１１６から出力されるｍビットのデータのなかで、下位ａ（０≦ａ＜ｍ）ビットを除去した後、残り上位ｍ−ａビットを出力する。ここで、ＣＣＤ１１６から出力されるデータはデジタルデータと仮定したが、出力データはアナログデータであり得る。出力データがアナログデータである場合は、ＣＣＤ１１６の出力端と分離器１１８間にＡ／Ｄ変換器がさらに連結できる。

このように、分離器１１８を介して出力されるｍ−ａビットのデータは、バイナリデータ“０”または“１”に変換され、最終に明暗を示すバイナリデータから構成されたページ単位のデータが復元される。例えば、このような変換は、ｍ−ａビットのデータに変調コードを適用して行うことができる。または、ｍ−ａビットのデータを所定の臨界値と比較し、ｍ−ａビットのデータが臨界値より大きい場合はバイナリデータ“１”に、ｍ−ａビットのデータが臨界値より小さいか同じ場合はバイナリデータ“０”に変換され得る。

これまで説明した従来技術によるホログラフィックデータ記録及び再生装置により再生されるデータは秒当たり数百ないし数千フレームの１Ｋ〜１Ｍピクセルの映像データで、ホログラフィックデータ再生システムは出力される映像データを制限時間内に処理して元のページ単位のデータを復元させなければならない。

ホログラフィックデータ再生システムが処理すべきデータの量はＣＣＤ１１６から出力されるデータのビット数（ｍ）に比例して増加するため、ＣＣＤ１１６から出力されるｍビットのデータのなかで、除去される下位ａビットの数を増加させるほど、処理されるデータの量を減少させることが好ましい。しかし、従来技術によるホログラフィックデータ再生システムにおいては、除去される下位ａビットの数が増加するほど、最終に出力されるページ単位のデータの各ピクセルを示すバイナリデータのＢＥＲが増加するという問題点がある。

したがって、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、ホログラフィックデータの記録及び再生システムにおいて、ホログラフィックデータの再生の際、ＣＣＤから出力される映像データの各ピクセルを示す出力ビット列のなかで、ピクセルレベルの相対的な大きさ比較に影響が小さい上位ビット列を圧縮することにより、出力ビット列に削除すべき下位ビット数を相対的に増加させて、各ピクセルを示すデータのＢＥＲ損失を最小化することができるホログラフィックデータ圧縮装置及び方法を提供することにその目的がある。

このような目的を達成するため、本発明は、ホログラフィック媒体に入射する再生用参照光により再生される干渉模様の映像をキャプチャし、ｍビットに変換して出力する映像キャプチャを有するホログラフィックデータの再生システムにおいて、前記ｍビットのデータのなかで、下位ｊビットを除去した後、前記ｍ−ｊビットを上位ｋビットと残りｍ−ｊ−ｋビットに分けて出力する分離器（splitter）と、前記上位ｋビットをｌビットに圧縮して出力する圧縮器と、前記圧縮器から出力されるｌビットと前記分離器から出力されるｍ−ｊ−ｋビットを結合してｎビットを出力する併合器（merger）とを含んでなり、ｍ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎはそれぞれ正の整数であり、ｌ＜ｋ及びｎ＝ｌ＋ｍ−ｊ−ｋであることを特徴とするホログラフィックデータの再生システムを提供する。

また、本発明は、ホログラフィック媒体に入射する再生用参照光により再生される干渉模様の映像をキャプチャし、ｍビットに変換して出力するホログラフィックデータの再生方法において、（ａ）前記ｍビットのデータのなかで、下位ｊビットを除去した後、前記ｍ−ｊビットを上位ｋビットと残りｍ−ｊ−ｋビットに分けて出力する段階と、（ｂ）前記上位ｋビットをｌビットに圧縮して出力する段階と、（ｃ）前記ｌビットと前記ｍ−ｊ−ｋビットを結合してｎビットを生成する段階とを含んでなり、ｍ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎはそれぞれ正の整数であり、ｌ＜ｋ及びｎ＝ｌ＋ｍ−ｊ−ｋであることを特徴とするホログラフィックデータの再生方法を提供する。

以上のような本発明は、ホログラフィックデータの記録及び再生システムにおいて、ホログラフィックデータの再生時に出力される映像データの各ピクセルを示す出力ビット列のなかで、ピクセルレベルの相対的な大きさ比較に影響が小さい上位ビット列を圧縮することにより、出力ビット列に削除すべき下位ビット数を相対的に増加させて、各ピクセルを示すデータのＢＥＲ損失を最小化しながら効率的に圧縮する効果がある。

以下、添付図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

本発明によるホログラフィックデータ記録及び再生システムの構成要素を説明するにおいて、従来のホログラフィックデータ記録及び再生システムとその構成及び機能が同一なものに対しては同一符号を付け、その詳細な説明は省略する。

図２は本発明の好ましい実施例によるホログラフィックデータの記録及び再生システムに使用されるホログラフィック再生データ圧縮装置を示す。図２に具体的に示されていないが、本発明によるホログラフィックデータの記録及び再生システムは、図１と同様に、レーザ光を発生する光源１００と、ホログラムデータを記録するホログラフィック媒体１１４とを含む。このような光源１００と記録媒体１１４間には、多数の光学系を含む二つの経路、つまり信号光処理経路Ｓ１と参照光処理経路Ｓ２が形成される。

また、ホログラフィック媒体１１４に記録されたデータはつぎのような過程で再生される。すなわち、ホログラフィック媒体１１４に記録されたデータを読み出すため、参照光、つまり再生用参照光のみをホログラフィック媒体１１４に照射すると、記憶媒体１１４の内部の記録された干渉模様により再生用参照光が回折して、バイナリデータを示す多数のピクセルからなったページ単位のデータ（信号光）が復元され、復元された信号光のイメージはＣＣＤ１１６によりキャプチャされる。

ＣＣＤ１１６は、キャプチャされたイメージ（ページ）の各ピクセルのレベルを所定のｍビットのバイナリデータに変換して分離器（splitter）１１８に出力する。ここで、ｍビットのバイナリデータは、後述する正規化過程により、最終にはホログラフィック媒体１１４に記録された干渉模様の明暗を示すバイナリデータ（“０”又は“１”）に変換される。このような変換過程で重要な役割をするものは、ｍビットのバイナリデータのなかで下位ビットであって、ｍビットのデータを二つの領域（“０”又は“１”）に区分することにおける精度は下位ビットの情報分割度によって決定される。一方、ｍビットのバイナリデータのなかで上位ビットは、ｍビットのデータが属する領域を区分することにおいて、概略の基準を決定する役割をすると思われる。したがって、本発明によるホログラフィックデータの圧縮装置においては、ＣＣＤ１１６から出力されるｍビットのなかで、上位ビット列を圧縮し、上位ビット列が圧縮されただけのビット列を、ｍビットのなかで、下位のビット列に割り当てて、ｍビットのデータを二つの領域（“０”又は“１”）に区分することにおける情報分割度を高める。

したがって、分離器２１０は、ＣＣＤ１１６から出力されるｍビットのデータのなかで、下位ｊ（０≦ｊ＜ｍ）ビットを除去した後、残り上位ｍ−ｊビットのなかで、上位ｋビットを圧縮器２２０に提供し、残りｍ−ｊ−ｋビットを併合器（merger）２３０に出力する。圧縮器２２０は、入力されたｋビットのデータをｌ（ｌ＜ｋ）ビットのデータに圧縮して併合器２３０に提供し、併合器２３０は、入力されたｌビットのデータとｍ−ｊ−ｋビットのデータを結合してｎ（ｎ＝ｍ−ｊ−ｋ−ｌ）ビットのデータを出力する。

このように、併合器２３０を介して出力されるｍ−ａビットのデータは、バイナリデータ“０”または“１”に変換され、最終に明暗を示すバイナリデータから構成されたページ単位のデータが復元される。例えば、このような変換は、ｍ−ａビットのデータに変調コードを適用して行うことができる。または、ｍ−ａビットのデータを所定の臨界値と比較して、ｍ−ａビットのデータが臨界値より大きい場合はバイナリデータ“１”に、ｍ−ａビットのデータが臨界値より小さいか同じ場合はバイナリデータ“０”に変換され得る。

圧縮器２２０は、組合せ論理回路を用い、ＣＣＤ１１６から出力されるｍビットのデータのなかで上位ｋビットを圧縮してｌ（ｌ＜ｋ）ビットのデータを出力する。圧縮器２２０の論理回路はつぎのように決定できる。

例えば、ｋ＝３及びｌ＝２の場合、圧縮器２２０の論理回路を構成する手続について説明する。まず、図３−Ａに示すように、圧縮器２２０に３ビットのデータ（ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９）が入力されたときに生成される２ビットのデータ（ｃ_７ｃ_６）を示す圧縮テーブルを作成する。圧縮テーブルはＣＣＤ１１６から出力されるｍ＝１２ビットのデータ（ＣＣＤによりキャプチャされた映像のピクセルレベル）の分布を考慮して決定できる。例えば、図３−Ａに示す圧縮テーブルを参照すると、３ビットのデータｄ_１１ｄ_１０ｄ_９≧０１１の場合は、２ビットのデータｃ_７ｃ_６＝１１に圧縮され、ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９＜０１１の場合は、より細分化して圧縮される。すなわち、ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９＝０１０、ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９＝００１、ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９＝０００の場合は、それぞれ２ビットのデータｃ_７ｃ_６＝１０、ｃ_７ｃ_６＝０１、ｃ_７ｃ_６＝００に圧縮される。図３−Ａに示す圧縮テーブルの場合は、３ビットのデータｄ_１１ｄ_１０ｄ_９＜０１１の場合にｍビットのデータの分布が密集している場合と言える。

図３−Ａのような圧縮テーブルが決定されると、このテーブルに表された入出力関係を満たす論理式を求め、この論理式を組合せ論理回路に具現する。圧縮テーブルに表された入出力関係から組合せ論理回路を具現する過程は、一般に知られた論理回路設計方法の一つにより実行できる。図３−Ｂは図３−Ａの圧縮テーブルの入出力関係に基づいて具現した組合せ論理回路を含む圧縮器２２０の回路構成を示す。図３−Ｂに示すように、ＣＣＤ１１６から出力されたｍ＝１２ビット（ｄ_１１ｄ_１０…ｄ_１ｄ_０）のデータのなかで上位ｋ＝３ビット（ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９）は圧縮器２２０によりｌ＝２ビット（ｃ_７ｃ_６）に圧縮され、下位ｊ＝３ビット（ｄ_２ｄ_１ｄ_０）は削除される。そして、ＣＣＤ１１６から出力されたｍ＝１２ビット（ｄ_１１ｄ_１０…ｄ_１ｄ_０）のデータのなかで中間のｍ−ｊ−ｋ＝６ビット（ｄ_８ｄ_７ｄ_６ｄ_５ｄ_４ｄ_３）のデータは併合器２３０によりｌ＝２ビット（ｃ_７ｃ_６）のデータと結合して、ｎ＝８ビット（ｃ_７ｃ_６ｃ_５ｃ_４ｃ_３ｃ_２ｃ_１ｃ_０）のデータとして出力される。

一方、図４−Ａは圧縮器２２０に５ビットのデータ（ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９ｄ_８ｄ_７）が入力されたときに生成される３ビットのデータ（ｃ_７ｃ_６ｃ_５）を示す圧縮テーブルを示す。同様に、圧縮テーブルは、ＣＣＤ１１６から出力されるｍ＝１２ビットのデータ（ＣＣＤによりキャプチャされた映像のピクセルレベル）の分布を考慮して決定できる。図４−Ｂは図４−Ａの圧縮テーブルの入出力関係に基づいて具現した組合せ論理回路を含む圧縮器２２０の回路構成を示す。図４−Ｂに示すように、ＣＣＤ１１６から出力されたｍ＝１２ビット（ｄ_１１ｄ_１０…ｄ_１ｄ_０）のデータのなかで上位ｋ＝５ビット（ｄ_１１ｄ_１０ｄ_９ｄ_８ｄ_７）は圧縮器２２０によりｌ＝３ビット（ｃ_７ｃ_６ｃ_５）に圧縮され、下位ｊ＝２ビット（ｄ_１ｄ_０）は削除される。そして、ＣＣＤ１１６から出力されたｍ＝１２ビット（ｄ_１１ｄ_１０…ｄ_１ｄ_０）のデータのなかで中間のｍ−ｊ−ｋ＝５ビット（ｄ_６ｄ_５ｄ_４ｄ_３ｄ_２）のデータは併合器２３０によりｌ＝３ビット（ｃ_７ｃ_６ｃ_５）のデータと結合して、ｎ＝８ビット（ｃ_７ｃ_６ｃ_５ｃ_４ｃ_３ｃ_２ｃ_１ｃ_０）のデータとして出力される。

図５は従来技術によりＣＣＤ１１６から出力されるｍ＝１２ビット（ｄ_１１ｄ_１０…ｄ_１ｄ_０）のデータのなかで下位ａ＝４ビットを削除してｍ−ａ＝８ビットを出力する場合と、図３−Ａないし図４−Ｂに示す本発明によるホログラフィックデータの圧縮装置を使用した場合の出力ビットデータの分布を示すグラフである。同図に示すように、本発明により、上位ｋ＝５ビットを３ビットに圧縮した場合と上位ｋ＝３ビットを２ビットに圧縮した場合は共に、従来技術により下位ａ＝４ビットを削除した場合より改善された分布を示す。

すなわち、図５に示す分布曲線において、最終に出力されるｎ＝８ビットのデータが区分される二つの領域（“０”又は“１”を示す領域）を区分する基準、つまり臨界値は、その二つの領域を示す二つの峰状曲線が会う境界領域であると言える。図５に示すように、従来技術の場合は、ピクセルレベル値が７０である地点付近で境界領域が形成される反面、本発明による圧縮器を使用する場合は、ピクセルレベル値が１３０である地点付近で境界領域が形成される。したがって、本発明による圧縮器を使用する場合の出力ビットデータはより実際のピクセルレベルの分布を正確に反映していると思われる。また、境界領域に分布するピクセルレベルの数を比較すると、本発明による圧縮器を使用する場合が、従来技術の場合より低い値を表す。これは、本発明による圧縮器を使用する場合、境界領域での情報分割度の正確性が改善されたことを意味する。

ＣＣＤ１１６によりキャプチャーされたｍ＝１２ビットの２４０×２４０のピクセルを有する映像データを、本発明による圧縮器によりｎ＝８ビットのデータに圧縮し、圧縮されたデータを二つのビット値（“０”又は“１”）に変換した後、誤変換されたピクセルの数を示すＣＥＲ（Counted Error Rate）を測定した。従来技術により下位ａ＝４ビットを削除した場合は、０．９２％のＣＥＲが測定されたが、本発明による圧縮器を使用して５：３及び３：２の比率でｍ＝１２ビットデータの上位ビットを圧縮した場合は、共に０．８５％のＣＥＲが測定された。これは、圧縮されなかったｍ＝１２ビットをそのまま使用して二つのビット値（“０”又は“１”）に変換した後に測定したＣＥＲ＝０．８４％とほぼ同一の結果であり、従来技術に比べ、本発明による圧縮器を使用した場合にＣＥＲが改善されたことを示す。

以上、本発明をその実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で多様に変更できるものである。

従来技術によるホログラフィックデータ記録及び再生システムの構成を示すブロック図である。 本発明の好ましい実施例によるホログラフィック再生データ圧縮装置を示すブロック図である。 本発明による３：２の比率のビット圧縮関係を示すテーブルである。 図３−Ａのテーブルの圧縮関係に基づいて組合せ論理回路に具現したホログラフィック再生データ圧縮装置を示す回路図である。 本発明による５：３の比率のビット圧縮関係を示すテーブルである。 図４−Ａのテーブルの圧縮関係に基づいて組合せ論理回路に具現したホログラフィック再生データ圧縮装置を示す回路図である。 従来技術により、ホログラフィック再生データのなかで下位ビットを削除して圧縮した場合と、本発明により、ホログラフィック再生データのなかで上位ビットを圧縮した場合の圧縮されたホログラフィック再生データの分布を示すグラフである。

符号の説明

１１４ 記憶媒体
１１６ ＣＣＤ
２１６ 分離器
２２０ 圧縮器
２３０ 併合器

Claims (6)

1. ホログラフィック媒体に入射する再生用参照光により再生される干渉模様の映像をキャプチャし、ｍビットに変換して出力する映像キャプチャ装置を有するホログラフィックデータの再生システムにおいて、
   前記ｍビットのデータのなかで、下位ｊビットを除去した後、前記ｍ−ｊビットを上位ｋビットと残りｍ−ｊ−ｋビットに分けて出力する分離器（splitter）と、
   前記上位ｋビットをｌビットに圧縮して出力する圧縮器と、
   前記圧縮器から出力されるｌビットと前記分離器から出力されるｍ−ｊ−ｋビットを結合してｎビットを出力する併合器（merger）とを含んでなり、
   ｍ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎはそれぞれ正の整数であり、ｌ＜ｋ及びｎ＝ｌ＋ｍ−ｊ−ｋであることを特徴とするホログラフィックデータの再生システム。
2. 前記圧縮器において、前記ｋビットから前記ｌビットに圧縮される変換関係は、前記ｎビットのデータが表すピクセルレベルの分布が前記ｍビットのデータが表すピクセルレベルの分布を反映するように決定されることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィックデータの再生システム。
3. 前記圧縮器は、前記ｋビットから前記ｌビットに圧縮される変換関係を表す組合せ論理回路により具現されることを特徴とする請求項２に記載のホログラフィックデータの再生システム。
4. ホログラフィック媒体に入射する再生用参照光により再生される干渉模様の映像をキャプチャし、ｍビットに変換して出力するホログラフィックデータの再生方法において、
   （ａ）前記ｍビットのデータのなかで、下位ｊビットを除去した後、前記ｍ−ｊビットを上位ｋビットと残りｍ−ｊ−ｋビットに分けて出力する段階と、
   （ｂ）前記上位ｋビットをｌビットに圧縮して出力する段階と、
   （ｃ）前記ｌビットと前記ｍ−ｊ−ｋビットを結合してｎビットを生成する段階とを含んでなり、
   ｍ、ｊ、ｋ、ｌ、ｎはそれぞれ正の整数であり、ｌ＜ｋ及びｎ＝ｌ＋ｍ−ｊ−ｋであることを特徴とするホログラフィックデータの再生方法。
5. 前記（ｂ）段階において、前記ｋビットから前記ｌビットに圧縮される変換関係は、前記ｎビットのデータが表すピクセルレベルの分布が前記ｍビットのデータが表すピクセルレベルの分布を反映するように決定されることを特徴とする請求項４に記載のホログラフィックデータの再生方法。
6. 前記（ｂ）段階は、前記ｋビットから前記ｌビットに圧縮される変換関係を表す論理演算式により表現されることを特徴とする請求項５に記載のホログラフィックデータの再生方法。

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