JP2022061900A - Hologram recording/reproducing method and hologram recording/reproducing device - Google Patents

Hologram recording/reproducing method and hologram recording/reproducing device Download PDF

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Abstract

To provide a hologram recording/reproducing method and a device capable of reducing network size of machine learning and significantly reducing recording capacity required for demodulation calculation processing, when demodulating page data reproduced from a hologram recording medium.SOLUTION: A hologram recording/reproducing method includes the steps of: reading page data recorded on a hologram recording medium for information recording, and dividing into per a modulation block (S6); demodulating first bit string data for bright spots arranged in the modulation block by a first CNN, and demodulating second bit string data for an amplitude-phase signal superimposed on the bright spots by a second CNN (S7); and associating the demodulated two bit string data with each other as one bit string data (S8).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ページデータをホログラム記録再生する方法および装置に関し、特に、2次元の変調ブロックに変調され、ホログラム記録されたビット列情報を再生する際に、ニューラルネットワーク等の機械学習法を用いて復調するホログラム記録再生方法およびホログラム記録再生装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for hologram recording and reproduction of page data, and in particular, when reproducing bit string information modulated into a two-dimensional modulation block and holographically recorded, it is demolished by using a machine learning method such as a neural network. The present invention relates to a hologram recording / reproducing method and a hologram recording / reproducing apparatus.

ホログラムメモリーにおいては、光源からの光束を2経路に分割し、一方はページデータを表示するSLM(Spatial Light Modulator:空間光変調器)によって変調して信号光とし、他方は無変調の参照光として、これら信号光と参照光とを同時にホログラム記録媒体に照射し、その際に生成された干渉縞をホログラム記録媒体に書き込むことによってデータを記録している。
また、再生時には、上記干渉縞に参照光を照射することで、元の信号光が担持していたデータを回折光として再生することができ、これをカメラで撮像し取得する。一度の光照射で二次元の情報を一括で記録あるいは再生できるため、転送速度が大きいという利点がある。また、ホログラム記録装置は、角度多重、位相コード多重、球面参照光シフト多重等の様々な多重方式を用いることで、同一箇所にホログラムを多重記録可能であり、これにより高密度に情報を記録することができる。
In the hologram memory, the light beam from the light source is divided into two paths, one of which is modulated by an SLM (Spatial Light Modulator) that displays page data to form signal light, and the other is used as unmodulated reference light. The data is recorded by simultaneously irradiating the hologram recording medium with these signal lights and the reference light and writing the interference fringes generated at that time on the hologram recording medium.
Further, at the time of reproduction, by irradiating the interference fringes with the reference light, the data carried by the original signal light can be reproduced as diffracted light, and this is captured and acquired by the camera. Since two-dimensional information can be collectively recorded or reproduced by a single light irradiation, there is an advantage that the transfer speed is high. In addition, the hologram recording device can record holograms at the same location in multiples by using various multiplexing methods such as angle multiplexing, phase code multiplexing, spherical reference optical shift multiplexing, etc., thereby recording information at high density. be able to.

近年ではさらなる大容量化に向けて、ページデータを従来の2値符号から多値符号にすることで情報量を増大させると同時に、振幅情報だけでなく位相情報を保存することができるホログラムの特徴を利用して、振幅変調と位相変調を組み合わせた記録再生手法が提案されている(非特許文献1を参照)。 In recent years, in order to further increase the capacity, the page data has been changed from the conventional binary code to a multi-value code to increase the amount of information, and at the same time, the feature of the hologram that can store not only the amplitude information but also the phase information. A recording / reproduction method combining amplitude modulation and phase modulation has been proposed (see Non-Patent Document 1).

ホログラム記録再生に係る光学系を図11に示す。記録時、レーザー光源101から出射された光はレンズ102によって拡大され、光学軸方向を調整された1/2波長板103によってp偏光に変換されるので、PBS104を透過する。
PBS104を透過したp偏光は、光学軸方向を調整された1/2波長板105によって斜め(45度)偏光とされ、さらにPBS106によってp偏光とs偏光に分割される。PBS106において反射するs偏光は、振幅変調SLM107により振幅変調され、位相変調SLM108により位相変調されることで、振幅位相変調されたページデータ情報を担持し、レンズ群109の光路中に配された光記録体積を狭小化するための高周波遮断フィルター110を通過した後、ホログラム記録媒体114の所定位置に信号光121として照射される。
一方、PBS106からのp偏光は、ミラー111によって反射され、1/2波長板112によってs偏光に調整され、ミラー113によって入射角度が調整されて、ホログラム記録媒体114の上記所定位置に記録時参照光122として照射される。
これら信号光121および参照光122の2つの光は互いに干渉し、これにより生じた干渉縞がホログラムとしてホログラム記録媒体114に記録される。
FIG. 11 shows an optical system related to hologram recording / reproduction. At the time of recording, the light emitted from the laser light source 101 is magnified by the lens 102 and converted into p-polarized light by the 1/2 wave plate 103 whose optical axis direction is adjusted, so that the light is transmitted through the PBS 104.
The p-polarized light transmitted through the PBS 104 is obliquely (45 degrees) polarized by the 1/2 wavelength plate 105 whose optical axis direction is adjusted, and further divided into p-polarized and s-polarized by the PBS 106. The s-polarized light reflected by the PBS 106 is amplitude-modulated by the amplitude-modulated SLM107 and phase-modulated by the phase-modulated SLM108 to carry the amplitude-phase-modulated page data information and is arranged in the optical path of the lens group 109. After passing through the high-frequency blocking filter 110 for narrowing the recording volume, the hologram recording medium 114 is irradiated as signal light 121 at a predetermined position.
On the other hand, the p-polarization from the PBS 106 is reflected by the mirror 111, adjusted to s-polarization by the 1/2 wave plate 112, and the incident angle is adjusted by the mirror 113, and is referred to at the time of recording at the predetermined position of the hologram recording medium 114. It is irradiated as light 122.
The two lights of the signal light 121 and the reference light 122 interfere with each other, and the interference fringes generated thereby are recorded on the hologram recording medium 114 as a hologram.

また、再生時には、記録時と同様にレーザー光源101から出射した光はレンズ102で拡大された後、光学軸方向を調整された1/2波長板103によって斜め(45度)偏光とされ、PBS104でp偏光とs偏光の光に分割される。PBS104を透過するp偏光については、光学軸方向を調整された1/2波長板105において、偏光状態はP偏光のままとされるので、PBS106も透過することになる(PBS106からの反射光は生じない)。この後、PBS106を透過したp偏光は、ミラー111で反射され、1/2波長板112でs偏光に調整され、ミラー113で入射角度を調整されて、再生時参照光122としてホログラム記録媒体114の上記所定位置に照射される。これにより、s偏光の再生光124がホログラム記録媒体114から出射される。 Further, at the time of reproduction, the light emitted from the laser light source 101 is magnified by the lens 102 and then polarized obliquely (45 degrees) by the 1/2 wave plate 103 whose optical axis direction is adjusted, as in the case of recording, and the PBS 104 It is divided into p-polarized light and s-polarized light. As for the p-polarization transmitted through the PBS 104, the polarization state remains P-polarized in the 1/2 wavelength plate 105 whose optical axis direction is adjusted, so that the PBS 106 is also transmitted (the reflected light from the PBS 106 is transmitted). Does not occur). After that, the p-polarized light transmitted through the PBS 106 is reflected by the mirror 111, adjusted to s-polarized light by the 1/2 wave plate 112, and the incident angle is adjusted by the mirror 113, and the hologram recording medium 114 is used as the reference light 122 during reproduction. Is irradiated to the above-mentioned predetermined position. As a result, the s-polarized reproduction light 124 is emitted from the hologram recording medium 114.

一方、PBS104によって反射されたs偏光は、再生用のプローブ光123となる。補正用位相変調SLM116によって面内の位相むらが無いように調整されたプローブ光123と、上記再生光124とを合波させると、同位相の領域では光が強め合い、逆位相の領域では光が打ち消される。また、ピエゾ変調器117により、プローブ光123の位相を0、π/2、π、3/2πと変化させ、その度にこのプローブ光123を、上述したPBS104からのs偏光と合波させ、得られた干渉縞の像を合計4枚撮影し、演算装置120にて4ステップ位相シフト法(例えば、特開2019-33467を参照)に基づく演算を行うことにより、位相情報を強度情報に変換して取得することができる。 On the other hand, the s-polarized light reflected by the PBS 104 becomes the probe light 123 for reproduction. When the probe light 123 adjusted so that there is no in-plane phase unevenness by the correction phase modulation SLM116 and the reproduced light 124 are combined, the light is intensified in the in-phase region and the light is in the opposite-phase region. Is canceled. Further, the phase of the probe light 123 is changed to 0, π / 2, π, 3 / 2π by the piezo modulator 117, and each time the probe light 123 is combined with the s polarization from the PBS 104 described above. A total of four images of the obtained interference fringes are taken, and the phase information is converted into intensity information by performing an operation based on a four-step phase shift method (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-33467) with the arithmetic apparatus 120. Can be obtained.

ところで、ページデータは1インチ相当の面積を有するため、ホログラム記録媒体の膨張・収縮や位置ずれ、光学系により発生する歪曲や各種収差等の影響で、面内で低周波のノイズむらが生じる。同様の理由で、ページデータに像のぼやけが生じ、ページデータ内の輝点から暗点へ光が漏れ出す等の、符号間干渉が生じる。そのため、変調コードとして、差分コードを用いる手法等により、ページデータを分割したある一定の範囲(変調ブロック)内で輝点と暗点の判定を行う技術が提案されている(例えば、特許第3209493号を参照)。再生時の諸条件からのずれや、レーザー光の面内方向の輝度むら等があっても、変調ブロック内で相対的に輝度値の大小を決定できるため、ページデータ全体で生じるむらの影響をある程度軽減することができ、振幅・位相のいずれの信号においても同様に効果を奏することが可能である。 By the way, since the page data has an area equivalent to 1 inch, low-frequency noise unevenness occurs in the plane due to the influence of expansion / contraction and positional deviation of the hologram recording medium, distortion generated by the optical system, various aberrations, and the like. For the same reason, image blurring occurs in the page data, and intersymbol interference such as light leaking from bright spots to dark spots in the page data occurs. Therefore, a technique has been proposed in which bright spots and dark spots are determined within a certain range (modulation block) in which page data is divided by a method using a difference code as a modulation code (for example, Patent No. 3209493). See issue). Even if there is deviation from various conditions during playback or uneven brightness in the in-plane direction of the laser beam, the magnitude of the brightness value can be determined relatively within the modulation block, so the effect of unevenness that occurs in the entire page data can be affected. It can be reduced to some extent, and the same effect can be obtained for both amplitude and phase signals.

一方で、多値数の増大によって、振幅値や位相値をより正確に判定して復調することが必要となるため、上記差分コードの利用に加えて、ノイズの補償技術が必要となる。例えば、すべての画素値が、8bit表示の場合で255(白画素)であるリファレンスのページデータを、実際に使用する光学系において事前に再生しておき、カメラで取得した画像からページデータ面内に重畳されるノイズ情報を特定する、振幅ノイズの補償方法が提案されている(特許文献1を参照)。ノイズが重畳された画素では輝度値が低下するため、取得したノイズ情報分を再生ページデータから除算あるいは減算することで補償が可能である。位相ノイズについても同様に補償可能である。
しかしながら、特許文献1の手法では、符号間干渉を抑制することはできない。
On the other hand, as the number of multi-values increases, it becomes necessary to more accurately determine and demodulate the amplitude value and the phase value. Therefore, in addition to the use of the difference code, a noise compensation technique is required. For example, the reference page data in which all the pixel values are 255 (white pixels) in the case of 8-bit display is reproduced in advance in the optical system actually used, and the page data plane is stored from the image acquired by the camera. A method for compensating for amplitude noise, which specifies noise information superimposed on the image, has been proposed (see Patent Document 1). Since the luminance value decreases in the pixel on which noise is superimposed, compensation can be performed by dividing or subtracting the acquired noise information from the reproduction page data. The phase noise can be compensated in the same manner.
However, the method of Patent Document 1 cannot suppress intersymbol interference.

これに対し、非特許文献2では、画素毎に構成したニューラルネットワークモデルによる等化器で信号処理を行えば、符号間干渉を抑制できるとしている。しかしながら、非特許文献2の手法ではページデータの画素毎にニューラルネットワークを構成するため、等化器を作成するための計算量と時間は膨大となる。 On the other hand, Non-Patent Document 2 states that intersymbol interference can be suppressed by performing signal processing with an equalizer based on a neural network model configured for each pixel. However, in the method of Non-Patent Document 2, since the neural network is constructed for each pixel of the page data, the amount of calculation and the time for creating the equalizer become enormous.

一方、上記のようなノイズ除去手法ではなく、ノイズが混入したページデータから機械学習によって正確に信号を抽出する技術も報告されている(特許文献2、非特許文献3を参照)。この技術では、再生されたページデータを、変調ブロック毎にビット列を復調する。すなわち、事前に畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network:以下CNNと称する)にノイズの混入したページデータを繰り返し入力することで、ノイズの中に埋もれた信号の特性を学習しているため、正確に復調することができる。 On the other hand, instead of the noise reduction method as described above, a technique for accurately extracting a signal from page data containing noise by machine learning has also been reported (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). In this technique, the reproduced page data is demodulated as a bit string for each modulation block. That is, by repeatedly inputting page data mixed with noise into a convolutional neural network (hereinafter referred to as CNN) in advance, the characteristics of the signal buried in the noise are learned, so that the demodulation is accurate. can do.

特許第4863913号Patent No. 4863913 特開2019-46520号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-46520

Teruyoshi Nobukawa and Takanori Nomura, "Multilevel recording of complex amplitude data pages in a holographic data storage system using digital holography," Opt. Express, Vol. 24, No. 18, (2016), pp. 21001-21011Teruyoshi Nobukawa and Takanori Nomura, "Multilevel recording of complex amplitude data pages in a holographic data storage system using digital holography," Opt. Express, Vol. 24, No. 18, (2016), pp. 21001-21011 H. Osawa et al., "Neural Network Equalizer Matched to Recording Code in Holographic Data Storage," Jpn. J. Appl. Phys., 50, 09MB05, 2011.H. Osawa et al., "Neural Network Equalizer Matched to Recording Code in Holographic Data Storage," Jpn. J. Appl. Phys., 50, 09MB05, 2011. T. Shimobaba et al., "Convolutional neural network-based data page classification for holographic memory." Appl. Opt., 56(26): 7327-7330 (2017)T. Shimobaba et al., "Convolutional neural network-based data page classification for holographic memory." Appl. Opt., 56 (26): 7327-7330 (2017)

機械学習法(ニューラルネットワーク)を復調に用いる場合、多値数が増大するとネットワークが膨大な大きさになるという大きな問題がある。
例えば、特許文献2では、振幅のみの変調符号として5:9変調符号を用いて変調ブロックを作成している。これは、記録するビット列を5ビット毎に区切り、3×3シンボルで構成された9シンボルの変調ブロックに変換するものである。これを復調するCNNは、逆に9シンボルの変調ブロックを入力し、5ビット毎のビット列信号を出力するものになる。5ビットであれは、2の5乗、すなわち32種類の尤度が出力されることになり、その中でもっとも高い尤度であるものが復調ビットと推定され復調される。CNNは、畳み込み層での畳み込み処理の後、全結合層で行列の積によって定めた数の情報が出力できるように構成するのが一般的である。例えば、畳み込み層で100種類の情報(1, 100)が出力されたとすると、全結合層では重み行列(100, 32)を掛けることで、出力が(1, 32)となり、32種類の尤度が出力される。
When a machine learning method (neural network) is used for demodulation, there is a big problem that the network becomes enormous when the number of multiple values increases.
For example, in Patent Document 2, a modulation block is created using a 5: 9 modulation code as a modulation code for only an amplitude. This divides the bit string to be recorded into 5 bits and converts it into a 9-symbol modulation block composed of 3 × 3 symbols. On the contrary, the CNN that demodulates this inputs a modulation block of 9 symbols and outputs a bit string signal every 5 bits. If it is 5 bits, 2 to the 5th power, that is, 32 types of likelihoods are output, and the one with the highest likelihood is estimated to be a demodulation bit and demodulated. The CNN is generally configured so that after the convolution process in the convolution layer, the number of information determined by the product of the matrices can be output in the fully connected layer. For example, if 100 kinds of information (1, 100) are output in the convolution layer, the output becomes (1, 32) by multiplying the weight matrix (100, 32) in the fully connected layer, and 32 kinds of likelihoods. Is output.

すなわち、多値数が増え、1変調ブロックあたりの記録可能なデータ数が増加すると、CNNの出力数が大きくなり、全結合層の重み行列が膨大なサイズとなる。計算速度が遅くなることに加えて、事前に学習した重み行列をメモリーに保存しておかならければならないため、CNNのネットワークサイズが大きくなり、復調演算処理に必要な記録容量も膨大なものとなってしまう。 That is, as the number of multi-values increases and the number of recordable data per modulation block increases, the number of CNN outputs increases and the weight matrix of the fully connected layer becomes enormous in size. In addition to slowing down the calculation speed, the weight matrix learned in advance must be saved in memory, which increases the network size of CNN and enormous recording capacity required for demodulation calculation processing. turn into.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、ホログラム記録媒体から再生されたページデータを復調する際において、機械学習のネットワークサイズの縮小化を図り、復調演算処理に必要な記録容量を大幅に低減するとともに復調演算処理の高速化を図り得るホログラム記録再生方法およびホログラム記録再生装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and when demodulating page data reproduced from a hologram recording medium, the network size of machine learning is reduced and the recording capacity required for demodulation calculation processing is significantly increased. It is an object of the present invention to provide a hologram recording / reproducing method and a hologram recording / reproducing apparatus capable of reducing the amount and speeding up the demodulation calculation process.

なお、本発明は、記録されたホログラムから元の信号を再生する際の技術であって、光の干渉効果を用いて得られた被検体のホログラム記録像を、位相ステップ法等の面倒な計算処理を大幅に軽減しつつ、正確に、かつ高速で再生し得る信号再生技術に関するものである。本発明者等は、長年研究を重ねてきたホログラム再生技術の延長上に、上記目的を達成し得る、以下のような構成を有するホログラム記録再生方法およびホログラム記録再生装置を見出したものである。 The present invention is a technique for reproducing the original signal from the recorded hologram, and the hologram recorded image of the subject obtained by using the interference effect of light is calculated by a troublesome calculation such as a phase step method. It relates to a signal reproduction technique capable of reproducing accurately and at high speed while significantly reducing processing. The present inventors have found a hologram recording / reproducing method and a hologram recording / reproducing apparatus having the following configurations that can achieve the above object as an extension of the hologram reproduction technique that has been studied for many years.

本発明のホログラム記録再生方法は、情報記録用のホログラム記録媒体に記録されたページデータを読み出して変調ブロック毎に分割し、該変調ブロック内に配された輝点について第1の機械学習処理により第1のビット列データを復調するとともに、該輝点に重畳された振幅位相信号について第2の機械学習処理により第2のビット列データを復調し、復調された前記2つのビット列データを1つのビット列データとして関連付けることを特徴とするものである。 In the hologram recording / reproduction method of the present invention, page data recorded on a hologram recording medium for information recording is read out, divided into modulation blocks, and bright spots arranged in the modulation blocks are subjected to a first machine learning process. The first bit string data is demodulated, the second bit string data is demodulated by the second machine learning process for the amplitude phase signal superimposed on the bright spot, and the demodulated two bit string data are combined into one bit string data. It is characterized by associating as.

前記第1の機械学習処理が第1のニューラルネットワークによる処理とし、前記第2の機械学習処理が第2のニューラルネットワーク処理とすることが可能である。
また、前記第2のビット列データ、および複数の前記輝点のうちの所望の輝点であることを特定するラベル情報を、前記第2のニューラルネットワークに入力して前記振幅位相信号を復調することが好ましい。
The first machine learning process can be a process by the first neural network, and the second machine learning process can be a second neural network process.
Further, the second bit string data and the label information for identifying the desired bright spot among the plurality of bright spots are input to the second neural network to demodulate the amplitude phase signal. Is preferable.

また、前記ラベル情報は、ワンホット形式で表されることが好ましい。
また、読み出された前記ページデータを位相シフトさせて得た複数枚の再生画像を前記第2のニューラルネットワークに入力することにより、位相シフト法による位相演算処理を用いることなく前記振幅位相信号を復調することが好ましい。
また、前記第2のニューラルネットワークは、前記複数枚の再生画像毎に前記振幅位相信号を復調するネットワーク部を構築し、構築された該ネットワーク部を複製して、前記複数の前記輝点の数に相当する所定数の該ネットワーク部を構築しておき、該所定数の該ネットワーク部の復調処理を、並列にかつ同時に行うことが好ましい。
Further, the label information is preferably expressed in a one-hot format.
Further, by inputting a plurality of reproduced images obtained by phase-shifting the read page data into the second neural network, the amplitude phase signal can be obtained without using the phase calculation process by the phase shift method. It is preferable to demodulate.
Further, in the second neural network, a network unit for demodulating the amplitude phase signal is constructed for each of the plurality of reproduced images, and the constructed network portion is duplicated to obtain the number of the plurality of bright spots. It is preferable to construct a predetermined number of the network units corresponding to the above and perform demodulation processing of the predetermined number of the network units in parallel and at the same time.

さらに、本発明のホログラム記録再生装置は、情報記録用のホログラム記録媒体に記録され、読み出されたページデータを変調ブロック毎に分割するページデータ分割手段と、該変調ブロック内に配された輝点の位置に基づき第1のビット列データを復調する第1の機械学習手段と、該輝点の各々に重畳された振幅位相信号に基づき第2のビット列データを復調する第2の機械学習手段と、復調された前記2つのビット列データを1つのビット列データとして関連付けるビット列データ接続手段を備えたことを特徴とするものである。
なお、本願明細書の記載においては、「シンボル」単体を複数個集合させてグループ化した「シンボル」の群を「ブロック」と称するものとする。
Further, the hologram recording / reproducing device of the present invention includes a page data dividing means for dividing page data recorded in a hologram recording medium for information recording and read out into each modulation block, and a brightness arranged in the modulation block. A first machine learning means that demolishes the first bit string data based on the position of the point, and a second machine learning means that demolishes the second bit string data based on the amplitude phase signal superimposed on each of the bright spots. It is characterized by comprising a bit string data connecting means for associating the demodulated two bit string data as one bit string data.
In the description of the present application, a group of "symbols" in which a plurality of "symbols" are grouped together is referred to as a "block".

本発明のホログラム記録再生方法および装置によれば、輝点位置信号復調用の第1の機械学習処理と振幅位相信号復調用の第2の機械学習処理を独立に行うことで、機械学習のネットワークサイズの縮小化を図り、復調演算処理に必要な記録容量を大幅に低減して復調処理速度の高速性を保つことができる。加えて、輝点位置信号復調処理と振幅位相信号復調処理を並列して実行することができるとともに、各信号のノイズ特性に応じて機械学習のハイパーパラメーターを独立に設定することができ、復調処理の高速化および正確性の向上を図ることができる。 According to the hologram recording / reproduction method and apparatus of the present invention, a machine learning network is obtained by independently performing a first machine learning process for demodulating a bright spot position signal and a second machine learning process for demodulating an amplitude phase signal. The size can be reduced, the recording capacity required for demodulation calculation processing can be significantly reduced, and the high speed of demodulation processing can be maintained. In addition, the bright spot position signal demodulation process and the amplitude phase signal demodulation process can be executed in parallel, and the hyperparameters of machine learning can be set independently according to the noise characteristics of each signal. It is possible to increase the speed and improve the accuracy.

なお、振幅位相信号の復調のための輝点数分のネットワーク部(CNN)を用意することなく、1つの振幅位相復調用のネットワーク部(CNN)で複数の輝点に重畳された信号を順次復調するように構成すれば、事前学習時に調整されたネットワーク部(CNN)内の重みを演算処理装置内に保存する記録領域を小さくすることができる。
また、1つの振幅位相復調用のネットワーク部(CNN)を複製して他の輝点のネットワーク部(CNN)を構築し、これら複数のネットワーク部(CNN)の処理を並列して行うことにより、データの共有化を図って記録領域を小さくすることができるとともに、復調処理の高速化を図ることができる。
It should be noted that the signal superimposed on a plurality of bright spots is sequentially demodulated by one network unit (CNN) for demodulating the amplitude phase without preparing the network unit (CNN) for the number of bright spots for demodulating the amplitude phase signal. If it is configured to do so, the recording area for storing the weight in the network unit (CNN) adjusted at the time of pre-learning in the arithmetic processing device can be reduced.
Further, by duplicating one network unit (CNN) for amplitude phase demodulation to construct a network unit (CNN) of another bright spot, and processing these a plurality of network units (CNN) in parallel, the process is performed in parallel. The recording area can be reduced by sharing data, and the demodulation process can be speeded up.

本発明の実施例に係るホログラム記録再生方法における記録再生手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the recording / reproduction procedure in the hologram recording / reproduction method which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すホログラム記録再生方法において用いられる20:9変調による変調ブロック生成を説明するための概略図((a)、(b)共に)である。FIG. 3 is a schematic diagram (both (a) and (b)) for explaining modulation block generation by 20: 9 modulation used in the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 1. 図1に示すホログラム記録再生方法において用いられる20:9変調による変調ブロック内のシンボル番号を示す図(a)、および輝点位置変換テーブルを示す図(b)である。FIG. 1A is a diagram showing symbol numbers in a modulation block by 20: 9 modulation used in the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a diagram showing a bright spot position conversion table. 図1に示すホログラム記録再生方法において用いられる20:9変調における振幅位相信号のコンスタレーションマップを示す図である。It is a figure which shows the constellation map of the amplitude phase signal in 20: 9 modulation used in the hologram recording reproduction method shown in FIG. 図1に示すホログラム記録再生方法において、2つのCNNによる20:9変調符号再生データの復調処理を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing demodulation processing of 20: 9 modulation code reproduction data by two CNNs in the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 1. 図1に示すホログラム記録再生方法において、振幅位相信号を復調する対象シンボルを表すラベル情報を示す図である((a)は変調ブロックのスキャン例、(b)は各輝点に対応するラベル情報態様の例)。In the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 1, it is a figure which shows the label information which shows the target symbol which demodulates an amplitude phase signal ((a) is a scan example of a modulation block, (b) is the label information corresponding to each bright spot. Example of embodiment). 図1に示すホログラム記録再生方法において、振幅位相信号復調CNNへの入力例を示す図である((a)、(b)、(c)共に)。In the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 1, it is a figure which shows the input example to the amplitude phase signal demodulation CNN (all (a), (b), (c)). 復調に硬判定を用いた従来技術(比較例)に係るホログラム記録再生方法における記録再生手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the recording / reproduction procedure in the hologram recording / reproduction method which concerns on the prior art (comparative example) which used the hard determination for demodulation. 図8に示す従来技術(比較例)に係る20:9変調における輝点位置信号および振幅位相信号のコンスタレーションマップ(a)および復調例((b)、(c))を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a constellation map (a) and demodulation examples ((b), (c)) of a bright spot position signal and an amplitude phase signal in 20: 9 modulation according to the prior art (comparative example) shown in FIG. 図1に示すホログラム記録再生方法において設定された、CNNのハイパーパラメーターの一例を示すテーブルである。It is a table which shows an example of the hyperparameters of CNN set in the hologram recording / reproduction method shown in FIG. 一般的な、振幅位相信号を記録再生するホログラム記録装置の光学系の構成例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the optical system of the general hologram recording apparatus which records and reproduces an amplitude phase signal.

以下、本発明の実施形態に係るホログラム記録再生方法およびホログラム記録再生装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the hologram recording / reproducing method and the hologram recording / reproducing apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施例に係るホログラム記録再生方法)
本発明の実施例に係るホログラム記録再生方法の概略的な流れを図1に示す。
まず、ホログラム記録媒体への信号記録処理時においては、記録すべきビット列を用意し(S1)、このビット列に対して20:9変調処理を行う(S2)。ここで20:9変調処理とは、20bitのビット列データを、3×3のシンボルからなるブロックデータに変調する処理である。
次に、上記変調処理によって得られた変調ブロック30を2次元状に並べてページデータを作成する(S3)。
(Hologram recording / reproduction method according to an embodiment)
FIG. 1 shows a schematic flow of the hologram recording / reproducing method according to the embodiment of the present invention.
First, at the time of signal recording processing on the hologram recording medium, a bit string to be recorded is prepared (S1), and 20: 9 modulation processing is performed on this bit string (S2). Here, the 20: 9 modulation process is a process of modulating 20-bit bit string data into block data composed of 3 × 3 symbols.
Next, page data is created by arranging the modulation blocks 30 obtained by the above modulation process in a two-dimensional manner (S3).

この後、例えば、図11に示すようなホログラム記録再生装置の光学系10を用いて、上記ページデータをホログラム記録媒体114にホログラム記録する(S4)。
また、信号再生処理時においては、ホログラム記録媒体114の光学系10を用いてホログラム記録媒体114からページデータを再生する(S5)。この再生処理により、ホログラム記録媒体114からページデータを再生し、変調ブロック30を取り出す(S6)。
次に、取り出された変調ブロック30のブロックデータに対して、本実施例方法のポイントとなるCNN復調処理を施す(S7)。これにより、3×3のシンボルからなるブロックデータから20bitのビット列データを得る(S8)。
After that, for example, the page data is hologram-recorded on the hologram recording medium 114 by using the optical system 10 of the hologram recording / reproducing device as shown in FIG. 11 (S4).
Further, at the time of signal reproduction processing, page data is reproduced from the hologram recording medium 114 by using the optical system 10 of the hologram recording medium 114 (S5). By this reproduction process, page data is reproduced from the hologram recording medium 114, and the modulation block 30 is taken out (S6).
Next, the block data of the extracted modulation block 30 is subjected to CNN demodulation processing, which is the point of the present embodiment (S7). As a result, 20-bit bit string data is obtained from the block data consisting of 3 × 3 symbols (S8).

以下、上述した各手順について、詳しい説明を補足する。
まず、上述した20:9変調について説明する。
図2に示すように変調ブロック30は3×3シンボルで構成される(本実施例では中央のマスに基準シンボル23が配されている)。記録するデータ列を20ビット毎に区切り、変調によって構成した変調ブロック30を2次元的に配列してページデータとする。ページデータの振幅信号は振幅変調SLM107に、位相信号は位相変調SLM108にそれぞれ入力し表示させて、信号光121に担持させる。
本実施例方法の20:9変調では、先頭4ビットが変調ブロック30内の4つの輝点位置信号に、また、残りの16ビットが、各輝点(I~IV)に重畳された振幅位相信号に変調される。
先頭4ビットと変調ブロック30中の輝点位置の関係を表す変換テーブルを図3に示す。
Hereinafter, detailed explanations will be supplemented for each of the above-mentioned procedures.
First, the above-mentioned 20: 9 modulation will be described.
As shown in FIG. 2, the modulation block 30 is composed of 3 × 3 symbols (in this embodiment, the reference symbol 23 is arranged in the central cell). The data string to be recorded is divided into 20 bits, and the modulation blocks 30 configured by modulation are two-dimensionally arranged to form page data. The amplitude signal of the page data is input to the amplitude modulation SLM107 and the phase signal is input to the phase modulation SLM108 to be displayed and carried on the signal light 121.
In the 20: 9 modulation of the present embodiment, the first 4 bits are superimposed on the four bright spot position signals in the modulation block 30, and the remaining 16 bits are superimposed on each bright spot (I to IV). Modulated into a signal.
FIG. 3 shows a conversion table showing the relationship between the first 4 bits and the position of the bright spot in the modulation block 30.

図3(a)に示すように、変調ブロック30内の9つのマスのうち、基準シンボル23用の中央のマスを除く8つのマスの各シンボル番号に0または1がセットされるように準備される。
そして、入力されたビット列の先頭4ビット値に応じ、図3(b)のテーブルにしたがって、各シンボル番号の対応位置(上記8つのマス)に、暗点の場合は0、輝点(暗点以外の明るさの点)の場合は1がセットされる。例えば、入力4ビット値が「1101」の場合、シンボル番号1から8のマスには、順に「00011101」となるようにセットされる。
As shown in FIG. 3A, it is prepared so that 0 or 1 is set in each symbol number of 8 squares excluding the central square for the reference symbol 23 among the 9 squares in the modulation block 30. The symbol.
Then, according to the first 4 bit values of the input bit string, according to the table of FIG. 3 (b), the corresponding positions of each symbol number (the above eight cells) are set to 0 in the case of dark spots and bright spots (dark spots). In the case of a point of brightness other than), 1 is set. For example, when the input 4-bit value is "1101", the cells of the symbol numbers 1 to 8 are set so as to be "00011101" in order.

次に、振幅位相信号と対応するビット列を表すコンスタレーションマップを図4に示す。このコンスタレーションマップは極座標で表現され、動径が輝度値、偏角が位相値に設定される。変調ブロック30のうち中央のマスに位置する基準シンボル23は、例えば、輝度値が255、位相値が0に固定され、変調ブロック30内のその余のマスに位置する8つのシンボル値に対する基準を示すシンボルとして機能する。
記録再生中のノイズにより、再生されたデータの輝度値や位相値が変動するが、上記8つのシンボルを復調する前処理として、既知の輝度値および位相値を有する基準シンボル23を参照し、各シンボルの輝度値や位相値を、この基準シンボル23の既知の輝度値および位相値によって規格化することで、変調ブロック30全体に発生するノイズの影響を補償することができる。
Next, FIG. 4 shows a constellation map representing the bit string corresponding to the amplitude phase signal. This constellation map is expressed in polar coordinates, the radius is set to the luminance value, and the declination is set to the phase value. The reference symbol 23 located in the central cell of the modulation block 30 has, for example, a luminance value fixed at 255 and a phase value fixed at 0, and serves as a reference for eight symbol values located in the remaining cells in the modulation block 30. Functions as an indicator symbol.
The brightness value and phase value of the reproduced data fluctuate due to noise during recording and reproduction. However, as a preprocessing for demodulating the above eight symbols, reference symbol 23 having a known brightness value and phase value is referred to, and each of them is used. By standardizing the brightness value and phase value of the symbol by the known brightness value and phase value of the reference symbol 23, the influence of noise generated in the entire modulation block 30 can be compensated.

また、信号再生処理時においては、ホログラム記録媒体114から再生されたページデータをカメラ119で取得する。取得された再生ページデータから変調ブロック30を順次取り出し、演算装置120内に構築されたCNNを用いて復調処理を行う。
この復調処理に、前述した特許文献2や非特許文献3に示した手法を適用した場合には、9つのシンボルを有する変調ブロック30を入力し、20ビットの信号を出力することになるため、CNNの全結合層では2の20乗、すなわち1,048,576種類の尤度を出力するための巨大な行列が必要となり、一般的な演算装置によっては、計算速度の低下およびメモリー不足をきたし、演算処理においてエラーが発生してしまう。
Further, at the time of signal reproduction processing, the page data reproduced from the hologram recording medium 114 is acquired by the camera 119. The modulation block 30 is sequentially taken out from the acquired reproduction page data, and demodulation processing is performed using the CNN built in the arithmetic unit 120.
When the method shown in Patent Document 2 or Non-Patent Document 3 described above is applied to this demodulation process, the modulation block 30 having nine symbols is input and a 20-bit signal is output. The fully connected layer of CNN requires a huge matrix to output 2 to the 20th power, that is, 1,048,576 kinds of likelihoods, which causes a decrease in calculation speed and a memory shortage depending on a general arithmetic unit. , An error occurs in the arithmetic processing.

これに対して、本実施例の手法においては、図5に示すように輝点位置情報を有する4ビットと、振幅位相情報を有する16ビットをそれぞれ独立とされた2つのCNNで復調する。輝点位置信号復調CNNでは、4ビットの輝点位置信号を復調すべく2の4乗、すなわち16種類の尤度を出力する。なお、この輝点位置信号復調CNNへは、ピエゾ変調器117でプローブ光123の位相を順次変更して得られた4枚の再生ページデータから抽出された4つの変調ブロック30を入力することで、4チャネル入力とされている。 On the other hand, in the method of this embodiment, as shown in FIG. 5, 4 bits having the bright spot position information and 16 bits having the amplitude phase information are demodulated by two independent CNNs. The bright spot position signal demodulation CNN outputs 2 to the 4th power, that is, 16 types of likelihoods in order to demodulate the 4-bit bright spot position signal. By inputting the four modulation blocks 30 extracted from the four reproduction page data obtained by sequentially changing the phase of the probe light 123 with the piezo modulator 117 to the bright spot position signal demodulation CNN. It is a 4-channel input.

一方の振幅位相信号復調CNNについても、同様に4つの変調ブロック30を入力し、16ビットを復調するネットワーク構成にすることができる。これにより、上記従来技術のものに比べて復調するネットワーク構成を小型化することができる。
ただし、このような16ビットを復調するネットワーク構成によっても2の16乗、すなわち65,536種類の尤度を出力する大きなネットワークとなることが避けられない。そこで、より好ましくは、振幅位相信号4ビットの輝点毎に分割し、各々を順次復調する。その際、どの輝点に重畳された振幅位相信号を復調するかの特定を行うため、4つの変調ブロック30に加えて、4チャネルのラベル情報40を振幅位相信号復調CNNに入力する構成とし、全体で8チャネル入力とする。
Similarly, for one amplitude phase signal demodulation CNN, four modulation blocks 30 can be input to form a network configuration for demodulating 16 bits. As a result, the network configuration for demodulation can be made smaller than that of the above-mentioned conventional technique.
However, even with such a network configuration that demodulates 16 bits, it is inevitable that a large network that outputs 2 to the 16th power, that is, 65,536 types of likelihoods will be output. Therefore, more preferably, the amplitude phase signal is divided into bright spots of 4 bits, and each is demodulated sequentially. At that time, in order to specify which bright point the amplitude phase signal superimposed is demodulated, the label information 40 of 4 channels is input to the amplitude phase signal demodulation CNN in addition to the 4 modulation blocks 30. A total of 8 channels are input.

上記ラベル情報40の生成手法を図6に示す。基準シンボル23を除いた8つのシンボルのうち、4つの輝点(I~IV)のシンボル位置をラスタスキャン順にナンバリングし((a)を参照)、ワンホット形式(対象のみが“1”、それ以外はすべて“0”)で表現する((b)を参照)。
図7に例示するように、変調ブロック30内の左下のシンボルは中央の基準シンボル23を除くと、スキャン順に3番目の輝点IIIであるので、ラベル情報40は、図6(b)に示すように(黒, 黒, 白, 黒)で表現できる。したがって、ラベル情報40に相当する5~8チャネルは、それぞれ変調ブロック30と同じサイズの3×3シンボルで構成された全黒または全白の画像とする。
したがって、4つの輝点(I~IV)の各々に重畳された振幅位相信号から合計16ビットのデータを復調するためには、4つの変調ブロック30に加えて、(白, 黒, 黒, 黒)、(黒, 白, 黒, 黒)、(黒, 黒, 白, 黒)および(黒, 黒, 黒, 白)の4つのラベル情報を、順次変えて振幅位相信号復調CNNに入力すればよい。
FIG. 6 shows a method for generating the label information 40. Of the eight symbols excluding the reference symbol 23, the symbol positions of the four bright spots (I to IV) are numbered in raster scan order (see (a)), and the one-hot format (only the target is "1", that is. Everything except is expressed by "0") (see (b)).
As illustrated in FIG. 7, the lower left symbol in the modulation block 30 is the third bright spot III in the scan order except for the central reference symbol 23, so the label information 40 is shown in FIG. 6 (b). It can be expressed as (black, black, white, black). Therefore, the 5 to 8 channels corresponding to the label information 40 are all black or all white images composed of 3 × 3 symbols having the same size as the modulation block 30, respectively.
Therefore, in order to demodulate a total of 16 bits of data from the amplitude phase signal superimposed on each of the four bright spots (I to IV), in addition to the four modulation blocks 30, (white, black, black, black). ), (Black, white, black, black), (black, black, white, black) and (black, black, black, white) can be sequentially changed and input to the amplitude phase signal demodulation CNN. good.

ラベル情報40の入力サイズは、振幅位相信号復調CNNへ入力する変調ブロック30のサイズと同一になる。例えば、上記実施例のものとは異なる他の変調符号を用いた場合や、ノイズ耐性を向上させるために変調ブロック30の周辺に隣接するシンボルまで含めて振幅位相信号復調CNNに入力する場合等で、振幅位相信号復調CNNに入力する変調ブロック30のサイズを例えば5×5とした場合であれば、ラベル情報40も各々5×5の全白または全黒のシンボルにより構成する。 The input size of the label information 40 is the same as the size of the modulation block 30 input to the amplitude phase signal demodulation CNN. For example, when another modulation code different from that of the above embodiment is used, or when a symbol adjacent to the periphery of the modulation block 30 is included and input to the amplitude phase signal demodulation CNN in order to improve noise immunity. If the size of the modulation block 30 input to the amplitude phase signal demodulation CNN is, for example, 5 × 5, the label information 40 is also composed of 5 × 5 all-white or all-black symbols, respectively.

(実施例に係るホログラム記録再生装置)
本実施例に係るホログラム記録再生装置は、上述した、本実施例に係るホログラム記録再生方法を実施する装置であって、そのホログラムの記録再生に係る光学系は図11に示すものを用いることができる。ただし、演算装置120を構成する各手段は少なくとも以下の構成を備えていることが要求される。
すなわち、演算装置120は、ホログラム記録媒体114に記録されたページデータ(カメラ119から入力される)を変調ブロック30毎に分割するページデータ分割手段と、この変調ブロック30内に配された輝点の位置に基づき第1のビット列データを復調する第1の機械学習手段(CNN)と、上記輝点に重畳された振幅位相信号に基づき第2のビット列データを復調する第2の機械学習手段(CNN)と、復調されたこれら2つのビット列データを1つのビット列データとして接続するビット列データ接続手段を備えてなる。
この実施例に係るホログラム記録再生装置によっても、上記本実施例に係るホログラム記録再生方法と同様の作用効果を奏することができる。
(Hologram recording / playback device according to the embodiment)
The hologram recording / reproducing device according to the present embodiment is an apparatus for carrying out the hologram recording / reproducing method according to the present embodiment described above, and the optical system for recording / reproducing the hologram may be the one shown in FIG. can. However, each means constituting the arithmetic unit 120 is required to have at least the following configuration.
That is, the arithmetic unit 120 has a page data dividing means for dividing the page data (input from the camera 119) recorded on the hologram recording medium 114 into each modulation block 30, and bright spots arranged in the modulation block 30. A first machine learning means (CNN) that demodulates the first bit string data based on the position of, and a second machine learning means (CNN) that demodulates the second bit string data based on the amplitude phase signal superimposed on the bright spot. CNN) and a bit string data connecting means for connecting these two demodulated bit string data as one bit string data.
The hologram recording / reproducing device according to this embodiment can also exert the same effect as the hologram recording / reproducing method according to the present embodiment.

以上に説明したように、輝点位置信号、および各輝点に重畳された振幅位相信号をそれぞれ4ビットずつ独立にCNNで復調することにより、CNNのネットワークサイズを巨大化させずに、記録されたホログラムメモリーのデータを復調することができる。特に、変調ブロック30が多値変調符号である場合には、本実施例の方法により奏される効果は大きい。 As described above, the bright spot position signal and the amplitude phase signal superimposed on each bright spot are independently demodulated by CNN by 4 bits each, so that the network size of the CNN is recorded without enlarging it. The data in the hologram memory can be demodulated. In particular, when the modulation block 30 is a multi-value modulation code, the effect produced by the method of this embodiment is great.

それぞれのCNNの学習には、ホログラム記録再生装置から再生されたデータと元の記録ビット列をペアとしたデータセットが使用される。ホログラム記録再生装置のノイズの特性に応じて正確にデータを復調できるよう、CNN内の重みが調整される。事前学習によって調整されたCNNの重みを保存しておく必要があるが、振幅位相信号復調CNN内の重みを複製したCNNを各輝点に応じた数だけ用意しておけば、輝点位置信号復調CNNを含めたすべてのCNN復調処理(本実施例では1つの輝点位置信号復調CNNと4つの振幅位相信号復調CNNからなる5つのCNN復調処理)を同時に並列して実行することができ、復調処理のさらなる高速化を図ることができる。 For each CNN learning, a data set in which the data reproduced from the hologram recording / reproducing device and the original recording bit string are paired is used. The weights in the CNN are adjusted so that the data can be demodulated accurately according to the noise characteristics of the hologram recording / playback device. It is necessary to save the weights of the CNN adjusted by pre-learning, but if the number of CNNs that duplicate the weights in the amplitude phase signal demodulation CNN is prepared according to each bright spot, the bright spot position signal All CNN demodulation processes including the demodulation CNN (in this embodiment, five CNN demodulation processes consisting of one bright spot position signal demodulation CNN and four amplitude phase signal demodulation CNNs) can be executed in parallel. The demodulation process can be further speeded up.

ここで、記録再生時に生じるノイズを付加したシミュレーションについての検証結果について、本実施例を比較例と比較することにより説明する。
なお、ノイズ源としては、図11中のレーザー光源101における固定パターンノイズ、高周波遮断フィルター110による符号間干渉ノイズ、プローブ光123中の固定パターンノイズ、振幅変調SLM107および位相変調SLM108とカメラ119の画素ピッチ差によるサンプリングノイズ、振幅変調SLM107、位相変調SLM108およびカメラ119に生じるランダムノイズを想定した。
Here, the verification result of the simulation to which the noise generated during recording / reproduction is added will be described by comparing this embodiment with the comparative example.
The noise sources include fixed pattern noise in the laser light source 101 in FIG. 11, intercode interference noise due to the high frequency cutoff filter 110, fixed pattern noise in the probe light 123, amplitude modulation SLM107, phase modulation SLM108, and pixels of the camera 119. We assumed sampling noise due to pitch difference, amplitude-modulated SLM107, phase-modulated SLM108, and random noise generated in the camera 119.

(比較例の検証結果)
比較例は、硬判定を用いて復調する場合とした。比較例に係るホログラム記録再生方法における記録再生手順を図8に示す。なお、図8に示された手順は、ページデータを記録し、そのページデータを光学的に読み出す処理に係るステップ(S101~S105)までは、前述した図1に示された手順におけるステップ(S1~S5)と同様であるので、ここでは4ステップ位相シフト法を用いた処理ステップ以降のステップ(S106~S111)についてのみ説明する。
(Verification result of comparative example)
The comparative example is the case of demodulation using the hardness determination. FIG. 8 shows a recording / reproducing procedure in the hologram recording / reproducing method according to the comparative example. In the procedure shown in FIG. 8, the steps (S1) in the above-mentioned procedure shown in FIG. 1 up to the steps (S101 to S105) relating to the process of recording the page data and optically reading the page data. Since it is the same as in S5), only the steps (S106 to S111) after the processing step using the 4-step phase shift method will be described here.

硬判定の場合には、再生された4枚のページデータに基づき4ステップ位相シフト法の演算を用いて、再生ページデータの振幅(輝度)情報および位相情報の両者を求める(S106)。ページデータから変調ブロック30を順次抽出し、復調する(S107)。その際に、抽出した変調ブロック30の各シンボル(基準シンボル23以外の各シンボル)の輝度値および位相値を、基準シンボル23の既知の輝度値および位相値により規格化して、変調ブロック30全体に発生するノイズの影響を補償しておく(S108)。 In the case of hard determination, both the amplitude (luminance) information and the phase information of the reproduced page data are obtained by using the operation of the 4-step phase shift method based on the reproduced four page data (S106). The modulation block 30 is sequentially extracted from the page data and demodulated (S107). At that time, the luminance value and the phase value of each symbol (each symbol other than the reference symbol 23) of the extracted modulation block 30 are standardized by the known luminance value and phase value of the reference symbol 23, and the whole modulation block 30 is covered. The influence of the generated noise is compensated (S108).

基準シンボル23以外の8シンボルについて、規格化された、輝度値と位相値に基づいてコンスタレーションマップを作成する。このコンスタレーションマップの一例を図9(a)に示す。
図9(a)に示すように、上記8シンボルの各位置のうち、外周側から順に選択した4点(すなわち輝度値が高い順に選択した4点:図9(a)では丸内に5、8、4、6の数字が付されている点)が輝点と推定できる。これにより、シンボル番号1から8は、順に「00011101」と決定される(輝点について1が、それ以外の暗点について0が付与される)から、図3(b)に示す変換テーブルに基づき、再生4ビット値は「1101」と判断され、図9(b)、(c)に示すように、まず、20ビットのうちの先頭4ビットが復調される(S109)。
For 8 symbols other than the reference symbol 23, a constellation map is created based on the standardized luminance value and phase value. An example of this constellation map is shown in FIG. 9 (a).
As shown in FIG. 9A, among the positions of the above 8 symbols, 4 points selected in order from the outer peripheral side (that is, 4 points selected in descending order of luminance value: 5 in the circle in FIG. 9A). Points with numbers 8, 4, and 6) can be estimated to be bright spots. As a result, the symbol numbers 1 to 8 are sequentially determined to be "00011101" (1 is assigned to the bright spots and 0 is assigned to the other dark spots), so that the symbol numbers 1 to 8 are based on the conversion table shown in FIG. 3 (b). , The reproduction 4-bit value is determined to be "1101", and as shown in FIGS. 9 (b) and 9 (c), first, the first 4 bits of the 20 bits are demodulated (S109).

次に、この4点に重畳された振幅位相信号を復調する。4点について、変調ブロック30内の左上のシンボルからラスタスキャン順(図6(a)と同様)に、図9(a)のマップ内で振幅位相信号点の中から最も距離が近いものを復調ビットとして判定する。これを各4輝点(I~IV)に対して行い、図9(b)、(c)に示すように、得られた各復調ビットを結合させて16ビット(「0010001110001100」)のビット列とする(S110)。このビット列を、上記輝点位置信号から復調された4ビット(「1101」)に続けて結合することで、図9(c)に示すような20ビットの復調ビット列(再生ビット列)が得られる(S111)。 Next, the amplitude phase signal superimposed on these four points is demodulated. For four points, demodulate the closest amplitude phase signal point in the map of FIG. 9 (a) in raster scan order (similar to FIG. 6 (a)) from the upper left symbol in the modulation block 30. Judge as a bit. This is performed for each of the four bright spots (I to IV), and as shown in FIGS. 9 (b) and 9 (c), the obtained demodulation bits are combined to form a 16-bit (“00100011100001100”) bit string. (S110). By continuously combining this bit string with 4 bits (“1101”) demodulated from the bright spot position signal, a 20-bit demodulated bit string (reproduction bit string) as shown in FIG. 9 (c) can be obtained (reproduction bit string). S111).

なお、本比較例においては、記録再生時のノイズによって、シンボル番号4の輝点に重畳された振幅位相信号の復調に誤りが生じている。記録時の正しいビット列は「0001」であったが、振幅ノイズおよび位相ノイズによってコンスタレーションマップ上で記録時の振幅位相信号点「0001」から位置ずれが生じ、もっとも距離の近い振幅位相信号点が「0010」となってしまったため、2ビットの復調誤りが生じた。
なお、硬判定を用いて復調する比較例の場合、復調後のビット誤り率は4.1×10-3であった。また、輝点位置信号と振幅位相信号のそれぞれの復調誤りは、2.8×10-3、5.1×10-3であった
In this comparative example, an error occurs in the demodulation of the amplitude phase signal superimposed on the bright spot of the symbol number 4 due to the noise during recording / reproduction. The correct bit string at the time of recording was "0001", but the amplitude noise and phase noise cause a positional shift from the amplitude phase signal point "0001" at the time of recording on the constellation map, and the amplitude phase signal point closest to the distance is. Since it became "0010", a 2-bit demodulation error occurred.
In the case of the comparative example of demodulation using the hardness determination, the bit error rate after demodulation was 4.1 × 10 -3 . The demodulation errors of the bright spot position signal and the amplitude phase signal were 2.8 × 10 -3 and 5.1 × 10 -3 , respectively.

(実施例の検証結果)
本実施例においては、硬判定結果から輝点位置信号よりも振幅位相信号の復調時に誤りが多く発生したことを参照し、振幅位相信号復調CNNの層数や重み数を増やすことにより、ノイズに対してロバストなネットワーク構成としている。また、輝点位置信号復調CNNについては、層数や重み数を減らし、復調速度の高速化と学習後の重みを保存する記録領域の削減を図った。このようにして最適化したCNNの構成や学習時の条件を図10に示す。
(Verification result of the example)
In this embodiment, it is referred from the hardness determination result that more errors occurred during demodulation of the amplitude phase signal than the bright spot position signal, and by increasing the number of layers and the number of weights of the amplitude phase signal demodulation CNN, noise was generated. On the other hand, it has a robust network configuration. For the bright spot position signal demodulation CNN, the number of layers and the number of weights were reduced, the demodulation speed was increased, and the recording area for storing the weights after learning was reduced. FIG. 10 shows the configuration of the CNN optimized in this way and the conditions at the time of learning.

このように本実施例に係るCNN復調においては、輝点位置信号復調CNNおよび振幅位相信号復調CNNともに出力は4ビットであるが、ネットワークの構成を特性に応じて変えることが可能であることから、復調速度と復調精度を最適化することができる。
このように、それぞれの信号におけるノイズ量や信号のノイズ耐性が異なることが原因で、輝点位置信号は正確に復調できたものの振幅位相信号では復調誤りが生じているような場合に、前述した比較例では、これを改善していくことが難しい。本実施例はこの点において、比較例と大きく相違する。
また、上記のようにして生成されたCNNを用いて復調する本実施例の場合、復調後のビット誤り率は2.1×10-3であり、比較例に比して、ビット誤り率を約半分に低減できた。また、輝点位置信号と振幅位相信号のそれぞれの復調誤りは、1.3×10-4、2.6×10-3であり、両信号ともに比較例に比して正確に復調できた。
As described above, in the CNN demodulation according to the present embodiment, the output of both the bright spot position signal demodulation CNN and the amplitude phase signal demodulation CNN is 4 bits, but the network configuration can be changed according to the characteristics. , Demodulation speed and demodulation accuracy can be optimized.
As described above, when the bright spot position signal can be demodulated accurately but the amplitude phase signal has a demodulation error due to the difference in the amount of noise and the noise immunity of the signal in each signal. In the comparative example, it is difficult to improve this. This example is significantly different from the comparative example in this respect.
Further, in the case of this embodiment in which demodulation is performed using the CNN generated as described above, the bit error rate after demodulation is 2.1 × 10 -3 , and the bit error rate is higher than that in the comparative example. It was reduced to about half. The demodulation errors of the bright spot position signal and the amplitude phase signal were 1.3 × 10 -4 and 2.6 × 10 -3 , and both signals could be demodulated more accurately than in the comparative example.

また、図1と図8の比較からもわかるとおり、比較例に係る硬判定ではプローブ光123の位相を変えて再生した4枚のページデータについて、4ステップ位相シフト法による演算処理、および規格化の計算処理が復調前に必要であるのに対し、本実施例に係るCNN復調では事前処理なくそのまま4枚のページデータ画像をCNNに入力すればよいため、演算処理を大幅に簡略化できる。加えて、比較例に係る硬判定では、振幅位相信号を復調するためには、先に輝点位置信号を復調する必要があるが、本実施例に係るCNN復調では両信号を同時に並列に復調できるため、高速化が可能である。 Further, as can be seen from the comparison between FIGS. 1 and 8, in the hardness determination according to the comparative example, the four page data reproduced by changing the phase of the probe light 123 are subjected to arithmetic processing by the 4-step phase shift method and standardization. However, in the CNN demodulation according to the present embodiment, the four page data images can be directly input to the CNN without prior processing, so that the calculation process can be greatly simplified. In addition, in the rigid determination according to the comparative example, in order to demodulate the amplitude phase signal, it is necessary to demodulate the bright spot position signal first, but in the CNN demodulation according to this embodiment, both signals are demodulated in parallel at the same time. Because it can be done, it is possible to increase the speed.

なお、本発明のホログラム記録再生方法およびホログラム記録再生装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の変更の態様をとることが可能である。例えば、本実施形態では、機械学習の手法として画像認識に優れるCNNを用いているが、これに替えて畳み込み層を含まない多層パーセプトロン等のニューラルネットワークや他の機械学習手法を用いてもよい。また、本実施形態では4ステップ位相法を考慮してCNNへの入力を4枚の変調ブロックとしているが、これに限られるものではなく、4枚以外の任意の複数枚に係る変調ブロックとすることが可能である。 The hologram recording / reproducing method and the hologram recording / reproducing apparatus of the present invention are not limited to those of the above-described embodiment, and various other modifications can be taken. For example, in the present embodiment, CNN having excellent image recognition is used as a machine learning method, but instead of this, a neural network such as a multi-layer perceptron that does not include a convolution layer or another machine learning method may be used. Further, in the present embodiment, the input to the CNN is set to four modulation blocks in consideration of the four-step phase method, but the present invention is not limited to this, and the modulation block is set to any plurality of modulation blocks other than the four. It is possible.

10、110 光学系
23 基準シンボル
30 変調ブロック
40 ラベル情報
101 レーザー光源
102、115 レンズ
103、105、112 1/2波長板
104、106 PBS
107 振幅変調SLM
108 位相変調SLM
109 レンズ群
110 高周波遮断フィルター
111、113 ミラー
114 ホログラム記録媒体
116 補正用位相変調SLM
117 ピエゾ変調器
118 ビームスプリッタ(BS)
119 カメラ
120 演算装置
121 信号光
122 参照光
123 プローブ光
124 再生光
10, 110 Optical system 23 Reference symbol 30 Modulation block 40 Label information 101 Laser light source 102, 115 Lens 103, 105, 112 1/2 wave plate 104, 106 PBS
107 Amplitude Modulation SLM
108 Phase Modulation SLM
109 Lens group 110 High frequency cutoff filter 111, 113 Mirror 114 Hologram recording medium 116 Phase modulation SLM for correction
117 Piezo Modulator 118 Beam Splitter (BS)
119 Camera 120 Arithmetic Logic Unit 121 Signal Light 122 Reference Light 123 Probe Light 124 Reproduction Light

Claims (7)

情報記録用のホログラム記録媒体に記録されたページデータを読み出して変調ブロック毎に分割し、該変調ブロック内に配された輝点について第1の機械学習処理により第1のビット列データを復調するとともに、該輝点に重畳された振幅位相信号について第2の機械学習処理により第2のビット列データを復調し、復調された前記2つのビット列データを1つのビット列データとして関連付けることを特徴とするホログラム記録再生方法。 The page data recorded on the hologram recording medium for information recording is read out and divided into modulation blocks, and the bright spots arranged in the modulation block are demodulated by the first machine learning process and the first bit string data is demodulated. The hologram recording is characterized in that the second bit string data is demodulated by the second machine learning process for the amplitude phase signal superimposed on the bright spot, and the demodulated two bit string data are associated with each other as one bit string data. Playback method. 前記第1の機械学習処理が第1のニューラルネットワークによる処理であり、前記第2の機械学習処理が第2のニューラルネットワークによる処理であることを特徴とする請求項1に記載のホログラム記録再生方法。 The hologram recording / reproduction method according to claim 1, wherein the first machine learning process is a process by a first neural network, and the second machine learning process is a process by a second neural network. .. 前記第2のビット列データ、および複数の前記輝点のうちの所望の輝点であることを特定するラベル情報を、前記第2のニューラルネットワークに入力して前記振幅位相信号を復調することを特徴とする請求項2に記載のホログラム記録再生方法。 It is characterized in that the second bit string data and label information for identifying a desired bright spot among the plurality of bright spots are input to the second neural network to demodulate the amplitude phase signal. The hologram recording / reproducing method according to claim 2. 前記ラベル情報は、ワンホット形式で表されることを特徴とする請求項3に記載のホログラム記録再生方法。 The hologram recording / reproduction method according to claim 3, wherein the label information is expressed in a one-hot format. 読み出された前記ページデータを位相シフトさせて得た複数枚の再生画像を前記第2のニューラルネットワークに入力することにより、位相シフト法による位相演算処理を用いることなく前記振幅位相信号を復調することを特徴とする請求項2~4のうちいずれか1項に記載のホログラム記録再生方法。 By inputting a plurality of reproduced images obtained by phase-shifting the read page data into the second neural network, the amplitude phase signal is demodulated without using phase calculation processing by the phase shift method. The hologram recording / reproducing method according to any one of claims 2 to 4, wherein the hologram recording / reproducing method is characterized. 前記第2のニューラルネットワークは、前記複数枚の再生画像毎に前記振幅位相信号を復調するネットワーク部を構築し、構築された該ネットワーク部を複製して、前記複数の前記輝点の数に相当する所定数の該ネットワーク部を構築しておき、該所定数の該ネットワーク部の復調処理を、並列にかつ同時に行うことを特徴とする請求項3または4を引用する請求項5に記載のホログラム記録再生方法。 The second neural network constructs a network unit that demodulates the amplitude phase signal for each of the plurality of reproduced images, duplicates the constructed network unit, and corresponds to the number of the plurality of bright spots. The hologram according to claim 5, wherein the predetermined number of the network units are constructed, and the demodulation processing of the predetermined number of the network units is performed in parallel and simultaneously. Recording / playback method. 情報記録用のホログラム記録媒体に記録され、読み出されたページデータを変調ブロック毎に分割するページデータ分割手段と、該変調ブロック内に配された輝点の位置に基づき第1のビット列データを復調する第1の機械学習手段と、該輝点の各々に重畳された振幅位相信号に基づき第2のビット列データを復調する第2の機械学習手段と、復調された前記2つのビット列データを1つのビット列データとして関連付けるビット列データ接続手段を備えたことを特徴とするホログラム記録再生装置。
The page data dividing means for dividing the page data recorded and read out on the hologram recording medium for information recording into each modulation block, and the first bit string data based on the positions of the bright spots arranged in the modulation block. The first machine learning means for demodulating, the second machine learning means for demodulating the second bit string data based on the amplitude phase signal superimposed on each of the bright spots, and the demodulated two bit string data are 1 A hologram recording / playback device characterized in that it is provided with a bit string data connection means associated with two bit string data.
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