JP2022080792A - Computer generated hologram generation device, method, and program - Google Patents

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Abstract

To allow high-speed generation of CGH videos with small memory consumption.SOLUTION: A point group input unit 101 receives input of 3D point group data used for calculation of a CGH. The input 3D point group is classified (clustered) into some sets (clusters) by a point group clustering unit 102. A correspondence relationship discrimination unit 103 discriminates the correspondence relationship between points for each of corresponding clusters between adjacent or back-and-forth frames. A calculation method determination unit 104 determines a calculation method for light wave propagation related to the current frame as one of a "reuse" method or a "normal calculation" method in units of cluster based on the correspondence relationship. A light wave propagation calculation unit 105 calculates object light wave propagation of the current frame with the determined calculation method. An interference calculation unit 106 calculates the interference between a result of calculation of the object light wave propagation and reference light, and calculates interference fringes. A CGH output unit 107 outputs a CGH.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、計算機合成ホログラム(CGH)の生成装置、方法及びプログラムに係り、特にCGH動画の生成を高速に行う計算機合成ホログラム生成装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a computer synthetic hologram (CGH) generator, a method and a program, and more particularly to a computer synthetic hologram generator, a method and a program for generating a CGH moving image at high speed.

ホログラフィは光の干渉・回折現象に基づいて物体からの光(物体光)を記録・再生する立体表示技術である。ホログラフィ技術では、物体から放たれる光の波と、レーザー等の光源から照射される参照光を干渉させ、干渉縞として物体光を記録する。この干渉縞に光を当てることで、記録時の光を再現することができる。物体から放たれる光を忠実に再現できることから、人の3次元知覚の生理的要因を全て満たす理想的な3次元表示技術とされている。 Holography is a stereoscopic display technology that records and reproduces light from an object (object light) based on the phenomenon of light interference and diffraction. In the holography technique, the wave of light emitted from an object and the reference light emitted from a light source such as a laser are made to interfere with each other, and the object light is recorded as an interference fringe. By shining light on these interference fringes, the light at the time of recording can be reproduced. Since it can faithfully reproduce the light emitted from an object, it is considered to be an ideal 3D display technology that satisfies all the physiological factors of human 3D perception.

計算機合成ホログラム(Computer Generated Hologram:CGH)は、ホログラムの計算のために必要となる光波の伝搬や干渉などの計算を計算機内部で光波シミュレーションとして行い、干渉縞を画像などの電子データとして出力する技術である。写真乾板などを用いて撮影するアナログのホログラムと比較すると、撮影のための複雑な光学系が不要であることや、液晶に表示するCGHを次々と切り替えていくことで動画化が容易に行えるなどの利点が存在するため、次世代のテレビや、VR/ARを始めとするXRデバイスなどに適用されることが期待されている。 Computer Generated Hologram (CGH) is a technology that calculates the propagation and interference of light waves required for hologram calculation as a light wave simulation inside the computer and outputs the interference fringes as electronic data such as images. Is. Compared to analog holograms shot using a photographic plate, it does not require a complicated optical system for shooting, and it can be easily animated by switching the CGH displayed on the LCD one after another. Because of the advantages of, it is expected to be applied to next-generation TVs and XR devices such as VR / AR.

一方、CGHの課題として、計算のための処理時間が膨大であるという問題が存在している。特にCGHの計算法として、記録する物体を多数の点光源の集合と見立て、この各点光源からの光の伝搬を計算して記録する「点光源法」が著名であるが、多数の点群からの光波の伝搬シミュレーションを行う必要があるために計算処理時間は膨大である。 On the other hand, as a problem of CGH, there is a problem that the processing time for calculation is enormous. In particular, as a CGH calculation method, the "point light source method" is famous, in which the object to be recorded is regarded as a set of many point light sources, and the propagation of light from each point light source is calculated and recorded. The calculation processing time is enormous because it is necessary to simulate the propagation of light waves from.

また、ホログラフィの再生時に十分な視域を得るためには、1μmオーダーの微細なピクセルピッチのSLM(空間光変調器)が必要とされており、例えば1μmのオーダーで1cm×1cmの液晶を実現するために必要となるピクセル数は10000×10000ピクセルとなる。すなわち、8Kを超える解像度の液晶が将来的に利用されることが想定されている。点光源法の計算時間は一般に"点光源数×ホログラム面の画素数"であることを鑑みれば、膨大な点数を入力にリアルタイム計算を行うことは困難であり、CGHの生成処理速度の高速化を行う必要がある。 In addition, in order to obtain a sufficient field of view when reproducing holography, an SLM (spatial light modulator) with a fine pixel pitch on the order of 1 μm is required. For example, a liquid crystal display of 1 cm x 1 cm is realized on the order of 1 μm. The number of pixels required to do this is 10000 x 10000 pixels. That is, it is expected that a liquid crystal display having a resolution exceeding 8K will be used in the future. Considering that the calculation time of the point light source method is generally "the number of point light sources x the number of pixels of the hologram surface", it is difficult to perform real-time calculation by inputting a huge number of points, and the CGH generation processing speed is increased. Need to be done.

このような処理時間の高速化が求められる背景の中で、動画化が容易に行えることがCGHの利点であることを鑑み、動画を生成する前提で高速化を行うアルゴリズムが多数提案されてきた。 In the background where high-speed processing time is required, many algorithms for high-speed on the premise of generating moving images have been proposed in view of the advantage of CGH that easy animation can be performed. ..

特許文献1には、3Dシーン全体の変化量を測定し、シーン全体の変化量が少ない場合には、前のフレームの物体光波分布を再利用する技術が開示されている。本技術によると、3Dシーン全体に占める変化箇所が少なければ、連続する各フレームを独立して計算するよりも、前のフレームの光波を再利用することで連続するフレームの生成処理を高速化することができる。 Patent Document 1 discloses a technique of measuring the amount of change in the entire 3D scene and reusing the object light wave distribution of the previous frame when the amount of change in the entire scene is small. According to this technology, if there are few changes in the entire 3D scene, the process of generating continuous frames can be speeded up by reusing the light waves of the previous frame, rather than calculating each continuous frame independently. be able to.

特許文献2には3D物体の移動ベクトルを計算し、移動ベクトルに基づいてホログラム面上の光波分布を移動させることで、点光源法の計算時間を削減する技術が開示されている。 Patent Document 2 discloses a technique for reducing the calculation time of the point light source method by calculating the movement vector of a 3D object and moving the light wave distribution on the hologram surface based on the movement vector.

特開2012-008207号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-008207 特開平10-222046号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-222046

T. Ichikawa, T. Yoneyama, and Y. Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013).T. Ichikawa, T. Yoneyama, and Y. Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013). Takashi Nishitsuji, Tomoyoshi Shimobaba, Takashi Kakue, Nobuyuki Masuda, Tomoyoshi Ito, "Fast calculation of computer-generated hologram using circular symmetry of zone plate", Optics Express, 20, 27496-27502 (2012)Takashi Nishitsuji, Tomoyoshi Shimobaba, Takashi Kakue, Nobuyuki Masuda, Tomoyoshi Ito, "Fast calculation of computer-generated hologram using circular symmetry of zone plate", Optics Express, 20, 27496-27502 (2012) R. Q. Charles, H. Su, M. Kaichun and L. J. Guibas, "PointNet: Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation," 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), Honolulu, HI, 2017, pp. 77-85.R. Q. Charles, H. Su, M. Kaichun and L. J. Guibas, "PointNet: Deep Learning on Point Sets for 3D Classification and Segmentation," 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), Honolulu, HI, 2017, pp. 77-85.

特許文献1では点光源の奥行きに変化が生じた場合に、変化前の深さから伝搬される光波の減算及び、変化後の深さから伝搬される光波の加算が必要になることから、再利用するフレームに対し2回の光波伝搬計算が必要となる。つまり、シーン全体のうち50%以上に変化が生じる場合には、再利用するよりも点光源法で改めてフレームをゼロから計算し直した方が、処理時間が少なくなる(ただし、深さが変化するわけではなく、点が新たに登場する場合や、点そのものが消失する場合にはこの限りではない)。 In Patent Document 1, when the depth of the point light source changes, it is necessary to subtract the light wave propagated from the depth before the change and add the light wave propagated from the depth after the change. Two light wave propagation calculations are required for the frame to be used. In other words, if 50% or more of the entire scene changes, it will take less time to recalculate the frame from scratch using the point light source method than to reuse it (however, the depth will change). This is not the case when a new point appears or when the point itself disappears).

この観点から、特許文献1では、シーン内の変化比率の臨界値として0.5未満の場合に前フレームの再利用を実施することが推奨されている。すなわち、シーン内の変化比率が0.5以上の場合には、特許文献1の技術では生成を高速化することが困難であった。 From this point of view, in Patent Document 1, it is recommended to reuse the previous frame when the critical value of the change ratio in the scene is less than 0.5. That is, when the rate of change in the scene is 0.5 or more, it is difficult to speed up the generation by the technique of Patent Document 1.

また、計算処理にルックアップテーブル(LUT)を用いることで高速計算を実現しているが、ホログラム面から点光源までの距離ごとに異なるルックアップテーブルを用意する必要があることからメモリ消費量が大きいという問題が存在していた。 In addition, high-speed calculation is realized by using a look-up table (LUT) for calculation processing, but memory consumption is high because it is necessary to prepare a different look-up table for each distance from the hologram surface to the point light source. There was a big problem.

さらに、特許文献2では3D物体が移動した際に重なることによって、遮蔽により3D物体の一部が見えなくなるケースなどが想定されておらず、このような遮蔽関係が生じるケースでは効率的に計算を行うことができない。 Further, Patent Document 2 does not assume a case where a part of a 3D object cannot be seen due to shielding due to overlapping when 3D objects move, and in a case where such a shielding relationship occurs, efficient calculation is performed. I can't do it.

本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、少ないメモリ消費量でCGH動画の高速生成を可能にする計算機合成ホログラム生成装置、方法及びプログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a computer synthetic hologram generator, a method, and a program that solve the above technical problems and enable high-speed generation of CGH moving images with a small memory consumption.

上記の目的を達成するために、本発明は、3D点群の点ごとに光波伝搬を計算してホログラム面上の物体光波分布を求め、参照光波との干渉計算を行って計算機合成ホログラムの動画を生成する装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention calculates the light wave propagation for each point of the 3D point group to obtain the object light wave distribution on the hologram surface, and performs the interference calculation with the reference light wave to make a moving image of the computer composite hologram. The device for generating the above is characterized in that it has the following configurations.

(1) 3D点群の各点をフレームごとにクラスタリングする手段と、前後するフレーム間で対応する各クラスタに属する各点の対応関係を判別する手段と、現フレームの物体光波分布の計算方法を前記対応関係に基づいて「再利用」および「通常計算」のいずれかにクラスタ単位で決定する手段と、現フレームの物体光波分布をクラスタごとに前記決定された計算方法で計算する手段とを具備した。 (1) A means for clustering each point of the 3D point cloud for each frame, a means for determining the correspondence relationship of each point belonging to each corresponding cluster between the frames before and after, and a method for calculating the object light wave distribution of the current frame. It is provided with a means for determining either "reuse" or "normal calculation" for each cluster based on the correspondence, and a means for calculating the object light wave distribution of the current frame for each cluster by the determined calculation method. did.

(2) クラスタリングする手段は、3D点群の各点をその位置に基づいてクラスタリングするようにした。 (2) The means for clustering is to cluster each point in the 3D point cloud based on its position.

(3) クラスタリングする手段は、3D点群の各点をその位置およびカテゴリに基づいてクラスタリングするようにした。 (3) The means for clustering is to cluster each point in the 3D point cloud based on its position and category.

(4) 計算方法を決定する手段は、計算方法を決定する頻度をクラスタごとにそのカテゴリに基づいてフレーム単位で増減するようにした。 (4) The means for determining the calculation method is to increase or decrease the frequency of determining the calculation method for each cluster on a frame-by-frame basis based on the category.

(5) 現フレームのクラスタごとに「再利用」および「通常計算」の各方法による物体光波分布の計算時間を推定する手段を具備し、クラスタごとに計算時間のより短い計算方法に決定するようにした。 (5) Provide a means to estimate the calculation time of the object light wave distribution by each method of "reuse" and "normal calculation" for each cluster of the current frame, and decide on a calculation method with a shorter calculation time for each cluster. I made it.

(6) 計算方法を決定する手段は、計算方法を決定する頻度を「再利用」および「通常計算」による物体光波分布の計算時間の推定結果に基づいてクラスタごとに増減するようにした。 (6) The means for determining the calculation method is to increase or decrease the frequency of determining the calculation method for each cluster based on the estimation result of the calculation time of the object light wave distribution by "reuse" and "normal calculation".

(7) 計算時間を推定する手段は、物体光波分布の計算に要する光波伝搬の計算回数で計算時間を代表するようにした。 (7) The means for estimating the calculation time is to represent the calculation time by the number of calculation times of the light wave propagation required for the calculation of the object light wave distribution.

(8) 計算時間を推定する手段は、物体光波分布の計算に要する光波伝搬の計算回数で計算時間を代表する際に、前フレームから現フレームに渡って消失した点の位置に色の異なる点が出現していると、当該消失および出現に係る光波伝搬の計算回数を1回とカウントするようにした。 (8) The means for estimating the calculation time is a point with a different color at the position of the point that disappeared from the previous frame to the current frame when the calculation time is represented by the number of calculation times of the light wave propagation required for the calculation of the object light wave distribution. When is appearing, the number of calculations for light wave propagation related to the disappearance and appearance is counted as one.

(1) フレームごとにクラスタ単位で物体光波伝搬の計算方法を決定するので、シーン全体の変化量が多くてもシーンの変化量が少ない部分を同一クラスタにまとめて「再利用」の計算方法を適用すれば、シーン全体として計算時間を短縮することが可能になる。 (1) Since the calculation method of object light wave propagation is determined for each frame for each cluster, the calculation method of "reuse" is performed by collecting the parts where the amount of change in the scene is small even if the amount of change in the entire scene is large in the same cluster. If applied, it will be possible to reduce the calculation time for the entire scene.

(2) 3D点群の各点をその位置に基づいてクラスタリングすれば、各シーンを変化量が少ない部分と多い部分とに高い選択性でクラスタリングできるようになる。 (2) By clustering each point in the 3D point cloud based on its position, each scene can be clustered with high selectivity in the part where the amount of change is small and the part where the amount of change is large.

(3) 3D点群の各点をその位置およびカテゴリに基づいてクラスタリングすれば、各シーンを変化量が少ない部分と多い部分とに更に高い選択性でクラスタリングできるようになる。 (3) By clustering each point in the 3D point cloud based on its position and category, it becomes possible to cluster each scene into a part with a small amount of change and a part with a large amount of change with higher selectivity.

(4) 計算方法を決定する頻度をクラスタごとにそのカテゴリに基づいてフレーム単位で増減させれば、計算方法の適切な決定を担保しながら、計算方法の決定に要する時間ロスを抑えられるようになる。 (4) By increasing or decreasing the frequency of determining the calculation method for each cluster on a frame-by-frame basis based on the category, the time loss required for determining the calculation method can be suppressed while ensuring the appropriate determination of the calculation method. Become.

(5) クラスタごとに計算時間が短くなる計算方法に決定すれば、シーン全体として計算時間を短縮することが可能になる。 (5) If you decide on a calculation method that shortens the calculation time for each cluster, it will be possible to shorten the calculation time for the entire scene.

(6) 計算方法を決定する頻度をクラスタごとに、再利用および通常計算による物体光波分布の計算時間の推定結果に基づいて増減させれば、計算方法の適切な決定を担保しながら、計算方法の決定に要する時間ロスを抑えられるようになる。 (6) If the frequency of determining the calculation method is increased or decreased for each cluster based on the estimation result of the calculation time of the object light wave distribution by reuse and normal calculation, the calculation method is secured while ensuring an appropriate determination of the calculation method. It will be possible to reduce the time loss required for making a decision.

(7) 物体光波分布の計算に要する光波伝搬の計算回数で物体光波分布の計算時間を代表するので計算時間推定が容易になる。 (7) Since the calculation time of the object light wave distribution is represented by the number of calculations of the light wave propagation required for the calculation of the object light wave distribution, the calculation time can be easily estimated.

(8) クラスタごとに前フレームから現フレームに渡って消失した点の位置に色の異なる点が出現していると、当該消失および出現に係る光波伝搬の計算回数を1回とカウントするので計算時間を短縮できるようになる。 (8) If a point with a different color appears at the position of the point that disappeared from the previous frame to the current frame for each cluster, the number of calculations for light wave propagation related to the disappearance and appearance is counted as one, so it is calculated. You will be able to save time.

本発明の第1実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の主要部の構成を示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which showed the structure of the main part of the computer synthetic hologram generation apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. ホログラム面を要素ホログラムに分割してレイトレーシングをすることで小領域ごとに3D点群を得る技術を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the technique of obtaining a 3D point cloud for each small area by dividing a hologram surface into element holograms and performing ray tracing. 3D点群の分類例を示した図である。It is a figure which showed the classification example of a 3D point cloud. フレーム間で点光源piの対応関係を判別する方法を示した図である。It is a figure which showed the method of discriminating the correspondence relation of the point light source pi between frames. クラスタごとに点光源piの対応関係に基づいて計算時間を推定する方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed schematically the method of estimating the calculation time based on the correspondence relation of the point light source pi for each cluster. CGHの出力例を示した図である。It is a figure which showed the output example of CGH. 本発明の第2実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の主要部の構成を示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which showed the structure of the main part of the computer synthetic hologram generation apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 3D点群を各点光源の位置およびカテゴリに基づいて分類する例を示した図である。It is a figure which showed the example which classifies 3D point cloud based on the position and category of each point light source. フレーム間での各クラスタを対応付ける例を示した図である。It is a figure which showed the example which associates each cluster between frames. 計算時間を推定する方法を模式的に示した図である。It is a figure which showed schematically the method of estimating the calculation time. 本発明の第3実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の主要部の構成を示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which showed the structure of the main part of the computer synthetic hologram generation apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る計算機合成ホログラム(CGH)生成装置1の主要部の構成を示した機能ブロック図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration of a main part of a computer composite hologram (CGH) generator 1 according to the first embodiment of the present invention.

点群入力部101にはCGHの計算に利用する3D点群データが入力される。入力された3D点群は点群クラスタリング部102によりいくつかの集合(クラスタ)に分類(クラスタリング)される。対応関係判別部103は隣接または前後するフレーム間で対応するクラスタごとに各点の対応関係を判別する。 3D point cloud data used for CGH calculation is input to the point cloud input unit 101. The input 3D point cloud is classified (clustered) into several sets (clusters) by the point cloud clustering unit 102. The correspondence relationship determination unit 103 determines the correspondence relationship of each point for each cluster corresponding between adjacent or preceding and following frames.

計算方法決定部104は、現フレームに関する光波伝搬の計算方法を前記対応関係に基づいてクラスタ単位で決定する。本実施形態では、過去のフレームにおける物体光波伝搬の計算結果を利用する「再利用」方法、または過去のフレームにおける計算結果を一切利用せずに、全ての点の光波伝搬を点光源法により改めて計算する「通常計算」方法のいずれかに決定される。 The calculation method determination unit 104 determines the calculation method of the light wave propagation for the current frame in cluster units based on the correspondence. In the present embodiment, the "reuse" method that uses the calculation result of the object light wave propagation in the past frame, or the point light source method is used to re-use the light wave propagation at all points without using the calculation result in the past frame at all. Determined by one of the "normal calculation" methods of calculation.

光波伝搬計算部105は前記決定した計算方法で現フレームの物体光波伝搬を計算する。干渉計算部106は物体光波伝搬の計算結果と参照光との干渉を計算し干渉縞を計算する。CGH出力部107はCGH(干渉縞の画像データ)を出力する。 The light wave propagation calculation unit 105 calculates the object light wave propagation of the current frame by the calculation method determined above. The interference calculation unit 106 calculates the interference between the calculation result of the object light wave propagation and the reference light, and calculates the interference fringes. The CGH output unit 107 outputs CGH (image data of interference fringes).

このようなCGH生成装置1は、CPU,ROM,RAM,バス,インタフェース等を備えた汎用のコンピュータやサーバに各機能を実現するアプリケーション(プログラム)を実装することで構成できる。あるいはアプリケーションの一部をハードウェア化またはソフトウェア化した専用機や単能機としても構成できる。 Such a CGH generator 1 can be configured by mounting an application (program) that realizes each function on a general-purpose computer or server equipped with a CPU, ROM, RAM, bus, interface, and the like. Alternatively, it can be configured as a dedicated machine or a single-purpose machine in which a part of the application is made into hardware or software.

次いで、上記各部の機能を更に詳細に説明する。前記点群入力部101はホログラフィで再生したいシーンの3D点群を計算機で扱うために装置1内に入力する。3D点群は、例えばPLYファイルなどの汎用フォーマットとして入力される。本実施形態では各点が位置情報(X,Y,Z)および輝度情報(R,G,B)を有するものとして説明するが、更に法線ベクトルなどの付加情報を含んでいてもよい。 Next, the functions of the above parts will be described in more detail. The point cloud input unit 101 inputs a 3D point cloud of a scene to be reproduced by holography into the device 1 in order to be handled by a computer. The 3D point cloud is input as a general-purpose format such as a PLY file. In the present embodiment, each point is described as having position information (X, Y, Z) and luminance information (R, G, B), but may further include additional information such as a normal vector.

また、点群入力部101の前処理として、計算時間を減らす観点から入力3D点群の位置に対して、Octreeなどを用いて同じ位置に量子化される点を削除することでダウンサンプリングを行い、あるいは特定視点位置から見た際に前方の点に隠されて見えない位置の点を予め除去してもよい。 In addition, as a pre-processing of the point cloud input unit 101, downsampling is performed by deleting the points quantized at the same position using Octree etc. with respect to the position of the input 3D point cloud from the viewpoint of reducing the calculation time. Alternatively, a point at a position hidden by a point in front and invisible when viewed from a specific viewpoint position may be removed in advance.

さらに、3D点群データに代えてポリゴンモデルを入力しても良い。非特許文献1には、ホログラフィ向けに3Dポリゴンモデルから3D点群データを得る手段としてレイトレーシング法に基づく3D点群取得手法が開示されており、このような手法に基づきポリゴンモデルを入力し、点群に変換してもよい。 Further, a polygon model may be input instead of the 3D point cloud data. Non-Patent Document 1 discloses a 3D point cloud acquisition method based on the ray tracing method as a means for obtaining 3D point cloud data from a 3D polygon model for holography, and a polygon model is input based on such a method. It may be converted into a point cloud.

なお、非特許文献1には図2に示すように、ホログラム面を要素ホログラムと呼ばれる小領域に分割し、その小領域の中央からレイトレーシングをすることで小領域ごとに異なる3D点群を得る技術が開示されている。これにより、ホログラフィ視聴時に視点を動かした際、遮蔽関係によって異なる部分が見える運動視差を実現することができることから、本実施形態でも要素ホログラムごとに異なる3D点群を保持し、以後のフローを要素ホログラムごとに独立して処理を行ってもよい。 In Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 2, the hologram surface is divided into small regions called element holograms, and ray tracing is performed from the center of the small regions to obtain different 3D point clouds for each small region. The technology is disclosed. As a result, when the viewpoint is moved during holography viewing, it is possible to realize a motion parallax in which different parts can be seen depending on the shielding relationship. Therefore, even in this embodiment, a different 3D point cloud is held for each element hologram, and the subsequent flow is an element. The processing may be performed independently for each hologram.

前記点群クラスタリング部102は、入力された3D点群を所定の指標に基づいて複数のクラスタに分類する。本実施形態では3D点群をその位置(X, Y, Z)に基づいて分類するが、位置および色に関する情報(X, Y, Z, R, G, B)に基づいて分類しても良い。分類結果はキャッシュメモリ108にクラスタ情報108aの一部としてキャッシュされる。 The point cloud clustering unit 102 classifies the input 3D point cloud into a plurality of clusters based on a predetermined index. In this embodiment, the 3D point cloud is classified based on its position (X, Y, Z), but it may be classified based on the information on the position and color (X, Y, Z, R, G, B). .. The classification result is cached in the cache memory 108 as a part of the cluster information 108a.

図3は、前記点群クラスタリング部102による3D点群の分類例を示した図であり、本実施形態では3D点群を構成する各点光源piが、その位置(X, Y, Z)に基づいて4つのクラスタA~Dのいずれかに分類される。本実施形態では4つのクラスタA~Dが絶対座標で定義され、各クラスタA~Dの位置はフレーム間で変化せずに固定的であるものとして説明を続ける。 FIG. 3 is a diagram showing an example of classification of a 3D point cloud by the point cloud clustering unit 102. In this embodiment, each point light source pi constituting the 3D point cloud is located at its position (X, Y, Z). Based on this, it is classified into one of four clusters A to D. In the present embodiment, four clusters A to D are defined in absolute coordinates, and the description will be continued assuming that the positions of the clusters A to D do not change between frames and are fixed.

図示の例では、点光源p1~p4がクラスタAに、点光源p5,p6がクラスタBに、点光源p7~p9がクラスタCに、点光源p10~p13がクラスタDに、それぞれ分類されている。なお、図3では簡単のため各クラスタが2次元で表現されているが、実際はXYZの3次元の位置に基づいてクラスタリングされてもよい。 In the illustrated example, the point light sources p1 to p4 are classified into cluster A, the point light sources p5 and p6 are classified into cluster B, the point light sources p7 to p9 are classified into cluster C, and the point light sources p10 to p13 are classified into cluster D. .. In FIG. 3, each cluster is represented in two dimensions for the sake of simplicity, but in reality, clustering may be performed based on the three-dimensional position of XYZ.

対応関係判別部103は、図4に示したようにNフレーム目(現フレーム)の各クラスタに属する各点光源piについて、隣接するN-1フレーム目(前フレーム)の対応するクラスタに属する各点光源piとの対応関係を、その位置および色に基づいて判別する。 As shown in FIG. 4, the correspondence determination unit 103 indicates that each point light source pi belonging to each cluster in the Nth frame (current frame) belongs to the corresponding cluster in the adjacent N-1th frame (previous frame). The correspondence with the point light source pi is determined based on its position and color.

図4では各点光源piのインデックス(主に、色情報)がハッチングで表現され、同一のハッチングで表現される点光源piは同一色であることを示している。本実施形態では、クラスタAの点光源p1~p4,クラスタBの点光源p5,クラスタDの点光源p10,p12,p13が、隣接するフレーム間で位置および色のいずれもが同一の点光源piと判別される。 In FIG. 4, the index (mainly color information) of each point light source pi is represented by hatching, and it is shown that the point light source pi represented by the same hatching has the same color. In this embodiment, the point light sources p1 to p4 of cluster A, the point light sources p5 of cluster B, and the point light sources p10, p12, and p13 of cluster D have the same position and color between adjacent frames. Is determined.

計算方法決定部104は計算時間推定部104aを含み、現フレームに適用する物体光波分布uN (x, y)の計算方法をクラスタごとに「再利用」および「通常計算」のいずれかに決定する。本実施形態では、「再利用」を採用した場合の計算時間および「通常計算」を採用した場合の計算時間を推定して比較し、計算時間のより短くなる計算方法がクラスタごとに決定される。 The calculation method determination unit 104 includes the calculation time estimation unit 104a, and determines the calculation method of the object light wave distribution u N (x, y) applied to the current frame as either “reuse” or “normal calculation” for each cluster. do. In the present embodiment, the calculation time when "reuse" is adopted and the calculation time when "normal calculation" is adopted are estimated and compared, and the calculation method in which the calculation time is shorter is determined for each cluster. ..

3D空間中のI個の点光源piによるホログラム面上の物体光波分布uN (x, y)は各点光源piによる光波分布si (x, y)を次式(1)で積算することで求められ、各点光源piから伝搬されるホログラム面上の光波分布si (x, y)は次式(2)の光波伝搬計算で求められる。 The object light wave distribution u N (x, y) on the hologram surface by I point light sources pi in 3D space is obtained by integrating the light wave distribution si (x, y) by each point light source pi by the following equation (1). The light wave distribution si (x, y) on the hologram surface obtained and propagated from each point light source pi is obtained by the light wave propagation calculation of the following equation (2).

Figure 2022080792000002
Figure 2022080792000002

Figure 2022080792000003
Figure 2022080792000003

ここで、(x, y)は光波が伝搬されるホログラム面上の画素位置を示している。Aiは点光源piの輝度値であり、RGB色空間の場合は赤、緑、青でそれぞれ独立した値を持つ。riは点光源piとホログラム面(x, y)との距離を表す。kは光の波長から計算される波数を表す。最終的には、物体光波分布uN (x, y)に参照光を差し込み、干渉計算を実施することで干渉縞が得られる。 Here, (x, y) indicates the pixel position on the hologram surface on which the light wave is propagated. Ai is the luminance value of the point light source pi, and in the case of the RGB color space, it has independent values for red, green, and blue. ri represents the distance between the point light source pi and the hologram plane (x, y). k represents the wave number calculated from the wavelength of light. Finally, the interference fringes are obtained by inserting the reference light into the object light wave distribution u N (x, y) and performing the interference calculation.

「通常計算」ではクラスタごとに全ての点光源piによる光波分布si (x, y)を上式(2)に基づいて計算したのち、これらを上式(1)に基づき積算することでホログラム面上の物体光波分布uN (x, y)を計算する。 In the "normal calculation", the light wave distribution si (x, y) by all the point light sources pi is calculated for each cluster based on the above equation (2), and then these are integrated based on the above equation (1) to obtain the hologram surface. Calculate the object light wave distribution u N (x, y) above.

「再利用」では前フレームでクラスタごとに計算した物体光波分布uN-1 (x, y)に、現フレームの対応するクラスタにおける各点光源piの対応関係に基づいて光波分布si (x, y)を加減算することでホログラム面上の物体光波分布uN (x, y)を求める。 In "reuse", the object light wave distribution u N-1 (x, y) calculated for each cluster in the previous frame and the light wave distribution si (x, y) based on the correspondence of each point light source pi in the corresponding cluster of the current frame. The object light wave distribution u N (x, y) on the hologram surface is obtained by adding or subtracting y).

図5は、計算時間推定部104aがクラスタごとに点光源piの対応関係に基づいて計算時間を推定する方法を模式的に示した図である。Nフレーム目のクラスタAに属する各点光源piからの物体光波分布u(N,A) (x, y)は次式(3)で計算できる。 FIG. 5 is a diagram schematically showing a method in which the calculation time estimation unit 104a estimates the calculation time based on the correspondence of the point light sources pi for each cluster. The object light wave distribution u (N, A) (x, y) from each point light source pi belonging to the cluster A in the Nth frame can be calculated by the following equation (3).

Figure 2022080792000004
Figure 2022080792000004

クラスタA~クラスタDからの物体光波分布uN, A(x, y)~uN, D (x, y)が同様に計算されたとき、最終的に得たい全点群からの物体光波分布は次式(4)で計算される。 Object light wave distribution from cluster A to cluster D When u N, A (x, y) to u N, D (x, y) are calculated in the same way, the object light wave distribution from all point clouds to be finally obtained. Is calculated by the following equation (4).

Figure 2022080792000005
Figure 2022080792000005

一般に、上式(1)の物体光波分布の計算においては、その計算処理時間の大部分を式(2)の光波伝搬計算が占める。そこで、本実施形態では上式(2)の計算回数をカウントし、このカウント数で物体光波分布の計算時間を代表する。 Generally, in the calculation of the object light wave distribution of the above equation (1), the light wave propagation calculation of the equation (2) occupies most of the calculation processing time. Therefore, in the present embodiment, the number of calculations in the above equation (2) is counted, and this count number represents the calculation time of the object light wave distribution.

図5において、Nフレーム目のクラスタAは6個の点光源を含むので「通常計算」を適用した場合の伝搬計算回数は6回となる。「再計算」を適用する場合、N-1フレーム目の対応するクラスタAの物体光波分布u(N-1,A) (x, y)は次式(5)で計算されている。 In FIG. 5, since the cluster A in the Nth frame contains 6 point light sources, the number of propagation calculations when the “normal calculation” is applied is 6 times. When "recalculation" is applied, the object light wave distribution u (N-1, A) (x, y) of the corresponding cluster A in the N-1th frame is calculated by the following equation (5).

Figure 2022080792000006
Figure 2022080792000006

クラスタAに着目すると、N-1フレーム目からNフレーム目に渡って点光源p1,p2,p3,p4が位置および色のいずれも一致し、2つの点光源p14,p15が増えている。したがって、Nフレーム目のクラスタAの物体光波分布uN, A (x, y)は、N-1フレーム目のクラスタAの物体光波分布uN-1, A (x, y)に、Nフレーム目で増加した点光源p14,p15の光波分布s14,s15を加算すればよく、次式(6)で計算できる。 Focusing on cluster A, the point light sources p1, p2, p3, and p4 match in position and color from the N-1th frame to the Nth frame, and the two point light sources p14 and p15 increase. Therefore, the object light wave distribution u N, A (x, y) of the cluster A in the Nth frame is N frame to the object light wave distribution u N-1, A (x, y) of the cluster A in the N-1th frame. It can be calculated by the following equation (6) by adding the light wave distributions s14 and s15 of the point light sources p14 and p15 that have increased by the eye.

Figure 2022080792000007
Figure 2022080792000007

つまり、N-1フレーム目のホログラム面上の物体光波分布uN, A (x, y)をその計算過程で保存しておき、Nフレーム目の光波分布計算において利用すれば、Nフレーム目では伝搬計算を2回に抑えることができる。したがって、クラスタAに適用される計算方法は「再利用」に決定される。 In other words, if the object light wave distribution u N, A (x, y) on the hologram surface of the N-1th frame is saved in the calculation process and used in the light wave distribution calculation of the Nth frame, it will be in the Nth frame. Propagation calculation can be suppressed to 2 times. Therefore, the calculation method applied to cluster A is determined to be "reuse".

クラスタBに着目すると、現フレームは2個の点光源p5,p17を含むので「通常計算」を適用した場合の光波伝搬の計算回数は2回となる。これに対して「再計算」を適用する場合、N-1フレーム目からNフレーム目に渡って点光源p6が消失しているが同じ位置に色の異なる点光源p17が新たに出現している。 Focusing on cluster B, since the current frame contains two point light sources p5 and p17, the number of calculation of light wave propagation when "normal calculation" is applied is twice. On the other hand, when "recalculation" is applied, the point light source p6 disappears from the N-1th frame to the Nth frame, but a new point light source p17 with a different color appears at the same position. ..

この場合、本来であれば点光源p6の光波分布を減じるための計算と点光源p17の光波分布を加算するための計算の計2回の光波搬計算が必要となるところ、色変化後の点光源p17からの光波は上式(2)によれば次式(7)で表されるから、変化前の点光源p6からの光波分布は次式(8)で表される。 In this case, a total of two light wave carrying calculations, one for reducing the light wave distribution of the point light source p6 and the other for adding the light wave distribution of the point light source p17, are required. Since the light wave from the light source p17 is expressed by the following equation (7) according to the above equation (2), the light wave distribution from the point light source p6 before the change is expressed by the following equation (8).

Figure 2022080792000008
Figure 2022080792000008

Figure 2022080792000009
Figure 2022080792000009

ここで、位置は変化せず色だけが変化したという仮定においてはr6=r17であるから、色の変化に際し加算すべきホログラム面の物体光波分布dp17-p6 (x, y)は次式(9)で表される。 Here, since r6 = r17 on the assumption that the position does not change and only the color changes, the object light wave distribution d p17-p6 (x, y) on the hologram surface to be added when the color changes is given by the following equation (x, y). It is represented by 9).

Figure 2022080792000010
Figure 2022080792000010

つまり、減算1回(A17-A6)分だけ余計な計算が発生するものの、処理時間の大きい距離計算及びexp(-jkr_i)の計算を1回に抑えられることから、色のみが変わる点光源piについては伝搬計算を1回とカウントできることが判る。その結果、クラスタBに適用する計算方法も「再利用」に決定される。 In other words, although extra calculation is required for one subtraction (A 17 -A 6 ), only the color changes because the distance calculation with a large processing time and the calculation of exp (-jkr_i) can be suppressed to one time. It can be seen that the propagation calculation can be counted as one for the light source pi. As a result, the calculation method applied to cluster B is also determined to be "reuse".

クラスタDに着目すると、現フレームは3個の点光源p10,p12,p13を含むので「通常計算」を適用した場合の伝搬計算回数は3回となる。これに対して、N-1フレーム目からNフレーム目に渡って点光源p10,p12,p13が一致し、点光源p11が消失しているので「再利用」による伝搬計算回数は1回となる。その結果、クラスタDに適用する計算方法も「再利用」に決定される。 Focusing on cluster D, the current frame contains three point light sources p10, p12, and p13, so the number of propagation calculations when "normal calculation" is applied is three. On the other hand, since the point light sources p10, p12, and p13 match from the N-1th frame to the Nth frame and the point light source p11 disappears, the number of propagation calculations by "reuse" is one. .. As a result, the calculation method applied to cluster D is also determined to be "reuse".

これに対して、クラスタCに着目すると、現フレームは1個の点光源p16を含むので「通常計算」を適用した場合の伝搬計算回数は1回となる。これに対して、N-1フレーム目からNフレーム目に渡って点光源p7,p9,p8が消失し、消失した点光源p8の位置に色の異なる点光源p11が新たに出現している。この場合、物体光波分布uN, C (x, y)は次式(10)で計算できるので伝搬計算回数が3回となる。その結果、クラスタCに適用する計算方法は「通常計算」に決定される。 On the other hand, focusing on cluster C, since the current frame contains one point light source p16, the number of propagation calculations when "normal calculation" is applied is one. On the other hand, the point light sources p7, p9, and p8 disappear from the N-1th frame to the Nth frame, and a new point light source p11 with a different color appears at the position of the disappeared point light source p8. In this case, the object light wave distribution u N, C (x, y) can be calculated by the following equation (10), so the number of propagation calculations is three. As a result, the calculation method applied to cluster C is determined to be "normal calculation".

Figure 2022080792000011
Figure 2022080792000011

なお、上式(2)は、例えばフレネル近似に基づく近似を利用するなど、伝搬を表現する式であれば異なる式が用いられてもよい。また、非特許文献2のようなゾーンプレートを高速計算する手法が上式(2)を計算する代わりに用いられてもよい。 As the above equation (2), a different equation may be used as long as it expresses propagation, for example, by using an approximation based on the Fresnel approximation. Further, a method for high-speed calculation of the zone plate as in Non-Patent Document 2 may be used instead of calculating the above equation (2).

また、上記の実施形態では隣接するフレーム間で位置が変化しない点による物体光波分布を再利用するものとして説明したが、微小な位置変化であれば再利用しても品質低下が少なくて済むので、位置の変化量に閾値を設け、当該閾値以下の位置変化は同一位置とみなしても良い。これは色情報に関しても同様であり、色が大きく変化していない場合には同一色とみなしても良い。 Further, in the above embodiment, it has been described that the object light wave distribution due to the point where the position does not change between adjacent frames is reused, but if the position change is small, the quality deterioration can be small even if it is reused. , A threshold value may be set for the amount of change in position, and position changes below the threshold value may be regarded as the same position. This also applies to the color information, and if the colors do not change significantly, they may be regarded as the same color.

光波伝搬計算部105は、前記計算方法決定部104が決定した計算方法で物体光波分布を計算する。図5の例ではクラスタA、クラスタB、クラスタDに「再利用」が適用され、クラスタCに「通常計算」が適用されるので以下の計算が実施される。 The light wave propagation calculation unit 105 calculates the object light wave distribution by the calculation method determined by the calculation method determination unit 104. In the example of FIG. 5, "reuse" is applied to cluster A, cluster B, and cluster D, and "normal calculation" is applied to cluster C, so the following calculation is performed.

Figure 2022080792000012
Figure 2022080792000012

Figure 2022080792000013
Figure 2022080792000013

Figure 2022080792000014
Figure 2022080792000014

Figure 2022080792000015
Figure 2022080792000015

Figure 2022080792000016
Figure 2022080792000016

以上の計算結果から、全てのクラスタに「通常計算」を適用した場合の伝搬計算回数が12回であるのに対して、本実施形態によればクラスタAでは2回、クラスタBでは1回、クラスタCでは1回、クラスタDでは1回の計5回となり、光波伝搬の計算回数を半分以下にすることができる。 From the above calculation results, the number of propagation calculations when "normal calculation" is applied to all clusters is 12, whereas according to this embodiment, it is twice in cluster A and once in cluster B. The number of calculations for light wave propagation can be reduced to less than half, with cluster C once and cluster D once, for a total of five times.

このように、本実施形態では3D点群をフレームごとに複数のクラスタに分けることで、クラスタごとに計算方法を決定できるので、シーン全体の変化量が多くても、シーンの変化量が少ない部分を同一クラスタにまとめて「再利用」を適用すればフレーム全体として計算時間を削減することが可能になる。 In this way, in this embodiment, the calculation method can be determined for each cluster by dividing the 3D point cloud into a plurality of clusters for each frame, so that even if the amount of change in the entire scene is large, the amount of change in the scene is small. By applying "reuse" to the same cluster, it is possible to reduce the calculation time for the entire frame.

前記光波伝搬計算部105は、次フレームでの再利用のため各クラスタの物体光波分布uN, A (x, y),uN, B (x, y),uN, C (x, y),uN, D (x, y)の計算結果をメモリ108にキャッシュ(108b)する。 The light wave propagation calculation unit 105 uses the object light wave distributions u N, A (x, y), u N, B (x, y), u N, C (x, y) of each cluster for reuse in the next frame. ), U N, D (x, y) are cached in memory 108 (108b).

なお、上式(2)で計算されるsi (x, y)そのものを保持することも考えられるが、計算機合成ホログラムの画素数は8Kを超える高解像度となることに加え、si (x, y)を保持する場合には点数×画素数分のメモリが必要となることから、特に大規模点群から成るデータに適用する場合にはメモリ消費量の観点で実施が困難となる。 It is conceivable to retain the si (x, y) itself calculated by the above equation (2), but in addition to the high resolution of the computer composite hologram exceeding 8K, si (x, y) ) Is required for the number of points × the number of pixels, so that it is difficult to implement it from the viewpoint of memory consumption, especially when it is applied to data consisting of a large-scale point group.

また、点群は多くのクラスタに分割した方が光波伝搬の計算時間を減らせる可能性がある一方、本実施形態では各クラスタを構成する点群からの光波が、それぞれホログラム面(x, y)上の物体光波分布としてキャッシュされることから、クラスタの数に比例してメモリの消費量が多くなることが考えられる。したがって、メモリ資源に応じてクラスタの数に制限を与えることが望ましい。 Further, while the point group may be divided into many clusters to reduce the calculation time of light wave propagation, in the present embodiment, the light waves from the point groups constituting each cluster are holographic planes (x, y, respectively). ) Since it is cached as the object light wave distribution above, it is possible that the memory consumption increases in proportion to the number of clusters. Therefore, it is desirable to limit the number of clusters according to the memory resources.

干渉計算部106は、光波伝搬計算部105が計算したホログラム面上の物体光波分布uN (x, y)に対して、計算機上のシミュレーションとして参照光波を差し込むことで干渉計算を行う。例えば、点光源から射出される参照光波がホログラム面上に伝搬されたときの光波の複素振幅分布R(x,y)は次式(16)で表される。 The interference calculation unit 106 performs interference calculation by inserting a reference light wave as a simulation on a computer into the object light wave distribution u N (x, y) on the hologram surface calculated by the light wave propagation calculation unit 105. For example, the complex amplitude distribution R (x, y) of the light wave when the reference light wave emitted from the point light source is propagated on the hologram surface is expressed by the following equation (16).

Figure 2022080792000017
Figure 2022080792000017

ここでRoは参照光の強度であり、rは参照光となる点光源位置からホログラム面上の位置(x, y)までの距離を表している。参照光の式は上式(16)に限らず、平行光などの異なる参照光波を用いてもよい。この参照光波と物体光波の干渉を示す式は次式(17)で表される。 Here, Ro is the intensity of the reference light, and r is the distance from the position of the point light source serving as the reference light to the position (x, y) on the hologram surface. The equation of the reference light is not limited to the above equation (16), and different reference light waves such as parallel light may be used. The equation showing the interference between the reference light wave and the object light wave is expressed by the following equation (17).

Figure 2022080792000018
Figure 2022080792000018

ここで、I(x, y)はCGH(干渉縞)の輝度分布であり、このI(x, y)の値に基づいてCGHが後段のCGH出力部107にて出力される。 Here, I (x, y) is the luminance distribution of CGH (interference fringes), and CGH is output by the CGH output unit 107 in the subsequent stage based on the value of I (x, y).

CGH出力部107は、干渉計算部106が計算した干渉縞を画像データとして出力する。実際のCGHの例を図6に示す。ここで出力する画像の形式は任意だが、一般的に画像データは0-255などの一定の範囲の輝度値で示されることが多い。一方、干渉計算部106が計算した干渉縞はこのレンジに正規化されていない場合が多いため、干渉計算部106で生成された干渉縞の全ての画素を探索し、最大値を255、最小値を0とするような正規化を行う機能を有していてもよい。 The CGH output unit 107 outputs the interference fringes calculated by the interference calculation unit 106 as image data. An example of an actual CGH is shown in Fig. 6. The format of the image output here is arbitrary, but in general, the image data is often indicated by a certain range of luminance values such as 0-255. On the other hand, since the interference fringes calculated by the interference calculation unit 106 are often not normalized to this range, all the pixels of the interference fringes generated by the interference calculation unit 106 are searched, and the maximum value is 255 and the minimum value is the minimum value. It may have a function to perform normalization such that is set to 0.

また、出力されるCGHに関しては各CGHを画像データとして1枚ずつ出力してもよいし、ウィンドウに画像が随時表示されるような形式であってもよい。 Further, regarding the output CGH, each CGH may be output as image data one by one, or the format may be such that an image is displayed in a window at any time.

図7は、本発明の第2実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、3D点群の各点を「人」や「建物」などの複数のカテゴリに分類し、各点をクラスタリングする際に、その位置に加えてカテゴリも考慮するようにした点に特徴がある。 FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the main part of the computer composite hologram generation device 1 according to the second embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those described above represent the same or equivalent parts. In this embodiment, each point in the 3D point cloud is classified into a plurality of categories such as "people" and "buildings", and when clustering each point, the category is taken into consideration in addition to the position. There is a feature.

点群入力部101には公知の深度センサ等を用いて実世界を3D点群としてスキャニングして取得した点群が入力される。点群カテゴリ分類部111は入力された3D点群をカテゴリ化する。 The point cloud acquired by scanning the real world as a 3D point cloud using a known depth sensor or the like is input to the point cloud input unit 101. The point cloud category classification unit 111 categorizes the input 3D point cloud.

近年、深層学習の発展に伴い、例えば非特許文献3のように事前の学習結果に基づき3D点群に対してSemantic Segmentationが行える手法が数多く提案されている。本実施形態では、このような手法を用いることで、入力された3D点群を人や車、道路などのカテゴリに分類する。なお、分類方法は深層学習ベースの方法に限定されるものではなく、点群の持つ色情報を参考にカテゴリを判定するなど、その他の方法でカテゴリ分類を行ってもよい。 In recent years, with the development of deep learning, many methods have been proposed in which Semantic Segmentation can be performed on a 3D point cloud based on prior learning results, for example, as in Non-Patent Document 3. In this embodiment, by using such a method, the input 3D point cloud is classified into categories such as people, cars, and roads. The classification method is not limited to the deep learning-based method, and the category may be classified by another method such as determining the category with reference to the color information of the point cloud.

また、図8のように離れた場所に人の点群が認識された場合には「人物1A」,「人物1B」のようにインスタンスを分けてセグメンテーションしてもよい。このとき、インスタンスを分ける方法は最短距離法などの既存のクラスタリング手法に応じて行われてもよい。 Further, when a point cloud of a person is recognized at a distant place as shown in FIG. 8, the instances may be divided into segments such as "person 1A" and "person 1B" for segmentation. At this time, the method of dividing the instances may be performed according to an existing clustering method such as the shortest distance method.

点群クラスタ対応計算部112は、Nフレーム目の各クラスタをN-1フレーム目の各クラスタと対応付ける。なお、同一カテゴリで複数のインスタンスがあるケースではフレームごとに各クラスタ(人物1A~1B、人物2A~2C)の重心位置を求め、Nフレーム目の各クラスタをN-1フレーム目の最も近いクラスタと対応付ける。 The point cloud cluster correspondence calculation unit 112 associates each cluster in the Nth frame with each cluster in the N-1th frame. In the case where there are multiple instances in the same category, the position of the center of gravity of each cluster (person 1A to 1B, person 2A to 2C) is obtained for each frame, and each cluster in the Nth frame is the closest cluster to the N-1th frame. Correspond to.

本実施形態ではN-1フレーム目の各点光源piが、カテゴリ「人物」に分類される2つのクラスタ(インスタンス)1A,1Bおよびカテゴリ「建物」に分類される1つのクラスタ1Aの計3つのクラスタのいずれかに分類されている。 In this embodiment, each point light source pi in the N-1th frame is a total of three clusters (instances) 1A and 1B classified into the category "person" and one cluster 1A classified into the category "building". It is classified as one of the clusters.

Nフレーム目の各点光源piは、カテゴリ「人物」に分類される3つのクラスタ2A,2B,2C(インスタンス)およびカテゴリ「建物」に分類される1つのクラスタ2Aの計4つのクラスタのいずれかに分類されている。 Each point light source pi in the Nth frame is one of three clusters 2A, 2B, 2C (instances) classified in the category "person" and one cluster 2A classified in the category "building", for a total of four clusters. It is classified into.

前記点群クラスタ対応計算部112は、Nフレーム目の各クラスタを、その重心位置およびカテゴリに基づいてN-1フレーム目の最も近いクラスタに対応付ける。本実施形態では、図9に示したように人物2Aが人物1Aに対応付けられ、人物2Bおよび2Cが人物1Bに対応付けられ、建物2Aが建物1Aに対応付けられたものとして説明を続ける。 The point cloud cluster correspondence calculation unit 112 maps each cluster in the Nth frame to the nearest cluster in the N-1th frame based on the position of the center of gravity and the category. In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the description is continued assuming that the person 2A is associated with the person 1A, the persons 2B and 2C are associated with the person 1B, and the building 2A is associated with the building 1A.

対応関係判別部103は、隣接または前後するフレーム間で対応するクラスタに属する各点の位置および色を比較し、Nフレームの各点光源piについてN-1フレーム目のいずれかの点と位置および色が一致するか否かの対応関係をクラスタごとに判別する。 The correspondence determination unit 103 compares the position and color of each point belonging to the corresponding cluster between adjacent or preceding and following frames, and for each point light source pi of the N frame, any point and position of the N-1th frame and Determine the correspondence between colors that match or not for each cluster.

計算方法決定部104は第1実施形態と同様に、計算時間推定部104aがクラスタごとに推定した物体光波分布の計算時間に基づいて光路伝搬分布の計算方法をクラスタごとに「通常計算」および「再利用」のいずれかに決定する。本実施形態でも光波伝搬の計算回数で計算時間が代表される。 Similar to the first embodiment, the calculation method determination unit 104 calculates the optical path propagation distribution for each cluster based on the calculation time of the object light wave distribution estimated by the calculation time estimation unit 104a for each cluster. Decide on one of "reuse". Also in this embodiment, the calculation time is represented by the number of calculations of light wave propagation.

本実施形態では、Nフレーム目の人物クラスタ2Aの各点光源piをN-1フレーム目の対応する人物クラスタ1Aの各点と比較すると、図10に示したように、4つの点が位置および色のいずれも一致し、2つの点が新たに出現し、2つの点が消失している。そのため、光波伝搬の計算回数は「再利用」であれば4回、「通常計算」であれば6回となり、計算方法は「再利用」に決定される。 In this embodiment, when each point light source pi of the person cluster 2A in the Nth frame is compared with each point of the corresponding person cluster 1A in the N-1th frame, as shown in FIG. 10, four points are located and Both colors match, two new dots appear, and two dots disappear. Therefore, the number of calculations for light wave propagation is 4 for "reuse" and 6 for "normal calculation", and the calculation method is determined to be "reuse".

Nフレーム目の人物クラスタ2Bの各点光源piをN-1フレーム目の対応する人物クラスタ同1Bの各点光源piと比較すると、位置および色のいずれもが一致する点は存在しない。したがって、人物クラスタ2Bに適用される計算方法は「通常計算」に決定される。 Comparing each point light source pi of the person cluster 2B in the Nth frame with each point light source pi of the corresponding person cluster 1B in the N-1th frame, there is no point where neither the position nor the color matches. Therefore, the calculation method applied to the person cluster 2B is determined to be "normal calculation".

Nフレーム目の人物クラスタ2Cの各点光源piをN-1フレーム目の対応する人物クラスタ1Bの各点光源piと比較すると、位置および色のいずれもが一致する点光源piは存在しない。したがって、人物クラスタ2Cに適用される計算方法も「通常計算」に決定される。 Comparing each point light source pi of the person cluster 2C in the Nth frame with each point light source pi of the corresponding person cluster 1B in the N-1th frame, there is no point light source pi whose position and color match. Therefore, the calculation method applied to the person cluster 2C is also determined to be "normal calculation".

Nフレーム目の建物クラスタ2Aの各点光源piをN-1フレーム目の対応する建物クラスタ1Aの各点光源piと比較すると、4つの点光源piが位置および色のいずれも一致し、1つの点光源piは位置のみが一致し、1つの点光源piが消失している。そのため、光波伝搬の計算回数は「再利用」であれば2回、「通常計算」であれば5回となり、建物クラスタ2Aに適用される計算方法は「再利用」に決定される。 Comparing each point light source pi of the building cluster 2A in the Nth frame with each point light source pi of the corresponding building cluster 1A in the N-1th frame, the four point light sources pi match both in position and color, and one. Only the positions of the point light source pi match, and one point light source pi disappears. Therefore, the number of calculation of light wave propagation is 2 times for "reuse" and 5 times for "normal calculation", and the calculation method applied to the building cluster 2A is determined to be "reuse".

なお、Nフレーム目の各クラスタは必ずしもN-1フレーム目のいずれかのクラスタと対応付けられる必要はなく、対応付けられなかったクラスタの計算方法は「通常計算」に決定される。例えば、N-1フレーム目に、近い距離で同一カテゴリの点群が存在しない場合、当該クラスタはNフレーム目にて視野外から新たに入ってきた点群であると判断して対応付けを行わなくてもよい。 It should be noted that each cluster in the Nth frame does not necessarily have to be associated with any cluster in the N-1th frame, and the calculation method of the cluster that is not associated is determined as "normal calculation". For example, if a point cloud of the same category does not exist at a short distance in the N-1th frame, it is determined that the cluster is a point cloud newly entered from outside the field of view in the Nth frame, and the association is performed. It does not have to be.

本実施形態によれば、3D点群の各点がその位置に加えてカテゴリを考慮してクラスタリングされるので、各クラスタには同一物体の点、換言すれば移動の有無や移動量が同一の点を分類できるようになる。その結果、「再利用」が適用されるクラスタ数を増やすことができるのみならず、「再利用」が適用されるクラスタにおいて光波伝搬の計算が必要となる点の数を減じることができるので、フレーム全体で計算時間の大幅な短縮が可能になる。 According to this embodiment, each point of the 3D point cloud is clustered in consideration of the category in addition to the position, so that the points of the same object, in other words, the presence or absence of movement and the amount of movement are the same in each cluster. You will be able to classify points. As a result, not only can the number of clusters to which "reuse" is applied be increased, but also the number of points that require calculation of lightwave propagation in the clusters to which "reuse" is applied can be reduced. It is possible to significantly reduce the calculation time for the entire frame.

図11は、本発明の第3実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表しているので説明は省略する。 FIG. 11 is a functional block diagram showing the configuration of the main part of the computer composite hologram generator 1 according to the third embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those described above represent the same or equivalent parts. Omit.

上記の各実施形態ではフレームごとに物体光波分布の計算方法を決定するものとして説明したが、特に第2実施形態のように3D点群がカテゴリを考慮してクラスタリングされる場合、クラスタによっては連続するフレームの対応するクラスタ間で点群の変化率が大幅に変わらないことが経験的に認められる。 In each of the above embodiments, the calculation method of the object light wave distribution is determined for each frame. However, when the 3D point cloud is clustered in consideration of the category as in the second embodiment, it is continuous depending on the cluster. It is empirically recognized that the rate of change of the point cloud does not change significantly between the corresponding clusters of the frames.

例えば、N-2フレーム目からN-1フレーム目への移行時に3D点群の10%しか変化しなかったクラスタが、次のN-1フレーム目からNフレーム目に渡って3D点群の90%の変化が生じるような急激な変化は、フレーム間の相関を鑑みれば生じにくい。 For example, a cluster that changed only 10% of the 3D point cloud during the transition from the N-2nd frame to the N-1th frame is 90 of the 3D point cloud from the next N-1th frame to the Nth frame. Sudden changes such as% changes are unlikely to occur in view of the correlation between frames.

そこで、本実施形態では計算時間推定に要する時間のロスを減らすために、上記の経験則に基づいて推定頻度T(>1)を定義し、Tフレームに1回の割合で計算時間推定を行い、それ以外のフレームでは前フレームの判断結果をそのまま採用することとした。 Therefore, in this embodiment, in order to reduce the time loss required for calculating the calculation time, the estimation frequency T (> 1) is defined based on the above empirical rule, and the calculation time is estimated once in each T frame. For other frames, the judgment result of the previous frame is adopted as it is.

すなわち、N-1フレームのあるクラスタについてN-2フレーム目の各点との対応関係に基づいて計算方法が「再利用」に決定されていた場合、N-1フレーム目からNフレーム目を計算する際に計算時間を推定することなく画一的に「再利用」に決定する。これにより、計算時間推定部104aの処理をクラスタごとにTフレームに一度に抑えることができるため、計算時間推定に要する時間のロスを減らすことができる。 That is, if the calculation method is determined to be "reuse" based on the correspondence with each point of the N-2 frame for a cluster with the N-1 frame, the Nth frame is calculated from the N-1th frame. When doing so, it is uniformly decided to "reuse" without estimating the calculation time. As a result, the processing of the calculation time estimation unit 104a can be suppressed to one T frame for each cluster, so that the time loss required for the calculation time estimation can be reduced.

前記推定頻度Tは固定値でも良いし、クラスタごとに異なるTが動的に決定されてもよい。本実施形態では計算方法決定部104が推定頻度決定部104bを具備し、クラスタごとに推定頻度Tを決定する。 The estimated frequency T may be a fixed value, or a different T may be dynamically determined for each cluster. In the present embodiment, the calculation method determination unit 104 includes the estimation frequency determination unit 104b, and determines the estimation frequency T for each cluster.

前記推定頻度決定部104bは、全点群カテゴリ分類部111が決定したカテゴリに基づいて推定頻度Tを決定する。例えば、人物クラスタのように点群に変化が発生しやすいカテゴリに適用する推定頻度Tは、建物クラスタのように点群に変化が生じにくいカテゴリに適用する推定頻度Tよりも相対的に小さな値に設定する。 The estimation frequency determination unit 104b determines the estimation frequency T based on the category determined by the all-point cloud category classification unit 111. For example, the estimated frequency T applied to a category such as a person cluster where the point cloud is likely to change is relatively smaller than the estimated frequency T applied to a category such as a building cluster where the point cloud is unlikely to change. Set to.

あるいは、クラスタごとに最後に計算した「通常計算」および「再利用」の各推定時間を比較し、時間差が小さい場合は大きい場合よりも相対的にTが小さな値に設定されるようにしても良い。これは、各計算方法による時間差が小さいと次のフレームで各計算方法の優劣に逆転が生じ易いため、推定誤りが生じにくくするためには推定頻度を高くすることが望ましいことに基づくものである。 Alternatively, the last estimated time of "normal calculation" and "reuse" calculated for each cluster may be compared, and if the time difference is small, T may be set to a value that is relatively small compared to the case where the time difference is large. good. This is based on the fact that if the time difference between each calculation method is small, the superiority or inferiority of each calculation method tends to be reversed in the next frame, so it is desirable to increase the estimation frequency in order to prevent estimation errors from occurring. ..

101…点群入力部,102…点群クラスタリング部,103…対応関係判別部,104…計算方法決定部,104a…計算時間推定部,104b…推定頻度計算部,105…光波伝搬計算部,106…干渉計算部,107…CGH出力部,108…キャッシュメモリ,111…点群カテゴリ分類部,112…点群クラスタ対応計算部 101 ... Point cloud input unit, 102 ... Point cloud clustering unit, 103 ... Correspondence relationship determination unit, 104 ... Calculation method determination unit, 104a ... Calculation time estimation unit, 104b ... Estimated frequency calculation unit, 105 ... Light wave propagation calculation unit, 106 ... Interference calculation unit, 107 ... CGH output unit, 108 ... Cache memory, 111 ... Point cloud category classification unit, 112 ... Point cloud cluster support calculation unit

Claims (15)

3D点群の点ごとに光波伝搬を計算してホログラム面上の物体光波分布を求め、参照光波との干渉計算を行って計算機合成ホログラムの動画を生成する装置において、
3D点群の各点をフレームごとにクラスタリングする手段と、
前後するフレーム間で対応する各クラスタに属する各点の対応関係を判別する手段と、
現フレームの物体光波分布の計算方法を前記対応関係に基づいて、前フレームの物体光波分布の計算結果を再利用する方法および再利用せずに通常計算する方法のいずれかにクラスタ単位で決定する手段と、
現フレームの物体光波分布をクラスタごとに前記決定された計算方法で計算する手段とを具備したことを特徴とする計算機合成ホログラム生成装置。
In a device that calculates the light wave propagation for each point in a 3D point group to obtain the object light wave distribution on the hologram surface, and performs interference calculation with the reference light wave to generate a moving image of a computer-synthesized hologram.
A means of clustering each point in a 3D point cloud frame by frame,
A means for determining the correspondence between the points belonging to each corresponding cluster between the preceding and following frames, and
Based on the above correspondence, the calculation method of the object light wave distribution of the current frame is determined for each cluster as either a method of reusing the calculation result of the object light wave distribution of the previous frame or a method of normal calculation without reuse. Means and
A computer-synthesized hologram generator comprising a means for calculating the object light wave distribution of the current frame for each cluster by the above-determined calculation method.
前記クラスタリングする手段は、3D点群の各点をその位置に基づいてクラスタリングすることを特徴とする請求項1に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer-synthesized hologram generator according to claim 1, wherein the clustering means clusters each point in a 3D point cloud based on its position. 前記3D点群の各点をカテゴリ化する手段を更に具備し、
前記クラスタリングする手段は、3D点群の各点をその位置およびカテゴリに基づいてクラスタリングすることを特徴とする請求項1に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
Further provided with means for categorizing each point in the 3D point cloud,
The computer-synthesized hologram generator according to claim 1, wherein the clustering means clusters each point in a 3D point cloud based on its position and category.
前記計算方法を決定する手段は、計算方法を決定する頻度をクラスタごとにそのカテゴリに基づいてフレーム単位で増減することを特徴とする請求項2または3に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer-synthesized hologram generator according to claim 2, wherein the means for determining the calculation method is to increase or decrease the frequency of determining the calculation method for each cluster on a frame-by-frame basis based on the category. 現フレームのクラスタごとに前記対応関係に基づいて前記再利用および通常計算の各方法による物体光波分布の計算時間を推定する手段を具備し、
前記計算方法を決定する手段は、クラスタごとに前記計算時間のより短い計算方法に決定することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の計算機合成ホログラム生成装置。
Each cluster of the current frame is provided with a means for estimating the calculation time of the object light wave distribution by the reuse and normal calculation methods based on the correspondence.
The computer-synthesized hologram generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the means for determining the calculation method is determined by the calculation method having a shorter calculation time for each cluster.
前記計算方法を決定する手段は、計算方法を決定する頻度を前記再利用および通常計算による物体光波分布の計算時間の推定結果に基づいてクラスタごとに増減することを特徴とする請求項5に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The means for determining the calculation method according to claim 5, wherein the frequency for determining the calculation method is increased or decreased for each cluster based on the estimation result of the calculation time of the object light wave distribution by the reuse and the normal calculation. Computer synthetic hologram generator. 前記計算時間を推定する手段は、物体光波分布の計算に要する光波伝搬の計算回数で前記計算時間を代表することを特徴とする請求項5または6に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer-synthesized hologram generator according to claim 5 or 6, wherein the means for estimating the calculation time is represented by the number of calculations of light wave propagation required for calculating the object light wave distribution. 前記計算時間を推定する手段は、クラスタごとに前フレームから現フレームに渡って出現または消失した点の個数を各点の位置に基づいてカウントし、当該カウント数で光波伝搬の計算回数を代表することを特徴とする請求項7に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The means for estimating the calculation time counts the number of points appearing or disappearing from the previous frame to the current frame for each cluster based on the position of each point, and the count number represents the number of calculations for light wave propagation. The computer-synthesized hologram generator according to claim 7. 前記計算時間を推定する手段は、クラスタごとに前フレームから現フレームに渡って出現または消失した点の個数を各点の位置および色に基づいてカウントし、当該カウント数で光波伝搬の計算回数を代表することを特徴とする請求項7に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The means for estimating the calculation time is to count the number of points appearing or disappearing from the previous frame to the current frame for each cluster based on the position and color of each point, and calculate the number of times of light wave propagation based on the count number. The computer-synthesized hologram generator according to claim 7, wherein the computer is represented. 前記計算時間を推定する手段は、クラスタごとに前フレームから現フレームに渡って消失した点の位置に色の異なる点が出現していると、当該消失および出現に係る光波伝搬の計算回数を1回とカウントすることを特徴とする請求項9に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The means for estimating the calculation time is that if a point with a different color appears at the position of the point that disappeared from the previous frame to the current frame for each cluster, the number of calculation times of the light wave propagation related to the disappearance and appearance is 1. The computer-synthesized hologram generator according to claim 9, wherein the number of times is counted. 前記計算する手段は、計算方法が再利用に決定された現フレームの各クラスタの物体光波分布を、前フレームの対応するクラスタの物体光波分布の計算結果に対して、当該前フレームから現フレームに渡って出現または消失した点の光波分布をそれぞれ加算または減算する加工を行って計算することを特徴とする請求項8ないし10のいずれかに記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The means for calculating the object light wave distribution of each cluster of the current frame whose calculation method is determined to be reused is changed from the previous frame to the current frame with respect to the calculation result of the object light wave distribution of the corresponding cluster of the previous frame. The computer-synthesized hologram generator according to any one of claims 8 to 10, wherein the calculation is performed by performing a process of adding or subtracting the light wave distributions of the points appearing or disappearing over the counter. コンピュータが、3D点群の点ごとに光波伝搬を計算してホログラム面上の物体光波分布を求め、参照光波との干渉計算を行って計算機合成ホログラムの動画を生成する方法において、
3D点群の各点をフレームごとにクラスタリングし、
前後するフレーム間で対応する各クラスタに属する各点の対応関係を判別し、
現フレームの物体光波分布の計算方法を前記対応関係に基づいて、前フレームの物体光波分布の計算結果を再利用する方法および再利用せずに通常計算する方法のいずれかにクラスタ単位で決定し、
現フレームの物体光波分布をクラスタごとに前記決定された計算方法で計算することを特徴とする計算機合成ホログラム生成方法。
In a method in which a computer calculates light wave propagation for each point in a 3D point group to obtain an object light wave distribution on a hologram surface, and performs interference calculation with a reference light wave to generate a moving image of a computer-synthesized hologram.
Cluster each point in the 3D point cloud frame by frame,
Determine the correspondence of each point belonging to each corresponding cluster between the frames before and after,
Based on the above correspondence, the calculation method of the object light wave distribution of the current frame is determined for each cluster as either a method of reusing the calculation result of the object light wave distribution of the previous frame or a method of normal calculation without reuse. ,
A computer-synthesized hologram generation method characterized in that the object light wave distribution of the current frame is calculated for each cluster by the above-determined calculation method.
前記3D点群の各点をカテゴリ化し、
前記3D点群の各点をその位置およびカテゴリに基づいてクラスタリングすることを特徴とする請求項12に記載の計算機合成ホログラム生成方法。
Each point in the above 3D point cloud is categorized and
The computer-synthesized hologram generation method according to claim 12, wherein each point in the 3D point cloud is clustered based on its position and category.
3D点群の点ごとに光波伝搬を計算してホログラム面上の物体光波分布を求め、参照光波との干渉計算を行って計算機合成ホログラムの動画を生成するプログラムにおいて、
3D点群の各点をフレームごとにクラスタリングする手順と、
前後するフレーム間で対応する各クラスタに属する各点の対応関係を判別する手順と、
現フレームの物体光波分布の計算方法を前記対応関係に基づいて、前フレームの物体光波分布の計算結果を再利用する方法および再利用せずに通常計算する方法のいずれかにクラスタ単位で決定する手順と、
現フレームの物体光波分布をクラスタごとに前記決定された計算方法で計算する手順とを含むことを特徴とする計算機合成ホログラム生成プログラム。
In a program that calculates the light wave propagation for each point in a 3D point group to obtain the object light wave distribution on the hologram surface, and performs interference calculation with the reference light wave to generate a moving image of a computer-synthesized hologram.
The procedure for clustering each point in the 3D point cloud frame by frame,
The procedure for determining the correspondence between the points belonging to each corresponding cluster between the preceding and following frames, and the procedure for determining the correspondence between the points belonging to each cluster.
Based on the above correspondence, the calculation method of the object light wave distribution of the current frame is determined for each cluster as either a method of reusing the calculation result of the object light wave distribution of the previous frame or a method of normal calculation without reuse. Procedure and
A computer-synthesized hologram generation program comprising a procedure for calculating an object light wave distribution of a current frame for each cluster by the above-determined calculation method.
前記3D点群の各点をカテゴリ化する手順を更に含み、
前記クラスタリングする手順は、3D点群の各点をその位置およびカテゴリに基づいてクラスタリングすることを特徴とする請求項14に記載の計算機合成ホログラム生成プログラム。
Further including a procedure for categorizing each point in the above 3D point cloud,
The computer-synthesized hologram generation program according to claim 14, wherein the clustering procedure comprises clustering each point in a 3D point cloud based on its position and category.
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