JP3798511B2 - Computer-generated hologram display device - Google Patents

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Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は、3次元物体の像を再生・表示する計算機ホログラム表示装置に関するものである。 The present invention relates to a computer generated hologram display apparatus for reproducing and displaying the image of the three-dimensional object.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
計算機ホログラム表示装置において、再生・表示すべき3次元物体について陰面消去処理を施してホログラムを計算し、その陰面消去処理がなされたホログラムに参照波を照射して、3次元物体像を再生している。 In the computer generated hologram display apparatus, to calculate the hologram subjected to hidden surface removal processing for the three-dimensional object to be reproduced and displayed, by irradiating the reference beam to the hologram the hidden surface removal processing is performed, reproducing the three-dimensional object image there. 陰面消去処理は、物体の背面(視点から見えない面)から発生する波面を消去して、物体の表面(視点から見える面)から発生する波面のみが視点に到達するよう計算するものである。 Hidden surface removal processing is to calculate to erase the wavefront generated from the back of the object (surface not visible from the point of view), only the wave front generated from the object surface (the surface viewed from a viewpoint) reaches the viewpoint. この陰面消去処理に関して以下のような種々の手法が知られている。 Various methods are known as follows with respect to the hidden-surface removal processing.
【0003】 [0003]
例えば、視点から遠い位置で発生した波面が、視点に近い側にある物体の部分によって影響を受け、これにより生じた2次回折波を伴って観測面に到達するとの考慮の下に、陰面消去を行う技術が知られている(「光学情報処理」、朝倉書店、pp.249-254を参照)。 For example, the wavefront generated at a position far from the viewpoint, influenced by an object portion in a side closer to the viewpoint, under the consideration of the thus reach the observation surface with the second order Oriha generated, hidden-surface removal a technique for performing is known ( "optical information processing", Asakura Shoten, see pp.249-254). この技術では、3次元物体を多数の2次元断層の集合として考え、視点から遠いところにある断層で発生した波面をフレネル変換することにより、視点側に隣接する次の断層に到達する波面を求める。 In this technique, consider a three-dimensional object as a collection of a large number of 2-dimensional tomographic, the wavefront generated by the fault farther from the point of view by Fresnel transform, obtaining the wavefront to reach the next fault adjacent the viewpoint side . そして、その断層が透過率分布を有するときには、到達した波面と透過率分布との積を求めて、この積を新たな波面とする。 Then, the fault when having a transmittance distribution is seeking the product of the transmittance distribution and wavefront arriving to this product as a new wavefront. 一方、その断層が不透明である場合であって、且つ、その断層が発光または反射光を発生するものである場合には、その発光または反射光を新たな波面とする。 On the other hand, even if the fault is opaque, and, in which case the fault is one that generates a light-emitting or reflected light is the luminous or reflected light and a new wavefront. このようにして求めた新たな波面をフレネル変換することにより、更に視点側に隣接する次の断層における波面を求める。 By this way Fresnel transform a new wavefront obtained, obtaining the wavefront at the next fault further adjacent to the viewpoint side. このような処理を全ての断層について行うことにより、陰面消去された3次元物体の計算機ホログラムを得る。 By performing such processing for all the faults, obtaining a computer generated hologram of a three-dimensional object that has been erased hidden surface.
【0004】 [0004]
この手法は、視点を考察する必要がなく、多視点に対応している点で優れており、また、回折の効果をも考慮している点でも優れている。 This approach eliminates the need to consider the viewpoint is excellent in that it corresponds to multi-view, is also excellent in that it also considered the effect of diffraction. しかし、各断層の各位置においてフレネル変換する必要があることから、計算量が極めて膨大であるという問題点がある。 However, it is necessary to Fresnel transform at each position of each tomographic, there is a problem that the calculation amount is extremely large. 特に、物体を緻密に表示しようとすれば、断層の数を増やし、且つ、各断層における計算点の数を増やす必要があるが、このことは計算量の爆発的な増大につながる。 In particular, if an attempt densely displayed objects, increasing the number of faults, and, it is necessary to increase the number of calculation points at each tomographic, which leads to the calculated amount explosive increase.
【0005】 [0005]
そこで、計算量を削減する手法が幾つか知られている。 Therefore, techniques to reduce the amount of calculation is known several. 例えば、視点から遠い位置で発生した波面が視点に近い側にある物体の部分により影響を受けて2次回折波が生じる効果を無視し、コンピュータグラフィックの手法である scan line method や ray tracingの手法による陰面消去処理をホログラム計算に採り入れたものが知られている(例えば、M.Yamaguchi, et al., "Holographic three-dimensional printer: new method", Appl. Opt. Vol.31, No.2, pp.217-222 (1992)、特開平6−67591号公報、特開平6−102811号公報、および、特開平6−130881)。 For example, the wavefront generated at a position far from the viewpoint is affected by an object portion in a side closer to the viewpoint 2 ignores the effect of diffracted wave is generated, scan line method or ray tracing method is a computer graphics technique it is known that incorporates the hologram calculate hidden surface removal process by (e.g., M.Yamaguchi, et al,... "holographic three-dimensional printer: new method", Appl Opt Vol.31, No.2, pp.217-222 (1992), JP-A-6-67591, JP-A No. 6-102811 and JP, Hei 6-130881).
【0006】 [0006]
scan line method や ray tracing の手法による陰面消去処理では、視点より物体表面の各点を通る直線を想定し、その直線と物体表面との交点が複数存在する場合には、その複数の交点について視点からの遠近を判定し、最も視点に近い交点を採用する。 scan in line method and hidden surface removal process by techniques ray tracing is assumed straight line passing through the points of the object surface from the viewpoint, when the intersection of the straight line and the object surface there are a plurality of viewpoints for the plurality of intersections to determine the distance from, to adopt the intersection closest to the point of view. そして、その採用された交点それぞれで発生してホログラム面まで伝搬する波面を計算することにより、陰面消去された3次元物体の計算機ホログラムを得る。 Then, by calculating the wavefront propagates to the hologram surface occurred in each of which adopted intersections, obtaining a computer generated hologram of a three-dimensional object that has been erased hidden surface.
【0007】 [0007]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
しかしながら、scan line method や ray tracing の手法による陰面消去処理の場合であっても、視点からの直線それぞれについて、その直線と物体との交点の座標値を求めるために方程式を解く必要があることから、計算量は依然として多い。 However, even if the hidden surface removal process by scan line method or ray tracing method, for each straight line from the viewpoint, it is necessary to solve the equations to determine the coordinates of the intersection of the straight line and the object , the calculation amount is still large.
【0008】 [0008]
一方、比較的小さいホログラムとすることで計算量を削減し、その一方で視域を拡大することができる視点追従方式の計算機ホログラム表示装置が知られている(深谷ら、「視点追従方式ホログラフィックディスプレイの検討」、画像電子学会誌、第24巻、第5号、pp.38-43 (1995) 、および、N.Fukaya, et al., "Eye-Position Tracking Type Electro-Holographic Display Using Liquid Crystal Devices", Asia Display '95 Proc., S36-5 (1995))。 On the other hand, relatively small to reduce the amount of calculation by the hologram, perspective can be expanded while viewing zone follow method of a computer hologram display apparatus are known (Fukaya et al., "A Perspective tracking system holographic study of display ", and the image e-Journal, Vol. 24, No. 5, pp.38-43 (1995), and, N.Fukaya, et al.," Eye-Position Tracking Type Electro-Holographic display Using Liquid Crystal Devices ", Asia Display '95 Proc., S36-5 (1995)). この手法では、視域を拡げたままで計算するので、ホログラムの計算方法自体の効率が悪い。 In this technique, since the calculation while expanding the viewing area, the poor efficiency of the calculation method itself of the hologram. また、陰面消去処理については何等言及していない。 Also, it does not mention anything, such as for hidden-surface removal processing.
【0009】 [0009]
このような視点追従方式の計算機ホログラム表示装置の場合には、視点位置に対応した陰面消去処理が施されたホログラムを短時間に計算する必要があるため、特に、陰面消去処理の際の計算量の削減が求められている。 Since In the case of such viewpoint tracking system of the computer hologram display apparatus, it is necessary to calculate a short time a hologram hidden surface removal processing corresponding to the viewpoint position is performed, in particular, the calculation amount at the time of hidden-surface removal processing reduction of is required.
【0010】 [0010]
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、少ない計算量で短時間に陰面消去処理が可能であって、視点追従方式の場合にも好適に適用できる計算機ホログラム表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, a possible hidden surface removal processing in a short time with a small amount of calculation, a computer generated hologram display device can be suitably applied to a case of the viewpoint tracking system an object of the present invention is to provide.
【0011】 [0011]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
本発明に係る第1の計算機ホログラム表示装置は、(1) 再生すべき物体像を透視変換してスクリーン座標系で表現する透視変換手段と、(2) スクリーン座標系で表された物体像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去する陰面消去手段と、(3) 陰面消去処理手段により陰面消去されたスクリーン座標系上の物体像を逆透視変換して実空間上の座標系で表現する逆透視変換手段と、(4) 逆透視変換手段により実空間上の座標系で表現された物体像に基づいて波面計算してホログラムデータを求めるホログラム計算手段と、(5) ホログラムデータに基づいてホログラムを形成するホログラム形成手段と、(6) ホログラムに可干渉光を照射して物体像を再生する再生手段と、を備えることを特徴とする。 The first computer generated hologram display apparatus according to the present invention, (1) and the perspective transformation means for representing in the screen coordinate system by perspective transformation to be object image reproduction, (2) screen coordinate system in the represented on the object image a hidden surface removal means for erasing hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint of, (3) an object image on the screen coordinate system has been erased hidden surface by hidden surface removal processing means performs inverse perspective transformation of the real space and inverse perspective transformation means for representing in a coordinate system, a hologram calculating means which calculates a hologram data by wavefront calculated based on (4) object image expressed in the coordinate system of the real space by inverse perspective transformation means, (5) a hologram forming unit for forming a hologram based on the hologram data, characterized in that it comprises, a reproduction means for reproducing the object image by irradiating coherent light (6) hologram.
【0012】 [0012]
この第1の計算機ホログラム表示装置によれば、再生すべき物体像は、透視変換手段により、透視変換されてスクリーン座標系で表現され、陰面消去手段により、そのスクリーン座標系で表された物体像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去される。 According to the first computer generated hologram display device, the object image to be reproduced is the perspective transformation means, are perspective transformed is expressed in the screen coordinate system, the hidden surface removal means, the object image represented by the screen coordinate system It erased hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint of the above. この陰面消去されたスクリーン座標系上の物体像は、逆透視変換手段により、逆透視変換されて実空間上の座標系で表現され、ホログラム計算手段により、この実空間上の座標系で表現された物体像に基づいて波面計算されてホログラムデータが求められる。 Object image on which the hidden surface erased screen coordinate system by the inverse perspective transformation means is expressed by the inverse perspective transformation to a real space on the coordinate system, by the hologram calculation unit, is expressed in the coordinate system on the real space It is the wavefront based on the object image calculation hologram data obtained on. そして、ホログラム形成手段により、このホログラムデータに基づいてホログラムが形成され、再生手段により、ホログラムに可干渉光が照射されて物体像が再生される。 Then, the hologram forming unit, the hologram is formed on the basis of the hologram data, the reproducing means, the object image coherent light is irradiated to the hologram is reproduced.
【0013】 [0013]
また、本発明に係る第1の計算機ホログラム表示装置は、さらに、(1) 視点の位置または変位を検出する視点検出手段と、(2) 視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、(3) 視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて、再生手段の光軸を制御する制御手段と、を更に備えることを特徴とする。 The first computer generated hologram display apparatus according to the present invention, furthermore, (1) and the viewpoint detection means for detecting the position or displacement of the viewpoint, based on the position or displacement of the viewpoint detected by (2) viewpoint detecting means Te, further comprising a affine transformation means for affine transformation of an object image to be reproduced, and a control means based on the position or displacement of the viewpoint detected, controls the optical axis of the readout unit by (3) viewpoint detecting means it is characterized in. この場合には、再生すべき物体像は、視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいてアフィン変換手段によりアフィン変換され、その後、透視変換手段、陰面消去手段、逆透視変換手段、ホログラム計算手段、ホログラム形成手段および再生手段により再生される。 In this case, the object image to be reproduced is affine-transformed by affine transformation means based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means, then, the perspective transformation means, hidden surface removal means, inverse perspective transformation means, hologram calculation unit, is reproduced by the hologram forming means and reproducing means. このとき、再生手段の光軸は、視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて制御手段により制御されるので、視点の変位に追従することができる。 In this case, the optical axis of the reproducing means, since it is controlled by the control means based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means, it is possible to follow the displacement of the viewpoint.
【0014】 [0014]
また、本発明に係る第2の計算機ホログラム表示装置は、(1) レンズの焦点位置に置かれた視点から観たときに再生すべき物体像を結像し得る実像を実空間上の座標系で求める実像変換手段と、(2) 実像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去する陰面消去手段と、(3) 陰面消去処理手段により陰面消去された実像に基づいて波面計算してホログラムデータを求めるホログラム計算手段と、(4) ホログラムデータに基づいてホログラムを形成するホログラム形成手段と、(5) ホログラムに可干渉光を照射して実像を再生する再生手段と、(6) レンズの結像機能と略同等の結像機能を有し、再生手段により再生された実像に基づいて物体像を結像する結像光学系と、を備えることを特徴とする。 The second computer generated hologram display apparatus according to the present invention, (1) coordinate system in the real space a real image capable of imaging an object image to be reproduced when viewed from the viewpoint placed at the focal point of the lens a real image conversion means for obtaining in, (2) and the hidden surface removal means for erasing hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint of the real image, the wavefront based on the real image erased hidden surface by (3) hidden-surface removal processing means a hologram calculating means which calculates a hologram data calculation to a (4) reproducing means for reproducing a hologram forming means for forming a hologram based on the hologram data, a real image by irradiating a coherent light (5) holograms, ( 6) has an imaging function substantially equal to the imaging function of the lens, characterized in that it comprises a imaging optical system for forming an object image on the basis of the real image which is reproduced by the reproducing means.
【0015】 [0015]
この第2の計算機ホログラム表示装置によれば、実像変換手段により、レンズの焦点位置に置かれた視点から観たときに再生すべき物体像を結像し得る実像が実空間上の座標系で求められ、陰面消去手段により、その実像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去される。 According to the second computer generated hologram display device, the real image converting means, a real image capable of imaging an object image to be reproduced when viewed from the viewpoint placed at the focal point of the lens in the coordinate system of the real space sought, the hidden surface removal means, are erased hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint on that real image. ホログラム計算手段により、この陰面消去された実像に基づいて波面計算されてホログラムデータが求められ、ホログラム形成手段により、このホログラムデータに基づいてホログラムが形成される。 The hologram calculation unit, the hidden surface based on the erased real been wavefront calculated hologram data sought by the hologram forming means, a hologram based on the hologram data is formed. そして、再生手段により、ホログラムに可干渉光が照射されて実像が再生され、結像光学系により、再生手段により再生された実像に基づいて物体像が結像される。 Then, the reproducing means, a real image is irradiated coherent light is reproduced hologram, the image forming optical system, the object image is formed on the basis of the real image which is reproduced by the reproducing means.
【0016】 [0016]
また、本発明に係る第2の計算機ホログラム表示装置は、さらに、(1) 視点の位置または変位を検出する視点検出手段と、(2) 視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、(3) 視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて、結像光学系の光軸を制御する制御手段と、を更に備えることを特徴とする。 The second computer generated hologram display apparatus according to the present invention, furthermore, (1) and the viewpoint detection means for detecting the position or displacement of the viewpoint, based on the position or displacement of the viewpoint detected by (2) viewpoint detecting means Te, affine transformation means for affine transformation of an object image to be reproduced, and a control means based on the position or displacement of the viewpoint detected, controls the optical axis of the imaging optical system by (3) viewpoint detecting means and further comprising. この場合には、再生すべき物体像は、視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいてアフィン変換手段によりアフィン変換され、その後、実像変換手段、陰面消去手段、ホログラム計算手段、ホログラム形成手段、再生手段および結像光学系により再生される。 In this case, the object image to be reproduced is affine-transformed by affine transformation means based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means, then, the real image converting means, hidden surface removal means, the hologram calculating means, a hologram forming means, it is reproduced by the reproducing means and the image forming optical system. このとき、結像光学系の光軸は、視点検出手段により検出された視点の位置または変位に基づいて制御手段により制御されるので、視点の変位に追従することができる。 In this case, the optical axis of the imaging optical system, since it is controlled by the control means based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means, it is possible to follow the displacement of the viewpoint.
【0017】 [0017]
また、本発明に係る第2の計算機ホログラム表示装置では、さらに、結像光学系が、(a) ホログラムとは反対側の焦点面上に配され、0次光を遮光する0次光遮光手段と、(b) ホログラムとは反対側の焦点面上に配され、再生手段により再生された実像の共役像の波面を遮光する共役像遮光手段と、を備えることを特徴とする。 Further, in the second computer generated hologram display apparatus according to the present invention, furthermore, the imaging optical system, (a) represents a hologram disposed on a focal plane of the opposite side, the zero-order light shielding means for shielding the 0-order light If, the (b) a hologram disposed on a focal plane of the opposite side, characterized in that it comprises a conjugate image shielding means for shielding the wave front of the conjugate image of the real image that is reproduced by the reproducing means. この場合には、再生手段から結像光学系を経て視点に向かう0次光は、0次光遮光手段により遮光され、また、再生手段により再生された実像の共役像の波面は、共役像遮光手段により遮光されるので、 in-line型に特有の共役像に因る再生像の劣化が防止される。 In this case, the 0-order light toward the viewpoints through the imaging optical system from the reproducing means is blocked by the zero-order light shielding means, the wavefront of the conjugate image of the real image that is reproduced by the reproducing means, conjugate image shading because it is shielded by means, degradation of the reproduced image due to specific conjugate image in in-line type it can be prevented.
【0018】 [0018]
また、本発明に係る第1および第2の計算機ホログラム表示装置それぞれにおいて、さらに、(1) 再生すべき物体像の平行移動、回転または拡大/縮小を指示する指示手段と、(2) 指示手段により指示された平行移動、回転または拡大/縮小に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、を更に備えることを特徴とする。 Further, in each of the first and second computer generated hologram display apparatus according to the present invention, further, an instruction means for instructing the translation, rotation, or enlargement / reduction of an object image to be reproduced (1), (2) indicating means translation instructed by, based on the rotation or enlargement / reduction, and further comprising a affine transformation means for affine transformation, the object image to be reproduced. この場合には、再生すべき物体像の平行移動、回転または拡大/縮小が指示手段により指示され、この指示に基づいて、再生すべき物体像がアフィン変換手段によりアフィン変換手段されるので、再生される像は、指示手段に依る指示に基づいて平行移動、回転または拡大/縮小されたものとなる。 In this case, parallel movement of the object image to be reproduced, the rotation or enlargement / reduction is instructed by the instruction means, based on this instruction, since the object image to be reproduced is affine transformation means by the affine transformation means, reproduction image to be becomes what translation, is rotated or enlarged / reduced on the basis of the instructions according to the instruction unit.
【0019】 [0019]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 It will be described below with reference to the accompanying drawings of embodiments of the present invention in detail. 尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Incidentally, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, without redundant description.
【0020】 [0020]
本実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の説明に先だって、本実施形態において用いる陰面消去処理の手法であるzバッファ法(zソート法とも呼ばれる)について説明する。 Prior to the description of the computer generated hologram display apparatus according to the present embodiment will be described z-buffer is a technique of hidden surface removal process used in the present embodiment (also referred to as z sorting method).
【0021】 [0021]
このzバッファ法では、先ず、表示すべき物体の表面を複数の多角形平面で構成し、その複数の多角形平面それぞれの各頂点の座標値を、その物体の中心位置を原点とする物体座標系で表示する。 This z-buffer method, firstly, constitute a surface of the object to be displayed in a plurality of polygons plane, the coordinate values ​​of each vertex of each of which a plurality of polygonal planar, object coordinates that the center position of the object as the origin to display in the system. 次に、各頂点座標値を、ワールド座標系で表したデータに変換し、さらに、実空間上の視点座標系(xe,ye,ze)で表したデータに変換する。 Then, each vertex coordinate values, and converts the data expressed in the world coordinate system, further, converts the real space on the viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) of the data expressed in. この視点座標系は、視点(ホログラムを観る者の目の位置)を原点とし、ホログラム面(ホログラムが形成されるべき面)に垂直であってホログラム面に向かう方向をze軸とするものである。 The viewpoint coordinate system, the viewpoint (eye position of viewers hologram) as the origin, it is an ze axis direction toward the hologram surface is perpendicular to the hologram plane (surface to the hologram is formed) .
【0022】 [0022]
そして、この各頂点座標値で表される複数の多角形平面で構成される多角形平面体の内部(表面をも含む。以下同じ。)の各点の座標値を、視点座標系(xe,ye,ze)で表したデータから、仮想空間上のスクリーン座標系(x,y,z) で表したデータに変換する。 Then, the coordinate values ​​of each point within the polygon flat body composed of a plurality of polygonal plane represented by the respective vertex coordinates (including the surface. Hereinafter the same.), The viewpoint coordinate system (xe, ye, from the data expressed in ze), and converts the screen coordinate system of the virtual space (x, y, the data represented by z). この変換に際しては、多角形平面体の内部の各点について、 During this transformation, for each point within the polygon flat body,
【数1】 [Number 1]
なる演算を行う。 Consisting of performing an operation. この変換を透視変換と呼ぶ。 This conversion is referred to as a perspective transformation. このスクリーン座標系(x,y,z) も、視点を原点とし、ホログラム面に垂直であってホログラム面に向かう方向を z軸とするものである。 The screen coordinate system (x, y, z) is also a perspective as the origin, in which the direction toward the hologram surface is perpendicular to the hologram plane and the z-axis.
【0023】 [0023]
この視点座標系からスクリーン座標系への透視変換は、 xe,ye座標値についてはze座標値により除算することにより視野角(視線の方位)へ変換することに相当し、また、ze座標値についてはその逆数をとることにより直線から直線へ変換することに相当する。 Perspective transformation from the viewpoint coordinate system to the screen coordinate system, xe, equivalent to conversion to the viewing angle (azimuth of the line of sight) by dividing by ze coordinate values ​​for ye coordinate values, also for ze coordinates corresponds to converted from linearly by taking its reciprocal to linear. すなわち、この透視変換は、視点から見た同一の視線上にある多角形平面体内部の点をスクリーン座標系における同一の x,y座標値に変換する。 That is, the perspective transformation converts the points inside the polygon plane body on the same line of sight from the Perspective same x in the screen coordinate system, the y-coordinate value. また、透視変換は、 x,y座標値が同一であれば、視点に近い点ほど大きい z座標値に変換する。 Further, perspective transformation, x, if the same y-coordinate values ​​are converted into a large z coordinate value as a point closer to the viewpoint.
【0024】 [0024]
したがって、スクリーン座標系で表した多角形平面体内部の各点それぞれについて、同一の x,y座標値で表される複数の頂点が存在した場合に、そのうちで最も z座標値が大きい点(すなわち、最も視点に近い点)を選択することにより、視点から見える点のみが選択され、陰面消去処理がなされることになる。 Thus, for each points of the inner polygon plane body expressed in a screen coordinate system, the same x, when a plurality of vertices represented by y-coordinate value is present, most point z-coordinate value is large among the (i.e. , by selecting the most point close to the viewpoint), only in that viewed from a viewpoint is selected, so that the hidden surface removal processing is performed.
【0025】 [0025]
このように同一の x,y座標値である各点の中から最小の z座標値である点を選択するに際して、具体的には、例えば以下のようにして行う。 Thus the same x, in selecting the point is the minimum z coordinate value from each point is the y coordinate value, specifically, performed as follows, for example. すなわち、記憶素子を用意し、多角形平面体の内部の各点について、その x,y座標値に対応するアドレスにその z座標値を記憶する。 That is, providing a memory element, for each point within the polygon planar body, the x, and stores the z-coordinate value at the address corresponding to the y-coordinate value. もし、そのアドレス( x,y座標値)にデータ( z座標値)が既に記憶されている場合には、その記憶されているデータ( z座標値)と新たな z座標値とのうち大きな値を記憶素子に記憶する。 If the address (x, y-coordinate value) when data (z-coordinate values) is already stored, a large value of the data (z-coordinate values), which is the stored as a new z-coordinate values It is stored in the storage element. このとき、その点に対応する輝度データをも記憶する。 At this time, also stores the luminance data corresponding to the point. このようにすることにより、視点から見た物体は、スクリーン座標系において陰面消去処理され、 x,y座標値で表された視野角、 z座標値で表された距離、および、輝度データで表される。 Table By doing so, the object viewed from the viewpoint, which is hidden surface removal processing in the screen coordinate system, x, viewing angle represented by the y-coordinate value, the distance represented by z-coordinate values, and, in the luminance data It is.
【0026】 [0026]
続いて、以上のようにして得られたスクリーン座標系(x,y,z) 上のデータを、再び実空間上の視点座標系(xe,ye,ze)に変換する。 Subsequently, the data on the above-obtained screen coordinate system (x, y, z), it is again a real space on the viewpoint coordinate system to convert (xe, ye, ze) to. この変換に際しては、スクリーン座標系上の各 x,y座標値それぞれ、および、これに対応する z座標値について、 During this transformation, the x on the screen coordinate system, y coordinate values, respectively, and, for z coordinate value corresponding thereto,
【数2】 [Number 2]
なる演算を行う。 Consisting of performing an operation. これを逆透視変換という。 This reverse perspective transformation that. この逆透視変換で得られた視点座標系上のデータは、陰面消去処理が既に施されたものであるので、直ちに波面伝搬の計算を行うことができる。 Data on the viewpoint coordinate system obtained by the inverse perspective transformation, since the hidden surface removal process is one that already has been subjected, it can be carried out immediately calculation of wavefront propagation. したがって、この逆透視変換で得られた視点座標系上のデータに基づいて、物体からホログラム面までの波面を計算することにより、陰面消去処理の施されたホログラムを得ることができる。 Therefore, based on the data on the viewpoint coordinate system obtained by the inverse perspective transformation, by calculating the wavefront from the object to the hologram surface, it is possible to obtain a decorated hologram of hidden-surface removal processing. この波面の計算に際しては、FFT(Fast Fourier Transform)を用いたフレネル変換法や球面波法が用いられる。 For the calculation of the wavefront, FFT (Fast Fourier Transform) Fresnel transform method and spherical wave method using are used.
【0027】 [0027]
以上説明したzバッファ法に基づく陰面消去処理は、従来技術に比べれば、計算量が極めて少ないものである。 Hidden surface removal process based on the z-buffer method described above, compared to the prior art, the calculation amount is extremely small. しかし、上記 (1)式に依る透視変換は、表示すべき物体の表面を構成する複数の多角形平面それぞれの各頂点についてのみ行うものであるのに対し、上記 (2)式に依る逆透視変換は、陰面消去処理により得られた多角形平面体の表面の全ての点について行うものである。 However, perspective transformation due to equation (1), whereas is performed only for each vertex of each of the plurality of polygons planes constituting the surface of the object to be displayed, reverse perspective due to the (2) conversion is performed for all points of the surface of the polygon plane body obtained by hidden surface removal processing. したがって、物体がスクリーン座標系において広い範囲を占めるものである場合には、上記 (2)式に依る逆透視変換は、計算を間引くにしても、その計算量が多い。 Therefore, when the object is intended to occupy a wide range in the screen coordinate system, (2) inverse perspective transformation according to the equation, even if the thinning calculation, the calculation amount is large.
【0028】 [0028]
次に、zバッファ法に基づくものであって逆透視変換が不要である陰面消去処理について説明する。 Next, inverse perspective transformation be based on z-buffer method will be described hidden surface removal process is unnecessary. この陰面消去処理では、逆透視変換が不要であるので、更に計算量が少なくて済む。 In this hidden surface removal process, since the inverse perspective transformation is not necessary, it requires less addition amount of calculation. この陰面消去処理では、スクリーン座標系(x,y,z) とホログラム座標系(xh,yh,zh)とが x,y成分( xh,yh成分)に関して実質的に一致するよう光学系を工夫し、これにより逆透視変換を不要とする。 In this hidden surface removal process, devised screen coordinate system (x, y, z) and the hologram coordinate system (xh, yh, zh) and are x, y components (xh, yh component) of the optical system so as to substantially coincide with respect to and, thereby eliminating the need for inverse perspective transformation. 図1は、逆透視変換を不要とする光学系の説明図である。 Figure 1 is an explanatory view of an optical system which does not require the inverse perspective transformation.
【0029】 [0029]
この図に示すように、視点1は、焦点距離fのレンズ2の光軸上の焦点位置にある。 As shown in this figure, view 1 is the focal position on the optical axis of the lens 2 of focal length f. その視点1の位置が、視点座標系(xe,ye,ze)およびスクリーン座標系(x,y,z) それぞれの原点である。 Position of the viewpoint 1 is a viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) and the screen coordinate system (x, y, z) of each origin. また、視点1からレンズ2の中心位置へ向かう方向が、視点座標系(xe,ye,ze)およびスクリーン座標系(x,y,z) それぞれのze方向および z方向それぞれである。 Also, the direction from the viewpoint 1 to the center position of the lens 2 is, viewpoint coordinate system is (xe, ye, ze) and the screen coordinate system (x, y, z) each ze and z-directions, respectively. 空間光変調素子3は、視点1とは反対側のレンズ2の光軸上であって、レンズ2の中心位置から距離pの位置に、光軸に垂直に配されている。 Spatial light modulator 3, the view 1 A on the optical axis of the opposite lens 2, at a distance p from the center position of the lens 2 are arranged perpendicular to the optical axis. そして、空間光変調素子3にホログラムを形成し、この空間光変調素子3の左方から可干渉平行光を照射して、空間光変調素子3の右方に物体の実像(real image)を再生し、視点1からレンズ2を介して虚像(virtual image )を観るものとする。 Then, a hologram spatial light modulator 3 is irradiated with coherent collimated light from the left side of the spatial light modulator 3, play object real image of (real image) to the right of the spatial light modulator 3 and we shall watch a virtual image (virtual image) through the lens 2 from the viewpoint 1.
【0030】 [0030]
このとき、物体の虚像の各点のxo,yo,zo座標値それぞれを視点座標系(xe,ye,ze)で表すと、物体の実像の対応する点の x,y,z座標値それぞれは、 In this case, xo of each point of the virtual image of the object, yo, the viewpoint coordinate system zo coordinate values ​​respectively (xe, ye, ze) is represented by, x of the corresponding point on the object real image of, y, z coordinate values, respectively ,
【数3】 [Number 3]
なる変換式により得られる。 Obtained by comprising conversion formula. また、近軸領域では、ガウスの結像公式より、 Further, in the paraxial region, than the official imaging Gaussian,
【数4】 [Number 4]
なる変換式により近似して変換してもよい。 It may be converted to approximate by comprising conversion formula.
【0031】 [0031]
この (3)式(または (4)式)と上記 (1)式とを比較すると、(3)式(または (4)式)で得られる x,y座標値は、(1)式で得られる x,y座標値に対して、レンズ2の焦点距離fを乗じただけの相違しかない。 When the equation (3) (or (4)) is compared with equation (1), (3) (or (4)) x, y-coordinate values ​​obtained in the obtained in (1) It is x, the y-coordinate value, only differences only multiplied by the focal length f of the lens 2. すなわち、 x,y座標成分のみ見れば、スクリーン座標系とホログラム座標系とは、実質的に互いに一致している。 That, x, if you look at only the y coordinate component, and the screen coordinate system and the hologram coordinate system, coincide substantially with each other. そこで、 (3)式(または (4)式)で得られた x,y座標値を、この物体の実像の各点をホログラム座標系(xh,yh,zh)で表したときの xh,yh座標値とする。 Therefore, xh when expressed (3) (or (4)) obtained in the x, y coordinate values, each point of the real image of the object hologram coordinate system (xh, yh, zh) in, yh and coordinate values. ここで、ホログラム座標系(xh,yh,zh)は、空間光変調素子3とレンズ2の光軸との交点を原点とし、レンズ2の光軸に平行であってレンズ2に向かう方向をzh軸とするものである。 Here, the hologram coordinate system (xh, yh, zh) is the intersection of the optical axis of the spatial light modulator 3 and the lens 2 as an origin, a direction which is parallel to the optical axis of the lens 2 to the lens 2 zh it is an axis.
【0032】 [0032]
また、 x,y座標値については、 (1)式による変換で得られるスクリーン座標系の空間は仮想上のものであるので、波面の伝搬は直接には計算することができない。 Further, x, the y coordinate values, (1) Since the space of the screen coordinate system obtained by the conversion by the formula is of the virtual propagation of the wavefront can not be directly calculates. これに対して、 (3)式による変換で得られるホログラム座標系は実空間上のものであるので、その変換後に視点座標系に戻すことなく、ホログラム面(空間光変調素子3が配置されている面)上における波面は、FFTによるフレネル変換法または球面波法により直接に計算することができる。 In contrast, (3) since equation hologram coordinate system obtained by conversion by the those in the real space, without returning to the viewpoint coordinate system after the conversion, it is arranged hologram plane (spatial light modulator 3 wavefront at are surface) on can be calculated directly by Fresnel transform method or spherical wave method by FFT.
【0033】 [0033]
したがって、物体の実像の各点を視点座標系(xe,ye,ze)で表した座標値を、ホログラム座標系(xh,yh,zh)で表した座標値に変換するには、 xh,yh座標値については、上記 (3)式により得られる x,y座標値から直ちに求め、一方、zh座標値については、 Thus, each point on the object real image of the viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) the coordinate values ​​expressed in the hologram coordinate system (xh, yh, zh) to convert the coordinate values ​​expressed in, xh, yh the coordinate value, the (3) immediately determined from the x, y-coordinate values ​​obtained by the formula, whereas, for zh coordinate values,
【数5】 [Number 5]
なる変換式で求める。 Obtained by the conversion formula to be. そして、ホログラム座標系(xh,yh,zh)で表された物体の実像の各点から空間光変調素子3へ伝搬する波面を計算することにより、ホログラムを作成することができる。 The hologram coordinate system (xh, yh, zh) by calculating the wavefront that propagates into the spatial light modulator 3 from each point of the real image of the object represented by, it is possible to create a hologram.
【0034】 [0034]
(第1の実施形態) (First Embodiment)
次に、第1の実施形態について説明する。 Next, a description will be given of a first embodiment. 図2は、第1の実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の構成図である。 Figure 2 is a block diagram of a computer generated hologram display according to the first embodiment. 本実施形態は、zバッファ法を採用し、上述の透視変換および逆透視変換を行ってホログラムを計算し表示するものである。 This embodiment employs a z-buffer method, it is to calculate and display hologram performs perspective transformation and inverse perspective transformation as described above.
【0035】 [0035]
この計算機ホログラム表示装置における表示部10の構成ならびに各座標系について先ず説明する。 First a description will be given of the configuration and the coordinate system of the display unit 10 in the computer generated hologram display. 表示部10は、可干渉光であるレーザ光を出力する光源11と、そのレーザ光の光束径を拡げて平行光束とするコリメータ12と、その平行光束とされたレーザ光を参照波として入力し物体の実像または虚像を再生する空間光変調素子13とを備えて構成されており、これらは互いに一体に固定されていて、制御部14により光軸方向が制御される。 Display unit 10 includes a light source 11 for outputting laser light which is coherent light, a collimator 12 to a parallel beam by expanding the beam diameter of the laser beam to enter the laser beam and its parallel light beam as a reference wave is configured with a spatial light modulator 13 to reproduce a real image or virtual image of the object, these is fixed integral with one another, the optical axis direction is controlled by the control unit 14.
【0036】 [0036]
視点1は、空間光変調素子13について光源11およびコリメータ12の反対側であって距離pの位置にある。 Viewpoint 1 is at a position of distance p a side opposite to the light source 11 and the collimator 12 for the spatial light modulator 13. 視点位置検出器15は、視点1の位置を検出して、その情報を制御部14に与える。 Viewpoint position detector 15 detects the position of the viewpoint 1, and gives the information to the control unit 14. 制御部14は、視点位置検出器15により検出された視点1の位置の情報に基づいて、表示部10の光軸上に視点1が存在するように表示部10の光軸方向を制御する。 Control unit 14, based on the information of the position of the viewpoint 1 detected by the viewpoint position detector 15, and controls the optical axis direction of the display unit 10 such that there is view 1 on the optical axis of the display unit 10. これにより視域を拡大している。 This has expanded the viewing zone. なお、この図では、制御部14は虚像が再生される位置(物体座標系の原点)を中心に表示部10を回転する場合について示している。 In this drawing, the control unit 14 shows the case of rotating the display unit 10 to the center position (the origin of the object coordinate system) which the virtual image is reproduced.
【0037】 [0037]
視点座標系(xe,ye,ze)は、視点1を原点とし、空間光変調素子13に向かう方向をze軸とする。 Viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) is a perspective 1 as the origin, the direction toward the spatial light modulator 13, ze axis. スクリーン座標系(x,y,z) も同様に、視点1を原点とし、空間光変調素子13に向かう方向を z軸とする。 Screen coordinate system (x, y, z) Similarly, the view 1 as the origin, the direction toward the spatial light modulator 13 and the z-axis. 物体座標系(xo,yo,zo)は、再生されるべき物体の像(実像および虚像の何れか)に設定された座標系である。 Object coordinate system (xo, yo, zo) is a coordinate system set in (either real or virtual) image of an object to be reproduced. ホログラム座標系(xh,yh,zh)は、ホログラムが形成される空間光変調素子13に設定された座標である。 Hologram coordinate system (xh, yh, zh) is set coordinates in the spatial light modulator 13 in which a hologram is formed. 本実施形態では、ワールド座標系と視点座標系とを同一のものとしている。 In the present embodiment, the a world coordinate system and the viewpoint coordinate system the same. なお、これらの座標系のうち、スクリーン座標系は仮想空間上のものであり、その他の座標系は実空間上のものである。 Among these coordinate systems, the screen coordinate system are of a virtual space, other coordinate systems are those in the real space.
【0038】 [0038]
なお、表示部10の光軸上に常に視点1が存在するよう制御部14および視点位置検出器15により制御されるので、視点座標系(xe,ye,ze)のxe,ye,ze軸それぞれ、スクリーン座標系(x,y,z) の x,y,z軸それぞれ、物体座標系(xo,yo,zo)のxo,yo,zo軸それぞれ、および、ホログラム座標系(xh,yh,zh)のxh,yh,zh軸それぞれは、常に互いに平行である。 Since always view 1 on the optical axis of the display unit 10 is controlled by the control unit 14 and the view point position detector 15 as present, the viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) of xe, ye, ze axis respectively , x screen coordinate system (x, y, z), y, z axes, respectively, the object coordinate system (xo, yo, zo) xo of, yo, zo axis respectively, and, a hologram coordinate system (xh, yh, zh xh in), yh, each zh axis is always parallel to one another.
【0039】 [0039]
また、実像を再生する場合には、物体座標系(xo,yo,zo)の原点は、ホログラム座標系(xh,yh,zh)の原点から視点1の方向に距離lの位置(視点1から距離mの位置)にあるものとし、虚像を再生する場合には、物体座標系(xo,yo,zo)の原点は、ホログラム座標系(xh,yh,zh)の原点から光源11の方向に距離lの位置(視点1から距離m+2lの位置)にあるものとする。 Further, when reproducing a real image, the object coordinate system (xo, yo, zo) origin of a hologram coordinate system (xh, yh, zh) from the position (viewpoint first distance l in the direction of the viewpoint 1 from the origin of the and those in position) of the distance m, the case of reproducing a virtual image is the object coordinate system (xo, yo, the origin of the zo) is a hologram coordinate system (xh, yh, in the direction of the light source 11 from the origin of zh) at a distance l assumed to be (from the perspective first distance m + 2l position) to.
【0040】 [0040]
指示部16は、再生される物体の実像または虚像の平行移動、回転または拡大/縮小を指示するものであり、例えば、キーボード、マウスまたはジョイスティック等が好適に用いられる。 Instruction unit 16, translation of the real image or a virtual image of the object to be reproduced, which instructs the rotation or enlargement / reduction, for example, a keyboard, a mouse or joystick or the like is preferably used. また、データ記憶部21は、再生すべき物体を表す多角形平面体の各頂点それぞれについて物体座標系(xo,yo,zo)で表した座標値および輝度値(色情報をも含む。以下同じ。)を記憶している。 The data storage unit 21, the object coordinate system with respect to each vertex of the polygon flat body representing the object to be reproduced (xo, yo, zo) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed by (including color information. Hereinafter the same .) stores.
【0041】 [0041]
アフィン変換部22は、データ記憶部21に記憶されている多角形平面体の各頂点を物体座標系(xo,yo,zo)で表した座標値および輝度値、指示部16を介して指示された再生像の平行移動、回転または拡大/縮小に関する情報、ならびに、視点位置検出器15により検出された視点1の変位量を入力して、 Affine transformation unit 22, each vertex of the object coordinate system of the polygonal planar body stored in the data storage unit 21 (xo, yo, zo) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed in, it is instructed via the instructing unit 16 translation of the reproduced image, information about the rotation or enlargement / reduction, and, by entering the amount of displacement of the view 1 that is detected by the viewpoint position detector 15,
【数6】 [6]
なる演算を行って、多角形平面体の各頂点を視点座標系(xe,ye,ze)で表した座標値を出力する。 Calculating a go made, each vertex of the polygon flat body viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) and outputs the coordinate values ​​expressed in.
【0042】 [0042]
ここで、行列Tdは、再生像を平行移動させるためのものであり、行列Trxは、再生像をxo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Tryは、再生像をyo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Trzは、再生像をzo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Tsは、再生像を拡大/縮小させるためのものである。 Here, the matrix Td is for translating the reproduced image, matrix Trx is for rotating the reproduced image around the xo axis, matrix Try is about the yo axis reproduced image is intended to rotate in the matrix Trz is for rotating the reproduced image around the zo axis, matrix Ts is for to expand / reduce the reproduced image.
【0043】 [0043]
指示部16より入力された再生像のxo,yo,zo軸方向それぞれの平行移動量をtx,ty,tzそれぞれとし、xo,yo,zo軸それぞれの回りの回転量をrx,ry,rzそれぞれとし、xo,yo,zo軸方向それぞれの拡大縮小率をsx,sy,szそれぞれとする。 Instruction unit 16 has been reproduced image input from xo, yo, tx amount of translation of each zo-axis direction, ty, and each tz, xo, yo, rx the zo axis rotation amount of each around, ry, rz, respectively and then, xo, yo, sx a zo-axis direction of the scaling factor, sy, and respectively sz. また、視点位置検出器15により検出された視点1のxe,ye,ze軸方向それぞれの変位量をΔex,Δey,Δezそれぞれとする。 Further, the viewpoint position detector 15 of the view 1 that is detected by xe, ye, the ze axis direction of displacement Derutaex,? Ey, respectively Derutaez. このとき、行列Td,Trx,Try,TrzおよびTsそれぞれは以下のように表される。 In this case, the matrix Td, Trx, the Try, respectively Trz and Ts is expressed as follows.
【0044】 [0044]
すなわち、行列Tdは、 In other words, the matrix Td is,
【数7】 [Equation 7]
で表される。 In represented.
【0045】 [0045]
行列Trxは、 Matrix Trx is,
【数8】 [Equation 8]
で表される。 In represented.
【0046】 [0046]
行列Tryは、 Matrix Try is,
【数9】 [Equation 9]
で表される。 In represented.
【0047】 [0047]
行列Trzは、 Matrix Trz is,
【数10】 [Number 10]
で表される。 In represented.
【0048】 [0048]
また、行列Tsは、 In addition, the matrix Ts is,
【数11】 [Number 11]
で表される。 In represented.
【0049】 [0049]
透視変換部23は、アフィン変換部22から出力された多角形平面体の各頂点を視点座標系(xe,ye,ze)で表した座標値および輝度値を入力し、 Perspective transformation unit 23 receives each vertex a viewpoint coordinate system of the polygonal planar body that is outputted from the affine transformation unit 22 (xe, ye, ze) of the coordinate values ​​and luminance values, expressed in,
【数12】 [Number 12]
なる変換式で表される透視変換を行って、多角形平面体の各頂点をスクリーン座標系(x,y,z) で表した座標値および輝度値を出力する。 Performing perspective transformation represented by the conversion formula comprising, outputting the coordinate values ​​and brightness values ​​expressed in the vertices of the polygon flat body screen coordinate system (x, y, z).
【0050】 [0050]
内部座標値発生部24は、透視変換部23から出力された多角形平面体の各頂点をスクリーン座標系(x,y,z) で表した座標値および輝度値を入力し、その多角形平面体の内部の全ての点の x,y,z座標値それぞれを順次に発生して出力し、また、輝度値をシェーディング処理やビットマップ処理して出力する。 Internal coordinate value generating portion 24, each vertex of the screen coordinate system of the polygonal planar body that is output from the perspective transformation unit 23 (x, y, z) enter the coordinate values ​​and luminance values, expressed in, the polygon plane body all points x within the, y, and outputs sequentially generating z-coordinate values, respectively, also outputs the brightness value shading process or bitmap processing on. この多角形平面体の内部の全ての点の座標値の発生に際しては、多角形平面体を構成する複数の多角形平面それぞれを適宜2分割し、それぞれの端の2点を順次更新し、その2点の座標値の差を(Δx,Δy,Δz) をスクリーン座標系上のホログラムのピッチで除算したものを定数として逐次加算し、内部の全ての画素の x,y,z座標値を求める。 The time of occurrence of the coordinate values ​​of all the points inside the polygon planar body is a plurality of polygons planes constituting a polygon planar body suitably 2 divided, sequentially updates the two points of each end, the the difference between the coordinate values ​​of two points (Δx, Δy, Δz) sequentially adding as constant divided by the pitch of the hologram on the screen coordinate system, determine x of all pixels inside, y, z coordinate values .
【0051】 [0051]
なお、本実施形態は、透視変換部23の後段に内部座標値発生部24を設けて、多角形平面体の各頂点それぞれについてのみ透視変換するものであるが、視点座標系における直線は透視変換後でもスクリーン座標系における直線となるので、内部座標値発生部24の後段に透視変換部23を設けてもよい。 The present embodiment is provided with an internal coordinate value generator 24 downstream of the perspective transformation unit 23, but in which only perspective transformation for each of the vertices of the polygon planar body, straight in the viewpoint coordinate system is perspective transformation since a straight line in the screen coordinate system even after, it may be provided perspective transformation unit 23 downstream of the internal coordinate value generator 24.
【0052】 [0052]
スクリーン座標値発生部25は、スクリーン座標系における x,y平面上の全ての点の x,y座標値それぞれを順次に発生し出力する。 Screen coordinate value generating portion 25, x in the screen coordinate system, x of all points on the y plane, sequentially generates output y coordinate values, respectively.
【0053】 [0053]
アドレス選択部26は、内部座標値発生部24から出力された x,y座標値と、スクリーン座標値発生部25から出力された x,y座標値とを入力し、それらの何れか一方を選択して出力する。 Address selecting unit 26 selects the x, y coordinate values ​​output from the internal coordinate value generator 24, x output from screen coordinate value generating portion 25 inputs the y coordinate value, either of them to and output. このアドレス選択部26から出力された x,y座標値は、輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれにアドレスとして入力する。 x, y coordinate values ​​output from the address selector 26 is inputted as an address to each luminance value memory 27 and a distance memory 28.
【0054】 [0054]
輝度値メモリ27は、内部座標値発生部24から出力された輝度値を、アドレス選択部26から出力された x,y座標値で示されるアドレスに記憶する。 Luminance value memory 27 stores the luminance value outputted from the internal coordinate value generator 24, x output from the address selector 26, the address indicated by the y coordinate values. 距離メモリ28は、内部座標値発生部24から出力された z座標値を、アドレス選択部26から出力された x,y座標値で示されるアドレスに記憶する。 The distance memory 28 stores z-coordinate values ​​output from the internal coordinate value generator 24, x output from the address selector 26, the address indicated by the y coordinate values. また、輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれは、二重バンク構造となっており、一方のバンクでその記憶内容を更新し、同時に、他方のバンクでその記憶内容を読み出すことができる。 Also, each luminance value memory 27 and a distance memory 28 has a double bank structure, and updates the stored contents in one bank, at the same time, it is possible to read out the stored content in the other bank.
【0055】 [0055]
すなわち、アドレス選択部26は、内部座標値発生部24から出力された x,y座標値を、輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれの一方のバンクの更新記憶時のアドレスとし、スクリーン座標値発生部25から出力された x,y座標値を、他方のバンクの読出時のアドレスとする。 That is, the address selector 26, x output from the internal coordinate value generator 24, a y-coordinate value, the address at the time of updating and storing the one bank of each luminance value memory 27 and a distance memory 28, a screen coordinate value generator x output from the section 25, the y-coordinate value, an address in reading the other bank.
【0056】 [0056]
距離比較部29は、アドレス選択部26から出力された x,y座標値で示されるアドレスに距離メモリ28が既に記憶している z座標値と、内部座標値発生部24から新たに出力された z座標値とを大小比較する。 Distance comparing section 29, and z-coordinate values ​​x output from the address selector 26, which address distance memory 28 indicated by the y-coordinate value has already been stored, the newly output from the internal coordinate value generator 24 and z coordinate values ​​for magnitude comparison. そして、距離比較部29は、後者の値が大きい(すなわち、視点1に近い)と判断した場合には、輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれに対して書込許可信号を出力し、内部座標値発生部24から新たに出力された輝度値および z座標値それぞれを更新記憶することを指示する。 Then, the distance comparing section 29, the latter value is large (i.e., closer to the viewpoint 1) when it is determined that outputs a write enable signal for each luminance value memory 27 and a distance memory 28, internal coordinates instructing to update store each newly output luminance value and z-coordinate values ​​from the value generator 24. 距離比較部29は、この操作を多角形平面体の内部の全ての点について行う。 Distance comparing unit 29 performs for all points inside the polygonal planar body of this operation. なお、距離メモリ28は、初期状態においては、距離比較部29が書込許可信号を必ず出力し得る内容を全てのアドレスに記憶している。 The distance memory 28, in the initial state, the distance comparing unit 29 is stored in all the address contents may always output a write enable signal.
【0057】 [0057]
このようにして、多角形平面体の内部の全ての点について距離比較部29により内容が更新記憶された輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれは、zバッファ法に基づく陰面消去処理がなされた輝度値およびスクリーン座標系で表した z座標値それぞれを保持している。 In this way, the luminance content by the distance comparing unit 29 for all the points inside the polygon planar body is each update stored luminance value memory 27 and a distance memory 28, the hidden surface removal process based on the z-buffer method is made It holds the z-coordinate values ​​each expressed by a value and the screen coordinate system. そこで、輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれは、スクリーン座標値発生部25から出力されアドレス選択部26を経て到達した x,y座標値をアドレスとして順次入力し、そのアドレスに記憶されている輝度値および z座標値それぞれを順次出力する。 Therefore, each luminance value memory 27 and a distance memory 28, x has been reached through the address selector 26 is output from the screen coordinate value generating portion 25, sequentially inputs the y-coordinate value as an address, the brightness stored in the address sequentially outputs the respective values ​​and z coordinate values.
【0058】 [0058]
逆透視変換部30は、スクリーン座標値発生部25から出力された x,y座標値、ならびに、その xy座標値に応じて輝度値メモリ27および距離メモリ28それぞれから出力された輝度値および z座標値それぞれを入力し、 Inverse perspective transformation unit 30, x output from screen coordinate value generating portion 25, y coordinate values, and the luminance value and z coordinates output from each luminance value memory 27 and the distance memory 28 in accordance with the xy coordinates enter each value,
【数13】 [Number 13]
なる変換を行って、視点座標系(xe,ye,ze)で表された座標値に逆透視変換する。 Performing consisting conversion, viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) is inverse perspective transformation to the coordinate value represented by.
【0059】 [0059]
さらに、ホログラム座標変換部31は、逆透視変換部30から出力された視点座標系(xe,ye,ze)で表された座標値および輝度値を入力し、 Further, the hologram coordinate conversion unit 31 inputs the viewpoint coordinate system output from the inverse perspective transformation unit 30 (xe, ye, ze) of the coordinate values ​​and luminance values ​​represented by,
【数14】 [Number 14]
なる変換を行って、ホログラム座標系(xh,yh,zh)で表された座標値に変換する。 Performing made conversion to transform hologram coordinate system (xh, yh, zh) to the coordinate value represented by.
【0060】 [0060]
そして、ホログラム計算部32は、ホログラム座標変換部31から出力されたホログラム座標系(xh,yh,zh)で表された座標値および輝度値を入力し、これらのデータに基づいて波面伝搬の計算を行い、空間光変調素子13の位置における波面すなわちホログラムデータを計算する。 The hologram calculation unit 32, an output hologram coordinate system from the hologram the coordinate conversion unit 31 inputs (xh, yh, zh) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed in the calculation of the front propagation based on these data It was carried out to calculate the wavefront i.e. hologram data at the position of the spatial light modulator 13. この波面計算に際して、虚像を再生する場合には、フレネル変換法や球面波法を用いて空間光変調素子13上の波面を求め、実像を再生する場合には、フレネル逆変換法や球面波法による計算の後に複素共役をとって空間光変調素子13上の波面を求め、これをホログラムデータとする。 In this wavefront computation, in case of reproducing the virtual image, obtains the wave front of the spatial light modulator 13 using the Fresnel transform method and spherical wave method, when reproducing a real image, the Fresnel inverse transform method and spherical wave method obtains the wavefront on the spatial light modulator 13 takes the complex conjugate after calculation by, this is the hologram data. また、ホログラム計算部32は、振幅および位相の双方または一方の変調が可能な空間光変調素子13に、このホログラムデータを表示する。 Further, the hologram calculation unit 32, the spatial light modulator 13 which can be either or both of the modulation of the amplitude and phase, and displays the hologram data. そして、空間光変調素子13は、光源11から出力されたレーザ光がコリメータ12を介して照射されると、物体の実像または虚像を再生する。 The spatial light modulator 13, the laser light output from the light source 11 is irradiated via the collimator 12, to reproduce a real image or virtual image of the object.
【0061】 [0061]
以上のように、本実施形態に係る計算機ホログラム表示装置では、多角形平面体の各頂点の座標値および輝度値は、データ記憶部21により、物体座標系(xo,yo,zo)で表されて予め記憶されており、アフィン変換部22により、平行移動、回転、拡大/縮小および視点追従がなされて視点座標系(xe,ye,ze)で表され、透視変換部23により透視変換されてスクリーン座標系(x,y,z) で表される。 As described above, in the computer generated hologram display apparatus according to the present embodiment, coordinate values ​​and luminance values ​​of each vertex of the polygon planar body is the data storage unit 21, represented in the object coordinate system (xo, yo, zo) is stored in advance Te, the affine transformation unit 22, translation, rotation, enlargement / reduction and the viewpoint follow are made viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) is represented by, are perspective transformed by the perspective transform unit 23 screen coordinate system (x, y, z) is represented by. さらに、内部座標値発生部24、選択部26、輝度値メモリ27、距離メモリ28および距離比較部29により、zバッファ法に基づく陰面消去処理が施され、その陰面消去処理がなされた後の座標値および輝度値は、距離メモリ28のアドレス( x,y座標値)およびその記憶内容( z座標値)ならびに輝度値メモリ27の記憶内容として保持される。 Furthermore, internal coordinate value generator 24, the selection unit 26, the luminance value memory 27, the distance memory 28 and the distance comparing section 29, hidden surface removal process based on the z-buffer method is performed, the coordinates after the hidden surface removal process has been performed values ​​and luminance values, the address of the distance memory 28 (x, y-coordinate value) and the stored contents (z coordinate value) and is held as stored content of the luminance value memory 27. 陰面消去処理後の座標値および輝度値は、スクリーン座標値発生部25により距離メモリ28および輝度値メモリ27から読み出され、逆透視変換部30により視点座標系(xe,ye,ze)に逆透視変換され、ホログラム座標変換部31によりホログラム座標系(xh,yh,zh)に変換され、ホログラム計算部32により波面計算がなされてホログラムデータが計算される。 Coordinate values ​​and brightness values ​​after hidden surface removal process is read out from the distance memory 28 and the luminance value memory 27 by the screen coordinate value generator 25, the inverse perspective transformation unit 30 viewpoint coordinate system (xe, ye, ze) conversely perspective transformed, the hologram coordinate system by the hologram coordinate conversion unit 31 converts (xh, yh, zh), the hologram data is calculated wavefront calculation is performed by the hologram calculation unit 32. そして、このホログラムデータに基づいて空間光変調素子13にホログラムが形成され、光源11から出射された可干渉光が空間光変調素子13に照射されると物体像(実像および虚像の何れか)が再生される。 The hologram spatial light modulator 13 based on the hologram data is formed, the coherent light emitted from the light source 11 is irradiated to the spatial light modulator 13 object image (either real or virtual) of It is played.
【0062】 [0062]
このように、zバッファ法を採用したことにより、従来技術に比べて計算量が少ないので、短時間にホログラムを計算することができる。 Thus, by employing the z-buffer method, since the small amount of calculation as compared with the prior art, it is possible to calculate the hologram in a short time. したがって、再生像の平行移動、回転または拡大/縮小をスムーズに行うことができ、また、高速に視点追従することができる計算機ホログラム表示装置を実現することができる。 Thus, translation of the reproduced image, the rotation or enlargement / reduction can be carried out smoothly, also, it is possible to realize a computer-generated hologram display device capable of viewpoint follow the high speed.
【0063】 [0063]
(第2の実施形態) (Second Embodiment)
次に、第2の実施形態について説明する。 Next, a second embodiment will be described. 図3は、第2の実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の構成図である。 Figure 3 is a block diagram of a computer generated hologram display according to the second embodiment. 本実施形態は、zバッファ法を採用し、上述の透視変換を行うが、光学系を工夫して逆透視変換を行うことなく、ホログラムを計算し表示するものである。 This embodiment employs a z-buffer method, performs the perspective transformation described above, without performing an inverse perspective transformation by devising an optical system, it is for displaying computed holograms.
【0064】 [0064]
この計算機ホログラム表示装置における表示部の構成ならびに各座標系について先ず説明する。 First a description will be given of the configuration and the coordinate system of the display unit in the computer generated hologram display. この表示部は、右視点1Rおよび左視点1Lそれぞれに対応して設けられている。 The display unit is provided for each right viewpoint 1R and left viewpoint 1L. 表示部のうち右視点1Rに対応する部分は、可干渉光であるレーザ光を出力する光源11Rと、そのレーザ光の光束径を拡げて平行光束とするコリメータ12Rと、その平行光束とされたレーザ光を反射させるミラー41Rと、ミラー41Rにより反射されたレーザ光を直線偏光にする偏光板42Rと、その直線偏光とされたレーザ光を参照波として入力し物体の実像を再生する空間光変調素子13Rと、空間光変調素子13Rから出力された光のうちの所定方位の直線偏光成分を透過させる偏光板43Rと、偏光板43Rから出力された光を入力し物体の虚像を結像するレンズ44Rと、その光を順次反射させ視点1Rに到達させるミラー45Rおよび46Rとを備えて構成されている。 Portion corresponding to the right viewpoint 1R of the display unit includes a light source 11R for outputting laser light which is coherent light, a collimator 12R to a parallel beam by expanding the beam diameter of the laser beam, which is its parallel light beam a mirror 41R for reflecting a laser beam, a spatial light modulator to reproduce a polarizing plate 42R that linearly polarized laser beam reflected by the mirror 41R, a real image of the object enter the laser beam and its linearly polarized reference wave element 13R and the polarizing plate 43R that transmits a linearly polarized light component in the predetermined direction of the light output from the spatial light modulator 13R, a lens for imaging the virtual image of the object enter the light output from the polarizer 43R and 44R, is constituted by a mirror 45R and 46R to reach the viewpoint 1R are sequentially reflects the light.
【0065】 [0065]
これらのうち、光源11R、コリメータ12R、ミラー41R、偏光板42R、空間光変調素子13R、偏光板43Rおよびレンズ44Rは、互いに一体にされ、位置が固定されている。 Of these, light sources 11R, collimator 12R, mirrors 41R, polarizing plates 42R, spatial light modulator 13R, polarizing plates 43R and a lens 44R are integral with one another, the position is fixed. 一方、ミラー45Rおよび46Rは、制御部14Rにより、視点位置検出器15Rにより検出された視点1Rの位置の情報に基づいて、レンズ44Rの焦点位置に視点1Rが存在するように制御される。 On the other hand, the mirror 45R and 46R by the control unit 14R, on the basis of the information of the position of the viewpoint 1R detected by the viewpoint position detector 15R, perspective 1R at the focal position of the lens 44R is controlled such that there.
【0066】 [0066]
表示部のうちの左視点1Lに対応する部分も、同様に、光源11Lと、コリメータ12Lと、ミラー41Lと、偏光板42Lと、空間光変調素子13Lと、偏光板43Lと、レンズ44Lと、ミラー45Lおよび46Lとを備えて構成されている。 Portion corresponding to the left view 1L in the display unit likewise, the light source 11L, a collimator 12L, a mirror 41L, a polarizing plate 42L, and the spatial light modulator 13L, and the polarizing plate 43L, and a lens 44L, It is constituted by a mirror 45L and 46L. また、同様に、これらのうち、光源11L、コリメータ12L、ミラー41L、偏光板42L、空間光変調素子13L、偏光板43Lおよびレンズ44Lは、互いに一体にされ、位置が固定されている。 Similarly, among these, the light source 11L, a collimator 12L, mirror 41L, the polarizing plate 42L, the spatial light modulator 13L, polarizing plates 43L and lens 44L are integral with one another, the position is fixed. 一方、ミラー45Lおよび46Lは、制御部14Lにより、視点位置検出器15Lにより検出された視点1Lの位置の情報に基づいて、レンズ44Lの焦点位置に視点1Lが存在するように制御される。 On the other hand, the mirror 45L and 46L by the control unit 14L, on the basis of the information of the position of the viewpoint 1L detected by the viewpoint position detector 15L, perspective 1L at the focal position of the lens 44L is controlled to present. これにより視域を拡大している。 This has expanded the viewing zone.
【0067】 [0067]
右視点1Rについての視点座標系(xer,yer,zer) は、右視点1Rを原点とし、レンズ44Rの光軸に平行であってレンズ44Rに向かう方向を zer軸とする。 Viewpoint coordinate system for the right viewpoint 1R (XER, yer, zer) is a right viewpoint 1R as the origin, the direction toward the lens 44R be parallel to the optical axis of the lens 44R and zer axis. また、同様に、左視点1Lについての視点座標系(xel,yel,zel) は、左視点1Lを原点とし、レンズ44Lの光軸に平行であってレンズ44Lに向かう方向を zel軸とする。 Similarly, the viewpoint coordinate system for the left viewpoint 1L (xel, yel, zel) is a left view 1L as an origin, a direction toward the lens 44L which is parallel to the optical axis of the lens 44L and Zel axis. 物体座標系(xo,yo,zo)は、再生されるべき物体の虚像に設定された座標系であり、右視点1Rについての視点座標系の zer軸方向と左視点1Lについての視点座標系の zel軸方向との交点を原点とし、右視点1Rと左視点1Lとの中点に向かう方向をzo軸とする。 Object coordinate system (xo, yo, zo) is a coordinate system set in the virtual image of the object to be reproduced, the viewpoint coordinate system for the right viewpoint 1R of the viewpoint coordinate system for the zer-axis direction and the left viewpoint 1L the intersection between zel axis as the origin, the direction toward the midpoint between the right viewpoint 1R and left view 1L and zo axis. ホログラム座標系(xhr,yhr,zhr) および(xhl,yhl,zhl) それぞれは、ホログラムが形成される空間光変調素子13Rおよび13Lそれぞれに設定された座標である。 Hologram coordinate system (xhr, yhr, ZHR) and (xhl, yhl, zhl) are each a set coordinates in each spatial light modulation element 13R and 13L hologram is formed. 本実施形態では、ワールド座標系と物体座標系とを同一のものとしている。 In the present embodiment, the a world coordinate system and the object coordinate system and the same thing. なお、これらの座標系は全て実空間上のものである。 Incidentally, those on all these coordinate systems real space.
【0068】 [0068]
右視点1Rと左視点1Lとの間の距離は、初期状態では距離Wであるものとする。 The distance between the right viewpoint 1R and left viewpoint 1L shall in the initial state is the distance W. 空間光変調素子13Rとレンズ44Rとの距離をpとし、また、空間光変調素子13Lとレンズ44Lとの距離もpとする。 The distance between the spatial light modulator 13R and the lens 44R and p, also the p distance between the spatial light modulator 13L and the lens 44L. 物体座標系(xo,yo,zo)の原点から右視点1Rと左視点1Lとの中点までの距離をmとする。 Object coordinate system (xo, yo, zo) the distance from the origin to the midpoint between the right viewpoint 1R and left view 1L and m.
【0069】 [0069]
指示部16は、再生される物体の虚像の平行移動、回転または拡大/縮小を指示するものであり、例えば、キーボード、マウスまたはジョイスティック等が好適に用いられる。 Instruction unit 16, translation of the virtual image of the object to be reproduced, which instructs the rotation or enlargement / reduction, for example, a keyboard, a mouse or joystick or the like is preferably used. また、データ記憶部21は、再生すべき物体を表す多角形平面体の各頂点それぞれについて物体座標系(xo,yo,zo)で表した座標値および輝度値(色情報をも含む。以下同じ。)を記憶している。 The data storage unit 21, the object coordinate system with respect to each vertex of the polygon flat body representing the object to be reproduced (xo, yo, zo) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed by (including color information. Hereinafter the same .) stores.
【0070】 [0070]
このデータ記憶部21に記憶されている座標値および輝度値は、アフィン変換部22Rおよび22Lそれぞれに入力し、これ以降、右視点1Rおよび左視点1Lそれぞれに対応してホログラムが計算されるまでの処理は、互いに独立した構成により行われる。 Coordinate values ​​and brightness values ​​stored in the data storage unit 21 is input to each of the affine transformation unit 22R and 22L, henceforth until hologram is calculated corresponding to the respective right viewpoint 1R and left viewpoint 1L processing is performed by an independent configuration from each other. 以下では、先ず、右視点1Rに対応したホログラムを計算する構成について説明する。 In the following, first, a configuration of calculating the hologram corresponding to the right viewpoint 1R.
【0071】 [0071]
アフィン変換部22Rは、データ記憶部21に記憶されている多角形平面体の各頂点を物体座標系(xo,yo,zo)で表した座標値および輝度値、指示部16を介して指示された再生虚像の平行移動、回転または拡大/縮小に関する情報、ならびに、視点位置検出器15Rにより検出された右視点1Rの変位量を入力して、 Affine transformation unit 22R, each vertex of the object coordinate system of the polygonal planar body stored in the data storage unit 21 (xo, yo, zo) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed in, it is instructed via the instructing unit 16 translation of reproduction virtual image, information about the rotation or enlargement / reduction, and, by entering the displacement amount of the detected right viewpoint 1R by the viewpoint position detector 15R,
【数15】 [Number 15]
なる演算を行って、多角形平面体の各頂点を視点座標系(xer,yer,zer) で表した座標値を出力する。 Calculating a go made, each vertex of the polygon flat body viewpoint coordinate system (xer, yer, zer) and outputs the coordinate values ​​expressed in.
【0072】 [0072]
ここで、行列Trdは、再生虚像を平行移動させるためのものであり、行列Trrxは、再生虚像をxo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Trryは、再生虚像をyo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Trrzは、再生虚像をzo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Trsは、再生虚像を拡大/縮小させるためのものである。 Here, the matrix Trd is for translating the playback virtual image, matrix Trrx is for rotating the reproduced virtual images around the xo axis, matrix Trry is around the yo-axis play virtual image is intended to rotate in the matrix Trrz is for rotating the reproduced virtual images around the zo axis, matrix Trs is intended for expanding / reducing playing virtual image.
【0073】 [0073]
指示部16より入力された再生虚像のxo,yo,zo軸方向それぞれの平行移動量をtx,ty,tzそれぞれとし、xo,yo,zo軸それぞれの回りの回転量をrx,ry,rzそれぞれとし、xo,yo,zo軸方向それぞれの拡大縮小率をsx,sy,szそれぞれとする。 Instruction unit 16 of the input reproduced virtual image than xo, yo, tx amount of translation of each zo-axis direction, ty, and each tz, xo, yo, rx the zo axis rotation amount of each around, ry, rz, respectively and then, xo, yo, sx a zo-axis direction of the scaling factor, sy, and respectively sz. また、視点位置検出器15Rにより検出された右視点1Rの xer,yer,zer軸方向それぞれの変位量をΔerx,Δery,Δerz それぞれとする。 Further, the viewpoint position detector right viewpoint 1R detected by 15R XER, yer, a zer axis direction of displacement Δerx, Δery, respectively Derutaerz. このとき、行列Trd,Trrx,Trry,TrrzおよびTrsそれぞれは以下のように表される。 In this case, the matrix Trd, Trrx, Trry, respectively Trrz and Trs is expressed as follows.
【0074】 [0074]
すなわち、行列Trdは、 In other words, the matrix Trd is,
【数16】 [Number 16]
で表される。 In represented.
【0075】 [0075]
行列Trrxは、 Matrix Trrx is,
【数17】 [Number 17]
で表される。 In represented.
【0076】 [0076]
行列Trryは、 Matrix Trry is,
【数18】 [Number 18]
で表される。 In represented.
【0077】 [0077]
行列Trrzは、 Matrix Trrz is,
【数19】 [Number 19]
で表される。 In represented.
【0078】 [0078]
また、行列Trsは、 In addition, the matrix Trs is,
【数20】 [Number 20]
で表される。 In represented.
【0079】 [0079]
内部座標値発生部24Rは、アフィン変換部22Rから出力された多角形平面体の各頂点を視点座標系(xer,yer,zer) で表した座標値および輝度値を入力し、その多角形平面体の内部の全ての点の xer,yer,zer座標値それぞれを順次に発生して出力し、また、輝度値をシェーディング処理やビットマップ処理して出力する。 Internal coordinate value generating portion 24R, each vertex of the viewpoint coordinate system of the polygonal planar body that is outputted from the affine transformation unit 22R (xer, yer, zer) enter the coordinate values ​​and luminance values, expressed in, the polygon plane body xer of all points within the, yer, and outputs sequentially generates zer coordinate values ​​respectively, also outputs the brightness value shading process or bitmap processing on. この多角形平面体の内部の全ての点の座標値の発生に際しては、多角形平面体を構成する複数の多角形平面それぞれを適宜2分割し、それぞれの端の2点を順次更新し、その2点の座標を一旦実像変換し、その2点のホログラム座標系上での差を(Δxhr,Δyhr,Δzhr) をホログラムのピッチで除算したサンプリング数を計算してこれを分割定数とし、実像変換以前の視点座標系(xer,yer,zer) での差(Δxer,Δyer,Δzer) をその分割定数で除算し、これを定数として逐次加算し、内部の全ての画素の xer,yer,zer座標値を求める。 The time of occurrence of the coordinate values ​​of all the points inside the polygon planar body is a plurality of polygons planes constituting a polygon planar body suitably 2 divided, sequentially updates the two points of each end, the once real converts coordinates of two points, and the difference on the hologram coordinate system of the two points (Δxhr, Δyhr, Δzhr) and that this divided constants by calculating the number of samples divided by the pitch of the hologram, the real image conversion previous viewpoint coordinate system (xer, yer, zer) differences in (Δxer, Δyer, Δzer) divided by the dividing constant, which sequentially adds a constant, of all the pixels inside the XER, yer, zer coordinates determine the value.
【0080】 [0080]
実像変換部51Rは、内部座標値発生部24Rから出力された多角形平面体の内部の全ての点を視点座標系(xer,yer,zer) で表した座標値および輝度値を入力し、 Real image conversion unit 51R receives the internal coordinate value generating portion every respect the viewpoint coordinate system of the internal polygonal planar body that is output from the 24R (xer, yer, zer) coordinate values ​​and luminance values, expressed in,
【数21】 [Number 21]
なる変換を行う。 The made conversion is carried out. ここで、fは、レンズ44Rの焦点距離である。 Here, f is the focal length of the lens 44R. この実像変換で得られた x,y座標値それぞれは、ホログラム座標系(xhr,yhr,zhr) における xhr,yhr座標値それぞれと同一である。 x obtained in this real conversion, y coordinate values, respectively, the same as xhr, yhr coordinate values ​​respectively in the hologram coordinate system (xhr, yhr, zhr). なお、近軸領域では、ガウスの結像公式より、 In the paraxial region, than the official imaging Gaussian,
【数22】 [Number 22]
なる変換式により近似して変換してもよい。 It may be converted to approximate by comprising conversion formula.
【0081】 [0081]
ホログラム座標値発生部52Rは、ホログラム座標系(xhr,yhr,zhr) における xhr,yhr平面上の全ての点の xhr,yhr座標値それぞれを順次に発生し出力する。 Hologram coordinate value generating portion 52R is a hologram coordinate system (xhr, yhr, ZHR) xhr in, xhr of all points on yhr plane, sequentially generates output yhr coordinate values, respectively. 輝度値メモリ27Rおよび距離メモリ28Rそれぞれは、二重バンク構造となっており、一方のバンクでその記憶内容を更新し、同時に、他方のバンクでその記憶内容を読み出すことができる。 Each luminance value memory 27R and distance memories 28R, has a double bank structure, and updates the stored contents in one bank, at the same time, it is possible to read out the stored content in the other bank. 輝度値メモリ27Rおよび距離メモリ28Rそれぞれは、実像変換部51Rから出力された xhr,yhr座標値を更新記憶時のアドレスとして入力し、ホログラム座標値発生部52Rから出力された xhr,yhr座標値を読出時のアドレスとして入力する。 Each luminance value memory 27R and distance memories 28R, xhr output from the real image conversion unit 51R, enter the address for updating and storing the yhr coordinate values, xhr output from the hologram coordinate value generating portion 52R, the yhr coordinates to enter as an address at the time of reading. また、輝度値メモリ27Rは、実像変換部51Rから出力された輝度値を更新記憶し又は読み出し、距離メモリ28Rは、実像変換部51Rから出力された z座標値を更新記憶し又は読み出す。 The luminance value memory 27R updates stored luminance value outputted from the real image conversion unit 51R or reading distance memory 28R updates stored z coordinate values ​​output from the real image conversion unit 51R or read.
【0082】 [0082]
距離比較部29Rは、実像変換部51Rから出力された xhr,yhr座標値で示されるアドレスに距離メモリ28Rが既に記憶している z座標値と、実像変換部51Rから新たに出力された z座標値とを大小比較する。 Distance comparing unit 29R is, xhr output from the real image conversion unit 51R, and the z coordinate value address distance memory 28R already stored represented by yhr coordinate value, newly outputted z coordinate from the real image conversion unit 51R and the value for size comparison. そして、距離比較部29Rは、後者の値が大きい(すなわち、右視点1Rに近い)と判断した場合には、輝度値メモリ27Rおよび距離メモリ28Rそれぞれに対して書込許可信号を出力し、実像変換部51Rから新たに出力された輝度値および z座標値それぞれを更新記憶することを指示する。 Then, the distance comparing unit 29R, the latter value is larger (i.e., near the right viewpoint 1R) when it is determined that outputs a write enable signal for each luminance value memory 27R and distance memories 28R, real image instructing to newly updated and stored each output luminance value and z-coordinate value from the conversion unit 51R. 距離比較部29Rは、この操作を多角形平面体の内部の全ての点について行う。 Distance comparing unit 29R performs this operation for all the points inside the polygon planar body. なお、距離メモリ28Rは、初期状態においては、距離比較部29Rが書込許可信号を必ず出力し得る内容を全てのアドレスに記憶している。 The distance memory 28R is in the initial state, the distance comparing unit 29R are stored in all addresses the contents may always output a write enable signal.
【0083】 [0083]
このようにして、多角形平面体の内部の全ての点について距離比較部29Rにより内容が更新記憶された輝度値メモリ27Rおよび距離メモリ28Rそれぞれは、zバッファ法に基づく陰面消去処理がなされた輝度値および z座標値それぞれを保持している。 In this way, the brightness of all the contents by the distance comparing unit 29R for the points inside the polygon planar body is each update stored luminance value memory 27R and distance memories 28R, the hidden surface removal process based on the z-buffer method is made holding the respective values ​​and z coordinate values. そこで、輝度値メモリ27Rおよび距離メモリ28Rそれぞれは、ホログラム座標値発生部52Rから出力された xhr,yhr座標値をアドレスとして順次入力し、そのアドレスに記憶されている輝度値および z座標値それぞれを順次出力する。 Therefore, each luminance value memory 27R and distance memories 28R, xhr output from the hologram coordinate value generating portion 52R, sequentially inputs the yhr coordinate value as an address, each luminance value and z-coordinate values ​​stored in the address sequentially outputs.
【0084】 [0084]
そして、ホログラム計算部32Rは、ホログラム座標値発生部52Rから出力された xhr,yhr座標値、および、その xhr,yhr座標値をアドレスとして距離メモリ28Rおよび輝度値メモリ27Rそれぞれから読み出された z座標値および輝度値それぞれを入力し、 The hologram calculation unit 32R is, xhr output from the hologram coordinate value generating portion 52R, yhr coordinate values, and its xhr, read out from the respective distances memories 28R and the luminance value memory 27R as addresses yhr coordinate value z coordinate values ​​and luminance values ​​enter each,
【数23】 [Number 23]
なる演算を行って、入力した z座標値を、ホログラム座標系(xhr,yhr,zhr) 上の zhr座標値に変換する。 Performing becomes operational, it converts the z-coordinate value entered, the hologram coordinate system (xhr, yhr, ZHR) in ZHR coordinate value on. さらに、ホログラム計算部32Rは、これらのデータに基づいて波面伝搬の計算を行い、空間光変調素子13Rの位置における波面すなわちホログラムデータを計算する。 Further, the hologram calculation unit 32R performs calculation of front propagation based on these data to calculate the wavefront i.e. hologram data at the position of the spatial light modulator 13R. この波面計算に際して、フレネル変換法や球面波法を用いて空間光変調素子13R上の波面を求め、これをホログラムデータとする。 In this wavefront computation obtains the wavefront on the spatial light modulator 13R with Fresnel transform method and spherical wave method, which is referred to as hologram data. また、ホログラム計算部32Rは、振幅および位相の双方または一方の変調が可能な空間光変調素子13Rに、このホログラムデータを表示する。 Further, the hologram calculation unit 32R is a spatial light modulator 13R capable amplitude and phase one or both of the modulation, and displays the hologram data. そして、空間光変調素子13Rは、光源11Rから出力されたレーザ光がコリメータ12R等を介して照射されると、空間光変調素子13Rとレンズ44Rとの間に物体の実像を再生し、更に、レンズ44Rは、右視点1Rと左視点1Lとの交点の位置に物体の虚像を結像する。 The spatial light modulator 13R is, when the laser beam output from the light source 11R is irradiated through a collimator 12R or the like, reproduces the real image of the object between the spatial light modulator 13R and the lens 44R, further, lens 44R images the virtual image of the object at the position of intersection of the right viewpoint 1R and left viewpoint 1L.
【0085】 [0085]
次に、左視点1Lに対応したホログラムを計算する構成について説明する。 Next, a configuration of calculating the hologram corresponding to the left viewpoint 1L. アフィン変換部22Lは、データ記憶部21に記憶されている多角形平面体の各頂点を物体座標系(xo,yo,zo)で表した座標値および輝度値、指示部16を介して指示された再生虚像の平行移動、回転または拡大/縮小に関する情報、ならびに、視点位置検出器15Lにより検出された左視点1Lの変位量を入力して、 Affine transformation unit 22L, each vertex of the object coordinate system of the polygonal planar body stored in the data storage unit 21 (xo, yo, zo) coordinate values ​​and brightness values ​​expressed in, is instructed via the instructing unit 16 translation of reproduction virtual image has information on rotation or enlargement / reduction, and, by entering the amount of displacement of the left viewpoint 1L detected by the viewpoint position detector 15L,
【数24】 [Number 24]
なる演算を行って、多角形平面体の各頂点を視点座標系(xel,yel,zel) で表した座標値を出力する。 Calculating a go made, each vertex of the polygon flat body viewpoint coordinate system (xel, yel, zel) and outputs the coordinate values ​​expressed in.
【0086】 [0086]
ここで、行列Tldは、再生虚像を平行移動させるためのものであり、行列Tlrxは、再生虚像をxo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Tlryは、再生虚像をyo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Tlrzは、再生虚像をzo軸の回りに回転させるためのものであり、行列Tlsは、再生虚像を拡大/縮小させるためのものである。 Here, the matrix Tld is for translating the playback virtual image, matrix Tlrx is for rotating the reproduced virtual images around the xo axis, matrix Tlry is around the yo-axis play virtual image is intended to rotate in the matrix Tlrz is for rotating the reproduced virtual images around the zo axis, matrix Tls is intended for expanding / reducing playing virtual image.
【0087】 [0087]
指示部16より入力された再生虚像のxo,yo,zo軸方向それぞれの平行移動量をtx,ty,tzそれぞれとし、xo,yo,zo軸それぞれの回りの回転量をrx,ry,rzそれぞれとし、xo,yo,zo軸方向それぞれの拡大縮小率をsx,sy,szそれぞれとする。 Instruction unit 16 of the input reproduced virtual image than xo, yo, tx amount of translation of each zo-axis direction, ty, and each tz, xo, yo, rx the zo axis rotation amount of each around, ry, rz, respectively and then, xo, yo, sx a zo-axis direction of the scaling factor, sy, and respectively sz. また、視点位置検出器15Lにより検出された左視点1Lの xel,yel,zel軸方向それぞれの変位量をΔelx,Δely,Δelz それぞれとする。 Further, the viewpoint position detector left viewpoint 1L detected by 15L xel, yel, the zel axis direction of displacement Δelx, Δely, respectively Derutaelz. このとき、行列Tld,Tlrx,Tlry,TlrzおよびTlsそれぞれは以下のように表される。 In this case, the matrix Tld, Tlrx, Tlry, respectively Tlrz and Tls is expressed as follows.
【0088】 [0088]
すなわち、行列Tldは、 In other words, the matrix Tld is,
【数25】 [Number 25]
で表される。 In represented.
【0089】 [0089]
行列Tlrxは、 Matrix Tlrx is,
【数26】 [Number 26]
で表される。 In represented.
【0090】 [0090]
行列Tlryは、 Matrix Tlry is,
【数27】 [Number 27]
で表される。 In represented.
【0091】 [0091]
行列Tlrzは、 Matrix Tlrz is,
【数28】 [Number 28]
で表される。 In represented.
【0092】 [0092]
また、行列Tlsは、 In addition, the matrix Tls is,
【数29】 [Number 29]
で表される。 In represented.
【0093】 [0093]
内部座標値発生部24Lは、アフィン変換部22Lから出力された多角形平面体の各頂点を視点座標系(xel,yel,zel) で表した座標値および輝度値を入力し、その多角形平面体の内部の全ての点の xel,yel,zel座標値それぞれを順次に発生して出力し、また、輝度値をシェーディング処理やビットマップ処理して出力する。 Internal coordinate value generating portion 24L is, each vertex of the viewpoint coordinate system of the polygonal planar body that is outputted from the affine transformation unit 22L (xel, yel, zel) enter the coordinate values ​​and luminance values, expressed in, the polygon plane body xel of all points within the, yel, and outputs sequentially generates zel coordinate values ​​respectively, also outputs the brightness value shading process or bitmap processing on. この多角形平面体の内部の全ての点の座標値の発生に際しては、内部座標値発生部24Rにおける場合と同様にして行う。 Upon generation of the coordinate values ​​of all the points inside the polygon planar body is carried out in the same manner as in the internal coordinate value generating portion 24R.
【0094】 [0094]
実像変換部51Lは、内部座標値発生部24Lから出力された多角形平面体の内部の全ての点を視点座標系(xel,yel,zel) で表した座標値および輝度値を入力し、 Real image converting unit 51L receives the internal coordinate value generating portion every respect the viewpoint coordinate system of the internal polygonal planar body that is output from 24L (xel, yel, zel) coordinate values ​​and luminance values, expressed in,
【数30】 [Number 30]
なる変換を行う。 The made conversion is carried out. ここで、fは、レンズ44Lの焦点距離である。 Here, f is the focal length of the lens 44L. この実像変換で得られた x,y座標値それぞれは、ホログラム座標系(xhl,yhl,zhl) における xhl,yhl座標値それぞれと同一である。 x obtained in this real conversion, y coordinate values, respectively, the same as XHL, Yhl coordinate values ​​respectively in the hologram coordinate system (xhl, yhl, zhl). なお、近軸領域では、ガウスの結像公式より、 In the paraxial region, than the official imaging Gaussian,
【数31】 [Number 31]
なる変換式により近似して変換してもよい。 It may be converted to approximate by comprising conversion formula.
【0095】 [0095]
ホログラム座標値発生部52Lは、ホログラム座標系(xhl,yhl,zhl) における xhl,yhl平面上の全ての点の xhl,yhl座標値それぞれを順次に発生し出力する。 Hologram coordinate value generating portion 52L is, hologram coordinate system (xhl, yhl, zhl) xhl in, XHL of all points on Yhl plane, sequentially generates output Yhl coordinate values, respectively. 輝度値メモリ27Lおよび距離メモリ28Lそれぞれは、二重バンク構造となっており、一方のバンクでその記憶内容を更新し、同時に、他方のバンクでその記憶内容を読み出すことができる。 Each luminance value memory 27L and distance memories 28L, has a double bank structure, and updates the stored contents in one bank, at the same time, it is possible to read out the stored content in the other bank. 輝度値メモリ27Lおよび距離メモリ28Lそれぞれは、実像変換部51Lから出力された xhl,yhl座標値を更新記憶時のアドレスとして入力し、ホログラム座標値発生部52Lから出力された xhl,yhl座標値を読出時のアドレスとして入力する。 Each luminance value memory 27L and distance memories 28L, XHL output from the real image converting unit 51L, input as address for updating and storing the yhl coordinate values, XHL output from the hologram coordinate value generating portion 52L, the yhl coordinates to enter as an address at the time of reading. また、輝度値メモリ27Lは、実像変換部51Lから出力された輝度値を更新記憶し又は読み出し、距離メモリ28Lは、実像変換部51Lから出力された z座標値を更新記憶し又は読み出す。 The luminance value memory 27L updates stored luminance value outputted from the real image converting unit 51L or reading distance memory 28L updates stored z coordinate values ​​output from the real image converting unit 51L or read.
【0096】 [0096]
距離比較部29Lは、実像変換部51Lから出力された xhl,yhl座標値で示されるアドレスに距離メモリ28Lが既に記憶している z座標値と、実像変換部51Lから新たに出力された z座標値とを大小比較する。 Distance comparing unit 29L is, XHL output from the real image conversion unit 51L, and the z coordinate value address distance memory 28L is already stored represented by yhl coordinate value, newly outputted z coordinate from the real image conversion unit 51L and the value for size comparison. そして、距離比較部29Lは、後者の値が大きい(すなわち、左視点1Lに近い)と判断した場合には、輝度値メモリ27Lおよび距離メモリ28Lそれぞれに対して書込許可信号を出力し、実像変換部51Lから新たに出力された輝度値および z座標値それぞれを更新記憶することを指示する。 Then, the distance comparing unit 29L, the latter value is larger (i.e., close to the left viewpoint 1L) when it is determined that outputs a write enable signal for each luminance value memory 27L and distance memories 28L, real image instructing to newly updated and stored each output luminance value and z-coordinate value from the converting section 51L. 距離比較部29Lは、この操作を多角形平面体の内部の全ての点について行う。 Distance comparing unit 29L performs this operation for all the points inside the polygon planar body. なお、距離メモリ28Lは、初期状態においては、距離比較部29Lが書込許可信号を必ず出力し得る内容を全てのアドレスに記憶している。 The distance memory 28L, in the initial state, the distance comparing unit 29L is stored in all the address contents may always output a write enable signal.
【0097】 [0097]
このようにして、多角形平面体の内部の全ての点について距離比較部29Lにより内容が更新記憶された輝度値メモリ27Lおよび距離メモリ28Lそれぞれは、zバッファ法に基づく陰面消去処理がなされた輝度値および z座標値それぞれを保持している。 In this way, the brightness of all the contents by the distance comparing unit 29L for the points inside the polygon planar body is each update stored luminance value memory 27L and distance memories 28L, the hidden surface removal process based on the z-buffer method is made holding the respective values ​​and z coordinate values. そこで、輝度値メモリ27Lおよび距離メモリ28Lそれぞれは、ホログラム座標値発生部52Lから出力された xhl,yhl座標値をアドレスとして順次入力し、そのアドレスに記憶されている輝度値および z座標値それぞれを順次出力する。 Therefore, each luminance value memory 27L and distance memories 28L, XHL output from the hologram coordinate value generating portion 52L, sequentially inputs the yhl coordinate value as an address, each luminance value and z-coordinate values ​​stored in the address sequentially outputs.
【0098】 [0098]
そして、ホログラム計算部32Lは、ホログラム座標値発生部52Lから出力された xhl,yhl座標値、および、その xhl,yhl座標値をアドレスとして距離メモリ28Lおよび輝度値メモリ27Lそれぞれから読み出された z座標値および輝度値それぞれを入力し、 The hologram calculation unit 32L is, XHL output from the hologram coordinate value generating portion 52L, Yhl coordinate values, and its XHL, read out from the respective distances memories 28L and luminance value memory 27L as addresses Yhl coordinate value z coordinate values ​​and luminance values ​​enter each,
【数32】 [Number 32]
なる演算を行って、入力した z座標値を、ホログラム座標系(xhl,yhl,zhl) 上の zhl座標値に変換する。 Performing becomes operational, it converts the z-coordinate value entered, the hologram coordinate system (xhl, yhl, zhl) to ZHL coordinate value on. さらに、ホログラム計算部32Lは、これらのデータに基づいて波面伝搬の計算を行い、空間光変調素子13Lの位置における波面すなわちホログラムデータを計算する。 Further, the hologram calculation unit 32L performs calculation of front propagation based on these data to calculate the wavefront i.e. hologram data at the position of the spatial light modulator 13L. この波面計算に際して、フレネル変換法や球面波法を用いて空間光変調素子13L上の波面を求め、これをホログラムデータとする。 In this wavefront computation obtains the wavefront on the spatial light modulator 13L with Fresnel transform method and spherical wave method, which is referred to as hologram data. また、ホログラム計算部32Lは、振幅および位相の双方または一方の変調が可能な空間光変調素子13Lに、このホログラムデータを表示する。 Further, the hologram calculation unit 32L is the amplitude and phase or both the spatial light modulator 13L capable one modulation and displays the hologram data. そして、空間光変調素子13Lは、光源11Lから出力されたレーザ光がコリメータ12L等を介して照射されると、空間光変調素子13Lとレンズ44Lとの間に物体の実像を再生し、更に、レンズ44Lは、右視点1Rと左視点1Lとの交点の位置に物体の虚像を結像する。 The spatial light modulator 13L is, when the laser beam output from the light source 11L is irradiated through a collimator 12L, etc., to reproduce the real image of the object between the spatial light modulator 13L and the lens 44L, further, lens 44L images the virtual image of the object at the position of intersection of the right viewpoint 1R and left viewpoint 1L.
【0099】 [0099]
本実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の具体的な実施例としては、光源11R,11Lは、He−Neレーザ光源が用いられ、レンズ44R,44Lは、焦点距離30cmのものが用いられ、空間光変調素子13R,13Lは、TN型液晶表示素子(ソニー社製LCX012AL、画素数640×480画素、ピッチ41.4μm)が用いられ、レンズ44R,44Lの前側焦点面に置かれ、両面に偏光板が置かれる。 Specific examples of a computer generated hologram display apparatus according to the present embodiment, the light source 11R, 11L is the He-Ne laser light source is used, the lens 44R, 44L are used those of the focal length 30 cm, the spatial light modulation elements 13R, 13L are, TN type liquid crystal display device (manufactured by Sony Corp. LCX012AL, number 640 × 480 pixels pixel pitch 41.4Myuemu) is used, the lens 44R, placed at the front focal plane of 44L, polarizing plates on both sides It is placed. この場合、空間光変調素子13R,13Lそれぞれは、入射したレーザ光(参照波)の振幅および位相の双方を変調するものではないので、物体の再生虚像は共役像をも伴う。 In this case, the spatial light modulator 13R, 13L, respectively, because it is not intended to modulate both the amplitude and the phase of the incident laser beam (reference wave), reproducing a virtual image of the object is accompanied also a conjugate image.
【0100】 [0100]
この不要な共役像を以下のようにして除去する。 The unwanted conjugate image as follows to remove. 図4は、共役像の除去方法の説明図である。 Figure 4 is an explanatory view of a method of removing the conjugate image. なお、この図では、空間光変調素子13Rから右視点1Rに到るまでの光学系を簡略化して記してある。 In this drawing, it is marked by simplifying the optical system from the spatial light modulator 13R up to the right viewpoint 1R. 今、空間光変調素子13Rには、半円の余弦波ゾーンプレート60Rが書き込まれているものとし、可干渉光であるレーザ光(参照波)を左方から入力して、その光の振幅および位相の何れかを変調する。 Now, the spatial light modulator 13R, and shall semicircular cosine wave zone plate 60R is written by entering the laser beam is a coherent light (reference wave) from the left, the amplitude and the light to modulate any of the phase. この余弦波ゾーンプレート60Rによる再生像として、虚像71および実像72が得られる。 As playback image by the cosine wave zone plate 60R, the virtual image 71 and the real image 72 is obtained. 虚像71は、レンズ44Rの後側焦点面においては一方の半平面にあり、実像72は、他方の半平面にある。 Virtual image 71, in the back focal plane of the lens 44R located on one half-plane, real image 72 is in the other half-plane. そこで、レンズ44Rの後側焦点面に、0次光を遮光する0次光遮光マスク61Rと、一方の半平面について遮光する共役像遮光マスク62Rとを設け、そして、これらの背後に右視点1Rを置く。 Therefore, the back focal plane of the lens 44R, and 0-order light shielding mask 61R for shielding 0 order light, and a conjugate image blocking mask 62R for shielding the one half-plane is provided, and, right viewpoint 1R these behind the put. このようにすることにより、実像および虚像の一方を選択することができ、 in-line型に特有の共役像に因る再生像の劣化を防止することができる。 By doing so, it is possible to select one of the real image and virtual image, it is possible to prevent deterioration of the reproduced image due to specific conjugate image in in-line type. この図では、虚像71を除去するよう共役像遮光マスク62Rが配置されており、視点1Rからは、実像72のレンズ44Rによる虚像73のみが観察され得る。 In this figure, there is disposed a conjugate image blocking mask 62R to remove a virtual image 71, from the viewpoint 1R, only the virtual image 73 by the lens 44R of the real image 72 can be observed.
【0101】 [0101]
この手法を図3に示す構成に適用するには、再生すべき物体の表面の各輝点ごとに半円の余弦波ゾーンプレートを対応させて累積加算して空間光変調素子13Rおよび13Lそれぞれに表示すべきホログラムデータを作成し、右視点1Rの直前に0次光遮光マスク61Rと共役像遮光マスク62Rとを置き、左視点1Lの直前に0次光遮光マスク61Lと共役像遮光マスク62Lとを置けばよい。 To apply this technique to the configuration shown in FIG. 3 each spatial light modulator 13R and 13L are cumulatively added in correspondence with the cosine wave zone plate of semicircular each bright spot on the surface of the object to be reproduced the holographic recording data to be displayed, puts a 0-order light shielding mask 61R and the conjugate image blocking mask 62R immediately before the right viewpoint 1R, and 0-order light shielding mask 61L and conjugate image blocking mask 62L immediately before the left viewpoint 1L a good if you put.
【0102】 [0102]
以上のように、本実施形態に係る計算機ホログラム表示装置では、多角形平面体の各頂点の座標値および輝度値は、データ記憶部21により、物体座標系で表されて予め記憶されており、アフィン変換部22R,22Lにより、平行移動、回転、拡大/縮小および視点追従がなされて視点座標系で表される。 As described above, in the computer generated hologram display apparatus according to the present embodiment, coordinate values ​​and luminance values ​​of each vertex of the polygon planar body is the data storage unit 21 are stored in advance is represented by the object coordinate system, affine transformation unit 22R, the 22L, translation, rotation, enlargement / reduction and the viewpoint follow are represented by made be in the viewpoint coordinate system. さらに、内部座標値発生部24R,24Lおよび実像変換部51R,51Lにより、再生すべき物体の虚像を結像し得る実像が実空間上の座標系で求められ、輝度値メモリ27R,27L、距離メモリ28R,28Lおよび距離比較部29R,29Lにより、zバッファ法に基づく陰面消去処理が施され、その陰面消去処理がなされた後の座標値および輝度値は、距離メモリ28R,28Lのアドレスおよびその記憶内容ならびに輝度値メモリ27R,27Lの記憶内容として保持される。 Furthermore, internal coordinate value generating portion 24R, 24L and the real image conversion unit 51R, by 51L, the real image capable of imaging the virtual image of the object to be reproduced is determined in the coordinate system of the real space, the luminance value memory 27R, 27L, the distance memory 28R, 28L and the distance comparing unit 29R, the 29L, hidden surface removal process based on the z-buffer method is applied, the coordinate values ​​and brightness values ​​after the hidden surface removal process has been performed, the distance memory 28R, address 28L and stored contents and luminance value memory 27R, is retained as storage contents of 27L. 陰面消去処理後の座標値および輝度値は、ホログラム座標値発生部52R,52Lにより距離メモリ28R,28Lおよび輝度値メモリ27R,27Lから読み出され、ホログラム計算部32R,32Lにより波面計算がなされてホログラムデータが計算される。 Coordinate values ​​and brightness values ​​after hidden surface removal process, the hologram coordinate value generating portion 52R, the distance memory 28R by 52L, 28L and the luminance value memory 27R, is read from the 27L, the hologram calculation unit 32R, and wavefront computation is performed by 32L hologram data is calculated. そして、このホログラムデータに基づいて空間光変調素子13R,13Lにホログラムが形成され、光源11R,11Lから出射された可干渉光が空間光変調素子13R,13Lに照射されると実像が再生され、その実像に基づいてレンズ44R,44Lにより虚像が結像される。 The spatial light modulator 13R on the basis of the hologram data, hologram 13L is formed, the light source 11R, coherent light spatial light modulator 13R emitted from the 11L, the real image when irradiated to 13L are reproduced, lens 44R based on the real image, a virtual image is imaged by 44L.
【0103】 [0103]
このように、zバッファ法を採用したことにより、従来技術に比べて計算量が少ないので、短時間にホログラムを計算することができる。 Thus, by employing the z-buffer method, since the small amount of calculation as compared with the prior art, it is possible to calculate the hologram in a short time. したがって、再生虚像の平行移動、回転または拡大/縮小をスムーズに行うことができ、また、高速に視点追従することができる計算機ホログラム表示装置を実現することができる。 Thus, translation of the reproduced virtual images, rotation or enlargement / reduction can be carried out smoothly, also, it is possible to realize a computer-generated hologram display device capable of viewpoint follow the high speed. また、本実施形態では、空間光変調素子13R、13Lにより再生された実像をレンズ44R,44Lにより虚像に変換することにより、逆透視変換を不要としたので、第1の実施形態に比べて、さらに計算量が少ない。 Further, in the present embodiment, the spatial light modulator 13R, 13L lens real image reproduced by 44R, by converting the virtual image by 44L, since the unnecessary inverse perspective transformation, as compared with the first embodiment, Furthermore, the calculation amount is small.
【0104】 [0104]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る第1の計算機ホログラム表示装置によれば、再生すべき物体像は、透視変換手段により、透視変換されてスクリーン座標系で表現され、陰面消去手段により、そのスクリーン座標系で表された物体像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去される。 Above, as explained in detail, according to the first computer generated hologram display apparatus according to the present invention, the object image to be reproduced is the perspective transformation means, are perspective transformed is expressed in the screen coordinate system, the hidden-surface removal unit , erased hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint on the represented object image in the screen coordinate system. この陰面消去されたスクリーン座標系上の物体像は、逆透視変換手段により、逆透視変換されて実空間上の座標系で表現され、ホログラム計算手段により、この実空間上の座標系で表現された物体像に基づいて波面計算されてホログラムデータが求められる。 Object image on which the hidden surface erased screen coordinate system by the inverse perspective transformation means is expressed by the inverse perspective transformation to a real space on the coordinate system, by the hologram calculation unit, is expressed in the coordinate system on the real space It is the wavefront based on the object image calculation hologram data obtained on. そして、ホログラム形成手段により、このホログラムデータに基づいてホログラムが形成され、再生手段により、ホログラムに可干渉光が照射されて物体像が再生される。 Then, the hologram forming unit, the hologram is formed on the basis of the hologram data, the reproducing means, the object image coherent light is irradiated to the hologram is reproduced. このようにしたことにより、陰面消去処理のなされたホログラムを少ない計算量で短時間に求めることができる。 By this is done, it is possible to obtain in a short time with a small amount of calculation made hologram of hidden-surface removal processing. したがって、視点の変位に対応した物体像を表示する視点追従方式の場合や、平行移動、回転または拡大/縮小して物体像を表示する場合のように、ホログラムを高速に計算する必要がある場合に好適に適用できる。 Therefore, in the case of and perspectives tracking system used to display an object image which corresponds to the displacement of the viewpoint, translation, as in the case of displaying an object image rotation or enlargement / reduction and, if it is necessary to calculate the hologram fast It can be suitably applied to.
【0105】 [0105]
また、本発明に係る第2の計算機ホログラム表示装置によれば、実像変換手段により、レンズの焦点位置に置かれた視点から観たときに再生すべき物体像を結像し得る実像が実空間上の座標系で求められ、陰面消去手段により、その実像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去される。 Further, according to the second computer generated hologram display apparatus according to the present invention, the real image converting means, the real image capable of imaging an object image to be reproduced when viewed from the viewpoint placed at the focal point of the lens real space determined in the coordinate system of the above, the hidden surface removal means, it is erased hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint on that real image. ホログラム計算手段により、この陰面消去された実像に基づいて波面計算されてホログラムデータが求められ、ホログラム形成手段により、このホログラムデータに基づいてホログラムが形成される。 The hologram calculation unit, the hidden surface based on the erased real been wavefront calculated hologram data sought by the hologram forming means, a hologram based on the hologram data is formed. そして、再生手段により、ホログラムに可干渉光が照射されて実像が再生され、結像光学系により、再生手段により再生された実像に基づいて物体像が結像される。 Then, the reproducing means, a real image is irradiated coherent light is reproduced hologram, the image forming optical system, the object image is formed on the basis of the real image which is reproduced by the reproducing means. この場合には、第1の計算機ホログラム表示装置と比べて更に少ない計算量で短時間に、陰面消去処理のなされたホログラムを求めることができるので、視点追従方式の場合や平行移動、回転または拡大/縮小して表示する場合に適用するのに更に好適である。 In this case, the short time even smaller amount of calculation as compared with the first computer generated hologram display apparatus, it is possible to determine the achieved hologram of hidden surface removal process, or when the parallel movement of the viewpoint tracking system, rotating or larger / it is more suitable for applications when the reduced and displayed.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】逆透視変換を不要とする光学系の説明図である。 FIG. 1 is an explanatory view of an optical system which does not require the inverse perspective transformation.
【図2】第1の実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の構成図である。 2 is a block diagram of a computer generated hologram display according to the first embodiment.
【図3】第2の実施形態に係る計算機ホログラム表示装置の構成図である。 3 is a block diagram of a computer generated hologram display according to the second embodiment.
【図4】共役像の除去方法の説明図である。 4 is an explanatory diagram of a method of removing the conjugate image.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
1,1R,1L…視点、2…レンズ、3…空間光変調素子、4…再生実像、5…再生虚像、10…表示部、11,11R,11L…光源、12,12R,12L…コリメータ、13,13R,13L…空間光変調素子、14,14R,14L…制御部、15,15R,15L…視点位置検出器、16…指示部、21…データ記憶部、22,22R,22L…アフィン変換部、23…透視変換部、24…内部座標値発生部、25…スクリーン座標値発生部、26…アドレス選択部、27,27R,27L…輝度値メモリ、28,28R,28L…距離メモリ、29,29R,29L…距離比較部、30…逆透視変換部、31…ホログラム座標変換部、32,32R,32L…ホログラム計算部、41R,41L…ミラー、42R,42L,43 1,1R, 1L ... viewpoint, 2 ... lens, 3 ... spatial light modulator, 4 ... reproduction real image, 5 ... playing virtual image, 10 ... display unit, 11,11R, 11L ... light source, 12,12R, 12L ... collimator, 13,13R, 13L ... spatial light modulator, 14,14R, 14L ... control unit, 15,15R, 15L ... viewpoint position detector, 16 ... instruction unit, 21 ... data storage unit, 22,22R, 22L ... affine transformation parts, 23 ... perspective transformation unit, 24 ... internal coordinate value generating portion, 25 ... screen coordinate value generating portion, 26 ... address selector, 27,27R, 27L ... luminance value memory, 28,28R, 28L ... distance memory, 29 , 29R, 29L ... distance comparing unit, 30 ... inverse perspective transformation unit, 31 ... hologram coordinate conversion unit, 32,32R, 32L ... hologram calculation unit, 41R, 41L ... mirror, 42R, 42L, 43 ,43L…偏光板、44R,44L…レンズ、45R,45L,46R,46L…ミラー、51R,51L…実像変換部、52R,52L…ホログラム座標値発生部。 , 43L ... polarizing plate, 44R, 44L ... lens, 45R, 45L, 46R, 46L ... mirror, 51R, 51L ... real conversion unit, 52R, 52L ... hologram coordinate value generating portion.

Claims (6)

  1. 再生すべき物体像を透視変換してスクリーン座標系で表現する透視変換手段と、 A perspective transformation unit that represented in the screen coordinate system by the perspective transformation of the object image to be reproduced,
    前記スクリーン座標系で表された前記物体像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去する陰面消去手段と、 A hidden surface removal means for erasing hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint on the object image represented by the screen coordinate system,
    前記陰面消去処理手段により陰面消去された前記スクリーン座標系上の前記物体像を逆透視変換して実空間上の座標系で表現する逆透視変換手段と、 And inverse perspective transformation unit that represented in hidden-surface erased the screen coordinate system on the coordinate system of the on real inversely perspective transformation of the object image space by the hidden surface removal processing means,
    前記逆透視変換手段により実空間上の座標系で表現された前記物体像に基づいて波面計算してホログラムデータを求めるホログラム計算手段と、 A hologram calculating means which calculates a hologram data by wavefront calculated based on the object image expressed in the coordinate system of the real space by the inverse perspective transformation means,
    前記ホログラムデータに基づいてホログラムを形成するホログラム形成手段と、 A hologram forming unit for forming a hologram based on said hologram data,
    前記ホログラムに可干渉光を照射して前記物体像を再生する再生手段と、 Reproducing means for reproducing the object image by irradiating a coherent light to said hologram,
    を備えることを特徴とする計算機ホログラム表示装置。 Computer generated hologram display apparatus comprising: a.
  2. 視点の位置または変位を検出する視点検出手段と、 And viewpoint detection means for detecting the position or displacement of the viewpoint,
    前記視点検出手段により検出された前記視点の位置または変位に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、 Based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means and the affine transformation means for affine transformation of an object image to be reproduced,
    前記視点検出手段により検出された前記視点の位置または変位に基づいて、前記再生手段の光軸を制御する制御手段と、 Based on the position or displacement of said detected viewpoint by said viewpoint detecting means, and control means for controlling the optical axis of the reproduction means,
    を更に備えることを特徴とする請求項1記載の計算機ホログラム表示装置。 Computer generated hologram display apparatus according to claim 1, further comprising a.
  3. レンズの焦点位置に置かれた視点から観たときに再生すべき物体像を結像し得る実像を実空間上の座標系で求める実像変換手段と、 A real image conversion means for obtaining a real image capable of imaging an object image to be reproduced when viewed from the viewpoint placed at the focal point of the lens in the coordinate system of the real space,
    前記実像上の各点と視点との間の距離に基づいて陰面消去する陰面消去手段と、 A hidden surface removal means for erasing hidden surface based on the distance between each point and the viewpoint on the real image,
    前記陰面消去処理手段により陰面消去された前記実像に基づいて波面計算してホログラムデータを求めるホログラム計算手段と、 A hologram calculating means which calculates a hologram data by wavefront calculated based on the real image erased hidden surface by the hidden surface removal processing means,
    前記ホログラムデータに基づいてホログラムを形成するホログラム形成手段と、 A hologram forming unit for forming a hologram based on said hologram data,
    前記ホログラムに可干渉光を照射して前記実像を再生する再生手段と、 Reproducing means for reproducing said real image by irradiating a coherent light to said hologram,
    前記レンズの結像機能と略同等の結像機能を有し、前記再生手段により再生された前記実像に基づいて前記物体像を結像する結像光学系と、 Has the imaging function substantially equal to the imaging function of the lens, and an optical system that images the object image on the basis of the real image reproduced by the reproducing means,
    を備えることを特徴とする計算機ホログラム表示装置。 Computer generated hologram display apparatus comprising: a.
  4. 視点の位置または変位を検出する視点検出手段と、 And viewpoint detection means for detecting the position or displacement of the viewpoint,
    前記視点検出手段により検出された前記視点の位置または変位に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、 Based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means and the affine transformation means for affine transformation of an object image to be reproduced,
    前記視点検出手段により検出された前記視点の位置または変位に基づいて、前記結像光学系の光軸を制御する制御手段と、 Based on the position or displacement of the viewpoint detected by the viewpoint detection means, and control means for controlling the optical axis of the imaging optical system,
    を更に備えることを特徴とする請求項3記載の計算機ホログラム表示装置。 Computer generated hologram display apparatus according to claim 3, further comprising a.
  5. 前記結像光学系は、 The imaging optical system,
    前記ホログラムとは反対側の焦点面上に配され、0次光を遮光する0次光遮光手段と、 Wherein the hologram is arranged on the focal plane on the opposite side, a zero-order light shielding means for shielding the 0 order light,
    前記ホログラムとは反対側の焦点面上に配され、前記再生手段により再生された前記実像の共役像の波面を遮光する共役像遮光手段と、 Wherein the hologram is arranged on the focal plane on the opposite side, a conjugate image shielding means for shielding the wave front of the conjugate image of the real image reproduced by the reproducing means,
    を備えることを特徴とする請求項3記載の計算機ホログラム表示装置。 Computer generated hologram display apparatus according to claim 3, characterized in that it comprises.
  6. 再生すべき物体像の平行移動、回転または拡大/縮小を指示する指示手段と、 And instruction means for instructing the translation, rotation, or enlargement / reduction of an object image to be reproduced,
    前記指示手段により指示された平行移動、回転または拡大/縮小に基づいて、再生すべき物体像をアフィン変換するアフィン変換手段と、 Translation instructed by the instruction means, based on the rotation or enlargement / reduction, and the affine transformation means for affine transformation of an object image to be reproduced,
    を更に備えることを特徴とする請求項1および請求項3の何れか1項に記載の計算機ホログラム表示装置。 Further computer generated hologram display apparatus according to any one of claims 1 and 3, characterized in that it comprises a.
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