JP7227095B2 - Hologram generation device and hologram generation method - Google Patents

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Description

本発明は、ホログラム生成装置およびホログラム生成方法に係り、特に、視点移動が発生する際の計算機合成ホログラムを、前フレームのホログラム面上の物体光波を再利用することで高速に生成するホログラム生成装置およびホログラム生成方法に関する。 The present invention relates to a hologram generation apparatus and a hologram generation method, and more particularly, a hologram generation apparatus that generates a computer-generated hologram at high speed by reusing an object light wave on the hologram surface of the previous frame when a viewpoint shifts. and a hologram generation method.

ホログラフィは、光の干渉・回折現象に基づいて、物体からの光(物体光)を記録・再生する立体表示技術であり、物体から放たれる光の波と、レーザーなどから照射される参照光とを干渉させ、干渉縞として物体光を記録することでホログラムが得られる。また、この干渉縞に再生照明光を照射することで、記録時の光を再現することができる。ホログラフィは、物体から放たれる光を忠実に再現できることから、人の3次元知覚の生理的要因を全て満たす理想的な3次元表示技術とされている。 Holography is a three-dimensional display technology that records and reproduces light from an object (object light) based on light interference and diffraction phenomena. A hologram is obtained by interfering with and recording the object light as interference fringes. In addition, by irradiating the interference fringes with reproduction illumination light, the light at the time of recording can be reproduced. Since holography can faithfully reproduce the light emitted from an object, it is regarded as an ideal three-dimensional display technology that satisfies all the physiological factors of human three-dimensional perception.

ホログラムは、電子計算機による計算によって作成することが可能であり、そのようなホログラムは計算機合成ホログラム(Computer Generated Hologram:CGH)と呼ばれる。CGHは、ホログラムの計算のために必要となる光波の伝搬や干渉などの計算を計算機内部で光波シミュレーションとして行い、干渉縞を画像などの電子データとして出力する技術である。 A hologram can be created by calculation using an electronic computer, and such a hologram is called a computer-generated hologram (CGH). CGH is a technology that calculates the propagation and interference of light waves necessary for hologram calculations as light wave simulation inside a computer, and outputs the interference fringes as electronic data such as images.

写真乾板などを用いて撮影するアナログのホログラムと比較すると、撮影のための複雑な光学系が不要であることや、液晶に表示するCGHを次々と切り替えていくことで動画化が容易に行えるなどの利点が存在するため、次世代のテレビやXR(AR/MR/VRなどの技術の総称)デバイスなどへの適用が期待されている。 Compared to analog holograms, which are shot using a photographic dry plate, etc., there is no need for a complicated optical system for shooting, and animation can be easily created by switching the CGH displayed on the liquid crystal one after another. Because of its advantages, it is expected to be applied to next-generation TVs and XR (a generic term for technologies such as AR/MR/VR) devices.

一方、広視野での視聴のためには、ピクセルピッチが光の波長オーダーの表示デバイスが必要となる点や、光波シミュレーションの計算時間が大きいことなど、解決すべき課題も多く存在していた。 On the other hand, there are many problems that need to be solved, such as the need for a display device with a pixel pitch on the order of the wavelength of light for wide-field viewing, and the long computation time required for light wave simulation.

非特許文献1には、CGのレイトレーシング法をベースとして、写実性の高いレンダリングを行うことが可能なCGHの計算手法が開示されている。加えて、非特許文献1には、視域を犠牲にすることで視野を拡大するフーリエ変換光学系 (Fourier Transform Optical System:FTOS) を用いて視野を拡大する技術が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a CGH calculation method capable of highly realistic rendering based on a CG ray tracing method. In addition, Non-Patent Document 1 discloses a technique for expanding the field of view using a Fourier Transform Optical System (FTOS) that expands the field of view by sacrificing the viewing zone.

これは、レンズを用いて視野を拡大する技術であるが、視域が犠牲になることから、ヘッドマウントディスプレイ (Head Mounted Display : HMD) 型デバイスのように、狭い視域でも視聴が可能で、ある程度、視点位置を固定できるシステムとの親和性が高いと考えられてきた。 This is a technology that expands the field of vision using a lens, but because it sacrifices the viewing zone, it is possible to view even in a narrow viewing zone like a head mounted display (HMD) type device. To some extent, it has been considered to have a high affinity with systems that can fix the viewpoint position.

図21は、視野と視域との違いを示した図であり、視野は、人間の眼で見ることが可能な範囲であり、視域は、映像等を視聴する際に、その映像を視聴することが可能な範囲(映像を視聴するにあたり、眼を移動させることができる範囲)である。 FIG. 21 is a diagram showing the difference between the visual field and the visual field. (the range in which the eyes can be moved when viewing an image).

しかしながら、非特許文献1の技術では、CGの計算法の中でも比較的計算時間が大きいとされるレイトレーシング法に基づくレンダリングを行うことに加えて、元々CGHでは光波シミュレーションの計算にも膨大な時間が必要となることから、生成処理時間が大きいという問題があった。 However, in the technique of Non-Patent Document 1, in addition to performing rendering based on the ray tracing method, which is said to take a relatively long calculation time among CG calculation methods, CGH originally takes a huge amount of time to calculate light wave simulation. is required, there is a problem that the generation processing time is long.

特に、HMD型のデバイスに適用すると、着用者が歩行などに応じて移動した場合に、その視点位置および向きに応じたCGHを毎回計算する必要がある。この点、非特許文献1の方式で計算することを考えた場合、僅かな視点の動きであっても、着用者の位置や向きが変わる度に毎回CGHを再計算しなければならず、非効率的であった。 In particular, when applied to an HMD type device, it is necessary to calculate the CGH according to the viewpoint position and direction each time when the wearer moves by walking or the like. In this regard, when considering calculation by the method of Non-Patent Document 1, even if the movement of the viewpoint is slight, the CGH must be recalculated every time the position or orientation of the wearer changes. was efficient.

非特許文献2では、非特許文献1の技術をHMD型のデバイスに適用することを想定し、着用者がわずかに視点の位置や向きを動かしたときの高速計算法を提案する。具体的には、非特許文献1で計算されるホログラム面上の物体光波の一部を再利用することで、次のフレームのCGHを高速計算する技術を提案している。この技術では、一定の近似による品質劣化はあるものの、前フレームの物体光波を再利用するため、光波伝搬に関する計算時間等を大幅に削減できる。 Non-Patent Document 2 assumes that the technique of Non-Patent Document 1 is applied to an HMD device, and proposes a high-speed calculation method when the wearer slightly moves the position or orientation of the viewpoint. Specifically, by reusing a portion of the object light wave on the hologram surface calculated in Non-Patent Document 1, a technique for high-speed calculation of the CGH of the next frame is proposed. In this technique, although there is quality deterioration due to a certain degree of approximation, since the object lightwave of the previous frame is reused, the calculation time and the like related to lightwave propagation can be greatly reduced.

T. Ichikawa, T. Yoneyama, and Y. Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013).T. Ichikawa, T. Yoneyama, and Y. Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013). R. Watanabe, K. Yamaguchi, and Y. Sakamoto, "Fast calculation method of computer generated hologram animation for viewpoint parallel shift and rotation using Fourier transform optical system," Appl. Opt. 55, A167-A177R. Watanabe, K. Yamaguchi, and Y. Sakamoto, "Fast calculation method of computer generated hologram animation for viewpoint parallel shift and rotation using Fourier transform optical system," Appl. Opt. 55, A167-A177 中村孝雅, 坂本雄児, "フーリエ変換光学系における異なるホログラムデータ計算法の比較・検証," 3次元画像コンファレンス2018, 1-1, (2018).Takamasa Nakamura, Yuji Sakamoto, "Comparison and verification of different hologram data calculation methods in Fourier transform optics," 3D Image Conference 2018, 1-1, (2018). Takuo Yoneyama, Eishin Murakami, Yuki Oguro, Hibiki Kubo, Kazuhiro Yamaguchi, Yuji Sakamoto, "Holographic head-mounted display with correct accommodation and vergence stimuli," Optical Engineering 57(6), 061619, (2018).Takuo Yoneyama, Eishin Murakami, Yuki Oguro, Hibiki Kubo, Kazuhiro Yamaguchi, Yuji Sakamoto, "Holographic head-mounted display with correct accommodation and vergence stimuli," Optical Engineering 57(6), 061619, (2018). Laurentini, A."The visual hull concept for silhouette based image understanding.", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 16, 150-162 (1994).Laurentini, A. "The visual hull concept for silhouette based image understanding.", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 16, 150-162 (1994). Ryosuke Watanabe, Takuya Sugawara, Yuji Sakamoto, "Fast calculation method of computer generated hologram using ray tracing method for Fourier transform optical system", 10th International Symposium on Display Holography, P-16, Jul. 2015.Ryosuke Watanabe, Takuya Sugawara, Yuji Sakamoto, "Fast calculation method of computer generated hologram using ray tracing method for Fourier transform optical system", 10th International Symposium on Display Holography, P-16, Jul. 2015.

非特許文献2では、一定の高速化効果と、品質劣化が少ないことが被験者実験を通して示されているものの、高速に計算できる視点の動きに制約があった。具体的には、視聴する物体に対して、奥行きが変わる方向に視点が移動(前後移動)すると、前フレームの物体光波を再利用できないことが非特許文献2の中で示唆されている。 In non-patent document 2, although it was demonstrated through experiments on subjects that there was a certain speed-up effect and little deterioration in quality, there were restrictions on the movement of the viewpoint that can be calculated at high speed. Specifically, Non-Patent Document 2 suggests that when the viewpoint moves (back and forth) in a direction in which the depth changes with respect to the viewed object, the object light wave of the previous frame cannot be reused.

近年、XRデバイスを装着した際に、対応できる動きの方向数をDoF (Degrees of Freedom)という言葉を用いて表現することがある。一般に、xyz軸方向の移動及びxyz軸周りの回転に対応することを6DoF (6 degrees of freedom) などと呼ぶが、非特許文献2では前後方向の高速化ができないため、5DoFの高速化アルゴリズムであると表現することもできる。 In recent years, the term DoF (Degrees of Freedom) is sometimes used to express the number of directions of movement that can be supported when wearing an XR device. In general, it is called 6DoF (6 degrees of freedom) to correspond to movement in the xyz axis direction and rotation around the xyz axis. It can also be expressed as

しかしながら、たとえ一方向であっても高速化できない動きが混在することは、少しでも前後移動が生じたときには全て非特許文献1の技術を用いて全て計算をやり直さなければならないことを意味しており、実用上の制約が非常に大きい。 However, even if it is in one direction, the movement that cannot be accelerated is mixed, which means that if there is even a slight forward or backward movement, the calculation must be redone using the technique of Non-Patent Document 1. , the practical constraints are very large.

加えて、非特許文献2では、前後移動を伴わない平行移動(本発明では、前後移動を伴わない平行移動のことを"平行移動"と表現する)を実施する際にも、歪みが生じることが示されている。非特許文献2では、物体が存在する奥行きを一点のみ指定し、その奥行きにある物体に関しては正しく平行移動させることができる。しかしながら、その指定した奥行きから、物体の位置が離れれば離れるほど、実際の平行移動量とは異なる移動となるため、奥行差があるようなシーンに関しては上手く平行移動のアルゴリズムを適用することができないという問題があった。 In addition, in Non-Patent Document 2, distortion occurs even when parallel movement without back-and-forth movement is performed (in the present invention, parallel movement without back-and-forth movement is expressed as "parallel movement"). It is shown. In Non-Patent Document 2, only one point of depth where an object exists can be specified, and the object at that depth can be translated correctly. However, the further away the position of the object from the specified depth is, the more the movement will differ from the actual translation amount, so the translation algorithm cannot be applied well to scenes with depth differences There was a problem.

本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、レンズにより視野拡大が可能な光学系においてCGHを計算する際、収束球面参照光波に基づく光波シミュレーション法を取り入れることにより、任意の視点移動において、物体光波の再利用によるCGHの高速計算を実現できるホログラム生成装置およびホログラム生成方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above technical problems, and when calculating CGH in an optical system that can expand the field of view with a lens, by incorporating a light wave simulation method based on a convergent spherical reference light wave, at any viewpoint movement, It is an object of the present invention to provide a hologram generation apparatus and a hologram generation method capable of realizing high-speed calculation of CGH by reusing object light waves.

上記の目的を達成するために、本発明は、レンズを用いて視野を拡大する光学系で使用されるホログラムを生成するホログラム生成装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。 In order to achieve the above objects, the present invention is characterized by having the following configuration in a hologram generating apparatus for generating a hologram used in an optical system that expands the field of view using a lens.

(1) ホログラム面上の物体光波の取得方式を視点移動に応じて画素ごとに「計算方式」および「再利用方式」のいずれかに決定する手段と、「計算方式」に決定された各画素に伝搬する物体光波を計算する手段と、「再利用方式」に決定された各画素に前フレームの対応画素の物体光波を再利用する手段と、各画素の物体光波および収束球面参照光波に基づいてホログラム面上での干渉縞を光波シミュレーションにより計算する手段とを具備した。 (1) Means for determining the acquisition method of the object light wave on the hologram surface to either the “calculation method” or the “reuse method” for each pixel according to the movement of the viewpoint, and each pixel determined by the “calculation method” means for reusing the object light wave of the corresponding pixel of the previous frame for each pixel determined by the "reuse method"; and based on the object light wave of each pixel and the converging spherical reference light wave and means for calculating the interference fringes on the hologram surface by light wave simulation.

(2) 取得方式を決定する手段は、視点の移動量が所定の閾値未満であれば再利用方式に決定し、所定の閾値以上であれば計算方式に決定するようにした。 (2) As for means for determining the acquisition method, the reuse method is determined when the movement amount of the viewpoint is less than a predetermined threshold, and the calculation method is determined when the amount is equal to or greater than the predetermined threshold.

(3) 再利用する手段は、視点の前後移動が検知されると、その移動方向に応じて前フレームの物体光波分布を拡縮して再利用するようにした。 (3) As for the means for reuse, when the forward and backward movement of the viewpoint is detected, the object light wave distribution of the previous frame is enlarged or reduced according to the movement direction and reused.

(4) 取得方式を決定する際の視点の移動量に関する閾値を、ホログラム面の中心からの距離が遠い画素ほど小さくした。 (4) The threshold for the amount of movement of the viewpoint when determining the acquisition method is made smaller for pixels that are farther from the center of the hologram plane.

(5) 取得方式を決定する際の視点の移動量に関する閾値を、視点からの距離が遠い物体からの光波を記録する画素ほど大きくした。 (5) We increased the threshold for the amount of movement of the viewpoint when determining the acquisition method for pixels that record light waves from objects farther away from the viewpoint.

(6) 物体光波分布の拡縮率を、ホログラム面から物体点光源までの距離に応じて可変とした。 (6) The scaling factor of the object light wave distribution is made variable according to the distance from the hologram surface to the object point light source.

(7) 取得方式を決定する手段は、視点の平行移動に応答して当該平行移動前と重なる平行移動後の画素領域を再利用方式に決定し、それ以外の画素領域を計算方式に決定するようにした。 (7) In response to the parallel movement of the viewpoint, the means for determining the acquisition method determines the reuse method for the pixel area after the parallel movement that overlaps with the area before the translation, and determines the other pixel areas for the calculation method. I made it

(8) 再利用する手段は、視点の回転移動により生じる光路差の違いにより生じる位相差を回転移動前の物体光波分布に乗算して回転移動後の物体光波分布として再利用するようにした。 (8) The means for reuse is to multiply the object light wave distribution before rotational movement by the phase difference caused by the difference in the optical path difference caused by the rotational movement of the viewpoint and reuse it as the object light wave distribution after rotational movement.

本発明によれば、以下のような効果が達成される。 According to the present invention, the following effects are achieved.

(1) レンズを用いて視野を拡大する光学系で使用されるホログラム(CGH)の生成装置において、前フレームで取得したホログラム面上の物体光波を視点移動に応じて移動、加工したうえで次フレームに再利用するにあたり、光波シミュレーションに用いる参照光に収束球面参照光波を用いたので、物体光波の再利用によるホログラムの高速計算を、その品質低下を抑えながら実現できるようになる。 (1) In a hologram (CGH) generation device used in an optical system that expands the field of view using a lens, the object light wave on the hologram surface acquired in the previous frame is moved and processed according to the movement of the viewpoint, and then the next Since the converging spherical reference light wave is used as the reference light used for the light wave simulation in reusing the frame, high-speed calculation of the hologram by reusing the object light wave can be realized while suppressing the quality deterioration.

(2) 視点の移動量が所定の閾値未満であり、「再利用方式」を採用しても視聴品質の劣化が小さいと推定される場合は「再利用方式」に決定するので、物体光波の再利用によるホログラムの高速計算を、その品質低下を抑えながら実現できるようになる。 (2) If the amount of movement of the viewpoint is less than a predetermined threshold and it is estimated that deterioration in viewing quality is small even if the "reuse method" is adopted, the "reuse method" is decided. High-speed calculation of reused holograms can be realized while suppressing deterioration in quality.

(3) 視点の前後移動が検知されると、その移動方向に応じて前フレームの物体光波分布を拡縮し、次フレームにおいて再利用するので、視点の前後移動を反映したホログラムを高速計算できるようになる。 (3) When the forward/backward movement of the viewpoint is detected, the object light wave distribution in the previous frame is enlarged or reduced according to the movement direction, and is reused in the next frame, so that the hologram reflecting the backward/backward movement of the viewpoint can be calculated at high speed. become.

(4) 視点の前後移動およびその移動量に応じて物体光波の生成方式を画素ごとに「計算方式」または「再利用方式」に決定する際、ホログラム面の中心からの距離が短い画素ほど、移動量が多くても「再利用方式」に決定するので、視点移動による劣化が少ない画素には次フレームの物体光波を再利用できる。したがって、ホログラム面全体で物体光波を再利用できる割合を高めることができ、視点の前後移動を反映したホログラムを高速計算できるようになる。 (4) When determining the generation method of the object light wave for each pixel according to the back and forth movement of the viewpoint and the amount of movement, the shorter the distance from the center of the hologram surface, the shorter the distance from the center of the hologram surface. Since the "reuse method" is determined even if the amount of movement is large, the object light wave of the next frame can be reused for pixels that are less deteriorated due to movement of the viewpoint. Therefore, it is possible to increase the rate of reuse of the object light wave on the entire hologram surface, and to perform high-speed calculation of the hologram reflecting the back and forth movement of the viewpoint.

(5) 取得方式を決定する際の視点の移動量に関する閾値を、視点からの距離が遠い物体 を表示する画素ほど大きくしたので、視点からの距離にかかわらず誤差の少ないホログラムを高速計算できるようになる。 (5) The threshold for the amount of movement of the viewpoint when determining the acquisition method is increased for pixels that display objects that are farther from the viewpoint. become.

(6) 視点の前後移動に対応した物体光波分布の拡縮率を、ホログラム面から物体点光源までの距離に応じて可変としたので、ホログラム面から物体点光源までの距離にかかわらず誤差の少ないホログラムを高速計算できるようになる。 (6) Since the expansion/contraction ratio of the object light wave distribution corresponding to the forward and backward movement of the viewpoint is made variable according to the distance from the hologram surface to the object point light source, there is little error regardless of the distance from the hologram surface to the object point light source. Holograms can be calculated at high speed.

(7) 視点の平行移動およびその移動量に応じて物体光波の生成方式を画素ごとに「計算方式」または「再利用方式」に決定する際、平行移動前と重なる平行移動後の画素領域は再利用方式に決定するので、移動量が少ないほど「再利用方式」に決定する画素の割合を高くしてホログラムの高速計算できるようになる。 (7) When determining the generation method of the object light wave for each pixel according to the parallel movement of the viewpoint and the amount of movement thereof, either the “calculation method” or the “reuse method”, the pixel area after the parallel movement that overlaps with the pixel area before the parallel movement is Since the reuse method is determined, the smaller the amount of movement, the higher the percentage of pixels determined to be the "reuse method", thereby enabling high-speed calculation of the hologram.

(8) 視点が回転移動すると、当該回転移動により生じる光路差の違いにより生じる位相差を回転移動前の物体光波分布に乗算して回転移動後の物体光波分布として再利用するので、視点の回転移動を反映したホログラムを高速計算できるようになる。 (8) When the viewpoint rotates, the object light wave distribution before the rotational movement is multiplied by the phase difference caused by the difference in the optical path difference caused by the rotational movement, and the object light wave distribution before the rotational movement is reused as the object light wave distribution after the rotational movement. High-speed calculation of holograms reflecting movement becomes possible.

本発明の一実施形態に係るCGH装置を適用したHMDの構成例を示した側面断面図である。1 is a side cross-sectional view showing a configuration example of an HMD to which a CGH device according to an embodiment of the invention is applied; FIG. 制御装置の主要部の構成を示した機能ブロック図である。3 is a functional block diagram showing the configuration of main parts of the control device; FIG. 視点の回転移動とホログラム面の回転移動との関係を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between rotational movement of a viewpoint and rotational movement of a hologram plane; レイトレーシング法によるレンダリング方法を示した図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) showing a rendering method based on the ray tracing method; レイトレーシング法によるレンダリング方法を示した図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) showing a rendering method based on the ray tracing method; ホログラム面の移動を説明した図である。FIG. 10 is a diagram explaining movement of a hologram surface; ホログラム面の平行移動を説明した図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) explaining parallel movement of the hologram surface; ホログラム面の回転的平行移動を説明した図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) explaining the rotational translation of the hologram plane; ホログラム面の回転移動を説明した図である。It is a figure explaining the rotational movement of a hologram surface. ホログラム面の前後移動を説明した図である。It is a figure explaining the back-and-forth movement of a hologram surface. ホログラム面の前後移動により生じる光路差を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an optical path difference caused by forward and backward movement of a hologram plane; 光路差の計算方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of an optical path difference. 物体光波分布を拡大縮小する際の課題を説明した図(その1)である。FIG. 2 is a diagram (part 1) explaining a problem when scaling an object light wave distribution; 物体光波分布を拡大縮小する際の課題を説明した図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) explaining a problem in scaling the object light wave distribution; 視点が後退した際に、見えてくる範囲が広がる例を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing an example in which a visible range expands when the viewpoint moves backward; 出力されるCGHの例を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of CGH to be output; ホログラム面の画素ごとに物体光波の生成方式を決定する手順を示したフローチャートである。10 is a flow chart showing a procedure for determining an object light wave generation method for each pixel on the hologram surface; 物体光波の生成方式を原理ベースで決定する手順を示したフローチャートである。4 is a flow chart showing a procedure for determining a method of generating an object light wave on a principle basis; 物体光波の生成方式を誤差ベースで決定する手順を示したフローチャートである。10 is a flow chart showing a procedure for determining an object light wave generation method on an error basis; 視点の前後移動が検知された際の物体光波の生成方式を模式的に示した図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing a method of generating an object light wave when forward and backward movement of a viewpoint is detected; 視野と視域との違いを示した図である。It is the figure which showed the difference between a visual field and a viewing zone.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るCGH生成装置を適用したHMDの主要部の構成例を示した側面断面図であり、ホログラム面を提供する表示デバイス5と、この表示デバイス5のホログラム面に配置されて視野を拡大する光学レンズ2と、再生照明光として球面波を照射する再生照明光源3と、ホログラム面と再生照明光源3との間の光軸O上に配置されたハーフミラー4と、表示デバイス5を駆動する制御回路1と、を左右一対として構成され、さらにカラー表示の際に再生照明光源3の発光色と対応するホログラムの表示タイミングとの同期を制御する同期回路(図示省略)を含む。支持部材6a,6b,6cは、各構成要素を所定に位置関係で視聴者(装着者)の頭部Hに固定する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a side cross-sectional view showing a configuration example of the main part of an HMD to which a CGH generation device according to one embodiment of the present invention is applied. An optical lens 2 arranged on the surface to expand the field of view, a reconstruction illumination light source 3 for irradiating spherical waves as reconstruction illumination light, and a half mirror arranged on the optical axis O between the hologram surface and the reconstruction illumination light source 3. 4 and a control circuit 1 for driving the display device 5 are configured as a left and right pair, and a synchronization circuit ( not shown). The support members 6a, 6b, and 6c fix each component to the head H of the viewer (wearer) in a predetermined positional relationship.

図2は、前記制御装置1の主要部の構成を示した機能ブロック図である。シーン設定部101は、CGHを作成するシーンの3DCG(3D Computer Graphics)を装置内に定義する。本実施形態では、シーン設定部101が3DCGの汎用フォーマットなどを入力として、シーンの3DCGを装置内の座標空間上に配置する。 FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of main parts of the control device 1. As shown in FIG. A scene setting unit 101 defines 3DCG (3D Computer Graphics) of a scene for creating CGH within the apparatus. In this embodiment, the scene setting unit 101 inputs a 3DCG general format or the like, and arranges the 3DCG of the scene on the coordinate space within the apparatus.

なお、視聴するシーンは必ずしも仮想物体に限定されず、例えば複数台のカメラで撮影した映像から、非特許文献5に開示された技術で再構成を行って生成した3DCGを用いてシーンを設定しても良い。このような技術を用いれば、実物体をCGHとして記録できるようになる。 The scene to be viewed is not necessarily limited to a virtual object. For example, a scene is set using 3DCG generated by reconstructing images captured by multiple cameras using the technology disclosed in Non-Patent Document 5. can be Using such technology, real objects can be recorded as CGH.

視点移動検知部102は、モーションセンサや加速度センサ(図示省略)を備え、これらのセンサ出力に基づいて視聴者の視点移動を検知する。方式決定部103は、主に視点移動検知部102による視点移動の検知結果に基づいて、ホログラム面の画素ごとに次フレームの物体光波の生成方式を「再利用方式」および「計算方式」のいずれかに決定する。 The viewpoint movement detection unit 102 includes a motion sensor and an acceleration sensor (not shown), and detects movement of the viewer's viewpoint based on outputs from these sensors. The method determining unit 103 selects the object light wave generation method for the next frame for each pixel on the hologram plane from either the “reuse method” or the “calculation method” based mainly on the result of the viewpoint movement detection performed by the viewpoint movement detection unit 102 . decide whether

「再利用方式」では、前フレームで生成した各画素の物体光波を次フレームの対応画素で再利用するので、物体光波伝搬に係る計算量を削減できる。「計算方式」では、従来通り画素ごとに物体光波が計算される。本実施形態では、視点の移動量が微小であれば「再利用方式」を採用することを原則として、画素ごとにいずれかの生成方式が決定される。なお、視聴する最初の1フレーム目に関しては、物体光波を再利用できる前フレームが存在しないので、全ての画素に関して必然的に「計算方式」の採用が決定される。 In the "reuse method", the object light wave of each pixel generated in the previous frame is reused in the corresponding pixel of the next frame, so the amount of calculation related to object light wave propagation can be reduced. In the "calculation method", the object light wave is calculated for each pixel as before. In this embodiment, one of the generation methods is determined for each pixel based on the principle that if the amount of movement of the viewpoint is small, the “reuse method” is adopted. As for the first frame to be viewed, since there is no previous frame in which the object light wave can be reused, adoption of the "calculation method" is inevitably determined for all pixels.

一方、前フレームで生成した物体光波を次フレームで再利用する際、本実施形態ではホログラム面の位置と移動検知に用いるセンサの位置とが異なることから、視点の回転移動が検知されたときに、ホログラム面を回転移動させることで物体光波を再利用しても視点の回転移動に対応したCGHを再現できない。 On the other hand, when the object light wave generated in the previous frame is reused in the next frame, since the position of the hologram surface and the position of the sensor used for movement detection are different in this embodiment, when a rotational movement of the viewpoint is detected, , CGH corresponding to the rotational movement of the viewpoint cannot be reproduced even if the object light wave is reused by rotating the hologram surface.

図1のように、拡大レンズ2を含む光学系を用いた場合、レンズの焦点距離fの位置付近に視点があることから、ホログラム面を回転移動させると、図3に示したように、ホログラム面を中心に距離fの円弧を描くように視点が移動してしまう。 As shown in FIG. 1, when an optical system including a magnifying lens 2 is used, the viewpoint is located near the focal length f of the lens. The viewpoint moves so as to draw an arc of distance f centered on the surface.

そこで、本実施形態では方式決定部103に移動変換部103aを設けている。移動変換部103aは、ホログラム面とセンサとの相対的な位置関係に基づいて、視点移動による視界の変化をホログラム面の移動((a)平行移動、(b)回転移動、(c)前後移動または各移動の組み合わせ)で再現できるように、検知された視点移動に対応した各移動(a),(b),(c)の組み合わせ決定し、移動の形態毎に移動量T(T1,T2,T3)を計算する。 Therefore, in this embodiment, the method determination unit 103 is provided with a movement conversion unit 103a. Based on the relative positional relationship between the hologram surface and the sensor, the movement conversion unit 103a converts the change in the field of view due to the movement of the viewpoint into movement of the hologram surface ((a) parallel movement, (b) rotational movement, (c) forward/backward movement). or a combination of each movement), the combination of each movement (a), (b), and (c) corresponding to the detected viewpoint movement is determined, and the movement amount T (T1, T2 , T3).

物体光波生成部104は、物体光波を「計算方式」により生成するためのレンダリング部401および光波伝搬計算部402、ならびに物体光波を「再利用方式」により生成する物体光波再利用部403を含む。 The object light wave generation unit 104 includes a rendering unit 401 and a light wave propagation calculation unit 402 for generating the object light wave by the "calculation method", and an object light wave reuse unit 403 for generating the object light wave by the "reuse method".

前記レンダリング部401は、方式決定部103が「計算方式」の採用を決定した次フレームの各画素に関して、シーン設定部101が定義したシーンのレンダリングを実施し、伝搬計算のための物体点光源を取得する。 The rendering unit 401 renders the scene defined by the scene setting unit 101 for each pixel of the next frame for which the method determination unit 103 has decided to adopt the “calculation method”, and selects an object point light source for propagation calculation. get.

本実施形態では、シーン設定部101が設定した3DCGのシーンに対して、視聴者の視点からの映像を再生できるようにシーンをレンダリングすべく、非特許文献1に開示されているような、要素ホログラムからのレイトレーシングに基づくレンダリング法を利用してシーンのレンダリングを行う。 In this embodiment, for the 3DCG scene set by the scene setting unit 101, in order to render the scene so that the video from the viewpoint of the viewer can be reproduced, elements such as those disclosed in Non-Patent Document 1 are used. The scene is rendered using a rendering method based on ray tracing from holograms.

このレンダリング法は、図4に示すように、ホログラム面を要素ホログラムと呼ばれる小領域に分割し、各小領域の中央から、CGの代表的なレンダリング技法の一つであるレイトレーシング法を用いてレンダリングを行う。 In this rendering method, as shown in Fig. 4, the hologram surface is divided into small areas called elemental holograms, and from the center of each small area, the ray tracing method, one of the representative rendering techniques for CG, is used. do the rendering.

レイトレーシング法は、ある一点から光線を飛ばし、その光線と交わるポリゴンの色で画面を着色することで、隠面消去やシェーディングなどを考慮した写実的なレンダリングを実現することができる技法である。本実施形態では、光線を飛ばした後に得られるポリゴンとの交点の位置及び色を、3次元の位置情報(x, y, z)および色情報(R, G, B)を持つ点として取得、記録する。物体が大きければ多数の点を取得できることから、レンダリング部401では対象シーンをある視点から見たときのPoint Cloudが得られる。 The ray tracing method is a technique that can realize realistic rendering that considers hidden surface removal, shading, etc., by shooting a ray from a certain point and coloring the screen with the color of the polygon that intersects with the ray. In this embodiment, the position and color of the intersection with the polygon obtained after the light ray is shot are obtained as points with three-dimensional position information (x, y, z) and color information (R, G, B). Record. Since many points can be obtained if the object is large, the rendering unit 401 obtains a Point Cloud when the target scene is viewed from a certain viewpoint.

前記光波伝搬計算部402は、レンダリング部401で得られた各物体点からホログラム面までの光波伝搬を計算する。本実施形態では、物体を点群の塊として表現し、この点群からの球面波がホログラム面まで伝搬する際の光波伝搬を計算することで、ホログラム面上の物体光波分布u(x, y)を次式(1)に基づいて計算する。 The light wave propagation calculation unit 402 calculates light wave propagation from each object point obtained by the rendering unit 401 to the hologram surface. In this embodiment, the object is expressed as a mass of point groups, and the optical wave propagation when the spherical wave from this point group propagates to the hologram surface is calculated to obtain the object light wave distribution u(x, y ) is calculated based on the following equation (1).

Figure 0007227095000001
Figure 0007227095000001

ここで、Aiはレンダリング部401で得られた物体点光源の輝度、riは物体点光源とホログラム面(x, y)との距離、kは光の波長から計算される波数を表し、iは物体点光源のインデックスであり、Nは当該シーンを構成する物体点光源の数である。また、jは虚数単位である。なお、物体点がRGBなどの複数の色空間を持つ場合、物体光波分布u(x, y)は色ごとにそれぞれ計算される。ただし、色によって光の波長が変わるため、波数kは色ごとに異なる。 Here, Ai is the brightness of the object point light source obtained by the rendering unit 401, ri is the distance between the object point light source and the hologram plane (x, y), k is the wave number calculated from the wavelength of light, and i is is the index of the object point light source, and N is the number of object point light sources that compose the scene. Also, j is the imaginary unit. If the object point has multiple color spaces such as RGB, the object light wave distribution u(x, y) is calculated for each color. However, since the wavelength of light changes depending on the color, the wavenumber k differs for each color.

また、非特許文献1では、伝搬された物体光波の中で、共役像に関する部分を削除するため、ホログラム面上に伝搬された光波分布の一部をカットする技術が開示されているが、このように一部の物体光波分布を削る形で共役像の除去を行ってもよい。 In addition, Non-Patent Document 1 discloses a technique for cutting a part of the light wave distribution propagated on the hologram surface in order to delete the part related to the conjugate image in the propagated object light wave. The conjugate image may be removed by cutting a part of the object light wave distribution as shown.

加えて、一般にCGHは光を再現する技術であるため、光の波長レベルのピクセルピッチ(目安として、1μm以下)の液晶が必要とされており、それより粗いピクセルピッチの表示デバイスを用いてしまうと、電子デバイスのサンプリング周波数を超える高周波領域では、折り返し雑音が発生し、像が二重に見えるなどの問題が発生する可能性がある。 In addition, since CGH is generally a technology that reproduces light, it requires a liquid crystal with a pixel pitch at the level of the wavelength of light (1 μm or less as a guideline), and a display device with a coarser pixel pitch is used. Then, in a high-frequency region exceeding the sampling frequency of the electronic device, aliasing noise may occur, causing problems such as the appearance of double images.

しかしながら、このようなレベルの微細なピッチの表示デバイス(例えば、液晶ディスプレイ)を用意することは難しいことから、予め使用する表示デバイスのピクセルピッチを鑑み、物体光波分布u(x, y)の計算時に高周波成分となる領域を、物体点ごとに事前にカットすることで、折り返し雑音の発生を防止するような機構を備えていてもよい。 However, since it is difficult to prepare a display device (for example, a liquid crystal display) with such a fine pitch, it is necessary to calculate the object light wave distribution u(x, y) in consideration of the pixel pitch of the display device to be used in advance. A mechanism may be provided to prevent the occurrence of aliasing noise by cutting in advance a region that sometimes becomes a high-frequency component for each object point.

前記物体光波再利用部403は、計算方式決定部103が「再利用方式」に決定した次フレームの各画素に関して、前フレームで計算したホログラム面上の物体光波を参照し、その物体光波に視点の移動態様および移動量に応じた変形、加工を適宜に加えて次フレームの対応画素に再利用することで、次フレームのホログラム面の物体光波を近似的に生成する。 The object light wave reuse unit 403 refers to the object light wave on the hologram plane calculated in the previous frame for each pixel of the next frame for which the calculation method determination unit 103 has determined the “reuse method”, and The object light wave on the hologram surface of the next frame is approximately generated by appropriately applying deformation and processing according to the movement mode and amount of movement of and reusing it for the corresponding pixel of the next frame.

これにより、レンダリングや光波伝搬計算を実施せずに物体光波を生成できる画素数が多くなるため、光波伝搬計算の大幅な高速化が実現される。本実施形態では、図5に示すように、光波伝搬計算部402および物体光波再利用部403のそれぞれが生成したホログラム面上の物体光波を合わせることで、次フレームの全ての画素の物体光波分布が得られる。なお、物体光波の具体的な再利用方法については、後に詳述する。 As a result, the number of pixels for which object light waves can be generated without performing rendering or light wave propagation calculation is increased, so that the speed of light wave propagation calculation can be greatly increased. In this embodiment, as shown in FIG. 5, by combining the object light waves on the hologram plane respectively generated by the light wave propagation calculation unit 402 and the object light wave reuse unit 403, the object light wave distribution of all pixels in the next frame is is obtained. A specific method of reusing the object light wave will be described in detail later.

干渉計算部105は、光波伝搬計算部402および物体光波再利用部403が生成したホログラム面上の物体光波分布u(x, y)に対して、計算機上の光波シミュレーションとして参照光波を差し込むことで干渉計算を行う。本実施形態では、参照光として非特許文献3に開示されている、再生光学系のレンズの焦点距離fの位置に収束する収束球面参照光波を用いる。収束球面参照光波がホログラム面上に伝搬されたときの光波の複素振幅分布R(x, y)は次式(2)で表される。 The interference calculation unit 105 inserts a reference light wave as a light wave simulation on a computer into the object light wave distribution u(x, y) on the hologram plane generated by the light wave propagation calculation unit 402 and the object light wave reuse unit 403. Perform interference calculations. In this embodiment, a convergent spherical reference light wave that converges at the position of the focal length f of the lens of the reproduction optical system, disclosed in Non-Patent Document 3, is used as the reference light. The complex amplitude distribution R(x, y) of the light wave when the converging spherical reference light wave propagates on the hologram plane is expressed by the following equation (2).

Figure 0007227095000002
Figure 0007227095000002

Roは参照光の強度であり、rは参照光の位置(0,0,f)からホログラム面上の位置(x, y,0)までの距離を表している。この参照光波と物体光波との干渉は次式(3)で表される。 Ro is the intensity of the reference beam, and r represents the distance from the position (0, 0, f) of the reference beam to the position (x, y, 0) on the hologram plane. The interference between the reference light wave and the object light wave is expressed by the following equation (3).

Figure 0007227095000003
Figure 0007227095000003

I(x, y)はCGH(干渉縞)の輝度分布であり、このI(x, y)の値に基づいて、CGHが後段のCGH出力部106へ提供される。CGH出力部106は、干渉計算部105が計算した干渉縞を画像データとして出力する。CGHの出力形式は任意だが、一般的には図16に示したように、0-255などの一定の範囲の輝度値で示されることが多い。 I(x, y) is the luminance distribution of CGH (interference fringes), and based on the value of this I(x, y), CGH is provided to CGH output section 106 in the subsequent stage. A CGH output unit 106 outputs the interference fringes calculated by the interference calculation unit 105 as image data. The output format of CGH is arbitrary, but generally, as shown in FIG.

一方、干渉計算部105で計算された干渉縞は、このレンジに正規化されていない場合が多いため、最大値を255、最小値を0とするような正規化を行うことが望ましい。また、出力されるCGHに関しては各CGHを画像データとして1枚ずつ出力してもよいし、ウィンドウに画像が随時表示されるような形式であってもよい。 On the other hand, the interference fringes calculated by the interference calculator 105 are often not normalized to this range. As for the CGHs to be output, each CGH may be output one by one as image data, or may be of a format in which images are displayed in a window at any time.

次いで、前記物体光波再利用部403が前フレームの物体光波を次フレームに再利用する方法について具体的に説明する。以下の説明では、図6に示すような方向にxyzの各軸が設定されるものとし、物体光波分布を表示するホログラム面は、xy軸が作り出す平面(x, y, 0)上に存在するものと仮定する。 Next, a detailed description will be given of a method for the object light wave reuse unit 403 to reuse the object light wave of the previous frame for the next frame. In the following explanation, it is assumed that the xyz axes are set in the directions shown in FIG. 6, and the hologram plane displaying the object light wave distribution exists on the plane (x, y, 0) created by the xy axes. Assume that

なお、視点移動をホログラム面の(a)平行移動、(b)回転移動、(c)前後移動の組み合わせで実現する場合、組み合わせる各移動の順序は任意であるものの、移動順序に応じて各移動の移動量が異なる場合がある。したがって、組み合わされる各移動の順序については予め決定し、その順序での移動を前提に各移動の移動量を計算することが望ましい。 Note that when the viewpoint movement is realized by combining (a) parallel movement, (b) rotational movement, and (c) forward/backward movement of the hologram surface, the order of each movement to be combined is arbitrary, but each movement is determined according to the movement order. may differ from each other. Therefore, it is desirable to determine in advance the order of each movement to be combined, and to calculate the movement amount of each movement on the premise of movement in that order.

A.第1の再利用形態:平行移動
物体光波分布の平行移動による再利用は、xy軸方向への平行移動およびz軸中心の回転移動の2種類に大別されるが、基本的な考え方は同一である。なお、z軸中心の回転移動による平行移動を、後述するx軸中心またはy軸中心の回転移動と区別するため、z軸中心の回転移動による平行移動を、回転的平行移動と表現する場合もある。
A. First form of reuse: parallel movement Reuse by parallel movement of the object light wave distribution is roughly divided into two types: parallel movement in the xy-axis direction and rotational movement around the z-axis, but the basic idea is the same. is. In addition, in order to distinguish parallel movement due to rotational movement about the z-axis from rotational movement about the x-axis or y-axis, which will be described later, translation due to rotational movement about the z-axis may also be expressed as rotational translation. be.

検知された視点移動が、ホログラム面のxy軸方向への平行移動または当該平行移動を含む複数の移動の組み合わせであると、その移動量が所定の基準値と比較される。移動量が基準値を下回っていれば「再利用方式」に決定され、図7に示したように、前フレームのホログラム面に記録された物体光波分布が、そのまま次フレームの対応位置まで平行移動されて再利用される。それ以外の画素領域は「計算方式」に決定され、前記レンダリング部401および光波伝搬計算部402の協調動作により光波伝搬が計算されて物体光波分布が生成される。 If the detected viewpoint movement is a parallel movement of the hologram plane in the xy-axis direction or a combination of a plurality of movements including the parallel movement, the amount of movement is compared with a predetermined reference value. If the amount of movement is less than the reference value, the "reuse method" is determined, and as shown in FIG. 7, the object light wave distribution recorded on the hologram surface of the previous frame is translated as it is to the corresponding position of the next frame. reused. For other pixel regions, the "calculation method" is determined, and the light wave propagation is calculated by the cooperative operation of the rendering unit 401 and the light wave propagation calculation unit 402 to generate the object light wave distribution.

なお、非特許文献2では、ホログラム面と物体の間にレンズがあることを考慮して計算しなければならないために、単純に物体光波分布を平行移動させると歪みが生じるという問題が存在していた。しかしながら、本実施形態では光波シミュレーションに用いる参照光として収束球面参照光を利用しており、レンズを考慮する必要がないため、このような歪みが発生しない。 In Non-Patent Document 2, since the calculation must take into account the presence of a lens between the hologram surface and the object, there is a problem that distortion occurs when the object light wave distribution is simply translated. rice field. However, in this embodiment, convergent spherical reference light is used as reference light for light wave simulation, and there is no need to consider lenses, so such distortion does not occur.

一方、検知された視点移動が、ホログラム面のz軸中心の回転的平行移動または当該回転的平行移動を含む複数の移動の組み合わせであると、図8に示すように、前フレームと重なる画素領域に関しては前フレームの物体光波分布を回転方向に平行移動することで再利用され、重ならない画素領域に関しては光波伝搬が計算されて物体光波分布が生成される。 On the other hand, if the detected viewpoint movement is a rotational parallel movement of the hologram plane centered on the z-axis or a combination of a plurality of movements including the rotational parallel movement, then as shown in FIG. is reused by translating the object lightwave distribution of the previous frame in the rotational direction, and lightwave propagation is calculated for non-overlapping pixel regions to generate the object lightwave distribution.

B.第2の再利用形態:回転移動
検知された視点移動が、ホログラム面のx軸中心またはy軸中心の回転移動または当該回転移動を含む複数の移動の組み合わせであると、図9に示すように、伝搬する物体光波に光路差が発生する。したがって、回転移動によって生じる光路差の違いによって発生する位相を、再利用する回転前のホログラム面上の物体光波分布u(x, y)に乗算することで近似的に回転移動を実現できる。例えば、図9に示すように、ホログラム面がx軸中心で回転した場合、回転後のホログラム面上の物体光波分布urot (x, y)は次式(4)で表される。ただし、θrotは回転の角度である。
B. Second Reuse Form: Rotational Movement If the detected viewpoint movement is a rotational movement of the hologram plane about the x-axis or the y-axis or a combination of multiple movements including the rotational movement, as shown in FIG. , an optical path difference occurs in the propagating object light wave. Therefore, by multiplying the object light wave distribution u(x, y) on the hologram plane before rotation to be reused by the phase generated by the difference in the optical path caused by the rotational movement, the rotational movement can be approximately realized. For example, as shown in FIG. 9, when the hologram plane rotates about the x-axis, the object light wave distribution u rot (x, y) on the hologram plane after rotation is represented by the following equation (4). where θ rot is the angle of rotation.

Figure 0007227095000004
Figure 0007227095000004

C.第3の再利用形態:前後移動
検知された視点移動が、ホログラム面のz軸方向への前後移動または当該前後移動を含む複数の移動の組み合わせであると、次フレームの物体光波分布は、前フレームで取得した物体光波の縮小または拡大によって近似できる。例えば、図10に示すように、ホログラム面の物体光波分布を縮小することで、CGHの再生像の再生位置をホログラム面の近くに移動させることができる。逆に、物体光波分布を拡大することで、CGHの再生像の再生位置を遠方へ移動させることができる。
C. Third Reuse Mode: Forward/Backward Movement If the detected viewpoint movement is forward/backward movement of the hologram plane in the z-axis direction or a combination of multiple movements including the forward/backward movement, the object light wave distribution in the next frame will be the forward/backward movement. It can be approximated by contraction or expansion of the object lightwave acquired in the frame. For example, as shown in FIG. 10, by reducing the object light wave distribution on the hologram plane, the reproduction position of the reproduced CGH image can be moved closer to the hologram plane. Conversely, by enlarging the object light wave distribution, the reproduction position of the reproduced CGH image can be moved farther.

なお、物体光波分布の拡大、縮小による前後移動再現はあくまで近似に過ぎず、以下に詳述するように、いくつかの誤差や問題点が発生する。したがって、移動量が基準値を上回る場合には、全面の光波伝搬を計算することが望ましい。以下、拡大・縮小処理によって生じる問題点およびその解決法について説明する。 Note that the forward/backward movement reproduction by enlarging or reducing the object light wave distribution is only an approximation, and several errors and problems occur as described in detail below. Therefore, it is desirable to calculate the wave propagation over the entire surface if the amount of movement exceeds the reference value. Problems caused by enlargement/reduction processing and solutions thereof will be described below.

第1の課題として、物体光波面を単純に拡大・縮小すると、奥行きに差がある複数の物体が存在するシーンでは誤差が大きく発生する懸念がある。例えば、ホログラム面から50cmの位置に物体点光源A、100cmの位置に物体点光源Bが存在する場合、ホログラム面を50%に縮小すると、100cmの深さの物体が50cmの位置に、50cmの深さの物体が25cmの位置に、それぞれ現れるような移動となる。 As a first problem, simply enlarging or reducing the object light wavefront may cause a large error in a scene in which a plurality of objects with different depths exist. For example, if there is an object point light source A at a position of 50 cm from the hologram plane and an object point light source B at a position of 100 cm, if the hologram plane is reduced by 50%, an object with a depth of 100 cm will be located at a position of 50 cm and a distance of 50 cm. The movement is such that a deep object appears at a position of 25 cm.

しかしながら、通常の視点の前後移動では、50cm視点が前に動く場合、奥行によらず全ての物体が一様に50cm接近しなければならない。したがって、本実施形態では物体の奥行差があるシーンに対しては誤差が生じ得る。 However, in a normal forward/backward movement of the viewpoint, if the viewpoint moves forward by 50 cm, all objects must uniformly approach by 50 cm regardless of the depth. Therefore, in this embodiment, an error may occur in a scene with a difference in object depth.

このような技術課題に対して、本実施形態では、正確に奥行きを変化させたい深さDを設定する。また、視点を奥行方向にΔD動かした場合に、その深さがD'=D+ΔDに変化するとした場合、このDとD'の比率を基にホログラム面を縮小・拡大させる。 In order to solve such a technical problem, in the present embodiment, the depth D at which the depth should be changed is set accurately. Also, if the depth changes to D′=D+ΔD when the viewpoint is moved by ΔD in the depth direction, the hologram surface is reduced/enlarged based on the ratio of D and D′.

例えば、ホログラム面から見てZ方向に深さ100cmの位置にある物体を正確に表現したいとする。このとき、視点が前方に10cm動く(ΔD=-10cm)ことで、この物体は深さ90cmの位置に見えるようになるはずである。このとき、ホログラム面を、ホログラム面の中心を基準に90/100に縮小することでホログラム面の再利用を行う。この正確に奥行きを変化させたい深さDに関しては、事前にユーザの手で手動に設定されてもよいし、シーン全体を構成する物体点光源の平均となる深さに自動設定されるような機構を備えていてもよい。 For example, suppose you want to accurately represent an object at a depth of 100 cm in the Z direction when viewed from the hologram plane. At this time, if the viewpoint moves forward by 10 cm (ΔD=-10 cm), this object should appear at a depth of 90 cm. At this time, the hologram surface is reused by reducing the hologram surface to 90/100 with respect to the center of the hologram surface. The depth D, which is desired to change the depth accurately, may be manually set by the user in advance, or may be automatically set to the average depth of the object point light sources that make up the entire scene. A mechanism may be provided.

一方、このようにして拡大・縮小されたホログラム面に関しては、図11に示すように、ホログラム面の端に寄れば寄るほど、移動前後での光路の差が発生する。そこで、本実施形態では、拡大・縮小後のホログラム面に対して、この光路差によって生じる位相を乗算することで、光路差の違いによって発生する影響を防止することが望ましい。 On the other hand, with respect to the hologram surface thus enlarged/reduced, as shown in FIG. 11, the closer to the end of the hologram surface, the more the difference in the optical path occurs before and after the movement. Therefore, in this embodiment, it is desirable to prevent the influence caused by the difference in optical path by multiplying the hologram surface after enlargement/reduction by the phase caused by the difference in optical path.

本実施形態では、図12に示すように、縮小前のホログラム面の画素(x, y)までの距離をrh(x, y)、縮小後のホログラム面の画素(xafter, yafter)までの距離をrh' (xafter, yafter)としたとき、考慮すべき光路差rd (xafter, yafter)は次式(5)で表される。 In this embodiment, as shown in FIG. 12, the distance to the pixel (x, y) on the hologram surface before reduction is r h (x, y), and the pixel on the hologram surface after reduction (x after , y after ) The optical path difference r d (x after , y after ) to be considered is represented by the following equation (5) when the distance to is r h ' (x after , y after ).

Figure 0007227095000005
Figure 0007227095000005

物体光波分布u(x, y)を拡大または縮小した後の物体光波分布をub (xafter, yafter)としたとき、前述の位相差を考慮して得られるホログラム面の物体光波分布uafter (xafter, yafter)は、次式(6)で表される。 Let ub (xafter, yafter), the object light wave distribution uafter (xafter, yafter) is represented by the following equation (6).

Figure 0007227095000006
Figure 0007227095000006

拡大に関しても、同様に光路差を考慮して計算することで、前後移動を実現することが可能となる。 As for the enlargement, it is possible to realize forward/backward movement by similarly calculating with consideration given to the optical path difference.

第2の課題として、上記の奥行きDを設定しても、ホログラム面の中心を基準に拡大・縮小を図る場合には、再利用時に再生される位置に誤差が発生する。これは、ホログラム面の中心を基準に拡大・縮小をする場合には、図13に示すように、物体光波がホログラム面の中央に寄る形で拡大・縮小がなされるため、図14に示すような正しい位置と異なる位置に物体光波が記録されてしまうためである。このように、本実施形態では、原理的にホログラム面の外側になればなるほど、この位置の違いが大きく発生する。 As a second problem, even if the depth D is set as described above, when enlarging or reducing the hologram surface with reference to the center of the hologram surface, an error occurs in the position reproduced during reuse. This is because, when enlarging/reducing the hologram surface with reference to the center of the hologram surface, as shown in FIG. This is because the object light wave is recorded at a position different from the correct position. In this way, in this embodiment, in principle, the positional difference is greater the further outside the hologram surface.

このような技術課題を解決するために、本実施形態では、方式決定部103においてホログラム面の外側の画素ほど「計算方式」に決定され易くするような機構を導入することで、自然な再生を比較的実現しやすくなる。 In order to solve such a technical problem, in the present embodiment, a mechanism is introduced in the method determination unit 103 that makes it easier for pixels outside the hologram surface to be determined to the "calculation method", thereby achieving natural reproduction. relatively easy to implement.

また、図15に示すように、通常視点が後退する場合、見えてくる範囲が広がることから、新たな物体点が見えてくるケースが存在する。この場合も、物体点が見えてくるのは外側であることから、外側ほど「計算方式」に決定され易くすることが望ましい。 Also, as shown in FIG. 15, when the viewpoint moves backward, the visible range expands, so there is a case where a new object point becomes visible. In this case as well, since the object points are visible on the outside, it is desirable to make it easier for the "calculation method" to be determined on the outside.

次いで、図17のフローチャートを参照して前記方式決定部103がホログラム面の画素ごとに次フレームの物体光波の生成方式を「再利用方式」または「計算方式」に決定する具体的な手順について説明する。 Next, with reference to the flowchart of FIG. 17, a specific procedure for the method determining unit 103 to determine the object light wave generation method for the next frame for each pixel on the hologram surface to be the "reuse method" or the "calculation method" will be described. do.

ステップS1では、前記視点移動検知部102により視点移動が検知されたか否かが判断される。視点移動が検知されるとステップS2へ進み、この視点移動が前記移動方式変換部103aによりホログラム面の(a)平行移動、(b)回転移動および(c)前後移動の組み合わせに変換される。ステップS3では、前記方式決定部103により、物体光波の生成方式が、ホログラム面の画素ごとに原理ベースで「再利用方式」または「計算方式」に決定される。 In step S1, it is determined whether or not the viewpoint movement detection unit 102 has detected a viewpoint movement. When the viewpoint movement is detected, the process advances to step S2, and the movement method conversion unit 103a converts the viewpoint movement into a combination of (a) parallel movement, (b) rotational movement, and (c) forward/backward movement of the hologram plane. In step S3, the method determination unit 103 determines the object light wave generation method to be the "reuse method" or the "calculation method" for each pixel on the hologram surface on a principle basis.

図18は、原理ベースで物体光波の生成方式を決定する手順を示したフローチャートであり、ここでは、原理的に「再利用方式」を適用できない画素について、物体光波の生成方式が「計算方式」に決定され、それ以外の画素が「再利用方式」に仮決定される。 FIG. 18 is a flow chart showing the procedure for determining the method of generating the object light wave on a principle basis. , and other pixels are provisionally determined to be the "reuse method".

ステップS301では、次フレームが最初のフレームであるか否か、換言すれば、物体光波を再利用できる前フレームが存在するか否かが判断される。次フレームが最初のフレームであれば、原理的に「再利用方式」を適用できないのでステップS308へ進み、全ての画素が「計算方式」に決定される。 In step S301, it is determined whether or not the next frame is the first frame, in other words, whether or not there is a previous frame in which the object light wave can be reused. If the next frame is the first frame, the "reuse method" cannot be applied in principle, so the process proceeds to step S308, and all pixels are determined to be the "calculation method".

これに対して、次フレームが最初のフレームではなく、物体光波を再利用できる前フレームが存在すればステップS302へ進む。ステップS302では、検知された視点移動がホログラム面の(a)平行移動を含むか否かが判断される。xy軸が作り出す平面上での平行移動(図5)またはZ軸中心での回転的平行移動(図8)を含めばステップS303へ進む。 On the other hand, if the next frame is not the first frame and there is a previous frame in which the object light wave can be reused, the process proceeds to step S302. In step S302, it is determined whether or not the detected viewpoint movement includes (a) parallel movement of the hologram plane. If translation on the plane created by the xy-axes (FIG. 5) or rotational translation about the Z-axis (FIG. 8) is included, the process proceeds to step S303.

ステップS303では、図5または図8を参照して説明したように、平行移動により再利用できる物体光波が前フレームに存在するか否かが次フレームの画素ごとに判断される。再利用できる物体光波が前フレームに存在しない画素については、原理的に「再利用方式」を適用できないので「計算方式」に決定される。 In step S303, as described with reference to FIG. 5 or 8, it is determined for each pixel of the next frame whether or not there is an object light wave that can be reused by translation in the previous frame. For pixels for which no reusable object light wave exists in the previous frame, the "reuse method" cannot be applied in principle, so the "calculation method" is selected.

なお、検知された視点移動がホログラム面の回転移動を含む場合、図9を参照して説明したように、原理的に「再利用方式」を適用できない画素が存在しないため、「計算方式」に決定される画素は存在しない。同様に、検知された視点移動がホログラム面の前後移動を含む場合も、以下のように、原理的に「再利用方式」を適用できない画素が存在しないため、「計算方式」に決定される画素は存在しない。 Note that when the detected viewpoint movement includes rotational movement of the hologram plane, as described with reference to FIG. There are no pixels to be determined. Similarly, when the detected viewpoint movement includes forward and backward movement of the hologram plane, there are no pixels to which the "reuse method" can be applied in principle as follows. does not exist.

すなわち、視点移動がホログラム面の前後移動を含む場合、前方移動であれば前フレームで生成した物体光波分布を縮小して再利用することになる。このとき、縮小したことによって再利用できる物体光波が存在しない画素が生じ得るが、前方移動は物体に対し近付くような運動となるため、視野外から新たな物体が見えてくることはなく、前フレームで生成した物体光波分布が次フレームで見える物体の全ての情報を含むことになる。したがって、前方移動では原理的に「再利用方式」を適用できない画素が存在しない。なお、本実施形態では物体光波が存在しない画素に関しては、特に処理を行う必要はなく画素値を0としている。 In other words, when the viewpoint movement includes back-and-forth movement of the hologram plane, forward movement means that the object light wave distribution generated in the previous frame is reduced and reused. At this time, due to the reduction, there may be pixels in which there are no reusable object light waves. The object lightwave distribution generated in one frame contains all the information of the object visible in the next frame. Therefore, in forward movement, there are no pixels to which the "reuse method" cannot be applied in principle. Note that, in the present embodiment, the pixel value is set to 0 for pixels in which no object light wave exists, because there is no need to perform any particular processing.

後方移動では、前フレームで生成した物体光波分布を拡大することになり、全ての画素が再利用方式となる。したがって、後方移動でも原理的に「再利用方式」を適用できない画素が存在しない。 Backward movement will expand the object lightwave distribution generated in the previous frame, and all pixels will be reused. Therefore, there is no pixel to which the "reuse method" cannot be applied in principle even in backward movement.

図17へ戻り、ステップS4では、物体光波の生成方式がホログラム面の画素ごとに、誤差ベースで「再利用方式」または「計算方式」に決定される。ただし、本実施形態では「計算方式」の適用に関して原理ベースでの決定結果が優先されるので、原理ベースで既に「計算方式」に決定された画素については、誤差ベースでの判断に関わらず「計算方式」が維持される。 Returning to FIG. 17, in step S4, the object light wave generation method is determined to be the “reuse method” or the “calculation method” on an error basis for each pixel on the hologram surface. However, in this embodiment, the determination result based on the principle is given priority with respect to the application of the "calculation method". Calculation method” is maintained.

図19は、誤差ベースでの決定方法を示したフローチャートであり、本実施形態では、ホログラム面の(a)平行移動、(b)回転移動および(c)前後移動ごとに、「再利用方式」では近似誤差が大きくなって所定の視聴品質を充足できないと判断できる移動量の閾値T1ref,T2ref,T3refを予め設定し、各移動T1,T2,T3が対応する閾値T1ref,T2ref,T3refを超えていると「計算方式」に決定される。 FIG. 19 is a flow chart showing an error-based determination method. In this embodiment, the "reuse method" , thresholds T1ref, T2ref, and T3ref of the amount of movement that can be judged that the approximation error is large and the predetermined viewing quality cannot be satisfied are set in advance. If there is, it will be determined as "calculation method".

ステップS401では、検知された視点移動をホログラム面の平行移動に換算したときの移動量T1が閾値T1refと比較される。T1>T1refであればステップS402へ進み、全ての画素が「計算方式」に決定される。 In step S401, the movement amount T1 obtained by converting the detected viewpoint movement into parallel movement of the hologram plane is compared with a threshold value T1ref. If T1>T1ref, the process proceeds to step S402, and all pixels are determined to be the "calculation method".

ステップS403では、検知された視点移動をホログラム面の回転移動に換算したときの移動量(回転角度)T2が閾値T2_refと比較される。T2>T2refであればステップS404へ進み、全ての画素が「計算方式」に決定される。 In step S403, a movement amount (rotational angle) T2 obtained by converting the detected viewpoint movement into a rotational movement of the hologram plane is compared with a threshold value T2_ref. If T2>T2ref, the process proceeds to step S404, and all pixels are determined to be the "calculation method".

ステップS405では、検知された視点移動をホログラム面の前後移動に換算したときの移動量T3が閾値T3refと比較される。T3>T3refであればステップS406へ進み、全ての画素が「計算方式」に決定される。 In step S405, the movement amount T3 obtained by converting the detected viewpoint movement into the front-rear movement of the hologram plane is compared with a threshold value T3ref. If T3>T3ref, the process proceeds to step S406, and all pixels are determined to be the "calculation method".

なお、発明者等の検証によれば、視点の前後移動に応答して前フレームの物体光波分布を拡縮して再利用する際、移動量T3が同一であってもホログラム面の中心からの距離が離れるほど、再生される再生像の呈示位置に誤差が生じ、ホログラムの視聴品質に劣化をきたすことが確認されている。 According to the inventors' verification, when the object light wave distribution of the previous frame is scaled and reused in response to the forward and backward movement of the viewpoint, even if the movement amount T3 is the same, the distance from the center of the hologram plane It has been confirmed that, as the distance is increased, an error occurs in the presentation position of the reconstructed image to be reconstructed, resulting in deterioration in viewing quality of the hologram.

そこで、ホログラム面の前後移動に関しては、図20に示したように、距離に応じて異なる閾値T3ref1,T3ref2,T3ref3(T3ref1>T3ref2>T3ref3)を設け、T3>T3ref1であれば全ての画素を「計算方式」に決定する一方、T3ref1≧T3>T3ref2であれば内側領域を除いた中間領域および外側領域の画素のみを「計算方式」に決定し、T3ref2≧T3>T3ref3であれば内側領域および中間領域を除いた外側領域の画素のみを「計算方式」に決定し、T3ref3≧T3であればいずれの画素も「計算方式」に決定しないようにしても良い。 Therefore, as shown in FIG. 20, different threshold values T3ref1, T3ref2, and T3ref3 (T3ref1>T3ref2>T3ref3) are provided according to the distances for the forward and backward movement of the hologram plane. On the other hand, if T3ref1≧T3>T3ref2, only the pixels of the intermediate area and the outer area excluding the inner area are determined as the "calculation method", and if T3ref2≧T3>T3ref3, the inner area and the intermediate area are determined. Only the pixels in the outer area excluding the area may be determined as the "calculation method", and if T3ref3≧T3, none of the pixels may be determined as the "calculation method".

ステップS407では、各移動量T1,T2,T3の重み付け和ΣT=αT1+βT2+γT3(α,β,γは各移動量の重み値)が求められて閾値T123refと比較される。ΣT>T123refであればステップS408へ進み、全ての画素が「計算方式」に決定される。 In step S407, the weighted sum ΣT=αT1+βT2+γT3 (α, β, γ are the weight values of the respective movement amounts) of the respective movement amounts T1, T2, T3 is calculated and compared with the threshold value T123ref. If ΣT>T123ref, the process advances to step S408, and all pixels are determined to be the "calculation method".

なお、上記の実施形態では、移動量が所定の閾値未満であれば「再利用方式」を採用し、移動量が所定の閾値以上であれば「計算方式」を採用するものとして説明したが、このような閾値としては、例えば表示デバイス5の性能に基づき、表示限界を超える移動量を閾値に設定することができる。 In the above embodiment, the "reuse method" is adopted when the amount of movement is less than the predetermined threshold, and the "calculation method" is adopted when the amount of movement is equal to or greater than the predetermined threshold. As such a threshold, for example, based on the performance of the display device 5, the amount of movement exceeding the display limit can be set as the threshold.

例えば、ホログラム面の平行移動では、理論上、ホログラム面のサイズ以上の移動が発生した場合には「再利用方式」を適用できない。例えば、非特許文献2で示される光学系に使用されている液晶デバイスのピクセルピッチは9.6[μm]で、1280×768[pixels]の画素数を持つが、x方向への平行移動を考えた場合、この大きさは9.6[μm]×1280 ≒ 12[mm]である。したがって、上記のケースでは閾値を12mmに設定することができる。 For example, in parallel movement of the hologram plane, theoretically, if the movement exceeds the size of the hologram plane, the "reuse method" cannot be applied. For example, the pixel pitch of the liquid crystal device used in the optical system shown in Non-Patent Document 2 is 9.6 [μm], and the number of pixels is 1280 × 768 [pixels]. In this case, this size is 9.6 [μm]×1280≈12 [mm]. Therefore, the threshold can be set to 12 mm in the above case.

一方、前後移動の限界に関して、発明者が非特許文献2のデバイスを対象に、物体を視点から75cmの深さに配置し、視点位置を物体から60cm~90cm付近の深さで動かす前後移動のコンテンツを制作し、十数名に対しDCR法 (Degradation Category Rating)に基づく主観評価実験を行ったところ、1cm程度の移動の度に全面を再計算すれば、劣化が気にならないという結果が得られた。 On the other hand, regarding the limit of forward and backward movement, the inventor placed an object at a depth of 75 cm from the viewpoint and moved the viewpoint position from the object to a depth of about 60 to 90 cm using the device described in Non-Patent Document 2. After creating the content and conducting a subjective evaluation experiment based on the DCR (Degradation Category Rating) method for more than 10 people, the result was that if the entire surface was recalculated every time it moved about 1 cm, deterioration would not be noticeable. was taken.

劣化の発生に関しては、シーンの性質や、視点移動の速度等にも応じて変わってくると考えられるため、一概に限界を示すことは困難であるが、50cm~100cm程度の深さに物体が存在する場合には、目安として1cm程度の移動毎に全面を再計算すれば良いと考えられる。 Regarding the occurrence of degradation, it is thought that it will change according to the nature of the scene and the speed of viewpoint movement, so it is difficult to indicate the limit in general, but if an object is at a depth of about 50 cm to 100 cm If it exists, it is considered that the entire surface should be recalculated for each movement of about 1 cm as a guideline.

また、一般に視点の前後移動に関しては、物体が2mの位置に存在している際に1cm前に移動するのと、物体が50cmの位置に存在している場合に1cm前に移動するのとでは、50cmの位置に物体が存在している方が、視覚的な変化が大きく見えることから、再生される再生像の呈示位置の誤差が目立ちやすい。したがって、視点からの距離が遠い物体からの光波を記録する画素ほど前記閾値Tref3を大きくして「計算方式」が適用されにくくするなど、視点からの距離に応じて各方式の適用条件を異ならせても良い。このようにすれば、品質を維持しながら「再利用方式」を適用できる画素を増やせるので、物体光波の再利用によるホログラムの高速計算を、その品質低下を抑えながら更に促進できるようになる。 Also, in general, regarding the forward/backward movement of the viewpoint, if an object is at a distance of 2m, it will move forward by 1cm, and if an object is at a distance of 50cm, it will move forward by 1cm. , the difference in the presentation position of the reconstructed image is more conspicuous because the visual change seems to be larger when the object exists at the position of 50 cm. Therefore, the application conditions of each method are changed according to the distance from the viewpoint. can be In this way, the number of pixels to which the "reuse method" can be applied can be increased while maintaining quality, so that high-speed calculation of holograms by reusing object light waves can be further promoted while suppressing deterioration in quality.

さらに、上記の実施形態では、次フレームにおける物体光波の取得方法として「再利用方式」または「計算方式」を選択する際の指標として視点の移動量を採用するが、さらに品質を指標に加えても良い。 Furthermore, in the above embodiment, the amount of movement of the viewpoint is used as an index for selecting the "reuse method" or the "calculation method" as the method of acquiring the object light wave in the next frame. Also good.

例えば、フレームレートを30fpsに保つことで所望の品質が得られる場合、視点の移動量を指標とした方式選択では「再利用方式」を採用する画素領域が少なく、物体光路の計算負荷が増大して30fpsのフレームレートを維持できないのであれば、「再利用方式」を採用する移動量の閾値を高める、すなわち「再利用方式」の決定条件を緩和することで、「再利用方式」を採用する画素領域が拡張されるようにしても良い。 For example, if the desired quality can be obtained by keeping the frame rate at 30 fps, the method selection based on the amount of movement of the viewpoint will reduce the number of pixels that can be reused and increase the calculation load of the object optical path. If it is not possible to maintain a frame rate of 30 fps, adopt the "reuse method". The pixel area may be expanded.

この場合、「再利用方式」の適用に要する計算時間は「計算方式」の適用に要する計算時間に比べて極僅かとなることから、1フレーム分の計算時間は全面に「計算方式」を採用した場合の計算時間で代表できる。したがって、1フレームの許容処理時間を「計算方式」に要する計算時間で除した割合の画素領域のみに「計算方式」が適用されるように、前記閾値を事前にまたは動的に設定するようにしても良い。 In this case, since the calculation time required to apply the "reuse method" is extremely small compared to the calculation time required to apply the "calculation method", the "calculation method" is adopted for the entire calculation time for one frame. It can be represented by the calculation time when Therefore, the threshold is set in advance or dynamically so that the "calculation method" is applied only to the pixel area of the ratio obtained by dividing the allowable processing time for one frame by the calculation time required for the "calculation method". can be

あるいは、ホログラム面の全面に「計算方式」を採用すると30fpsのフレームレートを維持できないが半分の領域に「計算方式」を採用すれば30fpsのフレームレートを維持できるならば、例えば、左半分は2nフレーム目、右半分は2n+1フレーム目に「計算方式」を適用することで、30fpsのフレームレートが維持されるようにしても良い。 Alternatively, if a frame rate of 30 fps cannot be maintained if the "calculation method" is applied to the entire hologram surface, but if a frame rate of 30 fps can be maintained if the "calculation method" is applied to half the area, for example, the left half is 2n The frame rate of 30 fps may be maintained by applying the "calculation method" to the 2n+1 frame in the right half of the frame.

さらに、非特許文献6に示されるような、予め液晶のピクセルピッチに基づいて、再生の際に見えるはずの物体点を事前に計算し、見えない物体点を事前に削除してから後段の光波伝搬部に渡すようにしても良い。 Furthermore, as shown in Non-Patent Document 6, based on the pixel pitch of the liquid crystal in advance, the object points that should be visible at the time of reproduction are calculated in advance, and the invisible object points are deleted in advance before the light wave in the latter stage. You may make it pass to a propagation part.

1...制御回路,2...光学レンズ,3...再生照明光源,4...ハーフミラー,5...表示デバイス,6a,6b,6...支持部材,101...シーン設定部,102...視点移動検知部,103...方式決定部,104...物体光波生成部,105...干渉計算部,106...CGH出力部,401...レンダリング部,402...光波伝搬計算部,403...物体光波再利用部 1...control circuit, 2...optical lens, 3...reproduction illumination light source, 4...half mirror, 5...display device, 6a, 6b, 6...support member, 101.. Scene setting unit 102...Viewpoint movement detection unit 103...Method determination unit 104...Object light wave generation unit 105...Interference calculation unit 106...CGH output unit 401.. Rendering unit 402 Light wave propagation calculation unit 403 Object light wave reuse unit

Claims (11)

レンズを用いて視野を拡大する光学系で使用される計算機合成ホログラムの生成装置において、
ホログラム再生像の視聴者の頭部の動きを検知するセンサの出力信号に基づいて当該視聴者の視点移動を検知する手段と、
ホログラム面上の画素ごとに、物体光波の取得方式を前記視点移動に応じて「計算方式」および「再利用方式」のいずれかに決定する手段と、
計算方式に決定された各画素に伝搬する物体光波を計算する手段と、
再利用方式に決定された各画素に前フレームの対応画素の物体光波を再利用する手段と、
各画素の物体光波および収束球面参照光波に基づいて前記ホログラム面上での干渉縞を光波シミュレーションにより計算する手段とを具備したことを特徴とするホログラム生成装置。
In a computer- generated hologram generator used in an optical system that expands the field of view using a lens,
means for detecting movement of the viewer's viewpoint based on an output signal from a sensor that detects movement of the viewer's head in the hologram reproduction image;
means for determining, for each pixel on the hologram surface, an object light wave acquisition method to be either a "calculation method" or a "reuse method" according to the movement of the viewpoint;
means for calculating an object light wave propagating to each pixel determined by the calculation scheme;
means for reusing the object light wave of the corresponding pixel of the previous frame for each pixel determined for the reuse method;
and means for calculating interference fringes on the hologram surface by light wave simulation based on the object light wave and the converging spherical reference light wave of each pixel.
前記取得方式を決定する手段は、視点の移動量が所定の閾値未満であれば再利用方式に決定し、所定の閾値以上であれば計算方式に決定することを特徴とする請求項1に記載のホログラム生成装置。 2. The method according to claim 1, wherein the means for determining the acquisition method determines the reuse method when the amount of movement of the viewpoint is less than a predetermined threshold, and determines the calculation method when the amount of movement of the viewpoint is equal to or greater than the predetermined threshold. hologram generator. 前記再利用する手段は、視点の前後移動が検知されると、その移動方向に応じて前フレームの物体光波分布を拡縮して再利用することを特徴とする請求項2に記載のホログラム生成装置。 3. A hologram generating apparatus according to claim 2, wherein said means for reusing expands or contracts the object light wave distribution of the previous frame in accordance with the direction of movement when a back-and-forth movement of the viewpoint is detected for reuse. . 前記所定の閾値が、前記ホログラム面の中心からの距離が所定の基準距離以上の画素は、所定の基準距離未満の画素よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載のホログラム生成装置。 4. The hologram generating apparatus according to claim 3, wherein the predetermined threshold is smaller for pixels whose distance from the center of the hologram plane is greater than or equal to a predetermined reference distance than for pixels whose distance is less than the predetermined reference distance. 前記所定の閾値が、視点からの距離が遠い物体からの光波を記録する画素ほど大きいことを特徴とする請求項3または4に記載のホログラム生成装置。 5. The hologram generating apparatus according to claim 3, wherein the predetermined threshold value is larger for a pixel that records light waves from an object that is farther from the viewpoint. 物体光波分布の拡縮率が、ホログラム面から記録する物体までの距離に応じて可変であることを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のホログラム生成装置。 6. A hologram generating apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the scaling factor of the object light wave distribution is variable according to the distance from the hologram surface to the object to be recorded. 前記取得方式を決定する手段は、視点の平行移動に応答して当該平行移動前と重なる平行移動後の画素領域を再利用方式に決定し、それ以外の画素領域を計算方式に決定することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のホログラム生成装置。 The means for determining the acquisition method is configured to determine a pixel region after the parallel movement that overlaps with the pixel region before the parallel movement to be the reuse method in response to the parallel movement of the viewpoint, and to determine the other pixel regions to be the calculation method. 7. The hologram generating apparatus according to any one of claims 1 to 6. 前記再利用する手段は、視点の回転移動により生じる光路差の違いにより生じる位相差を回転移動前の物体光波分布に乗算して回転移動後の物体光波分布として再利用することを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のホログラム生成装置。 The means for reusing multiplies the object light wave distribution before the rotational movement by the phase difference caused by the difference in the optical path difference caused by the rotational movement of the viewpoint, and reuses it as the object light wave distribution after the rotational movement. Item 8. A hologram generation device according to any one of Items 1 to 7. 視点移動を検知する手段と、
前記干渉縞をホログラム面に表示する手段とをさらに具備したことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のホログラム生成装置。
means for detecting viewpoint movement;
9. The hologram generating apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising means for displaying said interference fringes on a hologram surface.
レンズを用いて視野を拡大する光学系で使用される計算機合成ホログラムの生成方法において、
ホログラム再生像の視聴者の頭部の動きを検知するセンサの出力信号に基づいて当該視聴者の視点移動を検知する手順と、
ホログラム面上の画素ごとに、物体光波の取得方式を前記視点移動に応じて「計算方式」および「再利用方式」のいずれかに決定する手順と、
計算方式に決定された各画素に伝搬する物体光波を計算する手順と、
再利用方式に決定された各画素に前フレームの対応画素の物体光波を再利用する手順と、
各画素の物体光波および収束球面参照光波に基づいて前記ホログラム面での干渉縞を光波シミュレーションにより計算する手順とを含むことを特徴とするホログラム生成方法。
In the method of generating a computer-generated hologram used in an optical system that expands the field of view using a lens,
A procedure for detecting movement of the viewer's viewpoint based on an output signal from a sensor that detects movement of the viewer's head in the hologram reproduction image;
a procedure of determining , for each pixel on the hologram surface, an acquisition method of an object light wave to be either a "calculation method" or a "reuse method" according to the movement of the viewpoint;
a procedure for calculating an object light wave propagating to each pixel determined by the calculation method;
a procedure of reusing the object light wave of the corresponding pixel of the previous frame for each pixel determined as the reuse method;
calculating interference fringes on the hologram plane by light wave simulation based on the object light wave and the converging spherical reference light wave of each pixel.
前記取得方式を決定する手順では、視点の移動量が所定の閾値未満であれば再利用方式に決定し、所定の閾値以上であれば計算方式に決定することを特徴とする請求項10に記載のホログラム生成方法。 11. The method according to claim 10, wherein, in the step of determining the acquisition method, the reuse method is determined if the amount of movement of the viewpoint is less than a predetermined threshold, and the calculation method is determined if the amount is equal to or greater than the predetermined threshold. hologram generation method.
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