JP7393093B2 - Computer-generated hologram generation device, method and program - Google Patents
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Description
本発明は、計算機合成ホログラム生成装置、方法及びプログラムに係り、特に、計算機合成ホログラムをその品質劣化を抑制しながら高速に生成する装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a computer-generated hologram generation device, method, and program, and particularly relates to a device, method, and program for generating a computer-generated hologram at high speed while suppressing quality deterioration.
ホログラフィは光の干渉・回折現象に基づいて、物体からの光(物体光)を記録・再生する立体表示技術である。ホログラフィ技術では、物体から放たれる光の波とレーザー等の光源から照射される参照光とを干渉させ、ホログラム面上に干渉縞(ホログラム)として物体光を記録する。この干渉縞に再生照明光を当てると記録時の光を再現することができる。ホログラフィ技術によれば、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. In holography technology, light waves emitted from an object are caused to interfere with reference light emitted from a light source such as a laser, and the object light is recorded as interference fringes (holograms) on a hologram surface. By shining reproduction illumination light onto these interference fringes, it is possible to reproduce the light at the time of recording. Since holography technology can faithfully reproduce the light emitted from objects, it is considered to be an ideal three-dimensional display technology that satisfies all physiological factors for human three-dimensional perception.
このホログラフィ技術の中で、計算機合成ホログラフィ(Computer-Generated Holography)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し、干渉縞を画像に代表される電子データとして出力する技術である。 Among these holography technologies, computer-generated holography performs light wave simulation inside a computer to calculate the light wave propagation and interference required for hologram calculation, and the interference fringes are represented by an image. This is a technology that outputs data as electronic data.
写真乾板などに記録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、空間光変調器(Spatial Light Modulator, SLM)に表示するCGHを次々と切り替えていくことで動画化が容易に行えるなどの利点が存在するため、次世代のテレビや、VR/ARを始めとするXRデバイスなどへの適用が期待されている。 Compared to analog holograms recorded on photographic plates, etc., there is no need for a complicated optical system for photographing, and the CGH displayed on a spatial light modulator (SLM) can be switched one after another. Because it has the advantage of being able to easily create videos, it is expected to be applied to next-generation televisions and XR devices such as VR/AR.
なお、以下の説明では、干渉縞を電子データとして生成する技術名称を計算機合成ホログラフィと定義し、本技術にて出力される干渉縞の画像データのことを計算機合成ホログラム(Computer-generated hologram, CGH)と表記することとする。 In the following explanation, the name of the technology that generates interference fringes as electronic data is defined as computer-generated holography, and the image data of interference fringes output by this technology is referred to as computer-generated hologram (CGH). ).
一方、計算機合成ホログラフィには、計算のための処理時間が膨大であるという技術課題が存在していた。CGHの計算法として、記録する物体を多数の点光源の集合(3D点群データ)で定義し、この各点光源から放出される光の伝搬を計算して物体光波を記録する「点光源法」が著名である。 On the other hand, computer-generated holography has a technical problem in that the processing time required for calculation is enormous. As a CGH calculation method, the object to be recorded is defined as a set of many point light sources (3D point cloud data), and the propagation of the light emitted from each point light source is calculated to record the object light wave. ” is famous.
しかしながら、点光源法では多数の点群からの光波伝搬シミュレーションを行う必要があり、そのための計算処理時間が膨大となる。また、計算機合成ホログラフィの再生時に十分な視域を得るためには可視光の波長に近い約1μm程度の画素ピッチのSLMが必要とされている。 However, in the point light source method, it is necessary to perform a light wave propagation simulation from a large number of point groups, which requires an enormous amount of calculation processing time. Furthermore, in order to obtain a sufficient viewing area during reproduction of computer-generated holography, an SLM with a pixel pitch of approximately 1 μm, which is close to the wavelength of visible light, is required.
例えば、1μmのオーダーで1cm×1cmの液晶を実現するために必要となるピクセル数は10000×10000ピクセルとなる。さらに液晶の大型化が成されることも想定すると、将来的には数百K~数千Kレベルの液晶が必要となる。点光源法の計算時間が一般に"点光源数×ホログラム面の画素数"であることを鑑みれば、膨大な点数を入力にリアルタイム計算を行うことは困難であり、CGHの生成高速化に関する研究は盛んに行われている。 For example, the number of pixels required to realize a 1cm x 1cm liquid crystal on the order of 1μm is 10,000 x 10,000 pixels. If we also assume that liquid crystals will become larger, in the future we will need liquid crystals with a capacity of several hundred K to several thousand K. Considering that the calculation time of the point light source method is generally "number of point light sources x number of pixels on the hologram surface," it is difficult to perform real-time calculations with a huge number of points as input, and research on speeding up CGH generation is difficult. It is being actively carried out.
このような処理時間の高速化が求められる背景の中で、ある特定フレームのホログラム面の物体光波分布ないしは干渉縞に変換を加えて、ある特定のフレームから、異なる物体配置の他のフレームのCGHを高速に作り出す技術が提案されてきた。すなわち、連続する動画の各フレームのようなフレーム間の変化が微小である場合に、一つ前のフレームで計算された物体光波分布をベースに何らかの変換を加え、次のフレームの物体光波分布を作り出すというアプローチである。 Against this backdrop of demands for faster processing times, it is necessary to convert the object light wave distribution or interference fringes on the hologram surface of a particular frame to calculate the CGH of other frames with different object arrangements from a particular frame. Techniques have been proposed to rapidly produce . In other words, when the change between frames is small, such as in each frame of a continuous video, some transformation is applied based on the object light wave distribution calculated in the previous frame, and the object light wave distribution in the next frame is calculated. The approach is to create.
非特許文献1には、図13のように、ホログラム面の物体光波分布ないしは干渉縞上の画素をシフトさせると再生像も同様に3次元空間上を平行移動するという特徴を用いて、連続するフレーム間で、前のフレームの干渉縞を用いて現在のフレームを高速に生成する技術が開示されている。
Non-Patent
非特許文献1によれば、ある3D物体が、奥行きの変わらない平行移動(ホログラム面に対して深度が変わらないような移動)をするようなケースにおいて、移動ベクトルを計算し、移動ベクトルに基づいて当該3D物体から計算される干渉縞の画素をシフトさせることで、点光源法の計算をし直す回数を少なくし、計算時間を削減することに成功している。この手法によれば、3D物体の奥行きの変化が少ないシーンにおいて、前のフレームの干渉縞をシフトさせるだけで次のフレームの干渉縞を生成でき、効率的な計算が可能である。
According to Non-Patent
加えて、非特許文献2には、XR応用などを目的に、ホログラフィの再生像を視聴可能なXRデバイスを身に着けた着用者がわずかに視点の位置や向きを動かしたときに、その状況に合わせた干渉縞を移動前のフレームの物体光波分布に変換を加えることで高速に計算する手法が開示されている。
In addition, Non-Patent
非特許文献2によれば非特許文献1と同様に、図7のようにホログラム面上の物体光波分布を画素シフトさせることにより、再生像を画素シフトさせた方向に動かすことができるため、視聴者の視点がホログラム面に対して平行移動した際の再生像を模擬できるようになる。
According to Non-Patent
この平行移動の特性は、例えばHMD(Head Mounted Display)型のホログラフィ視聴が可能なXRデバイスなどにおいて、様々な瞳孔間距離を持つユーザーに対して、微妙に異なる視点位置からの再生像を掲示したい場合などに有用である。つまり、あるリファレンスとなる物体光波分布を一枚記録しておき、他の瞳孔間距離のユーザーに対しては物体光波分布を平行移動させて物体光波分布を作り出すことにより、リファレンス一枚だけを計算しておくだけで様々なユーザーの瞳孔間距離に適応したCGHを高速に作り出すことができる。 This characteristic of parallel movement is useful for displaying reconstructed images from slightly different viewpoints for users with various interpupillary distances, such as in HMD (Head Mounted Display) type XR devices that can view holography. It is useful in cases such as In other words, one image of the object light wave distribution that serves as a reference is recorded, and only one reference image is calculated for users with other pupillary distances by moving the object light wave distribution in parallel to create the object light wave distribution. By simply doing this, you can quickly create CGHs that are adapted to the pupillary distances of various users.
また、非特許文献2では平行移動だけではなく、ホログラム面の回転移動と前後移動に関しても高速計算法が開示されている。視点の回転移動は、図8に示すようにホログラム面上の各画素に回転によって生じる光路差を計算し、この光路差を生み出す位相を各画素に付与することで模擬している。
Furthermore, Non-Patent
なお、図8はx軸を中心に視点を回転移動する例を示しており、図8中の式においてjは虚数単位、kは光の波長から計算される波数、θrotは回転角度を表している。視点の前後移動は、図9に示すようにホログラム面上の物体光波分布を拡大ないしは縮小することで模擬できる。非特許文献2によれば、上記の「平行移動」、「回転移動」および「前後移動」を組み合わせることで視聴者の任意の視点移動を、前フレームで計算した物体光波分布に対する変換処理で模擬できるのでCGHの高速生成が可能となる。
Figure 8 shows an example of rotating the viewpoint around the x-axis. In the equation in Figure 8, j is an imaginary unit, k is the wave number calculated from the wavelength of light, and θrot is the rotation angle. There is. The forward and backward movement of the viewpoint can be simulated by expanding or contracting the object light wave distribution on the hologram surface, as shown in FIG. According to Non-Patent
非特許文献2では、視点の「平行移動」、「回転移動」および「前後移動」を模擬するための変換(ホログラム面上の各画素のシフト、ホログラム面上の各画素への位相の付与、ホログラム面の拡縮)を行った際にエイリアシングが生じてしまう可能性があった。
Non-Patent
一般にホログラフィにおける干渉縞の生成においては、干渉縞の縞と縞との間隔が非常に狭くなることから高周波成分が生じ易い。しかしながら、現状の電子デバイスのピクセルピッチの細かさには限界があり、表示に用いる電子デバイスの解像度に応じて表現できる空間周波数は限られてしまう。このとき、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エイリアシングが発生してしまう。 Generally, when generating interference fringes in holography, high frequency components are likely to occur because the intervals between the interference fringes become very narrow. However, there is a limit to the fineness of the pixel pitch of current electronic devices, and the spatial frequency that can be expressed is limited depending on the resolution of the electronic device used for display. At this time, aliasing occurs in a high frequency region exceeding the sampling frequency of the electronic device.
このようなエイリアシングが発生すると、図5に示すように再生時に同じ像が複数表示される高次回折像(ゴースト像)が生じて正しい像の観察に支障をきたす。そのためCGHの計算を行う際にはホログラム面上の空間周波数の高い部分を除去する「周波数制限」が必要となる。 When such aliasing occurs, higher-order diffraction images (ghost images) are generated in which multiple identical images are displayed during reproduction, as shown in FIG. 5, which interferes with correct image observation. Therefore, when performing CGH calculations, it is necessary to "frequency limit" to remove high spatial frequency parts on the hologram surface.
周波数制限の計算は、非特許文献3などの文献に開示されるようにサンプリング定理に基づいて行われるもので、実際には図5に示すように縞の間隔が一定以上狭くなる領域を除去することで行われる。図5の「周波数制限を行わない場合」のように、縞の間隔が狭くなりすぎると高周波成分が折り返し歪として生じ、結果同じ像が折り返して表示されることとなる。ただし、高周波成分が失われると再生像の空間解像度が低下することから、エイリアシングが起こらない範囲で高周波成分を極力残すことが望ましい。 Calculation of the frequency limit is performed based on the sampling theorem as disclosed in literature such as Non-Patent Document 3, and in reality, as shown in Figure 5, regions where the interval between fringes becomes narrower than a certain level are removed. It is done by If the spacing between the stripes becomes too narrow, as in the case of "no frequency restriction" in FIG. 5, high frequency components will occur as aliasing distortion, resulting in the same image being aliased and displayed. However, if high frequency components are lost, the spatial resolution of the reconstructed image will decrease, so it is desirable to leave as much high frequency components as possible within a range where aliasing does not occur.
実際の計算手順としては、光波伝搬のシミュレーション計算前にエイリアシングが発生するホログラム面上の領域を特定し(これは一般に、光学系の条件を基に決定できる)、エイリアシングが発生しない領域の画素に対してのみ光波伝搬シミュレーションを行う。 The actual calculation procedure is to identify the area on the hologram surface where aliasing occurs (generally, this can be determined based on the conditions of the optical system) before calculating the light wave propagation simulation, and then select the pixels in the area where aliasing does not occur. Light wave propagation simulation is performed only for
このとき、計算に用いる物体点の位置によって周波数制限を行う領域が変わることから、上記の処理は各点に対して各々実施され、周波数制限済の各点からの物体光波分布を加算することで最終的な複数の3D点群からの物体光波分布を得る。以上の手順により、エイリアシングが生じることを回避できることに加えて、エイリアシングが生じる画素については光波伝搬計算が不要となるので効率的な計算が可能にある。 At this time, since the area where frequency limitation is applied changes depending on the position of the object point used for calculation, the above processing is performed for each point individually, and the object light wave distribution from each frequency limited point is added. Obtain the final object light wave distribution from multiple 3D point clouds. By the above procedure, in addition to being able to avoid the occurrence of aliasing, it is also possible to perform efficient calculations because light wave propagation calculations are not required for pixels where aliasing occurs.
しかしながら、非特許文献2のように計算後の物体光波分布に対して視点移動を模擬するための変換を加えるようなケースでは、変換の前後において周波数分布が変わってしまうことから、たとえ変換前の物体光波分布ではエイリアシングが発生しなかったとしても、変換後にはエイリアシングが生じてしまうことがあった。
However, in the case of adding a transformation to simulate viewpoint movement to the calculated object light wave distribution as in
すなわち、画素シフト量や回転量、ホログラム面の拡大や縮小を過度に行えばエイリアシングが多く発生してしまい、ゴースト像が見えるようになることで再生像の品質が低下する。したがって、非特許文献2では視点の平行移動、回転移動あるいは前後移動の量が一所定量を上回る度に、改めてホログラム面全面の計算を点光源法を用いて実行し直す必要があり、これが計算時間を高速化する上での問題となっていた。
That is, if the pixel shift amount, rotation amount, or enlargement or reduction of the hologram surface is excessively performed, aliasing will occur in large quantities, and the quality of the reproduced image will deteriorate as ghost images become visible. Therefore, in
また、視点移動を模擬する変換後の物体光波分布は、様々な位置にある物体点からの光波を加算した物体光波分布に対して変換を行ったものであることから、上述のように各点に対して周波数制限処理を実施することができず、一般的な周波数制限処理フローでは周波数制限を行うことができない。 In addition, the object light wave distribution after conversion that simulates viewpoint movement is the object light wave distribution that is obtained by adding the light waves from object points at various positions. Therefore, it is not possible to perform frequency restriction processing using a general frequency restriction processing flow.
なお、特に非特許文献2が採用するレンズを用いて視野を拡大可能な光学系(以下、「レンズ拡大光学系」と表現する場合もある)では、計算法として参照光に「収束球面参照光」と呼ばれる特殊な参照光を利用しており、参照光からホログラム面上の各画素への光路差が異なって位相差が生じることから、単なる平行移動においても最終的な干渉縞の上ではエイリアシングが発生してしまう。 In particular, in an optical system that can expand the field of view using a lens adopted in Non-Patent Document 2 (hereinafter sometimes referred to as a "lens expansion optical system"), the calculation method is to use a "convergent spherical reference light" as a reference light. Since the optical path difference from the reference light to each pixel on the hologram surface is different and a phase difference occurs, aliasing occurs on the final interference fringes even with simple parallel movement. will occur.
本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、視点移動を物体光波分布の変換により模擬できる計算機合成ホログラム生成において、CGHをその品質劣化を抑制しながら高速に生成する装置、方法及びプログラムを提供することにある。 The purpose of the present invention is to solve the above technical problems and provide an apparatus, method, and program for generating CGH at high speed while suppressing quality deterioration in computer-generated hologram generation in which viewpoint movement can be simulated by converting object light wave distribution. It is about providing.
上記の目的を達成するために、本発明は、ホログラム面における物体光と参照光との干渉計算に基づいて計算機合成ホログラムを生成する装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention is an apparatus for generating a computer-generated hologram based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram surface, and is characterized in that it includes the following configuration.
(1) 物体の3D点群を取得する3D点群取得手段と、3D点群の点ごとに光波伝搬計算を行ってホログラム面上の物体光波分布を計算する光波伝搬計算手段と、視点移動を物体光波分布の変換により模擬する 物体光波変換手段と、前記変換後の物体光波分布からエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去する変換後周波数制限手段と、前記高周波領域を除去した物体光波分布に対して参照光との干渉計算を行ってホログラムを出力する干渉計算部とを具備した。 (1) A 3D point cloud acquisition means that acquires a 3D point cloud of an object, a light wave propagation calculation means that calculates the object light wave distribution on the hologram surface by calculating light wave propagation for each point of the 3D point cloud, and a light wave propagation calculation means that calculates the object light wave distribution on the hologram surface. An object light wave conversion means for simulating by converting an object light wave distribution; a post-conversion frequency limiting means for removing a high frequency region that causes aliasing from the object light wave distribution after the conversion; An interference calculation unit that performs interference calculation with the reference light and outputs a hologram is provided.
(2) 3D点群の各点をその位置に応じて複数のグループに分割する手段を具備し、光波伝搬計算手段は、グループごとに物体光波分布を計算し、物体光波変換手段は、グループごとに物体光波分布を視点移動に応じて変換し、変換後周波数制限手段は、グループごとに物体光波分布からエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去し、各グループの高周波領域除去後の物体光波分布を統合する光波統合手段を更に具備した。 (2) The light wave propagation calculation means calculates the object light wave distribution for each group, and the object light wave conversion means divides each point of the 3D point cloud into a plurality of groups according to its position. The object light wave distribution is converted according to the movement of the viewpoint, and the post-conversion frequency limiting means removes high frequency regions that cause aliasing from the object light wave distribution for each group, and integrates the object light wave distributions after removing the high frequency regions of each group. The device further includes a light wave integration means.
(1) 視点移動を画素シフトで模擬するための変換が行われた物体光波分布を対象にエイリアシングを防止するための周波数制限を行うので、前フレームの光波伝搬分布を再利用したCGHの高速生成が、その品質劣化を抑制しながら可能になる。 (1) Frequency restriction is applied to prevent aliasing on the object light wave distribution that has been transformed to simulate viewpoint movement by pixel shift, so high-speed CGH generation that reuses the light wave propagation distribution of the previous frame is possible. is possible while suppressing quality deterioration.
(2) 3D点群を複数のグループに分割してグループごとに変換後の物体光波分布を対象に周波数制限を行い、周波数制限後の各グループの物体光波分布を統合するので、周波数制限の領域を最小限に抑えることができる。したがって、多少のメモリ消費量の増加と引き換えにCGHの品質劣化を更に抑制できるようになる。 (2) Divide the 3D point cloud into multiple groups, perform frequency restriction on the object light wave distribution after conversion for each group, and integrate the object light wave distribution of each group after frequency restriction, so the area of frequency restriction can be minimized. Therefore, deterioration in CGH quality can be further suppressed at the cost of a slight increase in memory consumption.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の構成を示した機能ブロック図であり、3D点群取得部10、3D点群分割部20、周波数制限部30、光波伝搬計算部40、物体光波変換部50、物体点群周波数制限部60、光波統合部70および干渉計算部80を主要な構成とし、ここでは本発明の説明に不要な構成は図示を省略している。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a computer-generated
このような計算機合成ホログラム生成装置1は、汎用の少なくとも一台のコンピュータやサーバに各機能を実現するアプリケーション(プログラム)を実装することで構成できる。あるいはアプリケーションの一部をハードウェア化またはソフトウェア化した専用機や単能機としても構成できる。
Such a computer-generated
3D点群取得部10は、CGHの計算に利用する3D点群データを取得する。本実施形態では、ホログラフィで再生したいシーンの3D点群を計算機内で扱うために各点pi(iは点のインデックス)のデータを装置内に取り込む。3D点群は、例えばPLYファイルなどの汎用フォーマットとして入力される。本実施例では各点piが位置情報(Xi, Yi, Zi)および輝度情報Aiを有している。
The 3D point
輝度情報AiはRGBなどのカラー情報として入力されてもよいが、一般的なCGHの生成手法においてカラー化を行う場合は、赤の波長、緑の波長および青の波長でそれぞれ干渉縞を独立に生成する。このため、一般的には同じ処理を3回繰り返すのみで単色とカラーにおけるフローの違いはないことから、ここでは単色の輝度情報Aiを持つものとして説明を続ける。 Luminance information Ai may be input as color information such as RGB, but when colorizing in a general CGH generation method, interference fringes are generated independently at red wavelength, green wavelength, and blue wavelength. generate. Therefore, in general, the same process is repeated only three times and there is no difference in flow between monochrome and color, so here we will continue the explanation assuming that monochrome brightness information Ai is available.
3D点群取得部10の前処理として、計算時間を減らす観点から3D点群の各位置にOctreeなどを適用して量子化し、同じ位置に重複する点については輝度を平均化して1点として扱うようなダウンサンプリングを行っても良い。更に特定視点位置から見た際に前方の点に隠されて見えない位置の点を予め除去する前処理を行っても良い。
As preprocessing for the 3D point
なお、入力データは3D点群データに限定されるものではなく、ポリゴンモデルを入力してもよい。ホログラフィ向けに3Dポリゴンモデルから運動視差を保ちつつ3D点群データを得る手法として、非特許文献4ではレイトレーシング法に基づく3D点群取得手法が提案されている。このような手法を採用してポリゴンモデルを入力し、点群に変換してもよい。 Note that the input data is not limited to 3D point cloud data, and polygon models may also be input. As a method for obtaining 3D point cloud data from a 3D polygon model while maintaining motion parallax for holography, Non-Patent Document 4 proposes a 3D point cloud acquisition method based on a ray tracing method. Such a method may be adopted to input a polygon model and convert it into a point cloud.
3D点群分割部20は、入力された3D点群を複数のグループに分割する。本実施形態では、相互に近い位置にある点群はホログラム面上の画素において類似した領域に周波数制限が施されるという観点から、分割の基準として各点群の位置を採用している。
The 3D point
最も単純な分割の例としては、図2に示すように、XYZ方向で表現される3次元直交座標系にボクセルグリッドを配置し、各ボクセルグリッド内に入る点群を同一グループとして扱う方法がある。ボクセルグリッドは任意の直方体形状とすることができる。 As shown in Figure 2, the simplest example of division is to arrange voxel grids in a three-dimensional orthogonal coordinate system expressed in the XYZ directions, and treat the points that fall within each voxel grid as the same group. . The voxel grid can have any rectangular shape.
また、シーン全体の平行移動(視聴者が真横に移動するように見えるシーン)を模擬する変換が物体光波分布に対して予定される場合、ホログラム面から遠いほど、実際の再生像の動きは小さく見える。すなわち、視聴者の視点が1cm平行移動する場合、物体が深さ50cmの位置にある物体の方が深さ100cmの位置にある物体よりも相対的に大きく動いているように見える。そこで、ホログラム面から距離が離れるほどグリッドの大きさが大きくなるようにグルーピングを行ってもよい。 Additionally, if a transformation that simulates parallel movement of the entire scene (a scene in which the viewer appears to move sideways) is planned for the object light wave distribution, the farther from the hologram surface, the smaller the movement of the actual reconstructed image will be. appear. In other words, when the viewer's viewpoint moves in parallel by 1 cm, an object at a depth of 50 cm appears to be moving relatively more than an object at a depth of 100 cm. Therefore, grouping may be performed such that the grid size increases as the distance from the hologram surface increases.
これを実現する例としては、ホログラム面の中央を中心とする距離l、仰角θ、方位角Φで表現される3D極座標系で物体点光源の配置を考え、各軸を一定の長さまたは角度ごとに区切ってグリッドを形成してもよい。 As an example of how to achieve this, consider the arrangement of an object point light source in a 3D polar coordinate system expressed as a distance l, an elevation angle θ, and an azimuth angle Φ centered on the center of the hologram surface, and each axis is set at a fixed length or angle. It is also possible to form a grid by dividing each area.
あるいは図3に示すように、ホログラム面に平行な底面を持つ視錐体としてグリッドを表現してもよい。この場合、点の存在する3D領域全体を内包する視錐体の中に一定のz軸方向の長さ、及び一定の画角を持つ小さい視錐体のグリッドを作ることで空間を分割してもよい。 Alternatively, as shown in FIG. 3, the grid may be expressed as a viewing cone with a base parallel to the hologram surface. In this case, the space is divided by creating a grid of small viewing cones with a fixed length in the z-axis direction and a fixed angle of view within the viewing cone that encompasses the entire 3D area where the point exists. Good too.
なお、分割後のグループの数が増えるほどより正確な周波数制限が行えるものの、後述する光波伝搬計算部40が保持する物体光波分布の枚数が増えるため、メモリ消費量が多くなるのみならずメモリアクセスが増えるために計算時間も長くなる傾向がある。したがって、品質と計算機リソースとのトレードオフを高めるためには、ホログラム面から距離が遠くなるほどグリッドが大きくなるように3D点群を分割することが有効である。
Note that as the number of groups after division increases, more accurate frequency restriction can be achieved, but since the number of object light wave distributions held by the light wave
また、上記のように各点piをその位置に基づきグリッド単位でグルーピングをするのではなく、任意のクラスタリング手法を用いてグループを形成してもよい。例えば、k-means法に基づきクラスタリングを行い、各クラスタを同一のグループとして扱ってもよい。 Furthermore, instead of grouping each point pi in grid units based on its position as described above, groups may be formed using any clustering method. For example, clustering may be performed based on the k-means method and each cluster may be treated as the same group.
このようなクラスタリング手法に基づいてグループを作る方が、後段の物体点群周波数制限部60でグループ内の点群の重心位置を基に周波数制限の範囲を求める際に、より誤差の少ない周波数制限を実施できる可能性が高くなる。一方、膨大な数の点から成る3D点群を入力する場合、クラスタリングに要する処理時間が長くなってしまう可能性がある。そこで、本実施形態では前記図2に示すように、各点piを3次元直交座標系における位置情報に基づきN個のグループ(グループ1~グループn:nはグループのインデックス)に分割することとした。
Creating groups based on such a clustering method allows the object point
周波数制限部30は、3D点群の点piごとにホログラム面における物体光波分布からエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去する周波数制限処理を実施し、周波数がエイリアシングを生じさせない帯域に制限された周波数制限領域を計算する。本実施形態では非特許文献3と同様に、点piごとに干渉縞の間隔が狭くなってエイリアシングが発生するホログラム面上の画素領域を特定し、当該領域に対しては後段の光波伝搬計算部40が光波伝搬計算を行わないようにすることで周波数制限を実現する。
The
例えば、レンズ拡大光学系における物体光と参照光とに位相差がある場合の周波数制限領域は、非特許文献3に示される方法により、隣接画素に対する光路差を用いて計算できる。これは、ホログラムにおける空間周波数には物体光と参照光との角度に比例する性質があるためである。 For example, the frequency restriction region when there is a phase difference between the object light and the reference light in the lens expansion optical system can be calculated using the optical path difference between adjacent pixels by the method shown in Non-Patent Document 3. This is because the spatial frequency in a hologram has a property of being proportional to the angle between the object light and the reference light.
図4に示すように、ある物体光源と参照光源とが存在する場合において、判定対象画素(x, 0)に隣接する画素(x', 0)を考える。周波数制限領域を計算したい物体光源の位置(Xi, Yi, Zi)からホログラム面の各ピクセルまでの距離をrO,rO'と定義し、参照光源の位置から各ピクセルまでの距離をrR,rR'と定義する。 As shown in FIG. 4, when a certain object light source and a reference light source exist, consider a pixel (x', 0) adjacent to a determination target pixel (x, 0). The distance from the object light source position (Xi, Yi, Zi) for which you want to calculate the frequency restriction region to each pixel on the hologram surface is defined as r O , r O ', and the distance from the reference light source position to each pixel is defined as r R , r R '.
なお、収束球面参照光波をレンズ拡大光学系にて用いる場合、非特許文献2に示されるように参照光の配置位置はレンズの焦点距離fを用いて(0, 0, f)に配置されることから、距離rR,rR'は各ピクセルと(0, 0, f)との距離となる。このとき、エイリアシングが発生しない領域(残すべき領域)は、λを光の波長とすれば次式(1)~(5)で計算できる。
Note that when using a convergent spherical reference light wave in a lens expansion optical system, the reference light is arranged at (0, 0, f) using the focal length f of the lens, as shown in
上式(5)が成立すれば判定対象画素(x,0)について周波数制限を行う必要はない。ただし、実際には判定対象画素(x,0)のx軸方向左右に隣接する2画素についても各々判定式を計算し、双方が式(5)を満たす場合に周波数制限を行う必要がない領域と見做す必要がある。更に、上式(1)~(5)はx方向のみならずy方向についても同様に計算する必要があり、x, y方向のいずれにでも残すべきと判断された領域のみが、図5に示すように周波数制限領域として残ることになる。 If the above formula (5) holds true, there is no need to limit the frequency of the determination target pixel (x,0). However, in reality, the determination formula is calculated for each of the two pixels adjacent to the left and right in the x-axis direction of the determination target pixel (x, 0), and if both satisfy formula (5), there is no need to perform frequency restriction. It is necessary to consider it as such. Furthermore, the above equations (1) to (5) need to be calculated not only in the x direction but also in the y direction, and only the areas that are determined to be left in either the x or y direction are shown in Figure 5. As shown, it remains as a frequency limited region.
加えて、本実施形態は周波数制限部30において、本来はエイリアシングが発生するはずの一部の領域を残すことができるようにしている。すなわち、上式(5)に対して次式(6)のように判定の度合いを制御するための変数m1を乗算できるようにした。
In addition, in the present embodiment, the
m1=1であれば式(6)は式(5)と同一になるので、m1が大きくなるほど高い周波数成分まで残ることとなる。上式(6)ではm1を0以下に設定してしまうと全領域が周波数制限されてしまい、何も残らないことから、m1は0よりも大きな値に設定することが望ましい。なお、m1を無限大とすれば周波数制限を行わないことと同義である。 If m 1 =1, equation (6) becomes the same as equation (5), so the larger m 1 is, the higher frequency components remain. In the above equation (6), if m 1 is set to 0 or less, the entire region will be frequency limited and nothing will remain, so it is desirable to set m 1 to a value larger than 0. Note that if m1 is set to infinity, it is synonymous with no frequency restriction.
本実施形態ではm1=1.2に設定している。この設定では最終的な干渉縞の上ではエイリアシングが発生してしまうが、本実施形態のように視点移動を模擬するための変換処理を物体光波分布に対して行うことが予定されている場合、高周波成分を残しておく方が有効となる場合がある。この有効性については後に詳述する。 In this embodiment, m 1 is set to 1.2. With this setting, aliasing will occur on the final interference fringes, but if it is planned to perform a conversion process on the object light wave distribution to simulate viewpoint movement as in this embodiment, It may be more effective to leave high frequency components. This effectiveness will be detailed later.
なお、変換前フレームの干渉縞も出力する場合には、このままではエイリアシングが生じてしまうため、変換前フレームの干渉縞に関してはm1=1として個別に物体光波分布を計算してもよい。 Note that if the interference fringes of the pre-conversion frame are also output, aliasing will occur if this is done, so the object light wave distribution may be calculated individually with m 1 =1 for the interference fringes of the pre-conversion frame.
なお、0<m1<1であれば伝搬計算を行うべき領域が少なくなることと、低周波成分しか残らないために変換を施した際にエイリアシングが生じにくくなるため、低品質で高速に生成したい場合には有効である。ただし、多くの高周波成分が除去されてしまうので再生像の空間解像度が低下してしまう問題がある。 Note that if 0<m 1 <1, there will be less area to perform propagation calculations, and since only low frequency components will remain, aliasing will be less likely to occur during transformation, so it can be generated quickly with low quality. It is effective if you want to do so. However, since many high frequency components are removed, there is a problem that the spatial resolution of the reconstructed image is reduced.
なお、上式(1)~(5)で示される周波数制限処理は、参照光の性質によっては異なる式で計算すべき場合もある。例えば非特許文献3では、参照光に位相差が存在しない(すなわち参照光が平行光である)場合の周波数制限方法についても式が示されている。このように、周波数制限の計算方法は上式(1)~(5)の計算方法に限定されるものではない。 Note that the frequency limiting processing shown in equations (1) to (5) above may need to be calculated using different equations depending on the properties of the reference light. For example, Non-Patent Document 3 also shows a formula for a frequency limiting method when there is no phase difference in the reference light (that is, the reference light is parallel light). In this way, the frequency limit calculation method is not limited to the calculation methods of equations (1) to (5) above.
本質的には、位相の方向微分で計算される空間周波数がサンプリング周波数を超えないようにすればよく、これを満たすのであれば任意の計算方法を用いることができる。その場合も上式(6)のように高周波数成分を残すように調節できる変数を導入することが望ましい。 Essentially, it is sufficient to ensure that the spatial frequency calculated by the directional differential of the phase does not exceed the sampling frequency, and any calculation method can be used as long as this is satisfied. In that case as well, it is desirable to introduce a variable that can be adjusted so as to leave high frequency components as shown in equation (6) above.
光波伝搬計算部40は、従来手法である点光源法に基づいて、3D点群からホログラム面までの物体光波の伝搬計算を次式(7),(8)によりグループ単位で行う。ただし、次式(8)の計算は周波数制限部30で周波数制限しないと判定された画素にのみに実施する。
The light wave
ここで、(x, y)は光波が伝搬されるホログラム面上の画素位置、si (x, y)は各点(光源)piから伝搬されるホログラム面上の光波分布、Aiは点piの輝度、riは点piとホログラム面上の画素(x, y)との距離、kは光の波長から計算される波数、un (x, y)はグループnに所属する各点から計算される物体光波分布である。本実施形態では図6に示すように、グループごとに物体光波を保存しておく点に特徴がある。 Here, (x, y) is the pixel position on the hologram surface where the light wave is propagated, si (x, y) is the light wave distribution on the hologram surface that is propagated from each point (light source) pi, and Ai is the distribution of the light wave on the hologram surface that is propagated from each point (light source) pi. Brightness, ri is the distance between point pi and pixel (x, y) on the hologram surface, k is the wave number calculated from the wavelength of light, and u n (x, y) is calculated from each point belonging to group n. This is the object light wave distribution. As shown in FIG. 6, this embodiment is characterized in that object light waves are stored for each group.
物体光波分布un (x, y)を保存するために必要となるメモリ量は、最終的な電子デバイス(SLM)に表示する干渉縞と同程度になることから、例えば4K解像度のSLMを用いるのであればun (x, y)も4K解像度となる。このように、本実施形態ではグループ数Nが増えるほど品質は向上するがメモリ消費量が増えるというトレードオフの関係が成り立つ。 The amount of memory required to store the object light wave distribution u n (x, y) is comparable to the interference fringes displayed on the final electronic device (SLM), so it is recommended to use an SLM with 4K resolution, for example. If so, u n (x, y) will also have 4K resolution. As described above, in this embodiment, a trade-off relationship is established in which the quality improves as the number of groups N increases, but the memory consumption increases.
物体光波変換部50は、光波伝搬計算部40で得られた各グループnの物体光波分布un (x, y)に対して、フレーム間での視点の「平行移動」、「回転移動」および「前後移動」のいずれかまたは組み合わせをホログラム面上での物体光波分布に対する適宜の変換処理により模擬するための変換処理を施す。本実施形態では、物体光波分布として記録される物体光波の振幅情報および位相情報の少なくとも一方に変換を加えることで視点移動を模擬している。
The object light
例えば、図7に示すように視点の平行移動を模擬するならば物体光波分布un (x, y)に対して画素シフトを行う。図8に示すように視点の回転移動を模擬するならば、物体光波分布un (x, y)に対して回転によって生じる光路差が生み出す位相を付与する。図9に示すように視点の前後移動を模擬するならばun (x, y)を拡大または縮小する。 For example, to simulate parallel movement of the viewpoint as shown in FIG. 7, a pixel shift is performed on the object light wave distribution u n (x, y). If the rotational movement of the viewpoint is simulated as shown in FIG. 8, a phase generated by the optical path difference caused by the rotation is given to the object light wave distribution u n (x, y). As shown in FIG. 9, if the forward and backward movement of the viewpoint is simulated, u n (x, y) is enlarged or reduced.
このような変換処理はグループごとに計算した物体光波分布un (x, y)のそれぞれに対して実施される。本実施形態では、変換の内容に応じてun (x, y)上の各画素をx方向にΔx、y方向yにΔyだけシフトさせることで、次式(9)で与えられる変換後物体光波分布u'n (x, y)を取得する。なお、(x-Δx,y-Δy)の位置に画素が存在しなければ当該画素(x, y)は0で穴埋めされる。 Such conversion processing is performed for each object light wave distribution u n (x, y) calculated for each group. In this embodiment, by shifting each pixel on u n (x, y) by Δx in the x direction and Δy in the y direction y according to the content of the transformation, the transformed object given by the following equation (9) Obtain the light wave distribution u' n (x, y). Note that if a pixel does not exist at the position (x-Δx, y-Δy), the pixel (x, y) is filled with 0.
なお、回転移動後の変換後物体光波分布u'n (x, y)は、非特許文献2などに開示される次式(10)を用いることで計算できる。
Note that the converted object light wave distribution u' n (x, y) after rotational movement can be calculated by using the following equation (10) disclosed in
また、前後移動後の変換後物体光波分布u'n (x, y)は次式(11)で計算できる。ただし、sは画素の拡縮率を表す変数(s>0)であり、sが1より大きい場合に拡大、sが1より小さい場合に縮小となる。 Further, the converted object light wave distribution u' n (x, y) after the forward and backward movement can be calculated using the following equation (11). However, s is a variable (s>0) representing the scaling ratio of the pixel, and when s is larger than 1, it is enlarged, and when s is smaller than 1, it is reduced.
物体点群周波数制限部60は、変換後物体光波分布u'n (x, y)に対してエイリアシングの抑制を目的とする周波数制限処理を行う。ただし、変換後物体光波分布u'n (x, y)はグループ単位で複数の点piからの物体光波を上式(6)で重ね合わされて保存されているため、変換前に前記周波数制限部30が実施する周波数制限のように、点piごとに高周波領域を除去して残りの領域のみを対象に光波伝搬の計算を行う制限手法を適用できない。
The object point group
そこで、物体点群周波数制限部60は各グループの代表点に対して周波数制限を計算し、高周波領域を除去した周波数制限領域のみを残すことで近似的に周波数制限を実現する。周波数制限後の物体光波分布をu''n (x, y)と表現する。
Therefore, the object point
本実施形態では、各グループに所属する点群の重心位置を計算する。例えば、図10に示すようにグループ2の重心位置の点をpg2とし、当該点pg2に対して上式(6)と同様に次式(12)で周波数制限を行う領域の計算を行う。ここでは判定の度合いを制御するための変数m2を導入した。
In this embodiment, the centroid position of the point group belonging to each group is calculated. For example, as shown in Figure 10, the point at the center of gravity of
本実施形態ではm2=0.8と設定し、図10のように変換後物体光波分布u'n (x, y)を対象に上式(12)を満たす画素のみ物体光波を残し、他の画素は全て0にすることで周波数制限された変換後物体光波分布u''n (x, y)を得る。 In this embodiment, m 2 =0.8 is set, and as shown in FIG. 10, the object light wave is left only for pixels that satisfy the above equation (12) for the object light wave distribution u' n (x, y) after conversion, and the object light wave is left for other pixels. By setting all to 0, we obtain the frequency-limited converted object light wave distribution u'' n (x, y).
なお、重心位置pg2はグループ内の各点と位置が異なるため、この周波数制限により全てのエイリアシングを除去できることは保証されない。しかしながら、グループ内の各点が重心位置pg2の近傍に存在する場合はグループ内の各点の周波数制限領域は重心位置pg2の周波数制限領域の近傍の領域となるため、結果的にエイリアシングの発生を抑制できる可能性が高い。 Note that since the center of gravity position p g2 is different from each point in the group, it is not guaranteed that all aliasing can be removed by this frequency restriction. However, if each point in the group exists near the center of gravity p g2 , the frequency restriction area of each point in the group will be the area near the frequency restriction area of the center of gravity p g2 , resulting in aliasing. There is a high possibility that the outbreak can be suppressed.
また、物体光波分布un (x, y)に対する変換量すなわち画素シフト量、回転角度あるいは画素の拡縮割合が多いほど、より多くの低周波領域が高周波領域に変化する可能性があることから、前記変数m2は変換量が多いほど小さな値となるように設定し、周波数制限領域の帯域をより低周波数側へ狭めることが望ましい。 Furthermore, the larger the amount of conversion to the object light wave distribution u n (x, y), that is, the amount of pixel shift, rotation angle, or pixel expansion/contraction ratio, the more low-frequency regions may change to high-frequency regions. It is desirable that the variable m 2 is set to a smaller value as the amount of conversion increases, thereby narrowing the band of the frequency restriction region to the lower frequency side.
変換後の周波数制限方法は、上記のようにグループ内の点を重心位置で代表する方法に限定されるものではなく、図11に示すように、各グループを構成する全ての点piについて周波数制限を行わない領域を計算し、その領域の積となる領域を周波数制限領域として残すようにしても良い。このようにすれば、一の点の低周波領域が他の一の点では高周波領域となるというように、ホログラム面上の各領域の周波数帯域が点Piごとに異なっている場合でも、エイリアシングの発生を抑制できる周波数制限領域を設定できるようになる。 The frequency limiting method after conversion is not limited to the method of representing the points in a group by the centroid position as described above, but as shown in Figure 11, frequency limiting is applied to all points pi constituting each group. It is also possible to calculate a region in which no processing is performed, and leave a region that is the product of the calculated regions as a frequency-limited region. In this way, aliasing can be prevented even if the frequency band of each area on the hologram surface is different for each point Pi, such as a low frequency area at one point becoming a high frequency area at another point. It becomes possible to set a frequency restriction area that can suppress the occurrence.
あるいは各領域の積ではなく、一定割合以上の点において周波数制限を行わない領域を算出するようにしても良い。このケースでは、いずれの点においてもエイリアシングが発生しない領域のみが残されるためエイリアシングの発生を完全に抑制できるが、積となる領域が少ない場合には再生像の品質劣化に繋がってしまう可能性もある。 Alternatively, instead of calculating the product of each area, the area where frequency restriction is not applied may be calculated at a certain percentage or more. In this case, only areas where aliasing does not occur at any point are left, so aliasing can be completely suppressed, but if there are few areas where the product can occur, it may lead to deterioration in the quality of the reproduced image. be.
このように、本実施形態ではグループ分けした位置の近い光波に対して変換を施し、変換後の光波に対して、グループごとに周波数制限を行う領域を計算し、物体光波分布の一部カットを行うようにした点に特徴がある。 In this way, in this embodiment, the grouped light waves that are close to each other are converted, and the area for frequency restriction is calculated for each group for the converted light waves, and a part of the object light wave distribution is cut. It is distinctive in that it is done this way.
なお、物体光波分布の単なる画素シフトによって干渉縞にエイリアシングが生じる理由は、図12に示すように、画素シフトに伴って参照光に対する相対位置が変わり、参照光に対する距離が変わるために最終的な干渉縞にした際に周波数が変化するからである。これは、各画素に対して位相差が存在する参照光を利用する場合や、非特許文献2のようなレンズの存在する光学系において画素シフトを行った際にレンズに対する通過位置が変わってしまうことなどが原因となる。
The reason why aliasing occurs in the interference fringes due to a simple pixel shift in the object light wave distribution is that as shown in Figure 12, the relative position to the reference light changes with the pixel shift, and the distance to the reference light changes, so the final This is because the frequency changes when forming interference fringes. This is because when using a reference light that has a phase difference for each pixel, or when performing a pixel shift in an optical system with a lens as in
一方、元々はエイリアシングが発生するはずであった領域の周波数が変換によりエイリアシングが発生しない周波数の領域に変化する可能性もある。したがって、周波数制限部30でm1=1.2のようにm1として1以上の値を指定する意味は、前段の周波数制限部30では敢えてエイリアシングが発生する領域まで物体光波分布を残しておくことで、変換によって高周波領域が低周波領域に変化した際に、その低周波領域を残すことができて品質が高まる可能性がある、ということに基づく。
On the other hand, there is a possibility that a frequency range in which aliasing is originally supposed to occur may change to a frequency range in which aliasing does not occur due to conversion. Therefore, the meaning of specifying a value of 1 or more as m 1 such as m 1 = 1.2 in the
光波統合部70は、グループごとに周波数制限された変換後物体光波分布u''n (x, y)を統合することで最終的な物体光波分布を得る。最終的な変換後の物体光波分布u(x, y)は、各グループの変換後物体光波分布u''n (x, y)を加算すれば良いので次式(13)で計算される。
The light
なお、平行移動や拡縮などの特定の変換によっては、前フレームの光波が存在しない空白領域がホログラム面上で発生してしまう可能性がある。この領域に関しては変換前のフレームに情報がないため、点光源法を用いて改めて変換後の3D点群配置から物体光波分布を再計算してもよい。空いた領域を再計算して埋める手法は非特許文献2に開示されているので、ここでは説明を省略する。
Note that depending on a specific transformation such as parallel movement or scaling, a blank area where the light wave of the previous frame does not exist may occur on the hologram surface. Since there is no information in the frame before conversion regarding this region, the object light wave distribution may be recalculated from the 3D point cloud arrangement after conversion using the point light source method. The method of recalculating and filling the empty area is disclosed in
干渉計算部80は、ホログラム面上の物体光波u(x, y)に対して、計算機上のシミュレーションとして参照光波を差し込むことで干渉計算を行う。本実施例では非特許文献2に開示される光学系(レンズ拡大光学系、フーリエ変換光学系)を採用し、参照光として非特許文献2に開示され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。この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(14)で表わされる。
The
ここで、Roは参照光の強度、rは参照光の位置からホログラム面上の位置(x, y)までの距離を表している。参照光の位置は非特許文献2と同様、レンズ拡大光学系を構成するレンズの焦点位置(0,0,f)に配置される。fはレンズの焦点距離である。
Here, Ro represents the intensity of the reference light, and r represents the distance from the position of the reference light to the position (x, y) on the hologram surface. As in
なお、本発明の参照光は上式(14)に限定されるものではなく、次式(15)で表される単なる球面波参照光でも良いし、次式(16)で表される平行光参照光でもよい。式(16)のφは参照光のホログラム面への入射角度である。 Note that the reference light of the present invention is not limited to the above equation (14), and may be a simple spherical wave reference light expressed by the following equation (15), or a parallel light expressed by the following equation (16). It may also be a reference light. φ in equation (16) is the angle of incidence of the reference light onto the hologram surface.
参照光波と物体光波との干渉は次式(17)で求められる。 The interference between the reference light wave and the object light wave is obtained by the following equation (17).
ここで、I(x, y)はCGHの輝度分布である。最後に本実施例では、この、I(x, y)を0-255のレンジに正規化して画像として出力する。この画像をSLM上で再生し、そこに再生照明光を照射すれば再生像の再生及び視聴を行うことができる。 Here, I(x, y) is the brightness distribution of CGH. Finally, in this embodiment, I(x, y) is normalized to a range of 0-255 and output as an image. By reproducing this image on the SLM and irradiating it with reproduction illumination light, the reproduced image can be reproduced and viewed.
なお、上記の実施形態では3D点群の各点piをその位置に基づいてグルーピングし、グループ単位で物体光波分布un (x, y)、変換後物体光波分布u'n (x, y)および周波数制限後の物体光波分布u''n (x, y)を計算し、これらを統合して最終的な物体光波分布とするものとして説明した。 In the above embodiment, each point pi of the 3D point group is grouped based on its position, and the object light wave distribution u n (x, y) and the converted object light wave distribution u' n (x, y) are determined for each group. and the object light wave distribution u'' n (x, y) after frequency limitation are calculated, and these are integrated to form the final object light wave distribution.
しかしながら、本発明はこれのみに限定されるものではなく、3D点群が3D空間の狭い範囲に分布しており、各点群の周波数領域が一定範囲内におさまっていればグルーピングはが不要なので、図14に示した第2実施形態のように、3D点群分割部20および光波統合部70を省略した構成としても良い。
However, the present invention is not limited to this, and if the 3D point cloud is distributed in a narrow range of 3D space and the frequency domain of each point cloud is within a certain range, grouping is unnecessary. , as in the second embodiment shown in FIG. 14, the configuration may be such that the 3D point
さらに、上記の各実施形態では周波数制限部30を設けて変換処理前の物体光波分布から予め高周波領域を削除する周波数制限を行うものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、図15に示した第3実施形態のように周波数制限部30を省略し、高周波領域を削除する周波数制限に係る機能の全てを物体点群周波数制限部60に負わせるようにしても良い。
Further, in each of the above embodiments, the
そして、上記の各実施形態によれば高品質なCGHを短時間で生成することができ、通信インフラ経由でもリアルタイムで提供することが可能となるので、地理的あるいは経済的な格差を超えて多くの人々に多様なエンターテインメントを提供できるようになる。その結果、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標9「レジリエントなインフラを整備し、包括的で持続可能な産業化を推進する」や目標11「都市を包摂的、安全、レジリエントかつ持続可能にする」に貢献することが可能となる。 According to each of the embodiments described above, high-quality CGH can be generated in a short time and can be provided in real time even via communication infrastructure, so it can be used in large quantities regardless of geographic or economic disparity. It will be possible to provide a variety of entertainment to people. As a result, Goal 9 of the Sustainable Development Goals (SDGs) led by the United Nations: ``Build resilient infrastructure and promote inclusive and sustainable industrialization'' and Goal 11: ``Make cities inclusive, safe and resilient.'' It will be possible to contribute to "making the world more sustainable and more sustainable."
1…計算機合成ホログラム生成装置、10…3D点群取得部、20…3D点群分割部、30…周波数制限部、40…光波伝搬計算部、50…物体光波変換部、60…物体点群周波数制限部、70…光波統合部、80…干渉計算部 1... Computer-generated hologram generation device, 10... 3D point cloud acquisition section, 20... 3D point group division section, 30... Frequency limiting section, 40... Light wave propagation calculation section, 50... Object light wave conversion section, 60... Object point group frequency Limiting section, 70...Light wave integration section, 80...Interference calculation section
Claims (16)
物体の3D点群を取得する3D点群取得手段と、
3D点群の点ごとに光波伝搬計算を行ってホログラム面上の物体光波分布を計算する光波伝搬計算手段と、
視点移動を、物体光波分布として記録される物体光波の振幅情報および位相情報の少なくとも一方に変換を加えることで模擬する物体光波変換手段と、
前記変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去する物体点群周波数制限手段と、
前記高周波領域を除去した物体光波分布に対して参照光との干渉計算を行ってホログラムを出力する干渉計算部とを具備したことを特徴とする計算機合成ホログラム生成装置。 In a computer-generated hologram generation device that generates a computer-generated hologram based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram surface,
3D point cloud acquisition means for acquiring a 3D point cloud of an object;
a light wave propagation calculation means for calculating the object light wave distribution on the hologram surface by calculating the light wave propagation for each point of the 3D point group;
object light wave converting means for simulating viewpoint movement by converting at least one of amplitude information and phase information of the object light wave recorded as an object light wave distribution;
object point group frequency limiting means for removing a high frequency region that causes aliasing from the object light wave distribution after the conversion;
A computer-generated hologram generation device comprising: an interference calculation section that performs interference calculation with a reference light on the object light wave distribution from which the high frequency region has been removed, and outputs a hologram.
前記光波伝搬計算手段は、グループごとに物体光波分布を計算し、
前記物体光波変換手段は、グループごとに物体光波分布を視点移動に応じて変換し、
前記物体点群周波数制限手段は、グループごとに変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去し、
グループごとに計算した高周波領域除去後の物体光波分布を統合する光波統合手段を更に具備したことを特徴とする請求項1に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 Equipped with means for dividing each point of the 3D point cloud into a plurality of groups according to its position,
The light wave propagation calculation means calculates an object light wave distribution for each group,
The object light wave converting means converts the object light wave distribution for each group according to the movement of the viewpoint,
The object point group frequency limiting means removes a high frequency region that causes aliasing from the converted object light wave distribution for each group,
2. The computer-generated hologram generation device according to claim 1, further comprising a light wave integrating means for integrating object light wave distributions calculated for each group after high frequency region removal.
前記光波伝搬計算手段は、前記高周波領域への光波伝搬計算を行わないことを特徴とする請求項10に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The frequency limiting means prohibits light wave propagation calculation to a high frequency region where the object light wave distribution causes aliasing on the hologram surface for each point of the 3D point cloud,
11. The computer-generated hologram generation device according to claim 10, wherein the light wave propagation calculation means does not calculate light wave propagation to the high frequency region.
物体の3D点群を取得し、
3D点群の点ごとに光波伝搬計算を行ってホログラム面上の物体光波分布を計算し、
視点移動を物体光波分布の変換により模擬し、
前記変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去し、
前記高周波領域を除去した物体光波分布に対して参照光との干渉計算を行ってホログラムを出力することを特徴とする計算機合成ホログラム生成方法。 In a computer-generated hologram generation method in which a computer generates a computer-generated hologram based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram surface,
Obtain a 3D point cloud of the object,
The object light wave distribution on the hologram surface is calculated by performing light wave propagation calculations for each point in the 3D point cloud.
The viewpoint movement is simulated by converting the object light wave distribution,
removing high frequency regions that cause aliasing from the object light wave distribution after the conversion;
A computer-generated hologram generation method, characterized in that a hologram is output by performing interference calculation with a reference light on the object light wave distribution from which the high frequency region has been removed.
グループごとに物体光波分布を計算し、
グループごとに物体光波分布を視点移動に応じて変換し、
グループごとに変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去し、
グループごとに計算した高周波領域除去後の物体光波分布を統合することを特徴とする請求項13に記載の計算機合成ホログラム生成方法。 Divide each point in the 3D point cloud into multiple groups according to its position,
Calculate the object light wave distribution for each group,
Convert the object light wave distribution for each group according to the movement of the viewpoint,
For each group, remove high frequency regions that cause aliasing from the object light wave distribution after conversion,
14. The computer-generated hologram generation method according to claim 13, further comprising integrating the object light wave distributions calculated for each group after removal of the high frequency region.
物体の3D点群を取得する手順と、
3D点群の点ごとに光波伝搬計算を行ってホログラム面上の物体光波分布を計算する手順と、
視点移動を物体光波分布の変換により模擬する手順と、
前記変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去する手順と、
前記高周波領域を除去した物体光波分布に対して参照光との干渉計算を行ってホログラムを出力する手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする計算機合成ホログラム生成プログラム。 In a computer-generated hologram generation program that generates a computer-generated hologram based on interference calculations between an object beam and a reference beam on a hologram surface,
Steps to obtain a 3D point cloud of an object,
A procedure for calculating the object light wave distribution on the hologram surface by calculating light wave propagation for each point of the 3D point cloud,
A procedure for simulating viewpoint movement by converting the object light wave distribution;
a step of removing a high frequency region that causes aliasing from the object light wave distribution after the conversion;
A computer-synthesized hologram generation program characterized by causing a computer to execute a procedure of performing interference calculation with a reference light on the object light wave distribution from which the high frequency region has been removed and outputting a hologram.
グループごとに物体光波分布を計算する手順と、
グループごとに物体光波分布を視点移動に応じて変換する手順と、
グループごとに変換後の物体光波分布を対象にエイリアシングを生じさせる高周波領域を除去する手順と、
グループごとに計算した高周波領域除去後の物体光波分布を統合する手順とを更に含むことを特徴とする請求項15に記載の計算機合成ホログラム生成プログラム。 A procedure for dividing each point of a 3D point cloud into multiple groups according to its position,
A procedure for calculating object light wave distribution for each group,
A procedure for converting the object light wave distribution for each group according to the movement of the viewpoint;
A procedure for removing high frequency regions that cause aliasing from the object light wave distribution after conversion for each group;
16. The computer-generated hologram generation program according to claim 15, further comprising a step of integrating object light wave distributions after high-frequency region removal calculated for each group.
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