KR100897307B1 - 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치 - Google Patents

집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치가 개시된다. 3차원 영상을 홀로그램으로 재생하는 방법에 있어서, 3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 단계; 상기 획득된 요소 영상을 이루는 복수의 픽셀을 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 단계; 상기 변환된 서브 이미지를 홀로그램 패턴으로 생성하는 단계; 및 상기 생성된 홀로그램 패턴을 공간상에 재생하는 단계를 포함하는 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법 및 장치는 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 물체의 정보를 획득한 후에 이를 홀로그램적인 방법으로 디스플레이 함으로써, 보다 실재감 있게 3차원 물체를 복원할 수 있다.
집적 영상, 요소 영상, 홀로그램, 서브 이미지

Description

집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치 {Method for reproducing hologram of 3D image picked-up by integral imaging scheme and Apparatus thereof}
본 발명은 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 3차원 영상과 영상 재생 기술에 관한 연구들이 활발히 이루어지고, 이는 시각 정보의 수준을 한 차원 높여주는 새로운 개념의 실감 영상 미디어로서 차세대 디스플레이를 주도하게 될 것으로 예상되고 있다. 이에 따른 국내외 학계와 산업계를 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 3차원 영상은 2차원 영상 보다 실감 있고 자연스러우며 보다 인간이 느끼는 현실에 가까워 3차원 영상에 대한 수요가 증가하고 있다.
3차원 영상 재생 기술은 관측자에게 평면 이미지가 아니라 입체감 있고 실감 있는 3차원 입체 영상을 느낄 수 있도록 입체 영상을 표시하는 기술이다. 현재 3차원 입체 영상을 재생하기 위한 방법에는 스테레오스코피(stereoscopy), 홀로그래피 (holography), 집적 영상(integral imaging) 방식 등 여러 가지 기술이 연구 개발되고 있다.
스테레오스코피 방식은 인간 시각 시스템(human visual system)을 모방한 방식이다. 스테레오스코피 방식은 좌·우 양쪽 눈에 대응되는 영상을 구분하여 각각 입력시키는 방식이다.
즉, 스테레오스코피 방식은 영상을 좌안시 영상과 우안시 영상으로 분리한 후 편광 액정판으로 된 안경을 장착한 관측자의 좌안과 우안으로 각각 입사시켜 입체 영상을 느끼게 하는 방식이다. 스테레오스코피 방식은 좌·우 영상을 이용하여 스테레오 시차를 통해 입체감을 느끼게 하는 가장 단순한 구조의 방식이다.
그러나 스테레오스코피 방식은 일반적으로 수평시차로 제한된다. 또한, 스테레오스코피 방식은 양안에 들어오는 두 영상의 시차와 인간의 초점 기능 사이의 차이에 의해 어지러움 및 눈의 피로감을 느끼게 한다. 따라서 스테레오스코피 방식은 장시간의 입체 영상 재생 시스템으로써 사용이 크게 제한되고 있다.
홀로그래피 방식은 홀로그래피에 광원을 비추면 관측자는 홀로그래피의 전면으로부터 일정한 거리를 두고 떨어져 홀로그래피를 바라보면서 허상의 입체 영상을 관측하게 되는 방식이다.
홀로그래피 방식은 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 관측시 특수 안경을 장착하지 않고도 실물과 똑같은 입체 영상을 느낄 수 있는 방식이다. 따라서 홀로그래피 방식은 입체감이 뛰어나며 인간이 피로감이 없이 3차원 영상을 느끼는 가장 이상적인 방식이라고 알려져 있다.
그러나 홀로그래피 방식은 암실에서 레이저를 이용하여 홀로그램을 합성해야 할 뿐만 아니라 사용하는 광원이 제한적이고 먼 거리의 객체를 표현하는데 문제점을 가지고 있다. 또한, 홀로그래피 방식은 기존 방식의 과도한 정보량으로 인하여 실시간적 전송 및 영상 재생이 어려워 실질적인 응용이 크게 제한되고 있다.
한편, 집적 영상 방식은 립만(Lippmann)에 의해 1908년에 처음 제안되었다. 일반적으로 집적 영상 기술은 크게 영상 획득 단계(픽업)와 영상 재생 단계로 나뉘어 진다.
영상 획득 단계(픽업)는 이미지 센서와 같은 2차원 감지기와 렌즈 어레이로 구성되며, 이때 3차원 객체는 렌즈 어레이 앞에 위치한다. 그러면 3차원 객체의 다양한 영상정보들이 렌즈 어레이를 통과한 후 2차원 감지기에 저장된다.
이때 저장된 영상은 요소 영상으로서 3차원 재생을 위해 이용된다. 이후 집적 영상 기술의 영상 재생 단계는 영상 획득 단계(픽업)의 역과정으로, 액정 표시 시스템과 같은 영상 재생 시스템과 렌즈 어레이로 구성된다. 여기서, 영상 획득 과정(픽업)에서 얻은 요소 영상은 영상 재생 시스템에 표시되고, 요소 영상의 영상 정보는 렌즈 어레이를 통과하여 공간상에 3차원 영상으로 재생되게 된다.
집적 영상을 복원하는 방식에는 광학적 집적 영상 복원 방식과 컴퓨터적 집적 영상 복원 방식이 있다. 광학적 집적 영상 복원 방식은 회절과 수차 등과 같은 광학적 장치의 물리적인 제한에 의해 야기된 요소 영상들간의 불충분한 오버랩과 디스플레이 된 3차원 영상의 저하된 화질로 인해 저해상도의 3차원 영상이 디스플레이 되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 결점을 보완하기 위해 기하광학의 디지털 시뮬레이션을 통하여 컴퓨터로 3차원 영상을 복원할 수 있는 컴퓨터적 집적 영상 복원 방식이 있다.
집적 영상 방식은 자연광을 이용하고 간단한 시스템만으로 3차원 영상을 획득 및 복원 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 3차원 영상 복원할 때에는 렌즈릿 어레이를 사용하여야만 하고 이로 인해 시야각이 제한되고 해상도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 집적 영상 방식을 이용하여 영상 획득 하고, 이를 깊이별로 복원하는 컴퓨터적 집적 영상 복원 방식을 이용하기 때문에 깊이의 샘플링에 문제가 생기고 정보의 양이 과다하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 정보를 획득한 후에 이를 홀로그램적인 방법으로 디스플레이 할 수 있는 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치를 제시한다.
또한, 본 발명은 홀로그램 패턴을 얻기 위해 레이저를 이용하여 암실에서 촬영을 하는 문제점을 해결하기 위해서 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치를 제시한다.
또한, 본 발명은 집적 영상 방식에서 시야각과 해상도가 저해되는 문제점을 해결하기 위해서 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법 및 장치를 제시한다.
본 발명이 제시하는 기술적 과제들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 3차원 영상을 홀로그램으로 재생하는 방법에 있어서, 3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 단계; 상기 획득된 요소 영상을 이루는 복수의 픽셀을 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 단계; 상기 변환된 서브 이미지를 홀로그램 패턴으로 생성하는 단계; 및 상기 생성된 홀로그램 패턴을 공간상에 재생하는 단계를 포함하는 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법이 제공된다.
또한, 상기 획득된 요소 영상을 서브 이미지로 변환하는 단계는, 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 단계인 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법이 제공된다.
또한, 상기 서브 이미지는 상기 동일 좌표에 대응하는 픽셀이 획득된 요소 영상의 위치에 상응하여 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법이 제공된다.
또한, 상기 서브 이미지는 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열한 변환된 요소 영상의 배열인 서브 이미지 배열을 소정의 영역으로 분할하여 생성된 서브 이미지인 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법이 제공된다.
또한, 상기 공간상에 재생하는 단계는, 상기 생성된 홀로그램 패턴이 소정의 영역에 상응하여 복수로 나열된 홀로그램 패턴 배열을 공간상에 재생하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 영상 획득부; 상기 획득된 요소 영상을 이루는 복수의 픽셀을 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 영상 재배열부; 및 상기 변환된 서브 이미지를 홀로그램 패턴으로 생성하는 홀로그램 패턴 생성부; 를 포함하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치 가 제공된다.
또한, 상기 생성된 홀로그램 패턴을 공간상에 재생하는 영상 재생부를 더 포함하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치가 제공된다.
또한, 상기 영상 재생부는 상기 생성된 홀로그램 패턴이 소정의 영역에 상응하여 복수로 나열된 홀로그램 패턴 배열을 공간상에 재생하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치가 제공된다.
또한, 상기 영상 재배열부는 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 장치가 제공된다.
또한, 상기 서브 이미지는 상기 동일 좌표에 대응하는 픽셀이 획득된 요소 영상의 위치에 상응하여 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 장치가 제공된다.
또한, 상기 서브 이미지는 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열한 변환된 요소 영상의 배열인 서브 이미지 배열을 소정의 영역으로 분할하여 생성된 서브 이미지인 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치가 제공된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법 및 장치는 홀로그램 방식과 집적 영상 방식을 이용한 디스플레이 방식의 단점을 극복하고 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 정보를 획득한 후에 이를 홀로그램적인 방법으로 디스플레이 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법 및 장치는 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 물체의 정보를 획득한 후에 이를 홀로그램적인 방법으로 디스플레이 함으로써, 보다 실재감 있게 3차원 물체를 복원할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이 다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한 다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법은 크게 4단계로 구분될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 요소 영상 픽업 단계에서는 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 픽업한다(S100). 픽업 과정에서 3차원 물체에 대한 빛의 세기와 방향의 정보는 렌즈 어레이를 통하여 기록된다. 렌즈 어레이를 통해 얻어진 3차원 물체에 대한 정보는 CCD 카메라를 통하여 기록된다. CCD 카메라를 통하여 기록된 정보는 3차원 물체에 대한 서로 다른 시점에서의 2차원적인 요소 영상을 포함한다.
집적 영상 방식을 이용하여 픽업된 요소 영상은 재배열 과정을 통하여 서브 이미지로 변환된다(S110). 픽업된 각각의 요소 영상을 나타내는 복수의 픽셀은 동일 좌표의 픽셀끼리 재배열되어 서브 이미지로 변환된다. 서브 이미지에 대해서는 도 5에서 자세히 설명한다.
변환된 각각의 서브 이미지는 각 픽셀의 좌표 값과 세기 값에 의해 홀로그램 패턴으로 생성된다(S120).
홀로그램 패턴의 계산은 프레넬 회절 계산을 통해 얻어질 수 있다. 프레넬 회절은 빛의 회절 종류의 하나로, 광원이 회절면에 가까이 있는 경우 회절양상이 복잡한 양상을 띄게 되는 회절을 칭한다. 프레넬 회절에 의한 패턴의 계산은 본 발명의 출원시 이미 공지된 기술이므로 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위하여, 본 발명의 요지와 관련이 없는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
컴퓨터적으로 생성한 홀로그램(Computer Generated Hologram)은 각 픽셀의 좌표 값과 세기 값에 의해 생성된다. 즉, 홀로그램에 기록된 간섭무늬의 형태는 컴퓨터에 의해 계산이 가능하다. 파면의 간격이 시간과 공간에 걸쳐 일정하게 유지되는 광이 어떤 형태를 가진 물체에 부딪쳐 반사될 때는 그 반사된 광의 파면은 물체의 형태에 비례하여 달라진다. 즉 파면의 위상 변화가 물체의 형상에 따라 변화한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 이러한 물체의 형상에 따라 변화하는 파면의 위상을 기하광학적인 방법으로 계산하는 것에 의해 얻어진다.
생성된 각각의 홀로그램 패턴은 복원 과정을 통해 홀로그램으로 재생된다(S130). 저장된 영상을 다시 재현하려면 기록할 때 사용된 광선을 다시 스크린에 투영시켜서 재생할 수 있다. 이러한 홀로그램이 기존의 사진과 다른 점은 저장시와 재생시에 같은 광선을 이용하고, 3차원 영상으로 재현된다는 점이다. 홀로그램은 물체광의 강도만을 저장하는 2차원 사진과 달리 그 빛의 방향까지 기록하기 때문에 3차원 영상을 볼 수 있다.
즉, 본 발명에서는 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 객체의 요소 영상을 생성한 후에 이 요소 영상을 서브 이미지 배열로 변환하고, 서브 이미지 배열을 분할 하여 각각의 홀로그램 패턴을 생성하고, 각각의 패턴들을 전체 홀로그램 패턴 형태에 맞추어 재배열하고 홀로그램 기술을 이용하여 복원하여 3차원 영상을 재생하는 방법을 제안한다.
위에서는 본 발명의 실시예에 따른 일반적인 처리 절차를 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법 및 장치를 적용한 실험에 대하여 실험 조건 및 실험 데이터를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 집적 영상 방식을 이용하여 요소 영상을 픽업하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2를 살펴보면, 집적 영상은 픽업 단계(200) 및 재생 단계(250)를 포함한다.
픽업 단계(200)는, 3차원 객체(210)로부터 복수개의 기본 렌즈(214)를 포함하는 렌즈 어레이(216)를 이용하여 각 기본 렌즈(214)의 위치에 대해 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 단계이다. 여기서, 다른 시차를 가지는 요소 영상은 3차원 객체(210)의 서로 다른 시점으로부터 획득된 영상을 의미한다.
픽업 단계(200)에서는 3차원 객체(210)로부터 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 추출할 수 있도록 기본 렌즈(214)가 1차원 또는 2차원으로 배열된 렌즈 어레이(216)를 사용한다. 3차원 객체(210)를 여러 방향에서 바라본 서로 다른 영상들 은 렌즈 어레이(216)를 통하여 요소 영상 형태로 저장된다.
요소 영상의 획득을 위해, 렌즈 어레이(216)는 3차원 객체(210)와 카메라 사이에 위치할 수 있다. 3차원 객체(210)의 요소 영상은 렌즈 어레이(216)를 통해 카메라, 예를 들면 CCD 카메라(220)로 획득된다. 3차원 객체(210)에 대한 영상들이 CCD 카메라(220)에 저장된다. 요소 영상은 렌즈 어레이(216)로부터 3차원 객체(210)의 위치, 밝기, 렌즈 어레이(216)의 사양과 같은 다양한 픽업 조건에 따라 다르게 획득될 수 있다.
재생 단계(250)에서는 픽업 단계(200)에서 획득된 요소 영상들이 복수개의 기본 렌즈(214)를 포함하는 렌즈 어레이(216)를 통하여 3차원 영상(240)으로 집적될 수 있다.
즉, 픽업 단계(200)에서, 3차원 객체(210)로부터 명암과 방향 정보를 포함하는 영상 정보가 공간적으로 렌즈 어레이(216) 상에 획득되고, 획득된 영상 정보는 2차원 이미지 센서를 사용하여 요소 영상 배열로서 광학적으로 저장된다. 저장된 요소 영상 배열은 영상 재생 시스템에 표시되고, 요소 영상의 영상 정보는 렌즈 어레이(216)를 통과하여 공간상에 3차원 영상(240)으로 재생되게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법에 사용되는 3차원 영상이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 집적 영상 방식에 의해 얻어진 3차원 영상을 홀로그램 기법을 이용하여 재생하는 방법의 첫번째 단계는 집적 영상 방식을 이용하 여 요소 영상을 픽업하는 것이다. 집적 영상 픽업 단계는, 3차원 객체로부터 복수개의 기본 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 이용하여 각 기본 렌즈의 위치에 대해 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 단계이다. 3차원 객체를 여러 방향에서 바라본 서로 다른 영상들은 렌즈 어레이를 통하여 요소 영상 형태로 저장된다.
본 실험에서 3차원 객체(210)로 사용한 영상은'3'(300) 과 'D'(310)로 해상도는 900 × 900 픽셀이다. '3'(300) 과 'D'(310)는 Z = 680mm와 Z = 750mm에 각각 위치해 있다. 여기서 Z는 3차원 객체(210)로부터 렌즈 어레이(216)까지의 거리로 정의된다. 또한, 렌즈 어레이(216)를 이루는 기본 렌즈(214)는 CCD카메라(220)로부터 3mm떨어진 거리에 9 × 9의 배열로 구성되었다. 또한, 렌즈 어레이는 100 × 100의 기본 렌즈로 구성되었다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법에서 획득된 3차원 영상의 요소 영상이다.
도 4를 살펴보면, 본 실험에서 렌즈 어레이(216)를 통해 획득된 요소 영상(400)을 볼 수 있다. 렌즈 어레이(216)를 통해 획득된 요소 영상(400)은 3차원 객체(210)인'3'(300) 과 'D'(310)가 9 × 9의 배열의 기본 렌즈(214)가 100 × 100의 배열로 구성된 렌즈 어레이(216)를 통과하여 획득된 요소 영상으로, 해상도는 900 × 900 픽셀이 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서브 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도 면이다.
도 5는 획득된 요소 영상을 변조하여 서브 이미지를 생성하는 과정을 구체적으로 나타낸다. 집적 영상 방식에 의해 획득된 요소 영상(500)의 일부를 확대한 영상(510)을 살펴보면 획득된 요소 영상은 각각의 픽셀의 조합으로 이루어짐을 알 수 있다. 실험에서는 9 × 9의 배열로 구성된 기본 렌즈를 사용하였으므로, 각각의 확대된 요소 영상은 9 × 9개의 픽셀로 구성된다.
획득된 각각의 요소 영상을 이루는 픽셀들은 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀끼리 모여 재배열된다. 동일 좌표에 대응하는 픽셀들은 재배열되어 변환된 요소 영상(520)이 된다.
여기서 변환된 요소 영상(520)은 각각의 서브 이미지이며, 변환된 요소 영상(520)은 복수로 배열되어 서브 이미지 배열(530)을 구성한다. 따라서, 본 발명에서 변환된 요소 영상(520)과 서브 이미지는 동일한 의미로 사용한다.
예를 들어, [1, 1]의 위치의 요소 영상들이 모여서 [1, 1](522)번째 서브 이미지를 구성하고, [1, 9]의 위치의 요소 영상들이 모여서 [1, 9](526)번째 서브 이미지를 구성한다. 또한, [9, 1]의 위치의 요소 영상들이 모여서 [9, 1](524)번째 서브 이미지를 구성하고, [9, 9]의 위치의 요소 영상들이 모여서 [9, 9](526)번째 서브 이미지를 구성한다. 실험에서는 각각의 요소 영상은 9 × 9개의 픽셀로 구성되므로, [1, 1]부터 [9, 9]까지 총36개의 변환된 요소 영상(520)(즉, 각각의 서브 이미지)으로 재구성될 수 있다.
또한, 변환된 요소 영상(520) 36개를 본래 획득된 요소 영상(520)의 위치에 상응하여 좌표 순서대로 배열한 것이 서브 이미지 배열(530)이다.
즉, 렌즈 어레이(216)가 수평으로 Nx, 수직으로 Ny개의 기본 렌즈로 구성되고, 그로 인해 Nx, Ny개의 요소 영상이 생성되며, 각각의 요소 영상은 기본 렌즈의 배열인 Nxp × Nyp 픽셀로 구성된다. 따라서, 변환된 요소 영상은 Nxp × Nyp개가 될 수 있다.
재배열 과정을 거쳐서 변환된 요소 영상(520)을 초기 요소 영상의 위치에 대응하도록 순서대로 배열되는 순서대로 나열하면 변형된 서브 이미지 배열(530)이 생성된다. 변형된 서브 이미지 배열(530)은 이후 홀로그램 패턴을 생성하는데 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 생성된 서브 이미지를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 도 5에서의 픽업된 요소 영상이 재배열 과정을 거쳐 생성된 서브 이미지 배열(600), [4, 4]번째의 서브 이미지(610), [5, 5]번째의 서브 이미지(620), [6, 6]번째의 서브 이미지(630)를 나타낸다. 변형된 각각의 서브 이미지는 각각의 홀로그램 패턴을 생성한다. 서브 이미지에서 홀로그램 패턴을 생성하는 과정에 대해서는 도 7에서 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴을 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
홀로그램의 원리는 레이저에서 나온 광선을 2개로 나눠 하나의 빛은 직접 스 크린을 비추게 하고, 다른 하나의 빛은 우리가 보려고 하는 물체에 비추는 것이다. 이때 직접 스크린을 비추는 빛을 기준파(reference waveㆍ참조광)라고 하고, 물체를 비추는 빛을 물체파(object wave)이라고 한다.
물체파는 물체의 각 표면에서 반사돼 나오는 빛의 파장이므로 물체 표면에서부터 스크린까지의 거리에 따라 위상차가 각각 다르게 나타난다. 이때 변형되지 않은 기준파가 물체파와 간섭을 일으키며 이때의 간섭 무늬가 스크린에 저장된다. 이러한 간섭 무늬가 저장된 필름을 홀로그램이라고 한다.
컴퓨터적으로 생성한 홀로그램 패턴(CGH: Computer Generated Hologram, 이하 'CGH'로 약칭한다.)은 픽셀들의 (x, y, z) 좌표 값과 세기 값(I)에 의해 컴퓨터 계산으로 생성된다. 컴퓨터적으로 생성한 홀로그램(CGH)은 3차원 홀로그램 영상 획득에 사용된다. 도 7에서는 홀로그램의 기하학적 계산 모형을 나타낸다.
홀로그램은 x-y평면(700)상에 위치해 있고, 물체의 P번째 점은 (xp, yp, zp)(710)에 위치한다. ap와 Φp 는 각각 점들의 세기와 위상을 나타내고 이들은 컴퓨터에 의해서 아래 수식으로 계산된다.
홀로그램에서 복소 진폭 O(x,y)는 식(1)에서 나타난 것처럼 물체파의 중첩에 의해 얻을 수 있다.
Figure 112007053707115-pat00001
(1)
여기서 p은 물체를 구성하는 점을 나타내고, N은 물체를 구성하는 총 점의 개수이다. ap 는 물체파의 세기를 나타내고, k는 파수 벡터로써, k=2π/λ로 정의된다. λ는 자유 공간상에서의 빛의 파장이다. exp(jωt)는 식(1)에서 포함되지 않는다. rp는 홀로그램에서 p번째 물체점과 점 (x,y,0)사이의 비스듬한 거리를 나타내는 것으로써, 식(2)에서 정의된다.
Figure 112007053707115-pat00002
(2)
또한 평면파인 기준파의 복소 진폭 R(x,y)는 식(3)에서 나타냈다.
Figure 112007053707115-pat00003
(3)
여기서 aR과 θR 은 각각 기준파의 세기와 기준파의 입사각을 나타낸다. 홀로그램 면에서의 전체적인 격자 세기 I(x)는 물체파 O(x,y)와 기준파 R(x,y)사이의 간섭 패턴으로 식(4)에 나타냈다. *는 위상이 반대가 된다는 것을 의미한다.
Figure 112007053707115-pat00004
(4)
식(4)에서 첫 번째 부분인
Figure 112007053707115-pat00005
는 물체파의 세기를 나타내고, 두 번째 부분인
Figure 112007053707115-pat00006
은 기준파의 세기를 나타낸다. 세 번째 부분
Figure 112007053707115-pat00007
은 홀로그램 정보를 부분적으로 포함하고 있는 물체파와 기준파 사이의 간섭 패턴을 의미하며, 물체파의 공간 위치에 따른 위상 정보를 포함하고 있다.
식(5)에서 홀로그램 정보는 오직 세 번째 부분인
Figure 112007053707115-pat00008
에만 포함되어 있기 때문에 I(x,y)는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007053707115-pat00009
(5)
이렇게 생성된 홀로그램 패턴은 임의적으로 분할하여 재생이 가능하다. 홀로그램 기록과정에서, 물체점은 홀로그램 패턴의 전영역에 기록된다. 다시 말해 물체점은 각각의 시점에서 기록된다. 그러므로 분할한 홀로그램 패턴을 재생하면 전체적인 영상이 재생된다. 이것은 수평, 수직시차를 갖고 재생된 다시점 영상이다. 이러한 다시점 영상은 집적 영상 방식의 서브 이미지 배열과 유사하다. 이러한 특성을 이용하여 생성된 홀로그램을 재생하는 역과정이 수행될 수 있다.
즉, 집적 영상 방식의 서브 이미지를 이용하여 홀로그램 패턴을 생성하고 이를 재배열하여 하나의 커다란 홀로그램 패턴을 만든다. 그리고 이 패턴을 홀로그램 방식으로 재생한다. 이것은 서브 이미지 배열에서 각각의 서브 이미지들로 각각의 홀로그램 패턴을 만들 수 있음을 의미한다.
실험에서는 홀로그램 패턴들은 658nm 파장의 레이저 사용을 계산하였고 3차원 영상의 파면의 계산에 프레넬 회절을 이용하였다.
각 픽셀의 컬러와 깊이 정보는 3차원 물체의 회절 패턴의 계산에 사용되었다. 일반적으로 컴퓨터 형성 홀로그램에서는 3차원 물체는 포인트 들의 집합으로 보고 계산을 하게 된다. 따라서 각각의 포인트에 대한 컬러와 깊이 정보를 알게 되면 각 포인트 별로 식(5)를 이용해 프레넬 회절에 의한 패턴들을 계산하게 되고 이 계산된 모든 포인트에 대한 패턴들을 더해주어 전체의 홀로그램 패턴을 생성한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴으로 홀로그램을 재생한 홀로그램을 나타내는 도면이다.
기준파와 물체파의 간섭 무늬가 스크린에 저장된 홀로그램 패턴으로부터 홀로그램을 재생하는 방법으로는 2가지 방식이 사용될 수 있다. 예를 들면, 첫 번째는 컴퓨터적 복원이고 다른 하나는 광학적 복원이다.
저장된 영상을 다시 재현하려면 기록할 때 사용된 광선을 다시 사용한다. 기록시 광선의 파장과 위상이 다른 파들은 아무런 효과가 없이 저장된 홀로그램을 통과해 버리기 때문에 재생시 사용되는 광선은 기록시 사용된 기준파와 일치된다.
이러한 홀로그램이 기존의 사진과 다른 점은 저장시와 재생시에 같은 광선이 이용된다는 것과 3차원 영상이 재현된다는 것이다. 홀로그램은 물제광의 강도만을 저장하는 2차원 사진과 달리 그 빛의 방향까지 기록하기 때문에 3차원 영상을 표현할 수 있다.
상기 홀로그램 패턴으로 홀로그램을 재생하는 2가지 방식에 관해서는 본 발명의 출원시 이미 공지된 기술이므로 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위하여, 본 발명의 요지와 관련이 없는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 도 6의 각각의 서브 이미지(610, 620, 630)를 도 7의 방법을 통하여 컴퓨터적으로 생성한 홀로그램 패턴들을 컴퓨터적으로 복원한 영상이다.
도 8을 참고하면, [4, 4]번째의 서브 이미지(610)의 CGH을 복원한 영상(800), [5, 5]번째의 서브 이미지(620)의 CGH을 복원한 영상(810), [6, 6]번째의 서브 이미지(630)의 CGH을 복원한 영상(820)을 나타낸다.
도 8을 살펴보면, 각각의 서브 이미지의 CGH을 복원한 영상은 공간상에 홀로그램으로 투영되어 사용한 3차원 객체(210)의'3'(300) 과 'D'(310)의 밝고 어두운 부분에 관한 기록뿐 아니라 물체를 구성하는 각 점에 대한 거리와 방향이 함께 기록되어 복원되기 때문에 3차원 영상으로 재생된 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그램 패턴 배열을 통한 홀로그램을 재생한 홀로그램을 나타내는 도면이다.
도 9의 홀로그램을 얻기 위해서는, 픽업된 요소 영상이 재배열 과정을 거쳐 생성된 서브 이미지 배열(600)의 각각의 서브 이미지를 도 7의 방법을 통하여 CGH로 획득한다.
획득된 전체 서브 이미지 중에 20개의 서브 이미지 패턴을 이용하여, 5 × 4의 배열로 합성한 CGH 패턴 배열을 생성한다. 실제 3D로 표현하려는 대상에 상응하는 홀로그램 패턴 배열을 추출할 수 있다.
도 9는 5 × 4의 배열로 합성한 CGH 패턴 배열을 컴퓨터적으로 복원한 영상(900, 910)이다.
도 9를 구체적으로 살펴보면, 첫 번째 복원 영상(900)은 Z=750mm의 거리에서 3차원 객체(210)인'3'(300)에 초점을 맞추어 복원한 영상이며, 두 번째 복원 영상(910)는 Z=680mm의 거리에서 3차원 객체(210)인'D'(310)에 초점을 맞추어 복원한 영상이다. 이 결과는 깊이 정보를 나타낼 수 있음을 보여준다.
본 발명에서는 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 정보를 획득한 후, 영상 처리를 통해 홀로그램 방식을 이용하여 복원할 수 있는 방식을 제안할 수 있다. 즉, 3차원 객체에 대하여 집적 영상 방식을 이용하여 요소 영상을 생성한 후에 이 요소 영상을 서브 이미지 배열로 변환하였다. 이 서브 이미지 배열을 분할하여 각각의 홀로그램 패턴을 생성하였고 각각의 패턴들을 전체 홀로그램 패턴의 형태에 맞추어 재배열을 하고 홀로그램 기술을 이용하여 복원을 하여 보다 실제감을 가지도록 3차원 영상을 복원할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 집적 영상 방식을 이용하여 요소 영상을 픽업하는 과정을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법에 사용되는 3차원 영상.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상의 홀로그램을 재생하는 방법에서 획득된 3차원 영상의 요소 영상.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서브 이미지 생성 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 서브 이미지를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴을 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴으로 홀로그램을 재생한 홀로그램을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그램 패턴 배열을 통한 홀로그램을 재생한 홀로그램을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200: 픽업 단계 250: 재생 단계
500: 획득된 요소 영상 510: 확대한 요소 영상
520: 변환된 요소 영상 530: 서브 이미지 배열
800, 810, 820: 서브 이미지의 CGH를 복원한 영상
900, 910: CGH 패턴 배열을 복원한 영상

Claims (11)

  1. 3차원 영상을 홀로그램으로 재생하는 방법에 있어서,
    3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 단계;
    상기 획득된 요소 영상을 이루는 복수의 픽셀을 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 단계;
    상기 변환된 서브 이미지를 홀로그램 패턴으로 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 홀로그램 패턴을 공간상에 재생하는 단계를 포함하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 획득된 요소 영상을 서브 이미지로 변환하는 단계는,
    상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 단계인 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 서브 이미지는 상기 동일 좌표에 대응하는 픽셀이 획득된 요소 영상의 위치에 상응하여 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 이미지는 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열한 변환된 요소 영상의 배열인 서브 이미지 배열을 소정의 영역으로 분할하여 생성된 서브 이미지인 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공간상에 재생하는 단계는,
    상기 생성된 홀로그램 패턴이 소정의 영역에 상응하여 복수로 나열된 홀로그램 패턴 배열을 공간상에 재생하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 방법.
  6. 집적 영상 방식을 이용하여 3차원 객체로부터 렌즈 어레이를 통하여 서로 다른 시차를 가지는 요소 영상을 획득하는 영상 획득부;
    상기 획득된 요소 영상을 이루는 복수의 픽셀을 재배열하여 서브 이미지로 변환하는 영상 재배열부; 및
    상기 변환된 서브 이미지를 홀로그램 패턴으로 생성하는 홀로그램 패턴 생성부를 포함하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 생성된 홀로그램 패턴을 공간상에 재생하는 영상 재생부를 더 포함하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 영상 재생부는
    상기 생성된 홀로그램 패턴이 소정의 영역에 상응하여 복수로 나열된 홀로그램 패턴 배열을 공간상에 재생하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 영상 재배열부는
    상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열 하여 서브 이미지로 변환하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 서브 이미지는 상기 동일 좌표에 대응하는 픽셀이 획득된 요소 영상의 위치에 상응하여 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 서브 이미지는 상기 획득된 요소 영상의 동일 좌표에 대응하는 각각의 픽셀을 모아 재배열한 변환된 요소 영상의 배열인 서브 이미지 배열을 소정의 영역으로 분할하여 생성된 서브 이미지인 3차원 영상의 홀로그램 재생 장치.
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KR20190122979A (ko) 2018-04-23 2019-10-31 아토큐브 주식회사 홀로그램 생성 장치 및 방법

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