KR101379327B1 - 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치, 저작방법, 저작장치, 그 기록매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치, 저작방법, 저작장치, 그 기록매체에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예는, 그래픽 프로세싱 수단을 구비한 통상의 컴퓨터에서 실행되며, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 방법으로서, (a) 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 단계; (b) 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치, 저작방법, 저작장치, 그 기록매체 {Generating Method and System for Digital Hologram, Authoring Method and System for Digital Hologram and Computer-readable Recording Medium for the same}
본 발명은 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치, 그 기록매체에 관한 것으로서, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하되, 요구되는 홀로그램의 해상도 등 성능 조건을 고려하여 서브 홀로그램의 생성 조건을 가변적으로 설정할 수 있도록 구성되어, 홀로그램 생성을 위한 연산 처리 효율을 높이도록 구성된다.
또한, 본 발명은 이러한 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치를 이용한 디지털 홀로그램 저작방법 및 저작장치, 그 기록매체를 개시한다.
일반적으로, 홀로그램은 3차원으로 실물과 똑같이 입체적으로 보이는 영상이며, 홀로그래피의 원리를 이용하여 만들어진다. 홀로그래피의 원리는 레이저와 같은 광원에서 나온 광선을 2개로 나눠 하나의 광은 직접 스크린을 비추게 하고, 다른 하나의 광은 영상을 구현하려고 하는 피사체(오브젝트)에 비추는 것이다. 이때 직접 스크린을 비추는 빛을 참조광(reference beam, 또는 기준광)이라고 하고, 물체를 비추는 빛을 물체광(object beam)이라고 한다. 물체광은 물체의 각 표면에서 반사돼 나오는 빛이므로 물체 표면에 따라 위상차(물체 표면에서부터 스크린까지의 거리)가 각각 다르게 나타난다. 이때 변형되지 않은 참조광이 물체광과 간섭을 일으키며 이때의 간섭무늬가 스크린에 저장된다. 이러한 간섭무늬가 저장된 필름을 홀로그램이라고 한다.
저장된 영상을 다시 재현하려면, 기록할 때 사용된 광선을 다시 스크린 건판에 쏘아야 한다. 재생 시 사용하는 광선은 기록 시와 같은 진동수를 가진 파동만이 3차원으로 재현되고, 파장과 위상이 다른 파들은 아무런 효과가 없이 저장된 홀로그램을 통과해 버리기 때문에 기록 시 사용된 참조광과 반드시 정확히 일치해야 한다. 도 1은 일반적인 홀로그램의 원리를 설명하기 위한 개념도로서, 홀로그램의 생성 과정(a)과 재생 과정(b)을 각각 나타낸다.
한편, 최근 부각되고 있는 디지털 홀로그래피(Digital Holography)는 홀로그래피 기술을 전자기기 및 광전자기기를 이용하여 구현하고, CCD 및 CMOS를 포함하는 광전자기기에 의해 획득되거나 또는 수학적 모델에 의해 컴퓨터로 생성된 홀로그래픽 패턴을 광정보처리를 통해 디지털 데이터 형태로 조작 가능케 하는 기술이다.
디지털 홀로그래피로 획득 또는 생성된 영상을 디지털 홀로그램(Digital Hologram)이라고 하며, 공간광변조기(SLM: Spatial Light Modulator), LCD 또는 음향광변조기(AOM)에 의해 전자적으로 표시가 가능하고, 예를 들어 디지털 영상 미디어인 정지 및 비디오 콘텐츠 등으로 가공하여 폭넓은 산업에서의 응용분야에 활용될 수 있다.
디지털 홀로그램 중에서도 특히, CGH(Computer Generated Hologram)는 빛의 회절 및 간섭현상을 수치 시뮬레이션 하여 만든 디지털 홀로그램으로서, 오브젝트와 참조광의 간섭무늬를 강도(intensity) 형식으로 기록한 홀로그램이다.
CGH 생성의 대상인 오브젝트는 포인트 클라우트(point cloud) 또는 메쉬(mesh) 형식의 범용 3D 데이터로 정의된 것이 이용될 수 있다. 예를 들어, COLLADA(COLLAborative Design Activity)와 같이 3D 어플리케이션을 위하여 제작된 표준화된 파일 포맷을 통해 정의될 수 있다.
디지털 홀로그램의 생성을 위한 라이트 필드(Light field) 시뮬레이션 방법으로서, 포인트 소스 메소드(point source method), 프레즈넬 디프렉션 메소드(Fresnel diffraction method), 앵귤러 스펙트럼 메소드(Angular spectrum method) 등이 알려져 있다.
그런데, 상기한 CGH 기법을 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하기 위해서는 상당한 양의 데이터들을 연산해야 하기 때문에 이를 고속으로 처리하는 것이 매우 중요하다.
예를 들어, 생성하려는 3D 오브젝트의 크기가 200×200 pixel 이고 생성하려는 디지털 홀로그램의 크기가 1,024×1,024 pixel 이라면, 총 41,943,040,000번을 연산해야 디지털 홀로그램 한 장을 생성할 수 있다. 이런 방대한 연산량 때문에 CGH를 고속으로 연산 처리할 수 있는 기술에 대하여 그 개발 필요성이 절실한 상황이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하되, 요구되는 홀로그램의 해상도 등 성능 조건을 고려하여 서브 홀로그램의 생성 조건을 가변적으로 설정할 수 있도록 구성되어, 홀로그램 생성을 위한 연산 처리 효율을 높이도록 구성된 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치, 그 기록매체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 이러한 디지털 홀로그램 생성방법 및 생성장치를 이용한 디지털 홀로그램 저작방법 및 저작장치, 그 기록매체를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 디지털 홀로그램 생성방법은, 그래픽 프로세싱 수단을 구비한 통상의 컴퓨터에서 실행되며, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 방법으로서, (a) 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 단계; (b) 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 디지털 홀로그램 저작방법은, 사용자로부터의 저작 입력 정보를 받아 디지털 홀로그램을 생성하되, 상기와 같은 디지털 홀로그램 생성방법의 실행에 의해 디지털 홀로그램을 생성하도록 구성된다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 디지털 홀로그램 생성방법 또는 디지털 홀로그램 저작방법의 각 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 디지털 홀로그램 생성장치는, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 장치로서, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 조건 설정부; 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 서브 홀로그램 생성부; 및 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 홀로그램 생성부;를 적어도 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 디지털 홀로그램 저작장치는, 저작 정보 입력부를 통해 사용자로부터의 저작 입력 정보를 받아 디지털 홀로그램을 생성하며, 상기와 같은 디지털 홀로그램 생성장치의 구동에 의해 디지털 홀로그램을 생성하도록 구성된다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 요구되는 홀로그램의 해상도 등 성능 조건을 고려하여 각 서브 홀로그램의 생성 조건(특히, 유효 사이즈)을 가변적으로 설정할 수 있으므로, 홀로그램 생성을 위한 연산 처리 효율을 높이는 장점이 있다.
또한, 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴을 동시 병렬 처리를 통해 생성하므로, 홀로그램 생성을 위한 연산 시간을 감소시키는 장점이 있다.
또한, 홀로그램 저작 정보 입력 시, 프리뷰 기능을 통해 사용자의 홀로그램 생성 조건 설정의 편의성을 높이는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 홀로그램의 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치 또는 저작장치가 구현될 수 있는 일반적인 컴퓨팅 수단의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성방법의 흐름도,
도 5는 포인트 소스 메소드(point source method)에 의해 홀로그램이 생성되는 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 6a 및 도 6b는 포인트 소스 메소드에 의해 생성된 홀로그램의 일예와 그 복원 영상의 일예,
도 7은 포인트 소스 메소드에 의해 홀로그램이 생성되는 원리를 설명하기 위한 또 다른 개념도,
도 8a 및 도 8b는 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)의 설정에 따른 각 복원 영상을 예시한 도면,
도 9a 및 도 9b는 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)의 설정에 따른 각 복원 영상을 예시한 또 다른 도면,
도 10은 본 발명의 일실시예에 의해 서브 홀로그램의 유효 사이즈가 설정되는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 11a 및 도 11b는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값의 설정에 따른 복원 영상을 예시한 도면,
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치에서 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴이 동시 병렬 처리를 통해 생성되는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치의 홀로그램 생성 속도에 따른 품질 비교 영상,
도 14는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 구성도,
도 15은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작방법의 흐름도,
도 16은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 저작 원리를 설명하기 위한 예시 화면,
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 UI 예시 화면이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 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 것이다. 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 "구비하다", "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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치 또는 저작장치가 구현될 수 있는 일반적인 컴퓨팅 수단의 구성도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치 또는 저작장치는 일반적인 컴퓨팅 수단(100)을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 컴퓨팅 수단(100)은 CPU(Central Processing Unit, 102), HDD와 같은 파일 저장 장치(104), RAM(106), 유저 인터페이스(108) 등을 구비한 통상의 컴퓨터 시스템이 될 수 있으며, 특히 그래픽 프로세싱 수단이 구비된다.
그래픽 프로세싱 수단으로서는 도 2a에 예시된 통상의 CPU(102)가 그 기능을 수행할 수도 있으며, 홀로그램의 대용량 그래픽 연산 처리를 고려하여, 더욱 바람직하게는 도 2b에 예시된 바와 같이 그래픽 프로세싱 전용으로 구비된 GPU(Graphic Processing Unit, 110)를 통해 그 기능이 수행될 수도 있다.
이러한 컴퓨터 시스템의 통상적 구성에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는 본 발명의 실시예의 설명에 필요한 기능 관점의 구성을 중심으로 설명한다.
본 실시예의 디지털 홀로그램 생성장치(200)는 디지털 홀로그램의 생성을 위한 라이트 필드(Light field) 시뮬레이션 방법으로서, 포인트 소스 메소드(point source method)를 적용한다. 도 5는 포인트 소스 메소드(point source method)에 의해 홀로그램이 생성되는 원리를 설명하기 위한 개념도, 도 6a 및 도 6b는 포인트 소스 메소드에 의해 생성된 홀로그램의 일예와 그 복원 영상의 일예, 도 7은 포인트 소스 메소드에 의해 홀로그램이 생성되는 원리를 설명하기 위한 또 다른 개념도이다.
포인트 소스 메소드는 오브젝트 웨이브(object wave)를 오브젝트의 표면에서 발생하는 포인트 소스(point source)로 표현하는 기법으로서, 오브젝트/홀로그램 면(plane)의 모양, 위치에 무관하게 적용 가능하고, 구현이 간단하며, 병렬 처리 알고리즘(parallel algorithm)의 적용이 용이하다는 등의 장점이 있다.
포인트 소스 메소드는 다수의 포인트를 각각의 소스로 하는 다수의 서브 홀로그램을 생성하고 이를 가산하여 최종 홀로그램을 생성하는 방식을 취하므로, 연산의 복잡도가 높다는 특징을 갖는다.
도 7을 참조하여 설명하면, 포인트 소스 메소드에서 오브젝트는 자체 발광을 하는 다수 포인트들의 집합체로 가정된다. 각 하나의 오브젝트 포인트는 Nx * Ny 크기의 프린지 패턴(fringe pattern, 서브 홀로그램)을 생성하게 되며, 수백 내지 수십만개의 오브젝트 포인트에 대해 기록된 모든 프린지 패턴(서브 홀로그램)들을 합하여 최종 홀로그램을 얻게 된다.
포인트 소스 메소드에 의해 생성되는 홀로그램의 패턴은 예를 들어, 하기 참고식1에 의해 구해지는 강도(intensity) 값으로 정의될 수 있다.
[참고식1]
Figure 112012016251226-pat00001
(단, a i : 포인트 강도(point intensity),
n i: 노르말 벡터(normal vector),
r i : 거리 벡터(distance vector) ,
r i =∥r i∥ )
상기 참고식1은 레일리-좀머펠트 적분식(Rayleigh-Sommerfeld Integral)의 가장 간단한 수치적 근사식으로 이해될 수 있으며, 이외에 홀로그램 패턴의 강도 값을 구할 수 있는 다른 공지의 수학식이 적용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치의 구성도이다.
본 실시예의 디지털 홀로그램 생성장치(200)는 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 조건 설정부(202)를 구비한다. 본 실시예의 디지털 홀로그램 생성장치(200)는 홀로그램 생성을 위하여 오브젝트의 각 포인트별로 생성되는 서브 홀로그램을 홀로그램 면의 전체 사이즈로 패턴 생성하지 않고, 병렬 연산 처리에 적합하도록 그 유효 사이즈를 설정하고, 유효 사이즈 영역에 대해서만 패턴을 생성하고 병렬 연산을 통한 가산 처리를 수행하여 홀로그램을 생성한다. 이러한 방식을 통해 컴퓨팅 수단에 걸리는 연산 부하를 상당한 수준으로 감소시킬 수 있게 된다.
디지털 홀로그램 생성장치(200)는 또한, 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 서브 홀로그램 생성부(204)를 구비한다.
디지털 홀로그램 생성장치(200)는 또한, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 홀로그램 생성부(206)를 구비한다.
디지털 홀로그램 생성장치(200)는 또한, 홀로그램 생성 과정에서 사용자가 각종 요구 정보를 입력하거나 생성된 홀로그램을 확인 및 파일 저장 등의 처리가 가능하도록 기능하는 유저 인터페이스부(208)를 구비한다.
한편, 본 실시예의 디지털 홀로그램 생성장치(200)는, 상기 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴을 동시 병렬 처리를 통해 생성하며, 이를 위하여 CUDA(Compute Unified Device Architecture, NVIDIA사)와 같은 GPU 기반 병렬처리 아키텍쳐가 사용될 수 있다.
상기 동시 병렬 처리하는 서브 홀로그램의 수는, 그래픽 프로세싱 수단이 동시 처리 가능한 쓰레드 수와, 상기 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 의해 정해질 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성방법의 흐름도이다.
디지털 홀로그램 생성장치에 오브젝트 정보를 로딩한다(S110). 이러한 오브젝트는 CGH 생성의 대상인 범용 3D 데이터 파일이 이용될 수 있는데, 예를 들어, COLLADA(COLLAborative Design Activity)와 같이 3D 어플리케이션을 위하여 제작된 표준화된 포맷의 파일이 이용될 수 있다.
오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정한다(S120).
상기 유효 사이즈는 입력 조건에 의거하여 설정할 수 있는데, 바람직하게는, 본 실시예의 상기 입력 조건은 상기 각 서브 홀로그램별로 생성될 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)이 될 수 있다.
본 발명자는 실험을 통하여 서브 홀로그램별로 생성되는 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)과 그 복원 영상과의 상관 관계를 파악하였다. 즉, 홀로그램 생성에 반영되는 프린지 패턴의 주파수 값을 변화시킴에 따라, 복원 영상의 품질을 조절할 수 있는데, 연산에 이용한 패턴의 주파수 값이 작을수록 그 복원 영상의 품질이 떨어진다는 점을 파악하였다.
도 8a 및 도 8b는 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)의 설정에 따른 각 복원 영상을 예시한 도면, 도 9a 및 도 9b는 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)의 설정에 따른 각 복원 영상을 예시한 또 다른 도면으로서, 연산에 이용한 패턴의 주파수 값이 작을수록 그 복원 영상의 품질이 떨어진다는 점이 확인된다.
또한, 프린지 패턴을 위한 구면파의 주파수 값과 서브 홀로그램 간에 다음의 관계가 성립되는 점을 파악하였다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 의해 서브 홀로그램의 유효 사이즈가 설정되는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10을 참조할 때, 다음과 같은 관계식이 성립한다.
[참고식2]
F = d / λ - z / λ
(단, F: 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값,
d: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 내 최외각 패턴까지의 거리,
λ: 구면파의 파장,
z: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 중심점까지의 거리)
이때, 서브 홀로그램의 유효 사이즈는 정방형(正方形) 영역에 대한 사이즈로서 설정되며, 정방형 영역의 중심점으로부터 일측 변까지의 수직거리(L)는 하기 수학식 1에 의해 구해진다.
[수학식1]
Figure 112012016251226-pat00002
(단, d: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 내 최외각 패턴까지의 거리이며, d = F * λ + z의 관계임,
F: 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값,
λ: 구면파의 파장,
z: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 중심점까지의 거리)
상기 내용을 정리하면, 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)을 크게 설정하면 복원 영상의 품질은 상대적으로 높아지게 되지만, 서브 홀로그램의 유효 사이즈도 커지게 되므로 연산 처리 부하도 커지게 되며, 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F)을 작게 설정하면 그 반대의 결과가 얻어지게 된다는 점이 파악된다.
그러므로, 포인트 소스 메소드를 이용하여 홀로그램 생성을 위한 연산 처리 시, 요구되는 복원 영상의 품질을 고려하여 적절한 주파수 값을 설정하게 되면 요구되는 복원 영상의 최소 품질을 확보하면서도 연산 처리 속도를 최적화 할 수 있게 된다. 예를 들어, 홀로그램 생성을 위한 프리뷰 기능과 같이 고 품질의 영상이 반드시 요구되지 않고 오히려 처리 속도가 우선시 되는 경우에는, 주파수 값을 적절한 수준의 영상 품질이 확보되는 한도에서 최대한 낮게 설정하여 처리 속도를 우선 순위로 할 수 있는 것이다.
이와 같이, 기존에는 복원 영상의 품질과 무관하게, 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 전체 홀로그램 생성 면의 사이즈로 설정하고, 그에 따른 연산 부하 증가를 감수해야 했지만, 본 발명에 따르면, 요구되는 복원 영상의 품질을 고려한 주파수 값 설정을 통해 최적화된 연산 처리 성능을 얻을 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 입력 조건은 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성 면까지의 거리 값일 수 있다.
본 발명자는 또 다른 실험을 통하여 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값(도 5의 z값)과 그 복원 영상과의 상관 관계를 파악하였다. 도 11a 및 도 11b는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성 면까지의 거리 값의 설정에 따른 복원 영상을 예시한 도면으로서, 거리 값이 작은 경우(도 11a)에 더 작은 유효 사이즈의 서브 홀로그램이 생성됨이 확인된다.
즉, 서브 홀로그램에 생성되는 프린지 패턴은 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값을 적절히 조절함에 따라 그 사이즈가 변화될 수 있다. 이는 거리 변화에 따른 렌즈의 작동과 유사한 것으로 이해될 수 있다.
하나의 오브젝트 포인트에서 나온 광의 구면파는 홀로그램 전체에 기록되지만, 실험을 통해 구면파(또는 회절파)가 가장 효과적으로 기록될 수 있는 거리 값이 산출될 수 있다. 그러므로, 생성되는 홀로그램의 최소 품질이 확보되면서도 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 최소화하여 연산량을 줄일 수 있는 거리 값을 설정하면, 홀로그램 생성을 위한 연산 부하를 최적화 할 수 있게 된다.
상기 주파수 값 및 거리 값에 관한 조건은 예를 들어, 각 조건 변화에 따른 서브 홀로그램의 샘플 영상의 품질을 확인하면서, 요구 조건에 최적화된 영상 품질을 확보하되 연산 처리 부담을 최소화시킬 수 있는 조건으로 설정할 수 있다.
다음으로, 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성한다(S130).
상기 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴은 동시 병렬 처리를 통해 생성한다. 또한, 상기 동시 병렬 처리하는 서브 홀로그램의 수는, 상기 그래픽 프로세싱 수단이 동시 처리 가능한 쓰레드 수와, 상기 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 의해 정해질 수 있다.
다음으로, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성한다(S140).
이를 보다 상세하게 설명하면, GPU의 메모리가 허용하는 최대한의 범위 내에서 동시 병렬 처리가 가능한 서브 홀로그램의 개수를 설정하고, 그 개수*유효 사이즈 만큼 메모리를 확보한 후에, 각각의 서브 홀로그램 유효 사이즈의 영역만큼만 병렬로 연산하여, 메모리 상에 그 값을 복사한다. 이때, 상기 동시 병렬 처리되는 서브 홀로그램들은 일종의 번들(bundle)의 개념으로 이해될 수 있다.
상기의 과정을 모든 오브젝트 포인트에 대하여 반복하여 병렬 처리한 후에, 마지막으로 모든 번들의 값을 하나의 홀로그램 영상으로 가산한다.
한편, 상기와 같은 병렬 처리를 통한 홀로그램 생성을 위하여, 예를 들어, CUDA와 같은 GPU 기반 병렬처리 아키텍쳐가 사용될 수 있다.
이러한 동시 병렬 처리를 위해서는 CUDA 코어(Core)의 개수를 고려한 상세 설계가 필요하다.
예를 들어, Quadro 6000(NVIDIA 사) GPU 솔루션의 경우, CUDA 코어(core)는 448개이고 1024개의 쓰레드(thread)가 생성 가능하다. 즉, 최대 448*1024의 해상도를 동시 처리하는 것이 가능하다. 그러므로, 서브 홀로그램의 사이즈가 100*100일 경우, 이론적으로 40개의 서브 홀로그램에 관한 연산을 동시 처리 가능하다.
병렬 처리를 위해 40개의 서브 홀로그램을 미리 CUDA 메모리에 상주시키고, 한 번에 동시 병렬 처리 가능한 개수 만큼의 포인트의 위치정보와 인덱스(index)를 모아서 해당하는 CUDA 커널(Kernel)에 전달한다.
CUDA 커널에서는 인덱스를 이용하여 해당 서브 홀로그램을 병렬로 연산 처리하여 생성하고, 마지막 단계에서 각 서브 홀로그램을 병렬로 가산한다.
이러한 방식을 통해, 각 서브 홀로그램에 대하여 상호 연산 영역이 겹치는 부분을 최소화할 수 있으므로, 연산 속도 향상의 효과를 얻을 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치에서 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴이 동시 병렬 처리를 통해 생성되는 과정을 설명하기 위한 개념도로서, 상기와 같은 처리 과정의 개념을 보여준다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 생성장치의 홀로그램 생성 속도에 따른 품질 비교 영상이다.
도 13a는 기존의 방법에 따라 생성된 홀로그램으로서 96,000개의 삼각형 메쉬 데이터를 대상으로 총 11시간의 생성시간이 소요되었으며, 도 13b는 본 실시예에 따라 생성된 홀로그램으로서 120,000개의 포인트 데이터를 대상으로 총 2초의 생성시간이 소요되었다. 소요 시간 및 화질 면에서 기존 방식에 비해서 우수한 효과를 제공함이 확인되었다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 구성도이다.
본 실시예의 디지털 홀로그램 저작장치(300)는 기본적으로 앞서 설명한 디지털 홀로그램 생성장치(200)과 동일한 구성을 가지면서, 특히 저작 정보 입력 기능을 더욱 구비하고, 바람직하게는 프리뷰 생성 기능을 더욱 구비한다. 이하에서 상술한 내용과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
디지털 홀로그램 저작장치(300)는 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 저작하는 장치로서, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 조건 설정부(302)를 구비한다.
디지털 홀로그램 저작장치(300)는 또한, 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 서브 홀로그램 생성부(304)를 구비한다.
디지털 홀로그램 저작장치(300)는 또한, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 홀로그램 생성부(306)를 구비한다.
특히, 디지털 홀로그램 저작장치(300)는 저작 정보 입력부(308)를 통해 사용자로부터의 저작 입력 정보를 받아 디지털 홀로그램을 생성하도록 구성된다.
상기 저작 입력 정보는, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 관한 입력 조건을 적어도 포함할 수 있으며, 상술한 실시예를 참조할 때, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성될 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F) 또는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
바람직하게, 상기 저작 정보 입력부(308)는 사용자로부터 프리뷰용 입력 정보를 받는 기능을 더욱 구비한다. 디지털 홀로그램 저작장치(300)는 또한, 상기 프리뷰용 입력 정보에 근거하여 적어도 하나의 오브젝트 포인트에 대한 프리뷰 홀로그램을 생성하고, 사용자 확인이 가능한 상태로 유지하는 프리뷰 홀로그램 생성부(310)를 더욱 구비한다.
디지털 홀로그램 저작장치(300)는 또한, 홀로그램을 생성할 오브젝트의 3D 데이터를 저장하는 오브젝트 DB(312)와, 생성된 홀로그램에 관한 정보를 저장하는 홀로그램 DB(314)를 구비할 수 있다.
디지털 홀로그램 저작장치(300)는 또한, 일반적인 디지털 컨텐츠 저작장치에 구비되는 사용자 편의를 위한 각종 UI 기능을 구비할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 저작 원리를 설명하기 위한 예시 화면이다.
도 16을 참조할 때, 홀로그램 생성을 위해서 로딩된 3D 오브젝트와, 프린지 패턴이 형성되는 홀로그램 생성 면, 홀로그램을 3차원 영상 이미지로 복원하기 위한 복원 영상(Reconstructed image) 면, 복원 처리를 위한 홀로그램 포커싱 면의 상호 3차원 위치 관계가 시각적으로 이해될 수 있다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작장치의 UI 예시 화면이다.
도 17a 내지 도 17c를 참조할 때, 오브젝트의 로딩, 3차원 회전, 이동, 축소/확대, 홀로그램 생성 및 복원, 복사, 저장, 프리뷰 등의 기능을 구현하기 위한 각종 메뉴키가 UI 형태로 구현된 것을 볼 수 있다. 또한, 오브젝트는 이미 제작된 범용 3D 파일을 로딩할 수도 있지만, 본 실시예의 저작장치에 공지의 3D 오브젝트 저작 기능을 구현하여, 직접 저작 및 홀로그램 생성이 이용할 수도 있다.
도 15은 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 디지털 홀로그램 저작방법의 흐름도이다.
본 실시예의 디지털 홀로그램 저작방법은 기본적으로 상술한 디지털 홀로그램 생성방법과 동일한 구성을 가지면서, 특히 저작 정보 입력 단계를 더욱 구비하고, 바람직하게는 프리뷰 생성 및 제공 단계를 더욱 구비한다. 이하에서 상술한 내용과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
디지털 홀로그램 저작장치에 사용자가 오브젝트 정보를 입력하며(S210), 입력 정보에 따라 오브젝트 정보를 로딩한다(S220).
사용자로부터의 저작 입력 정보를 받는다(S230). 상기 저작 입력 정보는, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 관한 입력 조건을 적어도 포함한다. 또한, 상기 입력 조건은, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성될 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F) 또는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
바람직하게는, 상기 사용자로부터의 저작 입력 정보를 받는 단계는, 사용자로부터 프리뷰용 입력 정보를 받는 단계와, 상기 프리뷰용 입력 정보에 근거하여 적어도 하나의 오브젝트 포인트에 대한 프리뷰 홀로그램을 생성하고, 사용자 확인이 가능한 상태로 유지하는 단계와, 사용자로부터 확정된 저작 입력 정보를 받는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 프리뷰 생성 및 제공 과정을 통해, 사용자는 생성될 홀로그램의 품질을 확인하고 연산 처리 부하량 등을 예상할 수 있으며, 예상 결과에 따라 저작 입력 조건을 설정할 수 있게 된다.
다음으로, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정한다(S240).
다음으로, 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성한다(S250).
다음으로, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성한다(S260).
본 발명의 실시예 들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
202,302: 조건설정부
204,304: 서브 홀로그램 생성부
206,306: 홀로그램 생성부
308: 저작 정보 입력부
310: 프리뷰 홀로그램 생성부
312: 오브젝트 DB
314: 홀로그램 DB

Claims (18)

  1. 그래픽 프로세싱 수단을 구비한 통상의 컴퓨터에서 실행되며, 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 저작하는 방법으로서,
    사용자로부터 프리뷰용 입력 정보를 받는 단계;
    상기 프리뷰용 입력 정보에 근거하여 적어도 하나의 오브젝트 포인트에 대한 프리뷰 홀로그램을 생성하고, 사용자 확인이 가능한 상태로 유지하는 단계; 및
    사용자로부터 확정된 저작 입력 정보를 받는 단계- 상기 저작 입력 정보는, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 관한 입력 조건을 적어도 포함하며, 상기 입력 조건은, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성될 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F) 또는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값 중 적어도 어느 하나를 포함함-;를 포함하여 사용자로부터 저작 입력 정보를 받도록 구성되며,
    (a) 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 단계;
    (b) 상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 단계;를 포함하여 디지털 홀로그램을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유효 사이즈는 정방형(正方形) 영역에 대한 사이즈로서 설정되며, 정방형 영역의 중심점으로부터 일측 변까지의 수직거리(L)가 하기 수학식1에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작방법.
    [수학식1]
    Figure 112013103524171-pat00003

    (단, d: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 내 최외각 패턴까지의 거리이며, d = F * λ + z의 관계임,
    F: 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값,
    λ: 구면파의 파장,
    z: 오브젝트의 포인트로부터 정방형 영역 중심점까지의 거리)
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴은 동시 병렬 처리를 통해 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동시 병렬 처리하는 서브 홀로그램의 수는,
    상기 그래픽 프로세싱 수단이 동시 처리 가능한 쓰레드 수와, 상기 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작방법.
  8. 제1항, 제4항, 제6항 또는 제7항 중의 어느 한 항에 기재된 디지털 홀로그램 저작방법의 각 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 포인트 소스 메소드(point source method)를 이용하여 디지털 홀로그램을 저작하는 장치로서,
    사용자로부터의 저작 입력 정보와 프리뷰용 입력 정보를 받는 기능을 구비하는 저작 정보 입력부- 상기 저작 입력 정보는, 오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 관한 입력 조건을 적어도 포함하며, 상기 입력 조건은, 상기 각 서브 홀로그램별로 생성될 구면파의 프린지 패턴의 주파수 값(F) 또는 오브젝트의 포인트로부터 홀로그램 생성면까지의 거리 값 중 적어도 어느 하나를 포함함-;
    상기 프리뷰용 입력 정보에 근거하여 적어도 하나의 오브젝트 포인트에 대한 프리뷰 홀로그램을 생성하고, 사용자 확인이 가능한 상태로 유지하는 프리뷰 홀로그램 생성부;
    오브젝트의 각 포인트별로 생성될 서브 홀로그램의 유효 사이즈를 설정하는 조건 설정부;
    상기 유효 사이즈에 따라 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 서브 홀로그램 생성부; 및
    상기 각 서브 홀로그램별로 생성된 프린지 패턴을 가산하여 홀로그램을 생성하는 홀로그램 생성부;를 적어도 포함하여 구성된 디지털 홀로그램 저작장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 각 서브 홀로그램별 프린지 패턴은 동시 병렬 처리를 통해 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 동시 병렬 처리하는 서브 홀로그램의 수는,
    그래픽 프로세싱 수단이 동시 처리 가능한 쓰레드 수와, 상기 서브 홀로그램의 유효 사이즈에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그램 저작장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
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