KR101890401B1 - 깊은 심도 표현이 가능한 이진 홀로그램 생성 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

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Abstract

이진(binary) 홀로그램(hologram) 생성 장치는, 복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하도록 구성된 이진 데이터 변환부; 상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 복소 홀로그램 복원부; 상기 이진 패턴을 이용하여 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 이진 홀로그램 복원부; 및 상기 이진 패턴의 이진값을 변화시키면서 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교하되, 서로 상이한 위치에 위치하는 복수 개의 초점평면 각각에 대하여 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교한 결과에 기초하여 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하도록 구성된 제어부를 포함한다. 상기 이진 홀로그램 생성 장치에 의하면 다중의 기준(reference) 평면에서 이진 데이터를 처리함으로써 깊은 심도의 홀로그램 영상을 구현하고 선명한 영상을 얻을 수 있다.

Description

깊은 심도 표현이 가능한 이진 홀로그램 생성 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램{APPARATUS, METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR GENERATING BINARY HOLOGRAMS FOR SCENES WITH LARGE DEPTH}
실시예들은 이진(binary) 홀로그램(hologram) 복원 알고리즘을 이용하여 깊은 심도를 가진 홀로그램 영상을 복원하는 기술에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 복수 개의 기준(reference) 초점평면을 이용한 직접이진검색(Direct Binary Search; DBS) 알고리즘의 개선에 대한 것이다.
홀로그래피(holography)는 빛의 간섭성을 이용하여 입체 정보를 기록, 재생하는 과정을 통해 실제 물체의 형상을 재현하는 기술이다. 홀로그래피 기술은 사용자에게 모든 각도에서 보았을 때 완전한 3차원(3D) 영상을 제공하는 특징을 가지며, 이러한 홀로그래피 기술에 의해 생성되는 3차원 영상을 홀로그램(hologram) 이라고 한다.
홀로그램은 물체로부터 반사되어 인간의 눈에 들어오는 빛에 대한 위상이나 파장과 같은 모든 정보를 빛의 간섭 무늬의 형태로 기록한 것으로서, 복소수 형태로 표현된다. 그런데 현재까지 광학 복원 과정에서 홀로그램의 복소수를 표현할 수 있는 방법이 없기 때문에, 광학 복원을 위해서는 홀로그램 데이터를 이진(binary) 형태로 변환하는 과정이 선행되어야 한다.
홀로그램 데이터의 이진 변환을 위한 가장 단순한 방식 중 하나인 문턱값(threshold) 연산법은 복소수 형태의 원본 홀로그램 데이터의 각 픽셀값을 문턱값과 비교하여, 문턱값보다 클 경우 데이터를 1로, 문턱값보다 작을 경우 데이터를 0으로 변환하는 것으로서, 가장 간단하고 빠르게 데이터를 변환하여 영상을 복원할 수 있는 장점이 있지만 복원 평면에서 강한 노이즈를 유발하는 문제가 있다.
홀로그램 데이터 이진 변환을 위한 다른 방식으로는 홀로그램 데이터의 모든 픽셀을 하나씩 차례로 이진 형태로 변환 후 픽셀 값을 테스트하는 직접이진검색(Direct Binary Search; DBS) 방식이 있다. 상기 DBS 방식에서는 홀로그램 데이터의 픽셀의 값을 0 또는 1로 부여하며, 이진 형태 변환된 각 픽셀에 대하여 0일 경우와 1일 경우의 복원 시뮬레이션을 각각 진행하고, 이를 원본 홀로그램을 시뮬레이션을 통해 복소 홀로그램으로 복원한 결과와 비교하여 평균제곱오차(Mean Square Error; MSE)가 더 작은 경우의 값을 해당하는 픽셀의 값으로 정한다.
그러나, 종래의 DBS 방식의 홀로그램 복원에서는 원본 홀로그램을 복원한 복소 홀로그램과의 비교에 있어서 특정한 하나의 기준(reference) 초점평면의 영상만을 사용하기 때문에, 좁은 깊이 영역에 대해서만 정확한 복원이 가능하다. 즉, 기준으로 사용된 특정 초점평면에만 최적화된 복원 결과를 생성할 수 있고, 넓은 깊이 범위를 갖는 장면을 홀로그램으로 표현할 경우에는 초점평면과 거리가 멀어짐에 따라 오차 및 색수차가 증가하는 문제점이 있었다.
미국 공개특허공보 제2005/0088712호 미국 공개특허공보 제2011/0228365호
본 발명의 일 측면에 따르면, 종래의 직접이진검색(Direct Binary Search; DBS) 알고리즘에서 하나의 기준(reference) 평면만을 사용하여 홀로그램(hologram) 영상을 구현할 때 발생하는 문제점을 해결하고, 심도가 증가한 홀로그램 영상을 제공할 수 있는 이진(binary) 홀로그램 생성 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 이진(binary) 홀로그램(hologram) 생성 장치는, 복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하도록 구성된 이진 데이터 변환부; 상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 복소 홀로그램 복원부; 상기 이진 패턴을 이용하여 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 이진 홀로그램 복원부; 및 상기 이진 패턴의 이진값을 변화시키면서 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교하되, 서로 상이한 위치에 위치하는 복수 개의 초점평면 각각에 대하여 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교한 결과에 기초하여 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하도록 구성된 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 이진 데이터 변환부에 의해 생성되는 상기 이진 패턴은 무작위의 이진값을 갖는 복수 개의 픽셀을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 이진 패턴을 이용하여 생성된 제1 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제1 오차를, 상기 이진 패턴의 이진값을 수정한 수정 패턴을 이용하여 생성된 제2 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제2 오차와 비교하여 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 상기 제1 오차 및 상기 제2 오차는 평균제곱오차(Mean Square Error; MSE) 값이다.
일 실시예에서, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 복소 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 제1 오차는 상기 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값이다. 또한, 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 제2 오차는 상기 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값이다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 오차 및 상기 제2 오차 중 더 작은 것에 상응하는 패턴에 기초하여 상기 이진 홀로그램 데이터의 이진값을 결정하며, 상기 이진값을 결정하는 과정을 상기 복수 개의 픽셀에 대해 반복 수행하도록 더 구성된다.
일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 장치는, 상기 이진 홀로그램 데이터에 상응하는 광을 조사함으로써 홀로그램을 출력하도록 구성된 광 조사부를 더 포함한다.
실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 방법은, 실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법은, 복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하는 단계; 상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계; 상기 이진 패턴을 이용하여 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계; 상기 이진 패턴의 이진값을 변화시킨 수정 패턴을 이용하여 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계; 및 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각을 상기 복소 홀로그램 복원 영상과 비교한 결과에 기초하여, 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계는 서로 상이한 위치에 위치한 복수 개의 초점평면에 대하여 각각 수행된다.
일 실시예에서, 상기 이진 패턴은 무작위의 이진값을 갖는 복수 개의 픽셀을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계는, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제1 오차를, 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제2 오차와 비교하여 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계는, 상기 제1 오차 및 상기 제2 오차 중 더 작은 것에 상응하는 패턴에 기초하여 상기 이진 홀로그램 데이터의 이진값을 결정하는 단계를 포함한다.
또한 일 실시예에서, 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계는 상기 복수 개의 픽셀에 대해 반복 수행된다.
일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법은, 상기 이진 홀로그램 데이터에 상응하는 광을 조사함으로써 홀로그램을 출력하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은, 하드웨어와 결합되어 전술한 실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 방법의 각 단계를 실행하기 위한 것으로서, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이진(binary) 홀로그램(hologram) 생성 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램에 의하면, 종래의 직접이진검색(Direct Binary Search; DBS) 알고리즘이 특정한 하나의 초점거리에서만 홀로그램 복원이 가능한 한계를 개선하고, 여러 개의 기준(reference) 평면을 사용하여 보다 깊은 심도의 홀로그램 영상을 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이진(binary) 홀로그램(hologram) 생성 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법의 순서도이다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법을 개념적으로 나타내는 이미지이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 홀로그램 복원 결과를 종래의 방법에 의한 결과와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래의 방법에 의한 홀로그램 복원 시 색수차로 인한 오차를 나타내는 이미지이다.
도 6a 내지 6c는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 홀로그램 복원 결과 색수차로 인한 오차가 개선된 것을 나타내는 이미지이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 이진(binary) 홀로그램(hologram) 생성 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 장치는 이진 데이터 변환부(10), 이진 홀로그램 복원부(20), 복소 홀로그램 복원부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 일 실시예에서, 이진 홀로그램 생성 장치는 광 조사부(50)를 더 포함한다.
실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 장치는 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 이진 홀로그램 생성 장치와 이에 포함된 각 부(unit)는 특정 형식 및 내용의 데이터를 처리하거나 또는/또한 전자통신 방식으로 주고받기 위한 하드웨어 및 이에 관련된 소프트웨어를 통칭할 수 있다. 본 명세서에서 "부", "장치" 또는 "시스템" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.
본 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 장치를 구성하는 각각의 요소는 반드시 서로 물리적으로 구분되는 별개의 장치를 지칭하는 것으로 의도되지 않는다. 즉, 도 1의 이진 데이터 변환부(10), 이진 홀로그램 복원부(20), 복소 홀로그램 복원부(30), 제어부(40) 및 광 조사부(50)는 이진 홀로그램 생성 장치를 구성하는 하드웨어를 해당 하드웨어에 의해 수행되는 동작에 따라 기능적으로 구분한 것일 뿐, 반드시 각각의 부가 서로 독립적으로 구비되어야 하는 것이 아니다. 물론, 실시예에 따라서는 데이터 변환부(10), 이진 홀로그램 복원부(20), 복소 홀로그램 복원부(30), 제어부(40) 및 광 조사부(50) 중 하나 이상이 서로 물리적으로 구분되는 별개의 장치로 구현되는 것도 가능하다.
이진 데이터 변환부(10)는 원본 복소 홀로그램의 관심영역(Region of Interest; ROI)에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하도록 구성된다. 여기서 생성되는 이진 패턴은 복수 개의 픽셀에 대하여 0 또는 1의 이진값을 임의로 부여한 무작위의 패턴이되, 관심영역에 대한 데이터의 행과 열의 크기는 일정하여야 한다. 관심영역은 원본 복소 홀로그램의 전체 영역일 수도 있으며, 또는 연산량을 줄이기 위하여 홀로그램으로 표현할 물체가 존재하는 부분을 선택한 일부 영역일 수도 있다. 상기 이진 패턴을 기초로 생성된 이진 홀로그램 본원 영상을 후술하는 것과 같이 컴퓨터로 시뮬레이션된 복소 홀로그램 복원 영상과 비교하여 수정함으로써 이진 홀로그램 데이터를 얻게 된다.
이진 홀로그램 복원부(20)는, 이진 데이터 변환부(10)에 의해 생성된 이진 패턴을 이용하여 이진 홀로그램 복원 영상을 얻도록 구성된다. 또한, 복소 홀로그램 복원부(30)는 원본 복소 홀로그램을 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 얻도록 구성된다.
본 명세서에서 원본 복소 홀로그램이란, 표현하고자 하는 입체 형상과 관련하여 빛에 대한 위상이나 파장과 같은 모든 정보를 빛의 간섭 무늬의 형태로 기록한 것으로, 복소수 형태를 갖는다. 본 명세서에서 홀로그램을 복원한다는 것은, 복소 홀로그램 데이터 또는 이진 패턴을 기준(reference) 초점평면에 투영(propagation)한 데이터를 얻는 과정을 지칭한다. 복원 과정은 복소 홀로그램 데이터 또는 이진 패턴의 각 픽셀 정보를 소정의 복원 함수에 입력하는 연산을 통하여 이루어질 수 있으며, 홀로그램 복원을 위한 구체적인 연산 과정은 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으므로 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
광학계를 사용한 실제 복원에서는 복소수의 표현이 불가능하고, 각 픽셀에 상응하는 광원의 밝기 조절을 통해 실수만을 표현할 수 있다. 예컨대, 각 픽셀에서의 광원의 밝기 조절은 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device; DMD) 또는 실리콘 액정표시장치(Liquid Crystal on Silicon; LCoS) 등의 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator; SLM)를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 원본 복소 홀로그램 데이터의 모든 정보를 포함하는 복소 홀로그램 복원 영상은 복소 홀로그램 복원부(30)에 의한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서만 얻을 수 있다.
광학계를 사용하여 실제 복원이 가능한 이진 홀로그램 복원 영상은 이진 홀로그램 복원부(20)를 이용하여 얻어진다. 이때, 제어부(40)는 이진 패턴의 각 픽셀의 이진값을 변화시켜 가면서 이진 홀로그램 복원부(20)에 의해 얻어진 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원부(30)에 의해 얻어진 복소 홀로그램 복원 영상을 비교하고, 비교 결과를 기초로 각 픽셀의 이진값을 결정함으로써 최종 이진 홀로그램 데이터를 얻는다.
이때, 본 발명의 실시예들에서 제어부(40)는 이진 홀로그램 복원 영상 및 복소 홀로그램 복원 영상을 어느 하나의 초점평면에 투영하여 비교하는 것이 아니라, 서로 상이한 위치에 위치하는 복수 개의 초점평면에 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상을 투영하고 그 결과를 비교하는 점에서 종래의 직접이진검색(Direct Binary Search; DBS) 알고리즘과 차별화된다. 제어부(40)의 구체적인 동작에 대해서는 상세히 후술한다.
광 조사부(50)는, 제어부(40)의 전술한 동작에 의하여 최종적으로 결정된 이진 홀로그램 데이터에 상응하는 광을 조사함으로써 홀로그램을 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 광 조사부(50)는 레이저 등의 광원을 포함하고 DMD 또는 LCoS 등의 SLM을 이용하여 각 픽셀에서의 광원의 세기를 제어함으로써, 이진 홀로그램 데이터에서 이진값이 0 인 픽셀에 대해서는 광을 출력하지 않고 이진값이 1 인 픽셀에 대해서는 광을 출력하는 등의 형태로 간섭 패턴을 형성하여 홀로그램을 출력할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법의 순서도이며, 도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법을 개념적으로 나타내는 이미지이다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 원본 복소 홀로그램 데이터(100)를 광학계에 의해 실제 표현이 가능한 이진 홀로그램 데이터로 변환하기 위하여, 먼저 이진 패턴(200)을 생성한다(S101). 상기 단계(S101)에서 생성되는 이진 패턴은 각 픽셀의 이진값을 0 또는 1로 임의로 부여한 무작위의 패턴이다. 상기 이진 패턴의 각 픽셀의 이진값을 변경해가면서 홀로그램 복원을 수행함으로써, 최종 이진 홀로그램 데이터가 얻어지게 된다.
구체적으로는, 이진값을 변경할 픽셀을 선택하고(S103), 선택된 픽셀의 이진값을 변경해가면서 이진 패턴으로부터 이진 홀로그램 복원 영상(400, 450)을 생성한다(S104). 이진값을 변경하기 전의 이진 패턴(200)으로부터 이진 홀로그램 복원 영상(400)을 얻고, 또한 상기 단계(S103)에서 선택된 픽셀의 이진값을 예컨대 0에서 1로, 또는 1에서 0으로 변경한 수정 패턴(250)으로부터도 이진 홀로그램 복원 영상(450)을 얻는다.
한편, 원본 복소 홀로그램 데이터로부터 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 복소 홀로그램 복원 영상(300)을 생성한다(S102). 상기 단계(S102)에서 생성된 복소 홀로그램 복원 영상은 실제 광학계에 의한 표현은 불가능한 것이다.
다음으로, 이진 패턴(200)을 이용하여 얻어진 이진 홀로그램 복원 영상(400)과 복소 홀로그램 복원 영상(300) 사이의 오차, 및 이진값을 수정한 수정 패턴(250)을 이용하여 얻어진 이진 홀로그램 복원 영상(450)과 복소 홀로그램 복원 영상(300) 사이의 오차를 각각 계산하여, 이진값 수정에 의하여 오차가 개선되는지를 확인한다(S105). 일 실시예에서, 오차란 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차(Mean Square Error; MSE)를 지칭하는 것으로서, 하기 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 산출된다.
Figure 112016128415710-pat00001
Figure 112016128415710-pat00002
상기 수학식 1 및 수학식 2에서 M 및 N은 MSE를 산출하고자 하는 관심영역의 각 축 방향의 크기를 나타낸다.
만약, 복소 홀로그램 복원 영상(300)과 이진 홀로그램 복원 영상(400) 사이의 MSE에 비하여 복소 홀로그램 복원 영상(300)과 이진 홀로그램 복원 영상(450) 사이의 MSE가 더 작다면, 이진 패턴(200)으로부터 수정 패턴(250)으로의 이진값 변경에 의하여 원본 홀로그램 데이터에 더 근접한 결과물이 얻어지는 것이므로 이진값 변경을 유지한다(S106). 반면, 반대로 복소 홀로그램 복원 영상(300)과 이진 홀로그램 복원 영상(400) 사이의 MSE가 복소 홀로그램 복원 영상(300)과 이진 홀로그램 복원 영상(450) 사이의 MSE에 비해 더 작다면, 변경 내용을 취소하고 수정 전의 이진값을 유지한다(S107).
이상의 과정을 이진 패턴의 모든 픽셀에 대하여 수행함으로써(S108), 무작위 이진 패턴의 각 픽셀의 이진값을 복소 홀로그램 복원 영상과 근접한 표현이 가능한 이진값으로 변경해갈 수 있다. 또한, 상기 과정(S103 내지 S108)을 하나의 싸이클로 하여, 복수 회(예컨대, 5회)의 싸이클을 수행함으로써 최적화 수준을 높일 수도 있다. 이상의 과정은 종래의 DBS 알고리즘으로부터 용이하게 이해될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 복소 홀로그램 복원 영상을 얻는 단계(S102) 및 이진 홀로그램 복원 영상을 얻는 단계(S104)를 각각 복수 개의 초점평면(z1, z2, ...)에 대하여 수행하고, 이진값 변경에 의하여 오차가 개선되었는지 여부를 검사함에 있어서(S105) 복수 개의 초점평면(z1, z2, ...)에 대한 투영 결과를 종합적으로 고려하는 점에서 종래의 DBS 알고리즘과 차별화된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 실시예의 복소 홀로그램 복원 영상(300)과 이진 홀로그램 복원 영상(400) 사이의 오차를 산출하는 과정을 보다 구체적으로 나타낸 것이다. 도시되는 것과 같이, 원본 복소 홀로그램 데이터(100)를 서로 상이한 위치의 복수의 초점평면(z1, z2)에 각각 투영하여 복수의 복소 홀로그램 복원 영상(310, 320)을 얻는다. 마찬가지로, 이진 패턴(200)을 서로 상이한 위치의 복수의 초점평면(z1, z2)에 각각 투영하여 복수의 이진 홀로그램 복원 영상(410, 420)을 얻는다.
다음으로, 동일한 초점평면(z1)에 투영된 복소 홀로그램 복원 영상(310)과 이진 홀로그램 복원 영상(410)사이의 오차(예컨대, MSE1)를 산출하고, 또한 동일한 초점평면(z2)에 투영된 복소 홀로그램 복원 영상(320)과 이진 홀로그램 복원 영상(420)사이의 오차(예컨대, MSE2)를 산출한다. 도 3b에는 이진값을 수정하기 전의 이진 패턴(200)을 복수의 초점평면(z1, z2)에 투영하는 것에 대해서만 설명하였으나, 선택된 픽셀의 이진값을 변경한 수정 패턴(250)에 대해서도 동일한 방식으로 투영이 이루어질 수 있음이 용이하게 이해될 것이다.
본 실시예에서, 선택된 픽셀의 이진값 변경에 의하여 복소 홀로그램 복원 영상과의 오차가 감소하였는지 여부를 감소하는 단계(S105)는 복수의 초점평면(z1, z2)에 대하여 각각 얻어진 오차, 즉, MSE1 및 MSE2를 종합적으로 고려하여 결정된다. 예를 들면, 이진 패턴(200)에 기초한 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상의 오차에 상응하는 MSE1+MSE2를 산출하고, 또한 수정 패턴(250)에 기초한 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상의 오차에 상응하는 MSE1+MSE2를 산출한 후, MSE1+MSE2 값이 더 작은 패턴을 선택하도록 이진값 변경을 유지(S106) 또는 취소(S107)할 수 있다.
본 명세서의 실시예들에서는 서로 상이한 2 개의 초점평면(z1, z2)을 사용하는 경우에 대하여 설명하였으나, 동일한 원리가 3개 이상의 초점평면에 대하여 확장되어 수행될 수 있음이 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 홀로그램 복원 결과를 종래의 방법에 의한 결과와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4의 그래프(500)는 본 발명의 일 실시예에 따라 광원으로부터 거리 350mm에 위치하는 제1 초점평면 및 광원으로부터 거리 550mm에 위치하는 제2 초점평면에서의 오차를 기초로 복원된 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 MSE를 나타낸다. 한편, 그래프(501 내지 503)는 종래의 DBS 알고리즘에 따라 광원으로부터 350mm, 442mm 및 550mm 거리에 위치한 하나의 초점평면에서의 오차를 기초로 복원된 이진 홀로그램 복원 영상과 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 MSE를 나타낸다.
도시되는 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 기준 초점평면을 사용한 결과, 종래의 결과와 비교할 때 시뮬레이션된 복소 홀로그램 복원 영상과의 오차가 넓은 파장 영역에 대해 감소하였다. 이는 이진 홀로그램의 피사계 심도가 증가하여 더 우수한 품질의 홀로그램을 얻을 수 있음을 의미한다. 3개 이상의 초점평면을 이용하여 복원할 경우 계산 부담은 있으나 피사계 심도가 더 증가될 수 있을 것이다.
한편, 컬러로 홀로그램을 디스플레이하는 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 각 색상에 따라 빛의 파장 및 이에 따른 회절각이 상이하기 때문에, 각 색상의 홀로그램의 크기와 초점을 조절하여 색수차를 제거하는 과정이 수행되어야 한다. 그러나, 종래의 DBS 알고리즘의 경우 기준 초점평면 주변의 좁은 심도 범위에 대해서만 색수차의 보정이 가능하므로, 색수차 보정을 거친 후에도 도 5에 도시된 것과 같이 홀로그램 복원 시 색수차로 인하여 각각의 색상 이미지의 크기, 초점 및 복원 위치 등에 오차가 발생된다.
반면, 도 6a 내지 6c는 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 홀로그램 복원 후 색수차 보정을 실시한 결과를 나타내는 이미지로서, 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 이미지의 홀로그램 복원 결과를 나타낸다.
도 6a 내지 6c에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의하면 각 색상 이미지의 크기, 초점 및 복원 위치가 거의 일치하고 있어 종래 대비 색수차로 인한 오차가 개선된 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 장치 및 방법에 의하면, 종래의 DBS 알고리즘이 특정한 하나의 초점거리에서만 홀로그램 복원이 가능한 한계를 개선하고, 보다 깊은 심도의 홀로그램 영상을 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 동작은 적어도 부분적으로 컴퓨터 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 실시예들에 따른 이진 홀로그램 생성 방법에 의한 동작을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하도록 구성된 이진 데이터 변환부;
    상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 복소 홀로그램 복원부;
    상기 이진 패턴을 이용하여 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하도록 구성된 이진 홀로그램 복원부; 및
    상기 이진 패턴의 이진값을 변화시키면서 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교하되, 서로 상이한 위치에 위치하는 복수 개의 초점평면 각각에 대하여 상기 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상을 비교한 결과에 기초하여 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하도록 구성된 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 이진 패턴을 이용하여 생성된 제1 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제1 오차를, 상기 이진 패턴의 이진값을 수정한 수정 패턴을 이용하여 생성된 제2 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제2 오차와 비교하여 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 이진 홀로그램 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이진 데이터 변환부에 의해 생성되는 상기 이진 패턴은 무작위의 이진값을 갖는 복수 개의 픽셀을 포함하는 이진 홀로그램 생성 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 오차 및 상기 제2 오차는 평균제곱오차 값인 이진 홀로그램 생성 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며,
    상기 복소 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상을 포함하며,
    상기 제1 오차는 상기 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값이고,
    상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 제2 오차는 상기 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값인 이진 홀로그램 생성 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 오차 및 상기 제2 오차 중 더 작은 것에 상응하는 패턴에 기초하여 상기 이진 홀로그램 데이터의 이진값을 결정하며, 상기 이진값을 결정하는 과정을 상기 복수 개의 픽셀에 대해 반복 수행하도록 더 구성된 이진 홀로그램 생성 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 이진 홀로그램 데이터에 상응하는 광을 조사함으로써 홀로그램을 출력하도록 구성된 광 조사부를 더 포함하는 이진 홀로그램 생성 장치.
  8. 이진 홀로그램 생성 장치가 복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하는 단계;
    상기 이진 홀로그램 생성 장치가 상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계;
    상기 이진 홀로그램 생성 장치가 상기 이진 패턴을 이용하여 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계;
    상기 이진 홀로그램 생성 장치가 상기 이진 패턴의 이진값을 변화시킨 수정 패턴을 이용하여 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 이진 홀로그램 생성 장치가, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각을 상기 복소 홀로그램 복원 영상과 비교한 결과에 기초하여, 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계는 서로 상이한 위치에 위치한 복수 개의 초점평면에 대하여 각각 수행되며,
    상기 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계는, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제1 오차를, 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제2 오차와 비교하여 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이진 홀로그램 생성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 이진 패턴은 무작위의 이진값을 갖는 복수 개의 픽셀을 포함하는 이진 홀로그램 생성 방법.
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 오차 및 상기 제2 오차는 평균제곱오차 값인 이진 홀로그램 생성 방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상은 상기 복수 개의 초점평면 각각에 상응하는 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 복소 홀로그램 복원 영상은 서로 상이한 복수 개의 초점평면에 상응하는 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 제1 오차는 상기 복수 개의 제1 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값이고,
    상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상은 상기 복수 개의 초점평면 각각에 상응하는 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 포함하며, 상기 제2 오차는 상기 복수 개의 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각과 이에 상응하는 상기 복수 개의 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 평균제곱오차를 합산한 값인 이진 홀로그램 생성 방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계는, 상기 제1 오차 및 상기 제2 오차 중 더 작은 것에 상응하는 패턴에 기초하여 상기 이진 홀로그램 데이터의 이진값을 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계는 상기 복수 개의 픽셀에 대해 반복 수행되는 이진 홀로그램 생성 방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 이진 홀로그램 생성 장치가 상기 이진 홀로그램 데이터에 상응하는 광을 조사함으로써 홀로그램을 출력하는 단계를 더 포함하는 이진 홀로그램 생성 방법.
  15. 하드웨어와 결합되어 이진 홀로그램 생성 방법을 실행하도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 이진 홀로그램 생성 방법은,
    복소 홀로그램 데이터의 관심영역에 상응하는 크기의 이진 패턴을 생성하는 단계;
    상기 복소 홀로그램 데이터를 이용하여 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계;
    상기 이진 패턴을 이용하여 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계;
    상기 이진 패턴의 이진값을 변화시킨 수정 패턴을 이용하여 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상 각각을 상기 복소 홀로그램 복원 영상과 비교한 결과에 기초하여, 상기 복소 홀로그램 데이터에 상응하는 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 복소 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계 및 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상을 생성하는 단계는 서로 상이한 위치에 위치한 복수 개의 초점평면에 대하여 각각 수행되며,
    상기 이진 홀로그램 데이터를 생성하는 단계는, 상기 제1 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제1 오차를, 상기 제2 이진 홀로그램 복원 영상과 상기 복소 홀로그램 복원 영상 사이의 제2 오차와 비교하여 상기 이진 패턴의 수정 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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