KR102277100B1 - A method of generating hologram with random phase using deep learning and artificial intelligence - Google Patents

A method of generating hologram with random phase using deep learning and artificial intelligence Download PDF

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KR102277100B1
KR102277100B1 KR1020200025148A KR20200025148A KR102277100B1 KR 102277100 B1 KR102277100 B1 KR 102277100B1 KR 1020200025148 A KR1020200025148 A KR 1020200025148A KR 20200025148 A KR20200025148 A KR 20200025148A KR 102277100 B1 KR102277100 B1 KR 102277100B1
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서영호
김동욱
강지원
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method of generating a hologram with a random phase using deep learning and artificial intelligence to post-process a random phase by using a deep neural network, rather than adding a random phase, to display the hologram when generating the hologram, the method is configured to include: (a) optimizing parameters of a fringe pattern generator that receives object points and outputs the fringe pattern, in which the fringe pattern for the object point generated by a computer generated hologram (CGH) algorithm is determined as correct answer data; (b) optimizing a random phase inserter that receives the fringe pattern and outputs a fringe pattern to which a random phase is inserted (hereinafter referred to as a random phase fringe pattern), in which the random phase fringe pattern generated by the CGH algorithm is determined as the correct answer data; and (c) generating a digital hologram using the optimized fringe pattern generator and the random phase inserter. In the same way as above, the random phase is inserted into the fringe pattern generated by the fringe pattern generator through the random phase inserter as the post-processing process, so that a viewing angle is extended when displaying holograms.

Description

인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법 { A method of generating hologram with random phase using deep learning and artificial intelligence }{ A method of generating hologram with random phase using deep learning and artificial intelligence }

본 발명은 딥러닝 기술에 기반을 두고 생성형 네트워크를 이용하는 심층신경망을 이용하여 홀로그램을 생성하되, 홀로그램의 디스플레이를 위해 홀로그램의 생성 시 랜덤 위상을 추가하는 것이 아닌 랜덤위상을 심층 신경망을 이용하여 후처리하는, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 관한 것이다.The present invention generates a hologram using a deep neural network that uses a generative network based on deep learning technology, but does not add a random phase when generating a hologram for display of the hologram, but instead of adding a random phase using a deep neural network It relates to a method of generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology.

일반적으로, 홀로그램은 물체에서 반사되는 광파(물체파, object wave)에 기준이 되는 광파(기준파, reference wave)를 간섭시켜 그 결과로 발생되는 프린지 패턴(fringe pattern)들로 구성되며, 이 프린지 패턴을 디지털 데이터로 획득한 것이 디지털 홀로그램(digital hologram, DH)이다. 따라서 홀로그램은 2D 데이터이지만 물체파와 기준파의 위상차이로 물체까지의 거리정보까지 포함하는 3D 데이터이다[비특허문헌 1]. 이 홀로그램에 기준파를 조사하면 원 위치의 원 물체 영상이 재현된다. 따라서 홀로그램 영상은, 시야각의 제약은 있지만, 3차원 영상을 디스플레이하기 때문에 궁극적인 3D영상으로 간주되고 있다[비특허문헌 2].In general, a hologram is composed of fringe patterns generated as a result of interfering a light wave (reference wave) as a reference with a light wave (object wave) reflected from an object. A digital hologram (DH) is obtained by acquiring a pattern as digital data. Therefore, although a hologram is 2D data, it is 3D data including distance information to an object due to a phase difference between an object wave and a reference wave [Non-Patent Document 1]. When the reference wave is irradiated to this hologram, the original image of the object at the original position is reproduced. Therefore, although the holographic image has a viewing angle limitation, since it displays a three-dimensional image, it is considered as the ultimate 3D image [Non-Patent Document 2].

대분류의 관점에서 살펴보면 전통적인 디지털 홀로그램을 생성하는 방법은 광학 촬영을 이용한 방법과 컴퓨터를 이용한 CGH(computer generated hologram) 방법으로 나눌 수 있다. 도 1은 광학 촬영을 이용한 방법을 도시하고 있다. 광학 촬영과 CGH 방법들도 지금까지 무수히 많은 연구들이 진행되어왔다. 이러한 방법들은 모두 제각각 장점과 단점을 가질 것이다.From the perspective of broad classification, a method for generating a traditional digital hologram can be divided into a method using optical imaging and a computer generated hologram (CGH) method using a computer. 1 shows a method using optical imaging. Countless studies on optical imaging and CGH methods have been conducted so far. Each of these methods will have different advantages and disadvantages.

CGH 방법의 경우에 가장 큰 단점은 연산처리 속도가 매우 느리다는 것이다. 이러한 속도를 개선하기 위해 알고리즘을 개선하거나, GPU를 사용하거나, FPGA(field programmable gate array)를 만들거나, 혹은 전용 칩셋(chipset)을 만드는 방법등이 제시되었다.In the case of the CGH method, the biggest disadvantage is that the operation processing speed is very slow. In order to improve this speed, methods such as improving an algorithm, using a GPU, making a field programmable gate array (FPGA), or making a dedicated chipset have been suggested.

또한, 도 2와 같이, 최근 급속히 발달하고 있는 딥러닝 기술을 이용하여 홀로그램을 생성하는 방법이 제시되고 있다[특허문헌 1].In addition, as shown in FIG. 2 , a method for generating a hologram using a deep learning technology that has been rapidly developed in recent years has been proposed [Patent Document 1].

한국공개특허공보 제10-2018-0064884호(2018.06.15.공개)Korean Patent Publication No. 10-2018-0064884 (published on June 15, 2018)

S. A. Benton and V. M. Bove Jr., Holographic imaging, John Wiley and Sons Inc., 2008. S. A. Benton and V. M. Bove Jr., Holographic imaging, John Wiley and Sons Inc., 2008. 한기평(Ki-Pyung Han), "기가코리아(Giga Korea)," TTL Journal, Vol. 146, pp. 16-21, 2013년 3월(March 2013). Ki-Pyung Han, "Giga Korea," TTL Journal, Vol. 146, pp. 16-21, March 2013 (March 2013).

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 딥러닝 기술에 기반을 두고 생성형 네트워크를 이용하는 심층신경망을 이용하여 홀로그램을 생성하되, 홀로그램의 디스플레이를 위해 홀로그램의 생성 시 랜덤 위상을 추가하는 것이 아닌 랜덤위상을 심층 신경망을 이용하여 후처리하는, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above-described problems, and to generate a hologram using a deep neural network using a generative network based on deep learning technology, but to generate a hologram for display of a hologram, a random phase It is to provide a method of generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, in which the random phase is post-processed using a deep neural network rather than added.

또한, 본 발명의 목적은 프린지 패턴 생성기를 학습시키고, 학습된 프린지 패턴 생성기로 랜덤 페이즈가 포함된 프린지 패턴을 획득하고, 이를 이용하여 랜덤페이즈 삽입기를 학습하여, 프린지 패턴 생성기와 랜덤 페이즈 삽입기로 랜덤 위상이 포함된 프린지 패턴을 생성하는, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to learn a fringe pattern generator, obtain a fringe pattern including a random phase with the learned fringe pattern generator, and learn a random phase inserter using this, and randomize it with a fringe pattern generator and a random phase inserter An object of the present invention is to provide a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, which generates a fringe pattern including a phase.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 관한 것으로서, (a) 객체 포인트를 입력받아 프린지 패턴을 출력하는 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하되, CGH(computer generated hologram) 알고리즘으로 생성된 객체 포인트에 대한 프린지 패턴을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계; (b) 프린지 패턴을 입력받아 랜덤 페이즈가 삽입된 프린지 패턴(이하 랜덤 페이즈 프린지 패턴)을 출력하는 랜덤페이즈 삽입기를 최적화 하되, CGH 알고리즘으로 생성된 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계; 및, (c) 상기 최적화된 프린지 패턴 생성기와 상기 랜덤페이즈 삽입기를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, (a) optimizing the parameters of a fringe pattern generator that receives an object point and outputs a fringe pattern, Optimizing a fringe pattern for an object point generated by a computer generated hologram (CGH) algorithm as correct answer data; (b) optimizing a random phase inserter that receives a fringe pattern and outputs a fringe pattern into which a random phase is inserted (hereinafter, a random phase fringe pattern), and optimizes the random phase fringe pattern generated by the CGH algorithm by determining the correct answer data; and, (c) generating a digital hologram using the optimized fringe pattern generator and the random phase inserter.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, CGH 알고리즘으로 각 포인트에 대한 제1 프린지 패턴을 생성하고, 해당 각 포인트를 상기 프린지패턴 생성기에 적용하여 제2 프린지 패턴을 생성하여, 생성된 제1 및 제2 프린지 패턴의 유사 정도가 최대화 되도록 파라미터들을 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, for the points sampled in step (a), a first fringe pattern for each point is generated by the CGH algorithm. And, by applying each point to the fringe pattern generator to generate a second fringe pattern, it is characterized in that the parameters are optimized so that the degree of similarity between the generated first and second fringe patterns is maximized.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 제1 및 제2 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 프린지 패턴 판별기와, 제1 및 제2 프린지 패턴의 제1 및 제2 위상의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 위상 판별기를 구성하고, 상기 프린지 패턴 판별기 및 위상 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 프린지 패턴 판별기 및 위상 판별기의 출력값이 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, in the step (a), a fringe pattern discriminator indicating the degree of similarity between the first and second fringe patterns as a probability value; A phase discriminator representing the similarity of the first and second phases of the first and second fringe patterns as a probability value is configured, parameters of the fringe pattern discriminator and the phase discriminator are optimized, and the optimized fringe pattern discriminator and phase discriminator It is characterized in that the parameters of the fringe pattern generator are optimized so that the output value of the device is maximized.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 생성기는 실수부 생성기와 허수부 생성기로 구성되고, 각각의 생성기는 실수 프린지 패턴과 허수 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, wherein the fringe pattern generator is composed of a real part generator and an imaginary part generator, and each generator is a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern. characterized in that it creates

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 생성기 및 상기 랜덤페이즈 삽입기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that the fringe pattern generator and the random phase inserter are composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 판별기 및 상기 위상 판별기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, wherein the fringe pattern discriminator and the phase discriminator are composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, CGH 알고리즘으로 각 포인트에 대한 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 생성하고, 해당 각 포인트를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 제2 프린지 패턴을 생성하고 생성된 제2 프린지 패턴을 상기 랜덤페이즈 삽입기에 적용하여 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 생성하여, 생성된 제1 및 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴의 유사 정도가 최대화 되도록 상기 랜덤페이즈 삽입기의 파라미터들을 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, for the points sampled in step (b), a first random phase fringe pattern for each point with a CGH algorithm and applying each point to the fringe pattern generator to generate a second fringe pattern, and applying the generated second fringe pattern to the random phase inserter to generate a second random phase fringe pattern. and optimizing the parameters of the random phase inserter so that the similarity of the second random phase fringe pattern is maximized.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 각 객체 포인트에 대하여, -π에서 π사이의 랜덤 값을 생성하고, CGH 알고리즘에서 코사인 또는 사인 함수의 위상에 생성된 랜덤 값을 추가하여 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, in the step (b), for each object point, a random value between -π and π is generated, and the CGH algorithm It is characterized in that the first random phase fringe pattern is generated by adding the generated random value to the phase of the cosine or sine function.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 제1 및 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 랜덤페이즈 판별기를 구성하고, 상기 랜덤페이즈 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 랜덤페이즈 판별기의 출력값이 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, in the step (b), a random phase discriminator indicating the degree of similarity between the first and second random phase fringe patterns as a probability value and optimizing the parameters of the random phase discriminator, and optimizing the parameters of the fringe pattern generator so that the output value of the optimized random phase discriminator is maximized.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 랜덤페이즈 판별기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, the random phase discriminator is characterized in that it is composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 주어진 3차원 객체의 포인트들에 대하여, 각 포인트를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 프린지 패턴을 상기 랜덤페이즈 삽입기에 적용하여 랜덤페이즈 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 랜덤페이즈 프린지 패턴에 해당 각 포인트의 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 포인트의 랜덤페이즈 프린지 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, in the step (c), for the points of a given three-dimensional object, each point is applied to the fringe pattern generator, A fringe pattern is generated, the generated fringe pattern is applied to the random phase inserter to generate a random phase fringe pattern, the generated random phase fringe pattern is multiplied by the brightness value of each point, and the brightness value is multiplied by all points. It is characterized in that a digital hologram is generated by accumulating a random phase fringe pattern.

또한, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a computer-readable recording medium in which a program for performing a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology is recorded.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 의하면, 프린지 패턴 생성기로 생성된 프린지 패턴에 랜덤페이즈 삽입기로 랜덤 위상을 후처리 과정으로 삽입함으로써, 홀로그램을 디스플레이할 때 시야각을 확장할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology according to the present invention, the random phase is inserted into the fringe pattern generated by the fringe pattern generator as a post-processing process by a random phase inserter, When displaying a hologram, an effect of extending a viewing angle is obtained.

또한, 본 발명에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 의하면, 프린지 패턴 생성 및 랜덤 페이즈를 삽입하는 과정을 모두 신경망으로 처리함으로써, 수식을 통해 반복 연산이 필요한 CGH 방식의 종래 기술에 비하여 연산을 매우 빠른 속도로 처리할 수 있고, 메모리 용량도 절약할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology according to the present invention, the process of generating a fringe pattern and inserting a random phase is all processed with a neural network, so that iterative calculation is required through a formula CGH method Compared to the prior art of , the operation can be processed at a very high speed, and the effect of saving the memory capacity is obtained.

즉, 소프트웨어 방식의 경우에 수식을 이용한 방식과 비교하면, 수식을 이용한 방식은 하나의 광원에 대한 프린지패턴을 생성하는데 홀로그램 크기 만큼의 반복 연산이 필요한 반면, 본 발명에 따른 신경망 방식의 방법은 한 번의 반복으로 한 장의 프린지패턴이 출력되기 때문에 이론적으로는 홀로그램의 크기와 비례적으로 속도가 향상된다.That is, in the case of the software method, compared to the method using the formula, the method using the formula requires repeated calculations as much as the size of the hologram to generate the fringe pattern for one light source, whereas the method of the neural network method according to the present invention is one Since a single fringe pattern is output with one repetition, theoretically, the speed increases in proportion to the size of the hologram.

또한, 즉, 종래기술에 따른 룩업테이블 방식에 비해서 사용되는 메모리 용량을 매우 적게 사용할 수 있다. 구체적으로, 룩업테이블 방식의 경우에 수 기가에서 수 테라의 메모리 용량이 필요한 반면, 본 발명에 따른 신경망 방식의 방법은 수십 메가에서 최대 수백메가만 사용한다.Also, that is, the memory capacity used can be very small compared to the lookup table method according to the related art. Specifically, in the case of the lookup table method, a memory capacity of several giga to several tera is required, whereas the method of the neural network method according to the present invention uses only tens of megabytes to a maximum of several hundred megabytes.

도 1은 종래기술에 따른 광학적 획득 방식에 의하여 디지털 홀로그램을 생성하고 복원하는 방법을 나타낸 예시도.
도 2는 종래기술에 따른 인공지능을 이용한 디지털 홀로그램 생성 방법을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 홀로그램 생성 방법에 따른 객체 포인트 기반의 프린지 패턴 생성의 과정을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 홀로그램 생성 방법에 따른 심층 신경망(딥러닝 모델)을 이용한 프린지 패턴(단일 객체 포인터에 대한 회절 패턴)의 생성 과정을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 회절패턴(단일 객체 점에 대한 회절 패턴의 일부)을 생성하기 위한 심층 신경망(딥러닝 모델)을 학습시키는 과정을 나타낸 도면.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 랜덤 페이즈를 삽입하는 딥러닝 기반의 단계를 나타낸 도면.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 프린지 패턴 생성 심층 신경망을 이용한 홀로그램 생성 단계를 설명하는 흐름도.
도 10은 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 프린지 패턴 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도.
도 11는 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 홀로그램의 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도.
도 12는 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용한 홀로그램 생성 결과의 예시도로서, (a) 객체를 위한 포인트 클라우드, (b) 그림 8의 홀로그램을 이용한 홀로그램 복원 결과를 나타낸 예시도.
1 is an exemplary view showing a method of generating and restoring a digital hologram by an optical acquisition method according to the prior art.
2 is an exemplary view showing a digital hologram generation method using artificial intelligence according to the prior art.
3 is a diagram showing the configuration of an overall system for implementing the present invention.
4 is a diagram illustrating a process of generating a fringe pattern based on object points according to the method for generating a hologram of the present invention.
5 is a view showing a process of generating a fringe pattern (diffraction pattern for a single object pointer) using a deep neural network (deep learning model) according to the hologram generation method of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a process of training a deep neural network (deep learning model) for generating a diffraction pattern (part of a diffraction pattern for a single object point) according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a deep learning-based step of inserting a random phase according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a hologram generation step using a fringe pattern generation deep neural network according to an embodiment of the present invention.
10 is an exemplary view of a fringe pattern generated using a deep neural network according to an experiment of the present invention, (a) a real part, (b) an imaginary part.
11 is an exemplary diagram of a hologram generated using a deep neural network according to an experiment of the present invention, (a) a real part, (b) an imaginary part.
12 is an exemplary view of a hologram generation result using a deep neural network according to an experiment of the present invention, (a) a point cloud for an object, and (b) an exemplary view showing a hologram restoration result using the hologram of Fig. 8;

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.Hereinafter, specific contents for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in demonstrating this invention, the same part is attached|subjected with the same code|symbol, and the repetition description is abbreviate|omitted.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성의 예들에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.First, examples of the configuration of the entire system for implementing the present invention will be described with reference to FIG. 3 .

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법은 3차원 데이터(10)를 입력받아 홀로그램을 생성하는 컴퓨터 단말(20) 상의 프로그램 시스템으로 실시될 수 있다. 즉, 상기 디지털 홀로그램의 생성 방법은 프로그램으로 구성되어 컴퓨터 단말(20)에 설치되어 실행될 수 있다. 컴퓨터 단말(20)에 설치된 프로그램은 하나의 프로그램 시스템(30)과 같이 동작할 수 있다.As shown in FIG. 3 , the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology according to the present invention is implemented as a program system on a computer terminal 20 that receives three-dimensional data 10 and generates a hologram. can be That is, the digital hologram generating method may be configured as a program and installed in the computer terminal 20 to be executed. A program installed in the computer terminal 20 may operate as one program system 30 .

한편, 다른 실시예로서, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법은 프로그램으로 구성되어 범용 컴퓨터에서 동작하는 것 외에 ASIC(주문형 반도체) 등 하나의 전자회로로 구성되어 실시될 수 있다. 또는 홀로그램 영상을 생성하는 것만을 전용으로 처리하는 전용 컴퓨터 단말로 개발될 수도 있다. 이를 디지털 홀로그램 생성 장치(30)라 부르기로 한다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다.On the other hand, as another embodiment, the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology is composed of a single electronic circuit such as an ASIC (application-specific semiconductor) in addition to being composed of a program and operating in a general-purpose computer. have. Alternatively, it may be developed as a dedicated computer terminal that exclusively processes only the generation of a holographic image. This will be referred to as a digital hologram generating device 30 . Other possible forms may also be implemented.

한편, 3차원 데이터는 3차원 객체를 표현하는 포인트 클라우드 등으로 구성된다.On the other hand, 3D data is composed of a point cloud representing a 3D object.

다음으로, 본 발명에 따른 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법의 기본적인 원리 및 과정을 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한다.Next, a basic principle and process of a method for generating a digital hologram using a deep learning technique according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 5 .

컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram, CGH)은 모든 홀로그램 평면의 좌표에서 입력되는 모든 광원에 대하여 프린지 패턴을 구한 후에 그 패턴들을 누적하여 구한다.A computer-generated hologram (CGH) is obtained by accumulating the fringe patterns for all light sources input from the coordinates of all hologram planes and then accumulating the patterns.

수학식 1에 완전 복소 홀로그램의 생성을 위한 실수부의 CGH 수식을 나타내었다.Equation 1 shows the CGH formula of the real part for generating a complete complex hologram.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020021412826-pat00001
Figure 112020021412826-pat00001

여기서, I(u,v)는 홀로그램 평면의 좌표 (u,v)에서의 밝기이고, Aj(x,y,z)는 x,y,z 좌표에서의 광원의 밝기이다. N은 광원의 개수이고, λ는 홀로그램 생성에 사용한 참조파(reference wave)의 파장이고, p는 홀로그램과 광원의 화소의 크기인데, 여기에서는 편의상 동일한 값으로 취급하였다.Here, I(u,v) is the brightness at the coordinates (u,v) of the hologram plane, and A j (x,y,z) is the brightness of the light source at the x,y,z coordinates. N is the number of light sources, λ is the wavelength of a reference wave used to generate the hologram, and p is the size of the pixels of the hologram and the light source. Here, they are treated as the same value for convenience.

수학식 1의 과정을 수학식 2와 3과 같이 분리한다.The process of Equation 1 is separated as shown in Equations 2 and 3.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020021412826-pat00002
Figure 112020021412826-pat00002

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020021412826-pat00003
Figure 112020021412826-pat00003

따라서 도 4와 같이, 수학식 2를 이용하여 각각의 객체 포인트에 대해 프린지 패턴을 생성한다.Accordingly, as shown in FIG. 4 , a fringe pattern is generated for each object point using Equation 2 .

한편, 프린지 패턴은 복소수 형태(IRe + iIIm)로 만들어지고, 복소수에서 실수부(IRe)와 허수부(IIm)는 각각 따로 연산된다. 수학식 2에서 실수부는 코사인(cosine)으로 계산하나, 허수부는 사인함수(sine)로 계산한다.Meanwhile, the fringe pattern is made in the form of a complex number (I Re + iI Im ), and in the complex number, the real part (I Re ) and the imaginary part (I Im ) are calculated separately. In Equation 2, the real part is calculated as a cosine, but the imaginary part is calculated as a sine function.

이때, 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 수학식 2에 대해 심층 신경망(deep neural network)을 이용하여 생성한다.At this time, as shown in FIG. 5 , the method according to the present invention is generated using a deep neural network for Equation (2).

생성된 프린지 패턴은 수학식 3과 같이 밝기 값과 곱하고, 누적 덧셈을 수행하여 최종 홀로그램을 생성한다.The generated fringe pattern is multiplied by a brightness value as shown in Equation 3, and cumulative addition is performed to generate a final hologram.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 도 6 내지 도 9을 참조하여 설명한다.Next, a method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 9 .

도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 홀로그램의 생성 방법은 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 단계(S10), 랜덤 페이즈 삽입기를 학습시키는 단계(S20), 및, 학습된 프린지 패턴 생성기 및 랜덤 페이즈 삽입기를 이용하여, 객체 데이터에서 디지털 홀로그램을 생성하는 단계(S30)로 구성된다. 이때, 학습단계에서 학습용 3차원 객체 포인트들로 학습하고, 실제 대상 3차원 객체 포인트들로 디지털 홀로그램을 생성한다.As shown in FIG. 6 , the method for generating a digital hologram according to the present invention includes the steps of learning a fringe pattern generator (S10), learning a random phase inserter (S20), and inserting the learned fringe pattern generator and random phase It consists of a step (S30) of generating a digital hologram from the object data by using the At this time, in the learning stage, the 3D object points for learning are learned, and a digital hologram is generated using the actual target 3D object points.

먼저, 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 단계(S10)를 설명한다.First, the step of learning the fringe pattern generator (S10) will be described.

도 7은 프린지 패턴 생성을 위해 심층신경망(deep neural network)을 학습하기 위한 모델의 구조를 나타낸다. 전체 구조는 적대적 생성형 모델을 기반으로 하고 있다.7 shows the structure of a model for learning a deep neural network to generate a fringe pattern. The overall structure is based on the adversarial generative model.

도 7에서 보는 바와 같이, 객체 포인트 정보가 입력되면, CGH(computer generated hologram) 알고리즘을 이용하여 진짜 프린지(Real Fringe) 패턴(이하 제1 프린지 패턴)을 생성한다. 즉, CGH 알고리즘에 의해 생성된 진짜 프린지를 정답 데이터로 활용한다. 또한, 여기서에서 설명하는 학습 방식은 일례를 위한 하나의 학습 방식(예를 들어, GAN 학습 방식)을 적용한 것이고, 정답 데이터를 이용하는 신경망의 지도 학습 방식에 모두 적용할 수 있다.As shown in FIG. 7 , when object point information is input, a real fringe pattern (hereinafter, a first fringe pattern) is generated using a computer generated hologram (CGH) algorithm. That is, the real fringe generated by the CGH algorithm is used as the correct answer data. In addition, the learning method described herein applies one learning method (eg, GAN learning method) for an example, and can be applied to all supervised learning methods of neural networks using correct answer data.

이와 동시에 심층신경망 기반의 프린지 패턴 생성기(Fringe Pattern Generator)를 이용하여 가짜 프린지(Fake Fringe) 패턴(이하 제2 프린지 패턴)을 생성한다. 단, 여기서, 진짜 프린지(Real Fringe)에서 Real은 실수를 의미하고 진짜 데이터(Real Data)에서 Real은 실제의 정보를 의미한다.At the same time, a fake fringe pattern (hereinafter referred to as a second fringe pattern) is generated using a deep neural network-based fringe pattern generator. However, here, in Real Fringe, Real means real, and in Real Data, Real means real information.

심층신경망 기반의 프린지 패턴 판별기(Fringe Pattern Discriminator based on Deep Neural Network)는 이 두 결과를 비교하여 진짜와 가짜가 얼마나 비슷한지를 확률값으로 출력하고, 이 확률적인 계산 결과를 바탕으로 프린지 패턴 생성기가 더욱 진짜와 유사한 가짜를 만들 수 있도록 손실(loss) 값을 얻는다.The Fringe Pattern Discriminator based on Deep Neural Network compares these two results and outputs how similar the real and the fake are as a probability value, and based on this probabilistic calculation result, the fringe pattern generator is more We get a loss value so that we can create a fake that is similar to the real thing.

또한, 홀로그램의 깊이 정보를 담고 있는 위상 정보의 손실을 막기 위해, 가짜 실수 프린지와 가짜 허수 프린지로부터 얻은 가짜 위상(Fake Phase)과, 진짜 실수 프린지와 진짜 허수 프린지로부터 얻은 진짜 위상(Real Phase)을 심층 신경망 기반의 위상 판별기(Phase Discriminator based on Deep Neural Network)가 비교하여 확률 값으로 출력하고 이를 기반으로 손실(loss) 값을 산출한다.In addition, in order to prevent the loss of the phase information containing the depth information of the hologram, a fake phase obtained from a fake real fringe and a fake imaginary fringe, and a real phase obtained from a real real fringe and a real imaginary fringe A phase discriminator based on deep neural network compares and outputs a probability value, and a loss value is calculated based on this comparison.

이 확률적인 계산 결과를 바탕으로 프린지 패턴 생성기가 더욱 진짜와 유사한 가짜를 만들 수 있도록 프린지 패턴 생성기의 내부 파라미터들을 갱신시킨다. 이와 같은 고정을 반복적으로 수행하면 진짜와 가짜가 구별할 수 없을 정도로 유사해지게 되는데, 이는 프린지 패턴 생성기가 CGH로 생성된 프린지 패턴과 동일한 프린지 패턴을 생성할 수 있게 되어 심층신경망이 프린지 패턴을 출력할 수 있도록 학습되었다는 것을 의미한다.Based on this probabilistic calculation result, the internal parameters of the fringe pattern generator are updated so that the fringe pattern generator can make a fake more similar to the real thing. If this fixing is repeatedly performed, the real and the fake become indistinguishably similar. This enables the fringe pattern generator to generate the same fringe pattern as the fringe pattern generated by CGH, and the deep neural network outputs the fringe pattern. It means you have been taught to do it.

이하에서 설명에서의 각각의 용어와 방법들에 대해 설명한다.Hereinafter, each term and method in the description will be described.

c1,...,cm : 정수 혹은 실수 형태의 객체 포인트(object point)의 (x,y,z) 공간 좌표로서, 조건(condition) 정보이다. 즉, x,y,z는 객체의 공간 좌표를 나타낸다.c 1 ,...,c m : (x,y,z) spatial coordinates of an object point in the form of an integer or real number, which is condition information. That is, x, y, and z represent the spatial coordinates of the object.

z(1),...,z(m) : 일차원 잡음 또는 잡음 영상이다.z (1) ,...,z (m) : One-dimensional noise or noise image.

fre (1),...,fre (m) : 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘을 이용하여 생성된 실제 실수 프린지 패턴(Real Real Fringe Pattern)이다.f re (1) ,..., f re (m) : A Real Real Fringe Pattern generated using a computer-generated hologram algorithm.

fim (1),...,fim (m) : 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘을 이용하여 생성된 실제 허수 프린지 패턴(Real Imaginary Fringe Pattern)이다. f im (1) ,...,f im (m) : A Real Imaginary Fringe Pattern generated using a computer-generated hologram algorithm.

Gfringe(zi|ci) : 객체 포인트의 좌표 조건 ci가 주어졌을 때 잡음 zi를 입력으로 사용하여 프린지 패턴을 생성한다. 이를 프린지 패턴 생성기(Fringe Pattern Generator)라 부르고, 실수부 홀로그램(real hologram)과 허수부 홀로그램(imaginary hologram)의 생성을 위해 GRe(zi|ci)과 GIm(zi|ci)의 두 가지 심층신경망(deep neural network)으로 구성된다.G fringe (z i | c i ): Given the coordinate condition c i of the object point, generate a fringe pattern using noise z i as an input. This is called a fringe pattern generator, and to generate a real hologram and an imaginary hologram, G Re (z i |c i ) and G Im (z i |c i ) It consists of two deep neural networks.

Dfringe(x) : x가 잡음 pg(z)로부터 왔을 확률을 나타낸다. 즉, 생성된 프린지 패턴이 실제 프린지 패턴과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타낸다. 프린지 패턴 판별기(Fringe Pattern Discriminator)라 부르고, 실수부 홀로그램(real hologram)과 허수부 홀로그램(imaginary hologram)의 판별을 위해 DRe(x)과 DIm(x)의 두 가지 심층신경망(deep neural network)으로 구성된다.D fringe (x): represents the probability that x comes from the noise p g (z). That is, it probabilistically indicates how similar the generated fringe pattern is to the actual fringe pattern. It is called a fringe pattern discriminator, and two deep neural networks, D Re (x) and D Im (x), are used to discriminate real holograms and imaginary holograms. network) is composed of

Dphase(x) : x가 잡음 pg(z)로부터 왔을 확률을 나타낸다. 즉, 생성된 프린지 패턴으로부터의 위상 성분과 실제 프린지 패턴으로부터의 위상 성분이 얼마나 유사한지 확률적으로 나타낸다. 이를 위상 판별기(Phase Discriminator)라 부른다.D phase (x): represents the probability that x came from the noise p g (z). That is, it probabilistically indicates how similar the phase component from the generated fringe pattern and the phase component from the actual fringe pattern are. This is called a phase discriminator.

Figure 112020021412826-pat00004
: 프린지 패턴 생성기 GIm(zi|ci)를 통해 만들어진 허수부 프린지 패턴이다.
Figure 112020021412826-pat00004
: An imaginary fringe pattern created by the fringe pattern generator G Im (z i |c i ).

Figure 112020021412826-pat00005
: 프린지 패턴 생성기 GRe(zi|ci)를 통해 만들어진 실수부 프린지 패턴이다.
Figure 112020021412826-pat00005
: A real-part fringe pattern created by the fringe pattern generator G Re (z i |c i ).

x : x에 대한 확률적 경사 상승 기법(stochastic gradient ascending)을 이용한 심층신경망의 미분으로 델 연산자이다. x : It is a Del operator for the differentiation of deep neural networks using stochastic gradient ascending with respect to x.

ε : 0과 1사이의 난수(random number)를 의미한다. ε: means a random number between 0 and 1.

θG : 심층신경망으로 구성된 프린지 패턴 생성기의 파라미터이다. 이 파라미터에는 신경망의 가중치(weight), 편향(bias), 최적화기(optimizer) 파라미터가 포함된다. 최적화기의 파라미터는 최적화기의 종류에 따라 결정된다. 예를 들어 Adam을 사용할 경우에 α, β1, β2가 포함된다. θ G : A parameter of the fringe pattern generator composed of a deep neural network. These parameters include the weight, bias, and optimizer parameters of the neural network. The parameters of the optimizer are determined according to the type of optimizer. For example, when using Adam, α, β 1 , and β 2 are included.

θD : 심층신경망으로 구성된 판별기의 파라미터이다. 이 파라미터에는 신경망의 가중치(weight), 편향(bias), 최적화기(optimizer) 파라미터가 포함된다. 최적화기의 파라미터는 최적화기의 종류에 따라 결정된다. 예를 들어 Adam을 사용할 경우에 α, β1, β2가 포함된다.θ D : The parameter of a discriminator composed of a deep neural network. These parameters include the weight, bias, and optimizer parameters of the neural network. The parameters of the optimizer are determined according to the type of optimizer. For example, when using Adam, α, β 1 , and β 2 are included.

L : 딥러닝에서 심층신경망의 학습에 사용되는 손실함수(loss function)이다. 현재 본 문서에서는 WGAN-GP(Wasserstein Generative Adversarial Network - Gradient Panelty)를 사용하는 것을 예시로 작성되었으나, 다른 손실함수를 사용하여도 무방하다.L: It is a loss function used for deep neural network training in deep learning. Currently, this document uses WGAN-GP (Wasserstein Generative Adversarial Network - Gradient Panelty) as an example, but other loss functions may be used.

m : 미니 배치의 개수m: number of mini-batches

k : 트레이닝(훈련) 횟수k : number of training (training)

먼저, 프린지 패턴 생성기의 학습 단계(S10)에서, 3차원 객체의 포인트들에 대하여, 미니배치 크기 m으로 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 이용하여 신경망으로 구성된 프린지 패턴 생성기, 프린지 패턴 판별기, 및, 위상 판별기를 훈련(또는 학습)시킨다.First, in the learning step (S10) of the fringe pattern generator, the points of the three-dimensional object are sampled with a mini-batch size m, and a fringe pattern generator composed of a neural network using the sampled data, a fringe pattern discriminator, and, Train (or train) the phase discriminator.

먼저, 사전에 정해진 잡음 pg(z)로부터 잡음 z1,z2...,zm을 샘플링하고, CGH 알고리즘에 의한 제1 실수 프린지 패턴 f1 Re,f2 Re,...,fm Re과 제1 허수 프린지 패턴 f1 Im,f2 Im,...,fm Im을 생성한다. 또한, 객체 포인트들로부터 조건 c1,c2...,cm을 샘플링한다.First, the noise z 1 ,z 2 ...,z m is sampled from the predetermined noise p g (z), and the first real fringe pattern f 1 Re ,f 2 Re ,...,f by the CGH algorithm. m Re and the first imaginary fringe pattern f 1 Im ,f 2 Im ,...,f m Im are generated. Also, the condition c 1 ,c 2 ...,c m is sampled from the object points.

다음으로, 각 샘플된 데이터에 대하여, (허수 또는 실수) 프린지 패턴 생성기로 제2 허수 프린지 패턴 및 제2 실수 프린지 패턴을 생성한다. 이때, 다음 수학식을 이용한다.Next, for each sampled data, a second imaginary fringe pattern and a second real fringe pattern are generated by a (imaginary or real) fringe pattern generator. In this case, the following equation is used.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020021412826-pat00006
Figure 112020021412826-pat00006

다음으로, 제1 허수 프린지 패턴과 제1 실수 프린지 패턴으로 제1 위상 fphase을 산출하고, 제2 허수 프린지 패턴과 제2 실수 프린지 패턴으로 제2 위상 f~ phase을 산출한다.Next, the first phase f phase is calculated using the first imaginary fringe pattern and the first real fringe pattern, and the second phase f to phase is calculated using the second imaginary fringe pattern and the second real fringe pattern.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020021412826-pat00007
Figure 112020021412826-pat00007

다음으로, 제1 위상과 제2 위상을 무작위 값 ε으로 가중치를 달리하여 제3 위상 f^ phase을 산출하고, 위상 손실함수 Lphasei 를 산출한다. Next, a third phase f ^ phase is calculated by varying the weights of the first phase and the second phase with a random value ε, and a phase loss function L phasei is calculated.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020021412826-pat00008
Figure 112020021412826-pat00008

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112020021412826-pat00009
Figure 112020021412826-pat00009

여기서, λ는 패널티 계수로서, 손실함수의 크기를 조절하는 역할을 수행한다. λ는 사전에 정해진 값이다. 또한, D() 등은 판별기에 의한 값으로서, 실제 값과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타낸 것이다. 또한, ∥∥2 는 L2 노름(Norm) 연산으로서, 내부의 각 원소를 제곱하여 더하고 제곱근을 취한 연산이다. 즉, 노름(Norm) 연산은 벡터의 길이 혹은 크기를 측정하는 연산이다. ▽fD(fi)는 D(fi)를 f로 델 연산자(확률적 경사 상승 기법을 이용한 심층신경망의 미분으로의 델 연산자) ▽에 의해 미분한 값이다.Here, λ is a penalty coefficient and serves to adjust the size of the loss function. λ is a predetermined value. In addition, D( ) and the like are values obtained by the discriminator, and indicate how similar the values are to the actual values. Also, |||||| 2 is an L2 norm operation, and it is an operation which squares and adds each element inside, and takes the square root. That is, the normal operation is an operation that measures the length or size of a vector. ▽ f D(f i ) is the value obtained by differentiating D(f i ) with f by the Del operator (Del operator to differentiation of deep neural networks using stochastic gradient ascending technique) ▽.

다음으로, 제1 허수 프린지 패턴과 제2 허수 프린지 패턴을 무작위 값 ε으로 가중치를 달리하여 제3 허수 프린지 패턴을 산출하고, 허수 프린지 패턴의 손실함수 LImi 를 산출한다.Next, a third imaginary fringe pattern is calculated by varying the weights of the first imaginary fringe pattern and the second imaginary fringe pattern with a random value ε, and a loss function L Imi of the imaginary fringe pattern is calculated.

[수학식 8-1][Equation 8-1]

Figure 112020021412826-pat00010
Figure 112020021412826-pat00010

[수학식 8-2][Equation 8-2]

Figure 112020021412826-pat00011
Figure 112020021412826-pat00011

다음으로, 제1 실수 프린지 패턴과 제2 실수 프린지 패턴을 무작위 값 ε으로 가중치를 달리하여 제3 실수 프린지 패턴을 산출하고, 실수 프린지 패턴의 손실함수 LRei 를 산출한다.Next, a third real fringe pattern is calculated by varying the weights of the first real fringe pattern and the second real fringe pattern with a random value ε, and a loss function L Rei of the real fringe pattern is calculated.

[수학식 9-1][Equation 9-1]

Figure 112020021412826-pat00012
Figure 112020021412826-pat00012

[수학식 9-2][Equation 9-2]

Figure 112020021412826-pat00013
Figure 112020021412826-pat00013

다음으로, 각 미니배치의 모든 샘플링 데이터에 대하여 위와 같이 손실함수를 구하면, 다음 수학식과 같이, 위상 판별기, 허수 프린지 패턴 판별기, 및 실수 프린지 패턴 판별기의 파라미터들을 최적화시킴으로써 학습시킨다.Next, if the loss function is obtained as above for all sampling data of each mini-batch, it is learned by optimizing the parameters of the phase discriminator, the imaginary fringe pattern discriminator, and the real fringe pattern discriminator as shown in the following equation.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020021412826-pat00014
Figure 112020021412826-pat00014

θD 는 각 판별기의 파라미터들을 나타낸다. 판별기의 파라미터는 신경망의 파라미터들로서, 가중치, 바이어스 등을 나타낸다. 또한, Optimizer(x,parameters)는 x의 값이 최소화 되도록, 파라미터 parameters들을 변화시켜 최적화 시키는 함수를 나타낸다. 즉, 수학식 10은 각 샘플링 데이터의 손실함수 Li 의 평균값을 델 연산자(▽)에 의해 미분하고, 미분한 값을 최적화하는 파라미터들의 값을 구하여 최적화를 수행하는 것을 나타낸다.θ D represents the parameters of each discriminator. The parameters of the discriminator are parameters of the neural network, and represent weights, biases, and the like. Also, Optimizer(x,parameters) represents a function that optimizes by changing the parameter parameters so that the value of x is minimized. That is, Equation 10 indicates that the average value of the loss function L i of each sampling data is differentiated by the del operator (▽), and the optimization is performed by obtaining the values of parameters optimizing the differentiated value.

다시 말하면, 손실함수에서 손실이 가장 작은 지점은 손실함수의 기울기가 영인 지점이다. 다차원 함수인 손실함수의 기울기가 영인 지점을 찾기 위해서는 손실함수를 델 연산자를 취해서 기울기를 구한다. 확률적 경사 하강법은 신경망의 순전파를 통해서 구한 결과와 정답의 차이로 손실함수를 구성한 후에 손실함수의 기울기가 영이 되도록 신경망을 구성하고 있는 파라미터들을 조절하는 것이다. 그런데 수학식 10은 최적화 과정이다. 손실함수를 미분하여 기울기를 구한 후에 이 기울기를 이용하여 어떻게 손실함수의 기울기가 영이 되도록 신경망의 파라미터를 변화시킬 것인가 하는 문제가 남아 있다. 여기서 손실함수의 미분 값을 이용하여 신경망의 파라미터를 변화시키는 과정이 최적화(optimization)이며, 이를 수행하는 것을 최적화기(optimizer)이다.In other words, the point with the smallest loss in the loss function is the point where the slope of the loss function is zero. In order to find the point where the slope of the loss function, which is a multidimensional function, is zero, the slope of the loss function is obtained by taking the del operator. The stochastic gradient descent method is to construct a loss function with the difference between the result obtained through forward propagation of the neural network and the correct answer, and then adjust the parameters constituting the neural network so that the gradient of the loss function becomes zero. However, Equation 10 is an optimization process. After obtaining the slope by differentiating the loss function, the problem of how to change the parameters of the neural network so that the slope of the loss function becomes zero using this slope remains. Here, the process of changing the parameters of the neural network using the differential value of the loss function is optimization, and performing this is the optimizer.

다음으로, 앞서의 학습 과정(또는 훈련 과정)을 트레이닝 횟수 k만큼 반복한다. 즉, 앞서 과정은 샘플링 데이터를 이용하여, 각 판별기를 1회 학습을 수행한 것이다. 이와 같은 학습 과정을 k회 반복하여 각 판별기를 학습시킨다.Next, the previous learning process (or training process) is repeated as many times as the number of training k. That is, in the previous process, each discriminator was trained once using the sampling data. Each discriminator is learned by repeating this learning process k times.

다음으로, 프린지 패턴 생성기의 훈련을 위하여, 객체의 포인트 및, 잡음을 샘플링한다. 그리고 다음 식과 같이, 생성기(G)로 생성된 결과(또는 확률)를 판별기(D)로 판별하고, 그 판별 결과를 최대화 하여 생성기(G)의 파라미터들을 최적화 시킨다. 이때, 앞서 훈련된 판별기를 사용한다.Next, for training of the fringe pattern generator, the points of the object and the noise are sampled. And, as shown in the following equation, the result (or probability) generated by the generator G is determined by the discriminator D, and the parameters of the generator G are optimized by maximizing the discrimination result. In this case, the previously trained discriminator is used.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020021412826-pat00015
Figure 112020021412826-pat00015

여기서, θGIm은 허수 프린지 패턴 생성기를 나타내고, θGRe은 실수 프린지 패턴 생성기를 나타낸다.Here, θ GIm denotes an imaginary fringe pattern generator, and θ GRe denotes a real fringe pattern generator.

요약하면, k 번 판별기를 훈련시키고 난 후에 1번 생성기를 훈련시키는 방법을 사용한다. m개의 미니 배치 크기만큼 잡음, 실제 프린지 패턴 및 조건을 무작위로 추출하고, 이를 이용하여 모델을 순전파시킨다. 순전파 결과를 이용하여 손실함수를 계산하고 손실함수에 대해 미분을 구한 후에 역전파 연산을 거치면서 판별기의 파라미터를 갱신한다. 다음으로 다시 무작위로 추출된 잡음과 조건을 이용하여 모델을 순전파 시키고, 그 결과를 이용하여 역전파시키면서 생성기의 파라미터를 갱신한다. 여기서, 순전파는 신경망에 입력을 넣어서 출력을 만드는 과정으로서, 추론(inference) 혹은 테스트(test) 하는 것과 같다. 역전파는 순전파 결과와 정답의 차이인 손실함수를 미분하고, 미분결과를 최적화 알고리즘을 이용하여 신경망의 출력 부분부터 입력 부분으로 이동시키면서 신경망의 파라미터를 변화시키는 과정이다.In summary, we use the method of training generator 1 after training discriminator k. Randomly extract noise, actual fringe patterns and conditions as many as m mini-batch sizes, and use them to forward the model. After calculating the loss function using the forward propagation result and finding the derivative of the loss function, the parameters of the discriminator are updated through the backpropagation operation. Next, the model is forward propagated again using the randomly extracted noise and conditions, and the parameters of the generator are updated while backpropagating using the results. Here, forward propagation is the process of making an output by putting an input into the neural network, and it is the same as inference or testing. Backpropagation is a process of differentiating the loss function, which is the difference between the forward propagation result and the correct answer, and changing the parameters of the neural network while moving the differentiation result from the output part to the input part of the neural network using an optimization algorithm.

다음으로, 랜덤 페이즈 삽입기를 학습시키는 단계(S20)를 설명한다.Next, the step of learning the random phase inserter (S20) will be described.

도 8에서 보는 바와 같이, 앞서 프린지 패턴 생성 단계(S10)을 통해서 만들어진 프린지 패턴 생성기를 이용하여 나온 프린지 패턴에 랜덤 위상을 후처리 과정으로써 삽입한다. 디스플레이 시 시야각이 좁은 홀로그램의 문제를 개선시키기 위하여 랜덤 페이즈를 삽입하는데, 이것은 홀로그램의 생성 시 넣어주어야 하는 것이 지금까지의 방법이다. 하지만 딥러닝을 이용하여 후처리로 시야각의 확장을 겸비한 랜덤 페이즈가 추가된 프린지 패턴을 생성한다. 이 또한 프린지 패턴의 생성 시 사용하였던 적대적 생성형 모델을 사용한다.As shown in FIG. 8 , a random phase is inserted as a post-processing process into the fringe pattern generated using the fringe pattern generator created through the fringe pattern generation step S10 . In order to improve the problem of a hologram having a narrow viewing angle during display, a random phase is inserted, which is the method so far that it should be inserted when generating a hologram. However, using deep learning, post-processing creates a fringe pattern with a random phase added with an extension of the viewing angle. This also uses the adversarial generative model that was used to generate the fringe pattern.

이하에서, 프린지 패턴 생성기를 통하여 만들어진 프린지 패턴에 랜덤 페이즈를 후처리로 부여하는 과정을 구체적으로 설명한다. 이때, 사용하는 각각의 용어와 방법들에 대해 먼저 설명한다.Hereinafter, a process of applying a random phase to a fringe pattern created through a fringe pattern generator as a post-processing will be described in detail. In this case, each term and method used will be first described.

c1,...,cm :정수 혹은 실수 형태의 객체 포인트(object point)의 (x,y,z) 공간 좌표로써, 조건(condition) 정보이다.c 1 ,...,c m : (x,y,z) spatial coordinates of an object point in the form of an integer or real number, which is condition information.

f(1),...,f(m) : 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘을 이용하여 생성된 조건(condition)에 해당하는 랜덤 페이즈가 삽입된 실제 프린지 패턴(Real Fringe Pattern)이다.f (1) ,...,f (m) : A Real Fringe Pattern with a random phase corresponding to a condition generated using a computer-generated hologram algorithm.

Figure 112020021412826-pat00016
: 랜덤 페이즈 삽입기를 통해 만들어진 가짜 랜덤 페이즈 프린지 패턴이다.
Figure 112020021412826-pat00016
: This is a fake random phase fringe pattern created through a random phase inserter.

ffake (1),...,ffake (m) : 프린지 패턴 생성기를 통해 만들어진 가짜 프린지 패턴이다.f fake (1) ,...,f fake (m) : A fake fringe pattern created by the fringe pattern generator.

Grand(ffake) : 프린지 패턴 생성기로부터 생성된 가짜 프린지 패턴을 입력으로 사용하여 랜덤페이즈가 삽입된 랜덤페이즈 프린지 패턴을 생성한다. 이를 랜덤페이즈 삽입기(Fringe Pattern Transfer with Random Phase)라 한다.G rand (f fake ): Generates a random phase fringe pattern with a random phase inserted by using the fake fringe pattern generated from the fringe pattern generator as an input. This is called a Fringe Pattern Transfer with Random Phase.

Drand(ffake,f) : x가 ffake로부터 왔을 확률을 나타낸다. 즉, 생성된 랜덤 페이즈 프린지 패턴이 실제 랜덤 페이즈 프린지 패턴과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타낸다. 이를 랜덤 페이즈 프린지 패턴 판별기(Random Phase Discriminator)라 부른다.D rand (f fake ,f) : represents the probability that x came from f fake . That is, it probabilistically indicates how similar the generated random phase fringe pattern is to the actual random phase fringe pattern. This is called a random phase fringe pattern discriminator.

x : x에 대한 확률적 경사 상승 기법(stochastic gradient ascending)을 이용한 심층신경망의 미분으로 델 연산자이다. x : It is a Del operator for the differentiation of deep neural networks using stochastic gradient ascending with respect to x.

ε : 0과 1사이의 난수(random number)를 의미한다. ε: means a random number between 0 and 1.

θG : 심층신경망으로 구성된 랜덤 페이즈 삽입기의 파라미터이다. 이 파라미터에는 신경망의 가중치(weight), 편향(bias), 최적화기(optimizer) 파라미터가 포함된다. 최적화기의 파라미터는 최적화기의 종류에 따라 결정된다. 예를 들어 Adam을 사용할 경우에 α, β1, β2가 포함된다. θ G : The parameter of a random phase inserter composed of a deep neural network. These parameters include the weight, bias, and optimizer parameters of the neural network. The parameters of the optimizer are determined according to the type of optimizer. For example, when using Adam, α, β 1 , and β 2 are included.

θD : 심층신경망으로 구성된 랜덤 페이즈 판별기의 파라미터이다. 이 파라미터에는 신경망의 가중치(weight), 편향(bias), 최적화기(optimizer) 파라미터가 포함된다. 최적화기의 파라미터는 최적화기의 종류에 따라 결정된다. 예를 들어 Adam을 사용할 경우에 α, β1, β2가 포함된다.θ D : A parameter of a random phase discriminator composed of a deep neural network. These parameters include the weight, bias, and optimizer parameters of the neural network. The parameters of the optimizer are determined according to the type of optimizer. For example, when using Adam, α, β 1 , and β 2 are included.

L : 딥러닝에서 심층신경망의 학습에 사용되는 손실함수(loss function)이다. 현재 본 문서에서는 WGAN-GP(Wasserstein Generative Adversarial Network - Gradient Panelty)의 것과 L1 손실(loss)를 사용하는 것을 예시로 작성되었으나, 다른 손실함수를 사용하여도 무방하다.L: It is a loss function used for deep neural network training in deep learning. Currently, in this document, the use of L1 loss and that of WGAN-GP (Wasserstein Generative Adversarial Network - Gradient Panelty) is used as an example, but other loss functions may be used.

m : 미니 배치의 개수m: number of mini-batches

k : 트레이닝(훈련) 횟수k : number of training (training)

먼저, k번 판별기를 훈련시키고 난 후에 1번 생성기를 훈련시키는 방법을 사용한다. m개의 미니배치 크기만큼 실제 랜덤 페이즈가 삽입된 프린지 패턴과 프린지패턴 생성기로부터의 프린지 패턴을 추출하고, 이를 이용하여 모델을 순전파시킨다. 순전파 결과를 이용하여 손실함수를 계산하고 손실함수에 대해 미분을 구한 후에 역전파 연산을 거치면서 판별기의 파라미터를 갱신한다. 다음으로 다시 무작위로 추출된 잡음 영상과 조건을 이용하여 모델을 순전파 시키고, 그 결과를 이용하여 역전파 시키면서 생성기의 파라미터를 갱신한다. 이러한 랜덤 페이즈 삽입기는 실수(Real)과 허수(Imaginary) 프린지 패턴 생성기에 각각 하나씩 붙여도 혹은 두가지 생성기를 위한 삽입기 하나만을 이용해도 무방하다.First, after training the k discriminator, the method of training the generator 1 is used. Fringe patterns with actual random phases inserted as much as m mini-batch sizes and fringe patterns from the fringe pattern generator are extracted, and the model is propagated using them. After calculating the loss function using the forward propagation result and finding the derivative of the loss function, the parameters of the discriminator are updated through the backpropagation operation. Next, the model is forward propagated again using the randomly extracted noise image and conditions, and the parameters of the generator are updated while backpropagating using the results. One such random phase inserter may be attached to a real and imaginary fringe pattern generator, respectively, or only one inserter for the two generators may be used.

구체적으로, 먼저, 객체 포인트들로부터 조건 c1,c2...,cm을 샘플링하고, 조건(조건의 미니배치)이 적용된 CGH 알고리즘에 의한 실제 랜덤 페이즈 프린지 패턴(또는 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴) f1,f2...,fm을 샘플링한다. 즉, CGH 알고리즘에 의해 생성된 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 정답 데이터로 활용한다. 또한, 여기서에서 설명하는 학습 방식은 일례를 위한 하나의 학습 방식(예를 들어, GAN 학습 방식)을 적용한 것이고, 정답 데이터를 이용하는 신경망의 지도 학습 방식에 모두 적용할 수 있다.Specifically, first, the condition c 1 ,c 2 ...,c m is sampled from the object points, and the actual random phase fringe pattern (or the first random phase fringe) by the CGH algorithm to which the condition (mini-batch of conditions) is applied. pattern) f 1 ,f 2 ...,f m are sampled. That is, the first random phase fringe pattern generated by the CGH algorithm is used as correct answer data. In addition, the learning method described herein applies one learning method (eg, GAN learning method) for an example, and can be applied to all supervised learning methods of neural networks using correct answer data.

홀로그램의 생성 시 실수부의 홀로그램에 랜덤 위상을 삽입하는 수식은 다음과 같다.The equation for inserting a random phase into the hologram of the real part when generating the hologram is as follows.

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112020021412826-pat00017
Figure 112020021412826-pat00017

허수부 홀로그램에 랜덤위상을 삽입할 때에는 코사인(cosine)을 사인(sine) 함수로 바꾸면 된다. -π에서 π사이의 랜덤 값으로 이루어진다. 이 랜덤 값은 각각의 객체점에 대하여 모두 무작위로 샘플링된다.When inserting a random phase into the imaginary part hologram, you can change the cosine to a sine function. It consists of a random value between -π and π. These random values are all randomly sampled for each object point.

따라서 다음 식과 같이, 각 객체 포인트에 대하여 CGH 알고리즘에서 프린지 패턴을 생성하기 위한 식의 위상에 랜덤 페이즈를 더하여 랜덤페이즈 프린지 패턴을 생성한다.Therefore, as shown in the following equation, a random phase fringe pattern is generated by adding a random phase to the phase of the equation for generating a fringe pattern in the CGH algorithm for each object point.

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112020021412826-pat00018
Figure 112020021412826-pat00018

다음으로, 조건의 미니배치가 적용된 프린지 패턴 생성기에 의한 가짜 프린지 패턴(또는 제2 프린지 패턴) ffake (1),...,ffake (m)을 샘플링한다. Next, the fake fringe pattern (or the second fringe pattern) f fake (1) ,...,f fake (m) by the fringe pattern generator to which the mini-batch of conditions is applied is sampled.

그리고 각 샘플링 데이터 i에 대하여, 랜덤페이즈 삽입기를 이용하여 가짜 프린지 패턴(제2 프린지 패턴)으로부터 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴(또는 가짜 랜덤 페이즈 프린지 패턴) f~ i을 생성한다. 이때, 다음 수학식을 이용한다.Then, for each sampling data i, a second random phase fringe pattern (or false random phase fringe pattern) f ~ i is generated from the false fringe pattern (second fringe pattern) using a random phase inserter. In this case, the following equation is used.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020021412826-pat00019
Figure 112020021412826-pat00019

다음으로, 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴 fi과 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 무작위 값 ε으로 가중치를 달리하여 제3 랜덤 페이즈 프린지 패턴 f^ i을 산출하고, 위상 손실함수 Li 를 산출한다. Next, a third random phase fringe pattern f ^ i is calculated by varying the weights of the first random phase fringe pattern f i and the second random phase fringe pattern with a random value ε, and a phase loss function L i is calculated.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112020021412826-pat00020
Figure 112020021412826-pat00020

여기서, fi, f~ i, f^ i는 각각 제1, 2, 3 랜덤 페이즈 프린지 패턴이고, ε는 사전에 설정된 가중치이고, Li는 손실함수이다. 또한, Drand()는 랜덤페이즈 판별기이고, λ는 패널티 계수이고, ▽f^Drand(f^ i)는 Drand(f^ i)를 f^로 델 연산자(확률적 경사 상승 기법을 이용한 심층신경망의 미분으로의 델 연산자) ▽에 의해 미분한 값이다.Here, f i , f ~ i , and f ^ i are first, second, and third random phase fringe patterns, respectively, ε is a preset weight, and Li is a loss function. In addition, D rand () is a random phase discriminator, λ is a penalty coefficient, and ▽ f^ D rand (f ^ i ) converts D rand (f ^ i ) to f ^ with the del operator (stochastic gradient ascending technique). It is the value differentiated by the del operator) ▽ to the differentiation of the deep neural network used.

다음으로, 각 미니배치의 모든 샘플링 데이터에 대하여 위와 같이 손실함수를 구하면, 다음 수학식과 같이, 랜덤 페이즈 판별기의 파라미터들을 최적화시킴으로써 학습시킨다.Next, if the loss function is obtained for all the sampling data of each mini-batch as above, the parameters of the random phase discriminator are optimized as shown in the following equation to learn.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112020021412826-pat00021
Figure 112020021412826-pat00021

여기서 Li는 손실함수이고, ▽θD는 θD에 의한 확률적 경사 상승 기법을 이용한 심층신경망의 미분으로의 델 연산자를 나타내고, Optimizer(x,parameter)는 x의 값이 최소화 되도록, 파라미터 parameter들을 변화시켜 최적화 시키는 함수를 나타낸다.Here, L i is the loss function, ▽ θD represents the del operator to the differentiation of the deep neural network using the stochastic gradient ascending technique by θ D , and the Optimizer(x,parameter) sets the parameter parameters so that the value of x is minimized. Represents a function that changes and optimizes.

다음으로, 랜덤 페이즈 삽입기의 훈련을 위하여, 프린지 패턴 생성기에 의한 가짜 프린지 패턴 ffake (1),...,ffake (m)을 샘플링한다.Next, for training the random phase inserter, the fake fringe patterns f fake (1) ,...,f fake (m) by the fringe pattern generator are sampled.

다음으로, 랜덤 페이즈 삽입기로부터 만들어낸 가짜 이미지 Grand(f(i) fake)와 그에 대응되는 진짜 랜덤 페이즈 삽입 이미지인 fi 사이의 L1 손실(Loss)를 나타내는 손실함수를 구한다. L1 손실(Loss) ∥∥1은 이미지의 각 픽셀 당 1차원 유클리디언 거리이다.Next, a loss function representing the L1 loss between the fake image G rand (f (i) fake ) created from the random phase inserter and the corresponding real random phase insert image f i is obtained. L1 Loss ≫ 1 is the one-dimensional Euclidean distance for each pixel of the image.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112020021412826-pat00022
Figure 112020021412826-pat00022

그리고 다음 식과 같이, 삽입기(G)로 생성된 결과(또는 확률)를 판별기(D)로 판별하고, 그 판별 결과를 최대화 하여 삽입기(G)의 파라미터들 θG을 최적화 시킨다. 이때, 앞서 훈련된 판별기를 사용한다.And, as shown in the following equation, the result (or probability) generated by the inserter G is determined by the discriminator D, and parameters θ G of the inserter G are optimized by maximizing the discrimination result. In this case, the previously trained discriminator is used.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112020021412826-pat00023
Figure 112020021412826-pat00023

여기서, ▽θG 는 θG 에 의한 델연산자를 나타내고, Grand(f(i) fake)는 프린지 패턴 생성기로부터의 결과인 네트워크로부터의 프린지 패턴이 주어졌을 때 랜덤페이즈를 삽입하여 출력하는 랜덤페이즈 삽입기의 값을 나타낸다.Here, ▽θ G represents the del operator by θ G , and G rand (f (i) fake ) is a random phase that inserts and outputs a random phase when a fringe pattern from the network, which is the result from the fringe pattern generator, is given. Indicates the value of the inserter.

다음으로, 디지털 홀로그램을 생성하는 단계(S30)를 설명한다.Next, the step of generating a digital hologram (S30) will be described.

프린지 패턴 생성 훈련 단계(S10) 및, 랜덤 페이즈 프린지 패턴 생성 훈련 단계(S20)를 통해서 만들어진 랜덤페이즈를 포함한 프린지 패턴 생성기를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 절차를 도 9에 나타내고 있다.9 shows a procedure for generating a digital hologram using a fringe pattern generator including a random phase created through the fringe pattern generation training step S10 and the random phase fringe pattern generation training step S20.

앞서 설명한 과정에서는 랜덤 페이즈를 포함한 실수 프린지 패턴과 허수 프린지 패턴을 생성한다. 이후에 생성된 프린지 패턴은 밝기 값과 곱해지고, 이전에 생성된 프린지 패턴과 누적덧셈을 수행한다. 모든 객체 포인트에 대한 프린지 패턴이 누적하여 덧셈이 되면 최종적인 홀로그램이 만들어진다.In the process described above, a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern including a random phase are generated. The subsequently generated fringe pattern is multiplied by the brightness value, and cumulative addition is performed with the previously generated fringe pattern. When fringe patterns for all object points are accumulated and added, a final hologram is created.

이하에서, 프린지 패턴 생성 모델을 이용하여 홀로그램을 생성시키는 구체적인 절차를 설명한다. 이때 사용되는 각각의 용어와 방법들에 대해 설명한다.Hereinafter, a detailed procedure for generating a hologram using the fringe pattern generation model will be described. Each term and method used at this time will be described.

H : 한 장의 디지털 홀로그램H: One digital hologram

Ai : 객체 포인트의 밝기 값A i : Brightness value of object point

즉, 객체 포인트 정보에서 심층신경망의 조건으로 사용할 좌표 정보와 밝기 정보를 호출한다. 좌표정보를 이용하여 프린지패턴 생성기(Gfringe) 및 랜덤페이즈 삽입기(Grand)를 통해 한 장의 프린지 패턴 f~ i을 생성한다. 이때, 다음 수학식을 이용한다.That is, coordinate information and brightness information to be used as conditions for deep neural networks are called from object point information. Using the coordinate information, a fringe pattern f ~ i is generated through a fringe pattern generator (G fringe ) and a random phase inserter ( Grand ). In this case, the following equation is used.

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112020021412826-pat00024
Figure 112020021412826-pat00024

또한, 생성된 프린지 패턴들에 밝기 가중치를 부여한 이후에 누적하여 홀로그램을 생성한다.In addition, a hologram is generated by accumulating after giving brightness weights to the generated fringe patterns.

이때, 다음 수학식을 이용한다.In this case, the following equation is used.

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112020021412826-pat00025
Figure 112020021412826-pat00025

다음으로, 본 발명의 효과를 실험을 통해 설명한다.Next, the effects of the present invention will be described through experiments.

도 10에는 프린지 패턴 생성기를 이용하여 생성한 복소 프린지 패턴을 나타냈다. 각각 64개의 조건에 대해 도 10(a)의 실수와 도 10(b)의 허수부 프린지 패턴을 나타냈다.10 shows a complex fringe pattern generated using a fringe pattern generator. The real number in Fig. 10(a) and the imaginary part fringe pattern in Fig. 10(b) are shown for 64 conditions, respectively.

프린지 패턴 생성기를 통해서 생성된 프린지 패턴들을 누적 덧셈하여 생성된 홀로그램을 도 10에 나타냈다. 도 11(a)가 실수부이고, 도 11(b)가 허수부이다. A hologram generated by cumulatively adding fringe patterns generated through a fringe pattern generator is shown in FIG. 10 . Fig. 11(a) is a real part, and Fig. 11(b) is an imaginary part.

생성한 홀로그램을 복원한 결과를 도 12에 나타냈다. 도 12(a)는 객체의 포인트 클라우드 정보를 8비트 크기의 영상 파일로 만든 것이다. 도 12(b)는 도 11의 홀로그램을 수치적으로 복원한 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 CGH의 결과와 1~5dB 정도 차이가 날 정도로 매우 유사한 디지털 홀로그램을 생성하는 것을 확인하였다.The result of restoring the generated hologram is shown in FIG. 12 . 12( a ) shows the point cloud information of an object made into an 8-bit image file. FIG. 12( b ) is a result of numerically restoring the hologram of FIG. 11 . As can be seen from the results, it was confirmed that a digital hologram very similar to that of CGH was generated with a difference of 1 to 5 dB.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.In the above, the invention made by the present inventors has been described in detail according to the above embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

10 : 3차원 데이터 20 : 컴퓨터 단말
30 : 프로그램 시스템
10: three-dimensional data 20: computer terminal
30: program system

Claims (12)

인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법에 있어서,
(a) 객체 포인트를 입력받아 프린지 패턴을 출력하는 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하되, CGH(computer generated hologram) 알고리즘으로 생성된 객체 포인트에 대한 프린지 패턴(이하 제1 프린지 패턴)을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계;
(b) 프린지 패턴을 입력받아 랜덤 페이즈가 삽입된 프린지 패턴(이하 랜덤 페이즈 프린지 패턴)을 출력하는 랜덤페이즈 삽입기를 최적화 하되, CGH 알고리즘으로 생성된 랜덤 페이즈 프린지 패턴(이하 제1 랜덤페이즈 프린지 패턴)을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계; 및,
(c) 상기 최적화된 프린지 패턴 생성기와 상기 랜덤페이즈 삽입기를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 프린지 패턴 생성기는 심층신경망으로 구성되고, 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터는 상기 프린지 패턴 생성기의 심층신경망의 파라미터이고,
상기 (a)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, 해당 각 포인트를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 생성된 제2 프린지 패턴과, 해당 각 포인트를 CGH 알고리즘에 적용하여 생성된 정답 데이터인 제1 프린지 패턴 간의 유사 정도를 구하고, 해당 유사 정도가 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하고,
상기 랜덤페이즈 삽입기는 심층신경망으로 구성되고, 상기 랜덤페이즈 삽입기의 파라미터는 상기 랜덤페이즈 삽입기의 심층신경망의 파라미터이고,
상기 (b)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, 해당 각 포인트로 상기 프린지 패턴 생성기에 의해 생성된 제2 프린지 패턴을 상기 랜덤페이즈 삽입기에 적용하여 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴과, 해당 각 포인트로 CGH 알고리즘에 의해 랜덤 위상이 삽입되어 생성된 정답데이터인 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴 간의 유사 정도를 구하고, 해당 유사 정도가 최대화 되도록 상기 랜덤페이즈 삽입기의 심층신경망의 파라미터를 설정함으로써, 상기 랜덤페이즈 삽입기를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
In the method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology,
(a) Optimize the parameters of the fringe pattern generator that receives the object points and outputs the fringe pattern, but determines the fringe pattern (hereinafter the first fringe pattern) for the object point generated by the CGH (computer generated hologram) algorithm as the correct answer data optimizing;
(b) optimizing a random phase inserter that receives a fringe pattern and outputs a fringe pattern (hereinafter referred to as a random phase fringe pattern) in which a random phase is inserted, but a random phase fringe pattern generated by the CGH algorithm (hereinafter, the first random phase fringe pattern) optimizing by setting as the correct answer data; and;
(c) generating a digital hologram using the optimized fringe pattern generator and the random phase inserter,
The fringe pattern generator is composed of a deep neural network, and the parameters of the fringe pattern generator are parameters of the deep neural network of the fringe pattern generator,
In step (a), for the sampled points, a second fringe pattern generated by applying each point to the fringe pattern generator, and a first fringe that is correct answer data generated by applying each point to the CGH algorithm optimizing the parameters by obtaining the degree of similarity between the patterns and setting the parameters of the fringe pattern generator so that the degree of similarity is maximized,
The random phase inserter consists of a deep neural network, and the parameters of the random phase inserter are parameters of the deep neural network of the random phase inserter,
In step (b), with respect to the sampled points, the second random phase fringe pattern is generated by applying the second fringe pattern generated by the fringe pattern generator to the respective points to the random phase inserter, and the generated The degree of similarity between the second random phase fringe pattern and the first random phase fringe pattern, which is correct data generated by inserting a random phase by the CGH algorithm at each point, is obtained, and the degree of similarity is maximized. A method of generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that by setting the parameters of the deep neural network, the random phase inserter is optimized.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 제1 및 제2 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 프린지 패턴 판별기와, 제1 및 제2 프린지 패턴의 제1 및 제2 위상의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 위상 판별기를 구성하고, 상기 프린지 패턴 판별기 및 위상 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 프린지 패턴 판별기 및 위상 판별기의 출력값인 유사 정도가 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하고,
상기 프린지 패턴 판별기는 심층신경망으로 구성되고, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터는 상기 프린지 패턴 판별기의 심층신경망의 파라미터이고,
상기 (a)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, 해당 각 포인트의 제1 및 제2 프린지 패턴 간의 손실 함수를 구하고, 해당 손실 함수가 최소화 되도록, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하고,
상기 위상 판별기는 심층신경망으로 구성되고, 상기 위상 판별기의 파라미터는 상기 위상 판별기의 심층신경망의 파라미터이고,
상기 (a)단계에서, 샘플링된 포인트들에 대하여, 해당 각 포인트의 제1 및 제2 위상 간의 손실 함수를 구하고, 해당 손실 함수가 최소화 되도록, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
In step (a), a fringe pattern discriminator representing the degree of similarity between the first and second fringe patterns as a probability value, and a phase discriminator representing the degree of similarity between the first and second phases of the first and second fringe patterns as a probability value. configure, optimize the parameters of the fringe pattern discriminator and the phase discriminator, and optimize the parameters of the fringe pattern generator so that the degree of similarity that is the output value of the optimized fringe pattern discriminator and the phase discriminator is maximized,
The fringe pattern discriminator consists of a deep neural network, and the parameters of the fringe pattern discriminator are parameters of the deep neural network of the fringe pattern discriminator,
In step (a), for the sampled points, a loss function between the first and second fringe patterns of each point is obtained, and the parameters of the fringe pattern discriminator are set so that the loss function is minimized. to optimize,
The phase discriminator is composed of a deep neural network, and the parameters of the phase discriminator are parameters of the deep neural network of the phase discriminator,
In the step (a), for the sampled points, the loss function between the first and second phases of each point is obtained, and the parameters of the fringe pattern discriminator are set so that the loss function is minimized. A method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that optimization.
제1항에 있어서,
상기 프린지 패턴 생성기는 실수부 생성기와 허수부 생성기로 구성되고, 각각의 생성기는 실수 프린지 패턴과 허수 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
The fringe pattern generator is composed of a real part generator and an imaginary part generator, and each generator generates a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern. A method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 각 객체 포인트에 대하여, -π에서 π사이의 랜덤 값을 생성하고, CGH 알고리즘에서 코사인 또는 사인 함수의 위상에 생성된 랜덤 값을 추가하여 제1 랜덤 페이즈 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
In step (b), for each object point, a random value between -π and π is generated, and a first random phase fringe pattern is generated by adding the generated random value to the phase of the cosine or sine function in the CGH algorithm. A method of generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 제1 및 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 랜덤페이즈 판별기를 구성하고, 상기 랜덤페이즈 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 랜덤페이즈 판별기의 출력값인 유사 정도가 최대화 되도록 상기 랜덤페이즈 삽입기의 파라미터를 최적화 하고,
상기 랜덤페이즈 판별기는 심층신경망으로 구성되고, 상기 랜덤페이즈 판별기의 파라미터는 상기 랜덤페이즈 판별기의 심층신경망의 파라미터이고,
상기 (b)단계에서, 샘플링된 포인트에 대하여, 해당 각 포인트의 제1 및 제2 랜덤 페이즈 프린지 패턴 간의 손실 함수를 구하고, 해당 손실 함수가 최소화 되도록, 상기 랜덤페이즈 판별기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
In step (b), a random phase discriminator representing the degree of similarity between the first and second random phase fringe patterns as a probability value is constructed, the parameters of the random phase discriminator are optimized, and the output value of the optimized random phase discriminator is Optimize the parameters of the random phase inserter so that the degree of similarity is maximized,
The random phase discriminator consists of a deep neural network, and the parameters of the random phase discriminator are parameters of the deep neural network of the random phase discriminator,
In step (b), with respect to the sampled points, by obtaining a loss function between the first and second random phase fringe patterns of each point, and setting the parameters of the random phase discriminator so that the loss function is minimized, A method for generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that the parameter is optimized.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (c)단계에서, 주어진 3차원 객체의 포인트들에 대하여, 각 포인트를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 프린지 패턴을 상기 랜덤페이즈 삽입기에 적용하여 랜덤페이즈 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 랜덤페이즈 프린지 패턴에 해당 각 포인트의 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 포인트의 랜덤페이즈 프린지 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
In step (c), for the points of a given three-dimensional object, each point is applied to the fringe pattern generator to generate a fringe pattern, and the generated fringe pattern is applied to the random phase inserter to generate a random phase fringe pattern. Artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that the generated random phase fringe pattern is multiplied by the brightness value of each point, and the random phase fringe pattern of all points multiplied by the brightness value is accumulated to generate a digital hologram. A method of generating a hologram having a random phase using
제1항, 제3항, 제4항, 제8항, 제9항, 제11항 중 어느 한 항의 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 랜덤위상을 갖는 홀로그램 생성방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.Claims 1, 3, 4, 8, 9, 11 as a computer recording a program for performing the method of generating a hologram having a random phase using artificial intelligence and deep learning technology of any one of claims 1, 3, 4, 8, 9, 11 readable recording medium.
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