KR102277101B1 - A ultra-high-resolution hologram generation method based on artificial intelligence and deep learning to learn fringe patterns by area - Google Patents

A ultra-high-resolution hologram generation method based on artificial intelligence and deep learning to learn fringe patterns by area Download PDF

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KR102277101B1
KR102277101B1 KR1020200025149A KR20200025149A KR102277101B1 KR 102277101 B1 KR102277101 B1 KR 102277101B1 KR 1020200025149 A KR1020200025149 A KR 1020200025149A KR 20200025149 A KR20200025149 A KR 20200025149A KR 102277101 B1 KR102277101 B1 KR 102277101B1
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서영호
김동욱
강지원
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an ultra-high-resolution hologram generation method based on artificial intelligence (AI) and deep learning to learn fringe patterns by area, wherein a deep neural network is divided into areas of hologram and learned and fringe patterns obtained by area are suitably assembled together and accumulated to generate a hologram. The method of the present invention comprises the following steps of: (a) generating a first fringe pattern by a computer generated hologram (CGH) algorithm for points of a three-dimensional object and a second fringe pattern by a fringe pattern generator and optimizing parameters with a possibility value of similarity of the first and second fringe patterns to train the fringe pattern generator, wherein conditions for training are set to a position of an object point and corresponding hologram areas; and (b) generating third fringe patterns by area through the trained fringe pattern generator, multiplying the third fringe pattern generated for each area by a value of brightness, accumulating a value resulting from the multiplication, and assembling the third fringe pattern by area to generate a digital hologram. According to the present invention, a deep neural network is divided into areas of a hologram and learned and fringe patterns obtained by area are suitably assembled together and accumulated, thereby enabling an ultra-high-resolution hologram in a big size to be readily processed by dividedly generating fringe patterns.

Description

프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법 { A ultra-high-resolution hologram generation method based on artificial intelligence and deep learning to learn fringe patterns by area }{ A ultra-high-resolution hologram generation method based on artificial intelligence and deep learning to learn fringe patterns by area }

본 발명은 크기에 제한 받지 않는 디지털 홀로그램을 생성하기 위하여, 딥러닝 기술에 기반을 두고 생성형 네트워크를 이용하는 심층신경망을 이용하되, 객체 포인트와 이에 대응하는 고해상도 홀로그램의 영역 좌표(또는 분할 영역) 두 가지를 통해 심층신경망을 학습시키는, 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 관한 것이다.The present invention uses a deep neural network that uses a generative network based on deep learning technology to generate a digital hologram that is not limited in size, but includes an object point and a region coordinate (or segmented region) of a high-resolution hologram corresponding thereto. It relates to a method for generating a super-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning that learns a fringe pattern by area, which trains a deep neural network through branches.

또한, 본 발명은 심층신경망을 통하여 얻은 고해상도 프린지 패턴의 일부 영역(또는 분할 영역)들을 각각의 영역 좌표에 알맞게 이어 붙여서 하나의 객체 포인트에 대한 고해상도 프린지 패턴을 얻고, 각 객체 포인트별로 만들어진 고해상도 프린지 패턴을 얻어 누적하여 한 장의 고해상도 홀로그램이 생성하는, 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 관한 것이다.In addition, the present invention obtains a high-resolution fringe pattern for one object point by connecting some regions (or divided regions) of a high-resolution fringe pattern obtained through a deep neural network to each region coordinates appropriately, and a high-resolution fringe pattern made for each object point It relates to an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method that learns fringe patterns for each area by accumulating and accumulating a single high-resolution hologram.

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, 크기에 제한 받지 않는 디지털 홀로그램을 생성하기 위하여, 딥러닝 기술에 기반을 두고 생성형 네트워크를 이용하는 심층신경망을 이용하되, 객체 포인트와 이에 대응하는 고해상도 홀로그램의 분할 영역 두 가지를 통해 심층신경망을 학습시키는, 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to generate a digital hologram that is not limited in size, a deep neural network based on deep learning technology and using a generative network is used, but the object point and the It is to provide a method for generating a super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning that learns fringe patterns for each region, which trains a deep neural network through two division regions of the corresponding high-resolution hologram.

또한, 본 발명의 목적은 심층신경망을 통하여 얻은 고해상도 프린지 패턴의 일부 영역들을 각각의 영역 좌표에 알맞게 이어 붙여서 하나의 객체 포인트에 대한 고해상도 프린지 패턴을 얻고, 각 객체 포인트별로 만들어진 고해상도 프린지 패턴을 얻어 누적하여 한 장의 고해상도 홀로그램이 생성하는, 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to obtain a high-resolution fringe pattern for one object point by connecting some regions of a high-resolution fringe pattern obtained through a deep neural network to each region coordinate appropriately, and to obtain a high-resolution fringe pattern made for each object point and accumulate Accordingly, it is to provide a method for generating a high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning that learns the fringe pattern generated by a single high-resolution hologram by area.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 관한 것으로서, (a) 객체 포인트와 영역 정보를 입력받아 영역별 프린지 패턴을 출력하는 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하되, CGH(computer generated hologram) 알고리즘으로 생성된 객체 포인트에 대한 영역별 프린지 패턴을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계; 및, (b) 상기 최적화된 프린지 패턴 생성기를 이용하여 모든 영역에 해당하는 영역별 프린지 패턴을 생성하고, 모든 영역의 영역별 프린지 패턴을 연결하여 고해상도 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 고해상도 프린지 패턴으로부터 고해상도 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each area, (a) a fringe that receives object points and area information and outputs a fringe pattern for each area optimizing the parameters of the pattern generator, but optimizing by determining the fringe pattern for each area for the object point generated by the computer generated hologram (CGH) algorithm as correct answer data; and, (b) generating a fringe pattern for each region corresponding to all regions using the optimized fringe pattern generator, connecting the fringe patterns for each region of all regions to generate a high-resolution fringe pattern, and from the generated high-resolution fringe pattern and generating a high-resolution hologram.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 샘플링된 포인트들과 영역 정보들에 대하여, CGH 알고리즘으로 각 포인트에 대한 제1 영역별 프린지 패턴을 생성하고, 해당 각 포인트와 각 영역 정보를 상기 프린지패턴 생성기에 적용하여 제2 영역별 프린지 패턴을 생성하여, 생성된 제1 및 제2 영역별 프린지 패턴의 유사 정도가 최대화 되도록 파라미터들을 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each area, in the step (a), for the sampled points and area information, the CGH algorithm is applied to each point. The degree of similarity of the generated fringe patterns for each first and second areas by generating a fringe pattern for each first area for each region, and applying each point and each area information to the fringe pattern generator to generate a fringe pattern for each second area. It is characterized in that the parameters are optimized so that n is maximized.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 영역 정보는 전체 홀로그램의 크기를 동일한 크기의 격자 형태로 나누었을 때의 각 영역을 나타내는 정보인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each region, wherein the region information is information indicating each region when the size of the entire hologram is divided into a grid of the same size. characterized by being.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 영역 정보는 영역 좌표로 표시되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning that learns a fringe pattern for each region, characterized in that the region information is displayed as region coordinates.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 제1 및 제2 영역별 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 프린지 패턴 판별기를 구성하고, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 프린지 패턴 판별기의 출력값이 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention relates to an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each area. In the step (a), a fringe indicating the degree of similarity of the fringe pattern for each first and second area as a probability value. It is characterized in that the pattern discriminator is configured, the parameters of the fringe pattern discriminator are optimized, and the parameters of the fringe pattern generator are optimized so that the output value of the optimized fringe pattern discriminator is maximized.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 생성기는 실수부 생성기와 허수부 생성기로 구성되고, 각각의 생성기는 영역별 실수 프린지 패턴과 영역별 허수 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each region, wherein the fringe pattern generator is composed of a real part generator and an imaginary part generator, and each generator is a real fringe for each region. It is characterized by generating an imaginary fringe pattern for each pattern and region.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 생성기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a super-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning for learning a fringe pattern for each area, the fringe pattern generator is characterized in that it is composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 판별기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for generating a super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning for learning a fringe pattern by region, the fringe pattern discriminator is characterized in that it is composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 주어진 3차원 객체의 포인트들 각각에 대하여, 각 포인트와 해당 포인트별 모든 영역 정보를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 각 포인트의 모든 영역 정보에 해당하는 영역별 프린지 패턴을 모두 생성하고, 생성된 모든 영역의 영역별 프린지 패턴을 연결하여 고해상도 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 고해상도 프린즈 패턴에 해당 각 포인트의 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 포인트의 랜덤페이즈 프린즈 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning a fringe pattern for each area, in the step (b), for each of the points of a given three-dimensional object, each point and each point By applying all area information to the fringe pattern generator, all area-specific fringe patterns corresponding to all area information of each point are generated, and high-resolution fringe patterns are generated by connecting the area-specific fringe patterns of all generated areas, and the generated A digital hologram is generated by multiplying the high-resolution fringe pattern by the brightness value of each point, and accumulating the random phase Prince pattern of all points multiplied by the brightness value.

또한, 본 발명은 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a computer-readable recording medium recording a program for performing an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generating method for learning a fringe pattern for each area.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 의하면, 객체점과 홀로그램의 영역으로 구분하여 심층신경망을 학습시키고 하나의 객체점에 대한 영역별로 획득된 프린지 패턴을 알맞게 이어 붙이고 누적 생성함으로써, 크기가 큰 초고해상도의 홀로그램이더라도 프린지 패턴을 분할 생성하여 용이하게 처리할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning the fringe pattern for each area according to the present invention, the deep neural network is trained by dividing the object point and the hologram area into a single object point. By properly connecting and accumulating the fringe patterns obtained for each area, it is possible to easily process the fringe patterns by dividing and generating the fringe patterns, even for a hologram with a large size.

또한, 본 발명에 따른 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 의하면, 신경망을 이용하여 프린지 패턴을 생성함으로써, 메모리 용량을 절약하면서 동시에 매우 빠른 속도로 연산을 수행할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method for learning the fringe pattern for each area according to the present invention, by generating the fringe pattern using a neural network, the memory capacity is saved and the calculation is performed at a very high speed. possible effects are obtained.

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.That is, compared to the lookup table method according to the related art, the memory capacity used can be very small. 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.

또한, 본 발명에 따른 방법은 종래기술에 비하여 연산 속도가 매우 빠르다. 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.In addition, the method according to the present invention has a very high operation speed compared to the prior art. 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.

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 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 회절패턴(단일 객체 점에 대한 초고해상도 회절 패턴의 일부)을 생성하기 위한 심층 신경망(딥러닝 모델)을 학습시키는 과정을 나타낸 도면.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 프린지 패턴의 영역을 나타낸 도면.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 프린지 패턴 생성 심층 신경망을 이용한 초고해상도 홀로그램 생성 단계를 설명하는 흐름도.
도 10는 본 발명의 일실시예에 따른 홀로그램 생성 과정을 설명한 도면.
도 11은 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 프린지 패턴 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도.
도 12는 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 홀로그램의 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도.
도 13는 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 super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning for learning a fringe pattern for each area according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a process of training a deep neural network (deep learning model) to generate a diffraction pattern (a part of an ultra-high-resolution diffraction pattern for a single object point) according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a region of a fringe pattern according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a step of generating an ultra-high-resolution hologram using a deep neural network for generating a fringe pattern according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining a hologram generation process according to an embodiment of the present invention.
11 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.
12 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.
13 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 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 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 artificial intelligence and deep learning-based super-high-resolution hologram generation method for learning the fringe pattern for each area according to the present invention is a program on the computer terminal 20 that receives three-dimensional data 10 and generates a hologram. can be implemented in the system. 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, 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 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 홀로그램 생성 장치(30)라 부르기로 한다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다.On the other hand, as another embodiment, artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method that learns fringe patterns for each area is composed of a program and operated on a general-purpose computer, and is composed of one electronic circuit such as an ASIC can be carried out. 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 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 112020021412972-pat00001
Figure 112020021412972-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 112020021412972-pat00002
Figure 112020021412972-pat00002

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020021412972-pat00003
Figure 112020021412972-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 프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 도 6 내지 도 10를 참조하여 설명한다.Next, a method for generating a super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning for learning a fringe pattern for each region according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 10 .

도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 홀로그램의 생성 방법은 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 단계(S10), 및, 학습된 프린지 패턴 생성기를 이용하여 객체 데이터에서 디지털 홀로그램을 생성하는 단계(S20)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), and generating a digital hologram from object data using the learned fringe pattern generator (S20) is composed of 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 포인트와 고해상도 프린지 패턴의 영역 정보(또는 영역 좌표)가 입력되면, CGH(computer generated hologram) 알고리즘을 이용하여 진짜 프린지(Real Fringe) 패턴을 생성한다. 이때, 프린지 패턴 중에서 주어진 영역 정보(또는 영역 좌표)에 해당하는 프린지 패턴(이하 제1 영역별 프린지 패턴)을 추출하여 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 region information (or region coordinates) of an object point and a high-resolution fringe pattern is input, a real fringe pattern is generated using a computer generated hologram (CGH) algorithm. In this case, a fringe pattern (hereinafter referred to as a fringe pattern for each first area) corresponding to the given area information (or area coordinates) from among the fringe patterns is extracted and generated. 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, 객체 포인트와 영역 좌표에 대하여, 심층신경망 기반의 프린지 패턴 생성기(Fringe Pattern Generator)를 이용하여 가짜 프린지(Fake Fringe) 패턴(이하 제2 영역별 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, for object points and region coordinates, a fake fringe pattern (hereinafter referred to as a fringe pattern for each second region) 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.

이 확률적인 계산 결과를 바탕으로 프린지 패턴 생성기가 더욱 진짜와 유사한 가짜를 만들 수 있도록 프린지 패턴 생성기의 내부 파라미터들을 갱신시킨다. 이와 같은 과정을 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 process 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, 프린지 패턴 생성 훈련 모델을 이용하여 훈련시키는 구체적인 절차를 구체적으로 설명한다. 이때 사용하는 각각의 용어와 방법들에 대해 설명한다.Hereinafter, a specific procedure for training using the fringe pattern generation training model will be described in detail. Each term and method used at this time will be described.

c1,...,cm : 정수 혹은 실수 형태의 객체 포인트(object point)의 (x,y,z,hU,hV) 공간 좌표와 홀로그램 영역 좌표로써, 조건(condition) 정보이다. 즉, x,y,z는 객체의 공간 좌표를 나타내고, hU,hV는 홀로그램 영역 좌표이다. 바람직하게, 홀로그램을 동일한 크기의 격자 형태로 나누었을 때의 각 영역을 나타내는 좌표이다.c 1 ,...,c m : (x,y,z,h U ,h V ) spatial coordinates and hologram area coordinates of an object point in integer or real form, which are condition information. That is, x, y, z represent the spatial coordinates of the object, and h U , h V are the hologram area coordinates. Preferably, it is a coordinate indicating each region when the hologram is divided into a grid of the same size.

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 (fh×fw) 크기의 실제 실수 프린지 패턴(Real Real Fringe Pattern)이다.f re (1) ,...,f re (m) : A Real Real Fringe Pattern of (f h × f w ) size generated using a computer-generated hologram algorithm.

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

G(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(z i | c i ): Given the coordinate condition c i of the object point, generate a fringe pattern using the 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.

D(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(x) : represents the probability that x came 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

Figure 112020021412972-pat00004
: 프린지 패턴 생성기 GIm(zi|ci)를 통해 만들어진 허수부 프린지 패턴이다.
Figure 112020021412972-pat00004
: An imaginary fringe pattern created by the fringe pattern generator G Im (z i |c i ).

Figure 112020021412972-pat00005
: 프린지 패턴 생성기 GRe(zi|ci)를 통해 만들어진 실수부 프린지 패턴이다.
Figure 112020021412972-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 프린지 패턴 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 the fringe pattern 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, 및, 프린지 패턴 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, and a fringe pattern discriminator are trained (or learn)

즉, 사전에 정해진 잡음 pg(z)로부터 잡음 z1,z2...,zm을 샘플링하고, CGH 알고리즘에 의한 제1 영역별 실수 프린지 패턴 f1 Re,f2 Re,...,fm Re과 제1 영역별 허수 프린지 패턴 f1 Im,f2 Im,...,fm Im을 생성한다. 또한, 객체 포인트들과 영역 파라미터로부터 조건 c1,c2...,cm을 샘플링한다.That is, the noise z 1 ,z 2 ...,z m is sampled from the predetermined noise p g (z), and the real fringe pattern f 1 Re ,f 2 Re ,... ,f m Re and an imaginary fringe pattern f 1 Im ,f 2 Im ,...,f m Im for each first area are generated. Also, the condition c 1 ,c 2 ...,c m is sampled from the object points and the area parameter.

특히, 앞서 설명한 바와 같이, 조건 ci는 정수 혹은 실수 형태의 객체 포인트(object point)의 (x,y,z,hU,hV) 공간 좌표와 홀로그램 영역 좌표로써, 조건(condition) 정보이다. 이때, x,y,z는 객체의 공간 좌표를 나타내고, hU,hV는 홀로그램 영역 정보(또는 영역 좌표)이다.In particular, as described above, the condition c i is the (x,y,z,h U ,h V ) spatial coordinates and hologram area coordinates of an integer or real number object point, which is condition information. . In this case, x, y, and z represent spatial coordinates of the object, and h U and h V are hologram area information (or area coordinates).

도 8에서 보는 바와 같이, 홀로그램 영역 좌표 hu,hv 는 전체 홀로그램에서 분할된 영역을 나타낸다. 이때, 바람직하게, 홀로그램을 동일한 크기의 격자 형태로 나누었을 때의 각 영역을 나타내는 좌표이다.As shown in FIG. 8 , the hologram area coordinates h u , h v indicate a divided area in the entire hologram. In this case, preferably, the coordinates indicate each region when the hologram is divided into a grid of the same size.

도 8의 예에서, 전체 홀로그램의 크기가 Fh×Fw 인데, 동일한 크기 fh×fw의 격자 형태의 홀로그램 영역으로 분할할 수 있다. 이때, 각 홀로그램 영역 F(hU,hV)을 영역 좌표 hU,hV로 나타낼 수 있다.In the example of FIG. 8 , the size of the entire hologram is F h × F w , and it can be divided into grid-shaped hologram regions of the same size f h × f w . In this case, each hologram area F(h U ,h V ) may be represented by area coordinates h U ,h V .

또한, 제1 영역별 실수 프린지 패턴 f1 Re,f2 Re,...,fm Re 또는 제1 영역별 허수 프린지 패턴 f1 Im,f2 Im,...,fm Im은 CGH에 의해 구한 프린지 패턴 중에서, 조건의 영역 좌표에 해당하는 (fh×fw) 크기의 분할된 영역의 프린지 패턴이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여, 구별의 필요가 없는 경우 영역별 프린지 패턴과 프린지 패턴을 혼용한다.In addition, the real fringe pattern f 1 Re ,f 2 Re ,...,f m Re for each first area or the imaginary fringe pattern f 1 Im ,f 2 Im ,...,f m Im for each first area is in CGH Among the fringe patterns obtained by , it is a fringe pattern of a divided region of (f h × f w ) size corresponding to the coordinates of the region of the condition. Hereinafter, for convenience of description, a fringe pattern for each region and a fringe pattern are used interchangeably when there is no need for a distinction.

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 112020021412972-pat00006
Figure 112020021412972-pat00006

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 5][Equation 5]

Figure 112020021412972-pat00007
Figure 112020021412972-pat00007

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020021412972-pat00008
Figure 112020021412972-pat00008

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 7][Equation 7]

Figure 112020021412972-pat00009
Figure 112020021412972-pat00009

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020021412972-pat00010
Figure 112020021412972-pat00010

앞서 수학식 6과 8에서, 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.In Equations 6 and 8, 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, 각 미니배치의 모든 샘플링 데이터에 대하여 위와 같이 손실함수를 구하면, 다음 수학식과 같이, 허수 프린지 패턴 판별기, 및 실수 프린지 패턴 판별기의 파라미터들을 최적화시킴으로써 학습시킨다.Next, if the loss function is obtained for all the sampling data of each mini-batch as described above, the parameters of the imaginary fringe pattern discriminator and the real fringe pattern discriminator are optimized as shown in the following equation to learn.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020021412972-pat00011
Figure 112020021412972-pat00011

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 9는 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 9 indicates that the average value of the loss function L i of each sampling data is differentiated by the del operator (▽), and the values of parameters optimizing the differentiated values are obtained and optimization is performed.

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 9는 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 9 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 10][Equation 10]

Figure 112020021412972-pat00012
Figure 112020021412972-pat00012

여기서, θGIm은 허수 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 나타내고, θGRe은 실수 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 나타낸다.Here, θ GIm represents the parameters of the imaginary fringe pattern generator, and θ GRe represents the parameters of the 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, 디지털 홀로그램을 생성하는 단계(S20)를 설명한다.Next, a step (S20) of generating a digital hologram will be described.

프린지 패턴 생성 훈련 단계(S10)를 통해서 만들어진(학습된) 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 created (learned) through the fringe pattern generation training step S10.

앞서 설명한 과정에서는 실수 프린지 패턴과 허수 프린지 패턴을 생성한다. 목적은 고해상도 홀로그램을 만드는 것이므로 홀로그램의 생성에 필요한 좌표를 받으면, Fw와 Fh로 표현된 고해상도 프린지의 일부분들을 표현하는 프린지 생성기로부터의 패치 홀로그램(patch hologram) (fw, fh)들을 모두 이어붙여 하나의 초고해상도 프린지 패턴(Fw, Fh)을 만든다.In the process described above, a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern are generated. Since the purpose is to make a high-resolution hologram, when receiving the coordinates necessary for generating the hologram, patch holograms (f w , f h ) from the fringe generator representing the parts of the high-resolution fringe expressed by F w and F h are generated. They are all stitched together to make one super-resolution fringe pattern (F w , F h ).

이후에 생성된 고해상도 프린지 패턴은 밝기 값과 곱해지고, 이전에 생성된 고해상도 프린지 패턴과 누적덧셈을 수행한다. 모든 객체 포인트에 대한 고해상도 프린지 패턴이 누적하여 덧셈이 되면 최종적인 고해상도 홀로그램이 만들어진다.The subsequently generated high-resolution fringe pattern is multiplied by the brightness value, and cumulative addition is performed with the previously generated high-resolution fringe pattern. When high-resolution fringe patterns for all object points are accumulated and added, a final high-resolution hologram is created.

프린지 패턴 생성 모델을 이용하여 홀로그램을 생성시키는 구체적인 절차를 설명한다. 이때 사용하는 각각의 용어와 방법들에 대해 설명한다.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.

fh : 프린지 패턴 생성기(fringe pattern generator)에서 출력된 한 조각(또는 분할 영역)의 프린지 패턴의 높이(height) 값f h : The height value of the fringe pattern of one piece (or divided area) output from the fringe pattern generator

fw : 프린지 패턴 생성기(fringe pattern generator)에서 출력된 한 조각의(또는 분할 영역) 프린지 패턴의 폭(width) 값f w : the width value of the fringe pattern of one piece (or divided area) output from the fringe pattern generator

f~ : fh×fw 크기를 가지는 프린지 패턴 생성기로부터 출력된 영역별 프린지 패턴(또는 프린지 패턴의 패치)f ~ : fringe pattern by area (or patch of fringe pattern) output from the fringe pattern generator with size f h × f w

Fh : 고해상도 프린지 패턴의 높이(height) 값F h : Height value of high-resolution fringe pattern

Fw : 고해상도 프린지 패턴의 폭(width) 값F w : Width value of high-resolution fringe pattern

F : Fh×Fw 크기를 가지는 한 장의 고해상도 프린지 패턴F : One high-resolution fringe pattern with size F h × F w

condition(object points, region parameter(hU,hV)) : 객체 포인트 정보로부터 3차원 좌표와 고해상도 홀로그램의 구역좌표를 호출하는 과정condition(object points, region parameter(h U ,h V )): The process of calling 3D coordinates and region coordinates of a high-resolution hologram from object point information

intensity(object points) : 객체 포인트 정보로부터 밝기 정보를 호출하는 과정intensity(object points): The process of calling brightness information from object point information

H : Fh×Fw 크기를 가지는 프린지 패턴 생성기로부터의 한 장의 디지털 홀로그램One digital hologram from a fringe pattern generator with size H: F h × F w

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

객체 포인트 정보에서 심층신경망의 조건으로 사용할 좌표 정보와 밝기 정보를 호출한다. 좌표 정보와 구역 초고해상도 프린지패턴의 구역정보를 이용하여 생성기를 통해 한 장의 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 패턴들에 밝기 가중치를 부여한 이후에 누적하여 홀로그램을 생성한다. 즉, Fw/fw와 Fh/fh로부터 고해상도 프린지패턴에서의 영역정보를 부여받는다. 부여받은 영역정보와 객체로부터 얻은 객체점에 대한 조건으로 프린지패턴 생성기를 통하여 나온 패치(patch) 프린지 패턴을 부여받은 모든 경우의 영역에 대하여 각각의 자리에 배치해주면 고해상도 프린지 패턴 한 장이 완성된다.Call coordinate information and brightness information to be used as conditions for deep neural network from object point information. A single fringe pattern is generated through a generator using the coordinate information and the zone information of the zone super-resolution fringe pattern, and a brightness weight is given to the generated patterns, and then accumulated to generate a hologram. That is, area information in the high-resolution fringe pattern is given from F w /f w and F h /f h. A high-resolution fringe pattern sheet is completed by arranging the patch fringe pattern from the fringe pattern generator as a condition for the given area information and the object point obtained from the object in each place for the given area in all cases.

구체적으로, 각 객체 포인트 i에 대해, 각 홀로그램 영역 (w,h)에 대한 영역별 프린지 패턴 Fi(w,h)을 생성한다. Specifically, for each object point i, a fringe pattern F i (w,h) for each hologram area (w,h) is generated for each area.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020021412972-pat00013
Figure 112020021412972-pat00013

다음으로, 영역별 프린지 패턴(또는 프린지 패턴의 패치) Fi(w,h)을 각각의 자리에 배치하여(연결하여), 각 객체 포인트 i에 대한 고해상도 프린지 패턴 Fi를 완성한다.Next, a fringe pattern (or patch of fringe pattern) F i (w,h) for each area is placed (connected) at each position to complete a high-resolution fringe pattern F i for each object point i.

다음으로, 각 객체 포인트 i의 완성된 고해상도 프린지 패턴을 합산하여, 해당 고해상도의 홀로그램을 생성한다.Next, the completed high-resolution fringe pattern of each object point i is summed to generate a corresponding high-resolution hologram.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020021412972-pat00014
Figure 112020021412972-pat00014

영역별 프린지 패턴을 합산하는 과정을 도 10에 도시되고 있다.A process of summing the fringe patterns for each region is illustrated in FIG. 10 .

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

도 11에는 프린지 패턴 생성기를 이용하여 생성한 복소 프린지 패턴을 나타냈다. 각각 64개의 조건에 대해 도 11(a)의 실수와 도 11(b)의 허수부 프린지 패턴을 나타냈다.11 shows a complex fringe pattern generated using a fringe pattern generator. The real number in Fig. 11(a) and the imaginary part fringe pattern in Fig. 11(b) are shown for 64 conditions, respectively.

프린지 패턴 생성기를 통해서 생성된 프린지 패턴들을 이어 붙이고 누적 덧셈하여 생성된 홀로그램을 도 11에 나타냈다. 도 12(a)가 실수부이고, 도 12(b)가 허수부이다. Fig. 11 shows a hologram generated by concatenating and cumulatively adding fringe patterns generated through a fringe pattern generator. Fig. 12(a) is a real part, and Fig. 12(b) is an imaginary part.

생성한 홀로그램을 복원한 결과를 도 13에 나타냈다. 도 13(a)는 객체의 포인트 클라우드 정보를 8비트 크기의 영상 파일로 만든 것이다. 도 13(b)는 도 12의 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. 13 . 13(a) shows the point cloud information of an object made into an 8-bit image file. FIG. 13( b ) is a result of numerically restoring the hologram of FIG. 12 . 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 (10)

프린지 패턴을 영역별로 학습하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법에 있어서,
(a) 객체 포인트와 영역 정보를 입력받아 영역별 프린지 패턴을 출력하는 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 최적화 하되, CGH(computer generated hologram) 알고리즘으로 생성된 객체 포인트에 대한 영역별 프린지 패턴(이하 제1 영역별 프린지 패턴)을 정답 데이터로 정하여 최적화 하는 단계; 및,
(b) 상기 최적화된 프린지 패턴 생성기를 이용하여 모든 영역에 해당하는 영역별 프린지 패턴을 생성하고, 모든 영역의 영역별 프린지 패턴을 연결하여 고해상도 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 고해상도 프린지 패턴으로부터 고해상도 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 포인트들과 영역 정보들에 대하여, 해당 각 포인트와 각 영역 정보를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 생성된 제2 영역별 프린지 패턴과, 해당 각 포인트와 각 영역 정보를 CGH 알고리즘에 적용하여 생성된 정답 데이터인 제1 영역별 프린지 패턴 간의 유사 정도를 구하고, 해당 유사 정도가 최대화 되도록 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하고,
상기 (b)단계에서, 주어진 3차원 객체의 포인트들 각각에 대하여, 각 포인트와 해당 포인트별 모든 영역 정보를 상기 프린지 패턴 생성기에 적용하여 각 포인트의 모든 영역 정보에 해당하는 영역별 프린지 패턴을 모두 생성하고, 생성된 모든 영역의 영역별 프린지 패턴을 연결하여 고해상도 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 고해상도 프린즈 패턴에 해당 각 포인트의 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 포인트의 고해상도 프린즈 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법.
In the artificial intelligence and deep learning-based super-resolution hologram generation method for learning fringe patterns by area,
(a) Optimize the parameters of the fringe pattern generator that receives the object point and area information and outputs the fringe pattern for each area, but the fringe pattern for each area for the object point generated by the computer generated hologram (CGH) algorithm (hereinafter the first area) star fringe pattern) as the correct answer data and optimizing; and;
(b) generating a fringe pattern for each region corresponding to all regions using the optimized fringe pattern generator, connecting the fringe patterns for each region of all regions to generate a high-resolution fringe pattern, and a high-resolution hologram from the generated high-resolution fringe pattern comprising the steps of creating
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), with respect to the sampled points and area information, a fringe pattern for each second area generated by applying each point and each area information to the fringe pattern generator, and each point and each area information to obtain the degree of similarity between the fringe patterns for each first area, which is the correct answer data generated by applying to the CGH algorithm, and optimize the parameters by setting the parameters of the fringe pattern generator so that the degree of similarity is maximized,
In step (b), for each of the points of a given 3D object, each point and all area information for each point are applied to the fringe pattern generator to generate all the area-specific fringe patterns corresponding to all area information of each point. Create a high-resolution fringe pattern by connecting the fringe patterns for each area of all the generated areas, multiply the generated high-resolution fringe pattern by the brightness value of each point, and accumulate the high-resolution fringe patterns of all points multiplied by the brightness value Artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generation method, characterized in that it generates a digital hologram.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 영역 정보는 전체 홀로그램의 크기를 동일한 크기의 격자 형태로 나누었을 때의 각 영역을 나타내는 정보인 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
The area information is information representing each area when the size of the entire hologram is divided into a grid of the same size.
제3항에 있어서,
상기 영역 정보는 영역 좌표로 표시되는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법.
4. The method of claim 3,
The area information is an artificial intelligence and deep learning-based ultra-high-resolution hologram generating method, characterized in that it is displayed in area coordinates.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 제1 및 제2 영역별 프린지 패턴의 유사 정도를 확률값으로 나타내는 프린지 패턴 판별기를 구성하고, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터를 최적화 하고, 최적화된 프린지 패턴 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 포인트들과 영역 정보들에 대하여, 제1 및 제2 영역별 프린지 패턴 간의 손실 함수를 구하고, 해당 손실 함수가 최소화 되도록, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터를 설정함으로써, 파라미터를 최적화하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법.
According to claim 1,
In the step (a), a fringe pattern discriminator representing the degree of similarity of the fringe patterns for each first and second region as a probability value is configured, the parameters of the fringe pattern discriminator are optimized, and the output value of the optimized fringe pattern discriminator is optimizing the parameters of the fringe pattern generator so that the degree of similarity 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 and area information, a loss function between the fringe patterns for each first and second area is obtained, and the parameters of the fringe pattern discriminator are set so that the loss function is minimized. , artificial intelligence and deep learning-based super-resolution hologram generation method characterized by optimizing parameters.
제1항에 있어서,
상기 프린지 패턴 생성기는 실수부 생성기와 허수부 생성기로 구성되고, 각각의 생성기는 영역별 실수 프린지 패턴과 영역별 허수 프린지 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 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 for each area and an imaginary fringe pattern for each area.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 인공지능 및 딥러닝 기반 초고해상도 홀로그램 생성방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium recording a program for performing the method of generating a super-high-resolution hologram based on artificial intelligence and deep learning of any one of claims 1, 3 to 6.
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