KR20130093994A - 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털 홀로그래피 기술에 관한 것으로서, 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 사용자의 작용에 대한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법에 있어서, 사용자의 작용을 포착하고, 상기 포착된 사용자의 작용을 좌표변환하여 홀로그램에 연계된 물체와의 충돌 여부를 산출하는 단계; 강체 운동방정식에 의해 상기 물체의 위치 및 회전 변화를 산출하는 단계; 상기 물체의 위치 및 회전 변화 산출 결과, 사용자의 힘에 의해 홀로그램과 연계된 물체의 위치 또는 회전이 변하였을 경우, 상기 물체의 변화에 따라 홀로그램 평면을 평행 이동 및 회전 이동하여 물체와 홀로그램 간의 상대적 위치 및 회전이 동일하도록 하는 단계; 상기 홀로그램의 모든 픽셀에 대해 볼륨 데이터 형태의 물체파를 생성하는 단계; 및 상기 홀로그램을 원래의 위치로 강체 변환하고 복원파를 조명하여 위치와 회전이 변화된 홀로그램 영상을 출력하는 단계;를 포함한다. 본 발명을 활용하여 평행이동, 회전이동과 같은 기본적인 강체 변환이 가능한 사용자와 홀로그램 영상간의 상호작용이 가능한 장점이 있다.

Description

볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법{Method for user-interaction with hologram using volumetric object wave field}
본 발명은 디지털 홀로그래피 기술에 관한 것으로서, 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법에 관한 것이다.
사용자와 홀로그램간의 상호작용 처리기술은 홀로그램 분야에서도 연구 및 기술 개발이 극히 미진한 분야이다. 1999년 MIT에서 연구된 햅틱 장비를 이용한 홀로그램 상호작용 기술이 최초라고 할 수 있다. 이 기술은 펜 형태의 햅틱 장비를 사용하여 회전을 통해 얻어진 곡면(surface of revolution)을 깎아 들어가는 상호작용이 가능하였다. 곡면은 회전되는 바깥곡선(profile curve)에 의해 결정되는데 펜의 작용을 통해 바깥 곡선을 변화시키고 빠르게 생성이 가능한 수평시차 홀로그램(Horizontal parallax only hologram)을 이용하는 것이 기술의 핵심요소라고 할 수 있다.(W. Plesniak and R. Pappu, Spatial Interaction with Haptic Holograms, Proc. Of IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems, 1999)
이후 2009년 SIGGRAPH 학회에서 "Touchable holography"라는 제목으로 Univ. of Tokyo에서 개발한 홀로그램 상호작용 기술이 소개되었다. 여기서는 사용자의 손 움직임을 카메라를 이용하여 계산하고 홀로그램 영상과의 충돌 시 사용자의 손에 초음파를 이용하여 사용자의 손에 힘을 전달하도록 고안되었다.(SIGGRAPH 2009 Emerging Technologies)
그러나, 두 기술 모두 강성체 형태의 일반적인 물체에 대해서 사용자의 간단한 힘의 전달과 같은 상호작용도 처리하지 못하는 단점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 물체의 강체 운동이 가능한 홀로그램 상호작용 기술로서 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 사용자의 작용에 대한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법에 있어서, 사용자의 작용을 포착하고, 상기 포착된 사용자의 작용을 좌표변환하여 홀로그램에 연계된 물체와의 충돌 여부를 산출하는 단계; 강체 운동방정식에 의해 상기 물체의 위치 및 회전 변화를 산출하는 단계; 상기 물체의 위치 및 회전 변화 산출 결과, 사용자의 힘에 의해 홀로그램과 연계된 물체의 위치 또는 회전이 변하였을 경우, 상기 물체의 변화에 따라 홀로그램 평면을 평행 이동 및 회전 이동하여 물체와 홀로그램 간의 상대적 위치 및 회전이 동일하도록 하는 단계; 상기 홀로그램의 모든 픽셀에 대해 볼륨 데이터 형태의 물체파를 생성하는 단계; 및 상기 홀로그램을 원래의 위치로 강체 변환하고 복원파를 조명하여 위치와 회전이 변화된 홀로그램 영상을 출력하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 효과는 다음과 같다. 평행이동, 회전이동과 같은 기본적인 강체 변환이 가능한 사용자와 홀로그램 영상간의 상호작용이 가능하다. 또한, 물체파를 공간전체에 정의된 볼륨데이터로 표현할 수 있어 물체의 위치, 회전 변환에 의한 홀로그램의 재생성을 매우 빠르게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사용자와 홀로그램간의 상호작용 처리 절차를 나타내는 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼륨데이터 형태의 물체파 생성 절차를 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 공간에 정의된 물체파의 파면(wavefront)을 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 사용자와 홀로그램 영상간의 상호작용 처리를 위한 방법을 제안한다. 사용자와 홀로그램간의 상호작용은 홀로그램으로 재생되는 영상이 사용자가 전달하는 힘에 의해 마치 실제 물체와 같이 반응하는 것을 의미한다. 한편, 사용자와 홀로그램간의 실감 있는 상호작용을 위해선 사용자의 작용에 빠르게 반응하는 실시간 홀로그램의 생성이 필수적이다.
따라서, 본 발명에서는 물체파를 공간 전체에서 모델링 하여 상호작용에 의해 발생하는 물체의 위치, 회전 변화에 대한 홀로그램 반영을 실시간으로 수행하는 방법을 제안하고자 한다. 한편, 본 발명에서는 물체의 위치 변화에 따라 물체파를 매번 계산하는 것이 아니라 처음에 공간 전체에서의 물체파를 계산하고 이후에는 물체와 홀로그램 평면과의 상대적인 위치를 고려하여 홀로그램의 평면의 위치를 강체 변환함으로써 해당 위치에서의 값을 빠르게 읽을 수 있다.
사용자와 홀로그램간의 상호작용을 위해선 사용자의 작용이 홀로그램 영상으로 바로 반영되어야 하며 이를 위해선 실시간 홀로그램 생성이 필수적이다. 이를 위한 기반 기술로서 CGH(Computer-Generated Hologram)를 빠르게 생성하는 방법들이 활발히 연구되어 왔지만 이는 주로 저해상도의 홀로그램에 관한 것이고 고품질의 홀로그램 영상에 대해서는 속도 향상에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 물체파를 공간 전체에 볼륨데이터 형식으로 계산함으로써 단순한 인터폴레이션만을 이용하여서도 고해상도, 고품질의 홀로그램을 거의 실시간으로 생성할 수 있으며, 이를 이용하여 사용자와 홀로그램 간의 상호작용에서 물체의 기본적인 강체 운동(평행이동, 회전)이 가능하도록 한다.
본 발명을 상세히 설명하기에 앞서 본 발명에서 사용되는 용어를 먼저 설명하기로 한다.
CGH는 빛의 회절 및 간섭 현상을 수치 시뮬레이션하여 만든 디지털 홀로그램으로 물체파(object wave)와 기준파(reference wave)의 간섭무늬 형태로 기록한다. 이때, 상기 물체파는 물체의 표면에서 발생하는 광파(light wave)이며, 기준파는 홀로그램 간섭무늬를 생성하기 위하여 물체파에 조명하는 광파로서, 일반적으로 평면파(plane wave)를 사용한다.
구면파(Spherical wave)는 공간의 한 점에서 퍼져 나오는 광파로서 파면이 구면의 모양을 띄게 된다. 평면파(Plane wave)는 무한대에 있는 구면파에 발생하는 광파로서 파면이 평면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 상호작용 절차를 설명한다. 도 1은 사용자와 홀로그램간의 상호작용의 흐름도에 관한 것이고 도 2는 공간 전체에 정의되는 물체파의 생성을 나타내는 도면이다.
먼저 도 1에 대해 자세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 사용자가 홀로그램에 소정의 작용을 가했을 경우(S101). 사용자의 작용은 카메라 혹은 IR 센서 등의 컴퓨터 비전에서 널리 알려진 방법으로 포착할 수 있다. 사용자의 작용은 사용자 공간과 홀로그램 공간 간의 좌표변환을 통해 홀로그램에 연계된 물체와 충돌이 있었는지 계산할 수 있다. 이때, 사용자 작용은 상기 좌표변환을 통해 홀로그램과 연계된 물체에 작용하는 힘으로 전달된다(S102). 즉, 사용자 작용의 속도 변화, 작용 시간 등을 통해 F=ma로부터 물체에 작용하는 힘의 작용위치 크기, 방향의 계산이 가능하다.
물체에 작용하는 힘이 결정되면 강체 운동방정식에 의해 물체의 위치, 회전이 변하게 된다. 좀 더 구체적으로 물체에 작용하는 힘을 F라 하면, 다음과 같은 수학식이 유도된다.
Figure pat00001
상기 수학식에 의해 물체의 운동이 결정된다(S103). 여기서 r은 물체의 질량중심에서 힘의 작용점까지의 거리 벡터이고, Ω는 물체의 각속도, I는 관성모멘트를 나타낸다. 이때, 물체의 이동을 제한하는 영역을 설정하는 것이 필요한데, 이 영역의 바운더리를 설정하고 물체는 강체 충돌하는 것으로 처리하면 물체가 상호작용 중에 제한 영역을 벗어나지 않는다.
한편, 사용자의 힘에 의해 홀로그램과 연계된 물체의 위치와 회전이 변하게 되었다고 하면, 이제 물체파의 물체 표면에서의 초기 위상은 모두 0이라고 가정한다(S104). 물체의 홀로그램 기록은 물체와 홀로그램 평면과의 기하학적인 상대 위치, 회전에 의해 완전히 결정될 수 있다. 이 점을 착안하면 물체를 움직인 후 고정된 홀로그램 평면에 물체파의 계산으로 홀로그램을 생성하는 대신 물체를 질량중심으로 해서 고정시키고 홀로그램 평면을 평행이동, 회전 이동하여 위에서 계산된 물체와 홀로그램간의 상대적 위치, 회전이 동일하도록 할 수 있다. 이것은 물체의 위치, 회전 변동을 물체의 질량중심을 원점으로 하는 물체의 로컬좌표계에서 홀로그램 평면을 표현하는 것과 동일한 것이 된다.
이제, 물체의 질량중심을 원점으로 한 로컬좌표계에서의 홀로그램 평면 좌표를 모두 안다고 한다. 그러면 홀로그램의 모든 픽셀에 대해 물체파가 정의된 볼륨데이터 공간의 그리드 셀을 찾고 트라이리니어 보간(trilinear interpolation)을 통해 픽셀 위치에서의 물체파의 세기, 위상 정보를 계산한다. 그런 다음, 홀로그램을 다시 원래의 위치로 강체 변환하고, 복원파를 조명하면 위치와 회전이 변화된 홀로그램 영상이 보여진다(S105).
다음으로, 도 2를 참조하여 볼륨 데이터 형태의 물체파 생성 절차를 상세히 설명한다.
먼저, 공간 전체에 정의된 물체파의 계산을 위한 물체의 조건으로 안과 밖이 구별되는 바운더리가 있어야 한다(S201). 이에 따라, 물체를 포함하며 상호작용이 유효한 충분히 큰 공간을 설정한다(S202). 그런 다음, 공간을 적당한 해상도로 격자화 한다. 이때 해상도는 사용되는 광파의 파장에 의해 결정될 수 있다. 상기 각각의 격자점에서 물체파가 정의되며, 상기 S104 단계의 가정(물체파의 초기 위상은 0)과 설명에 의해 물체파의 위상과 크기 정보가 계산된다. 이때 볼록한(convex) 물체의 경우 위상정보는 해상 그리드 점과 물체 사이의 거리 함수(distance function)에 의해 결정되고, 물체파의 크기는 물체의 곡면의 넓이 변화값에 의해 에너지보존 원리로 결정된다.
도 3은 물체(300)에 대한 사용자의 작용에 의해 생성된 2차원 공간에 정의된 물체파의 광파면(wavefront)(310)을 도시한 예이다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
300: 물체 310: 광파면

Claims (5)

  1. 사용자의 작용에 대한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법에 있어서,
    사용자의 작용을 포착하고, 상기 포착된 사용자의 작용을 좌표변환하여 홀로그램에 연계된 물체와의 충돌 여부를 산출하는 단계;
    강체 운동방정식에 의해 상기 물체의 위치 및 회전 변화를 산출하는 단계;
    상기 물체의 위치 및 회전 변화 산출 결과, 사용자의 힘에 의해 홀로그램과 연계된 물체의 위치 또는 회전이 변하였을 경우, 상기 물체의 변화에 따라 홀로그램 평면을 평행 이동 및 회전 이동하여 물체와 홀로그램 간의 상대적 위치 및 회전이 동일하도록 하는 단계;
    상기 홀로그램의 모든 픽셀에 대해 볼륨 데이터 형태의 물체파를 생성하는 단계; 및
    상기 홀로그램을 원래의 위치로 강체 변환하고 복원파를 조명하여 위치와 회전이 변화된 홀로그램 영상을 출력하는 단계;를 포함하는 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충돌 여부를 산출하는 단계 이후에,
    상기 사용자 작용의 속도 변화 및 작용 시간으로부터 물체에 작용하는 힘의 작용 위치, 크기 및 방향을 산출하는 단계;를 더 포함하는 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물체의 위치 및 회전 변화를 산출하는 단계는,
    물체의 이동을 제한하는 영역의 설정된 경계와 물체는 강제 충돌하는 것으로 처리하여 물체의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 물체파를 생성하는 단계는,
    상기 홀로그램의 모든 픽셀에 대해 물체파가 정의된 볼륨데이터 공간을 격자화 하는 단계; 및
    트라이리니어 보간을 통해 상기 픽셀 위치에서의 물체파의 세기 및 위상 정보를 산출하는 단계를 포함하는 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법
  5. 제4항에 있어서, 상기 위상 정보를 산출하는 단계는,
    상기 격자화된 공간에서 볼록한 물체의 경우 거리 함수 필드를 생성하여 물체파의 위상 정보로 변형하는 것을 특징으로 하는 볼륨데이터 형태의 오브젝트 파동을 이용한 사용자와 홀로그램 간의 상호작용 처리 방법.
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