KR20180044732A - 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템 - Google Patents

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Abstract

디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템이 개시된다. 이 시스템은 다시점 이차원 영상들을 이용하여 컴퓨팅을 통해 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성한다.

Description

디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템 {System for digital holographic stereogram}
본 발명은 홀로그램에 관한 것으로, 특히 디지털 홀로그래픽 스테레오그램에 관한 것이다.
홀로그램(hologram)은 입체상을 재현하는 간섭무늬를 기록한 매체이다. 홀로그램은 홀로그래피(holography)의 원리를 이용하여 만들어진다. 아날로그 홀로그래피는 실제 물체로부터 반사되는 빛과 임의의 기준광이 만나서 형성되는 간섭무늬를 홀로그래픽 매질(holographic emulsion)에 기록한 후, 광학적 복원을 통해 기록된 물체로부터 반사된 빛의 간섭무늬를 재현하여 홀로그램을 관찰하는 기술이다. 이 간섭무늬를 프린지 패턴(fringe pattern)이라 한다. 실제 물체를 이용하기 때문에 기록과 재생에서 빛의 간섭무늬에 대한 정보가 손실 또는 왜곡되지 않게 되면, 가장 현실에 가까운 홀로그램을 관찰할 수 있다는 장점을 갖는다.
아날로그 홀로그램의 기록에 대해 설명하면, 레이저빔을 광분배기(beam splitter)를 이용하여 참조광(reference beam)과 물체광(object beam)으로 나눈다. 물체광은 광학 요소들을 거쳐 기록하여는 객체에 비춰지고, 객체에서 반사된 물체광은 홀로그래픽 매질로 향한다. 참조광 또한 광학계를 거쳐 홀로그래픽 매질을 향하게 되고, 물체광과 참조광의 간섭무늬가 홀로그래픽 매질에 기록된다. 이 같은 아날로그 홀로그램은 실제 물체로부터 반사된 빛을 기록하기 때문에, 광학적 복원을 통해 재생된 홀로그램은 실제와 같은 느낌을 받게 된다. 그러나 아날로그 홀로그램으로는 가상의 물체를 표현할 수 없으며, 광학계의 미세한 조건 변화에 따라 품질이 크게 달라져 양산이 매우 어려운 한계를 갖는다. 이에 따라, 많은 홀로그래피 연구자들이 컴퓨터를 이용한 디지털 홀로그래피에 대한 연구를 진행하고 있다. 참고로, 국내공개특허공보 제10-2013-0074936호에는 객체에 대한 3차원 정보를 획득하고, 3차원 정보를 가지고 CGH(computer-generated hologram) 계산을 통해 디지털 홀로그래픽 콘텐츠를 생성하는 내용이 개시되어 있다.
국내공개특허공보 제10-2012-0118622 (2015년 7월 7일 공개)
본 발명은 프린지 패턴을 용이하게 생성할 수 있는 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템은 다시점 이차원 영상들을 이용하여 컴퓨팅을 통해 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성할 수 있다.
디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템은 다시점 이차원 영상들을 획득하는 다시점 영상 획득부와, 다시점 이차원 영상들의 픽셀 재배열을 통해 홀로그래픽 스테레오그램을 구성하는 홀로그래픽 요소인 호겔(hogel)들을 생성하는 호겔 생성부, 및 호겔별로 호겔이 갖는 정보를 이용하여 물체광을 설정하며, 물체파와 기설정된 기준광과의 간섭을 계산하여 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 프린지 생성부를 포함할 수 있다.
호겔 생성부는 픽셀을 구성하는 하위 픽셀들인 R 픽셀과 G 픽셀 및 B 픽셀을 분리하여 하위 픽셀 단위로 호겔을 생성할 수 있다.
프린지 생성부는 호겔을 구성하는 진폭과 방향 정보를 이용하여 물체광을 설정할 수 있다.
한편, 일 양상에 따른 디지털 홀로그램은 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템에 따른 프린지 패턴이 기록된 홀로그램 매질, 및 프린지 패턴의 R, G, B 배열과 동일하게 R, G, B 배열되어 홀로그램 매질과 결합된 컬러 필터 어레이를 포함할 수 있다.
개시된 바에 따르면, 프린지 패턴을 생성하기 위해 아날로그 기록방식을 전혀 사용하지 않아 광학 시스템이나 감광성 필름이 필요 없게 된다.
또한, 이차원 이미지만을 가지고 CGH계산을 하여 프린지 패턴을 생성하는바, 일반적인 CGH에서 필요한 3D 렌더링 작업이 필요 없으며, 3D 물체의 CGH 계산시에 많은 어려움이 있었던 그림자나 가려짐 효과 등을 고려할 필요가 없어 연산이 상당히 간단해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템의 블록도이다.
도 2는 호겔 생성에 대한 설명을 위한 참조도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 프린지 패턴 생성 설명을 위한 참조도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이가 결합되는 디지털 홀로그램을 나타낸 도면이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템은 이미지 처리부(100)를 포함한다. 일 양상에 따른 이미지 처리부(100)는 삼차원 영상이 아닌 다시점 이차원 영상들을 이용하여 컴퓨팅을 통해 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성한다. 다시점 이차원 영상들은 실제 객체 또는 가상 객체에 대해 여러 시야각에서 얻어진 이차원 영상을 말한다. 이미지 처리부(100)는 이러한 다시점 이차원 영상들을 가지고 CGH(computer-generated hologram) 계산을 통해 프린지 패턴을 생성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 처리부(100)는 다시점 영상 획득부(110)와 호겔 생성부(120) 및 프린지 생성부(130)를 포함한다. 다시점 영상 획득부(110)는 객체에 대한 여러 시야각으로부터 다시점 이차원 영상들을 획득한다. 이 다시점 이차원 영상들은 호겔(호겔 이미지)을 만드는 소스 이미지로 사용된다. 그리고 획득 방식은 잘 알려져 있는데, 참고로 simple camera 방법과 recentering camera 방법 등이 알려져 있다. simple camera 방법에 대해 살펴보면, 컴퓨터 그래픽 모델로부터 임의의 거리 D에 카메라 평면(camera plane)을 위치시키고, 가상 카메라(virtual caemra)는 카메라 평면의 x축을 따라 일정한 간격으로 이동하며, 화각 θ를 갖는 가상 카메라는 카메라 평면의 지정된 위치들에서 컴퓨터 그래픽 모델에 대한 원근 투영 영상(perspective images), 즉 다시점 이차원 영상을 획득한다.
그리고 recentering camera 방법은 다시점 원근 투영 영상을 획득하기 위해 컴퓨터 그래픽 모델을 중심으로 이미지 평면(image plane)을 설정하고, 거리 D 만큼 떨어진 곳에 가상 카메라가 수직 및 수평 방향으로 이동하는 카메라 평면(camera plane)을 설정한다. 카메라 평면을 이동하는 카메라는 평행 카메라(parallel camera)이며, 카메라의 광축은 항상 이미지 평면에 위치한 객체의 중심을 향한다. 수직 방향도 같은 구조를 갖는다. 이 같은 구조를 통해, 카메라의 지정된 위치들에서 다시점 이차원 영상이 획득된다.
호겔 생성부(120)는 다시점 이차원 영상들의 픽셀 재배열을 통해 홀로그래픽 스테레오그램을 구성하는 홀로그래픽 요소(홀로그램 요소)인 호겔들을 생성한다. 일 양상에 따른 호겔 생성부(120)는 픽셀 재배열 방식으로 호겔들을 생성하되, 픽셀을 구성하는 하위 픽셀들인 R 픽셀과 G 픽셀 및 B 픽셀을 분리하여 하위 픽셀 단위로 호겔을 생성한다. 즉, 호겔 생성부(120)는 RGB 픽셀 단위로 호겔을 생성하는 것이 아니라 R, G, B를 분리하여 R, G, B 픽셀별로 호겔을 생성하는 것이다.
호겔 생성 자체에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 주사위(피사체)를 여러 시야각에서 촬영한 영상을 토대로 호겔을 생성하는 것을 나타낸다. 도 2에서와 같이, 다시점 이차원 영상들(perspective images)을 n 개로 분할한다. 도 2에서는 가로 방향으로만 분할하였는데, 이는 위아래 시차는 생각하지 않겠다는 뜻으로 HPO(horizontal parallax only)라고 불린다. 일반적으로, 벽에 걸린 액자를 볼 때 사람 키는 일정하기 때문에 위아래 시차를 생략하더라도 입체감에 크게 영향을 주지 않는다. 반면, 분할 개수는 줄어들기 때문에 데이터 처리면에서 장점을 가진다. 그러나 바닥에 놓고 보는 홀로그램의 경우는 가로세로 모두 입체감을 느끼도록 제작되어야 하므로, 영상을 가로세로 모두 분할하여 n×m 개의 호겔을 생성한다. 호겔을 생성하는 방법은 도 2와 같이 분할된 영상을 분할위치별로 모아서 재배치하는 것이다. 즉, 한 호겔은 피사체의 특정부위의 모든 시야각 영상이 모여있는 것이라고 볼 수 있다. 참고로, 도 2의 주사위 영상의 경우는 설명을 위해 큰 조각으로 분할되었으나, 실제는 수백 내지 수천개의 작은 조각으로 분할된다.
프린지 생성부(130)는 호겔별로 호겔이 갖는 정보를 이용하여 물체광을 설정하며, 물체광과 기설정된 기준광과의 간섭을 계산하여 프린지 패턴을 생성한다. 물체광은 위상, 진폭, 방향의 정보가 필요한데, 각각의 호겔은 2차원 정보를 담고 있으므로 임의의 위상값(random phase)으로 설정할 수 있으며, 각각의 R, G, B 픽셀별로 intensity 값(진폭)을 추출할 수 있다. 또한, 각각의 호겔은 물체(객체)의 특정부위의 시야각별 이미지가 재배치된 것인바, 이 시야각에 따라 물체광의 방향을 설정한다. 따라서, 프린지 생성부(130)는 각각의 호겔이 가지는 진폭과 방향 정보를 가지고 물체파를 설정할 수 있다. 그리고 기준광은 임의로 설정 가능하다. 즉, 재생광에 따라 임의로 설정할 수 있으며, 변경 가능하다. 즉, 프린지 생성부(130)는 각각의 호겔의 조각 이미지별로 갖는 진폭과 방향 정보를 가지고 물체광을 설정하고, 이 물체광과 기준광을 간섭하여 생성되는 프린지 패턴을 CGH 알고리즘을 이용하여 계산한다.
이에 대한 이해를 돕기 위한 도면이 도 3에 도시되어 있다. 도면부호 10은 하나의 호겔(호겔 이미지)을 나타내는데, 호겔(10)을 구성하는 조각 이미지(11)들은 서로 다른 시야각에서 보여진다. 그리고 물체광의 방향은 호겔(10) 안에 재배치된 각각의 조각 이미지(11)가 촬영된 시야각으로 모두 다르게 설정된다. 즉, 조각 이미지(11)들의 물체광은 호겔이 기록되는 호겔 프린지면(21)으로 집속되는바, 집속 방향에 맞게 설정된다. 그래야만 나중에 홀로그램을 볼 때 특정 시야각에서는 그 시야각에서 촬영된 영상된 보이게 된다. 그리고 모든 호겔이 기록되는 프린지면(20)에서 하나의 호겔 이미지가 기록되는 호겔 프린지면(21)의 크기는 임의로 조정 가능하지만, 대략 0.1mm 이하로 호겔 이미지가 기록되면 RGB가 구분되지 않고 자연스러운 컬러를 볼 수 있다.
한편, 프린지 패턴 생성을 위한 CGH 계산방법은 크게 point source 방법과 polygon-based 방법으로 나눌 수 있으며, 이를 토대로 연산 속도와 품질 향상을 위한 다양한 알고리즘이 개발되어 있다. 즉, CGH 계산 자체는 이미 알려진 내용이지만, 계산을 위한 호겔의 물체광 설정이 매우 중요하며, 물체광 설정에 대해서는 상술한 바와 같다. 참고로, point source 방법으로 계산시 호겔의 프린지 패턴은 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00001
N : 호겔 안의 object point 개수
φj : 초기 위상
Aj : j번째 이미지의 진폭
rj : j번째 object point와 프린지 면의 point와의 거리
k : 파수 k = 2π/λ
디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템은 프린지 기록부(140)를 더 포함할 수 있다. 프린지 기록부(140)는 상술한 프린지 생성부(130)에 의해 생성된 프린지 패턴을 기록재료(홀로그래픽 매질)에 기록한다. 일 실시예에 있어서, 프린지 기록부(140)는 리소그래피(lithography)를 이용하여 프린지 패턴을 기록재료 상에 물리적으로 기록한다. 일반적으로 알려진 방식이 감광성재료가 화학적 반응을 일으키면서 굴절률 변조로 프린지 패턴이 기록되는 반면에, 리소그래피를 이용한 방식은 표면에 물리적인 나노구조를 형성한다. 리소그래피용으로 많이 사용되는 장비는 e-beam lithography, laser direct writer 등이 있으며, 별도의 포토마스크(photomask)를 제작하여 진행할 수 있다.
Laser direct writer를 이용한 대표적인 리소그래피 공정과정을 설명하면, 먼저 글래스(glass) 위에 포토레지스트(photoresist)를 코팅한 후에, 프린지 생성부(130)에 의해 생성된 프린지 패턴대로 레이저를 조사한 후에 현상과정을 거치면 레이저가 닿은 부분만 사라지고 남게 된다. 이 상태 그대로도 충분히 홀로그램으로 사용이 가능하지만, 포토레지스트 물질이 보통은 무른 물질이기 때문에 위에 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속을 도포하거나 PDMS라는 물질을 덮어 마스터 스탬프를 만들어 복제가 가능하다.
한편, 이상에 따라 프린지 패턴이 기록된 홀로그래픽 매질은 RGB 컬러 필터 어레이와 결합될 수 있다. 즉, 디지털 홀로그램(디지털 홀로그래픽 스테레오그램)은 홀로그래픽 매질과 이에 결합된 컬러 필터 어레이로 이루어질 수 있다. 컬러 필터 어레이의 R, G, B 배열은 프린지 패턴의 R, G, B 배열과 동일하게 구성되며, 필터의 크기 역시 호겔 프린지면의 면적에 맞게 형성된다. 일 실시예에 있어서, 컬러 필터 어레이를 구성하는 각각의 컬러 필터의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)은 20nm 이하이다. 홀로그램은 파장폭이 넓을수록 파장별 회절각이 달라 분산되어 이미지가 흐려지기 때문에, 이를 방지하기 위해 반치폭을 20nm 이하로 제한한다. 참고로, 도 4는 컬러 필터 어레이가 결합되는 디지털 홀로그램의 이해를 돕기 위한 개념적인 도면이다. 도 4의 (a)는 홀로그램 픽셀 어레이(50)를 나타내며, 도 4의 (b)는 홀로그램 픽셀 어레이(50) 상에 홀로그램 픽셀의 R, G, B 배열에 맞게 컬러 필터(60)가 배열되는 것을 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 이미지 처리부 110 : 다시점 영상 획득부
120 : 호겔 생성부 130 : 프린지 생성부
140 : 프린지 기록부

Claims (5)

  1. 다시점 이차원 영상들을 이용하여 컴퓨팅을 통해 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다시점 이차원 영상들을 획득하는 다시점 영상 획득부;
    다시점 이차원 영상들의 픽셀 재배열을 통해 홀로그래픽 스테레오그램을 구성하는 홀로그래픽 요소인 호겔(hogel)들을 생성하는 호겔 생성부;
    호겔별로 호겔이 갖는 정보를 이용하여 물체광을 설정하며, 물체파와 기설정된 기준광과의 간섭을 계산하여 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 프린지 생성부;
    를 포함하는 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    호겔 생성부는 픽셀을 구성하는 하위 픽셀들인 R 픽셀과 G 픽셀 및 B 픽셀을 분리하여 하위 픽셀 단위로 호겔을 생성하는 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    프린지 생성부는 호겔을 구성하는 조각 이미지별 진폭과 방향 정보를 이용하여 물체광을 설정하는 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템.
  5. 제 3 항에 기재된 디지털 홀로그래픽 스테레오그램 제작 시스템에 따른 프린지 패턴이 기록된 홀로그램 매질; 및
    프린지 패턴의 R, G, B 배열과 동일하게 R, G, B 배열되어 홀로그램 매질과 결합된 컬러 필터 어레이;
    를 포함하는 디지털 홀로그램.
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