KR20210085543A - A digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning - Google Patents

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KR20210085543A
KR20210085543A KR1020190178668A KR20190178668A KR20210085543A KR 20210085543 A KR20210085543 A KR 20210085543A KR 1020190178668 A KR1020190178668 A KR 1020190178668A KR 20190178668 A KR20190178668 A KR 20190178668A KR 20210085543 A KR20210085543 A KR 20210085543A
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강지원
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Abstract

The present invention relates to a digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning, in which a deep neural network is trained to create a complex two-dimensional fringe (diffraction) pattern made by object points in the form of point clouds, and fringe patterns made for each object point are accumulated, thereby creating one sheet of hologram. The method includes: (a) sampling points of a three-dimensional object, creating a first fringe pattern created by a computer generated hologram (CGH) algorithm for the sampled points, and a second fringe pattern by a fringe pattern generator, and updating the fringe pattern generator with a probability value of the similarity of the first and second fringe patterns, thereby training the fringe pattern generator; and (b) creating third fringe patterns through the trained fringe pattern generator for all points of the three-dimensional object, multiplying each generated third fringe pattern by a brightness value, and accumulating all fringe patterns multiplied by the brightness value, thereby creating a digital hologram. According to the above method, the fringe pattern is created using a neural network, so that calculations is performed at very high speed while saving memory capacity.

Description

인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법 { A digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning }{ A digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning }

특히, 본 발명은 딥러닝 기술을 이용하여 홀로그램을 생성하되, 포인트 클라우드 형태의 객체 포인트가 만드는 복소 형태의 2차원 프린지(회절) 패턴을 생성할 수 있도록 심층신경망을 학습시키고, 객체 포인트별로 만들어진 프린지 패턴을 누적하여 한 장의 홀로그램을 생성하는, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 관한 것이다.In particular, the present invention generates a hologram using deep learning technology, but trains a deep neural network to generate a complex two-dimensional fringe (diffraction) pattern made by object points in the form of a point cloud, and fringes made for each object point. It relates to a method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, which generates a single hologram by accumulating patterns.

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 기술을 이용하여 홀로그램을 생성하되, 포인트 클라우드 형태의 객체 포인트가 만드는 복소 형태의 2차원 프린지(회절) 패턴을 생성할 수 있도록 심층신경망을 학습시키고, 객체 포인트별로 만들어진 프린지 패턴을 누적하여 한 장의 홀로그램을 생성하는, 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above-described problems, and to generate a hologram using deep learning technology, but to generate a complex two-dimensional fringe (diffraction) pattern made by object points in the form of a point cloud. To provide a digital hologram creation method using artificial intelligence and deep learning technology that trains a deep neural network and generates a single hologram by accumulating fringe patterns made for each object point.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 관한 것으로서, (a) 3차원 객체의 포인트들을 샘플링하고, 샘플링된 포인트에 대하여 CGH(computer generated hologram) 알고리즘에 의해 생성된 제1 프린지 패턴, 및, 프린지 패턴 생성기에 의한 제2 프린지 패턴을 생성하고, 제1 및 제2 프린지 패턴의 유사 정도의 확률값으로 상기 프린지 패턴 생성기를 갱신시켜서, 상기 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 단계; 및, (b) 상기 3차원 객체의 모든 포인트들에 대하여 학습된 프린지 패턴 생성기를 통해 제3 프린지 패턴들을 생성하고 생성된 각 제3 프린지 패턴에 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 프린지 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, (a) sampling points of a three-dimensional object, and a computer generated hologram (CGH) algorithm for the sampled points By generating a first fringe pattern generated by and a second fringe pattern by a fringe pattern generator, and updating the fringe pattern generator with a probability value of the similarity of the first and second fringe patterns, the fringe pattern generator learning; and, (b) generating third fringe patterns through a fringe pattern generator learned for all points of the three-dimensional object, multiplying each generated third fringe pattern by a brightness value, and all fringe patterns multiplied by the brightness value and generating a digital hologram by accumulating the .

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 생성된 프린지 패턴이 실제 프린지 패턴과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타내는 프린지 패턴 판별기를 구성하고, 샘플링된 포인트에 대하여 프린지 패턴 판별기를 학습시키고, 학습된 프린지 패턴 판별기를 이용하여 상기 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the present invention constructs a fringe pattern discriminator that probabilistically indicates how similar the generated fringe pattern is to the actual fringe pattern in step (a), , a fringe pattern discriminator is trained for the sampled points, and the fringe pattern generator is trained using the learned fringe pattern discriminator.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 생성기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the present invention is characterized in that the fringe pattern generator is composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 프린지 패턴 판별기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the fringe pattern discriminator is composed of a deep neural network.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 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 digital hologram 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 generates a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern. characterized in that

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 다음 수식 1을 이용하여, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터 θD 를 최적화 시킴으로써 학습시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the present invention is to learn by optimizing the parameter θ D of the fringe pattern discriminator using the following Equation 1 in the step (a). characterized.

[수식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

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

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 손실함수 Li를 다음 수식 2와 같이 구하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the present invention is characterized in that the loss function L i is obtained as shown in Equation 2 below.

[수식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

단,

Figure pat00003
only,
Figure pat00003

여기서, ε는 사전에 설정된 가중치이고, fi는 CGH 알고리즘에 의한 프린지 패턴이고,

Figure pat00004
는 프린지 패턴 생성기에 의한 프린지 패턴이고, Li는 손실함수이고, D(
Figure pat00005
), D(fi), D(
Figure pat00006
)는 각각
Figure pat00007
, fi,
Figure pat00008
의 프린지 패턴 판별기(D)에 의한 값이고,
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
로 델 연산자 ▽에 의해 미분한 값을 나타냄.Here, ε is a preset weight, f i is a fringe pattern by the CGH algorithm,
Figure pat00004
is the fringe pattern by the fringe pattern generator, L i is the loss function, D(
Figure pat00005
), D(f i ), D(
Figure pat00006
) is each
Figure pat00007
, f i ,
Figure pat00008
is the value by the fringe pattern discriminator (D) of
Figure pat00009
is
Figure pat00010
to
Figure pat00011
Represents the value differentiated by the Rhodel operator ▽.

또, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 다음 수식 3을 이용하여, 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터 θG 를 최적화 시킴으로써 학습시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, the present invention is characterized by optimizing the parameter θ G of the fringe pattern generator using Equation 3 below in the step (a). do it with

[수식 3][Equation 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

단, ▽θG 는 θG 에 의한 델 연산자를 나타내고, G(zi|ci)는 각 샘플링 포인트 ci가 주어졌을 때 잡음 영상 zi의 프린지 패턴 생성기의 값을 나타냄.However, ▽θ G represents the del operator by θ G , and G(z i | c i ) represents the value of the fringe pattern generator of the noise image z i when each sampling point c i is given.

또한, 본 발명은 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법을 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 of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology is recorded.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 의하면, 신경망을 이용하여 프린지 패턴을 생성함으로써, 메모리 용량을 절약하면서 동시에 매우 빠른 속도로 연산을 수행할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning technology according to the present invention, by generating a fringe pattern using a neural network, it is possible to perform calculations at a very high speed while saving memory capacity. effect is 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 several tens of mega to a maximum of several hundred mega.

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 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 회절패턴(단일 객체 포인터에 대한 회절 패턴)을 생성하기 위한 심층 신경망(딥러닝 모델)을 학습시키는 과정을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 프린지 패턴의 생성을 위한 심층신경망의 학습 과정을 나타낸 슈도 코드.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 홀로그램 생성 단계를 설명하는 흐름도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 프린지 패턴 생성 심층심경망을 이용한 홀로그램 생성 과정을 나타낸 슈도 코드.
도 11는 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 프린지 패턴 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도.
도 12은 본 발명의 실험에 따른 심층신경망을 이용해서 생성한 홀로그램의 예시도로서, (a) 실수부, (b) 허수부에 대한 예시도..
도 13은 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 of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a process of training a deep neural network (deep learning model) for generating a diffraction pattern (diffraction pattern for a single object pointer) according to an embodiment of the present invention.
8 is a pseudo code illustrating a learning process of a deep neural network for generating a fringe pattern according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a hologram generation step according to an embodiment of the present invention.
10 is a pseudo code showing a hologram generation process using a fringe pattern generation deep heart network 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, and is an exemplary diagram of (a) a real part and (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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS 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 디지털 홀로그램의 생성 방법은 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 digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology according to the present invention can be implemented as a program system on a computer terminal 20 that receives three-dimensional data 10 and generates a hologram. have. 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 디지털 홀로그램의 생성 방법은 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 digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning technology may be implemented with a single electronic circuit such as an ASIC (application-specific semiconductor) in addition to being configured as a program and operating in a general-purpose computer. 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, the 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 pat00013
Figure pat00013

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.

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 pat00014
Figure pat00014

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00015
Figure pat00015

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 디지털 홀로그램의 생성 방법을 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한다.Next, a method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology 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(20)로 구성된다.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 (20). ) is composed of

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. 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 의미한하고 진짜 데이터(Real Data)에서 Real은 실제의 정보를 의미한다.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. 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 판별기는 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 프린지 패턴 생성기의 내부 파라미터들을 갱신시킨다.The deep neural network-based fringe pattern discriminator compares these two results and outputs how similar the real and fake are as a probability value, and based on this probabilistic calculation result, the fringe pattern generator creates a fake that is more similar to the real one. update the internal parameters of

이와 같은 과정을 반복적으로 수행하면 진짜와 가짜가 구별할 수 없을 정도로 유사해지게 되는데, 즉 프린지 패턴 생성기가 CGH로 생성된 프린지 패턴과 동일한 프린지 패턴을 생성할 수 있게 되어 심층신경망이 프린지 패턴을 출력할 수 있도록 학습되었다는 것을 의미한다.If this process is repeatedly performed, the real and fake become indistinguishably similar. That is, the fringe pattern generator can 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.

프린지 패턴 생성 훈련 모델을 이용하여 훈련시키는 구체적인 절차는 도 8에 유사코드의 형태로 나타내었다. 도 8의 각각의 용어와 방법들에 대해 아래에 구체적으로 설명한다. A specific procedure for training using the fringe pattern generation training model is shown in the form of pseudocodes in FIG. 8 . Each term and method of FIG. 8 will be described in detail below.

c, ci :정수 혹은 실수 형태의 객체 포인트(object point)의 공간 좌표로써, 조건(condition) 정보이다. c, c i : As spatial coordinates of an object point in the form of an integer or real number, it is condition information.

z1,z2...,zm : 생성하고자 하는 프린지 패턴과 동일한 크기(Hh×Wh)의 잡음 영상이다. z 1 ,z 2 ...,z m : A noise image of the same size (H h × W h ) as the fringe pattern to be created.

f1,f2...,fm : 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘을 이용하여 생성된 (Hh×Wh) 크기의 실제 프린지 패턴(Real Fringe Pattern)이다. f 1 ,f 2 ...,f m : A Real Fringe Pattern of (H h × W h ) size generated using a computer-generated hologram algorithm.

G(zi|ci) : 객체 포인트의 좌표 조건 ci가 주어졌을 때 잡음 영상 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, a fringe pattern is generated using the noise image z i as an input. This is called a fringe pattern generator, and G Re (z i |c i ) and G Im (z i |c i ) are used to generate real holograms and imaginary holograms. 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 pat00016
: 프린지 패턴 생성기를 통해 만들어진 프린지 패턴이다.
Figure pat00016
: It is a fringe pattern created through the fringe pattern generator.

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 Net-)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 Net-) 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)

n : 미니배치별 판별기의 트레이닝 횟수n: the number of training times of the discriminator per mini-batch

즉, 3차원 객체의 포인트들을 샘플링 크기 m으로 샘플링하고, 샘플링 포인트 데이터를 이용하여 신경망으로 구성된 프린지 패턴 판별기 및 프린지 패턴 생성기를 훈련(또는 학습)시킨다.That is, points of a three-dimensional object are sampled with a sampling size m, and a fringe pattern discriminator and a fringe pattern generator composed of a neural network are trained (or learned) using the sampling point data.

먼저, 샘플링 포인트 c1,c2...,cm에 대하여, 사전에 정해진 잡음 pg(z)로부터 잡음 영상 z1,z2...,zm을 샘플링하고, CGH 알고리즘에 의한 제1 프린지 패턴 f1,f2...,fm을 생성한다.First, for the sampling point c 1 ,c 2 ...,c m , the noise image z 1 ,z 2 ...,z m is sampled from the predetermined noise p g (z), and the 1 Create a fringe pattern f 1 ,f 2 ...,f m .

다음으로, 각 샘플링 포인트 ci 에 대하여, 프린지 패턴 생성기로 제2 프린지 패턴을 생성한다. 이때, 다음 수학식을 이용한다.Next, for each sampling point c i , a second fringe pattern is generated by a fringe pattern generator. In this case, the following equation is used.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00017
Figure pat00017

다음으로, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)을 통해 생성된 프린지패턴(fi)과 프린지 패턴 생성기를 통해 생성된 프린지패턴(

Figure pat00018
)을 무작위 값 ε으로 가중치를 달리하여 더한다. 다음 수학식과 같다. Next, a fringe pattern (f i ) generated through a computer-generated hologram (CGH) and a fringe pattern (
Figure pat00018
) is added with different weights as a random value ε. It is as the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00019
Figure pat00019

다음으로, 수학식 6을 이용하여 손실함수 Li 를 산출한다.Next, a loss function L i is calculated using Equation (6).

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서, λ는 패널티 계수로서, 손실함수의 크기를 조절하는 역할을 수행한다. λ는 사전에 정해진 값이다.Here, λ is a penalty coefficient and serves to adjust the size of the loss function. λ is a predetermined value.

또한, D(

Figure pat00021
) 등은 프린지 패턴 판별기에 의한 값으로서, 실제 프린지 패턴과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타낸 것이다.Also, D(
Figure pat00021
) and the like are values obtained by the fringe pattern discriminator, which indicates how similar the actual fringe pattern is.

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.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.

Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
로 델 연산자(확률적 경사 상승 기법을 이용한 심층신경망의 미분으로의 델 연산자) ▽에 의해 미분한 값이다.
Figure pat00022
is
Figure pat00023
to
Figure pat00024
It is a value differentiated by Rhodel operator (Del operator to differentiation of deep neural network using stochastic gradient escalation technique) ▽.

다음으로, 모든 샘플링 포인트에 대하여 위와 같이 손실함수를 구하면, 다음 수학식과 같이, 프린지 패턴 판별기를 최적화시킴으로써 학습시킨다.Next, if the loss function is obtained as above for all sampling points, learning is performed by optimizing the fringe pattern discriminator as shown in the following equation.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00025
Figure pat00025

θD 는 프린지 패턴 판별기의 파라미터들을 나타낸다. 패턴 판별기의 파라미터는 신경망의 파라미터들로서, 가중치, 바이어스 등을 나타낸다. 또한, Optimizer(x,parameters)는 x의 값이 최소화 되도록, 파라미터 parameters들을 변화시켜 최적화 시키는 함수를 나타낸다.θ D represents the parameters of the fringe pattern discriminator. The parameters of the pattern 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.

즉, 수학식 7은 각 샘플링 포인트 ci 의 손실함수 Li 의 평균값을 델 연산자(▽)에 의해 미분하고, 미분한 값을 최적화하는 파라미터들의 값을 구하여 최적화를 수행하는 것을 나타낸다.That is, Equation 7 indicates that the average value of the loss function L i of each sampling point c i 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.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. 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.

그런데 수학식 7은 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.However, Equation 7 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, 프린지 패턴 판별기를 1회 학습을 수행한 것이다. 이와 같은 학습 과정을 k회 반복하여 프린지 패턴 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, the fringe pattern discriminator was trained once using the sampling data. This learning process is repeated k times to learn the fringe pattern discriminator.

다음으로, 프린지 패턴 생성기의 훈련을 위하여, 객체의 포인트 및, 잡음 영상을 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, a point of an object and a noise image 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 8][Equation 8]

Figure pat00026
Figure pat00026

요약하면, k 번 판별기를 훈련시키고 난 후에 1번 생성기를 훈련시키는 방법을 사용한다. m개의 미니 배치 크기만큼 잡음 영상, 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 잡음 영상과 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. The noise image, actual fringe pattern and condition are randomly extracted as many as m mini-batch sizes, and the model is propagated using this. 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. 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(20)를 설명한다.Next, the step 20 of generating a digital hologram will be described.

프린지 패턴 생성 훈련 단계(S10)을 통해서 만들어진 프린지 패턴 생성기를 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하는 절차를 도 9에 나타냈다.A procedure for generating a digital hologram using the fringe pattern generator created through the fringe pattern generation training step S10 is shown in FIG. 9 .

앞서 설명한 것과 같이 생성기는 실수부 생성기와 허수부 생성기의 2개로 구성된다. 각각의 생성기는 실수 프린지 패턴과 허수 프린지 패턴을 생성한다. 생성된 프린지 패턴은 밝기 값과 곱해지고, 이전에 생성된 프린지 패턴과 누적덧셈을 수행한다. 모든 객체 포인트에 대한 프린지 패턴이 누적하여 덧셈이 되면 최종적인 홀로그램이 만들어진다. As described above, the generator consists of two parts: a real part generator and an imaginary part generator. Each generator generates a real fringe pattern and an imaginary fringe pattern. The 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.

프린지 패턴 생성 모델을 이용하여 홀로그램을 생성시키는 구체적인 절차는 도 10의 유사코드의 형태로 나타내었다. 도 10에 대한 각각의 용어와 방법들에 대해 아래에 구체적으로 설명하였다. A specific procedure for generating a hologram using the fringe pattern generation model is shown in the form of a pseudo code in FIG. 10 . Each term and method for FIG. 10 has been described in detail below.

condition(object points) : 객체 포인트 정보로부터 3차원 좌표를 호출하는 과정condition(object points): The process of calling 3D coordinates 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

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

H : 한 장의 디지털 홀로그램H: One digital hologram

즉, 객체 포인트 정보에서 심층신경망의 조건으로 사용할 좌표정보와 밝기 정보를 호출한다. 좌표정보를 이용하여 생성기를 통해 한 장의 프린지 패턴을 생성하고, 생성된 패턴들에 밝기 가중치를 부여한 이후에 누적하여 홀로그램을 생성한다.That is, coordinate information and brightness information to be used as conditions for the deep neural network are called from the object point information. A single fringe pattern is generated through a generator using coordinate information, a brightness weight is assigned to the generated patterns, and then a hologram is generated by accumulating it.

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

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00027
Figure pat00027

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 누적덧셈하여 생성된 홀로그램을 그림 8에 나타냈다. 도 12(a)가 실수부이고, 도 12(b)가 허수부이다. Fig. 8 shows the hologram generated by cumulative addition of the fringe patterns generated through the 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 (9)

인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법에 있어서,
(a) 3차원 객체의 포인트들을 샘플링하고, 샘플링된 포인트에 대하여 CGH(computer generated hologram) 알고리즘에 의해 생성된 제1 프린지 패턴, 및, 프린지 패턴 생성기에 의한 제2 프린지 패턴을 생성하고, 제1 및 제2 프린지 패턴의 유사 정도의 확률값으로 상기 프린지 패턴 생성기를 갱신시켜서, 상기 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 단계; 및,
(b) 상기 3차원 객체의 모든 포인트들에 대하여 학습된 프린지 패턴 생성기를 통해 제3 프린지 패턴들을 생성하고 생성된 각 제3 프린지 패턴에 밝기 값을 곱하고, 밝기 값이 곱해진 모든 프린지 패턴을 누적하여 디지털 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
In the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology,
(a) sampling points of a three-dimensional object, and generating a first fringe pattern generated by a computer generated hologram (CGH) algorithm for the sampled points, and a second fringe pattern by a fringe pattern generator, and the first and learning the fringe pattern generator by updating the fringe pattern generator with a probability value of the similarity of the second fringe pattern. and;
(b) generating third fringe patterns through a fringe pattern generator learned for all points of the three-dimensional object, multiplying each generated third fringe pattern with a brightness value, and accumulating all fringe patterns multiplied by the brightness value A method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that it comprises the step of generating a digital hologram.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 생성된 프린지 패턴이 실제 프린지 패턴과 얼마나 유사한지 확률적으로 나타내는 프린지 패턴 판별기를 구성하고, 샘플링된 포인트에 대하여 프린지 패턴 판별기를 학습시키고, 학습된 프린지 패턴 판별기를 이용하여 상기 프린지 패턴 생성기를 학습시키는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
According to claim 1,
In step (a), a fringe pattern discriminator is constructed that probabilistically indicates how similar the generated fringe pattern is to the actual fringe pattern, and the fringe pattern discriminator is trained on the sampled points, and the learned fringe pattern discriminator is used to A method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that learning the fringe pattern generator.
제1항에 있어서,
상기 프린지 패턴 생성기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
According to claim 1,
The fringe pattern generator is a digital hologram generation method using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that it consists of a deep neural network.
제2항에 있어서,
상기 프린지 패턴 판별기는 심층신경망으로 구성된 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
3. The method of claim 2,
The fringe pattern discriminator is a method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that it consists of a deep neural network.
제2항에 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 디지털 홀로그램의 생성 방법.
3. The method of claim 2,
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 of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology.
제2항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 다음 수식 1을 이용하여, 상기 프린지 패턴 판별기의 파라미터 θD 를 최적화 시킴으로써 학습시키는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
[수식 1]
Figure pat00028

단, Li는 손실함수이고, ▽θD 는 θD 에 의한 확률적 경사 상승 기법을 이용한 심층신경망의 미분으로의 델 연산자를 나타내고, Optimizer(x,parameters)는 x의 값이 최소화 되도록, 파라미터 parameters들을 변화시켜 최적화 시키는 함수를 나타냄.
3. The method of claim 2,
In the step (a), using the following Equation 1, the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that learning by optimizing the parameter θ D of the fringe pattern discriminator.
[Formula 1]
Figure pat00028

However, L i is a loss function, ▽ θD represents the del operator to the differentiation of a deep neural network using the stochastic gradient ascending technique by θ D , and the Optimizer(x,parameters) is a parameter parameter so that the value of x is minimized. Represents a function that optimizes by changing
제6항에 있어서,
상기 손실함수 Li를 다음 수식 2와 같이 구하는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
[수식 2]
Figure pat00029

단,
Figure pat00030

여기서, ε는 사전에 설정된 가중치이고, fi는 CGH 알고리즘에 의한 프린지 패턴이고,
Figure pat00031
는 프린지 패턴 생성기에 의한 프린지 패턴이고, Li는 손실함수이고, D(
Figure pat00032
), D(fi), D(
Figure pat00033
)는 각각
Figure pat00034
, fi,
Figure pat00035
의 프린지 패턴 판별기(D)에 의한 값이고,
Figure pat00036
Figure pat00037
Figure pat00038
로 델 연산자 ▽에 의해 미분한 값을 나타냄.
7. The method of claim 6,
A method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that the loss function L i is obtained as shown in Equation 2 below.
[Formula 2]
Figure pat00029

only,
Figure pat00030

Here, ε is a preset weight, f i is a fringe pattern by the CGH algorithm,
Figure pat00031
is the fringe pattern by the fringe pattern generator, L i is the loss function, D(
Figure pat00032
), D(f i ), D(
Figure pat00033
) is each
Figure pat00034
, f i ,
Figure pat00035
is the value by the fringe pattern discriminator (D) of
Figure pat00036
is
Figure pat00037
to
Figure pat00038
Represents the value differentiated by the Rhodel operator ▽.
제6항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 다음 수식 3을 이용하여, 상기 프린지 패턴 생성기의 파라미터 θG 를 최적화 시킴으로써 학습시키는 것을 특징으로 하는 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법.
[수식 3]
Figure pat00039

단, ▽θG 는 θG 에 의한 델 연산자를 나타내고, G(zi|ci)는 각 샘플링 포인트 ci가 주어졌을 때 잡음 영상 zi으로부터의 프린지 패턴 생성기의 값을 나타냄.
7. The method of claim 6,
In the step (a), using the following Equation 3, the method of generating a digital hologram using artificial intelligence and deep learning technology, characterized in that learning by optimizing the parameter θ G of the fringe pattern generator.
[Equation 3]
Figure pat00039

However, ▽θ G represents the del operator by θ G , and G(z i | c i ) represents the value of the fringe pattern generator from the noise image z i when each sampling point c i is given.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 인공지능 및 딥러닝 기술을 이용한 디지털 홀로그램의 생성 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium in which a program for performing the method of generating a digital hologram using the artificial intelligence and deep learning technology of any one of claims 1 to 8 is recorded.
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