TWI374343B - Verfahren zum rendern und generieren computer-generierter videohologramme in echtzeit - Google Patents
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Description
1374343 f年日修玉補充 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】
本案為-種由具深度資_三維影像:#料而㈣算圖並產生 電腦產生的視頻全像⑽H)之方法。至於算圖處理，本發明係關 於3D算圖管道(pipeline)或圖像管道，其描述從三維景象至監視 器螢幕的像魏雜之向量的、數學_述之終法。三維影像 資料包含深度資訊通常也包含，材料和絲加資訊。 至於全像資料的產生，本翻係關於景象次剖面(漆咖心)的 轉換’其中此轉換描述光波的傳播。在三維物體或三維景象的全 像重建期間，光波前經由同調光波的干涉和重疊而產生。
對比於傳統全像，其以攝影方式或其他合適的方式以干涉圖 形的形式儲存’⑽由—連㈣三特象之全像倾的計算處理 之結果而得，並儲存於電子裝置。可產生干涉_變光在空間中 以光波_形_狀駭者_前’觀波狀振幅及相位值 為可控制的’該光㈣軌重建三維景象。峨頻錄之全像值 =制一個空間_制議造成波場，其調變為像素且由顯示營 幕射出，經由在重建空間中產生干涉之方如鍵三維景象。 一個全像顯示設備-般包含-可控制的像素排列，其藉由電 方式影響振鴨及/或照射光的相而重建物體點。此一排列形成— 空間光調制器⑽）’或者，更—般性地，形成—光調制裝置。顯 不設備可以連續形式储矩陣(matrix)形式。舉例來說，可能是 1374343 ; 丨蒎日倏正補充 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 一連續的SLM ,包括具矩陣控制之連續SLM或聲光調制器（A〇M)。 液晶顯不器（LCD)可作為用光圖形的空間振幅調變之方法重建視 頻全像的—個合適顯示設備的例子。然而，本發明也可應用在使 用同調光以調變光波前的其他可控制的設備。 在本案中’「像素」代表SLM的一個可控制的全像像素；個別 像素由全像點的離散值定址及控制。每個像素表示一個視頻全 像的全像點。在LCD中’「像素」一詞是用在顯示螢幕個別可定址 的影像點。在數位光處理⑽)技術中，「像素」—詞是用在一個 別微鏡或一小組微鏡。在連續SLM中，「像素」是表示一複數全像 點之SLM上的過渡區域。❿「像素」一詞一般代表可被表示或可 顯示一複數全像點的最小單位。 【先前技術】 舉例來說，電腦產生的視頻全像可用一全像顯示設備（如申 凊人在案件W02004/044659中所述）重建。觀察者通過至少一虛 擬觀察者視窗而向齡螢幕觀看，魏f的尺寸比睛孔大。 觀察者視S是-個受限顏域，透過它驗者可在足約 的能見度下看到整個重建三維景象。觀察者視窗位於靠近眼睛 處。觀察者視窗可移至x，.y，及z方向。在觀察者視f内，波場發 生干涉使得重賴H戰察者*言為可見的。視冑狀在靠近眼 睛的位置’並且可以藉由已知的位置制及追齡制幫助，追 縱到實際峨察者位置。因此視窗之尺寸可較慨_在只稍大 S- 6 1374343 f叫军曰修正補充 TPPO/PUK206-0 ] 4-Specificati〇n.rtf 於眼睛瞳孔。也可以使用兩個觀察者視窗，每個眼睛一個。一般 而言，更複雜的觀察者視窗安排方式也是可以做到的。更進—步， 可以做到將包含物體或包含對觀察者而言顯現在Μ後方的整個 景象之視頻全像編碼。 「轉換」（transformation) 一詞應建構在如包括任何數學的 或者同於或近於轉換的計算麟。雜在鮮_僅為物理過程的 近似’物理在馬克斯朗波絲式（Maxwellian wave eciuation) ”述的更域確。轉換，如紐耳轉換（如㈣ transformation)或一般熟知為傅利葉轉換（F〇urier transformaticm)的制轉換_，描述二階近似。轉換通常由 代數或非微分方程式表示並因而可使用已知的計算裝置作有效率 且咼品質的處理。此外，它們亦可精確地使用在光學系統。 申請人所提出❾W0 2006/066919案件描述計算處理電腦產生 的視頻全像的-種方法。依_方法，具三維景象的複數振幅值 之物體分配在平行虛擬剖面層之矩陣點，如此對每個剖面而言個 別物體資料集是以矩陣財_散振幅肢義，且全像顯示裝置 的光調制器矩陣之全像碼是由影像資料集計算而來。 依據本發明’物體的解利用以下步騾之概念以電腦辅助進行： 繞射影像以觀察料面之錄二職場分配之形式計算（觀察者 平面放置在與剖面層平行且固定距離之位置），由每個層析景象剖 面之每個物體資料集，其中對至少一個一般虛擬視窗計算所有刳 1374343 Μ年从日修正補充 TPPO/PUK206-0 ] 4-Specification.rtf 面之波場’ 者視窗置於靠近觀察者眼睛的·者平面，該觀 察者視窗ϋ域s積小於視頻全像；附加所有顯層的計算分佈以 對貝料集之觀察者視紋義總合波場，該資料紐驗者平面所 參考。 參考資料集被轉換為-全像平面，其被放置在與參考平面平 行且-定距離，以為景象之總合的電職生的全像創造一全像資 料集，其巾光翻輯放置在錄平面，且景—域光調制矩 陣在解碼後在觀察者眼前的空間中重建。 上述的方法及全像顯吨備如不鍵景象本身的物體之想 法為基礎’而偏好在-麵多個聽者視f中重建物_ 之波前。 、觀察者可以透過虛擬输者視窗翻景象。經由已知的位置 去极追縱纽之幫助，虛賤察者視窗可被追朗實際的觀察 置。—、平__的（fn^.shaped)重建空 ^ ’其在全示設__崎置和觀察者視扣延伸，其中 =示此平細物卩吻_赚邱部。若觀察者視窗 窗=’ =_料_於角椎體。觀察者透過虛擬觀察者視 頭不處看亚且錢察者視窗献麵景象的波前。 【發明内容】 本案之目的在於提出一種 即時視頻全像之方法。尤其9广度"訊的二維影像舰生 疋"T使用圖像處理器及今日商業上 s. (年日修正補充 ^ *ΓΡΡ〇/Ρ^Κ2〇6-014-Specification.rtf 吊用的圖像子系、％，例如用在賴卡及遊戲㈣Utonsoles) 至於硬體、軟體、及程式介面可使用已建立的工業標準而不 限制其一般性。 本發明的方法之—般概念將在以下轉，而不贅述可能的最 狀况此方法以具深度資訊的三維影像資料為基礎。舉例來 兒貝訊可以頂點、法向量、及矩陣之形式的三維描述而得。影 像資料通纟包含關於材料及表面性質的附加資訊。 在即時算圖中’為了可在監視器螢幕上顯示，犯算圖管道 (pipeline)或圖像管道描述由三維景象之向量的 '數學的描述至 碼框緩衝器（frame buffer)中像素化影像資料的路徑。舉例來說， 螢幕座標與設備座標之轉換，織構化（texturing)，剪取(clipping) 及去階梯化在管道中執行。像素化(pixelated)的影像，表示三維 景象的二維投影，其儲存在圖像適配器（adaptor)的碼框緩衝器 中，包含監視器螢幕（例如液晶顯示器）的可控制的像素之像素 值。 為了表示出全像，可產生干涉的光為相調變且/或振幅調變 的’並藉著重疊光波產生的干涉圖形以重建三維景象。 此圖像管道也用於由具深度資訊的三維影像資料產生視頻全 像的第一處理步驟。然後’全像資料的產生是以景象的轉換為基 礎，其中轉換描述光波的傳播。在一個回轉換之後，編碼處理完 成，其中對全像顯示設備的一個或多個光調制裝置而言複數全像 1374343 值轉換為像素值。 換及t是—方面以3D算圖處理而另—方面以全像轉換和回轉 、及、4碼處理，以兩者在圖像處理器和算數處理器上不分開執行 〜概‘。為基礎’而是兩個處理組在一個或多個圖像處理器上執 仃。所有處理步刺完整執行是實行在圖像m其主要包含 圖，處理器的主要元件、错存媒體及介面。依據本發明，主= 勺疋利用目則商業上可得之圖形處理器的高效能，與算數處理器 b較更進—步，在圖像子系統與其他外部介面間傳遞的複雜 料可忽略不計。 " /在‘’上述的處理步驟之細節將在下面說明。三維景象的視 野疋由觀祭者的位置及觀看方向而確定。觀察者被分配至少一 個虛擬視窗’該虛擬視窗位在參考平面上靠近觀察者的眼睛。 影像資料可以具深度資訊之三維描述的形式而得。典型上， 物體的顏色及其表面的紋理為定義的。更進—步，材料的性質和 光源經由輔助演算法的幫助而展現或產生。 、 在準備步騾中，景象依據觀察者的觀看方向而旋轉、縮放及 平移，並計算景象的可見度。然後，經由一照明模组（illumination _el)的辅助’計算所有關於光的形式和分佈的所需資訊。此目 的為確保在產生全像資料的後續步驟中，座標和明暗細節不必重 複運算。這些運算相當複雜而會在複合景象(c_ex s㈣e)的狀 況中對整個系、_表現造成反作用。 1374343
s浚正說;t TPPO/PUK206-014-Specif5cation.rtf 第一處理步驟包含3D算圖及產生深度地圖。然後景象資料被 兩個平行平面蝴為剖面層。這些平面位在與觀察者觀看方 向成直角的位置，且兩剖面平面的距離設為夠小到以確保足夠的 計算結果精確度及好的處理效果。理想上，此距離要非常小，使 得在計异巾只有與觀察者在—定麟的深度才必須考慮。如 果平面間的距雜大，應選擇深度:#贿得兩平面f摘平均距離
是固定的且分祕某-層。現在可算圖（rendered)出—層的之景 象剖面資料並產生深度地圖。
在接續的處理步射，景象剖面:紐進行轉換。—般而言， 轉換是描述光_駐虛擬者視t，單的職是傅利葉 (=ler)轉換或雜耳(Fresnel)轉換。傅利葉轉換較適用於遠 =:Γ輿觀察者距離遠’光波可以視為平面波前。對比於 二的轉換，傅利葉轉換的好處是藉由光學元件的辅助，轉換可 被模型化(_的，反之亦然。在球面波描述的近場中，雜 =轉，較她。是基於固…麵，其由 含。 舉例=使用兩平面之，座標或兩平面的 向的剖面平面，直到整個景象完^的換步驟:此連續移取觀看方 的轉換的資料，以形成-總合資料景象剖面資料 考資料集表示_景象剖面資料的轉換之、象轉換谈’此蒼 在接下來的處理步射，進行回轉換參考資料轉換為 1374343 (叫年 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 與光調㈣置之赌-致的全像平面，其倾與參考平面平行且 確定距離德置’料生視齡像的錄魏。 在最後的處理麵中，進行編碼處理，其中在正規化後，進 行轉換為像隸。若朗Burekhardt編縣，概全雜是由三 個在二和1範圍間被正規化的三個值所代表，其中由工代表的值 形成取大可完成的元件值。這些值隨後轉換為離散值，它們以離 散的灰階值之形式表示光調職置的像素之控制強度。離散化步 驟的數目取決於所制的_卡之躲及顯示面板。f通常為8 位元的解析度且具256灰階。也可能為其他解析度，例如10位元 或更南。其他細城碼方法^_(twQ—phase)編碼法。 依據此方法的-個特別之實施例，若選用無法分析之編碼 法’而以咖#_ ’㈣總、_崎重複直到足夠 逼近以取小信號雜訊為特徵的最佳解。 編碼的像素值在瑪框緩衝器傳送至光調制器，其中可產 涉的光為相調變和/或振幅調變的，並藉由重疊 形而重建三維景象。 —若要產生_影像内容，可類比柄應用此方法於每個色彩 兀件。為了表現視頻全像，每個像素可由具三主色之^ / ㈣-P㈣s)_絲卿㈣色全像點。触彳ς像 的義，次像封缺進-步_絲現每個耗、=碼 本發明方法於目前前上可狀圖像處”及圖 12 1374343 TPPO/PUK206-0I4-Specification.rtf 如使用在繪圖卡及賴㈣器者，提_具深度資⑽三維影像 資料而即時產生視頻全像之方式。 【實施方式】 本發社其他方面和、纟4將融具體實補及_圖式之辅 助而說明如下。 —目-為本方法之流程圖。本方法是以具深度資訊的三維影像 貝料為基礎。景㈣視野是峨察者触置及觀看方向所決定。 一個觀察者被分配至少-個虛擬觀察者視窗，該視窗在觀察者平 面靠近觀察者眼睛處。 〜在準備步射’轉換景象座標並進行景象照明（illuminati〇n) 計算，考慮觀察者的觀看方向。若有必要的話，可執行更多的步 驟以增進景象呈現之品質。這些步驟及所有接續的步驟，是在圖 像子系統令執行的。 鼸 第-步驟包含3D算圖及產生兩平行剖面平面之景象剖面資料 的深度地圖，該兩平行平面配置於與觀察者觀看方向成直角的位 置。然後轉換景象剖面資料’也就是說，計算傳遞至參考平面上 虛擬觀察者視窗的光波之傳播。附加上轉換的景象剖面資料以形 成—總合資料集。在此實施例中使用傅利葉轉換，其經由快逮傅 利葉轉換演算法的輔助而執行數值上運算。主要的數值操作^ 執行此轉換，也就是說，主要_法和加法、重奴條件指 1374343 λ日修正補充 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 及其組合，經由一個可程式化的著色器（shader)而實行。 然後重複3D异圖及轉換的步驟，此時連續的在觀看方向移取 剖面平面’直到整個景象轉換完成。之後，將景象回轉換，此處 也使用傅利葉轉換演算法。反轉換經由可程式化的標準化著色器 而執行，如同原始的轉換。在回轉換過程中，總合資料由參考平 面轉換至絲_裝置位置—致的全像平面，且其錄與參考平 面固定距離且平行之位置’以產生視頻全像的全像資料。 ,最後，將景象編碼，其中在正規化步驟後，像素值在碼框緩 衝器被計算並傳送至光_裝置以重建三維景象。_換相比， 這二簡單的异數運;是在最胃單的狀況巾並麵可程式化的著色 器而進行及表現。 <圖二為本方法於疊代解特_流㈣。如第-實施例所述而 〇十並執仃以下主要H計算景象能見度和照明、邪算圖和深 度地圖的產生、總合轉歸料之縣、贿換、及編碼之主要步 驟。此實施例是基於像素值的編碼被無法騎式計算的想法。由 3D算圖至編碼的步驟因而以疊代方式執行。計算出的編碼像素 值’也就是姊/或振巾备’使用在接續的疊代步驟中之轉換及回轉 換=初始值。顿重複纽朗足夠逼近以最小信驗訊為特徵τ 的取L解。考慮使用啸換的形式及數值演算法， 停止條件綠佳敎義。 "他 圖二5兄明本案較佳之全像顯示設備(_的-般原理’該全像 14 S. ϋ/4343 (1年7月打日修正補充 „ - < Τ'ΡΡΟ/ΡϋΙΟΟό-014-Specification.rtf ’拉。又備示依據本發财法所產生的視頻全像。由觀察者 他或她的眼睛代表觀察者⑼，透過虛擬觀察者視窗(QW)看向全像 顯示設備(獅）。麟備包含有m光鋼t置(su〇。此全像顯 示設備是以重建三雉景象(3D~S)中由物體發射至觀察者平面(〇p) 上之一個或多個虛擬觀察者視窗（0W)之波前為基礎。 1374343
1聲飞G设修么滿无 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 【圖式之簡革說明】 圖一為本案較佳實施例的流程圖； 圖二為本案較佳實施例於疊代解特例的流程圖； 圖三為本案較佳實施例之全像顯示設備的示意圖。 【元件編號之說明】 HDD全像顯示設備 0 觀察者 0W 虛擬觀察者視窗 SLM空間光調制裝置 3D-S三維景象 0P 觀察者平面
S- 16
Claims (1)
- 申請專利範圍： 丨年1: 曰修二苳充 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf 1. 一種由具有深度資訊的三維 黯目w 4貝枓而進行㈣算圖並產生電 知產生的視頻全像之方法，對 去綱Μ ,⑴,、 王像顯不設備（HDD),其包含 ^ ^ 切粒射向—規祭者眼睛的波前， 的位置和觀看方向定義三維景象㈣)的一視野且二硯祭者破繼，触靠近該鮮 者眼睛的-觀察者平面處’以及在—準備處理步射，考岸該觀 察者的硯看方向而轉換景象座標並進行景象·計算，此方法包 含以下處理步騾： ^驟（^ 3 D开圖及產生兩平行剖面平面之間景象剖面資料的深度 士圖，該平行剖面平面配置於與該觀察者觀看方向成直角之位置， 步驟⑵：該料㈣的键，科算紐祕者視窗之 轉⑶：細D算誠馳㈣，啊在_看方向連續將 X J面平面純’直到整個景轉換完成，姻加侧轉換的結 果， 、口 步驟⑷：回轉換(Back_transf贿ti〇n)，其中總合資料由該觀 察者平面轉換至與-空間光調制裝置（闕的位置—致的一私象 平面’其位於與該觀察者平面平行且相距一固定距離的位置，以 產生5亥視頻全像的全像資料， 步驟⑸：編碼’其^在―正規化步雛，像素值在1框緩衝器 S- 13/4343 TPP〇/PUK206-014-Specification.rtf 中被計算和轉移以重建該三維景像， :中個別=犠一個或多個圖像處理器在一圖像子系 統（sub-system)中執行。 2.如申請專利範圍第1項所述的 刃万去，其中該3D算圖、轉換 回轉換、和編碼的處理步騾是在一 j程式化的標準化著色器 (shader)上實現並執行 ^如料第1項所述的方法，其㈣轉_由傅利葉之方式_光波至該觀 祭者視窗（0W)之傳播。 5如申糊輯㈣輪^㈣彻表現， 法應用於每個主色。 本方 1374343 (叫斤 ^ Λ?*;； i-ώ TPPO/PUK206-014-Specification.rtf V • 7.如申請專利範圍第1項所述的方法，對於該轉換和編碼處理的 一疊代解，其中步驟(1)到（3)為重複進行，直到足夠逼近以最小 信號雜訊為特徵的最佳解。19 1374343 (*"(年z月(？曰絛正補充 TPPO/PUK206-014-Specification.rtf data between two parallel section planes, which are disposed at right angles to the viewing direction of the observer, -Step (2): transformation of the scene section data, i.e. calculation of the propagation of the light waves to the observer window, - Step (3): repetition of the steps of 3D rendering and transformation, where the results of the individual transformations are added, -Step (4): Back-transformation, where the aggregated data are transformed from the observer plane into the hologram plane so to generate hologram data,Step (5): encoding in pixel values in order to reconstruct the three-dimensional scene, where the individual process steps are executed on a graphics sub-system by one or multiple graphics processors. 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：圖一 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 無 八、本案若有化學辆，綠能顯示翻特徵的化學式 4
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