TWI388948B - 在全像顯示裝置中即時產生全像圖的方法 - Google Patents

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Description

在全像顯示裝置中即時產生全像圖的方法
本發明為一種產生視頻全像圖的方法，特別是電腦所產生的視頻全像圖(CGVH)，即時來自於具有深度資訊的影像資料。在三維物件或三維場景的全像重建過程裡，光波前將會透過同調(coherent)光波的干擾與重疊而產生出來。
傳統的全像圖會以照片或以其他具有干擾圖樣之適合的方式來儲存，相較之下，視頻全像圖會以一種來自三維場景之順序的全像圖資料運算結果，或具有電子裝置的儲存結果來存在。
在一個全像顯示裝置裡，調變後的光能夠產生干擾，其以光波前的形式傳播在觀察者眼睛之前的空間中，此光波前可透過振幅和/或相位值來作控制，藉由此光波前可重建一個三維的場景。控制一個具有視頻全像圖的全像圖值之光調變器裝置會導致所發射的波場(已在其畫素裡被調變)，利用產生干擾，而在空間裡重建所需要的三維場景。
一個全像顯示裝置基本上包含可控制的畫素的一個安排配置，此可控制的畫素藉由電子式地影響發射光線的振幅和/或相位來重建物件點。在此文件中，所謂的「畫素」指得是光調變器裝置中的可控制的全像圖畫素；且每一個畫素都是由一個全像圖點 的離散值來作個別地定址與控制。每一個畫素都代表著視頻全像圖的一個全像圖點。在一個LCD中，所謂的「畫素」因此用來作為顯示螢幕的個別可定址的影像點。在一個數位光處理顯示器(DLP，Digital Light Processing display)中，所謂的「畫素」則被用來作為一個別的微鏡片或一小群的微鏡片。在一個連續的空間光調變器(SLM)中，「畫素」指得是代表一個複合全像圖點的光調變器裝置上的過渡區域。因此所謂的「畫素」一般來說指的是代表或能夠顯示一個複合全像圖點的最小單元。
目前已經有很多種型式的光調變器裝置廣為人知，舉例來說，如空間光調變器(SLM)這樣的形式。光調變器裝置可以是一個連續性的型態或一個矩陣型態。舉例來說，它可以是一個具有矩陣控制或聲光調變器(Acousto-Optic Modulator，AOM)的連續性SLM。液晶顯示器(LCD)可以作為藉由光的圖樣之振幅調變來重建視頻全像圖之顯示裝置的一個例子。然而，本發明也可以應用在其他使用同調光來調變光波前的可控制裝置上。
本發明所提出之全像顯示裝置，實質上是根據以下的原理：分隔成多個物件點的場景會被編碼成在至少一個光調變器裝置上的一完整全像圖。此場景可以從落在視頻全像圖的重建的一個週期間隔上的可視區域中，被看成重建的結果。子全像圖會針對要被重建之場景的每個物件點被定義。完整全像圖會藉由子全像圖的重疊來形成。一般來說，原理主要是在重建由一物件所發射出來 到一或多個可視區域的波前。單一物件點的重建只需要作為在光調變器裝置上被編碼的完整全像圖的子集的子全像圖。全像顯示裝置包含了至少一個螢幕裝置。此螢幕裝置可以是場景的全像圖被編碼於其上的光調變器本身，或是一光學元件，例如是一鏡片或一鏡面，而在光調變器上被編碼之場景的全像圖或波前則成像在此光學元件上。
螢幕裝置的定義與用來在可視區域裡重建場景的對應原理已經在申請書所申請的其他專利中作了詳細的敘述。在文件WO 2004/044659與WO 2006/027228中，螢幕裝置指得是光調變器本身，在文件WO 2006/119760，「用於場景的全像圖重建的投影裝置和方法」裡，螢幕裝置則為一光學元件，且在光調變器上被編碼的全像圖會成像在此光學元件上。在文件DE 10 2006 004 300，「用於場景的全像圖重建的投影裝置」裡，螢幕裝置其實是一光學元件，且在光調變器上被編碼的場景的波前會成像在此光學元件上。
可視區域是一個有限的區域，透過此可視區域觀察者將能看到整個重建後的場景。在此可視區域裡，波場會干涉以形成波前，並使得重建後場景能夠讓觀察者看見。其中的可視區域會位在觀察者眼睛上或附近。可視區域可以在X軸，Y軸，Z軸方向移動，並可藉由已知的位置偵測與追蹤系統之助，來追蹤確實的觀察者位置。我們可以讓每一個觀察者使用二個可視區域，即每一隻眼 睛分配一個可視區域。一般來說，可視區域的其他具體實施範例也是可能的。而且我們也可以將視頻全像圖編碼，以使得個別物件或整個場景對觀察者而言，似乎是落在光調變器之後。
一個虛擬且呈錐台體形狀(frustum-shaped)的重建空間，會在全像圖顯示裝置的光調變器裝置與可視區域之間作延展擴張，其中的光調變器代表錐台體的下底，且可視區域為錐台體的上底。如果作為上底的可視區域非常的小，則整個錐台體就會變成金字塔狀的角錐體。觀察者透過朝向全像圖顯示裝置的可視區域看去，並且在可視區域裡接收到代表著場景的波前。
在申請書所申請的文件WO/2006/066906中，提到計算視頻全像圖之方法。它一般會包含將場景切片成數個截段平面的步驟，其中的截段平面都與光調變器的平面相平行，並且能將所有的這些截段平面轉換到一可視區域，並將它們加到那裡去。然後加總後的結果會轉換回到全像圖平面，也就是光調變器所在的地方，因此就能確認出視頻全像圖的複數全像圖值。
上述的方法實際上包含了以下的幾個步驟，並藉由電腦之助以產生三維的場景：●從每個斷層場景截面的每一個物件資料集合，一個繞射影像會被以波場的分離二維分佈之形式來作運算以提供給觀察者平面，其中的觀察者平面會位在一個與截段平面相距有限距離且 平行的地方，其中對至少一個共有的可視區域，所有的截面的波場都會被運算，●運算後的所有截面之分佈會被加總起來，以在一個資料集合裡的可視區域中，定義出累計的波場，該資料集合會參考與觀察者平面的關係，以及●針對一般電腦所產生的場景全像圖之參考資料集合以產生一全像圖資料集合，此參考資料集合會被轉換到一全像圖平面中，而此全像圖平面會位在與參考平面相距有限距離且相互平行的位置，其中光調變器裝置位在全像圖平面上。
根據文件WO/2006/066906，複數全像圖值的產生是非常地複雜。由於必需作轉換的數量相當大，此一方法的執行將需要極大的運算負擔。全像圖值的即時編碼或產生都會需要昂貴的高效能的運算單元。因此昂貴的運算單元將會限制或降低數位視頻全像處理的可接受程度。
有鑑於此，本案所提出從具有深度資訊之三維影像資料即時產生視頻全像圖的方法。此方法利用簡單且不昂貴的運算單元來產生這些全像圖。
由本案所提出的方法，對所有的物件點，貢獻到場景的整體重建的子全像圖可以從至少一個查找表中擷取出來。其中這些子全像圖會被重疊以形成一個可以重建整個場景的完整全像圖。
藉由本案所提出之方法將可以適用於如申請專利範圍第1項所述之全像顯示裝置。像這樣具有適當的光調變器裝置的全像顯示裝置主要是架構在將數個波場相互重疊的理論基礎上，並且這些波場藉由一場景的物件點資訊在至少一個可視區域裡作調變。一個單一物件點會由一個子全像圖來建立產生，而其中的子全像圖的位置將會依賴於物件點的位置，且子全像圖的區域或大小也將會依賴於觀察者的位置。子全像圖的區域包含了這些在光調變器裝置上且必須被定址的畫素，以利於重建各別的物件點。子全像圖的區域也將因此而只顯示一個光調變器裝置的子區域。
藉由本案所提出之最簡單的具體實施範例，子全像圖的中央會位在通過即將被重建的物件點且通過可視區域的中央的直線上。另外，在本案所提出之最簡單的具體實施範例裡，子全像圖的大小將會藉由相交線理論來作確認，其中的可視區域會通過即將被重建之物件點而逆向回光調變器裝置而被追蹤。所以可視區域的大小也將因此而隨著觀察者與光調變器裝置之間的普通距離而有所改變。
假設至觀察者的普通距離是固定不變，它必須能清楚地確認物件點是否真的被編碼在一個固定的位置上。如果物件點並未被 編碼於一個固定位置，則子全像圖的位置被決定，猶如觀察者是位於中間的地方，例如在光調變器前的中央區域，這將不會依賴於觀察者確實的位置究竟在哪裡，假設至光調變器裝置的普通距離是固定不變。如果觀察者有所移動時，則重建後的物件點會落在由目前可視區域的中心點與子全像的中心點所連成的直線上。
如果物件點被編碼在一個固定的位置上時，這表示重建後物件點的空間位置會與光調變器裝置之間維持不變的關係。光調變器裝置與物件點之間的普通距離也會因此而保持不變。為了達到此一目的，與光調變器裝置相關的子全像圖的位置將會隨著觀察者的位置之改變而改變。在此重申，子全像圖的位置會被確認，以使得子全像圖的中心點位在通過即將被重建的物件點且通過可視區域的中心點的直線上。當觀察者移動時，此直線會具有即將被重建的物件點，其作為樞軸點，這表示子全像圖的位置會依賴於觀察者的位置。
本案所提出之具體實施範例裡所闡述的方法如以下所述：在預備處理步驟中，我們必須先確認可看見的物件點。準備好了的資料可以從一個介面被讀取使用。本案所提出的方法包含了以下的步驟：●針對每一個物件點尋找子全像圖的位置與大小，如以上所述；●從至少一個查找表裡確認所對應之子全像圖的貢獻度； ●針對所有的物件點重複以上的兩個步驟，其中的子全像圖會被重疊，以形成整個場景重建時的一個完整全像圖。考量全球座標系統，物件點的個別子全像圖是可重疊的，且可使用複數加成進行相加，以形成完整全像圖。
在上述的查找表裡包含了子全像圖的複數值以及物件點對完整全像圖的貢獻度。查找表將會被建構以利資料的快速查詢存取。查找表可以在任何型態種類的記憶體區段或介面上執行，以提供貢獻給子全像圖。例子包括專用記憶體區段，資料載體，資料庫，或其他的儲存媒體與介面。較適合的介面會是網際網路，WLAN，乙太網路，以及其他區域或全球的網路等等。
藉由本案所提出之其他相關範例，額外的校正功能可應用到子全像圖或完整全像圖，例如為了補償因光調變裝置之位置或形狀所導致產生的誤差，或為了改善重建的品質等等。例如校正值可以被加到子全像圖和/或完整全像圖的資料值中。
使用查找表的方法還可以作其他更多的擴充。舉例來說，用在色彩與亮度資訊的參數資料可以被儲存於分開的查找表中。另外，子全像圖和/或完整全像圖的資料值可以使用擷取自查找表裡的色彩和/或亮度值來進行調變。對於色彩的重現，我們也可以從分別的查找表裡擷取個別色彩的全像圖值。
查找表可藉由針對一已定義之空間中每個可能物件點，確認子全像圖之全像圖值，並且藉由將它們儲存在適合的資料載體和/ 或儲存媒體，或藉由通過其他介面進行提供來產生。其中的空間包含了類似像觀察者動作的可能軌跡範圍，且此範圍能讓觀察者看到全像圖。對於一物件點，舉例來說，對應於子全像圖的全像圖值會藉由傳播由物件點所發射到可視區域的波前來產生建立，並且會逆向轉換到光調變器裝置所在的全像圖平面上。根據文件WO/2006/066906，每一個全像圖值舉例來說會針對一個單一物件點而被產生。
藉由其他的解決方案，全像圖值會利用光束追蹤法之助被產生。另外其他的可行解決方案還包含了分析法，或最佳化法等等。近似法其實也是可行的方案之一。
因此總括來說，本案所提出的方法都會存取每一個即將被重建之物件點的資料值。這些資料可以用另外一個相對較快的步調來作更進一步的處理。即時產生全像圖資料值也將因本案所提出的方法而得到具體實施。
總而言之，可以說，之前使用昂貴運算單元的非常高成本方法來產生全像圖資料值，將能藉由本案所提出的方法得到大幅度的降低。藉由使用查找表將能以數量級的差距來降低運算的負載。所以本案所提出的方法將能允許讓全像圖的產生能利用一般普通的電腦系統以互動且即時的模式完成。最後，也感謝即時全像圖的有效產生，以確保在追蹤觀察者眼睛瞳孔時能有效減少不需要的延遲。對於單一觀察者所產生的全像圖也因此能以簡單的 運算單元即時得到確認。本案所提出的方法也可以允許將時間性的或空間性的分離全像圖即時地提供給多個觀察者。
因為全像圖的產生只需要一點點的運算負載，所以整個運算工作舉例來說可能並非由電腦的中央處理單元CPU所完成。藉由本案所提出之另一解決方案，全像圖可以使用繪圖卡的元件來產生，例如可使用繪圖中央處理單元(GPU)和/或特別設定的運算單元。這樣也允許增加資料的傳送速率。
圖.1a所示為本案所提出之針對單一觀察者提供一個全像顯示裝置(HAE)的基本原理。此一基本原理也可以推廣應用到多個觀察者。觀查者位置(VP)將以其眼睛或瞳孔的位置為基準。此一裝置包含了一個光調變器裝置(SLM)，其相同於本實施範例裡的螢幕裝置(B)，以簡化所有的元件，且它會將利用至少一個可視區域(VR)裡一場景(3D-S)的物件點資訊所調變的波場進行重疊。而其中的可視區域會被追蹤到觀察者的眼睛。一個重建空間(RV)會在光調變器裝置(SLM)與可視區域(VR)之間擴張展延。某個場景(3D-S)的單一物件點(OP)的重建只需要作為編碼於光調變器裝置(SLM)上之完整全像圖(HΣSLM )之子集合的一個子全像圖(SH)。如圖中所示，我們可以發現子全像圖的區域只包含了光調變器裝置(SLM)的一個微小子區段而已。藉由本案所提出之最簡單範例，子全像圖(SH)的中心點會落在通過即將 被重建的物件點(OP)，與可視區域(VR)的中心點的直線上。在本案所提出之此一最簡單範例裡，子全像圖(SH)的大小會架構在相交線理論基礎上而得到確認，其中的可視區域(VR)會透過即將被重建之物件點(OP)逆向追蹤到光調變器裝置(SLM)。子全像圖的位置與大小會定義這些在光調變器裝置(SLM)上之畫素指數，其被需要用來重建物件點且必須被定址。
圖.1b對此原理作詳細說明，並顯示具有子全像圖(SH1，SH2)之全像顯示裝置(HAE)的放大圖，其中子全像圖(SH1，SH2)分別相關於物件點(OP1，OP2)。在此圖.1b中這些子全像圖被侷限並形成在完整全像圖(HΣSLM )(即整體光調變器裝置SLM)中一個較小且相連的之子集合中。另外關於子全像圖的位置與大小，則會由架構在相交線理論(或更多函數關係)的基礎上而得到確認。
圖.2所示為子全像圖(SH)的理論透視圖，其中相似的元件以相似的元件符號標示。
圖.3所示為藉由本案所提出之具體實施範例的方法流程圖。在此具體實施範例裡主要是架構在一個包含了多個物件點(OP)的三維場景(3D-S)的基礎上。這些物件點都含有色彩與深度的對應圖。其中所謂的深度對應圖包含了深度資訊，而所謂的色彩對應圖則包含了畫素影像的色彩資訊，它們都由繪圖系統所提供。
在步驟(1)裡，存在於全像圖平面中或在光調變器裝置(SLM)上之個別的子全像圖(SH)的大小與位置，會針對每一個可視物件點而被確認。此乃藉由物件點與觀察者位置(VP)的深度資訊與前述的理論之助來完成。
在步驟(2)中，子全像圖(SH)的複數全像圖值會藉由至少一個查找表之助而得到確認，並遵循本案所提出之一般理論原則。舉例來說，這些資料會從繪圖系統的專用記憶體區段裡被擷取出來。另外，子全像圖的複數值會根據物件點的色彩和/或亮度，而隨色彩和亮度值進行調變，以利於在必要時修正全像圖值的振幅。舉例來說，子全像圖的複數貢獻值會與一個強度因子相乘。而色彩對應圖包含了色彩資訊，並可藉由一個分離的介面被讀取出來。我們也可以從至少一個查找表裡確認得到與子全像圖的貢獻值相關的色彩資訊。關於色彩表現，我們更可以從查找表裡擷取出色彩資訊的校正值，並且利用這些值來調變子全像圖的貢獻度。
在上述的查找表中的資料必須在事前就已經產生準備好。這些資料最好使用如文件WO/2006/066906所述之方法來對每一個單一物件點產生出來，如前面章節所介紹說明，並儲存在適當的資料載體與儲存媒體裡。藉由物件點的位置與特性之助，相對應的子全像圖會被先運算，而子全像圖的查找表(如果必要的話，將包括色彩與亮度值以及校正參數等)也因此而建立產生。
在步驟(3)中，物件點的子全像圖會被加總起來以形成一個完整全像圖(HΣSLM )。考量全域座標系統(global coordinate system)，物件點的個別子全像圖(SH1，SH2，…)會相互重疊，並使用複數加總在一起以形成一個完整全像圖(HΣSLM )。完整全像圖(HΣSLM )代表了所有物件點的全像圖。完整全像圖也因此代表著且整體的場景(3D-S)的重建。子全像圖可以在一個分離的步驟中被替換性地重疊。
在最後的步驟(4)中，如以上所述，全像圖值可以被編碼到伯克哈特元件(Burckhardt components)，二相位元件，或任何其他適當的碼中以將完整全像圖轉換成全像顯示裝置的畫素值，如文件WO 2005/044659，WO 2006/027228，WO 2006/119760，與DE 10 2006 004 300所述。
本案所揭露之技術，得由熟習本技術人士據以實施，而其前所未有之作法亦具備專利性，爰依法提出專利之申請。惟上述之實施例尚不足以涵蓋本案所欲保護之專利範圍，因此，提出申請專利範圍如附。
SH‧‧‧子全像圖
RV‧‧‧重建空間
VR‧‧‧可視區域
VP‧‧‧觀察者位置
OP‧‧‧物件點
3D-S‧‧‧場景
SLM‧‧‧空間光調變器
HAE‧‧‧全像顯示裝置
本案得以藉由下列圖示及詳細說明，俾得一更深入之了解：圖.1a，1b所示都為本案所提出之全像顯示裝置的二維結構圖；圖.2所示為說明本案所提出之全像顯示裝置的原理的透視圖；圖.3所示為本案所提出之具體實施範例處理方法的流程圖。

Claims (17)

  1. 一種在全像顯示裝置(HAE)中即時產生全像圖的方法，其中該全像顯示裝置具有至少一光調變器裝置(SLM)且於其上的場景(3D-S)被分隔成物件點(OP)，並被編碼成一完整全像圖(HΣSLM )，從位在該全像圖的重建的一週期性間距內之一可視區域(VR)中，可以看見被視為一重建的該場景，其中該可視區域定義一子全像圖(SH)，其與該場景(3D-S)的每一物件點(OP)一起被重建，其中該完整全像圖(HΣSLM )藉由子全像圖(SH)貢獻的疊置而形成，該方法的特徵在於：該子全像圖(SH)對該場景(3D-S)的整體重建的貢獻可以從每一物件點(OP)的至少一查找表中擷取出來。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一觀察者(O)的位置與觀看方向定義該場景(3D-S)的視野，且該觀察者(O)被指派到至少一可視區域(VR)，其位在一觀察者平面(OP)中靠近眼睛的位置，且在該場景(3D-S)的三維離散化成可視物件點(OP)後，該方法包含下列步驟：針對每一物件點(OP)尋找該子全像圖(SH)的位置與大小；從至少一查找表中確定所對應之子全像圖(SH)的貢獻；針對所有的物件點(OP)重複前述的兩個步驟，其中子全像圖(SH)被重疊，以針對整體場景(3D-S)的重建形成一完整全像圖。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該子全像圖和/或該完整全像圖的資料值依據亮度和/或色彩值而被調變。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該子全像圖和/或該完整全像圖的資料值乃依據來自至少一查找表的亮度和/或色彩值而被調變。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中校正值被加到該子全像圖和/或該完整全像圖的資料值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該子全像圖(SH)的位置被確定，以使得該子全像圖(SH)的中心落在通過將被重建的該物件點(OP)的直線上，並落在該可視區域(VR)的中心。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該子全像圖(SH)的大小尺寸藉由從該物件點(OP)到該光調變器裝置(SLM)來逆向追蹤該可視區域(VR)而被確定。
  8. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中為了色彩的重現，原色值可以從各別的查找表中擷取出來。
  9. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中複數全像圖之值被轉換成該光調變器裝置(SLM)的畫素值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該複數全像圖之值被轉換成伯克哈特(Burckhardt)元件或兩階段元件或任何其他適當的碼。
  11. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中對於具有一螢幕裝置的全像顯示裝置，該螢幕裝置是該光調變器裝置本身，或是一光學元件，該場景之該全像圖被編碼於該光調變器裝置本身上，而在該光調變器裝置上被編碼的該場景之全像圖或波前成像於該光學元件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該顯示裝置的該光學元件是一鏡片或鏡面。
  13. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中一物件點的子全像圖之全像圖之值藉由該物件點所發射至該可視區域的波前的傳播來作確定。
  14. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中該查找表是由確定在一由傳播波前所定義之空間中的每一可能的物件點之子全像圖的對應入口所產生，該波前是由該物件點發射出到該可視區域，且逆向轉換到該光調變器裝置所在的該全像圖平面上。
  15. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中該查找表是利用光束追蹤方法而藉由確定一已定義之空間中的每一可能的物件點的子全像圖的對應入口所產生。
  16. 如申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法，其中該查找表是利用最佳化或近似法而藉由確定一已定義之空間中的每一可能的物件點的子全像圖的對應入口所產生。
  17. 一種全像顯示裝置(HAE)，包括至少一光調變器裝置(SLM)，該全像顯示裝置(HAE)適於完成申請專利範圍第1到7項其中一項所述之方法來即時產生全像圖。
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