TWI400589B - 全像重現裝置渲染及製作彩色視頻全像圖的方法 - Google Patents

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Description

全像重現裝置渲染及製作彩色視頻全像圖的方法
本發明係為擴充三D渲染繪圖管線(RGP)，將含深度資訊之三D影像資料的即時彩色視頻全像圖渲染成像及其製作方法。
本發明係有關在渲染範圍內所謂的三D渲染管線或三D渲染繪圖管線(RGP)，該管線包含一個成為螢幕點陣式影像的三D場景之向量數學描述演算法。三D影像資料中包括深度資訊，通常還包括材料和表面特性的描述。另外，在三D渲染繪圖管線(RGP)中還進行如螢幕座標轉換到裝置座標、紋理化、裁切(clipping)及抗鋸齒(antialiasing)等方法。點陣式影像為三D場景之二D投影，存放在一個圖形介面卡的視框緩衝器(frame buffer)中，含有一個像液晶顯示裝置這樣螢幕之可控制像素的像素值資料。
本發明同樣也是針對全像重現裝置上場景的色彩顯示來計算全像值的分析方法。
基本上，此類視頻全像圖的重現裝置係以具有至少一個空間光調變器(SLM)為原則，在該空間光調變器上，是將一個分解成物點(OP)的場景(3D-S)作為母全像圖並進行編碼，而且可以從一個可見區域(VR)看到該場景的重建，該可見區域位於視頻全像圖之重建的週期性間距內，其中可見區域(VR)與場景(3D-S)的 每一個待重建的物點(OP)共同定義一個子全像圖(SH)，再由子全像圖疊加成母全像圖(H ΣSLM)。同時，將遵照基本上在一個或若干個能見區域內進行波前重建(物體散射波前)為原則。此外，這類裝置也以單一物點重建每次僅需一個子全像圖作為該空間光調變器中編碼的母全像圖之部份集合的原則為基礎。
另外，視頻全像圖的重現裝置具有至少一個顯示裝置，對此空間光調變器本身或光學元件(如透鏡或反射鏡)被稱為顯示裝置，而在該空間光調變器中，某一場景的全像圖經編碼而成，在光學元件上則有一個在空間光調變器中編碼的全像圖或場景波前顯現其上。顯示裝置之訂定和場景在可見區域內重建之相關原理均在專利申請人的文件中有所說明。文件號WO 2004/044659及WO 2006/027228中的顯示裝置為空間光調變器。文件號WO 2006119760中(投影裝置和場景全像重建之方法)的顯示裝置則是光學元件，一個空間光調變器中編碼的全像圖顯現其上。另外，文件號DE 10 2006 004 300中(場景全像重建之投影裝置)，顯示裝置指的是一光學元件，一個在空間光調變器中編碼的場景波前顯現在該光學元件上。至於申請人文件號WO 2006/066919中所說明的是全像影像之計算方法。
“可見區域”為一限制區塊，觀察者可透過此區域在充份的高可見 度下觀看整個重建場景。可見區域內波場相互疊加，使觀察者看見重建之場景。可見區域落在觀察者的眼睛上方或眼睛附近，可在XYZ軸方向上移動，並用知名的位置辨認裝置或追蹤裝置追蹤觀察者目前的所在位置。另外，可使用兩個可見區域，亦即一個眼睛對應一個範圍，或對可見區域提出較繁複的要求。此外，也可對全像影像進行編碼，讓觀察者覺得單一物體或整個場景看似置於空間光調變器之後。
本文件中，稱一個透過一個光源或若干個獨立光源的光照轉換、消滅和調變來控制強度、色彩和(或)相位的裝置為光調變裝置或空間光調變器(SLM)。一般來說，視頻全像圖的重現裝置包含一個可控制的像素矩陣，其中像素可改變透射光的振幅和(或)相位使物點重建，而空間光調變器也包含這樣的矩陣，例如，空間光調變器可連續或不連續地充當聲光調變器(AOM)使用。另外，可用液晶顯示器(LCD)來進行以振幅調變的全像圖重建。同樣地，本發明也針對其他可控制、能將足夠的相干光(coherent light)調變為光波前或光波浮雕(relief)結構的裝置。
像素一詞涵蓋一個空間光調變器的可控制全像圖的像素，代表全像圖點的一個離散值，並個別編定位址和受控制。每一像素代表著一個全像圖的像點，以LCD來說，像素為可個別操控的顯 示器像素。對於數位微鏡裝置(DMD)來說，如數位光學處理(DLP)，像素為一個可個別控制的微鏡或其中的一個小群組。在一個連續性的空間光調變器中，像素含有一個虛像的區塊，代表全像圖的像點。通常色彩呈現時，一個像素又劃分成若干個代表原色的子像素。
“轉換”一詞詮釋之廣使其包含所有等同或近似轉換的數學或計算技術。在數學上轉換的意思僅表物理過程的趨近，麥克斯威爾(Maxwell)的波傳播方程式中有較詳細的描述。另外，像Fresnel轉換或以Fourier轉換著稱的特殊轉換群組也都有二階趨近的描述。通常，是以代數而非微分的方式描述轉換，因此，在計算技術上可對此高效能地運用。此外，轉換也可作為光學系統進行精確地模組化。
申請人之專利文件WO 2006/066919係說明全像影像之計算方法。基本上，它是以場景分解成平斷面(該斷面與空間光調變器的平面平行)，並把所有平斷面轉換為可見區域，然後予以相加為基礎，再將合計的結果轉換回空間光調變器所在的全像圖的平面上，這樣即可算出全像影像之全像複數值。
專利文件DE 10 2006 025 096乃是描述含深度資訊之三D影 像資料的即時視頻全像圖之渲染成像和製作方法。其中，在第一模式中，三D繪圖管線能產生可控制螢幕像素之像素值，該管線乃在描述一個三D場景如何轉換成作為三D場景二D投影的點陣式影像。其特點是管線可切換擴充，得以在第二模式中，至少在一個全像色管線(HGP)裡產生全像複數值來作為空間光調變器(SLM)的像素值，從而在一般繪圖顯示時，藉由同時或交替式控制空間光調變器之全像圖值對一個分解的波場進行調變，使所需三D場景能透過空間干涉重建起來。
專利文件DE 10 2006 042 324則是描述即時全像影像之製作方法，利用單一物點重建僅需一個子全像圖作為空間光調變器中編碼的母全像圖之部份集合為原則，其特點在於查找表中的子全像圖對每一物點都有決定性作用，將其聚合而成母全像圖來進行整個場景重建。
上述方法可允許全像值的快速製作，但仍有必要將三D渲染繪圖管線(RGP)列入接下來的考量中。三D渲染繪圖管線(RGP)乃在描述一個三D場景如何轉換成作為三D場景二D投影的點陣式影像，所呈現的內容分為兩個記憶體區，一個是視框緩衝器，一個是Z緩衝器：
- 視框緩衝器中含有色彩值或色彩資訊，也就是觀察者所看到場景的色彩對應表(color map)。
- Z緩衝器中含有在標準呈現時場景的深度對應表或深度資訊，就如同觀察者從他的位置所看到的場景一樣。這些資料皆是以下全像色管線(HGP)的輸入資料，所產生的全像複數值作為該空間光調變器的像素值。
上述第一個全像影像之製作方法只有在消耗大量資源下才得以實現互動式即時顯像，且由於長時間計算的結果，可能使影像序列和3D互動式即時應用無法在所期待的重複頻率下呈現。不過，相應於傳統影像技術，電腦全像影像顯示仍是值得期待且有必要有一個高比率的影像重現。
本發明的目的在創造一個方法，使算出彩色全像值所需的計算時間能明顯縮減，而該方法的即時功能也須持續加強，並同時降低執行此方法的計算的繁瑣性。另外，還須透過額外的硬體和軟體模組來擴充最新繪圖卡架構或三D管線，使即時彩色視頻全像圖的製作得以持續受到支援。
全像影片製作的發明方法係針對至少具有一個空間光調變器的視頻全像圖之重現裝置而言。在該空間光調變器中，將一個分 解成物點的場景作為母全像圖進行編碼，並視該場景為一可見區域中之重建。該可見區域位於全像影像重建之週期性間距內，與每一待重建之場景物點共同界定一個子全像圖，再由子全像圖疊加而成母全像圖。其中，三D渲染繪圖管線(RGP)將一個含深度資訊、透過影像資料呈現的場景在物點上結構化，並為物點至少算出和提供色彩及深度資訊。此外，三D渲染繪圖管線(RGP)乃在描述一個三D場景如何轉換成作為三D場景二D投影的點陣式影像，為了製作彩色視頻全像圖而將管線加以擴充。
另外，從三渲染繪圖管線的結果資料得出全像複數值來作為全像重現裝置中一個空間光調變器之像素值。
同樣地，這類附有相應空間光調變器的視頻全像圖的重現裝置主要是以從觀察者眼睛方向或在可見區域內重建物體散射的波前為基礎。有關可見區域一詞定義已有所說明。
此外，利用一個場景的單一物點重建僅需一個子全像圖作為空間光調變器中編碼的母全像圖之部份集合為原則，該原則同時為本發明方法的第一步驟。每一子全像圖製造單一物點，其方位視物點的位置、其大小依觀察者的位置而定。下文中，子全像圖在空間光調變器上的範圍稱為調變範圍。調變範圍為空間光調變器 的局部範圍，為物點重建的必備要件。同時，為使物點重建，調變範圍也規定哪一相應的像素須在空間光調變器中被控制。若所牽涉的是一個所謂的固定物點，則調變範圍的位置保持固定不變，但對待重建的物點來說則視觀察者的位置而改變其方位。至於依觀察者的位置而改變調變範圍，從而使物件點固定編碼，則表示物件點不會因觀察者的位置而改變其空間方位。有關本發明可依上述這些原則做類似處理。另外，本發明以可測出作為每一子全像圖疊加、重建整個場景的母全像圖值為原則。
本發明係以每一原色的全像色管線皆能產生空間光調變器之全像值為構思基礎，其中全像色管線可同時算出原色之子全像圖，而一個全像色管線即代表一個原色，每一原色用一特有波長表示，最簡單的情況就是該原色為熟悉的色彩三原色之一，所有其他的色彩皆可從這三原色加以混合或用多工技術創造出來。因此，一個物點的單一彩色全像圖可同步呈現，也可依需求讓整個場景的色彩母全像圖同時呈現，而這裡作為色彩子全像圖總和、屬於某一原色的母全像圖值也是可測得的。
下面將就全像色管線的方法步驟加以說明，原則上可運用在每一應用的原色上。
在測出物點的調變範圍後，將所屬的子全像圖值算出並將作為母全像圖部份的子全像圖相加起來。在最佳實施例中，一個物點的子全像圖值是可由預先製作好的查找表測出的。
要同步執行全像色管線須擴充三D渲染繪圖管線(RGP)。如前所述，三D渲染繪圖管線(RGP)呈現的結果分為兩個記憶體區，一個是視框緩衝器，一個是Z緩衝器。
在本發明的第一個實施例中將把每一原色的三D渲染繪圖管線(RGP)結果存入個別的記憶體區中。記憶體的內容會因應複製，使每一全像色管線(HGP)皆備有獨自的視框緩衝器及所屬的色彩和自己的Z緩衝器，這樣即可確保全像色管線(HGP)在存取輸入資料時不會發生阻礙，也因此可高效能地存取這些資料。
在接下來本發明的較佳實施例中，三D渲染繪圖管線(RGP)將針對每一物件點把所測得的色彩值存入一個專用的視框緩衝器，並將測得的深度值存入一個專門的Z緩衝器。多工器則被定為控制工具來供應全像色管線，使資料分配並傳送到同步進行的全像色管線上。
所產生的母彩色全像圖將存放在記憶體或傳送到全像重現裝 置中，在該重現裝置中，會透過時間或空間多工技術從母彩色全像圖裡提供視頻全像圖。
特別是透過上述測得子全像圖值的方法應用，可確保對即時彩色全像圖值產生的要求。對應於傳統影像技術，電腦全像影像顯示可提供一個高比率的影像重現，同時，低成本及簡單的運算單位可確保即時製作。
下面將繼續就計算全像複數值的最佳方法加以說明。該方法係以此構思為基礎，亦即透過計算和分析調變範圍內成像元件模組之傳遞或調制函數(待重建的物點落在成像元件的焦點上)，在空間光調變器中的一個調變範圍內，從每一待重建物點之波前中算出一個子全像圖之全像複數值。成像元件位於全像重現裝置的全像平面上。全像平面由一個顯示裝置的位置所界定，而為使以下說明簡單化，顯示裝置指的是空間光調變器。
本發明方法的一個較佳實施例中，成像元件包含了一個位於全像平面中的傾斜透鏡和焦距f。傾斜透鏡是由一個相對於全像平面的不傾斜透鏡、一個垂直方向的稜鏡和一個水平方向的稜鏡所構成。嚴格來說，因為稜鏡的無散焦功能無法對物點進行重建，所以並不能透過稜鏡對子全像圖做定義。不過，為了使本發明的 構思清楚明白，仍會在下文對稜鏡有所描述，因為稜鏡在調變範圍中同樣對全像複數值有所貢獻。而為了計算子全像圖之複數值，有關場景每一可見物點的詳細方法則包含以下步驟：
A：依上述的實施方式算出調變範圍的大小和位置，不過調變範圍以區域座標系為基礎，其中座標原點為中心，以X座標為橫座標，Y座標為縱座標，並在調變範圍中，以“a”代表半寬，以“b”代表半高，作為尺寸標註，至於間距範圍會在以下項次中做說明。
B：算出全像平面中透鏡的子全像圖值：
B1：算出透鏡(L)的焦距f：先以透鏡的焦距f作為全像平面之待重建物點的標準距離；
B2：透鏡所屬子全像圖之複數值：以參考波長λ、焦距f、相關座標組(x,y)及帶有符號的凸透鏡/凹透鏡，從zL=exp{+/-i*[(π/λf)*(x2+y2)]}算出透鏡(L)之子全像圖(SHL)的複數值。
B3：由於x,y軸上的對稱關係，可在一象限上算出複數值，須注意其正負號，並將其他數值放到別的象限上。
C：算出調變範圍(MR)內稜鏡(P)的子全像圖： 所選的稜鏡通過橫向座標或縱向座標，見後面圖示說明。
C1：測定水平作用方向之稜鏡(PH)的線性因子Cx，並在x[-a,a]區間以Cx=M *(2π/λ)描述該因子，其中M代表稜鏡的傾斜度。
C2：測定垂直作用方向之稜鏡(PV)的線性因子Cy，並在y[-b,b]區間以Cy=N *(2π/λ)描述該因子，其中N為稜鏡的傾斜度。
C3：算出稜鏡組所屬子全像圖之複數值：相關子全像圖之複數值從兩個稜鏡項zP=exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}疊加，算出綸合稜鏡之子全像圖(SHP)的複數值。
C4：若全像重現裝置在可見區域中呈現光源投射的特性，則稜鏡項可省略不用。
D：對透鏡(L)的子全像圖(SHL)及稜鏡的子全像圖(SHP)進行調變：將透鏡和稜鏡的複數值複數相乘算出子全像圖組之數值：zSH=zL * zP或符號式SH=SHL * SHP相乘而得。
E：使用隨機相位：給每一個調變過的子全像圖都分配一個隨機分佈的相位，以確保可見區域中的光度能均勻分配，並使用複數乘法將隨機相位 加入子全像圖中：以zSH：=zSH * exp(iΦz)或符號式SH：=SH * exp(iΦz)進行複數乘法。
將隨機相位個別歸入每一子全像圖中，使整體看來所有子全像圖的隨機相位都有均勻分配。
F：強度調變：複數值中另配有一個代表強度或光度的乘數因子。zSH=C * zSH或符號式SH=C * SH，使調變過的子全像圖值帶有一個實際強度因子C。
G：計算母全像圖時，要將子全像圖疊加到母全像圖中。一個簡單的解決方法就是在注意子全像圖位置的同時，把子全像圖複數相加為母全像圖。
母全像圖=子全像圖之複數總和：HΣSLM=Σ SHi或符號式zSLM=ΣzShi(對全域座標來說)
本方法主要只針對可見的物點使用。物點的可見度在場景渲染過程中是由一個三D繪圖管線所訂定，並由觀察者的位置，也就是由瞳孔的相應位置，及從瞳位追蹤的可見區域位置得出。
本實施例係計算出最佳的解決方案。當然，若接受或甚至要求較差的重建品質而將上述的函數項改以更簡單的方式取代也是可以的。不過，顯而易見地還是使用更新的方法步驟來提升重建品質。例如，選用特別的透鏡或稜鏡來對像差或有公差的空間光調變器等進行補償。同樣地，這也適用於上述那些測定調變範圍用的舉例方法。
本發明的進一步方法是從母全像圖的全像複數值中算出某一視頻全像圖之重現裝置的像素值。例如，將全像複數值轉換為柏克哈特(Burckhardt)分量、二相位分量或其他形式的編碼。
本方法的優點在於預重建物件點的位置可任意落在重建區(截面體；frustum)內，且不須透過離散化(discretization)趨近切面。另外，步驟(B1)中的透鏡焦距和步驟(C1)的稜鏡參數須測定精確。
除了產生全像值使之顯示在全像重現裝置上外，本發明方法還優先使用產生子全像圖值之查找表。其中，將一設定好的空間區域在物點上結構化，並把每一物點的子全像圖值存入查找表中。而這類查找表可允許讀出預先計算好的一個物點之子全像圖值，並在全像資料產生的過程中使用它。另外，查找表中最好還 附有成像元件(也就是結合透鏡和稜鏡作用)的子全像圖，不過若相應的查找表中之子全像圖分別含有透鏡或稜鏡作用也是可理解的。一般來說，這些查找表可使方法持續加速進行，若該方法與本發明方法類似，且同樣以最佳方法利用子全像圖原則。此外，這類查找表也允許加速其他或運算密集的處理。
互動式即時全像顯示時，可藉助本方法並用現今所提供的硬體標準組件使物點在重建區內的任意位置上產生出來。若用性能較高的處理單位來執行本方法，則不僅能使場景結構精緻化，且能明顯提高重建的品質。此外，本發明方法也避免繁複的應用轉換，並以可從分析上執行步驟之簡單結構為特色，使本發明方法的即時能力也因此得以持續加強。
下文中，將依實施例對本發明做進一步的說明。
第1圖為從一個觀察者角度來看一個彩色視頻全像圖之重現裝置(HAE)之動作原理，若有好幾個觀察者也採用類似之原理。觀察者的位置是從觀察者的眼睛或其瞳孔(VP)位置來看。重現裝置包含一個空間光調變器(SLM)，對至少有一個可見區域(VR)的波前進行疊加，該波前包含物點資訊調變後的一場景(3D-S)。本實施例中為使敘述方便，空間光調變器與顯示裝置(B)的意思相同。可 見區域是靠觀察者的眼睛追蹤。一個場景(3D-S)的單一物點(OP)重建只需一個子全像圖(SH)作為該空間光調變器(SLM)中編碼的母全像圖(HΣSLM)之部份集合。子全像圖在空間光調變器(SLM)上的範圍稱為調變範圍(MR)。從本圖示中可看出調變範圍僅是空間光調變器(SLM)的一個局部小範圍。一個最簡單的解決方法就是該空間光調變器的中心位在待重建物點(OP)和可見區域(MR)中心的直線上。調變範圍(MR)的大小是藉助光束組算出，其中可透過待重建物點(OP)使可見區域(VR)追蹤到該空間光調變器上，還可從中得出該空間光調變器(SLM)上物點重建所需的像素指數。從本圖示中可看出調變範圍(MR)是以座標系為基礎，以座標原點為中心，X座標為橫向座標，Y座標為縱向座標，調變範圍(MR)的尺寸標註則是以”a”代表半寬，“b”代表半高。
第2a圖所示為全像重現裝置(HAE)之側面圖和本方法之基本原理。與第1圖類似，導出調變範圍(MR)，該範圍落在空間光調變器(SLM)所在的全像平面(HE)中。而位於調變範圍(MR)中的成像元件(OS)包含了一個凸透鏡(L)和稜鏡(P)。這兒所畫的稜鏡只是垂直方向的楔形稜鏡，為了讓圖示中的成像元件(OS)看得更清楚，所以將它畫在該空間光調變器(SLM)的前面。
第2b圖所示為一個位於調變範圍前的水平方向楔形稜鏡(PH) 和所使用的相應座標及尺寸。這兒的楔形稜鏡穿過縱向座標。
第2c圖所示為一個垂直方向、通過橫向座標的楔形稜鏡(PV)。如下文所述，兩個楔形稜鏡相互疊加。
第3圖所示為本發明方法之流程圖。本方法的起點是一個在大量物點(OP)下結構化的三D場景(3D-S)。色彩和深度資訊可供物點(OP)使用。其中，藉助物點的深度資訊及根據觀察者的位置或確切地說依觀察者的瞳孔可算出物點的可見度。針對每個可見的物點來說，步驟A中可測出全像平面(HE)中或空間光調變器上所屬調變範圍(MR)之大小和位置。按本發明的構想，待重建的物點(OP)解釋為全像平面中成像元件的焦點，而成像元件則可理解為凸透鏡(L)及垂直方向或水平方向稜鏡(PH,PV)的組合(見第2b圖和第2c圖)。子全像圖(SH)的全像複數值乃是透過計算和分析調變範圍內成像元件(OS)模組之傳遞或調制函數(待重建的物點(OP)落在成像元件的焦點上)，在該空間光調變器中的一個調變範圍內，從每一待重建物件點之波前中算出。因此，就每個可見的物點來說，步驟B1中可算出透鏡(L)的焦距來作為物點(OP)到全像平面(HE)的標準距離。
步驟B2中所屬子全像圖(SHL)的複數值係從zL=exp {-i*[(π/λf)*(x2+y2)]}算出，其中λ為參考波長、f為焦距、(x,y)為相關座標組。座標系統則如前所描述設定的。
步驟C中係算出全像平面中稜鏡(P)之子全像圖(SHP)值。垂直方向稜鏡(P)的線性因子Cx是以Cx=M *(2π/λ)測出，其中M代表稜鏡的傾斜度。垂直方向之稜鏡則是以N為稜鏡的傾斜度。相關子全像複數值之複數值從兩個稜鏡項的疊加得出：SHP：=zP=exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}若全像重現裝置得在可見區域(VR)中呈現光源投射的特性，則稜鏡項可省略不用。
算出透鏡(L)之子全像圖(SHL)和稜鏡(P)之子全像圖(SHP)值後，在步驟D中將透鏡和稜鏡的複數值複數相乘疊加得出子全像圖組之數值：zSH=zL * zP或符號式SH=SHL * SHP
步驟E中之子全像圖(SH)係配有一個均勻分配的隨機相位。
步驟F中係強度調變，其中子全像圖(SH)配有一個強度因子，並以zSH=C * zSH或符號式SH=C * SH來表示。一個物點(OP)的子全像圖組現已完整呈現。
在接下來的步驟G中(也可分開進行)，將物點的子全像圖疊加成一個母全像圖(HΣSLM)。物點的單一子全像圖值(SHi)是可疊加的並可將其複數相加成母全像圖。
母全像圖=物點子全像圖之複數總和：HΣSLM=Σ SHi或zSLM=ΣzShi(對全域座標來說)
母全像圖(HΣSLM)代表所有物點的全像圖，也代表整個場景(3D-S)及其重建。
如前所述，最後的一個步驟H中，可透過編碼將母全像圖值轉換為一個全像重現裝置所用之像素值，該裝置同樣採用最佳方式來運用子全像圖的原則。特別這裡指的是專利文件WO 2004/044659、WO 2006/027228、WO 2006119760及DE 10 2006 004 300中的裝置。
第4圖所說明的是原則上可透過本方法，將物點(OP)置於全像平面(HE)後進行重建。在此情況下，成像元件(OS)包含了上述的稜鏡(P)，但成像元件中的透鏡在此情況下卻是一個散射透鏡(L)，可算出調變範圍內的波前。
第5圖所示為製作母全像圖(HΣSLM)的方法及顯示如何擴充一個附有一個全像色管線(HGP)的三D渲染繪圖管線(RGP)，使能從含深度資訊的影像資料中產生全像重現裝置(HAE)裡空間光調變器(SLM)之全像複數值。
在三D渲染繪圖管線(RGP)中，將進行如螢幕坐標轉換至裝置座標、紋理化、裁切(clipping)及抗鋸齒(antialiasing)等方法。三D渲染繪圖管線(RGP)乃在描述一個三D場景如何轉換成作為三D場景二D投影的點陣式影像，所呈現的結果分為兩個記憶體區：
- 視框緩衝器：含有色彩值或色彩資訊，也就是觀察者所看到場景的所謂色彩對應表(colormap)。
- Z緩衝器：含有在標準呈現時所謂的場景深度對應表或一個標準化顯示，就如同觀察者從他的位置所看到的場景一樣。
為便於說明解釋，在第5圖中個別畫入並圖解表示繪圖管線的記憶體區。這些資料係以下全像色管線(HGP)的輸入資料，專門製造整個場景(3D-S)的彩色全像複數值。從本圖中可看出每一原色(RGB)皆有一個全像色管線，每個全像色管線各配有一個特有的波長。在圖中這些標有代表原色附加符號的3D渲染繪圖管線(HGP)將平行運作，以便可確保物點的單一彩色全像圖和整個場景的母彩色全像圖能同時呈現。而為了能供應備有視框緩衝器(FB)和Z 緩衝區(ZB)資料的個別全像色管線(HGP)，在此多工器(MX)則被定位為控制工具，使資料能相應地分配並傳送到個別的全像色管線上。如前所述，作為子彩色全像圖總和HΣSLM=Σ SHi並於最後將整個場景(3D-S)重建的母彩色全像圖(HΣSLM)是可測得的。在全像重現裝置中，整個場景的色彩顯示將利用母彩色全像圖的時間或空間多工進行。
另外，可從上述繪入的全像色管線(HGP)中說明測出一個物點子全像圖的不同方法。第一個版本中，一個物點的子全像圖從一個或數個預先製作好的查找表(LUT)得出，另一個版本則是第1圖至第4圖所說明的方法。
三D渲染繪圖管線(RGP)和全像色管線(HGP)在本圖中的分開描述有助於對所根據的原則進行說明，但不一定就表示這些實作的運算裝置在空間上是分開的。本方法主要是依據同樣的處理裝置或執行三D渲染繪圖管線(RGP)的繪圖晶片來進行。三D渲染繪圖管線(RGP)可藉著其優點以硬體和軟體來擴充，另外從有利的角度看，在一個額外的晶片上進行全像色管線(HGP)實作也是可能的。
本發明的一個有利實施例中，彩色視頻全像圖之重現裝置將 其組態資料傳遞到執行本方法的裝置上。這些資料所描述的如空間光調變器的大小、分辨率，必要的話還包括編碼法的描述資料，例如柏克哈特(Burckhardt)分量、二相位分量或其他形式的編碼。因此，可在所提供或已知的全像重現裝置上把製作全像圖資料參數化並做相應地調整。也因此，執行本方法的裝置不單只限於一個特殊的全像重現裝置，也適用於所有以有利方式運用子全像圖原理的裝置上。
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。
3D-S‧‧‧透過物件點架構的場景
RGP‧‧‧三D渲染繪圖管線(RGP)
FB‧‧‧三D渲染繪圖管線(RGP)的視框緩衝器(Frame Buffer)
ZB‧‧‧三D渲染繪圖管線(RGP)的Z緩衝器
HGP‧‧‧全像色管線
MX‧‧‧多工器
HAE‧‧‧全像重現裝置
B‧‧‧顯示裝置
SLM‧‧‧空間光調變器
HE‧‧‧全像平面
VP‧‧‧觀察者眼睛/觀察者位置
VR‧‧‧可見區域
OP‧‧‧一般物點
OPn‧‧‧特別含參考指數的物點
SH‧‧‧一般子全像圖
SHL‧‧‧一個透鏡的子全像圖
SHP‧‧‧一個稜鏡的子全像圖
MR‧‧‧調變範圍
SHi‧‧‧一般子全像圖(指數化)
HΣSLM‧‧‧母全像圖
OS‧‧‧成像元件
L‧‧‧透鏡
P‧‧‧稜鏡
PH‧‧‧平行作用方向之稜鏡
PV‧‧‧垂直作用方向之稜鏡
第1圖：係彩色視頻全像圖之重現裝置之基本原理和一個物點的調變範圍；第2a圖：係重現裝置之側視圖及一個含透鏡和稜鏡之成像元件；第2b圖：係調變範圍和一垂直方向之稜鏡；第2c圖：係調變範圍和一水平方向之稜鏡；第3圖：係本發明方法之流程圖；第4圖：係一物點重建位於全像平面後的方法；第5圖：本方法的一個最佳實施例流程圖和一個附有一個全像色管線(HGP)的三D渲染繪圖管線(RGP)之色彩擴充。
VP‧‧‧觀察者位置
RGP‧‧‧三D渲染繪圖管線
FB‧‧‧視框緩衝器
ZB‧‧‧Z緩衝器
MX‧‧‧多工器
LUT‧‧‧查找表
HGP‧‧‧全像色管線
R‧‧‧紅
G‧‧‧綠
B‧‧‧藍

Claims (18)

  1. 一種為全像重現裝置(HAE)渲染及製作彩色視頻全像圖的方法，具有至少一個空間光調變器(SLM)，該空間光調變器是將一個分解成物點(OP)的場景(3D-S)作為母全像圖(HΣSLM)進行編碼，而且可以從一個可見區域(VR)看到該場景之重建，該可見區域位於視頻全像圖之重建的週期性間距內，其中可見區域(VR)與場景(3D-S)的每一個待重建的物點(OP)共同定義一個子全像圖(subhologram/SH)，再由子全像圖疊加成母全像圖(HΣSLM)，其中，三D渲染繪圖管線(RGP)會將以含有深度資訊之影像資料呈現的場景(3D-S)的物點(OP)內結構化，並為物點(OP)至少算出和提供色彩資訊及深度資訊，其中每一個原色的全像色管線(HGP)均能產生彩色全像值，也就是對每一個可見的物點(OP)都可以從至少一個查找表讀取子全像圖(SH)之全像複數值，或是以從該空間光調變器(SLM)的一個調變範圍(MR)內的待重建物點(OP)之波前分析算出該複數值，以及用全像色管線(HGP)同步計算疊加出的母全像圖(HΣSLM)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中三D渲染繪圖管線(RGP)針對每一個物點將求出的色彩值存入一個視框緩衝器(FB)，以及將求出的深度值存入每一個原色皆有的獨立記憶體的Z緩衝器(ZB)，並將全像色管線(HGP)存放至所屬的記憶體中。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中三D渲染繪圖管線(RGP)針對每一個物點將求出的色彩值存入一個視框緩衝器(FB)，以及將求出的深度值存入每一個原色之儲存裝置的Z緩衝器(ZB)，並至少有一個作為控制裝置用的多工器(MX)將這些資料分配和傳遞到各個平行的色管線(HGP)上。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中每一個全像色管線(HGP)都含有一個視框緩衝器(FB)和一個Z緩衝器(ZB)以及至少一個作為控制裝置用的多工器(MX)，以控制三D渲染繪圖管線(RGP)的結果在全像色管線的這些記憶體區塊上的分配和傳遞。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中子全像圖(SH)之總全像值乃是從空間光調變器之調變範圍(MR)內待重建之物點(OP)的波前計算出來的，也就是計算和分析在調變範圍(MR)內模擬之成像元件的傳送函數或調變函數，其中待重建之物點(OP)係位於該成像元件的焦點內。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中成像元件(OS)至少包含一個透鏡(L)。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中成像元件(OS)至少還包含一 個稜鏡(P)。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中成像元件(OS)包含一個透鏡(L)和至少一個稜鏡(P)，並針對場景(3D-S)的每一個可見物點進行以下步驟：A：算出子全像圖(SH)的大小和位置，以作為調變範圍(MR)，該範圍的尺寸標註是以”a”代表半寬，”b”代表半高，並配有區域座標；B：算出調變範圍(MR)內透鏡(L)的子全像圖，包含：B1：算出透鏡(L)的焦距f，以作為調變範圍中待重建之物點(OP)的標準距離；B2：以參考波長λ、焦距f、相關之座標組(x,y)及帶有符號的凸透鏡/凹透鏡從zL=exp{+/-i*[(π/λf)*(x2+y2)]}算出透鏡(L)之子全像圖(SHL)的複數值；C：算出調變範圍(MR)內稜鏡(P)的子全像圖，包含：C1：測定水平作用方向之稜鏡(PH)的線性因子Cx，並在x[-a,a]區間以Cx=M *(2π/λ)描述該因子，其中M代表稜鏡的傾斜度；C2：測定垂直作用方向稜鏡(PV)的線性因子Cy，並在y[-b,b]區間以Cy=N *(2π/λ)描述該因子，其中N代表稜鏡的 傾斜度；C3：將兩個稜鏡項zP=exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}疊加，算出綸合稜鏡之子全像圖(SHP)的複數值；D：對透鏡(L)的子全像圖(SHL)及稜鏡(P)的子全像圖(SHP)進行調變，其中透鏡及稜鏡的複數值以zSH=zL * zP或符號式SH=SHL * SHP相乘而得；E：使用隨機相位，給每一個調變過的子全像圖都分配一個隨機分佈的相位Φz，並以zSH：=zSH * exp(iΦz)或SH：=SH * exp(iΦz)進行複數乘法；F：強度調變，以zSH：=C * zSH或SH：=C * SH來表示，使調變過的子全像圖帶有一個實際強度因子C。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中所算出調變範圍(MR)的位置須使調變範圍(MR)的中心位於通過待重建物點(OP)及可見範圍(VR)之中心的直線上。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中可透過物點(OP)使可見範圍(VR)逆向追蹤到空間光調變器(SLM)上，以算出調變範圍(MR)的大小。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中在考量子全像圖(SH)之位 置的情況下，將子全像圖疊加成母全像圖是以HΣSLM=Σ SHi構成子全像圖(SH)之複數總和。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中物點(OP)的每一個調變過子全像圖(SH)都分配一個隨機分佈的相位，且所有子全像圖之隨機相位均同等分佈。
  13. 如申請專利範圍第1項到第12項中任一項之方法，其中另外按照將彩色全像複數值轉換為空間光調變器(SLM)的像素值。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中將全像圖複數值轉換為柏克哈特(Burckhardt)分量、二相位分量或其他形式的編碼。
  15. 如申請專利範圍第1項到第12項中任一項之方法，其中將一已確定的空間範圍在物點(OP)內結構化，並按照色彩為每一個物點(OP)將子全像圖放到查找表中。
  16. 如申請專利範圍第1項到第12項中任一項之方法，其中將一已確定的空間範圍在物點(OP)內結構化，並按照色彩為每一個物點(OP)算出涉及成像元件(OS)之至少一個分量的子全像圖，然後放到查找表中。
  17. 一種全像重現裝置，使用如申請專利範圍第1項到第12項中任一項之方法，其中空間光調變器(SLM)本身就是顯示裝置(B)，在這種情況下，場景(3D-S)之全像圖是在該空間光調變器(SLM)內被編碼，或是以一光學元件作為顯示裝置(B)，在這種情況下，會將在空間光調變器(SLM)內編碼的全像圖或該空間光調變器內編碼的場景波前顯現在該光學元件上。
  18. 如申請專利範圍第17項之全像重現裝置，其中該光學元件為一透鏡或反射鏡。
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