WO2008138980A2 - Verfahren zur generierung von videohologrammen für eine holographische wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier adressierung - Google Patents

Verfahren zur generierung von videohologrammen für eine holographische wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier adressierung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for generating video holograms for a holographic display device with random addressing.
  • the means for carrying out the method are referred to as content generation.
  • the content generation generates the hologram values required for display on the holographic display device and can thus be interpreted as a data source.
  • the generated hologram values can be transmitted directly to the holographic display device or stored in digital storage means.
  • a holographic display device with random addressing is interpreted as a data receiver and provides the holographic representation of the hologram data generated according to the method or the content generation.
  • Real-time holograms have been used in key areas due to the advancement of hardware components and computational techniques.
  • An important task of digital holography is to handle a much higher amount of data per image compared to conventional video data. This large amount of data places very high demands on the storage and transmission media, such as network components and bus systems. Even the transmission and processing of conventional video data places high demands on these resources.
  • a holographic reproduction device is fundamentally based on the principle that at least one light modulator means into which a scene decomposed into object points is encoded as an overall hologram and is to be seen as a reconstruction from a visibility region which lies within a periodicity interval of the reconstructed video hologram a sub-hologram is defined with each object point of the scene to be reconstructed and the total hologram is formed from a superimposition of sub-holograms.
  • the principle is pursued to primarily reconstruct the wavefront that would emit an object into one or more visibility regions.
  • the holographic display device contains at least one screen means.
  • the on-screen means are either the light modulator itself in which the hologram of a scene is coded or an optical element-for example a lens or mirror-onto which a hologram coded in the light modulator or a wavefront of a scene coded in the light modulator is imaged.
  • a device for controlling the intensity, color and / or phase by switching, blanking or modulating light beams of one or more independent light sources is referred to as light modulator means or SLM.
  • a holographic display typically includes a matrix of controllable pixels, the pixels varying the amplitude and / or phase of transmitted light to reconstruct the object points.
  • a light modulator means comprises such a matrix.
  • the light modulator means may, for example, be implemented discretely as acousto-optic modulator AOM or also continuously.
  • An embodiment for the reconstruction of the holograms by amplitude modulation can be carried out with a liquid crystal display (LCD).
  • the present invention also relates to other controllable devices for modulating sufficiently coherent light into a lightwave front or to a lightwave relief.
  • pixel comprises a controllable hologram pixel of the light modulator, represents a discrete value of the hologram point and is individually addressed and controlled. Each pixel represents a hologram point of the hologram.
  • a pixel means an individually controllable display pixel.
  • a pixel is an individually controllable micromirror or a small group thereof.
  • a pixel comprises an imaginary region representing the hologram point.
  • a pixel is usually divided into a plurality of subpixels, which represent the primary colors.
  • transformation is to be construed as including any mathematical or computational technique that approximates or approximates a transformation. Transformations in the mathematical sense are merely approximations of physical processes, which are described in more detail by Maxwell's wave propagation equations. Transformations such as Fresnel transforms or the special group of transforms known as Fourier transforms describe second order approximations. Transformations usually lead to algebraic and non-differential descriptions and can therefore be handled computationally efficiently and performant. Moreover, they can be modeled precisely as optical systems.
  • the middle! for content generation the data source, for example, graphics cards or graphics subsystems that implement the so-called 3D rendering pipeline.
  • the 3D rendering graphics pipeline describes the path from the vectorial, mathematical description of a 3D scene to rasterized Image data in a frame buffer for display on a monitor.
  • the three-dimensional image data includes depth information and, as a rule, additional descriptions of material and surface properties.
  • the conversion of screen coordinates into device coordinates, texturing, clipping and anti-aliasing takes place.
  • the rasterized image 1 a 2D projection of the 3D scene, which is stored in the frame buffer of a graphics adapter, now contains the data of the pixel values for the controllable pixels of a monitor, for example an LCD display.
  • the holographic pipeline From the results of the 3D rendering graphics pipeline, the holographic pipeline generates the complex log ram values for display on the holographic display device.
  • the object of the invention is to provide a method which significantly reduces the amount of data generated for video holograms. Consequently, the amount of data that is to be transmitted between the data source, that is, means of content generation, and the data receiver, ie the holographic display device, should be minimized. Consequently, the amount of data required to store the video holograms in digital storage media should also be reduced.
  • a holographic display device is to be created, which ensures that the sequence can be presented without any loss of quality even in the case of the reduced amount of received data.
  • the method should allow to use known means for data storage and data transmission. A manageable amount of data should help to enable a retransmission and acceptance of video holograms.
  • the entire amount of data from the means for content generation - as a data source - to a holographic display device - as a data receiver - transmitted.
  • the entire hologram information is transmitted, even those that have not changed in a picture change.
  • As a hologram object points in reconstructs three-dimensional space it is sufficient to first know which object points have changed in an image frame compared to the previous image frame. The change affects in particular the situation but also the color and brightness.
  • the method according to the invention for generating video holograms is primarily suitable for holographic display devices with at least one light modulator means into which a scene decomposed into object points is encoded as an overall hologram and is to be seen as a reconstruction from a visibility region which lies within a periodicity interval of the reconstructed video hologram in which the visibility region, together with each object point of the scene to be reconstructed, defines a sub-hologram and the overall hologram is formed from a superimposition of sub-holograms.
  • Such a holographic display device with corresponding light modulator means is based on the principle of superimposing the information of object points of a scene on modulated wavefronts in at least one visibility region. The definitions of visibility have already been explained.
  • the principle is used that the reconstruction of a single object point of a scene only requires one sub-hologram as a subset of the total hologram coded on the light modulator means.
  • a single object point is generated in each case by a sub-hologram whose position depends on the position of the object point and its size on the position of the observer.
  • the area of the sub-hologram on the light modulator means is hereinafter referred to as modulator area.
  • the modulator region is that subregion of the light modulator means which is required to reconstruct the object point.
  • the modulator area describes which pixels on the light modulator must be correspondingly driven in order to reconstruct this object point.
  • the position of the modulator area remains fixed if it is a so-called stationary object point.
  • the object point to be reconstructed changes its position as a function of the observer position.
  • the modulator range depending on the Observer position is achieved that the object point is coded stationary, that is, it does not change its spatial position depending on the viewer position.
  • these principles can be treated analogously.
  • the center of the modulator area lies in the simplest possible solution on the straight line through the object point to be reconstructed and the center of the visibility area.
  • the size of the modulator region is determined in a simplest possible solution with the aid of the radiation set, wherein the visibility region is traced back to the light modulator means by the object point to be reconstructed.
  • a pixel as the smallest controllable unit of the light modulator contains not only the information of a single sub-hologram but, as a result of the overlays, the information of several sub-holograms.
  • the invention is based on the idea of generating in a sequence of images in each case the difference sub-hologram of a new visible object point and of a now concealed object point (or vice versa).
  • a differential sub-hologram see also the following figures and exemplary embodiments, is defined by:
  • the displacement of an object point can be generalized as omission and addition of corresponding points are interpreted and is in the case distinction of visibility. Also included are cases where there is no background for object points. In this case, the difference sub-hologram is the corresponding sub-hologram of the object point.
  • data describing the changes in color and / or brightness or, if appropriate, corresponding sub-holograms are preferably determined.
  • description data are generated for each differential sub-hologram.
  • the description data generally serves to enable, control or facilitate the processing of the difference sub-holograms, ie ultimately the performance by the holographic reproduction device.
  • Description data includes, for example, the size of the difference sub-hologram, the position on the light modulator, pixel areas, references to storage areas, indexes, or the like.
  • the description data thus permit high-performance processing, for example by allowing the necessary references to memory areas to allow rapid data access.
  • they serve, for example, to read the address range of the differential sub-hologram in a screen buffer of the holographic display device or performant to determine. In order for these memory areas can be filled performant, so that finally the corresponding pixels of the light modulator can be controlled.
  • the description data and the difference sub-hologram are combined into the so-called difference data.
  • a control unit decides optimizing whether it is more advantageous to generate the difference data or alternatively the Bacthoiogramm, so the complete image content. If the image content has changed too much, as is the case, for example, with video clips, a large number of differential data corresponding to the object points must be transmitted. The cost of data transmission or the processing of this amount of data in this case can be higher than the cost of the entire hologram of the whole In this case, the entire hologram is generated with advantage.
  • the generation, storage and transmission of the difference data can be done in a loose or disordered order, since, as described above, the differential sub-hologram according to the invention by the description data, the additional information required for processing are attached.
  • the method according to the invention allows random generation and thus random transmission or storage.
  • the difference data are transmitted immediately, ie immediately after their determination, to the data receivers, for example to the holographic display device. It is also possible to combine the difference data of several points into data packets. According to the invention, these generated data, that is to say differential sub-holograms and the associated description data, are provided for digital storage means or transmitted directly to the holographic display device.
  • the inventive method ensures that the required amount of data for video holograms can be significantly reduced.
  • the advantage of the invention lies in the fact that the higher the light modulator of the holographic display device is resolved, the more often instead of the entire hologram only individual differential sub-holograms, ie a significantly smaller amount of data, are transmitted or stored. It is also conceivable to transmit at fixed intervals the total hologram in order to support a perfect quality of the holographic representation.
  • the significantly smaller amount of data allows the storage of video sequences on conventional digital storage media.
  • the cost of data transmission over a computer network and the Internet is significantly reduced.
  • the description data additionally contain generalized information that assigns the difference sub-frames to enable various holographic playback devices that apply the principle of sub-holograms in an advantageous manner.
  • Such schemes can be established or agreed as industry standards.
  • the holographic reproduction device is interpreted as the receiver side.
  • the holographic display device thus requires means and methods to be able to present the holograms in turn from video hologram data prepared in accordance with the method.
  • the holographic display device contains at least one screen means.
  • the means of display means either the light modulator itself, in which the hologram of a scene is coded, or an optical element (for example lens, mirror) onto which a hologram coded in the light modulator or a wavefront of a scene coded in the light modulator is imaged.
  • the determination of the screen means and the associated principles for the reconstruction of the scene in the visibility area are described by documents of the applicant.
  • the screen means is the light modulator itself.
  • the screen means is an optical element onto which a hologram coded in the light modulator is imaged.
  • the screen means is an optical element to which a wavefront of the scene coded in the light modulator is imaged.
  • WO 2006/066919 of the applicant describes the already mentioned method for calculating video holograms.
  • the holographic display includes a screen memory or memory architecture from which pixel values are read. With the pixel values, a corresponding control of the pixels of the light modulator means.
  • the screen memory is the memory of a graphics card in which the data for a screen display are located; it is also referred to as video RAM (or VRAM for short).
  • the holographic display device also comprises a so-called splitter. Splitters are calculation means which, on the one hand, recognize difference data from the data flow generated according to the method and separate it into the data of the difference sub-holograms and the associated description data. With the help of the description data, the splitter ensures, for example, that the difference sub-holograms are written into the memory areas of the screen memory provided for this purpose and thus made available to the modulator means.
  • Light modulators are usually active matrix displays whose pixel values must be constantly refreshed so as not to lose the information. If only those image contents that have changed were transferred to the light modulator, the corresponding information would be lost in the areas of unchanged image contents. Unchanged object points would therefore no longer appear. For such a light modulator, the entire image content must be available in the screen memory in each refresh cycle, since the entire image content is read out of the screen memory in a refresh cycle and the pixels are driven or refreshed accordingly.
  • the data of the difference sub-holograms are written in the screen memory.
  • a special screen memory or suitable memory architectures are proposed, which fulfill the functions for simultaneous reading and writing.
  • the new differential sub-holograms are stored in the write mode and, at the same time, the entire screen memory is read in the read mode and the information is transmitted to the light modulator for driving the pixels.
  • dual port RAMs are proposed as screen memories.
  • the difference sub-holograms are advantageously generated.
  • the inventive method allows a reduction in the amount of data from the content generation to a holographic display device.
  • the requirements for storage means and transfer means are also advantageously reduced.
  • Previously known storage media allow the storage of a long video sequence. Analog ensure already known means of transmission, such as Internet, LAN 1 WL-AN 1 DVI, HDMI and the like, a high-performance transmission.
  • FIG. 1 b the difference sub-hologram for a point to be added
  • FIG. 1 c the difference sub-hologram for a disappearing point
  • FIG. 2 a flowchart of the method
  • FIG. 3 a structure diagram of the holographic display device.
  • Imaging element of lens and prism
  • FIG. B2b shows a modulator area and a vertically acting prism
  • FIG. B2c shows a modulator area and a horizontally acting prism
  • FIG. B3 shows a flow chart of the method according to the invention
  • FIG. B4 shows a variant of the method for reconstructing a
  • Fig. 1a illustrates the underlying principle of a holographic display (HAE) for a viewer.
  • the principle is analogous to several viewers.
  • the position of an observer is characterized by the position of his eyes or of his pupils (VP).
  • the device contains a light modulator means (SLM), which for ease of illustration in this embodiment is equal to the screen means (B), and superimposes the wavefronts modulated with information of object points of a scene (3D-S) in at least one visibility region (VR).
  • SLM light modulator means
  • VR visibility region
  • the reconstruction of a single object point (OP) of a scene (3D-S) requires only one sub-hologram (SH) as a subset of the total hologram (H ⁇ SLM ) coded on the light modulator means (SLM).
  • SH sub-hologram
  • H ⁇ SLM total hologram
  • SLM light modulator means
  • MR modulator area
  • the modulator region (MR) is only a small subregion of the light modulator means (SLM).
  • the center of the modulator area (MR) lies in the simplest possible solution on the straight line through the object point (OP) to be reconstructed and the center of the visibility area (VR).
  • the size of the modulator region (MR) is determined in the simplest possible solution with the aid of the radiation set, the visibility region (VR) being traced back to the light modulator device (SLM) by the object point (OP) to be reconstructed. Furthermore, this results in the indices of those pixels on the light modulator means (SLM), which are required for the reconstruction of this object point.
  • a new object point (OPN) has been added to the current image (P n ) of the sequence with respect to the past image, which, however, as shown in the figure, according to the observer's visibility in the last image (P n -O
  • the difference sub-hologram describes the corresponding color or brightness information. In general, however, it is sufficient to detail these changes using descriptive data.
  • the description data contains data that facilitate or facilitate an assignment of the difference sub-holograms in the screen memory of the display device.
  • the description data include the location and size of the difference sub-hologram, and preferably additional indices for pixel areas, memory areas and the like.
  • Fig. 2 shows a flowchart of the method.
  • the differences to the preceding image are determined for the current image of the sequence. For example, this data is obtained from a 3D rendering graphics pipeline.
  • the position of the observer that is, more precisely, the position of his eye pupils or of the visibility regions which cover the pupil of the eye are made available.
  • a control means CU
  • CU control means
  • the difference sub-hologram is formed as a difference of the sub-holograms of the respectively visible or invisible object points.
  • the sub-holograms are calculated analytically or preferably determined or read from look-up tables.
  • the analytical method is based, for example, on the principle according to WO 2006/066919, wherein the sub-holograms of the look-up tables are preferably also determined on the basis of this method.
  • WO 2006/066919 of the applicant describes a method for calculating video holograms.
  • the hologram values of the sub-hologram of an object point are thereby determined by computer-assisted following steps:
  • a diffraction image is computed in the form of a separate two-dimensional distribution of wavefields for a viewer plane with a finite distance parallel to the intersection planes, the wavefields of all intersections being calculated for at least one common visibility region,
  • the reference data set for generating a hologram data set for a common computer-generated hologram of the scene is transformed into a parallel hologram plane finally removed from the reference plane, wherein the light modulator means lies in the hologram plane.
  • the difference sub-hologram of the color or brightness changes can also be determined. However, it is usually sufficient to describe these changes by descriptive parameters.
  • the description data are determined for the differential sub-photograms. As can be seen or understood from Fig. 1a, these data include the location and size of the differential sub-hologram on the light modulator means (SLM) as well as index, memory and address ranges or the like.
  • the memory areas or address areas of a screen memory (VRAM) required for the differential sub-hologram are contained in the holographic display device (HAE). In general, this description data will allow, control or facilitate the display on the light modulator.
  • the initialization data of the holographic display device and in particular the light modulator are assumed to be known here. For example, these data were requested or read out by the holographic display device. With regard to the description data, reference is made to FIG. 3, which explains the processing of the data generated here by the holographic reproduction device.
  • the difference sub-hologram (SD) of an object point and the associated descriptive data (SDJND) together form the difference data (D), which now, optionally after further data compression, are provided to the storage means, to the transfer means or to the holographic display device.
  • Fig. 3 shows a schematic of the holographic display (HAE) and illustrates the principle of representing the video data generated according to the method without sacrificing quality.
  • the input data for the reproducing device include the difference data (D) associated with an object point, which are composed of the description data (SDJND) and the difference data (SD), respectively.
  • the difference data of an object point contain with the description data all data required for further processing.
  • the difference data is exemplified with dot indexes "3", "126" and "1056", indicating that it is possible to transmit the difference data in a loose order.
  • the display device comprises a light modulator means (SLM).
  • SLM light modulator means
  • the data of the pixel values for controlling the light modulator means (SLM) shown here only schematically are read from a screen memory (VRAM).
  • the playback device includes
  • additional calculation means are required, which determine the memory or address ranges of the difference sub-holograms, if they are not or not completely present in the description data.
  • these calculating means (IC) are combined with the splitter (SX).
  • VRAM screen memory
  • the light modulator is an active matrix display whose pixel values must be constantly refreshed so as not to lose the information.
  • the entire image content must be available in screen memory (VRAM) in each refresh cycle.
  • VRAM screen memory
  • a special screen memory (VRAM) is proposed, which fulfills the functions for simultaneous reading and writing.
  • SD differential sub-holograms
  • a particularly preferred method for generating the sub-holograms is explained below with reference to FIGS. B1 to B4.
  • Starting point of the method is a three-dimensional scene (3D-S) with color and depth information, which is structured into a plurality of object points.
  • 3D-S three-dimensional scene
  • a pixel as the smallest controllable unit of the light modulator, contains not only the information of a single sub-hologram but, as a result of the overlays, the information of several sub-holograms.
  • the preferred method is based on the idea that the complex hologram values of a sub-hologram from the wavefront of each object point to be reconstructed are determined in a modulator region of the light modulator means by the transmission or modulation functions of an imaging element modeled in the modulator region, at the focal point of which the object point to be reconstructed is located , calculated and evaluated.
  • the hologram plane is defined by the location of a screen means, with the screen means being the light modulator itself for simplicity in the following explanations.
  • the imaging element comprises a lying in the hologram plane lens with the focal length f, which is inclined.
  • An inclined lens is a composition of a lens not tilted with respect to the hologram plane, and a vertical and a horizontally acting prism. Strictly speaking, no sub-hologram is defined by a prism, since no object point due to the non-focal prism function is reconstructed. However, in the interests of clarity of the inventive idea, this is referred to below as the prism in the modulator area also contributes to the complex hologram values.
  • the method is further detailed below.
  • this detailing of the method comprises the following steps for each visible object point of the scene:
  • A Determination of the size and position of the modulator area, analogous to the above-mentioned embodiments, but below the modulator area is based on a local coordinate system, with the origin of the system at the center, the x-coordinate the abscissa and the y-coordinate the ordinate ,
  • "a" is chosen as the half width and "b" as the half height as the dimension, with these interval limits going into the following terms.
  • B determination of the sub-hologram of the lens in the hologram plane:
  • B1 determination of the focal length f of the lens:
  • the focal length f of the lens is preferably the normal distance of the object point to be reconstructed from the hologram plane.
  • B2 Complex values of the associated sub-hologram of the lens:
  • the superimposed prism goes through the origin of the local coordinate system.
  • C4 A corresponding prisnce term is omitted if the holographic reproduction device has the property of imaging the light source in the visibility range.
  • D Modulation of Subholograms for Lens and Prisms:
  • Each modulated sub-hologram from step D becomes a randomized one
  • ZSH ZSH exp (i ⁇ 0 ) or symbolic
  • the random phase is assigned to each sub-hologram individually. Preferably, globally considered, the random phases of all sub-holograms are equally distributed.
  • the complex values are provided with an additional multiplication factor, which represents the intensity or the brightness.
  • Total hologram complex sum of sub-holograms with or symbolically
  • the method is preferably used only for visible object points.
  • the visibility of the object point is determined in the course of the rendering of the scene by a 3D rendering graphics pipeline and follows from the observer position, ie the corresponding position of the pupils and consequently from the position of the visibility region which tracks the position of the pupils.
  • the modulator region (MR) is based on a coordinate system with the origin of the system in the center, the x-coordinate the abscissa and the y-coordinate the ordinate.
  • the modulator region (MR) is assigned a as half width and b as half height.
  • Fig. B2a shows the holographic display (HAE) in a side view and illustrates the basic principle of the method.
  • Analogous to FIG. B1 is derived from the range of visibility (VR) of the modulator region (MR).
  • This area is in the hologram plane (HE) in which the light modulator (SLM) is located.
  • the modulator area is assigned the above-mentioned coordinate system.
  • the imaging element (OS) which here comprises a condenser lens (L) and a prism (P).
  • L condenser lens
  • P prism
  • Fig. B2b shows a horizontally acting prism wedge (PH) in front of the modulator area (MR) with the correspondingly used coordinates and dimensions.
  • the prism wedge goes through the ordinate here.
  • Fig. B2c shows analogously a vertically acting, passing through the abscissa prism wedge (PV).
  • the two prism wedges are superimposed as explained below.
  • Fig. B3 shows an exemplary plan of the preferred method.
  • the starting point of the method is a three-dimensional scene (3D-S) 1 which is structured into a multiplicity of object points (OP). Color and depth information is available for the object points (OP). On the basis of the depth information of the object point whose visibility is determined according to the viewer's position, respectively the pupils of the viewer.
  • the size and position of the associated modulator area (MR) in the hologram plane (HE) or on the light modulator means is determined in step (A).
  • the object point (OP) to be reconstructed is interpreted as the focal point of an imaging element lying in the hologram plane.
  • the imaging element is here understood as a combination of a converging lens (L) and, see FIGS. 2b, 2c, of vertically or horizontally acting prisms (PH, PV).
  • the focal length of the lens (L) is thus determined as normal distance of the object point (OP) to the hologram plane (HE) in step (B1).
  • the coordinate system is defined as described above.
  • step (C) the sub-holograms (SH P ) of the prisms (P) in the hologram plane are determined.
  • the complex values of the associated sub-hologram (SH P ) become the superposition of the two prism terms
  • a prismmenter is omitted if the holographic display device has the property of imaging the light source in the visibility region (VR).
  • step (E) the sub-hologram (SH) is provided with an equally distributed random phase.
  • step (F) takes place an intensity modulation, wherein the sub-hologram (SH) by
  • the total hologram (H ⁇ SLM ) represents the hologram of all object points. It thus represents and reconstructs the entire scene (3D-S).
  • the sub-holograms for the interactive holographic representation for object points can be generated in real time at any position within the reconstruction space with standard hardware components available today.
  • the sub-holograms are preferably determined using the preferred method and the named look-up tables are filled with the sub-holograms.
  • it is suitable for holographic transfer devices, which likewise use the principle of the sub-holograms in an advantageous manner. In particular, these are analogous to those already done Explanations, devices according to WO 2004/044659, WO 2006/027228, WO 2006119760 and DE 10 2006 004 300.

Abstract

Verfahren zum Generieren von Videohologrammen für eine holographische Wiedergabeeinrichtung (HAE) mit mindestens einem Lichtmodulatormittel (SLM), in welches eine in Objektpunkte (OP) zerlegte Szene (3D-S) als Gesamthologramm (H∑SLM) kodiert wird und als Rekonstruktion von einem Sichtbarkeitsbereich (VR) aus zu sehen ist, der innerhalb eines Periodizitätsintervalls der Rekonstruierten des Videohologramms liegt, wobei der Sichtbarkeitsbereich (VR) zusammen mit jedem zu rekonstruierenden Objektpunkt (OP) der Szene (3D-S) ein Subhologramm (SH) definiert und das Gesamthologramm (H∑SLM) aus einer Überlagerung von Subhologrammen (SH) gebildet wird, wobei bei einer Sequenz von Bildinhalten für jedes Bild vorrangig die Differenzsubhologramme (SD) von Objektpunkten, die sich bezogen auf die Sichtbarkeit gemäß der Betrachteraugen (VP) in aufeinander folgenden Bildern (Pn-1, Pn) der Sequenz unterscheiden, generiert werden. Die Anzeigevorrichtung (HAE) weist Mittel auf, welche die Videohologramme trotz signifikant verringerter Datenmenge wiederum in hoher Qualität darbieten.

Description

Verfahren zur Generierung von Videohologrammen für eine holographische Wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier Adressierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Videohologrammen für eine holographische Wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier Adressierung.
Die Mittel zur Durchführung des Verfahrens werden als Content-Generierung bezeichnet. Die Content-Generierung generiert gemäß dem Verfahren die zur Darstellung auf der holographischen Wiedergabeeinrichtung erforderlichen Hologrammwerte und kann somit als Datenquelle interpretiert werden. Die generierten Hologrammwerte können direkt an die holographische Wiedergabeeinrichtung übertragen werden oder in digitale Speichermittel abgelegt werden.
Eine holographische Wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier Adressierung wird als Datenempfänger interpretiert und bietet die holographische Darstellung der gemäß dem Verfahren beziehungsweise der Content-Generierung erzeugten Hologrammdaten.
Die Darstellung von Hologrammen in Echtzeit hat aufgrund der Weiterentwicklung von Hardwarekomponenten und berechnungstechnischen Verfahren Anwendung in wichtigen Bereichen erzielen können. Eine wichtige Aufgabenstellung der digitalen Holographie liegt in der Bewältigung einer vielfach höheren Datenmenge pro Bild im Vergleich zu herkömmlichen Videodaten. Diese große Datenmenge stellt sehr hohe Anforderungen an die Speicher- und Übertragungsmedien, wie beispielsweise Netzwerkkomponenten und Bus-Systeme. Selbst die Übertragung und Verarbeitung herkömmlicher Videodaten stellt hohe Anforderungen an diese Ressourcen.
Einer holographischen Wiedergabeeinrichtung liegt im Wesentlichen das Prinzip zugrunde, dass mit mindestens einem Lichtmodulatormittel, in welches eine in Objektpunkte zerlegte Szene als Gesamthologramm kodiert wird und als Rekonstruktion von einem Sichtbarkeitsbereich aus zu sehen ist, der innerhalb eines Periodizitätsintervalls der Rekonstruierten des Videohologramms liegt, zusammen mit jedem zu rekonstruierenden Objektpunkt der Szene ein Subhologramm definiert und das Gesamthologramm aus einer Überlagerung von Subhologrammen gebildet wird. Dabei wird im Wesentlichen das Prinzip verfolgt, vorrangig jene Wellenfront, die ein Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere Sichtbarkeitsregionen zu rekonstruieren.
Im Detail liegt einer derartigen Einrichtung das Prinzip zugrunde, dass die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunkts jeweils nur ein Subhologramm als Teilmenge des am Lichtmodulatormittel kodierten Gesamthologramms erfordert. Die holographische Wiedergabeeinrichtung enthält wenigstens ein Bildschirmmittel. Dabei wird als Bildschirmmittel entweder der Lichtmodulator selbst bezeichnet, in dem das Hologramm einer Szene kodiert ist oder ein optisches Element - beispielsweise Linse oder Spiegel -, auf das ein im Lichtmodulator kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulator kodierte Wellenfront einer Szene abgebildet wird.
In diesem Dokument wird als Lichtmodulatormittel beziehungsweise SLM eine Einrichtung zum Steuern der Intensität, Farbe und/oder Phase durch Schalten, Austasten oder Modulieren von Lichtstrahlen einer oder mehrerer unabhängiger Lichtquellen bezeichnet. Eine holographische Wiedergabeeinrichtung beinhaltet in der Regel eine Matrix steuerbarer Pixel, wobei die Pixel die Amplitude und/oder Phase von durchstrahlendem Licht verändern und so die Objektpunkte rekonstruieren. Ein Lichtmodulatormittel umfasst eine derartige Matrix. Das Lichtmodulatormittel kann beispielsweise diskret als akusto-optischer Modulator AOM oder auch kontinuierlich ausgeführt sein. Eine Ausführung zur Rekonstruktion der Hologramme durch Amplitudenmodulation kann mit einem Liquid Crystal Display (LCD) erfolgen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf weitere steuerbare Vorrichtungen, um hinreichend kohärentes Licht zu einer Lichtwellenfront oder zu einem Lichtwellenrelief zu modulieren.
Die Bezeichnung Pixel umfasst ein steuerbares Hologramm-Pixel des Lichtmodulators, repräsentiert einen diskreten Wert des Hologrammpunktes und ist einzeln adressiert und gesteuert. Jedes Pixel repräsentiert einen Hologrammpunkt des Hologramms. Im Falle eines LC-Displays bedeutet ein Pixel ein individuell ansteuerbares Display-Pixel. Für eine DMD (Digital Micromirror Device, Mikrospiegelarray), z.B. DLP (Digital Light Processing), ist ein Pixel ein individuell steuerbarer Mikrospiegel oder eine kleine Gruppe davon. Bei einem kontinuierlichen Lichtmodulatormittel umfasst ein Pixel eine imaginäre Region, welche den Hologrammpunkt repräsentiert. Bei einer Farbdarstellung wird in der Regel ein Pixel in mehrere Subpixel unterteilt, welche die Grundfarben repräsentieren.
Der Begriff "Transformation" ist so weit auszulegen, dass er jede mathematische oder rechnerische Technik einschließt, die einer Transformation gleichkommt oder diese annähert. Transformationen im mathematischen Sinne sind lediglich Annäherungen physikalischer Prozesse, die genauer durch die Maxwellschen Wellenausbreitungsgleichungen beschrieben werden. Transformationen wie etwa Fresneltransformationen oder die spezielle Gruppe von Transformationen, die als Fouriertransformationen bekannt sind, beschreiben Annäherungen zweiter Ordnung. Transformationen führen in der Regel auf algebraische und nicht differentielle Beschreibungen und können folglich rechentechnisch effizient und performant gehandhabt werden. Überdies können sie präzise als optische Systeme modelliert werden.
Die Übertragung von Bilddaten zwischen den Einheiten für die Content-Generierung - also Datenquelle und Visualisierung (z.B. Monitor: LCD oder CRT als Datenempfänger) - erfolgt herkömmlich so, dass der gesamte Inhalt eines Bildes zeilenweise von oben nach unten, wie bei Röhrenmonitoren, ausgegeben wird. Bei Auflösungen für HDTV-Monitore stellt dies kein Problem dar, da die benötigte Datenmenge in der erforderlichen Zeit über standardisierte Schnittstellen, beispielsweise Digital Visual Interface DVI oder High Definition Multimedia Interface HDMI1 übertragen werden kann.
Die Mitte! zur Content-Erzeugung, die Datenquelle, sind beispielsweise Grafikkarten beziehungsweise Grafiksubsysteme, welche die so genannte 3D-Rendering-Pipeline implementieren. Die 3D-Rendering-Graphikpipeline beschreibt den Weg von der vektoriellen, mathematischen Beschreibung einer 3D-Szene zu gerasterten Bilddaten in einem Framebuffer zur Darstellung auf einem Monitor. Die dreidimensionalen Bilddaten beinhalten Tiefeninformation sowie in der Regel zusätzliche Beschreibungen zu Material- und Oberflächeneigenschaften. In dieser Pipeline erfolgt beispielsweise die Umrechnung von Bildschirmkoordinaten in Gerätekoordinaten, Texturierung, Clipping sowie das Antialiasing. Das gerasterte BiId1 eine 2D-Projektion der 3D-Szene, das im Framebuffer eines Grafikadapters gespeichert wird, enthält nunmehr die Daten der Pixelwerte für die steuerbaren Pixel eines Monitors, beispielsweise eines LCD-Displays. Die holographische Pipeline generiert aus den Ergebnissen der 3D-Rendering-Graphikpipeline die komplexen H o log ramm werte zur Darstellung auf der holographischen Wiedergabeeinrichtung.
Im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Displays erfordern holographische Wiedergabeeinrichtungen jedoch eine viel höhere Anzahl von Pixeln und somit eine vielfach höhere Datenmenge für die Hologrammwerte. Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches die generierte Datenmenge für Videohologramme signifikant reduziert. Folglich soll die Datenmenge, die zwischen der Datenquelle, also Mittel der Content-Generierung, und dem Datenempfänger, also der holographischen Wiedergabeeinrichtung, zu übertragen ist, minimiert werden. Folglich soll auch die Datenmenge, die zum Ablegen der Videohologramme in digitale Speichermedien erforderlich ist, reduziert werden. Im Weiteren soll eine holographische Wiedergabeeinrichtung geschaffen werden, die gewährleistet, die Sequenz auch bei der reduzierten empfangenen Datenmenge ohne Qualitätseinbußen darbieten zu können. Das Verfahren soll erlauben, bekannte Mittel zur Datenspeicherung und Datenübertragung zu nutzen. Eine handhabbare Datenmenge soll dazu beitragen, eine Weiterverbreitung und Akzeptanz von Videohologrammen zu ermöglichen.
Bei der im Stand der Technik beschriebenen Übertragung wird pro Bild beziehungsweise pro Bildframe einer Sequenz die gesamte Datenmenge vom Mittel zur Content-Generierung - als Datenquelle - zu einer holographischen Wiedergabeeinrichtung - als Datenempfänger - übermittelt. Dabei werden die gesamten Hologramminformationen übertragen, auch solche, welche sich bei einem Bildwechsel nicht geändert haben. Da ein Hologramm Objektpunkte im dreidimensionalen Raum rekonstruiert, reicht es zunächst aus zu wissen, welche Objektpunkte sich in einem Bildframe im Vergleich zum vorangehenden Bildframe geändert haben. Die Änderung betrifft insbesondere die Lage aber auch die Farbe und Helligkeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren von Videohologrammen ist vorrangig für holographische Wiedergabeeinrichtungen mit mindestens einem Lichtmodulatormittel, in welches eine in Objektpunkte zerlegte Szene als Gesamthologramm kodiert wird und als Rekonstruktion von einem Sichtbarkeitsbereich aus zu sehen ist, der innerhalb eines Periodizitätsintervalls der Rekonstruierten des Videohologramms liegt, geeignet, wobei der Sichtbarkeitsbereich zusammen mit jedem zu rekonstruierenden Objektpunkt der Szene ein Subhologramm definiert und das Gesamthologramm aus einer Überlagerung von Subhologrammen gebildet wird. Einer derartigen holographischen Wiedergabeeinrichtung mit entsprechenden Lichtmodulatormitteln liegt dabei das Prinzip zugrunde, die mit Informationen von Objektpunkten einer Szene modulierten Wellenfronten in wenigstens einem Sichtbarkeitsbereich zu überlagern. Die Begriffsbestimmungen zum Sichtbarkeitsbereich wurden bereits erläutert.
Im Weiteren wird das Prinzip genutzt, dass die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunkts einer Szene jeweils nur ein Subhologramm als Teilmenge des auf den Lichtmodulatormitteln kodierten Gesamthologramms erfordert. Ein einzelner Objektpunkt wird jeweils durch ein Subhologramm erzeugt, dessen Lage von der Position des Objektpunkts und dessen Größe von der Position des Betrachters abhängt. Der Bereich des Subhologramms auf dem Lichtmodulatormittel wird nachfolgend als Modulatorbereich bezeichnet. Der Modulatorbereich ist jener Teilbereich des Lichtmodulatormittels, welcher erforderlich ist, um den Objektpunkt zu rekonstruieren. Der Modulatorbereich beschreibt gleichzeitig, welche Pixel auf dem Lichtmodulator entsprechend angesteuert werden müssen, um diesen Objektpunkt zu rekonstruieren. Die Position des Modulatorbereichs bleibt fest, wenn es sich um einen so genannten ortsfesten Objektpunkt handelt. Dabei ändert der zu rekonstruierende Objektpunkt seine Lage in Abhängigkeit von der Betrachterposition. Durch Änderung des Modulatorbereichs in Abhängigkeit der Betrachterposition wird erreicht, dass der Objektpunkt ortsfest kodiert wird, das heißt, er ändert seine räumliche Lage in Abhängigkeit der Betrachterposition nicht. In Bezug auf die Erfindung können diese Prinzipien analog behandelt werden. Das Zentrum des Modulatorbereichs liegt in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit auf der Geraden durch den zu rekonstruierenden Objektpunkt und das Zentrum des Sichtbarkeitsbereichs. Die Größe des Modulatorbereichs wird in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit mit Hilfe des Strahlensatzes ermittelt, wobei der Sichtbarkeitsbereich durch den zu rekonstruierenden Objektpunkt auf das Lichtmodulatormittel rückverfolgt wird.
Auch bei der vorteilhaften Verwendung von Subhologrammen gilt, dass ein Pixel als kleinste steuerbare Einheit des Lichtmodulators nicht nur die Information eines einzelnen Subhologramms sondern als Resultat der Überlagerungen die Informationen mehrerer Subhologramme enthält.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in einer Sequenz von Bildern jeweils das Differenzsubhologramm eines neuen sichtbaren Objektpunkts und eines nunmehr davon verdeckten Objektpunkts (oder entsprechend umgekehrt) zu generieren. Bezogen auf die Sichtbarkeit gemäß den Betrachteraugen ist ein Differenzsubhologramm, siehe ebenso die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele, festgelegt durch:
• (a) durch die Differenz des Subhologramms eines im aktuellen Bild fehlenden Objektpunkts und des Subhologramms eines davon im vorangegangenen Bild verdeckten tieferen und nunmehr sichtbaren Objektpunkts, oder umgekehrt
• (b) durch die Differenz des Subhologramms eines im aktuellen Bild neu sichtbaren Objektpunkts und des Subhologramms eines davon im vorangegangenen Bild überdeckenden Objektpunkts, sowie
• (c) bei gleich bleibender Sichtbarkeit am Ort des ortsfesten Objektpunkts das Subhologramm der Färb- und Helligkeitsänderungen und/oder diese Änderungen beschreibende Daten.
Die Verschiebung eines Objektpunkts kann verallgemeinernd als Wegfallen und Dazukommen von entsprechenden Punkten interpretiert werden und ist in der genannten Fallunterscheidung der Sichtbarkeit enthalten. Ebenso sind Fälle enthalten, wo für Objektpunkte kein Hintergrund vorliegt. In diesem Fall ist das Differenzsubhologramm das entsprechende Subhologramm des Objektpunkts.
Für ortsfeste Objektpunkte mit gleichbleibender Sichtbarkeit des Objektpunkts werden vorzugsweise die Färb- und/oder Helligkeitsänderungen beschreibende Daten oder gegebenenfalls entsprechende Subhologramme festgelegt.
Erfindungsgemäß werden zu jedem Differenzsubhologramm so genannte Beschreibungsdaten generiert. Die Beschreibungsdaten dienen im Allgemeinen dazu, die Verarbeitung der Differenzsubhologramme, also letztlich die Darbietung durch die holographische Wiedergabeeinrichtung, zu ermöglichen, zu steuern beziehungsweise zu erleichtern. Beschreibungsdaten umfassen beispielsweise die Größe des Differenzsubhologramms, die Position auf dem Lichtmodulator, Pixelbereiche, Verweise auf Speicherbereiche, Indices oder dergleichen. Die Beschreibungsdaten erlauben somit eine performante Verarbeitung, indem beispielsweise darin die erforderlichen Verweise auf Speicherbereiche einen raschen Datenzugriff ermöglichen. Im Weiteren dienen sie beispielsweise dazu, den Adressbereich des Differenzsubhologramms in einem Bildschirmzwischenspeicher der holographischen Wiedergabeeinrichtung auszulesen oder performant ermitteln zu können. Damit können diese Speicherbereiche performant befüllt werden, so dass schließlich die entsprechenden Pixel des Lichtmodulators angesteuert werden können. Für einen Punkt werden die ßeschreibungsdaten und das Differenzsubhologramm zu den so genannten Differenzdaten zusammengefasst.
Erfindungsgemäß finden im Zuge der Generierung der holographischen Daten weitere Optimierungen statt. Eine Steuereinheit entscheidet optimierend, ob es vorteilhafter ist, die Differenzdaten oder alternativ das Gesamthoiogramm, also den kompletten Bildinhalt, zu generieren. Falls sich der Bildinhalt zu sehr geändert hat, wie dies beispielsweise bei Videoschnitten der Fall ist, müssen sehr viele den Objektpunkten korrespondierende Differenzdaten übertragen werden. Der Aufwand für die Datenübertragung beziehungsweise die Verarbeitung dieser Datenmenge kann in diesem Falle höher als der Aufwand für das Gesamthologramm des ganzen Bildes sein, In diesem Falle wird mit Vorteil das gesamte Hologramm generiert. Die Generierung, die Speicherung und die Übertragung der Differenzdaten kann in loser beziehungsweise ungeordneter Reihenfolge erfolgen, da wie weiter oben beschrieben, dem Differenzsubhologramm erfindungsgemäß durch die Beschreibungsdaten die zusätzlichen zur Verarbeitung erforderlichen Informationen angeheftet werden. Im Gegensatz zur strikt zeilenweisen Generierung beziehungsweise Übertragung bekannter Visualisierungssysteme erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine wahlfreie Generierung und somit eine wahlfreie Übertragung beziehungsweise Speicherung. Vorteilhafterweise werden die Differenzdaten umgehend, also sofort nach deren Ermittlung, an die Datenempfänger, beispielsweise an die holographische Wiedergabeeinrichtung, übertragen. Ebenso ist es möglich, die Differenzdaten mehrerer Punkte zu Datenpaketen zusammenzufassen. Erfindungsgemäß werden diese generierten Daten, also Differenzsubhologramme und die zugehörigen Beschreibungsdaten, für digitale Speichermittel bereitgestellt oder direkt an die holographische Anzeigevorrichtung übertragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass die erforderliche Datenmenge für Videohologramme signifikant verringert werden kann. Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass, je höher der Lichtmodulator der holographischen Wiedergabeeinrichtung aufgelöst ist, desto häufiger statt des Gesamthologramms nur einzelne Differenzsubhologramme, also eine signifikant geringere Datenmenge, übertragen beziehungsweise gespeichert werden. Dabei ist es ebenso denkbar, in festgesetzten Intervallen das Gesamthologramm zu übertragen, um eine einwandfreie Qualität der holographischen Darstellung zu unterstützen.
Die signifikant kleinere Datenmenge erlaubt die Speicherung von Videosequenzen auf herkömmlichen digitalen Speichermedien. Mit besonderem Vorteil der Erfindung wird der Aufwand zur Datenübertragung über ein Computer-Netzwerk und das Internet signifikant verringert.
In einer Weiterführung der Erfindung enthalten die Beschreibungsdaten zusätzlich verallgemeinerte Informationen, die eine Zuordnung der Differenzsubhologramme zu verschiedenen holographischen Wiedergabeeinrichtungen ermöglichen, welche das Prinzip der Subhologramme in vorteilhafter Weise anwenden. Derartige Schemata können als Industriestandards etabliert beziehungsweise vereinbart werden.
Ausgehend vom erfindungsgemäßen Verfahren als Datenquelle wird die holographische Wiedergabeeinrichtung als Empfängerseite interpretiert. Für die holographische Wiedergabeeinrichtung sind somit Mittel und Verfahren erforderlich, um aus verfahrensgemäß erstellten Videohologrammdaten wiederum die Hologramme darbieten zu können. Die holographische Wiedergabeeinrichtung enthält wenigstens ein Bildschirmmittel. Dabei wird als Bildschirmmittel entweder der Lichtmodulator selbst bezeichnet, in dem das Hologramm einer Szene kodiert ist, oder ein optisches Element (z.B. Linse, Spiegel), auf das ein im Lichtmodulator kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulator kodierte Wellenfront einer Szene abgebildet wird. Die Festlegung des Bildschirmmittels und die zugehörigen Prinzipien zur Rekonstruktion der Szene in den Sichtbarkeitsbereich sind durch Dokumente des Anmelders beschrieben. In den Dokumenten WO 2004/044659 sowie WO 2006/027228 ist das Bildschirmmittel der Lichtmodulator selbst. Im Dokument WO 2006119760, Projektionsvorrichtung und Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen, ist das Bildschirmmittel ein optisches Element, auf das ein im Lichtmodulator kodiertes Hologramm abgebildet wird. In DE 10 2006 004 300, Projektionsvorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Szenen, ist das Bildschirmmittel ein optisches Element, auf das eine im Lichtmodulator kodierte Wellenfront der Szene abgebildet wird. WO 2006/066919 des Anmelders beschreibt das bereits erwähnte Verfahren zum Berechnen von Videohologrammen.
Die holographische Wiedergabeeinrichtung enthält einen Bildschirmspeicher oder eine entsprechende Speicherarchitektur, woraus Pixelwerte ausgelesen werden. Mit den Pixelwerten erfolgt eine entsprechende Ansteuerung der Pixel des Lichtmodulatormittels. Der Bildschirmspeicher ist der Speicher einer Graphikkarte, in dem sich die Daten für eine Bildschirmausgabe befinden; er wird auch als Video- RAM (oder kurz VRAM) bezeichnet. Gemäß dem Verfahren werden pro Bildframe vorrangig nicht das Gesamthologramm, sondern die Differenzdaten an die holographische Wiedergabeeinrichtung übertragen. Erfindungsgemäß umfasst die holographische Wiedergabeeinrichtung ebenso einen so genannten Splitter. Splitter sind Berechnungsmittel, welche aus dem verfahrensgemäß generierten Datenstrom einerseits Differenzdaten erkennen und in die Daten der Differenzsubhologramme sowie die zugehörigen Beschreibungsdaten trennen. Mithilfe der Beschreibungsdaten gewährleistet der Splitter beispielsweise, dass die Differenzsubhologramme in die dafür vorgesehenen Speicherbereiche des Bildschirmspeichers eingeschrieben werden und somit dem üchtmodulatormittel zur Verfügung gestellt werden.
Lichtmodulatoren sind in der Regel Aktivmatrix-Displays, deren Pixelwerte ständig aufgefrischt werden müssen, um die Information nicht zu verlieren. Würden nur solche Bildinhalte, die sich geändert haben, an den Lichtmodulator übergeben, so würde in den Bereichen unveränderter Bildinhalte die entsprechende Information verloren gehen. Unverändert gebliebene Objektpunkte würden somit nicht mehr erscheinen. Für einen derartigen Lichtmodulator muss in jedem Auffrischungszyklus der gesamte Bildinhalt im Bildschirmspeicher verfügbar sein, denn es werden in einem Auffrischungszyklus der gesamte Bildinhalt aus dem Bildschirmspeicher gelesen und daraus entsprechend die Pixel angesteuert beziehungsweise aufgefrischt.
Gleichzeitig werden gemäß der Erfindung die Daten der Differenzsubhologramme in den Bildschirmspeicher geschrieben. Aus diesem Grund werden ein spezieller Bildschirmspeicher beziehungsweise geeignete Speicherarchitekturen vorgeschlagen, welche die Funktionalitäten zum gleichzeitigen Lesen und Schreiben erfüllen. Damit ist gewährleistet, dass einerseits im Schreibmodus die neuen Differenzsubhologramme abgelegt werden und gleichzeitig im Lesemodus der gesamte Bildschirmspeicher ausgelesen und die Information zum Lichtmodulator zur Ansteuerung der Pixel übertragen wird. Vorzugsweise werden Dualport-RAMs als Bildschirmspeicher vorgeschlagen. Insbesondere bei hochauflösenden Wiedergabeeinrichtungen werden mit Vorteil die Differenzsubhologramme generiert. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Verringerung der Datenmenge von der Content-Generierung zu einer holographischen Wiedergabeeinrichtung. Analog werden die Anforderungen an Speichermittel und Übertragungsmittel ebenso vorteilhaft reduziert. Bisher bekannte Speichermedien erlauben die Speicherung einer langen Videosequenz. Analog gewährleisten bereits bekannte Übertragungsmittel, wie Internet, LAN1 WL-AN1 DVI, HDMI und dergleichen, eine performante Übertragung.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend weiterführend erläutert. In den zugehörigen Figuren zeigen
Fig. 1 a das zugrunde liegende Prinzip einer holographischen
Wiedergabeeinrichtung,
Fig. 1 b das Differenzsubhologramm für einen hinzutretenden Punkt, Fig. 1 c das Differenzsubhologramm für einen verschwindenden Punkt, Fig. 2 einen Ablaufplan des Verfahrens sowie Fig. 3 einen Aufbauplan der holographischen Wiedergabeeinrichtung.
Im Weiteren wird ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Generierung komplexer Hologrammwerte von Subhologrammen erläutert. Die diesbezüglichen Figuren zeigen
Fig. B1 das zugrunde liegende Prinzip einer holographischen
Wiedergabeeinrichtung und einen Modulatorbereich eines
Objektpunkts, Fig. B2a die Wiedergabeeinrichtung in einer Seitenansicht mit einem
Abbildungselement aus Linse und Prisma,
Fig. B2b einen Modulatorbereich und ein vertikal wirkendes Prisma, Fig. B2c einen Modulatorbereich und ein horizontal wirkendes Prisma, Fig. B3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. B4 eine Variante des Verfahrens zur Rekonstruktion eines
Objektpunkts hinter der Hologrammebene. Fig. 1a veranschaulicht das zugrunde liegende Prinzip einer holographischen Wiedergabeeinrichtung (HAE) für einen Betrachter. Das Prinzip ist für mehrere Betrachter analog. Die Position eines Betrachters ist dabei durch die Position seiner Augen, respektive seiner Pupillen (VP) charakterisiert. Die Einrichtung enthält ein Lichtmodulatormittel (SLM), welches zur einfacheren Darstellung in dieser Ausführungsform gleich dem Bildschirmmittel (B) ist, und überlagert die mit Informationen von Objektpunkten einer Szene (3D-S) modulierten Wellenfronten in wenigstens einem Sichtbarkeitsbereich (VR). Der Sichtbarkeitsbereich ist den Augen nachgeführt. Die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunkts (OP) einer Szene (3D-S) erfordert dabei jeweils nur ein Subhologramm (SH) als Teilmenge des auf Lichtmodulatormitteln (SLM) kodierten Gesamthologramms (H∑SLM)- Der Bereich des Subhologramms auf dem Lichtmodulator (SLM) ist der Modulatorbereich (MR). Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist der Modulatorbereich (MR) nur ein kleiner Teilbereich des Lichtmodulatormittels (SLM). Das Zentrum des Modulatorbereichs (MR) liegt in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit auf der Geraden durch den zu rekonstruierenden Objektpunkt (OP) und das Zentrum des Sichtbarkeitsbereichs (VR). Die Größe des Modulatorbereichs (MR) wird in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit mit Hilfe des Strahlensatzes ermittelt, wobei der Sichtbarkeitsbereich (VR) durch den zu rekonstruierenden Objektpunkt (OP) auf das Lichtmodulatormittel (SLM) zurückverfolgt wird. Im Weiteren ergeben sich dadurch die Indices jener Pixel auf dem Lichtmodulatormittel (SLM), die zur Rekonstruktion dieses Objektpunkts erforderlich sind.
In Fig. 1 b ist im aktuellen Bild (Pn) der Sequenz gegenüber dem vergangenen Bild ein neuer Objektpunkt (OPN) dazugekommen, welcher jedoch, wie aus der Figur ersichtlich, gemäß der Sichtbarkeit des Betrachters einen im letzen Bild (Pn-O sichtbaren Objektpunkt (OPX) überdeckt, so dass dieser nunmehr unsichtbar wird. In diesem Fall ist das Differenzsubhologramm (SD = SHN-SHX) als Differenz des Subhologramms (SHX) vom Objektpunkt (OPX) und des Subhologramms (SHN) des Punktes (OPN) festgelegt und ermittelbar. In Fig. 1 c ist im aktuellen Bild (Pn) der Sequenz gegenüber dem vergangenen Bild ein Objektpunkt (OPX) weggefallen, so dass, wie aus der Figur ersichtlich, gemäß der Sichtbarkeit des Betrachters ein im letzen Bild (Pn-O unsichtbarer, verdeckter Objektpunkt (OPN) nunmehr sichtbar wird. In diesem Fall ist das Differenzsubhologramm (SD = SHN-SHX) als Differenz des Subhologramms (SHX) des fehlenden Objektpunkts (OPX) und des Subhologramms (SHN) des nunmehr sichtbaren Objektpunkts (OPN) festgelegt und ermittelbar.
Ohne Figur ist der dritte Fall eines ortsfesten Objektpunkts mit unterschiedlicher Farbe und/oder Heiligkeit erwähnt, Hier beschreibt das Differenzsubhologramm die entsprechenden Färb- oder Helligkeitsinformationen. In der Regel ist es jedoch ausreichend, diese Änderungen durch deskriptive Daten zu detaillieren.
Zu einem Differenzsubhologramm werden zusätzliche Beschreibungsdaten generiert und abgelegt. Die Beschreibungsdaten enthalten Daten, die eine Zuordnung der Differenzsubhologramme in den Bildschirmspeicher der Anzeigevorrichtung ermöglichen beziehungsweise erleichtern. Wie nachfolgend aus der Figur 4 ersichtlich, umfassen die Beschreibungsdaten die Lage und Größe des Differenzsubhologramms sowie vorzugsweise zusätzliche Indices für Pixelbereiche, Speicherbereiche und dergleichen.
Fig. 2 zeigt einen Ablaufplan des Verfahrens. In einem ersten Schritt werden für das aktuelle Bild der Sequenz die Differenzen zum vorgehenden Bild ermittelt. Diese Daten werden beispielsweise von einer 3D-Rendering-Graphikpipeline ermittelt. Im Weiteren wird die Position des Betrachters, also genauer die Position seiner Augenpupillen beziehungsweise der Sichtbarkeitsregionen, welche die Augenpupillen überdecken, zur Verfügung gestellt. Im Zuge dieser vorbereitenden Schritte entscheidet ein Steuermittel (CU) optimierend, ob es günstiger ist, die Differenzdaten der geänderten Objektpunkte oder aber das Gesamthologramm für das gesamte Bild zu generieren. Sind die Bildinhalte stark unterschiedlich, wie das beispielsweise bei Schnitten der Fall ist, so kann es günstiger sein, das Gesamthologramm (HΣSLM)ZU generieren. Ansonsten wird für jeden geänderten Objektpunkt das Differenzsubhologramm ermittelt. Gemäß der Sichtbarkeit wird analog zu Fig. 1 b und Fig. 1c unterschieden, ob ein neuer, nunmehr sichtbarer Punkt hinzukommt, ein bisher sichtbarer Objektpunkt wegfällt oder sich die Farbe und/oder Helligkeit für einen ortsfesten Punkt mit gleich bleibender Sichtbarkeit geändert hat. Analog zu Fig. 1 b und 1c wird das Differenzsubhologramm als Differenz der Subhologramme der jeweils sichtbaren beziehungsweise unsichtbaren Objektpunkte gebildet. Die Subhologramme werden analytisch berechnet oder vorzugsweise aus Look-Up-Tabellen ermittelt oder ausgelesen. Dem analytischen Verfahren liegt beispielsweise das Prinzip nach WO 2006/066919 zugrunde, wobei vorzugsweise anhand dieses Verfahrens ebenso die Subhologramme der Look-Up-Tabellen ermittelt werden.
WO 2006/066919 des Anmelders beschreibt ein Verfahren zum Berechnen von Videohologrammen. Insbesondere werden damit die Hologrammwerte des Subhologramms eines Objektpunkts ermittelt, indem computergestützt die folgenden Schritte durchgeführt werden:
• aus jedem Objektdatensatz jeder tomographischen Szeneschnittfläche wird ein Beugungsbild in Form einer separaten zweidimensionalen Verteilung von Wellenfeldern für eine Betrachterebene mit einem endlichen Abstand parallel zu den Schnittebenen berechnet, wobei die Wellenfelder aller Schnitte für mindestens einen gemeinsamen Sichtbarkeitsbereich berechnet werden,
• die berechneten Verteilungen aller Schnittebenen werden zur Beschreibung eines gemeinsamen Wellenfeldes für den Sichtbarkeitsbereich in einem zur Betrachterebene refe renzierten Datensatz addiert und
• der Referenzdatensatz zum Erzeugen eines Hologrammdatensatzes für ein gemeinsames computer-generiertes Hologramm der Szene wird in eine von der Referenzebene endlich entfernte, parallele Hologrammebene transformiert, wobei in der Hologrammebene das Lichtmodulatormittel liegt.
Im dritten Fall eines ortsfesten Objektpunkts mit Farb-/Helligkeitsänderungen kann ebenfalls das Differenzsubhologramm der Färb- beziehungsweise Helligkeitsänderungen ermittelt werden. Es reicht in der Regel jedoch aus, diese Änderungen durch deskriptive Parameter zu beschreiben. Im nächstfolgenden Schritt werden für die Differenzsubhotogramme die Beschreibungsdaten ermittelt. Wie aus Fig. 1 a ersichtlich oder nachvollziehbar, umfassen diese Daten die Lage und Größe des Differenzsubhologramms auf dem Lichtmodulatormittel (SLM) sowie Index-, Speicher- und Adressbereiche oder dergleichen. Vorzugsweise sind die für das Differenzsubhologramm erforderlichen Speicherbereiche beziehungsweise Adressbereiche eines Bildschirmspeichers (VRAM) in der holographischen Wiedergabeeinrichtung (HAE) enthalten. Im Allgemeinen gilt, dass diese Beschreibungsdaten die Anzeige auf dem Lichtmodulator ermöglichen, steuern beziehungsweise erleichtern. Die Initialisierungsdaten der holographischen Wiedergabeeinrichtung und insbesondere des Lichtmodulators werden hier als bekannt vorausgesetzt. Beispielsweise wurden diese Daten von der holographischen Wiedergabeeinrichtung abgefragt oder ausgelesen. Bezüglich der Beschreibungsdaten wird hierzu auf Fig. 3 verwiesen, welche die Verarbeitung der hier generierten Daten durch die holographische Wiedergabeeinrichtung erläutert. Das Differenzsubhologramm (SD) eines Objektpunkts und die zugehörigen Beschreibungsdaten (SDJND) bilden gemeinsam die Differenzdaten (D), die nunmehr, gegebenenfalls nach einer weiteren Datenkompression, an die Speichermittel, an die Übertragungsmittel oder an die holographische Wiedergabeeinrichtung bereitgestellt werden.
Fig. 3 zeigt eine Schemadarstellung der holographischen Wiedergabeeinrichtung (HAE) und veranschaulicht das Prinzip, die gemäß dem Verfahren generierten Videodaten ohne Qualitätseinbuße darzustellen. Die Eingangsdaten für die Wiedergabeeinrichtung umfassen gemäß dem Verfahren die zu einem Objektpunkt zugehörigen Differenzdaten (D), welche sich jeweils aus den Beschreibungsdaten (SDJND) und aus den Differenzdaten (SD) zusammensetzen. Die Differenzdaten eines Objektpunkts beinhalten mit den Beschreibungsdaten alle zur weiteren Verarbeitung erforderlichen Daten. In der Figur sind die Differenzdaten beispielhaft mit Punktindices "3", "126" sowie "1056" versehen, womit angedeutet wird, dass es möglich ist, die Differenzdaten in loser Reihenfolge zu übertragen. Die Wiedergabeeinrichtung umfasst ein Lichtmodulatormittel (SLM). Die Daten der Pixelwerte zur Ansteuerung der hier nur schematisch dargestellten Lichtmodulatormittel (SLM) werden aus einem Bildschirmspeicher (VRAM) ausgelesen.
Zusätzlich umfasst die Wiedergabeeinrichtung
• einen Splitter (SX), als Mittel zur Erkennung der Differenzdaten (D) und Auftrennung in Beschreibungsdaten (SDJND) sowie Daten zum Differenzsubhologramm (SD) und
• Mittel zum Beschreiben der Daten des Differenzsubhologramms (SD) gemäß den Beschreibungsdaten (SDJND) in den Bildschirmspeicher (VRAM).
Gegebenenfalls sind zusätzliche Berechnungsmittel (IC) erforderlich, welche die Speicher- beziehungsweise Adressbereiche der Differenzsubhologramme ermitteln, sofern diese nicht oder nicht vollständig in den Beschreibungsdaten vorliegen. Vorzugsweise sind diese Berechnungsmittel (IC) mit dem Splitter (SX) kombiniert.
Der Bildschirmspeicher (VRAM) hat die Eigenschaft, dass er die Pixelwerte gespeichert behält, so dass die Werte auch für die nachfolgenden Anzeigeintervalle so lange erhalten bleiben, bis sie mit einem neuen Wert überschrieben werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichtmodulator (SLM) ein Aktivmatrix-Display, dessen Pixelwerte ständig aufgefrischt werden müssen, um die Information nicht zu verlieren. Für den Lichtmodulator muss in jedem Auffrischungszyklus der gesamte Bildinhalt im Bildschirmspeicher (VRAM) verfügbar sein. Es werden somit in einem Auffrischungszyklus der gesamte Bildinhalt aus dem Bildschirmspeicher gelesen und die Pixel angesteuert beziehungsweise aufgefrischt. Aus diesem Grund wird ein spezieller Bildschirmspeicher (VRAM) vorgeschlagen, welcher die Funktionalitäten zum gleichzeitigen Lesen und Schreiben erfüllt. Wie aus der Figur ersichtlich, ist gewährleistet, dass im Schreibmodus einerseits die neuen Differenzsubhologramme (SD) abgelegt werden und gleichzeitig im Lesemodus der Inhalt des gesamten Bildschirmspeichers (VRAM) gelesen und die Information in den Lichtmodulator (SLM) zur Ansteuerung seiner Pixel übertragen wird. Für einen Bildschirmspeicher dieser Art bieten sich beispielsweise Dualport-RAMs oder andere Speichertechnologien mit gleicher Funktionsweise an, welche die Forderung nach gleichzeitigen Lesen und Schreiben erfüllen. Für die zu verarbeitenden Differenzdaten sind in dieser Figur auf dem Lichtmodulator (SLM) die Pixelbereiche der Subhologramme schematisch dargestellt. Daraus ist wiederum ersichtlich, dass die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunkts nur ein Subhologramm als Teilmenge des auf dem Lichtmodulator (SLM) kodierten Gesamthologramms (H∑SLM) erfordert.
Anhand der Figuren B1 bis B4 wird nachfolgend ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Generierung der Subhologramme erläutert. Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine dreidimensionale Szene (3D-S) mit Färb- und Tiefeninformationen, welche in eine Vielzahl von Objektpunkten strukturiert wird. Auch bei der vorteilhaften Verwendung von Subhologrammen gilt, dass ein Pixel, als kleinste steuerbare Einheit des Lichtmodulators, nicht nur die Information eines einzelnen Subhologramms, sondern als Resultat der Überlagerungen die Informationen mehrerer Subhologramme enthält.
Dem bevorzugten Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, dass die komplexen Hologrammwerte eines Subhologramms aus der Wellenfront des jeweils zu rekonstruierenden Objektpunkts in einem Modulatorbereich des Lichtmodulatormittels ermittelt werden, indem die Transmissions- oder Modulationsfunktionen eines im Modulatorbereich modellierten Abbildungselements, in dessen Brennpunkt der zu rekonstruierende Objektpunkt liegt, berechnet und ausgewertet werden. Die Hologrammebene ist durch den Ort eines Bildschirmmittels festgelegt, wobei zur Vereinfachung in den nachfolgenden Erläuterungen das Bildschirmmittel der Lichtmodulator selbst ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Abbildungselement eine in der Hologrammebene liegende Linse mit der Brennweite f, welche geneigt ist. Eine geneigte Linse ist eine Zusammensetzung aus einer in Bezug auf die Hologrammebene nicht geneigten Linse sowie einem vertikal und einem horizontal wirkenden Prisma. Streng genommen wird durch ein Prisma kein Subhologramm definiert, da durch die nichtfokale Prismenfunktion kein Objektpunkt rekonstruiert wird. Im Sinne der Klarheit des Erfindungsgedankeπs wird dies nachfolgend jedoch so bezeichnet, da das Prisma im Modulatorbereich ebenso einen Beitrag zu den komplexen Hologrammwerten liefert. Anhand einer Linse und eines Prismas wird das Verfahren nachfolgend weiter detailliert. Es ist selbstverständlich für eine Linse allein oder Prisma allein ebenso gültig, in diesem Falle werden Verfahrensschritte oder die entsprechenden Terme natürlich nicht durchgeführt oder nicht beachtet. Zur Berechnung der komplexen Werte des Subhologramms umfasst diese Detaillierung des Verfahrens für jeden sichtbaren Objektpunkt der Szene die nachfolgenden Schritte:
A: Ermittlung der Größe und Lage des Modulatorbereichs, analog den oben genannten Ausführungen, jedoch wird nachfolgend dem Modulatorbereich ein lokales Koordinatensystem zugrunde gelegt, wobei der Ursprung des Systems im Zentrum liegt, die x-Koordinate die Abszisse und die y- Koordinate die Ordinate beschreibt. Für den Modulatorbereich wird "a" als halbe Breite und "b" als halbe Höhe als Bemaßung gewählt, wobei diese Intervallgrenzen in die nachfolgenden Terme eingehen.
B: Ermittlung des Subhologramms der Linse in der Hologrammebene: B1 : Bestimmung der Brennweite f der Linse:
Die Brennweite f der Linse ist vorzugsweise der Normalabstand des zu rekonstruierenden Objektpunkts von der Hologrammebene. B2: Komplexe Werte des zugehörigen Subhologramms der Linse:
Die komplexen Werte des zugehörigen Subhologramms werden aus zL = exp { +/-i*[ (π/λf ) * ( x2 + y2 )]})
ermittelt, mit λ als Bezugswellenlänge, f als Brennweite und dem zugehörigen Koordinatenpaar (x, y). Das negative Vorzeichen folgt hier aus der Eigenschaft einer konkaven Linse. Eine konvexe Linse ist durch ein positives Vorzeichen gekennzeichnet. B3: Aufgrund der Symmetrie in x und y ist es ausreichend, die komplexen Werte in einem Quadranten zu ermitteln und unter Beachtung der Vorzeichen die weiteren Werte auf die anderen Quadranten zu übertragen.
Ermittlung der Subhologramme der Prismen (P) in der Hologrammebene: Die gewählten Prismen gehen dabei, siehe auch die nachfolgenden Figuren, durch die Abszisse beziehungsweise Ordinate.
C1 : Bestimmung des Linearfaktors Cx des Prismas (PH) mit horizontaler Wirkungsrichtung, welcher im Intervall x e [-a, a] beschrieben wird durch
Cx = M * (2π/λ);
mit M als Neigung des Prismas.
C2: Bestimmung des Linearfaktors Cy des Prismas (PV) mit vertikaler Wirkungsrichtung, welcher analog im Intervall y e [-b, b] beschrieben wird durch
Cy = N * (2π/λ);
mit N als Neigung des Prismas.
C3: Ermittlung der komplexen Werte des zugehörigen
Subhologramms der kombinierten Prismen: Die komplexen Werte für das zugehörige Subhologramm werden aus der Überlagerung der beiden Prismenterme
zp = exp { i* [ Cx *(x-a) + Cy *(y-b)]}
ermittelt. Das überlagerte Prisma geht durch den Ursprung des lokalen Koordinatensystems.
C4: Ein entsprechender Prismenterm entfällt, wenn die holographische Wiedergabeeinrichtung die Eigenschaft aufweist, die Lichtquelle in den Sichtbarkeitsbereich abzubilden. D: Modulation der Subhologramme für Linse und Prismen:
Zur Ermittlung des kombinierten Subhologramms werden die komplexen Werte der Linse und der Prismen komplex multipliziert:
ZSH = ZL * Zp beziehungsweise symbolisch SH = SHL * SHp
E: Anwendung der Zufallsphase:
Jedem modulierten Subhologramm aus Schritt D wird eine zufallsverteilte
Phase zugeordnet, um eine homogene Helligkeitsverteilung im
Sichtbarkeitsbereich zu gewährleisten. Die Zufallsphase wird zum
Subhologramm aufaddiert, indem eine komplexe Multiplikation ausgeführt wird:
ZSH := ZSH exp (iΦ0) beziehungsweise symbolisch
SH :- SH exp (iΦ0)
Die Zufallsphase wird jedem Subhologramm einzeln zugeordnet. Vorzugsweise sind insgesamt global betrachtet die Zufallsphasen aller Subhologramme gleich verteilt.
F: Intensitätsmodulation:
Die komplexen Werte werden mit einem zusätzlichen Multiplikationsfaktor, welcher die Intensität beziehungsweise die Helligkeit repräsentiert, versehen.
ZSH = C * ZSH beziehungsweise symbolisch
SH := C * SH;
G: Wird das Gesamthologramm berechnet, so werden die Subhologramme zum Gesamthologramm überlagert. In einer einfachen Lösung werden die Subhologramme zum Gesamthologramm - unter Beachtung der Lage der Subhologramme - komplex aufaddiert.
Gesamthologramm = komplexe Summe der Subhologramme mit
Figure imgf000023_0001
beziehungsweise symbolisch
ZsLM= ∑Zsm
(mit Bezug auf ein globales Koordinatensystem)
Das Verfahren wird vorzugsweise nur für sichtbare Objektpunkte angewendet. Die Sichtbarkeit des Objektpunkts wird im Zuge des Rendems der Szene von einer 3D- Rendering-Graphikpipeline bestimmt und folgt aus der Betrachterposition, also der entsprechenden Position der Pupillen und folglich aus der Position des Sichtbarkeitsbereichs, welcher der Position der Pupillen nachgeführt ist.
Die detaillierte Beschreibung bezieht sich darauf, die bestmögliche Lösung zu berechnen. Es ist selbstverständlich möglich, die genannten Funktionsterme durch einfachere zu ersetzen, wenn eine Verschlechterung der Rekonstruktion akzeptiert oder gar gewünscht wird. Auf der anderen Seite ist es ersichtlich, dass aufdatierte Verfahrensschritte angewendet werden, um die Qualität der Rekonstruktion zu erhöhen. Beispielsweise können Linsen beziehungsweise Prismen speziell gewählt werden, um Abberationen, toleranzbehaftete Lichtmodulatormittel oder dergleichen zu kompensieren. Dies gilt ebenso für die beispielhaft genannten Methoden, den Modulatorbereich zu bestimmen.
Wie aus Fig. B1 , welche auf Fig. 1 aufbaut, ersichtlich, wird dem Modulatorbereich (MR) ein Koordinatensystem zugrunde gelegt, wobei der Ursprung des Systems im Zentrum liegt, die x-Koordinate die Abszisse und die y-Koordinate die Ordinate beschreibt. Dem Modulatorbereich (MR) sind a als halbe Breite und b als halbe Höhe zugeordnet.
Fig. B2a zeigt die holographische Wiedergabeeinrichtung (HAE) in einer Seitenansicht und veranschaulicht das Grundprinzip des Verfahrens. Analog zu Fig. B1 wird ausgehend vom Sichtbarkeitsbereich (VR) der Modulatorbereich (MR) abgeleitet. Dieser Bereich ist in der Hologrammebene (HE), in welcher sich der Lichtmodulator (SLM) befindet. Dem Modulatorbereich ist das oben genannte Koordinatensystem zugeordnet. Im Modulatorbereich (MR) liegt das Abbildungselement (OS), welches hier eine Sammellinse (L) und ein Prisma (P) umfasst. Für das Prisma ist nur der vertikal wirkende Prismenkeil eingezeichnet und das Abbildungselement (OS) ist in der Figur zur besseren Sichtbarkeit vor der Hologrammebene (HE) liegend eingezeichnet.
Fig. B2b zeigt einen horizontal wirkenden Prismenkeil (PH) vor dem Modulatorbereich (MR) mit den entsprechend verwendeten Koordinaten und Bemaßungen. Der Prismenkeil geht hier durch die Ordinate.
Fig. B2c zeigt analog einen vertikal wirkenden, durch die Abszisse gehenden Prismenkeil (PV). Die beiden Prismenkeile werden, wie nachfolgend erläutert überlagert.
Fig. B3 zeigt einen Abiaufplan des bevorzugten Verfahrens. Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine dreidimensionale Szene (3D-S)1 welche in eine Vielzahl von Objektpunkten (OP) strukturiert wird. Zu den Objektpunkten (OP) sind Färb- und Tiefeninformationen verfügbar. Anhand der Tiefeninformation des Objektpunkts wird dessen Sichtbarkeit gemäß der Betrachterposition, respektive der Pupillen des Betrachters, ermittelt. Für jeden sichtbaren Objektpunkt wird im Schritt (A) die Größe und Lage des zugehörigen Modulatorbereichs (MR) in der Hologrammebene (HE) beziehungsweise auf dem Lichtmodulatormittel bestimmt. Dem Gedanken der Erfindung folgend wird der zu rekonstruierende Objektpunkt (OP) als der Brennpunkt eines in der Hologrammebene liegenden Abbildungselements interpretiert. Das Abbildungselement ist hier als Kombination einer Sammellinse (L) und, siehe Fig. 2b, 2c, von vertikal beziehungsweise horizontal wirkenden Prismen (PH, PV) aufgefasst. Für jeden sichtbaren Objektpunkt wird somit im Schritt (B1) die Brennweite der Linse (L) als Normalabstand des Objektpunkts (OP) zur Hologrammebene (HE) ermittelt. Die komplexen Werte des zugehörigen Subhologramms (SHL) werden im Schritt (B2) aus zL = exp { -i*[ (π/λf ) * ( x2 + y2 )]}
ermittelt mit λ als Bezugswellenlänge, f als Brennweite, und dem zugehörigen lokalen Koordinatenpaar (x, y). Das Koordinatensystem ist wie eingangs beschrieben festgelegt.
Im Schritt (C) werden die Subhologramme (SHP) der Prismen (P) in der Hologrammebene ermittelt. Die Bestimmung des Linearfaktors Cx des Prismas (PH) mit horizontaler Wirkungsrichtung erfolgt durch Cx = M * (2π/λ); wobei M als Neigung des Prismas definiert ist. Dies erfolgt für das vertikale Prisma analog mit N als Neigung. Die komplexen Werte des zugehörigen Subhologramms (SHP) werden aus der Überlagerung der beiden Prismenterme
SHP:= ZP = exp { i* [ Cx *(x-a) + Cy *(y-b)]}
ermittelt. Ein Prismenterm entfällt, wenn die holographische Wiedergabeeinrichtung die Eigenschaft aufweist, die Lichtquelle in den Sichtbarkeitsbereich (VR) abzubilden.
Nachdem die Subhologramme (SHL) der Linse (L) und jener (SHP) der Prismen (P) nun vorliegen, werden sie überlagert, indem im Schritt (D) für das kombinierte Subhologramm (SH) die komplexen Werte der Linse und der Prismen mit
ZSH = ZL * Zp beziehungsweise symbolisch
Figure imgf000025_0001
komplex multipliziert werden.
Im Schritt (E) wird das Subhologramm (SH) mit einer gleich verteilten Zufallsphase versehen. Im Schritt (F) erfolgt eine Intensitätsmodulation, wobei das Subhologramm (SH) durch
ZSH = C * ZSH beziehungsweise symbolisch
TH := C * TH
mit einem Intensitätsfaktor versehen wird. Das kombinierte Subhologramm (SH) eines Objektpunkts (OP) liegt nun, wie gewünscht, vollständig vor.
Zusätzlich wäre es in einem Verfahrensschritt (G) denkbar, die Subhologramme der Objektpunkte zu einem Gesamthologramm (H∑SLM) aufzuaddieren. Die einzelnen Subhologramme (SH,) der Objektpunkte sind superponierbar und werden zum Gesamthologramm (H∑SLM) komplex aufaddiert.
Gesamthologramm = komplexe Summe der Subhologramme der Objektpunkte mit H∑SLM = ∑ SH, beziehungsweise
Figure imgf000026_0001
(mit Bezug auf ein globales Koordinatensystem)
Das Gesamthologramm (HΣSLM) repräsentiert das Hologramm aller Objektpunkte. Es repräsentiert und rekonstruiert somit die gesamte Szene (3D-S).
Mit Hilfe dieses Verfahrens können in Echtzeit die Subhologramme für die interaktive holographische Darstellung für Objektpunkte an beliebigen Positionen innerhalb des Rekonstruktionsraums mit heute verfügbaren Standardkomponenten der Hardware generiert werden. Vorzugsweise werden mit dem bevorzugten Verfahren die Subhologramme ermittelt sowie die genannten Look-Up-Tabellen mit den Subhologrammen befüllt. Analog zum erfindungsgemäßen Verfahren und zur erfindungsgemäßen Einrichtung eignet es sich für holographische Wϊedergabeeinrichtungen, welche ebenso das Prinzip der Subhologramme in vorteilhafter Weise nutzen. Insbesondere sind dies, analog den bereits erfolgten Erläuterungen, Einrichtungen nach WO 2004/044659, WO 2006/027228, WO 2006119760 sowie DE 10 2006 004 300.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
HAE holographische Wiedergabeeinrichtung
B Bildschirmmittel der HAE
SLM Lichtmodulatormittel der HAE
VRAM Bildschirmspeicher der HAE
SX Splitter der HAE
IC Berechnungsmittel der HAE
3D-S durch Objektpunkte strukturierte Szene
VR Sichtbarkeitsregionen
OP Objektpunkt, allgemein
OPn, OPn+1,... Objektpunkt, speziell mit Bezugsindex
OPN neu sichtbarer/aktueller Objektpunkt
OPX obsoleter Objektpunkt
SH Subhologramm, allgemein
SHj Subhologramm, allgemein, indiziert
SD Differenzsubhologramm
SHN Subhologramm eines neuen Objektpunkts
SHX Subhologramm eines obsoleten Objektpunkts
MR Modulatorbereich
SDJND Beschreibungsdaten zu einem Differenzsubhologramm
D Differenzdaten als Kombination aus Differenzsubhologramm und
Beschreibungsdaten
H∑SLM Gesamthologramm
Pn Bild einer Sequenz
Pn-1, Pn, Pn+i Bildfolge einer Sequenz
CU Steuerungsmittel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Generierung von Videohologrammen für eine holographische Wiedergabeeinrichtung (HAE), mit mindestens einem Lichtmodulatormittel (SLM), in welches eine in Objektpunkte (OP) zerlegte Szene (3D-S) als Gesamthologramm (H∑SLM) kodiert wird und als Rekonstruktion von einem Sichtbarkeitsbereich (VR) aus zu sehen ist, der innerhalb eines Periodizitätsintervalls der Rekonstruierten des Videohologramms liegt, wobei der Sichtbarkeitsbereich (VR) zusammen mit jedem zu rekonstruierenden Objektpunkt (OP) der Szene (3D-S) ein Subhologramm (SH) definiert und das Gesamthologramm (H∑SLM) aus einer Überlagerung von Subhologrammen (SH) gebildet wird, wobei bei einer Sequenz von Bildinhalten für jedes Bild
• die Differenzsubhologramme (SD) von Objektpunkten, die sich in aufeinander folgenden Bildern (Pn-1 , Pn) der Sequenz unterscheiden, generiert werden, wobei ein Differenzsubhologramm (SD) bezogen auf die Sichtbarkeit gemäß der Betrachteraugen (VP):
• (a) durch die Differenz des Subhologramms (SHX) eines im aktuellen Bild (Pn) fehlenden Objektpunkts (OPX) und des Subhologramms (SHN) eines davon im vorangegangenen Bild (Pn-i) verdeckten tieferen und nunmehr sichtbaren Objektpunkts (OPN), oder
• (b) durch die Differenz des Subhologramms (SHN) eines im aktuellen Bild (Pn) neu sichtbaren Objektpunkts (OPN) und des Subhologramms (SHX) eines davon im vorangegangenen Bild (Pn-i) überdeckenden Objektpunkts (OPX), sowie
• (c) bei gleich bleibender Sichtbarkeit am Ort des Objektpunkts durch die Subhologramme der Färb- und Helligkeitsänderungen und/oder durch diese Änderungen beschreibende Daten festgelegt ist,
wobei die generierten Daten für Speichermittel bereitgestellt oder an die holographische Anzeigevorrichtung (HAE) übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei Differenzdaten (D), die ein Differenzsubhologramm (SD) und zugehörige Beschreibungsdaten (SDJND) umfassen, generiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschreibungsdaten (SDJND) eines Differenzsubhologramms (SD) Daten umfassen, welche die Anzeige auf dem Lichtmodulator (SLM) ermöglichen, steuern beziehungsweise erleichtern.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Beschreibungsdaten (SDJND) mindestens die Lage und Größe des Differenzsubhologramms (SD) auf dem Lichtmodulatormittel (SLM) umfassen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Beschreibungsdaten (SDJND) Informationen über die für das Differenzsubhologramm (SD) erforderlichen Speicherbzw. Adressbereiche des Bildschirmspeichers (VRAM) der holographischen Wiedergabeeinrichtung (HAE) umfassen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das zu einer Betrachterposition zugehörige Subhologramm eines Objektpunkts aus wenigstens einer Look-Up- Tabelle (LUT) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Hologrammwerte des Subhologramms eines Objektpunkts ermittelt werden oder vorab für jeden möglichen Objektpunkt in einem definierten Raumbereich der zugehörige Eintrag des Subhologramms einer oder mehrerer Look-Up-Tabellen generiert wird, wobei computergestützt die folgenden Schritte durchgeführt werden:
• aus jedem Objektdatensatz jeder tomographischen Szeneschnittfläche wird ein Beugungsbild in Form einer separaten zweidimensionalen Verteilung von Wellenfeldern für eine Betrachterebene mit einem endlichen Abstand parallel zu den Schnittebenen berechnet, wobei die Wellenfelder aller Schnitte für mindestens einen gemeinsamen Sichtbarkeitsbereich berechnet werden, • die berechneten Verteilungen aller Schnittebenen werden zur Beschreibung eines gemeinsamen Wellenfeldes für den Sichtbarkeitsbereich in einem zur Betrachterebene referenzierten Datensatz addiert und
• der Referenzdatensatz zum Erzeugen eines Hologrammdatensatzes für ein gemeinsames computergeneriertes Hologramm der Szene wird in eine von der Referenzebene endlich entfernte, parallele Hologrammebene transformiert, wobei in der Hologrammebene das Lichtmodulatormittel liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Hologrammwerte des Subhologramms eines Objektpunkts ermittelt werden oder vorab für jeden möglichen Objektpunkt in einem definierten Raumbereich der zugehörige Eintrag des Subhologramms einer oder mehrerer Look-Up-Tabellen generiert wird, wobei die komplexen Hologrammwerte eines Subhologramms (SH) aus der Wellenfront des jeweils zu rekonstruierenden Objektpunkts (OP) in einem Modulatorbereich (MR) des Lichtmodulatormittels ermittelt werden, indem die Transmissions- oder Modulationsfunktionen eines im Modulatorbereich (MR) modellierten Abbildungselements (OS), in dessen Brennpunkt der zu rekonstruierende Objektpunkt (OP) liegt, berechnet und ausgewertet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Abbildungselement (OS) wenigstens eine Linse (L) umfasst.
10. Verfahren nach Ansprüch e oder 9, wobei das Abbildungselement (OS) zusätzlich wenigstens ein Prisma (P) umfasst.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, wobei die Differenzdaten (D) von Objektpunkten in foser Reihenfolge generiert werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, wobei Steuerungsmittel (CU) optimierend entscheiden, für ein Bild die Differenzdaten (D) oder alternativ das Gesamthologramm (HΣSLM) ZU ermitteln.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, wobei jeweils die Differenzdaten (D) eines oder mehrerer Objektpunkte sofort nach deren Ermittlung an die holographische Wiedergabeeinrichtung (HAE) übertragen werden.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, wobei die komplexen Ho log ramm werte in Pixelwerte des Lichtmodulatormittels (SLM) umgewandelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die komplexen Hologrammwerte in Burckhardt-Komponenten oder Zweiphasenkomponenten oder andere Arten der Kodierung umgewandelt werden.
16. Holographische Wiedergabeeinrichtung mit wahlfreier Adressierung, die das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 verwendet, wobei sie wenigstens einen Bildschirmspeicher (VRAM) aufweist, aus welchem Pixelwerte zur Ansteuerung der Pixel von wenigstens einem Lichtmodulatormittel (SLM) ausgelesen werden, wobei bei einer Sequenz von Bildern ausschließlich die geänderten Pixelwerte aufeinander folgender Bilder in den Bildschirmspeicher abgelegt werden.
17. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 16, mindestens umfassend:
• einen Splitter (SX), als Mittel zur Erkennung und Separierung der Differenzdaten (D) in Beschreibungsdaten (SDJND) sowie in Daten zum Differenzsubhologramm (SD),
• Mittel zur Berechnung des Speicher- beziehungsweise Adressbereichs, der für das Differenzsubhologramm (SD) im Bildschirmspeicher (VRAM) erforderlich ist gemäß der Beschreibungsdaten (SDJND) und
• Mittel zum Einschreiben der Daten der Differenzsubhologramme (SD) gemäß der Beschreibungsdaten (SDJND) in den Bildschirmspeicher (VRAM), welcher die Pixelwerte für die Lichtmodulatormittel (SLM) speichert, bis sie überschrieben werden.
18. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Bildschirmspeicher (VRAM) ein simultanes Einspeichern der Pixelwerte der Differenzsubhologramme (SD) sowie Auslesen der Pixelwerte für die Lichtmodulatormittel erlaubt.
19. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18 mit einem Bildschirmmittel (B), wobei das Bildschirmmittel (B) entweder das Lichtmodulatormittel (SLM) selbst bezeichnet, in dem das Hologramm der Szene (3D-S) kodiert ist, oder ein optisches Element, auf das ein im Lichtmodulatormittel kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulatormittel kodierte Wellenfront der Szene abgebildet ist.
20. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 19, wobei das optische Element eine Linse oder ein Spiegel ist.
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