WO2023113062A1 - 홀로그래픽 프린터를 위한 홀로그램 영상 정규화 방법 - Google Patents

홀로그래픽 프린터를 위한 홀로그램 영상 정규화 방법 Download PDF

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holographic
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홍지수
홍성희
김영민
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한국전자기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to holographic printing technology, and more particularly, to a holographic image normalization method for minimizing overall printing time and optimizing memory usage in performing holographic printing.
  • conventional holographic printers convert high-resolution digital hologram images into images of resolution that can be expressed by a single SLM (Spatial Light Modulator) as shown in FIG. It is split and recorded sequentially on a holographic film.
  • SLM Surface Light Modulator
  • the unit of the split and recorded image is called a hogel, and when each hogel is recorded on a holographic film, as shown in FIG. 2, according to the conventional analog holography method, a complex hologram corresponding to each hogel A hologram image is recorded as an object beam and is recorded through interference with a separately given reference beam.
  • the sequentially recorded hogels in this way can represent a high-resolution hologram image as a whole when the recording is finished.
  • each hogel can show an image to the observer within a diffractoin angle determined by the wavelength of the light source and the pixel size of the hogel image, and therefore, the complex hologram image to be recorded in the hogel is the target 3D image as shown in FIG.
  • the target 3D model a complex hologram that can express the part belonging to the area covered by Hogel's diffraction angle must be created and recorded.
  • One of the existing methods of generating a CGH is a method of expressing a target object as a point cloud data set as shown in FIG. 4 and then applying the Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral equation.
  • the complex amplitude of each point in the point cloud data set is , and the three-dimensional coordinates of each point , the complex hologram generated by the point cloud data set is
  • the complex hologram u(x,y) calculated as shown in FIG. 5 is first converted to have only real values through various encoding methods such as single-sideband encoding. Assuming that this encoded hologram is u R (x,y), after finding the maximum value M and the minimum value m so that the dynamic range of the SLM can be maximally used, normalization is performed so that they are mapped to 1 and 0, respectively, as shown in the equation below by doing
  • the normalized hologram image obtained in this way is properly scaled to fit the bit depth of the SLM and loaded into the SLM, and then the original complex hologram is restored and If it is reduced and transferred to a holographic medium (film), it is possible to record the intended complex hologram image for each hogel.
  • the process necessary for generating a hologram image for loading into the SLM is to render a color and depth map for each hogel, calculate a complex hologram from it, encode the complex hologram, It consists of normalizing the encoded hologram.
  • a process of controlling the holographic printer is required as shown in FIG. , it is recorded by exposing it to a target hogel position on a holographic medium, moving the stage to the next hogel position for the next hogel recording, and then waiting until the vibration generated by the stage movement or the like is sufficiently eliminated.
  • the complex hologram calculation step of the hologram image generation process takes a lot of time, and the step of waiting for the vibration to disappear in the printer control process takes a lot of time, so eventually generating hologram images for all hogels, In addition, if recording the hogels on the holographic film is separate, it takes a lot of time as a whole.
  • parallel processing through proper time scheduling for holographic image generation and holographic printer control is a way to efficiently use time, but in the existing method, after generating all holographic images for the following reasons, holographic film There is no choice but to keep recording the hogels.
  • the maximum and minimum values used for normalization are the global maximum values of all hogels. and the minimum value should be used. That is, as shown in FIG. 7, after generating and encoding the complex hologram for each hogel, when the maximum and minimum values are calculated for each hogel, both the maximum and minimum values are investigated.
  • each hogel is printed through the holographic printer. I was able to move on to the recording stage.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to minimize the overall printing time and optimize the memory usage in performing holographic printing. It is to provide a method of parallelizing the hologram generation and printing process by calculating the minimum value as an approximate estimate.
  • a holographic printing method includes generating a hologram for an n-th hogel constituting the hologram; encoding the generated hologram; normalizing the encoded hologram; loading the normalized hologram into the SLM; restoring the original hologram from the hologram loaded into the SLM and recording it on a holographic medium; moving the position of the stage on which the holographic medium is placed to 'a position where the (n+1)th hogel can be recorded in the holographic medium'; and waiting until the moved stage is stable, wherein the generating step, the encoding step, and the normalization step for the (n+1)th hogel include a loading step and a recording step for the nth hogel, and (n+1) ) is performed in parallel with the moving step and waiting step for the hogel.
  • the generating step for the (n+1)th hogel may start.
  • normalization may be performed using the global maximum and minimum values of the encoded hologram estimated as approximate values.
  • the approximate global maximum and minimum values of the encoded hologram can be calculated using some of the hogels constituting the hologram.
  • Some of the hogels may be k hogels selected in the order in which the total sum of pixel values of the color image used to generate the hologram is large. k is settable.
  • the stored encoded hologram is not performed without performing the generating step and the encoding step. is available.
  • the start of the generation step for the (n+2)th hogel can be waited for. If the waiting step is completed and the normalization step for the (n+1)th hogel is not completed, the start of the loading step for the (n+1)th hogel may be waited for.
  • a holographic printing system includes a hologram generation system that generates a hologram for an n-th hogel constituting the hologram, encodes the generated hologram, and normalizes the encoded hologram; And the normalized hologram is loaded into the SLM, the original hologram is restored from the hologram loaded into the SLM and recorded in the holographic medium, and the position of the stage on which the holographic medium is placed is determined as the (n+1)th hogel in the holographic medium.
  • a holographic printer that moves to a position where it can be recorded and waits until the moved stage is stable, and the generation, encoding, and normalization of the (n+1)th hogel by the hologram generation system, Loading and recording of the n-th hogel by the holographic printer and movement and standby for the (n+1)-th hogel are performed in parallel.
  • a holographic printing method includes generating a hologram for an n-th hogel constituting the hologram; encoding the generated hologram; and normalizing the encoded hologram; wherein the generating step, the encoding step, and the normalizing step load the normalized hologram for the n-1 th hogel into the SLM, and restore the original hologram from the hologram loaded into the SLM. to record on the holographic medium, move the position of the stage on which the holographic medium is placed to 'a position where the (n+1)th hogel can be recorded on the holographic medium', and wait until the moved stage is stable. performed in parallel with the process.
  • a computer-readable recording medium includes generating a hologram for an n-th hogel constituting the hologram; encoding the generated hologram; normalizing the encoded hologram; loading the normalized hologram into the SLM; restoring the original hologram from the hologram loaded into the SLM and recording it on a holographic medium; moving the position of the stage on which the holographic medium is placed to 'a position where the (n+1)th hogel can be recorded in the holographic medium'; and waiting until the moved stage is stable, wherein the generating step, the encoding step, and the normalization step for the (n+1)th hogel include a loading step and a recording step for the nth hogel, and (n+1) )
  • a program for performing the holographic printing method characterized in that it is performed in parallel with the moving step and waiting step for the hogel, is recorded.
  • the global maximum and minimum values for normalization are calculated as close estimates to parallelize the hologram generation and printing processes, thereby minimizing the overall printing time in performing holographic printing. Optimize memory usage.
  • Figure 4 Hologram generation using point cloud data set.
  • normalization is performed using the global maximum and minimum values of the encoded hologram estimated as approximate values rather than actual values.
  • a color image for each hogel After rendering, the sum of the pixel values of the color image for each hogel is obtained for each color channel, and then the k-th is selected in the order of greatest value among them.
  • k is a margin value to prepare for the case where the hogel having the largest sum of color image pixel values does not necessarily match the global maximum and minimum values, and is a value determined heuristically.
  • the process of generating and printing a hologram after estimating the global maximum and minimum values is as shown in FIG. 10 .
  • k hogels are selected, and the global maximum and minimum values are estimated here, and at this time, the encoded holograms of the k hogels generated in the estimation process are stored in memory to save computation time later. For k hogels, there is no need for complex hologram generation and encoding process in the future.
  • the normalized hologram image generation for each hogel is normalized using the estimated maximum and minimum values obtained above, and the hologram generation process and the control process of the holographic printer proceed in parallel with time scheduling.
  • FIG. 11 shows a time scheduling method between a hologram generation process and a holographic printer control process according to an embodiment of the present invention.
  • the holographic printer loads the normalized hologram image for the n-th hogel into the SLM, and restores the original hologram from the hologram loaded into the SLM using an optical system to position the target hogel in the holographic medium. exposed and recorded.
  • the holographic printer moves the position of the stage on which the holographic medium is placed to 'the position where the (n+1)th hogel can be recorded in the holographic medium' so that the target hogel position is moved to the (n+1) hogel position. and waits for a predetermined time until the moved stage is stable.
  • the holographic printer waits for synchronization.
  • the hologram generating system generates a complex hologram for the (n+1)-th hogel as shown in the upper part of FIG. Start. Then, the hologram generation system encodes the generated complex hologram and normalizes the encoded hologram.
  • the hologram generation system calls the encoded hologram from memory instead of generating and encoding the hologram. come.
  • the hologram generation system waits for synchronization.
  • hologram generation and printing can be performed in parallel.
  • this method not only can the overall creation and recording time be shortened, but also the memory usage can be greatly reduced by greatly reducing the capacity for storing the encoded hologram.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a hologram generating and printing system according to another embodiment of the present invention. As shown, a system according to an embodiment of the present invention includes a hologram generating system 100 and a holographic printer 200.
  • the hologram generating system 100 is a computing system in which SW for performing the procedure shown in the upper part of FIG. controlled
  • the technical spirit of the present invention can also be applied to a computer-readable recording medium containing a computer program for performing the functions of the apparatus and method according to the present embodiment.
  • technical ideas according to various embodiments of the present invention may be implemented in the form of computer readable codes recorded on a computer readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may be any data storage device that can be read by a computer and store data.
  • the computer-readable recording medium may be ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, and the like.
  • computer readable codes or programs stored on a computer readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.

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Abstract

홀로그래픽 프린터를 위한 홀로그램 영상 정규화 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 프린팅 방법은, (n+1) 번째 호겔에 대한 홀로그램 생성, 인코딩, 정규화는, n 번째 호겔에 대한 정규화된 홀로그램 로딩, 기록, (n+1) 번째 호겔을 위한 스테이지 위치 이동, 대기와 병렬적으로 수행된다. 이에 의해, 정규화를 위한 글로벌 최대값과 최소값을 근접한 추정치로 계산하여 홀로그램 생성 및 프린팅 과정을 병렬화함으로써, 홀로그래픽 프린팅을 수행함에 있어서 전체적인 프린팅 시간을 최소화하고 메모리 사용량을 최적화할 수 있게 된다.

Description

홀로그래픽 프린터를 위한 홀로그램 영상 정규화 방법
본 발명은 홀로그래픽 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀로그래픽 프린팅을 수행함에 있어 전체적인 프린팅 시간을 최소화하고 메모리 사용량을 최적화 하기 위한 홀로그램 영상 정규화 방법에 관한 것이다.
기존의 홀로그래픽 프린터는 디지털 홀로그램 영상을 높은 해상도로 기록 및 재생하기 위해서, 높은 해상도의 디지털 홀로그램 영상을 도 1과 같이 하나의 SLM(Spatial Light Modulator, 공간광변조기)로 표현 가능한 해상도의 영상들로 쪼개어 이를 홀로그래픽 필름 상에 순차적으로 기록한다.
이 때 쪼개어 기록하는 영상의 단위를 호겔(hogel)이라 하며, 각 호겔을 홀로그래픽 필름 상에 기록할 때는 도 2와 같이, 기존의 아날로그 홀로그래피의 방법을 따라서, 각 호겔에 해당하는 복소 홀로그램(complex hologram) 영상을 물체광(Object beam)으로 하고, 별도로 주어지는 기준광(Reference beam)과의 간섭을 통해 기록하게 된다. 이렇게 순차적으로 기록된 호겔들은 기록이 종료되었을 때 전체적으로 높은 해상도의 홀로그램 영상을 표현할 수 있게 된다.
이 때, 각 호겔은 광원의 파장과 호겔 영상의 픽셀 크기에 의해 결정되는 회절각(diffractoin angle) 안에서 관찰자에게 영상을 보여줄 수 있으며, 따라서 호겔에 기록될 복소 홀로그램 영상은 도 3과 같이, 대상 3D 모델(Target 3D model) 중 호겔의 회절각이 커버하는 영역 안에 속하는 부분을 표현할 수 있는 복소 홀로그램을 생성하여 기록해야 한다.
따라서 호겔에 기록될 복소 홀로그램을 생성하기 위해서는, 먼저 대상 3D 모델 중 호겔의 회절각 영역 안에 들어오는 부분을 rendering frustum으로 하여 렌더링하여 컬러 및 깊이 지도(color and distance maps)를 얻은 후, 이를 사용하여 복소 홀로그램을 생성해야 한다.
기존의 CGH(Computer Generated Hologram)를 생성하는 방법 중 한가지는 도 4와 같이 대상 물체를 포인트 클라우드 데이터 셋(point cloud data set)으로 표현한 후 Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral 식을 적용하는 방법이다.
이때 포인트 클라우드 데이터 셋의 각 포인트의 complex amplitude를
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000001
라 하고, 각 포인트의 3차원 좌표를
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000002
라 했을 때, 포인트 클라우드 데이터 셋에 의해 생성되는 complex hologram은
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000003
이며, 이 때 각 포인트에 대한 impulse response hp(x,y)는
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000004
이다. 이 때
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000005
이고, px,py는 각각 홀로그램 평면의 x,y 방향의 픽셀 크기이다.
이 외에 대상 물체를 뎁스 슬라이스 이미지(depth slice image)로 표현하여 계산하는 방법 등, 대상 3차원 물체에 대해 복소 홀로그램을 생성하는 방법은 다양하게 존재하고 있으나, 결과적으로 이렇게 계산된 복소 홀로그램을 SLM에 표현하기 위해서는 적절한 변환이 필요하다.
일반적으로 SLM은 복소 홀로그램을 표현하기 위해 필요한 진폭(amplitude)과 위상(phase)를 동시에 표현할 수 없으며, 보통 진폭만 표현 가능한 SLM을 많이 사용한다. 따라서 도 5와 같이 계산된 복소 홀로그램 u(x,y)를 single-sideband encoding 등 다양한 인코딩 방법을 통해 먼저 실수 값만 가지도록 변환한다. 이 인코딩된 홀로그램을 uR(x,y)라 할 때, SLM의 dynamic range를 최대한 사용할 수 있도록 최대값 M과 최소값 m을 찾은 후, 이들이 각각 1과 0에 매핑되도록 아래 식과 같이 정규화(normalization)를 하여,
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000006
정규화된 홀로그램 uN(x,y)를 얻는다.
이후 이렇게 얻어진 정규화된 홀로그램 영상을 SLM의 bit depth에 맞도록 적절히 스케일링(scaling)하여 SLM에 로딩(loading)한 후, 4f-시스템 등을 사용한 광학적 방법을 이용하여 이로부터 원래의 복소 홀로그램을 복원 및 축소하여 홀로그래픽 매질(필름)에 전달해주면, 호겔 별로 의도했던 복소 홀로그램 영상을 기록할 수 있게 된다.
따라서 SLM에 로딩하기 위한 홀로그램 영상 생성을 위해 필요한 과정은 정리하자면 도 6의 (a)와 같이 각 호겔을 위한 컬러 및 깊이 지도를 렌더링하고, 이로부터 복소 홀로그램을 계산하며, 복소 홀로그램을 인코딩하고, 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계로 구성되어 있다.
이렇게 계산된 정규화된 홀로그램을 홀로그래픽 매질에 기록하기 위해서는, 도 6의 (b)와 같이 홀로그래픽 프린터를 제어하는 과정이 필요하며, 그 과정은 먼저 SLM에 호겔을 위한 정규화된 홀로그램 영상을 로딩하고, 이것을 홀로그래픽 매질 상의 목표 호겔 위치에 노출시켜 기록하며, 다음 호겔 기록을 위해 스테이지를 다음 호겔 위치로 이동시킨 후, 스테이지 이동 등에 의해 발생한 진동이 충분히 없어질 때까지 기다리는 것으로 이루어진다.
이 때 홀로그램 영상 생성 과정의 복소 홀로그램 계산 단계가 굉장히 많은 시간을 소요하며, 프린터 제어 과정에서 진동이 없어지는 것을 기다리는 단계가 매우 많은 시간을 소요하여, 결국 모든 호겔에 대해 홀로그램 영상을 생성하는 것, 그리고 호겔들을 홀로그래픽 필름에 기록하는 것을 별개로 하였을 경우 전체적으로 매우 많은 시간을 소요하게 된다.
따라서 홀로그램 영상 생성과 홀로그래픽 프린터 제어에 대한 적절한 타임 스케쥴링을 통해 병렬적으로 진행하는 것이 시간을 효율적으로 사용할 수 있는 방법이지만, 기존 방법으로는 아래와 같은 이유로 홀로그램 영상을 모두 생성한 후, 홀로그래픽 필름에 호겔들을 기록해 나갈 수밖에 없다.
홀로그래픽 매질에 기록될 전체 호겔들의 개수를 N1×N2 개라고 했을 때, 각 호겔에 기록될 복소 홀로그램들을 인코딩한 후, 정규화하기 위해 사용되는 최대값과 최소값은 모든 호겔의 글로벌한 최대값과 최소값을 사용해야 한다. 즉, 도 7과 같이, 각 호겔들을 위한 복소 홀로그램을 생성한 후, 인코딩한 후, 각 호겔별로 최대값과 최소값을 계산하였을 때, 이 최대값들과 최소값들을 모두 조사하였더니 예를 들어 (i,j)번 째 호겔의 최대값 M(i,j)가 글로벌한 최대값이었고, (p,q)번째 호겔의 최소값 m(p,q)이 글로벌한 최소값이었다면, 이들을 각각 글로벌 최대값 MG및 최소값 mG로 하여, 임의의 (s,t)번째 호겔의 인코딩된 홀로그램
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000007
을 다음과 같이 정규화 하여야 한다.
Figure PCTKR2021019025-appb-img-000008
따라서, 각 호겔 별로 인코딩된 홀로그램을 모두 구하여 글로벌한 최대값과 최소값을 조사하기 전까지는 각 호겔들의 정규화 단계로 넘어갈 수 없는 것이다.
따라서 기존의 홀로그램 프린팅 과정에서는 도 8과 같이, 모든 호겔을 위한 인코딩된 홀로그램을 구한 후, 글로벌 최대값 및 최소값을 찾아낸 후, 이를 통해서 모든 인코딩된 홀로그램을 정규화한 후에야 홀로그래픽 프린터를 통해 각 호겔들을 기록하는 단계로 넘어갈 수 있었다.
이 때 모든 인코딩된 홀로그램을 구하는 과정은 매우 긴 시간을 필요로 하며, 그 결과로 모든 인코딩된 홀로그램을 메모리에 저장하고 있어야 하므로 메모리 사용량도 매우 큰 단점이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 홀로그래픽 프린팅을 수행함에 있어서 전체적인 프린팅 시간을 최소화하고 메모리 사용량을 최적화 하기 위한 방안으로, 정규화를 위한 글로벌 최대값과 최소값을 근접한 추정치로 계산하여 홀로그램 생성 및 프린팅 과정을 병렬화하는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린팅 방법은, 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계; 생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계; 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계; 정규화된 홀로그램을 SLM에 로딩하는 단계; SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하는 단계; 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키는 단계; 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 단계;를 포함하고, (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는, n 번째 호겔에 대한 로딩 단계와 기록 단계 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동 단계 및 대기 단계와 병렬적으로 수행된다.
n 번째 호겔에 대한 로딩 단계가 시작되면, (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계가 시작될 수 있다.
정규화 단계는, 근사값으로 추정된 인코딩된 홀로그램의 글로벌 최대값과 최소값을 이용하여, 정규화를 수행할 수 있다.
근사값으로 추정된 인코딩된 홀로그램의 글로벌 최대값과 최소값은, 홀로그램을 구성하는 호겔들 중 일부의 호겔들을 이용하여 계산될 수 있다.
일부의 호겔들은, 홀로그램 생성에 이용되는 컬러 이미지의 화소값들의 총합이 큰 순서로 선정한 k개의 호겔들일 수 있다. k는, 설정 가능하다.
글로벌 최대값과 최소값을 계산하는데 이용된 k개의 호겔들에 대한 인코딩된 홀로그램을 저장하는 단계;를 더 포함하고, k개의 호겔들에 대해서는, 생성 단계와 인코딩 단계를 수행하지 않고, 저장된 인코딩된 홀로그램을 이용할 수 있다.
(n+1) 번째 호겔에 대한 정규화 단계까지 완료되었는데 대기 단계까지 완료되지 않았으면, (n+2) 번째 호겔에 대한 생성 단계의 시작을 대기할 수 있다. 대기 단계까지 완료되었는데 (n+1) 번째 호겔에 대한 정규화 단계까지 완료되지 않았으면, (n+1) 번째 호겔에 대한 로딩 단계의 시작을 대기할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린팅 시스템은, 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하고, 생성된 홀로그램을 인코딩하며, 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 홀로그램 생성 시스템; 및 정규화된 홀로그램을 SLM에 로딩하고, SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하며, 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키고, 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 홀로그래픽 프린터;를 포함하고, 홀로그램 생성 시스템에 의한 (n+1) 번째 호겔에 대한 생성, 인코딩 및 정규화는, 홀로그래픽 프린터에 의한 n 번째 호겔에 대한 로딩과 기록 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동과 대기와 병렬적으로 수행된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린팅 방법은, 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계; 생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계; 및 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계;를 포함하고, 생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는, n-1 번째 호겔에 대한 정규화된 홀로그램을 SLM에 로딩하고, SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하며, 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키고, 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 과정과 병렬적으로 수행된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는, 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계; 생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계; 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계; 정규화된 홀로그램을 SLM에 로딩하는 단계; SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하는 단계; 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키는 단계; 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 단계;를 포함하고, (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는, n 번째 호겔에 대한 로딩 단계와 기록 단계 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동 단계 및 대기 단계와 병렬적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정규화를 위한 글로벌 최대값과 최소값을 근접한 추정치로 계산하여 홀로그램 생성 및 프린팅 과정을 병렬화함으로써, 홀로그래픽 프린팅을 수행함에 있어서 전체적인 프린팅 시간을 최소화하고 메모리 사용량을 최적화할 수 있게 된다.
도 1. 홀로그램 프린팅의 개념
도 2. 호겔의 개념
도 3. 홀로그램 프린팅을 위한 각 호겔의 컬러 이미지 및 깊이 지도 렌더링 방법
도 4. 포인트 클라우드 데이터 셋을 이용한 홀로그램 생성.
도 5. 각 호겔을 위한 정규화된 홀로그램을 구하는 과정
도 6. 홀로그램 프린팅을 위한 (a) 홀로그램 생성 과정 및 (b) 프린터 제어 과정
도 7. 글로벌 최대값 및 최소값을 구하기 위한 과정
도 8. 기존의 방법에 따른 홀로그램 생성 및 프린팅의 전체적인 과정
도 9. 글로벌 최대값 및 최소값을 추정하기 위한 과정
도 10. 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 생성 및 프린팅을 하는 전체적인 과정
도 11. 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 생성 및 프린팅 과정의 타임 스케쥴링 방법
도 12. 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그램 생성 및 프린팅 시스템
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 홀로그래픽 프린팅을 위해 호겔 별로 정규화된 홀로그램 영상을 생성함에 있어서 전체 인코딩된 홀로그램 영상을 조사하여 정확한 글로벌 최대값과 최소값을 구하는 대신, 글로벌 최대값과 최소값의 추정값을 계산하여 이용하는 방법을 제시한다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 실제값이 아닌 근사값으로 추정된 인코딩된 홀로그램의 글로벌 최대값과 최소값을 이용하여 정규화를 수행하는 것이다.
이를 위해, 호겔 영상의 최대값과 최소값이 복소 홀로그램을 생성하기 위해 사용하는 컬러 이미지와 깊이 지도 중 컬러 이미지의 각 컬러 채널 별 화소값(intensity) 총합에 비례한다는 가정 하에, 일단 호겔 별로 컬러 이미지를 렌더링한 후, 호겔 별로 컬러 이미지의 화소값 총합을 컬러 채널 별로 구한 후, 이들 중 값이 큰 순서대로 k 번째까지 선정한다.
이 때 k는 컬러 이미지 화소값 총합이 가장 큰 호겔이 반드시 글로벌 최대값 및 최소값과 일치하지 않을때를 대비하기 위한 여유값으로써, 휴라스틱(heuristic) 하게 정해지는 값이다.
그리고 이렇게 선정한 k 개의 호겔들에 대해서 복소 홀로그램을 계산한 후 인코딩된 홀로그램 영상을 생성하며, 이들 중 최대값과 최소값을 구하여 이를 글로벌 최대값 및 최소값의 추정값으로 사용한다.
이 때, k 값이 커질수록 추정값이 글로벌 최대값 및 최소값에 근접하게 되겠지만, 전체적인 계산량이 늘어나므로 적절한 값으로 설정하여야 한다. 도 9에는 이와 같은 글로벌 최대값 및 최소값의 추정값을 구하는 과정이 보여지고 있다.
글로벌 최대값 및 최소값을 추정한 후에 홀로그램을 생성하고 프린팅하는 과정은 도 10에 도시된 바와 같다.
먼저 k개의 호겔을 선정하여 여기에서 글로벌 최대값 및 최소값을 추정하고, 이때 추정 과정에서 생성한 k개의 호겔들에 대한 인코딩된 홀로그램들은 추후 연산 시간을 절약하기 위해 메모리에 저장해 놓는다. k개의 호겔들에 대해서는 향후 복소 홀로그램 생성, 인코딩 과정이 필요없다.
그리고 이후에 각 호겔을 위한 정규화된 홀로그램 영상 생성은 앞서 구한 최대값 및 최소값의 추정치를 이용하여 정규화를 하며, 홀로그램 생성 과정과 홀로그래픽 프린터의 제어 과정은 병렬적으로 타임 스케쥴링을 하며 진행된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 생성 과정과 홀로그래픽 프린터 제어 과정 간의 타임 스케쥴링 방법을 보여주고 있다.
하부에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 프린터는 SLM에 n 번째 호겔을 대한 정규화된 홀로그램 영상을 로딩하고, 광학 시스템을 이용하여 SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질의 타겟 호겔 위치에 노출시켜 기록한다.
다음, 홀로그래픽 프린터는 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시켜 타겟 호겔 위치를 (n+1) 번째 호겔 위치로 변경시키고, 이동된 스테이지가 안정될 때지 사전에 정해놓은 시간 만큼 대기한다.
스테이지가 안정되었지만, 홀로그래픽 프린터에서 (n+1) 번째 호겔에 대한 정규화된 홀로그램 생성이 완료되지 않았다면, 홀로그래픽 프린터는 동기화를 위해 대기한다.
한편, 홀로그래픽 프린터에 의해 SLM에 n 번째 호겔을 대한 정규화된 홀로그램 영상 로딩이 시작됨과 동시에, 홀로그램 생성 시스템은 도 11의 상부에 도시된 바와 같이 (n+1) 번째 호겔에 대한 복소 홀로그램 생성을 시작한다. 이후, 홀로그램 생성 시스템은 생성된 복소 홀로그램을 인코딩하고, 인코딩된 홀로그램을 정규화한다.
이 과정에서, 사전에 글로벌 최대값과 최소값 추정에 이용한 k개의 인코딩된 홀로그램 중 이번에 생성하고자 하는 타겟 호겔과 일치하는 것이 있으면, 홀로그램 생성 시스템은 홀로그램 생성하고 인코딩 하는 대신 메모리에서 해당 인코딩된 홀로그램을 불러온다.
(n+1) 번째 호겔에 대한 복소 홀로그램 생성이 완료되었지만, 홀로그래픽 프린터에서 n번째 호겔에 대한 기록과 (n+1) 번째 호겔을 기록하기 위한 스테이지 이동과 대기까지 종료되지 않았다면, 홀로그램 생성 시스템은 동기화를 위해 대기한다.
위와 같은 과정을 모든 호겔에 대하여 반복하여 홀로그램 생성과 프린팅을 병렬적으로 진행할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 전체적인 생성 및 기록 시간을 단축시킬 수 있을 뿐 아니라, 인코딩된 홀로그램을 저장하는 용량을 크게 줄여 메모리 사용량도 크게 줄일 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀로그램 생성 및 프린팅 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템은, 도시된 바와 같이, 홀로그램 생성 시스템(100)과 홀로그래픽 프린터(200)를 포함하여 구성된다.
홀로그램 생성 시스템(100)은 전술한 도 11의 상부에 도시된 절차를 수행하기 위한 SW가 설치된 컴퓨팅 시스템이고, 홀로그래픽 프린터(200)는 도 11의 하부에 도시된 절차를 수행하기 위한 SW에 의해 제어된다.
지금까지, 홀로그램 프린팅을 하기 위한 호겔별 정규화된 홀로그램을 생성하는데 있어, 정규화를 글로벌 최대값 및 최소값을 정확히 구하기보다 그에 근접한 추정치를 구하여, 이를 통해 홀로그램 생성 및 프린팅 과정을 병렬화하여 전체적으로 홀로그램 프린팅 시간을 최소화하고 메모리 사용량을 최적화 하는 방법을 제시하였다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (12)

  1. 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계;
    생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계;
    인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계;
    정규화된 홀로그램을 SLM(Spatial Light Modulator)에 로딩하는 단계;
    SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하는 단계;
    홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키는 단계;
    이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 단계;를 포함하고,
    (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는,
    n 번째 호겔에 대한 로딩 단계와 기록 단계 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동 단계 및 대기 단계와 병렬적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    n 번째 호겔에 대한 로딩 단계가 시작되면, (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계가 시작되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    정규화 단계는,
    근사값으로 추정된 인코딩된 홀로그램의 글로벌 최대값과 최소값을 이용하여, 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    근사값으로 추정된 인코딩된 홀로그램의 글로벌 최대값과 최소값은,
    홀로그램을 구성하는 호겔들 중 일부의 호겔들을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    일부의 호겔들은,
    홀로그램 생성에 이용되는 컬러 이미지의 화소값들의 총합이 큰 순서로 선정한 k개의 호겔들인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    k는,
    설정 가능한 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    글로벌 최대값과 최소값을 계산하는데 이용된 k개의 호겔들에 대한 인코딩된 홀로그램을 저장하는 단계;를 더 포함하고,
    k개의 호겔들에 대해서는,
    생성 단계와 인코딩 단계를 수행하지 않고, 저장된 인코딩된 홀로그램을 이용하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    (n+1) 번째 호겔에 대한 정규화 단계까지 완료되었는데 대기 단계까지 완료되지 않았으면, (n+2) 번째 호겔에 대한 생성 단계의 시작을 대기하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    대기 단계까지 완료되었는데 (n+1) 번째 호겔에 대한 정규화 단계까지 완료되지 않았으면, (n+1) 번째 호겔에 대한 로딩 단계의 시작을 대기하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  10. 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하고, 생성된 홀로그램을 인코딩하며, 인코딩된 홀로그램을 정규화하는 홀로그램 생성 시스템; 및
    정규화된 홀로그램을 SLM(Spatial Light Modulator)에 로딩하고, SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하며, 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키고, 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 홀로그래픽 프린터;를 포함하고,
    홀로그램 생성 시스템에 의한 (n+1) 번째 호겔에 대한 생성, 인코딩 및 정규화는,
    홀로그래픽 프린터에 의한 n 번째 호겔에 대한 로딩과 기록 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동과 대기와 병렬적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 시스템.
  11. 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계;
    생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계; 및
    인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계;를 포함하고,
    생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는,
    n-1 번째 호겔에 대한 정규화된 홀로그램을 SLM(Spatial Light Modulator)에 로딩하고, SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하며, 홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키고, 이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 과정과 병렬적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
  12. 홀로그램을 구성하는 n 번째 호겔에 대한 홀로그램을 생성하는 단계;
    생성된 홀로그램을 인코딩하는 단계;
    인코딩된 홀로그램을 정규화하는 단계;
    정규화된 홀로그램을 SLM(Spatial Light Modulator)에 로딩하는 단계;
    SLM에 로딩된 홀로그램으로부터 원래의 홀로그램을 복원하여 홀로그래픽 매질에 기록하는 단계;
    홀로그래픽 매질이 놓여진 스테이지의 위치를 '홀로그래픽 매질에서 (n+1) 번째 호겔이 기록될 수 있는 위치'로 이동시키는 단계;
    이동된 스테이지가 안정될 때까지 대기하는 단계;를 포함하고,
    (n+1) 번째 호겔에 대한 생성 단계, 인코딩 단계 및 정규화 단계는,
    n 번째 호겔에 대한 로딩 단계와 기록 단계 및 (n+1) 번째 호겔을 위한 이동 단계 및 대기 단계와 병렬적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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