광선 추적을 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 hogel 이미지 획득 방법 및 이에 대한 수치적 복원 알고리즘 Ray-tracing methods for acquisition of hogel images and numerical reconstruction of a holographic stereogram원문보기
1948년 dennis gabor(1900～1979)에 의해 개발된 홀로그래피 기술은 실제 3차원 객체의 파면을 홀로그래픽 매질에 기록 하여 광학적 복원을 통해 홀로그램을 표현하는 기술이다. ...
1948년 dennis gabor(1900～1979)에 의해 개발된 홀로그래피 기술은 실제 3차원 객체의 파면을 홀로그래픽 매질에 기록 하여 광학적 복원을 통해 홀로그램을 표현하는 기술이다. 디지털 홀로그래피 분야중 하나인 홀로그래픽 스테레오그램은 가상의 컴퓨터 그래픽 모델로부터 다시점 투영 영상을 획득하여, hogel 이미지로 만들고 홀로그래픽 매질에 기록하여 홀로그래픽 스테레오그램을 표현한다. 홀로그래픽 스테레오그램의 제작 과정은 많은 시간과 데이터 저장을 위한 많은 메모리 공간을 필요로 한다. 특히 광학적 복원을 하기 전에는 홀로그래픽 스테레오그램 콘텐츠를 확인할 방법이 없다. 본 논문에서는 시간적, 비용적인 낭비를 줄이고, 콘텐츠의 이상 여부를 확인하기 위해, 홀로그래픽 스테레오그램의 수학적 복원 알고리즘을 제안하였다. 홀로그래픽 스테레오그램을 제작하기 위해 컴퓨터 그래픽 모델을 렌더링 하고, 이 객체로부터 다시점 원근 투영 영상을 획득 한다. 획득된 다시점 원근 투영 영상은 픽셀 재배열과정을 거쳐 홀로그래픽 스테레오그램의 홀로그래픽 요소인 hogel 이미지로 생성된다. Hogel 이미지는 홀로그래픽 프린터를 통해 홀로그래픽 매질에 기록된다. 이러한, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 방법을 제안하기위해, 홀로그래픽 스테레오그램과 관찰자의 관계를 기하 구조로 만들고, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 구성하였다. 실험을 통해 광학적으로 복원된 홀로그래픽 스테레오그램과 수치적 복원 영상을 비교 하였다. 또한 홀로그래픽 스테레오그램의 빠른 제작을 위해, 광선 추적을 이용한 hogel 이미지 생성 방법을 제안하였다. 다시점 원근 투영영상을 획득하여, 픽셀 재배열과정을 거쳐 hogel 이미지를 생성하는 과정은 홀로그램 평면의 hogel에서 각도강도분포하는 픽셀을 하나의 이미지로 만드는 것이다. 따라서 홀로그램 평면의 hogel에서 각도강도가 분포하는 모든 픽셀을 한 번의 카메라 촬영으로 획득 하면 hogel 이미지를 생성 할 수 있다. Hogel에서 각도강도가 분포하는 픽셀을 획득하기 위해 광선 추적 기반에서 가상의 렌즈를 생성하여 hogel 이미지를 생성하는 기하구조를 만들고, 알고리즘을 제안하였다. 실험에서 광선 추적을 이용하여 hogel 이미지를 생성하고, 홀로그래픽 프린터를 이용하여 기록하였다. 광학적 복원 결과와 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 통한 복원 결과를 비교 하였다. 결과적으로 hogel 이미지 생성 시간 줄임으로써, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 시간을 줄일 수 있었다. Hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원과정에서 hogel 이미지를 이용한다. 따라서 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 생성하기 위해, 모든 hogel 이미지를 생성해야 하는 단점이 있다. 좀 더 효율적인 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 획득하기위해, 광선 추적을 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상 획득 방법을 제안하였다. 앞서 제안된 광선 추적 기반의 hogel 이미지 획득 기하구조를 관찰자 위치까지 확장하여 기하 구조를 만들고, 알고리즘을 제안하였다. 실험을 통해 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 과정과 광선 추적 기반의 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 과정을 비교하였고, 제안된 방법이 더욱 효율적임을 확인 하였다. 제안된 광선 추적 기반의 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 이용하여, 방사 왜곡영향을 받은 hogel 이미지가 홀로그래픽 스테레오그램에 미치는 영향에 대한 실험을 수행 하였다. 서로 다른 왜곡 계수를 갖는 hogel 이미지를 생성 하였고, 왜곡되지 않은 hogel 이미지와 비교 하였다. 유사도 측정을 위해 PSNR과 SSIM을 사용 하였다. 또한 왜곡된 hogel 이미지를 이용하여 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 생성 하였고, 왜곡되지 않은 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원영상을 생성하였다. Hogel 이미지와 마찬가지로 PSNR과 SSIM을 이용하여 유사도를 측정하고 분석 하였다. 이상의 실험들을 통하여, 홀로그래픽 스테레오그램의 콘텐츠 제작 속도를 줄일 수 있었고, 수치적 복원을 통해 홀로그래픽 스테레오그램 콘텐츠를 미리 확인 할 수 있었다. 또한 방사왜곡에 영향을 받은 hogel 이미지가 홀로그래픽 스테레오그램에 미치는 영향에 대하여 확인하였고, 본 논문을 통해 홀로그래픽 스테레오그램의 제작에 있어 도움이 될 것으로 기대한다.
1948년 dennis gabor(1900～1979)에 의해 개발된 홀로그래피 기술은 실제 3차원 객체의 파면을 홀로그래픽 매질에 기록 하여 광학적 복원을 통해 홀로그램을 표현하는 기술이다. 디지털 홀로그래피 분야중 하나인 홀로그래픽 스테레오그램은 가상의 컴퓨터 그래픽 모델로부터 다시점 투영 영상을 획득하여, hogel 이미지로 만들고 홀로그래픽 매질에 기록하여 홀로그래픽 스테레오그램을 표현한다. 홀로그래픽 스테레오그램의 제작 과정은 많은 시간과 데이터 저장을 위한 많은 메모리 공간을 필요로 한다. 특히 광학적 복원을 하기 전에는 홀로그래픽 스테레오그램 콘텐츠를 확인할 방법이 없다. 본 논문에서는 시간적, 비용적인 낭비를 줄이고, 콘텐츠의 이상 여부를 확인하기 위해, 홀로그래픽 스테레오그램의 수학적 복원 알고리즘을 제안하였다. 홀로그래픽 스테레오그램을 제작하기 위해 컴퓨터 그래픽 모델을 렌더링 하고, 이 객체로부터 다시점 원근 투영 영상을 획득 한다. 획득된 다시점 원근 투영 영상은 픽셀 재배열과정을 거쳐 홀로그래픽 스테레오그램의 홀로그래픽 요소인 hogel 이미지로 생성된다. Hogel 이미지는 홀로그래픽 프린터를 통해 홀로그래픽 매질에 기록된다. 이러한, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 방법을 제안하기위해, 홀로그래픽 스테레오그램과 관찰자의 관계를 기하 구조로 만들고, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 구성하였다. 실험을 통해 광학적으로 복원된 홀로그래픽 스테레오그램과 수치적 복원 영상을 비교 하였다. 또한 홀로그래픽 스테레오그램의 빠른 제작을 위해, 광선 추적을 이용한 hogel 이미지 생성 방법을 제안하였다. 다시점 원근 투영영상을 획득하여, 픽셀 재배열과정을 거쳐 hogel 이미지를 생성하는 과정은 홀로그램 평면의 hogel에서 각도강도분포하는 픽셀을 하나의 이미지로 만드는 것이다. 따라서 홀로그램 평면의 hogel에서 각도강도가 분포하는 모든 픽셀을 한 번의 카메라 촬영으로 획득 하면 hogel 이미지를 생성 할 수 있다. Hogel에서 각도강도가 분포하는 픽셀을 획득하기 위해 광선 추적 기반에서 가상의 렌즈를 생성하여 hogel 이미지를 생성하는 기하구조를 만들고, 알고리즘을 제안하였다. 실험에서 광선 추적을 이용하여 hogel 이미지를 생성하고, 홀로그래픽 프린터를 이용하여 기록하였다. 광학적 복원 결과와 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 통한 복원 결과를 비교 하였다. 결과적으로 hogel 이미지 생성 시간 줄임으로써, 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 시간을 줄일 수 있었다. Hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원과정에서 hogel 이미지를 이용한다. 따라서 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 생성하기 위해, 모든 hogel 이미지를 생성해야 하는 단점이 있다. 좀 더 효율적인 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 획득하기위해, 광선 추적을 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상 획득 방법을 제안하였다. 앞서 제안된 광선 추적 기반의 hogel 이미지 획득 기하구조를 관찰자 위치까지 확장하여 기하 구조를 만들고, 알고리즘을 제안하였다. 실험을 통해 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 과정과 광선 추적 기반의 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 과정을 비교하였고, 제안된 방법이 더욱 효율적임을 확인 하였다. 제안된 광선 추적 기반의 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 알고리즘을 이용하여, 방사 왜곡영향을 받은 hogel 이미지가 홀로그래픽 스테레오그램에 미치는 영향에 대한 실험을 수행 하였다. 서로 다른 왜곡 계수를 갖는 hogel 이미지를 생성 하였고, 왜곡되지 않은 hogel 이미지와 비교 하였다. 유사도 측정을 위해 PSNR과 SSIM을 사용 하였다. 또한 왜곡된 hogel 이미지를 이용하여 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원 영상을 생성 하였고, 왜곡되지 않은 hogel 이미지를 이용한 홀로그래픽 스테레오그램의 수치적 복원영상을 생성하였다. Hogel 이미지와 마찬가지로 PSNR과 SSIM을 이용하여 유사도를 측정하고 분석 하였다. 이상의 실험들을 통하여, 홀로그래픽 스테레오그램의 콘텐츠 제작 속도를 줄일 수 있었고, 수치적 복원을 통해 홀로그래픽 스테레오그램 콘텐츠를 미리 확인 할 수 있었다. 또한 방사왜곡에 영향을 받은 hogel 이미지가 홀로그래픽 스테레오그램에 미치는 영향에 대하여 확인하였고, 본 논문을 통해 홀로그래픽 스테레오그램의 제작에 있어 도움이 될 것으로 기대한다.
Holography has been invented by Dennis Gabor(1900~1979) in 1948. A hologram provides optical reconstruction of a 3D object by recording a wave-front of light coming from it onto a holographic emulsion. A widely used approach to record 3D information in analogue and digital holography is the holograp...
Holography has been invented by Dennis Gabor(1900~1979) in 1948. A hologram provides optical reconstruction of a 3D object by recording a wave-front of light coming from it onto a holographic emulsion. A widely used approach to record 3D information in analogue and digital holography is the holographic stereogram which is built from hogels. The hogel stands for a holographic element, which records the data carried by a hogel image. The hogel images are created by acquiring multi-view perspective images from a real 3D scene or a computer graphic model. The holographic stereogram can be printed by a holographic printer as a white light viewable volume hologram. Printing a holographic stereogram is an expensive process, but before observing optical reconstruction from the printed holographic stereogram, there is no way to determine whether its contents have abnormalities. Optical reconstruction can be replaced with its numerical counterpart but this is computationally extensive and requires a lot of memory space. Therefore, I propose a method for numerical reconstruction of a holographic stereogram to detect possible abnormalities in its contents without printing. The method allows for more effective use of the allocated memory as well as acceleration of numerical experiments . To make a holographic stereogram, after generating a computer graphic model by a computer, multi-view perspective images are acquired from this model. The acquired perspective images are used to generate the hogel images for the elements of the holographic stereogram by rearrangement of their pixels. The hogel images are recorded by the holographic printer onto holographic emulsion. So, to propose a numerical reconstruction of a holographic stereogram, a geometry relating the stereogram and the viewer is designed and an algorithm for numerical reconstruction is proposed. Experimental verification of numerical reconstruction of a holographic stereogram can be done by comparing it to optical reconstruction from a printed hologram. To produce rapidly a holographic stereogram, I propose a method for generation of hogel images by ray-tracing. Acquisition of multi-view images and pixels rearrangement are parts of generation of hogel images which encode the angular intensity distribution of the light coming from the 3D object at each point of the hologram. So, if the angular intensity distribution is acquired by one shot, a hogel image could be generated by one step. To fulfill this task, a ray-tracing algorithm based on geometry of acquiring a pixel along a ray is proposed. The algorithm makes use of a virtual lens implemented by ray-tracing. The hogel images generated by ray-tracing are used to print a holographic stereogram onto a holographic emulsion. The same hogel images are used to build numerically the stereogram. Then the optical reconstruction from the printed holographic stereogram is compared to the numerical reconstruction. By reducing the time for generation of a hogel image, the overall time needed for numerical reconstruction of the holographic stereogram can be decreased. Numerical reconstruction of a holographic stereogram needs all hogel images, thus, all hogel images must be generated before building numerically the reconstruction image. This is a drawback of direct implementation of numerical reconstruction. To make numerical reconstruction of a holographic stereogram a more effective process, another ray-tracing algorithm is proposed based on a new reconstruction geometry in which ray-tracing is extended to the viewer position. In an experiment, numerical reconstruction of holographic stereogram built by forming hogel images is compared with numerical reconstruction of holographic stereogram built by the ray-tracing approach. The experiment proved that the proposed method is more effective. A simulation experiment for evaluating the impact of hogel images with radial distortion on quality of reconstruction from a holographic stereogram is performed by using the developed algorithm for numerical reconstruction. As a first step, hogel images are generated at different values of the distortion coefficient, and similarity between the distorted hogel images and the undistorted one is measured by using the PSNR and SSIM metrics. As a second step, numerically reconstructed images are generated for holographic stereograms built from distorted hogel images. The same is done for a holographic stereogram built by using undistorted hogel images. As in the case of the hogel images, similarity of reconstruction from a holographic stereogram with distortion to that from distortion-free stereogram is measured by using PSNR and SSIM. By applying the developed algorithms, I can reduce time of generating the holographic stereogram contents and perform effectively its numerical reconstruction. Thus quality of contents encoded in a holographic stereogram can be easily checked. Also, the impact of hogel images with radial distortion on quality of reconstruction of a holographic stereogram can be evaluated. I expect that this thesis will help for producing high-quality holographic stereograms.
Holography has been invented by Dennis Gabor(1900~1979) in 1948. A hologram provides optical reconstruction of a 3D object by recording a wave-front of light coming from it onto a holographic emulsion. A widely used approach to record 3D information in analogue and digital holography is the holographic stereogram which is built from hogels. The hogel stands for a holographic element, which records the data carried by a hogel image. The hogel images are created by acquiring multi-view perspective images from a real 3D scene or a computer graphic model. The holographic stereogram can be printed by a holographic printer as a white light viewable volume hologram. Printing a holographic stereogram is an expensive process, but before observing optical reconstruction from the printed holographic stereogram, there is no way to determine whether its contents have abnormalities. Optical reconstruction can be replaced with its numerical counterpart but this is computationally extensive and requires a lot of memory space. Therefore, I propose a method for numerical reconstruction of a holographic stereogram to detect possible abnormalities in its contents without printing. The method allows for more effective use of the allocated memory as well as acceleration of numerical experiments . To make a holographic stereogram, after generating a computer graphic model by a computer, multi-view perspective images are acquired from this model. The acquired perspective images are used to generate the hogel images for the elements of the holographic stereogram by rearrangement of their pixels. The hogel images are recorded by the holographic printer onto holographic emulsion. So, to propose a numerical reconstruction of a holographic stereogram, a geometry relating the stereogram and the viewer is designed and an algorithm for numerical reconstruction is proposed. Experimental verification of numerical reconstruction of a holographic stereogram can be done by comparing it to optical reconstruction from a printed hologram. To produce rapidly a holographic stereogram, I propose a method for generation of hogel images by ray-tracing. Acquisition of multi-view images and pixels rearrangement are parts of generation of hogel images which encode the angular intensity distribution of the light coming from the 3D object at each point of the hologram. So, if the angular intensity distribution is acquired by one shot, a hogel image could be generated by one step. To fulfill this task, a ray-tracing algorithm based on geometry of acquiring a pixel along a ray is proposed. The algorithm makes use of a virtual lens implemented by ray-tracing. The hogel images generated by ray-tracing are used to print a holographic stereogram onto a holographic emulsion. The same hogel images are used to build numerically the stereogram. Then the optical reconstruction from the printed holographic stereogram is compared to the numerical reconstruction. By reducing the time for generation of a hogel image, the overall time needed for numerical reconstruction of the holographic stereogram can be decreased. Numerical reconstruction of a holographic stereogram needs all hogel images, thus, all hogel images must be generated before building numerically the reconstruction image. This is a drawback of direct implementation of numerical reconstruction. To make numerical reconstruction of a holographic stereogram a more effective process, another ray-tracing algorithm is proposed based on a new reconstruction geometry in which ray-tracing is extended to the viewer position. In an experiment, numerical reconstruction of holographic stereogram built by forming hogel images is compared with numerical reconstruction of holographic stereogram built by the ray-tracing approach. The experiment proved that the proposed method is more effective. A simulation experiment for evaluating the impact of hogel images with radial distortion on quality of reconstruction from a holographic stereogram is performed by using the developed algorithm for numerical reconstruction. As a first step, hogel images are generated at different values of the distortion coefficient, and similarity between the distorted hogel images and the undistorted one is measured by using the PSNR and SSIM metrics. As a second step, numerically reconstructed images are generated for holographic stereograms built from distorted hogel images. The same is done for a holographic stereogram built by using undistorted hogel images. As in the case of the hogel images, similarity of reconstruction from a holographic stereogram with distortion to that from distortion-free stereogram is measured by using PSNR and SSIM. By applying the developed algorithms, I can reduce time of generating the holographic stereogram contents and perform effectively its numerical reconstruction. Thus quality of contents encoded in a holographic stereogram can be easily checked. Also, the impact of hogel images with radial distortion on quality of reconstruction of a holographic stereogram can be evaluated. I expect that this thesis will help for producing high-quality holographic stereograms.
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