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JP7599400B2 - Computer generated hologram generating device, method and program - Google Patents
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JP7599400B2 - Computer generated hologram generating device, method and program - Google Patents

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Description

本発明は、計算機合成ホログラム (CGH:Computer-Generated Hologram) の生成装置、方法及びプログラムに係り、特に、近接する物体点同士を統合することでCGHの計算に用いる物体点数を削減する計算機合成ホログラム生成装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a computer-generated hologram (CGH) generating device, method, and program, and in particular to a computer-generated hologram generating device, method, and program that reduces the number of object points used in CGH calculations by merging nearby object points.

非特許文献1には、CGのレイトレーシング法をベースとして写実性の高いレンダリングを可能とするCGHの計算手法が開示されている。非特許文献1では、物体からの伝搬光波を記録するホログラム面を、図15に示すように要素ホログラムと呼ばれる複数の小領域に分割し、要素ホログラムごとに3Dシーンのレンダリング結果をレイトレーシング法に基づき得ることで運動視差を得ている。 Non-Patent Document 1 discloses a CGH calculation method that enables highly realistic rendering based on CG ray tracing. In Non-Patent Document 1, the hologram surface that records the propagating light waves from an object is divided into multiple small areas called element holograms as shown in Figure 15, and the rendering result of the 3D scene is obtained for each element hologram based on the ray tracing method to obtain motion parallax.

しかしながら、ホログラム面を複数の要素ホログラムに分割すると、要素ホログラムごとにその中心位置から見える3Dモデル上の点群をレイトレーシング法により取得して保持し、光波分布を計算することになる。そのため、保持すべき物体点数が最大で要素ホログラム数E×光線数Nとなり、CGH計算に必要なメモリサイズが膨大になるという課題があった。 However, when a hologram surface is divided into multiple element holograms, the points on the 3D model visible from the center position of each element hologram must be acquired and stored using the ray tracing method, and the light wave distribution must be calculated. This poses the problem that the number of object points to be stored is at most the number of element holograms E x the number of light rays N, which means that the memory size required for CGH calculations becomes enormous.

このような技術課題を解決するために、本発明の発明者等は、要素ホログラムごとに取得した点群の中で相互に距離の近い複数の物体点を一つに統合することで物体点の数を削減し、物体光波伝搬の計算対象となる点群の保持に必要なメモリサイズを削減する発明について特許出願(特許文献1)した。 To solve these technical problems, the inventors of the present invention have filed a patent application (Patent Document 1) for an invention that reduces the number of object points by integrating multiple object points that are close to each other in the point clouds acquired for each element hologram into one, thereby reducing the memory size required to hold the point clouds that are the subject of calculations of object light wave propagation.

特願2021-068626号Patent Application No. 2021-068626

Ichikawa,T.Yoneyama and Y.Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013).Ichikawa, T. Yoneyama and Y. Sakamoto, "CGH calculation with the ray tracing method for the Fourier transform optical system," Opt. Express 21, 32019-32031 (2013). William E.Lorensen,Harvey E. Cline: Marching Cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm.In: Computer Graphics, Vol. 21, Nr. 4, July 1987.William E. Lorensen, Harvey E. Cline: Marching Cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm. In: Computer Graphics, Vol. 21, Nr. 4, July 1987. J.-D.Boissonnat,Geometric structures for three-dimensional shape representation. ACM Trans.Graph.3, 4 (1984) 266.J. -D. Boissonnat, Geometric structures for three-dimensional shape representation. ACM Trans. Graph. 3, 4 (1984) 266. Ryosuke Watanabe,Takamasa Nakamura,Masaya Mitobe,Yuji Sakamoto and Sei Naito,"Fast calculation method for viewpoint movements in computer-generated holograms using a Fourier transform optical system," Appl.Opt.58,G71-G83 (2019)Ryosuke Watanabe, Takamasa Nakamura, Masaya Mitobe, Yuji Sakamoto and Sei Naito, "Fast calculation method for viewpoint movements in computer-generated holograms using a Fourier transform optical system," Appl. Opt. 58, G71-G83 (2019)

特許文献1によれば物体光波伝搬の計算対象となる物体点数を削減できるので、その保持に必要なメモリサイズを削減できる。具体的には、物体点ごとにその位置座標及び色情報を登録する点群用のメモリ領域およびオクルージョン情報を登録するオクルージョンテーブル用のメモリ領域を確保するためのメモリサイズを削減できる。 According to Patent Document 1, the number of object points to be calculated for object light wave propagation can be reduced, and the memory size required to store them can be reduced. Specifically, the memory size required to secure a memory area for a point cloud that registers the position coordinates and color information for each object point, and a memory area for an occlusion table that registers occlusion information can be reduced.

一方、このような点群統合処理を物体点間で並列的に行うことができれば、メモリサイズの削減に加えてCGHの高速生成が可能になる。並列処理を効率的に行うためには点群用およびオクルージョンテーブル用のメモリに処理途中で過不足が生じないように予め必要なメモリサイズを確保しておくことが望ましい。
しかしながら、統合処理により削減されてCGHの生成に用いられる物体点数(統合後物体点数)が未知であると必要なメモリサイズを把握できないので過大に見積もらざるを得ず、メモリの有効利用が妨げられてしまう。
また、必要なメモリサイズを過少に見積もってしまうと処理途中でメモリサイズを拡張する処理が必要となる。しかも、メモリの有効利用を念頭に拡張量を最小限に抑えるとメモリ不足が逐次的に発生し、その都度、メモリ領域を拡張する処理が必要となるので、CGHの高速生成という並列処理の利益を十分に享受できなくなる。
On the other hand, if such point cloud integration processing could be performed in parallel between object points, it would be possible to reduce memory size and generate CGHs quickly. In order to perform parallel processing efficiently, it is desirable to reserve the necessary memory size in advance for the point cloud and occlusion table so that there is no excess or shortage during processing.
However, if the number of object points reduced by the integration process and used to generate the CGH (number of object points after integration) is unknown, the required memory size cannot be grasped and must be overestimated, which prevents effective memory use.
Moreover, if the required memory size is underestimated, it becomes necessary to expand the memory size during processing. Moreover, if the expansion amount is kept to a minimum with an eye on efficient memory usage, memory shortages will occur successively, and each time this occurs, it will be necessary to expand the memory area, preventing the full benefit of parallel processing, such as the high-speed generation of CGHs.

本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、統合後の点群に含まれる物体点数を予め推定することで、物体光波伝搬の計算対象となる物体点を登録するために必要なサイズのメモリ領域を予め確保し、物体点の統合処理をメモリサイズに不足を生じさせることなく物体点間で並列的に行えるようにしてCGHを高速に生成する計算機合成ホログラム生成装置、方法及びプログラムを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a computer generated hologram generating device, method, and program that solves the above technical problems, and that quickly generates a CGH by estimating in advance the number of object points to be included in the point cloud after integration, thereby reserving in advance a memory area of the size required to register the object points to be calculated for object light wave propagation, and enabling object point integration processing to be performed in parallel between object points without causing a memory size shortage.

上記の目的を達成するために、本発明は、ホログラム面における物体光と参照光との干渉計算に基づいてフレームごとに計算機合成ホログラムを生成する装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。 To achieve the above object, the present invention is characterized in that it is an apparatus for generating a computer-generated hologram for each frame based on interference calculations between an object beam and a reference beam on a hologram surface, and has the following configuration.

(1) ホログラム計算に利用する3Dモデルを仮想空間に配置する手段と、ホログラム面の要素ホログラムごとに3Dモデルの物体点を取得する手段と、取得した物体点をメモリ領域に登録し、その際、位置が同一または近接する物体点同士は予め単一の物体点に統合する手段と、フレームごとに統合後物体点数を推定する手段と、統合後物体点数に応じたサイズで前記メモリ領域を予め確保する手段と、前記メモリ領域に登録されている物体点ごとに各要素ホログラムへの光波伝搬を計算する手段とを具備し、物体点の取得、統合およびメモリ領域への登録を物体点間で並列的に行うようにした。 (1) The device is provided with a means for arranging a 3D model used in hologram calculation in a virtual space, a means for acquiring object points of the 3D model for each element hologram on the hologram surface, a means for registering the acquired object points in a memory area, and in this case, a means for integrating object points that are in the same position or close to each other into a single object point in advance, a means for estimating the number of object points after integration for each frame, a means for preserving the memory area with a size according to the number of object points after integration, and a means for calculating light wave propagation to each element hologram for each object point registered in the memory area, and the acquisition, integration, and registration of object points in the memory area are performed in parallel between object points.

(2) 統合後物体点数を推定する手段は、過去フレームの統合後物体点数に所定の割合を乗じた値を現フレームの統合後物体点数とするようにした。 (2) The means for estimating the number of integrated object points is such that the number of integrated object points in the current frame is determined by multiplying the number of integrated object points in the previous frame by a predetermined ratio.

(3) 物体点を取得する手段は、各要素ホログラムからのレイトレーシングにより光線と3Dモデルとの交点を物体点として取得し、前記仮想空間の3Dモデルが配置された領域を通過する光線の密度を計算する手段を具備し、統合後物体点数を推定する手段は、3Dモデルが配置された領域の光線密度が高いフレームほど前記割合を小さな値に設定するようにした。 (3) The means for acquiring object points includes a means for acquiring, as object points, intersections between light rays and the 3D model by ray tracing from each element hologram, and a means for calculating the density of light rays passing through an area in the virtual space in which the 3D model is placed, and the means for estimating the number of object points after integration is configured to set the ratio to a smaller value for frames in which the light ray density in the area in which the 3D model is placed is higher.

(4) 3Dモデルのフレーム間での移動量を計算する手段を具備し、統合後物体点数を推定する手段は、3Dモデルの移動量が多いほど前記割合を大きな値に設定するようにした。 (4) A means for calculating the amount of movement of the 3D model between frames is provided, and the means for estimating the number of object points after integration is configured to set the ratio to a larger value as the amount of movement of the 3D model increases.

(5) 確保したメモリ領域に不足が生じると、登録済み物体点の一部をランダムに破棄するようにした。 (5) If the allocated memory area becomes insufficient, some of the registered object points will be randomly discarded.

本発明によれば、以下のような効果が達成される。 The present invention achieves the following effects:

(1) 同一又は近接する物体点を統合して点群の物体点数を削減するにあたり統合後物体点数を予め計算し、光波伝搬計算に用いる物体点を登録するために必要なサイズのメモリ領域を予め確保するので、物体点登録に係る処理を並列的に行う過程でメモリ領域を拡張する処理の発生を抑止できる。その結果、CGH生成の高速化という、物体点登録に係る処理を並列的に行うことで得られる効果を最大化できるようになる。 (1) When integrating identical or nearby object points to reduce the number of object points in a point cloud, the number of object points after integration is calculated in advance, and a memory area of the size required to register the object points used in the light wave propagation calculation is reserved in advance, so that the occurrence of processing to expand the memory area during the process of performing the processes related to object point registration in parallel can be suppressed. As a result, it is possible to maximize the effect of performing the processes related to object point registration in parallel, namely, high-speed CGH generation.

(2) 現フレームの統合後物体点数を過去フレームの統合後物体点数に基づいて推定するので、少ない計算量で精度の高い推定が可能になる。 (2) The number of integrated object points in the current frame is estimated based on the number of integrated object points in the previous frame, enabling highly accurate estimation with a small amount of calculation.

(3) 過去フレームの統合後物体点数に乗じて現フレームの統合後物体点数を推定する割合を3Dモデルが配置された領域の光線密度分布に基づいて最適化するので、現フレームの統合後物体点数を更に正確に推定できるようになる。 (3) The ratio by which the number of integrated object points in the previous frame is multiplied to estimate the number of integrated object points in the current frame is optimized based on the light density distribution in the area where the 3D model is located, making it possible to estimate the number of integrated object points in the current frame more accurately.

(4) 過去フレームの統合後物体点数に乗じて現フレームの統合後物体点数を推定する割合を3Dモデルの移動量に基づいて最適化するので、現フレームの統合後物体点数を更に正確に推定できるようになる。 (4) The ratio by which the number of integrated object points in the previous frame is multiplied to estimate the number of integrated object points in the current frame is optimized based on the amount of movement of the 3D model, making it possible to estimate the number of integrated object points in the current frame more accurately.

(5) 確保したメモリ領域が不足すると登録済みの物体点をランダムに破棄するので、CGHの品質を大きく劣化させることなく、確保したメモリ領域の範囲内で物体点登録に係る処理を並列的に行えるようになる。 (5) If the allocated memory space becomes insufficient, registered object points are randomly discarded, so that the processing related to object point registration can be performed in parallel within the allocated memory space without significantly degrading the quality of the CGH.

本発明の第1実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の構成を示した機能ブロック図である。1 is a functional block diagram showing a configuration of a computer-generated hologram generating device according to a first embodiment of the present invention. 異なる要素ホログラムにそれぞれ登録されて同一または近い位置にある複数の物体点光源を単一の共通する物体点光源に統合する方法を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing a method of integrating multiple object point light sources at the same or nearby positions and each registered in a different elementary hologram into a single common object point light source. 物体点光源の統合範囲を規定する例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of defining an integrated range of an object point light source. 同一ボクセル内の複数の物体点光源を一つに統合する例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of integrating multiple object point light sources in the same voxel into one. オクルージョンの計算方法の例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of a method for calculating occlusion. オクルージョンテーブルの例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of an occlusion table. 本発明の第2実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の構成を示した機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram showing the configuration of a computer-generated hologram generating device according to a second embodiment of the present invention. 3Dモデルが配置される仮想空間において物体点の取得に用いるレイトレーシング法の光線が分布する例を示した図でThis is a diagram showing an example of the distribution of rays in the ray tracing method used to obtain object points in a virtual space where a 3D model is placed. グリッドごとに光線通過数を求めて1次元の光線密度分布を計算する例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of calculating a one-dimensional light ray density distribution by obtaining the number of passing light rays for each grid. 3Dモデルの配置分布の例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of the arrangement distribution of 3D models. 光線密度が中心軸近傍で高くなる例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example in which the light density is high near the central axis. 仮想空間の中央領域を定義する例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of defining a central region of a virtual space. 中央付近の確率分布が大きくなるフィルタの例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of a filter in which the probability distribution becomes large near the center. 本発明の第3実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置の構成を示した機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram showing a configuration of a computer-generated hologram generating device according to a third embodiment of the present invention. 要素ホログラムごとに3Dシーンのレンダリング結果をレイトレーシング法に基づき得ることで運動視差を得る例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of obtaining motion parallax by obtaining rendering results of a 3D scene for each element hologram based on a ray tracing method.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の構成を示した機能ブロック図であり、3Dモデル入力部10,物体点取得部20,統合後物体点数推定部30,メモリ領域確保部40,物体点統合部50,光波伝搬計算部60,干渉縞計算部70,CGH出力部80およびグローバルメモリ90を主要な構成とし、物体点統合部50はオクルージョン判定部501を含む。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a computer-generated hologram generating device 1 according to a first embodiment of the present invention, and includes a 3D model input unit 10, an object point acquisition unit 20, a post-integration object point number estimation unit 30, a memory area allocation unit 40, an object point integration unit 50, a light wave propagation calculation unit 60, an interference fringe calculation unit 70, a CGH output unit 80, and a global memory 90 as main components, and the object point integration unit 50 includes an occlusion determination unit 501.

ホログラムは複数の要素ホログラムを仮想的に二次元に配列して構成される。3Dモデル入力部10にはフレーム単位で3Dモデルが入力され、CGH出力部80からはホログラフィの動画が出力される。 A hologram is constructed by virtually arranging multiple element holograms in a two-dimensional space. A 3D model is input to the 3D model input unit 10 on a frame-by-frame basis, and a holographic video is output from the CGH output unit 80.

このような計算機合成ホログラム生成装置1は、CPU,ROM,RAM,ストレージ,バス,インタフェース等を備えた少なくとも一台の汎用のコンピュータやサーバに各機能を実現するアプリケーション(プログラム)を実装することで構成できる。あるいはアプリケーションの一部をハードウェア化またはソフトウェア化した専用機や単能機としても構成できる。 Such a computer-generated hologram generating device 1 can be configured by implementing applications (programs) that realize each function on at least one general-purpose computer or server equipped with a CPU, ROM, RAM, storage, bus, interface, etc. Alternatively, it can be configured as a dedicated machine or a single-function machine in which part of the application is implemented as hardware or software.

3Dモデル入力部10は、ホログラム計算に用いる3Dモデルをフレーム単位で取得し、メッシュデータとして仮想空間に配置する。3DモデルはOBJファイルなどのメッシュデータとして直接入力されても良いし、ボクセルデータが非特許文献2のマーチン・キューブ法等のメッシュ化アルゴリズムでメッシュデータに変換されて入力されるようにしても良い。あるいは点群データが非特許文献3のBoissonnatの手法等によってメッシュデータに変換されて入力されるようにしても良い。 The 3D model input unit 10 acquires the 3D model used for hologram calculation on a frame-by-frame basis and places it in the virtual space as mesh data. The 3D model may be directly input as mesh data such as an OBJ file, or voxel data may be converted into mesh data using a meshing algorithm such as the Martin Cube method in Non-Patent Document 2 and then input. Alternatively, point cloud data may be converted into mesh data using the Boissonnat method in Non-Patent Document 3 or the like and then input.

物体点取得部20は、非特許文献1が開示するレイトレーシング法により、要素ホログラムごとにその中心から観測できる3Dモデル上の点を光波伝搬計算に用いる物体点として取得する。レイトレーシング法は、ある一点から多数の光線を飛ばし、その光線と交わる3Dモデルのポリゴンの位置情報および色情報を登録することで陰面消去やシェーディングなどを考慮した写実的なレンダリングを可能にする方法である。 The object point acquisition unit 20 acquires points on the 3D model that can be observed from the center of each element hologram as object points to be used in light wave propagation calculations using the ray tracing method disclosed in Non-Patent Document 1. The ray tracing method is a method that enables realistic rendering that takes into account hidden surface removal, shading, etc. by sending multiple light rays from a single point and registering position information and color information of polygons in the 3D model that intersect with the light rays.

本実施例では、各要素ホログラムの中心からレイトレーシング法によって光線と3Dモデルとの交点に物体点を配置し、その3次元座標(x, y, z)及びその色情報(R, G, B)を取得して保持する。要素ホログラムごとに光線を飛ばす位置が異なるために要素ホログラムごとに異なる点群を取得することができ、滑らかな連続視差を持つホログラム再生が可能となる。 In this embodiment, an object point is placed at the intersection of a ray from the center of each element hologram and the 3D model using ray tracing, and its three-dimensional coordinates (x, y, z) and color information (R, G, B) are acquired and stored. Because the position from which the ray is projected differs for each element hologram, a different point cloud can be acquired for each element hologram, making it possible to reproduce holograms with smooth continuous parallax.

物体点統合部50は、物体点取得部20が要素ホログラムごとに取得した物体点を対象に、図2に示すように、異なる要素ホログラムから検出された物体点のうち3次元座標が同一もしくは距離が近い物体点を共通する1点に統合することで光波伝搬計算に使用する物体点数を削減する。 The object point integration unit 50 targets the object points acquired by the object point acquisition unit 20 for each element hologram, and as shown in FIG. 2, integrates object points detected from different element holograms that have the same three-dimensional coordinates or are close to each other into a single common point, thereby reducing the number of object points used in the light wave propagation calculation.

本実施例では、図3に示すように物体点が存在する3次元空間を立方体形状のボクセルグリッドに分割し、図4に示すように、同一ボクセル内の複数の物体点を一つの物体点に統合する。例えば8つの選抜要素ホログラムにそれぞれ登録された計8つの物体点が同一ボクセルに入っていると、8つの座標情報及び色情報が1つの座標情報及び色情報で代表されるので、座標情報及び色情報の登録に係るデータ量が1/8に減ぜられる。 In this embodiment, the three-dimensional space in which object points exist is divided into a cubic voxel grid as shown in Figure 3, and multiple object points in the same voxel are integrated into one object point as shown in Figure 4. For example, if a total of eight object points registered in eight selected element holograms are in the same voxel, the eight pieces of coordinate information and color information are represented by one piece of coordinate information and color information, so the amount of data related to registering the coordinate information and color information is reduced to 1/8.

統合した1点の位置情報については、統合した複数点の3次元座標の平均値を統合後の3次元座標とすることができる。あるいは計算量を削減するためにボクセルの重心座標を統合後の3次元座標としてもよい。統合した1点の色情報については、統合した複数点の色情報の平均値を採用しても良いし、統合した複数点のいずれかの色情報を採用しても良い。 For the position information of one integrated point, the average value of the 3D coordinates of the integrated multiple points can be used as the integrated 3D coordinate. Alternatively, to reduce the amount of calculations, the barycentric coordinates of the voxel can be used as the integrated 3D coordinate. For the color information of one integrated point, the average value of the color information of the integrated multiple points can be used, or the color information of any of the integrated multiple points can be used.

本実施形態では、統合する物体点として人間の目で観測した際に同一の点とみなされるほど近い点を想定しており、ボクセルサイズは3Dモデルとホログラム面との距離lから、一辺の長さLが人間の視覚の空間分解能(1/60°)以下に観測されるよう、ホログラム面と3Dモデルの表面との最短距離l0に基づいて次式(1)により自動的に設定される。これにより、人間の視覚の空間分解能でボクセルサイズが設定されるため、複数の点群を1つに統合しても主観画質を損なうことなくメモリサイズを削減することが可能となる。 In this embodiment, the object points to be integrated are assumed to be close enough to be considered the same point when observed by the human eye, and the voxel size is automatically set using the following formula (1) based on the shortest distance l0 between the hologram surface and the surface of the 3D model, so that the length of one side L is observed to be equal to or less than the spatial resolution of human vision (1/60°), based on the distance l between the 3D model and the hologram surface. As a result, the voxel size is set based on the spatial resolution of human vision, making it possible to reduce memory size without compromising subjective image quality even when multiple point groups are integrated into one.

Figure 0007599400000001
Figure 0007599400000001

なお、本実施形態では直方体のボクセルグリッドを採用するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。例えば、本実施例におけるレイトレーシング法を用いた物体点の検出を考えた場合、物体点の位置がホログラム面から遠ければ遠いほど点と点との間の距離は大きくなる傾向にある。したがって、ホログラム面から距離が離れるほど、グリッドの大きさが大きくなるようにグリッドを形成してもよい。 Note that, although a rectangular parallelepiped voxel grid is used in this embodiment, the present invention is not limited to this. For example, when considering the detection of object points using the ray tracing method in this embodiment, the distance between points tends to increase the farther the object point is located from the hologram surface. Therefore, a grid may be formed such that the size of the grid increases the farther the distance from the hologram surface.

これを実現する例としては、ホログラム面の中央を中心とする距離lと、仰角θ、方位角Φで表現される3D極座標系で物体点光源の配置を考え、各軸を一定の長さ又は角度ごとに区切りってグリッドを形成してもよい。 One way to achieve this is to consider the arrangement of object point light sources in a 3D polar coordinate system expressed by the distance l from the center of the hologram surface, the elevation angle θ, and the azimuth angle Φ, and form a grid by dividing each axis into fixed lengths or angles.

また、ホログラム面に平行な底面を持つ視錐体としてグリッドを表現してもよい。この場合、点の存在する3D領域全体を内包する視錐体の中に、一定のz軸方向(z軸はホログラム面に垂直方向とする)の長さ及び一定の画角を持つ小さい視錐体のグリッドを作ることで空間を分割してよい。 The grid may also be represented as a viewing cone with a base parallel to the hologram surface. In this case, the space may be divided by creating a grid of smaller viewing cones with a constant length in the z-axis direction (the z-axis is perpendicular to the hologram surface) and a constant angle of view within the viewing cone that contains the entire 3D region in which the points reside.

統合後物体点数推定部30は、後に詳述するように、光波伝搬計算に用いる物体点を登録するために必要なメモリサイズを予め確保して物体点登録を並列処理できるようにするために、前記物体点統合部50が同一又は近接する物体点を統合して点群の物体点数を削減する前に、予めフレームごとに過去フレームにおける統合後物体点数に基づいて現フレームの統合後物体点数を推定する。 As described in detail below, in order to reserve in advance the memory size required to register object points used in light wave propagation calculations and to enable parallel processing of object point registration, the post-integration object point number estimation unit 30 estimates the post-integration object point number of the current frame based on the post-integration object point number of the previous frame for each frame before the object point integration unit 50 integrates identical or adjacent object points to reduce the number of object points in the point cloud.

本実施形態では現フレーム(fフレーム目)の統合後物体点数N fを、前フレーム(f-1フレーム目)の統合後物体点数N'f-1に一定の割合αを乗じた数αN'f-1として推定する。 In this embodiment, the number of integrated object points N to f in the current frame (fth frame) is estimated as a number αN'f -1 obtained by multiplying the number of integrated object points N'f -1 in the previous frame (f-1th frame) by a constant rate α.

CGHの動画ではフレーム間で3Dモデルが大きく移動することがないため、物体点統合部50で統合される物体点数が大きく変化することはないことが経験的に認められる。したがって、例えば前フレームの統合後物体点数N'f-1に一定の割合αを乗じるだけで現フレームの統合後物体点N fを高い確度で推定できる。 In a CGH video, the 3D model does not move significantly between frames, and it is empirically recognized that there is no significant change in the number of object points integrated by object point integration unit 50. Therefore, for example, the post-integration object points N to f in the current frame can be estimated with high accuracy simply by multiplying the post-integration object point number N' f-1 in the previous frame by a constant rate α.

前記割合αは予め定めた固定値でも良いし、モデル配置の変化やフレーム間のモデルの移動量に応じてフレームごとに変化させても良い。あるいは両者を組み合わせ、3Dモデルの移動量が少ないフレーム区間については割合αを固定値とし、移動量が多いフレーム区間については移動量に応じて割合αを適応的に変化させるようにしても良い。 The ratio α may be a predetermined fixed value, or may be changed for each frame depending on changes in the model placement or the amount of movement of the model between frames. Alternatively, both may be combined, with the ratio α being set to a fixed value for frame sections where the amount of movement of the 3D model is small, and the ratio α being adaptively changed depending on the amount of movement for frame sections where the amount of movement is large.

割合αは、基本的に推定値の誤差を考慮して前フレームより大きなメモリ領域を確保できるようにα>1とすることが望ましい。また、フレーム間では物体配置が大きく変わることがないため、αの値は高々2程度で十分である。例えば、遠隔会議で人物の上半身をホログラフィで立体表示する場合は、3Dキャプチャした人物の仮想空間での配置は大きく変化することがないため、過去の経験則から適当な割合αを固定値で与えることが有効である。 The ratio α should be set to α>1 so that a larger memory area than the previous frame can be secured, taking into account errors in the estimated value. Also, since the object position does not change significantly between frames, a value of α of at most 2 is sufficient. For example, when displaying a person's upper body in 3D using holography during a remote conference, the position of the 3D captured person in the virtual space does not change significantly, so it is effective to set an appropriate fixed ratio α based on past experience.

メモリ領域確保部40は、前記物体点統合部50が統合処理を開始する前に、前記統合後物体点数の推定結果に基づいて、物体点の統合処理に必要なサイズのメモリ領域をグリーバルメモリ90上に確保する。確保したメモリ領域には、点群領域M1(以降、点群統合用メモリ領域と表記する場合もある)、オクルージョンテーブルM2およびグリッド番号保持用配列M3が確保される。 Before the object point integration unit 50 starts the integration process, the memory area allocation unit 40 allocates a memory area of a size required for the object point integration process in the global memory 90 based on the result of estimating the number of object points after integration. In the allocated memory area, a point cloud area M1 (hereinafter, sometimes referred to as a point cloud integration memory area), an occlusion table M2, and a grid number storage array M3 are allocated.

点群領域M1には統合後の物体点ごとにその位置座標及び色情報が登録される。オクルージョンテーブルM2には統合後の物体点ごとに、どの要素ホログラムから可視でどの要素ホログラムから不可視であるかを表すオクルージョン情報が登録される。グリッド番号保持用配列M3には物体点が存在するグリッドの番号が登録される。 In the point cloud area M1, the position coordinates and color information for each integrated object point are registered. In the occlusion table M2, occlusion information is registered for each integrated object point indicating from which element hologram the object point is visible and from which element hologram it is invisible. In the grid number storage array M3, the number of the grid in which the object point exists is registered.

本実施形態では、統合済み点群用のメモリ領域M1,M2,M3を予め確保することにより、以下に詳述するように、物体点取得部20および物体点統合部50の協調動作により要素ホログラムごとに物体点を取得し、更に同一のグリッド内に位置する物体点は統合して保持し、更にオクルージョンテーブルを生成する処理を、要素ホログラム毎および要素ホログラム間で並列的に行うことが可能になる。 In this embodiment, by reserving memory areas M1, M2, and M3 for the integrated point cloud in advance, as described in detail below, the object point acquisition unit 20 and the object point integration unit 50 cooperate to acquire object points for each element hologram, and furthermore, object points located within the same grid are integrated and stored. Furthermore, the process of generating an occlusion table can be performed in parallel for each element hologram and between element holograms.

本実施形態では、同一グリッドに複数の物体点が格納されることになると統合が行われる。各グリッドには連番となるグリッド番号が識別子として予め割り当てられ、統合後の各物体点がそれぞれどの要素ホログラムから観測可能であるかを管理するオクルージョンテーブルM2も統合時に作成される。 In this embodiment, when multiple object points are stored in the same grid, they are merged. A consecutive grid number is assigned to each grid in advance as an identifier, and an occlusion table M2 is also created at the time of the merger to manage from which element hologram each object point after the merger can be observed.

1フレーム目のCGH計算時には過去フレームの統合後物体点数を推定できないので、従来技術と同様に、物体点の取得、近接する物体点同士の統合および点群領域M1ならびにオクルージョンテーブルM2への登録が物体点ごとに直列的に繰り返される。 When calculating the CGH for the first frame, it is not possible to estimate the number of object points after integration from previous frames, so similar to conventional technology, the process of acquiring object points, integrating nearby object points, and registering them in the point cloud region M1 and occlusion table M2 is repeated serially for each object point.

2フレーム以降は過去フレームにおける統合後物体点数を基準にして推定した現フレームの統合後物体点数に応じたサイズのメモリ領域をグローバルメモリ90上に確保し、物体点の取得、近接する物体点同士の統合、点群領域M1ならびにオクルージョンテーブルM2への登録が、最大で要素ホログラム数E×光線数Nだけ並列で処理される。 From the second frame onwards, a memory area of a size according to the number of integrated object points in the current frame, estimated based on the number of integrated object points in the previous frame, is secured in global memory 90, and the acquisition of object points, integration of nearby object points, and registration in point cloud area M1 and occlusion table M2 are processed in parallel up to the number of element holograms E x number of rays N.

前記メモリ領域確保部40は、前フレームで使用したメモリ領域の再利用することを原則とする。メモリ領域が不足する場合には追加で不足分を確保しても良いし、フレームごとにメモリ領域の開放および確保を繰り返すようにしても良い。 The memory area allocation unit 40 basically reuses the memory area used in the previous frame. If there is a memory area shortage, it may allocate additional memory area to make up for the shortage, or it may repeatedly release and allocate memory area for each frame.

メモリ領域が確保されると、物体点取得部20がレイトレーシング法により各要素ホログラムの中心点から光線を仮想的に一斉照射し、各光線と3Dモデルとの交点に並列処理で物体点を配置する。 Once the memory area is secured, the object point acquisition unit 20 uses the ray tracing method to virtually irradiate light rays from the center point of each element hologram simultaneously, and places object points at the intersections of each light ray and the 3D model using parallel processing.

物体点統合部50は、配置した物体点ごとにその位置情報に基づいて格納先のグリッド番号を並列処理で計算する。格納先のグリッド番号がグリッド番号保持用配列M3に存在しなければ追加し、当該物体点の位置情報及び色情報が点群領域M1に新規登録記録される。さらに、物体点ごとにどの要素ホログラムから可視でどの要素ホログラムから不可視であるかが、図5に示すようにオクルージョン判定部501で判定され、その判定結果がオクルージョンテーブルM2に登録される。 The object point integration unit 50 uses parallel processing to calculate the storage grid number for each placed object point based on its position information. If the storage grid number does not exist in the grid number storage array M3, it is added, and the position information and color information of the object point are newly registered and recorded in the point cloud area M1. Furthermore, an occlusion determination unit 501 determines from which element hologram the object point is visible and from which element hologram it is invisible, as shown in FIG. 5, and the determination result is registered in an occlusion table M2.

オクルージョンテーブルM2では、図6に模式的に示すように、物体点および要素ホログラムの組み合わせごとにオクルージョン情報がテーブル形式で管理される。本実施形態では物体点をインデックスとして、当該物体点を観測できる要素ホログラムの対応するセルには"1"がセットされ、観測できない要素ホログラムの対応するセルには"0"がセットされる。 In occlusion table M2, as shown diagrammatically in FIG. 6, occlusion information is managed in table format for each combination of object point and element hologram. In this embodiment, the object point is used as an index, and a "1" is set in the corresponding cell of the element hologram where the object point can be observed, and a "0" is set in the corresponding cell of the element hologram where the object point cannot be observed.

これに対して、格納先のグリッド番号がグリッド番号保持用配列M3に存在すれば、点群領域M1に既登録の物体点と今回の物体点とを統合して点群領域M1およびオクルージョンテーブルM2を更新する。 On the other hand, if the storage destination grid number exists in the grid number storage array M3, the current object point is integrated with the object point already registered in the point cloud area M1, and the point cloud area M1 and occlusion table M2 are updated.

なお、本実施形態では物体点の格納先として同一のタイミングで同じグリッド番号が計算され、同一のグリッド番号と物体点が重複して保持される場合が極めて稀に起こりうる。これを防ぐためには、統合処理後にグリッド番号の重複をチェックし、重複データを削除する機能を設けても良い。具体的には、点群領域M1、オクルージョンテーブルM2およびグリッド番号保持用配列M3をグリッド番号でソートし、隣接するデータのグリッド番号が同一の場合にその一方を削除すれば良い。 In this embodiment, the same grid number is calculated at the same time as the storage destination of the object point, and it is possible that the same grid number and object point are stored in duplicate, though this is extremely rare. To prevent this, a function may be provided that checks for duplicate grid numbers after the integration process and deletes duplicate data. Specifically, the point cloud region M1, occlusion table M2, and grid number storage array M3 are sorted by grid number, and if adjacent data have the same grid number, one of them is deleted.

また、実際の統合後物体点数が推定値を超過し、事前に確保したメモリが不足する場合は、統合後物体点の一部をランダムに削除することで推定値以下の点群数に抑えても良い。CGHの光学再生像は多数の点光源の集合として考えられるため、その一部をランダムに削除しても再生像の形状には変化がない。このため、映像品質を大きく劣化させることなく、確保したメモリサイズの範囲内で物体点登録に係る処理を並列的に行うことが可能になる。 Furthermore, if the actual number of integrated object points exceeds the estimated value and the memory allocated in advance is insufficient, the number of integrated object points can be reduced to below the estimated value by randomly deleting some of the integrated object points. Since the optically reconstructed image of a CGH can be considered as a collection of many point light sources, the shape of the reconstructed image does not change even if some of them are randomly deleted. This makes it possible to perform processes related to object point registration in parallel within the range of the allocated memory size without significantly degrading the image quality.

統合後物体点の一部をランダムに削除する代わりに、不足するメモリサイズを逐次的に追加で確保しても良いし、メモリが不足した時点で統合後の点群を破棄し、より大きなメモリ領域を再確保した上で、改めて物体点取得部20および物体点統合部50が上記の処理を初めから行うようにしても良い。 Instead of randomly deleting some of the integrated object points, the insufficient memory size may be sequentially secured, or when memory is insufficient, the integrated point cloud may be discarded and a larger memory area may be re-secured, and the object point acquisition unit 20 and object point integration unit 50 may then perform the above process again from the beginning.

なお、本実施形態では過去の1フレームから現フレームの統合後物体点数を推定するものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、過去複数フレームの統合後物体点数を参照して推定を行ってもよい。例えば、過去複数フレームの統合後物体点数の最大値に標準偏差を加算することで、過去フレームの統合後物体点数の変化の傾向から確度の高い推定結果を得られるようになる。 In this embodiment, the number of integrated object points in the current frame is estimated from one past frame, but the present invention is not limited to this, and estimation may be performed by referring to the number of integrated object points in multiple past frames. For example, by adding the standard deviation to the maximum number of integrated object points in multiple past frames, it becomes possible to obtain a highly accurate estimation result from the tendency of change in the number of integrated object points in past frames.

光波伝搬計算部60は、前記点群領域M1およびオクルージョンテーブルM2の情報に基づいて、各物体点から当該物体点を観測可能な要素ホログラムへの光波伝搬計算を行う。なお、光波伝搬計算については非特許文献2が開示する点光源法を採用でき、その計算式は次式(2),(3)で表される。 The light wave propagation calculation unit 60 performs light wave propagation calculations from each object point to an element hologram that can observe the object point, based on the information of the point cloud region M1 and the occlusion table M2. Note that the point source method disclosed in Non-Patent Document 2 can be used for the light wave propagation calculation, and the calculation formula is expressed by the following formulas (2) and (3).

Figure 0007599400000002
Figure 0007599400000002

Figure 0007599400000003
Figure 0007599400000003

ここで、(x, y)は光波が伝搬されるホログラム面上の画素位置を示しており、si (x, y)は各物体点piから伝搬されるホログラム面上の光波分布である。N'は統合後物体点数、Aiは各物体点piの輝度、riは各物体点piとホログラム面上の画素(x, y)との距離、O(i, e)は各物体点piと要素ホログラムeに該当するオクルージョンテーブルの値であり、物体点piが要素ホログラムeで観測可能か否かを示している。kは光の波長から計算される波数を表し、u(x, y)は計算される物体光波分布である。 Here, (x, y) indicates the pixel position on the hologram surface through which the light wave propagates, and si(x, y) is the light wave distribution on the hologram surface propagated from each object point pi. N' is the number of object points after integration, Ai is the brightness of each object point pi, ri is the distance between each object point pi and pixel (x, y) on the hologram surface, and O(i, e) is the value of the occlusion table corresponding to each object point pi and element hologram e, indicating whether or not the object point pi is observable in the element hologram e. k represents the wave number calculated from the wavelength of light, and u(x, y) is the calculated object light wave distribution.

干渉縞計算部70は、ホログラム面上の物体光波u(x, y)に対して、計算機上のシミュレーションとして参照光波を差し込むことで干渉計算を行い、画像として出力する機能を有する。本実施例の参照光は収束球面参照光波を用いる。収束球面参照光波を用いた干渉計算には非特許文献4が開示する方法を適用できる。 The interference fringe calculation unit 70 has the function of performing interference calculations by inserting a reference light wave as a computer simulation into the object light wave u(x, y) on the hologram surface, and outputting the result as an image. The reference light in this embodiment uses a convergent spherical reference light wave. The method disclosed in Non-Patent Document 4 can be applied to interference calculations using a convergent spherical reference light wave.

この収束球面参照光波がホログラム面上に伝搬されたときの光波の複素振幅分布R(x, y)は次式(4)で表わされる。ここで、Roは参照光の強度であり、rは参照光の位置からホログラム面上の位置(x, y)までの距離を表している。 The complex amplitude distribution R(x, y) of the light wave when this convergent spherical reference light wave is propagated onto the hologram surface is expressed by the following equation (4). Here, Ro is the intensity of the reference light, and r is the distance from the position of the reference light to the position (x, y) on the hologram surface.

Figure 0007599400000004
Figure 0007599400000004

なお、参照光は上式(4)に限定されず、次式(5)で表されるような単なる球面波参照光でも良いし、次式(6)で表されるような平行波参照光でもよい。ただし、式(6)のβは参照光のホログラム面への入射角度である。 The reference light is not limited to the above formula (4), but may be a simple spherical wave reference light as expressed by the following formula (5), or a parallel wave reference light as expressed by the following formula (6). Note that β in formula (6) is the angle of incidence of the reference light on the hologram surface.

Figure 0007599400000005
Figure 0007599400000005

Figure 0007599400000006
Figure 0007599400000006

この参照光波と物体光波の干渉を示す式は次式(7)で表される。ここで、I(x, y)はCGHの輝度分布である。 The interference between the reference light wave and the object light wave is expressed by the following equation (7), where I(x, y) is the luminance distribution of the CGH.

Figure 0007599400000007
Figure 0007599400000007

最後に、この輝度分布を画像として出力する。例えば干渉縞を0-255のレンジに正規化し、画像として出力する。 Finally, this brightness distribution is output as an image. For example, the interference fringes are normalized to the range of 0-255 and output as an image.

本実施形態によれば、同一又は近接する物体点を統合して点群の物体点数を削減するにあたり統合後物体点数を予め計算し、光波伝搬計算に用いる物体点の登録に必要なサイズのメモリ領域を予め確保するので、物体点登録に係る処理を並列的に行う過程でメモリ領域を拡張する処理の発生を抑止できる。その結果、CGH生成の高速化という、物体点登録に係る処理を並列的に行うことで得られる効果を最大化できるようになる。 According to this embodiment, when integrating identical or nearby object points to reduce the number of object points in a point cloud, the number of object points after integration is calculated in advance, and a memory area of the size required for registering object points to be used in light wave propagation calculations is reserved in advance, so that it is possible to prevent the occurrence of processing to expand the memory area during the process of performing the processes related to object point registration in parallel. As a result, it is possible to maximize the effect of performing the processes related to object point registration in parallel, namely, speeding up CGH generation.

図7は、本発明の第2実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、前記と同一の符号は同一又は同等部分を表しているので説明を省略する。 Figure 7 is a functional block diagram showing the configuration of the main parts of a computer-generated hologram generating device 1 according to a second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those described above represent the same or equivalent parts, and therefore their explanation will be omitted.

本実施形態は3Dモデル入力部10が光線密度分布計算部101を具備し、統合後物体点数推定部30が過去フレームの統合後物体点数を基準に現フレームの統合後物体点数を推定する際に用いる前記係数αを、レイトレーシング法に用いる光線の密度分布と3Dモデルの配置との関係に応じてフレームごとに適応的に決定するようにした点に特徴がある。 This embodiment is characterized in that the 3D model input unit 10 includes a ray density distribution calculation unit 101, and the coefficient α used by the integrated object point number estimation unit 30 when estimating the integrated object point number of the current frame based on the integrated object point number of the past frame is adaptively determined for each frame according to the relationship between the density distribution of the rays used in the ray tracing method and the arrangement of the 3D model.

図8は、3Dモデルが配置される仮想空間において物体点の取得に用いるレイトレーシング法の光線が分布する様子を示した図であり、ホログラム面の中心軸に近い領域に光線が集中することが判る。光線密度分布が高い中心軸付近ではそれ以外の領域よりも物体点が統合される確率が高くなるため、割合αは3Dモデルが光線密度の高い領域に配置されるフレームほど相対的に小さく、光線密度の低い領域に配置されるフレームでは相対的に大きくすることが望ましい。 Figure 8 shows the distribution of light rays in the ray tracing method used to acquire object points in a virtual space in which a 3D model is placed, and it can be seen that the light rays are concentrated in an area close to the central axis of the hologram surface. Since the probability of object points being integrated is higher near the central axis where the light ray density distribution is high than in other areas, it is desirable to make the ratio α relatively small for frames in which the 3D model is placed in an area of high light ray density and relatively large for frames in which the 3D model is placed in an area of low light ray density.

そこで、本実施形態では3Dモデル入力部10に光線密度分布計算部101を設け、統合後物体点数推定部30が過去フレームの統合後物体点数を基準に現フレームの統合後物体点数を推定する際に用いる前記係数αを光線密度分布計算部101の計算結果に基づいて適応的に設定するようにしている。 In this embodiment, therefore, the 3D model input unit 10 is provided with a light ray density distribution calculation unit 101, and the coefficient α used by the post-integration object point number estimation unit 30 when estimating the post-integration object point number of the current frame based on the post-integration object point number of the past frame is adaptively set based on the calculation result of the light ray density distribution calculation unit 101.

光線密度分布はレイトレーシング法の光線が3Dモデルの各部位をどの程度通過するかの指標なので、3Dモデルが配置される仮想空間をボクセルグリッドで均等に分割し、各グリッドを光線が通過する本数(光線通過数)として事前に求めることができる。 Since the ray density distribution is an index of how many rays of the ray tracing method pass through each part of the 3D model, it can be calculated in advance by evenly dividing the virtual space in which the 3D model is placed into a voxel grid and calculating the number of rays passing through each grid (number of ray passes).

本実施形態では、仮想空間の3Dモデルが存在するグリッドごとに光線通過数を求めて図9のような1次元の光線密度分布を計算する。なお、このボクセルグリッドは物体点統合部50が統合対象の物体点を識別するために用いるボクセルグリッドとは異なり、光線密度分布の計算にのみ用いるため、そのボクセルサイズは統合対象の物体点を識別ためのボクセルサイズほど小さい必要がない。そのため、追加で大きなメモリ領域を必要とせずに光線密度分布を計算することができる。 In this embodiment, the number of passing rays is obtained for each grid in which a 3D model of the virtual space exists, and a one-dimensional ray density distribution as shown in FIG. 9 is calculated. Note that this voxel grid is different from the voxel grid used by the object point integration unit 50 to identify the object points to be integrated, and is used only for calculating the ray density distribution, so the voxel size does not need to be as small as the voxel size used to identify the object points to be integrated. Therefore, the ray density distribution can be calculated without requiring an additional large memory area.

本実施形態では、光線分布密度が高い場合にはα=1.2、光線分布密度が低い場合にはα=2.0といった設定が可能である。一方、何らかの方法で削減後の点群数が前フレームより小さくなることが判っているのであれば上記の範囲に限らず割合αを設定してもよい。光線密度のフレーム間の大小比較については光線密度分布の中央値や平均値といった代表値で比較しても良いし、分布の積分値で比較しても良い。 In this embodiment, when the light ray distribution density is high, α can be set to 1.2, and when the light ray distribution density is low, α can be set to 2.0. On the other hand, if it is known in some way that the number of points after reduction will be smaller than in the previous frame, the ratio α can be set outside the above range. When comparing the magnitude of light ray density between frames, it is possible to compare representative values such as the median or average value of the light ray density distribution, or to compare the integral value of the distribution.

なお、光線密度分布を厳密に計算することなく、モデル配置の分布で代替してもよい。モデル配置分布は、例えば図10に示すように、ホログラムの中心座標からレイトレーシング法の光線と交わる3Dモデルごとにラベリングを行って2次元のモデル配置の分布を計算することで求められる。これは図11に示すように、仮想空間上のホログラム面の中心軸に近い領域に点群取得に用いるレイトレーシング法の光線が集中するため、モデルの配置分布が中心軸にどれほど依っているかで光線密度分布を概算したのと同義である。 Note that the light ray density distribution may be replaced by the model layout distribution without precise calculation. For example, as shown in Figure 10, the model layout distribution can be found by labeling each 3D model that intersects with the light rays of the ray tracing method from the central coordinates of the hologram and calculating the two-dimensional model layout distribution. This is equivalent to roughly estimating the light ray density distribution based on how much the model layout distribution depends on the central axis, since the light rays of the ray tracing method used to acquire the point cloud are concentrated in an area close to the central axis of the hologram surface in virtual space, as shown in Figure 11.

光線密度分布をモデル配置分布で代替する場合は、図12に示すように仮想空間の中央領域を次式(8)で定義し、中央領域における3Dモデルの存在確率を最大値、平均値あるいは積分値で代表する。 When replacing the light density distribution with the model arrangement distribution, the central region of the virtual space is defined by the following equation (8), as shown in Figure 12, and the probability of the existence of a 3D model in the central region is represented by the maximum value, average value, or integral value.

Figure 0007599400000008
Figure 0007599400000008

代表値が前フレームより高くなった場合は割合αを小さくする一方、周囲の存在確率が高くなった場合は割合αを大きくすることで、光線密度分布を用いた場合と同様に最適な割合αを決定できるようになる。 By decreasing the ratio α when the representative value is higher than in the previous frame, and increasing the ratio α when the probability of the surrounding presence increases, it becomes possible to determine the optimal ratio α in the same way as when the light density distribution is used.

なお、図13に一例を示すように、中央付近の値が大きくなるように設計されたフィルタとの確率分布の類似度を計算し、この計算結果に基づいてモデル配置分布を求めても良い。 As shown in an example in Figure 13, it is also possible to calculate the similarity of the probability distribution with a filter designed to have larger values near the center, and obtain the model placement distribution based on the results of this calculation.

本実施形態によれば、現フレームの統合後物体点数を前フレームの統合後物体点数に基づいて計算するための割合αを、3Dモデルが配置される領域の光線密度に基づいて最適化できるので、統合後物体点数を更に正確に推定できるようになる。 According to this embodiment, the ratio α for calculating the number of integrated object points in the current frame based on the number of integrated object points in the previous frame can be optimized based on the light density of the area in which the 3D model is placed, making it possible to estimate the number of integrated object points more accurately.

図14は、本発明の第3実施形態に係る計算機合成ホログラム生成装置1の構成を示した機能ブロック図であり、前記と同一の符号は同一又は同等部分を表しているので説明を省略する。 Figure 14 is a functional block diagram showing the configuration of a computer-generated hologram generating device 1 according to a third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those described above represent the same or equivalent parts, and therefore their explanation will be omitted.

本実施形態は3Dモデル入力部10が移動量計算部102を具備し、統合後物体点数推定部30が過去フレームの統合後物体点数を基準に現フレームの統合後物体点数を推定する際に用いる前記係数αを、3Dモデルの移動量に基づいてフレームごとに適応的に設定するようにした点に特徴がある。 This embodiment is characterized in that the 3D model input unit 10 includes a movement amount calculation unit 102, and the coefficient α used by the integrated object point number estimation unit 30 when estimating the integrated object point number of the current frame based on the integrated object point number of the past frame is adaptively set for each frame based on the movement amount of the 3D model.

前記移動量計算部102は仮想空間に3Dモデルを配置する際、当該3Dモデルの重心位置の前フレームからの変化を移動量として計算する。フレーム間の移動量によって統合後物体点数のフレーム間の変化量が異なるため、統合後物体点数の推定にモデルの移動量を用いることで推定精度を向上させることができる。 When placing a 3D model in a virtual space, the movement amount calculation unit 102 calculates the change in the center of gravity position of the 3D model from the previous frame as the movement amount. Since the amount of change in the number of integrated object points between frames differs depending on the movement amount between frames, the estimation accuracy can be improved by using the movement amount of the model to estimate the number of integrated object points.

一般的に、フレーム間での3Dモデルの移動量が大きいほどフレーム間での3Dモデル配置の変化が大きくなるため、統合後物体点数の変化が大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態ではフレームごとに3Dモデルの移動量が大きいほど割合αを大きくすることで割合αを最適化するようにしている。 Generally, the greater the movement of the 3D model between frames, the greater the change in the 3D model arrangement between frames, and therefore the greater the change in the number of object points after integration. Therefore, in this embodiment, the ratio α is optimized by increasing the ratio α the greater the movement of the 3D model between frames.

本実施形態によれば、現フレームの統合後物体点数を前フレームの統合後物体点数に基づいて計算するための割合αをモデルの移動量に基づいて求めるので、統合後物体点数を更に正確に推定できるようになる。 According to this embodiment, the ratio α for calculating the number of integrated object points in the current frame based on the number of integrated object points in the previous frame is calculated based on the amount of movement of the model, so that the number of integrated object points can be estimated more accurately.

そして、上記の各実施形態によれば高品質なCGHを短時間で生成することができ、通信インフラ経由でもリアルタイムで提供することが可能となるので、地理的あるいは経済的な格差を超えて多くの人々に多様なエンターテインメントを提供できるようになる。その結果、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標9「レジリエントなインフラを整備し、包括的で持続可能な産業化を推進する」や目標11「都市を包摂的、安全、レジリエントかつ持続可能にする」に貢献することが可能となる。 Furthermore, according to each of the above embodiments, high-quality CGH can be generated in a short time and can be provided in real time even via communication infrastructure, making it possible to provide a variety of entertainment to many people regardless of geographic or economic disparities. As a result, it will be possible to contribute to Goal 9 "Build resilient infrastructure and promote inclusive and sustainable industrialization" and Goal 11 "Make cities inclusive, safe, resilient and sustainable" of the Sustainable Development Goals (SDGs) led by the United Nations.

10…3Dモデル入力部,20…物体点取得部,30…統合後物体点数推定部,40…メモリ領域確保部,50…物体点統合部,60…光波伝搬計算部,70…干渉縞計算部,80…CGH出力部,90…グローバルメモリ,101…光線密度分布計算部,102…移動量計算部,501…オクルージョンテーブル判定部 10...3D model input section, 20...object point acquisition section, 30...post-integration object point number estimation section, 40...memory area allocation section, 50...object point integration section, 60...light wave propagation calculation section, 70...interference fringe calculation section, 80...CGH output section, 90...global memory, 101...light ray density distribution calculation section, 102...movement amount calculation section, 501...occlusion table determination section

Claims (15)

ホログラム面における物体光と参照光との干渉計算に基づいてフレームごとに計算機合成ホログラムを生成する装置において、
ホログラム計算に利用する3Dモデルを仮想空間に配置する手段と、
ホログラム面の要素ホログラムごとに3Dモデルの物体点を取得する手段と、
取得した物体点をメモリ領域に登録し、その際、位置が同一または近接する物体点同士は予め単一の物体点に統合する手段と、
フレームごとに統合後物体点数を推定する手段と、
統合後物体点数に応じたサイズで前記メモリ領域を予め確保する手段と、
前記メモリ領域に登録されている物体点ごとに各要素ホログラムへの光波伝搬を計算する手段とを具備し、
前記物体点の取得、統合および前記メモリ領域への登録を物体点間で並列的に行うことを特徴とする計算機合成ホログラム生成装置。
1. An apparatus for generating a computer-generated hologram for each frame based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram plane, comprising:
A means for placing a 3D model used for hologram calculation in a virtual space; and
A means for obtaining object points of a 3D model for each element hologram of the hologram surface;
a means for registering the acquired object points in a memory area, and at that time, integrating object points having the same position or close positions into a single object point in advance;
A means for estimating the number of object points after integration for each frame;
a means for reserving in advance the memory area having a size corresponding to the number of object points after integration;
a means for calculating light wave propagation to each element hologram for each object point registered in the memory area,
A computer generated hologram generating device, characterized in that the acquisition, integration and registration of the object points in the memory area are performed in parallel between object points.
前記メモリ領域が、
物体点ごとにその位置情報および色情報が登録される点群統合用メモリ領域と、
物体点および要素ホログラムの組み合わせごとにオクルージョン情報が登録されるオクルージョンテーブルとを含むことを特徴とする請求項1に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
The memory area is
a memory area for integrating point clouds in which position information and color information of each object point are registered;
2. The computer-generated hologram generating device according to claim 1, further comprising an occlusion table in which occlusion information is registered for each combination of an object point and an elementary hologram.
前記統合後物体点数を推定する手段は、現フレームの統合後物体点数を過去フレームの統合後物体点数に基づいて推定することを特徴とする請求項1または2に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer generated hologram generating device according to claim 1 or 2, characterized in that the means for estimating the number of integrated object points estimates the number of integrated object points of the current frame based on the number of integrated object points of a past frame. 前記統合後物体点数を推定する手段は、現フレームの統合後物体点数を、前フレームの統合後物体点数または過去数フレームの統合後物体点数の統計値に基づいて推定することを特徴とする請求項3に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer generated hologram generating device according to claim 3, characterized in that the means for estimating the number of integrated object points estimates the number of integrated object points in the current frame based on the number of integrated object points in the previous frame or a statistical value of the number of integrated object points in the past few frames. 前記統合後物体点数を推定する手段は、過去フレームの統合後物体点数に所定の割合を乗じた値を現フレームの統合後物体点数とすることを特徴とする請求項3または4に記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer generated hologram generating device according to claim 3 or 4, characterized in that the means for estimating the number of integrated object points is a value obtained by multiplying the number of integrated object points of the past frame by a predetermined ratio, and setting the number of integrated object points of the current frame to this value. 前記物体点を取得する手段は、各要素ホログラムからのレイトレーシングにより光線と3Dモデルとの交点を物体点として取得し、
前記仮想空間の3Dモデルが配置された領域を通過する光線の密度を計算する手段を具備し、
前記統合後物体点数を推定する手段は、3Dモデルが配置された領域の光線密度が高いフレームほど前記割合を小さな値に設定することを特徴とする請求項5に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
the means for acquiring the object point acquires an intersection point between a light ray and a 3D model as an object point by ray tracing from each element hologram;
A means for calculating a density of a light ray passing through an area in which the 3D model of the virtual space is placed,
6. The computer-generated hologram generating device according to claim 5, wherein the means for estimating the number of object points after integration sets the ratio to a smaller value for a frame having a higher light ray density in an area in which a 3D model is placed.
前記光線密度を計算する手段は、前記仮想空間を多数の小領域に分割して当該小領域ごとに通過する光線数を計算し、
3Dモデルが含まれる小領域の光線数に基づいて前記割合を決定することを特徴とする請求項6に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
the means for calculating the light ray density divides the virtual space into a number of small regions and calculates the number of light rays passing through each of the small regions;
7. The computer-generated hologram generating device according to claim 6, wherein the ratio is determined based on the number of light rays in a small region including a 3D model.
3Dモデルのフレーム間での移動量を計算する手段を具備し、
前記統合後物体点数を推定する手段は、3Dモデルの移動量が多いほど前記割合を大きな値に設定することを特徴とする請求項5に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
means for calculating frame-to-frame displacement of a 3D model;
6. The computer-generated hologram generating device according to claim 5, wherein the means for estimating the number of object points after integration sets the ratio to a larger value as the amount of movement of the 3D model increases.
前記仮想空間における3Dモデルの配置確率分布と予め仮想空間の中央部近傍の確率分布が大きくなるように設計されたフィルタとの類似度を計算する手段を具備し、
前記統合後物体点数を推定する手段は前記類似度が高いほど前記割合を小さな値に設定することを特徴とする請求項5に記載の計算機合成ホログラム生成装置。
a means for calculating a similarity between a placement probability distribution of the 3D model in the virtual space and a filter designed in advance so that the probability distribution near the center of the virtual space is large;
6. The computer-generated hologram generating device according to claim 5, wherein the means for estimating the number of object points after integration sets the ratio to a smaller value as the degree of similarity increases.
前記確保した点群統合用メモリ領域に不足が生じると、登録済み物体点の一部をランダムに破棄することを特徴とする請求項2ないし9のいずれかに記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer-generated hologram generating device according to any one of claims 2 to 9, characterized in that, when the secured memory area for point cloud integration becomes insufficient, some of the registered object points are randomly discarded. 前記統合する手段は、前記仮想空間を多数の小領域に分割し、同一の小領域内に位置する物体点同士を統合することを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の計算機合成ホログラム生成装置。 The computer generated hologram generating device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the integrating means divides the virtual space into a number of small regions and integrates object points located within the same small region. ホログラム面における物体光と参照光との干渉計算に基づいてコンピュータがフレームごとに計算機合成ホログラムを生成する方法において、
ホログラム計算に利用する3Dモデルを仮想空間に配置し、
ホログラム面の要素ホログラムごとに3Dモデルの物体点を取得し、
取得した物体点をメモリ領域に登録し、その際、位置が同一または近接する物体点同士は予め単一の物体点に統合し、
フレームごとに統合後物体点数を推定し、
統合後物体点数に応じたサイズで前記メモリ領域を予め確保し、
前記メモリ領域に登録されている物体点ごとに各要素ホログラムへの光波伝搬を計算し、
前記物体点の取得、統合および前記メモリ領域への登録を物体点間で並列的に行うことを特徴とする計算機合成ホログラム生成方法。
A method for generating a computer-generated hologram for each frame by a computer based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram plane, comprising:
The 3D model used for hologram calculation is placed in the virtual space,
Obtain the object points of the 3D model for each element hologram on the hologram surface,
The acquired object points are registered in a memory area, and object points that are in the same or close positions are integrated into a single object point in advance.
Estimate the number of object points after integration for each frame.
The memory area is allocated in advance with a size corresponding to the number of object points after integration;
Calculating light wave propagation to each element hologram for each object point registered in the memory area;
A computer-generated hologram generating method, comprising the steps of: acquiring and integrating the object points and registering them in the memory area in parallel between the object points.
現フレームの統合後物体点数を過去フレームの統合後物体点数に基づいて推定することを特徴とする請求項12に記載の計算機合成ホログラム生成方法。 The computer-generated hologram generating method according to claim 12, characterized in that the number of integrated object points in the current frame is estimated based on the number of integrated object points in the past frame. ホログラム面における物体光と参照光との干渉計算に基づいてフレームごとに計算機合成ホログラムを生成するプログラムにおいて、
ホログラム計算に利用する3Dモデルを仮想空間に配置する手順と、
ホログラム面の要素ホログラムごとに3Dモデルの物体点を取得する手順と、
取得した物体点をメモリ領域に登録し、その際、位置が同一または近接する物体点同士は予め単一の物体点に統合する手順と、
フレームごとに統合後物体点数を推定する手順と、
統合後物体点数に応じたサイズで前記メモリ領域を予め確保する手順と、
前記メモリ領域に登録されている物体点ごとに各要素ホログラムへの光波伝搬を計算する手順とをコンピュータに実行させ、
前記各物体点の取得、統合および前記メモリ領域への登録を物体点間で並列的に行うことを特徴とする計算機合成ホログラム生成プログラム。
A program for generating a computer-generated hologram for each frame based on interference calculation between an object beam and a reference beam on a hologram plane,
The procedure for placing the 3D model used for hologram calculation in the virtual space,
A procedure for obtaining object points of a 3D model for each element hologram on the hologram surface;
A step of registering the acquired object points in a memory area, and at that time, integrating object points having the same position or close positions into a single object point in advance;
A step of estimating the number of object points after integration for each frame;
a step of allocating in advance the memory area having a size according to the number of object points after integration;
a step of calculating light wave propagation to each element hologram for each object point registered in the memory area;
A computer-generated hologram generating program, characterized in that the acquisition, integration and registration of each object point in the memory area are performed in parallel between object points.
前記統合後の物体点数を推定する手順では、現フレームの統合後物体点数を過去フレームの統合後物体点数に基づいて推定することを特徴とする請求項14に記載の計算機合成ホログラム生成プログラム。 The computer-generated hologram generation program according to claim 14, characterized in that in the step of estimating the number of object points after integration, the number of object points after integration in the current frame is estimated based on the number of object points after integration in a previous frame.
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