JP2005502095A - 改良型３次元ディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、ＣＧＨ（コンピュータ生成ホログラム）を表示するための改善された手段を提供する。画像ボリューム内に現れる画像は、表示すべき元の物体の形状を近似する１組の平面ファセットとして実現される。これらのファセットには、表示される画像の可視部分として作用する点が配置される。物体が表示されるとき、いくつかのファセットは観察ゾーンに直面しない。その結果、これらのファセット上で見かけ上、点が過剰となり、計算の労力が無駄になる。したがって、本発明では、いくつかのファセットがＣＧＨの観察ゾーンに直面して提示されない場合、これらのファセットから点を剥ぎ取る。本発明は、主に、干渉に基づくアルゴリズムを使用するＣＧＨの生成に適用可能であるが、物体を点のアレイから構成する他のタイプの３Ｄディスプレイにも使用することができる。

Description

【０００１】
本発明は、３次元物体を表現する方法およびシステムに関する。より詳細には、３次元物体の一部が観察者に完全に直面して提示されないとき、コンピュータ生成ホログラムの計算に伴う大量の計算負荷を減らす方法に関する。またその提示した方法を実施することができるシステムにも関する。
【０００２】
従来の技術
コンピュータ生成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ、ＣＧＨ）を表示するのに必要とされる計算を行う際に、適切な距離をおいて見たとき連続体らしくみえる点のアレイを、表示すべき物体に配置する必要がある。通常、コンピュータグラフィックスの分野では、表示すべき物体を量子化して、実際の形状に近い一連の平面ファセット（ｆａｃｅｔ）にする。物体を構成する点は、これらのファセット上に配置される。このような物体を十分に離れた距離から眺めると、観察者には、個々の点ではなく、あたかも色のついた切れ目のない線や領域で描かれたごとき完全な物体が見えることになる。こうなるには、目が隣接する点を見分けられないように、十分な密度の点が存在しなければならない。一般に、目から点に対して張る角度が、１分（２９０マイクロラジアン）の弧よりも大きい場合、人間の目は２つの点を解像することができる。起こりそうな最小の物体に対する目の距離を知ることによって、最小の物体点配置密度を計算することができる。
【０００３】
ＣＧＨは、回折パネルから投影されることが当業者に知られている。本明細書では、この回折パネルは、ＣＧＨ設計面またはＣＤＰと呼ばれる。物体を構成する各点には、いくらかの処理の労力を費やすことが必要であり、したがって、点の密度はあまり大きくすべきではない。
【０００４】
ファセットがある観察点に対して完全に直面して提示されないとき、現在の方法には問題がある。その結果、不必要な点によってより多くの計算の労力を招くことになる。
【０００５】
本発明の目的は、３Ｄ ＣＧＨディスプレイ上に表示される物体の画質を改善することである。
【０００６】
また、本発明の目的は、ＣＧＨディスプレイシステムにおいて３Ｄ物体を生成する際に必要とされる処理時間を改善することでもある。
【０００７】
発明の記述
本発明によれば、物体の表面が、関連する点密度をもつ少なくとも１つの平面ファセットによって近似される、物体を３次元で表示することができるコンピュータシステムにおいて３次元物体を表現する方法であって、ファセット上の任意の点から観察ボリュームに向かって投影される法線が、観察ボリュームの一部と交差し得ない場合、ファセット上の点の密度を減らすことを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
ＣＧＨディスプレイシステムでは、１組のポリゴンを生成することによって完全な画像を形成する。本明細書では、ポリゴンは、ファセットと呼ばれ、各ファセットは、平面状であり、表示される物体の真の形状を近似するように配置される。物体が湾曲を有する場合、ファセットが小型になるほど、湾曲した領域をより実際に近く表現することができる。一般に、これらのファセットは、異なるサイズのものであり、互いに異なる角度で接する。一般に、これらのファセットは単一平面内になく、それぞれが近似している物体部分に該当する平面内にある。次いで、ファセットに物体点が配置される。これらの物体点のそれぞれは、図形の基本要素を形成し、これらの物体点は、一緒になって表示すべき物体を構成する。したがって、これらの物体点のそれぞれを処理するために、いくらかの計算の労力が必要となる。
【０００９】
ファセットに点を配置する１つの方法は、単に、上記で与えられた密度基準を実現するように、それぞれのファセットに点を配置する必要があると仮定することである、すなわち、上記で与えられた基準を満足するような密度の点を、すべてのファセットに配置することである。しかし、一般に各ファセット面は異なるので、すべてのファセットが観察者に直面して見えるわけではない。なぜなら、あらゆる３Ｄ ＣＧＨシステムでは、物体の観察角が限られているからである。ファセットの一部は、観察ボリューム内で適切に観察点を選択することによって直面して見ることができるが、その他のファセットは、決して直面して見ることができない。ファセットからやってくる法線ベクトルが、ＣＧＨシステムの観察ボリューム内から眺めている観察者の目に入射することができる場合、このファセットは直面して見ることができる。実際には、この観察ボリュームは、ＣＧＨの観察角によって規定される平面と、ＣＤＰと共面であり最小および最大観察距離を規定する２枚の平面とによって、制限されるボリュームとして規定される。
【００１０】
ファセットが観察者に直面していない場合、見かけ上の点密度が大きくなるため、ファセットの観察者には、そのファセットが見かけ上より明るく見える。ファセットの法線が観察ゾーンから離れるほど、この効果はより顕著になる。この密度は、観察ベクトルとファセットの法線ベクトルとによって決まる軸に沿ってより高くなるようにみえ、したがって、依然として人間の目が連続体として点を知覚するのに十分な密度を保ちながら、この軸上で点の間隔を伸ばすことができる。
【００１１】
本発明により、依然として観察者から見える見かけ上の点密度を保ちながら、少なくとも観察ゾーンの一部に対して直面しないファセットの点密度が減少される。これにより、ＣＧＨ計算プロセスで考慮すべき全点数の削減、処理能力の節減、したがってコストの削減が実現されるという利点が得られる。すなわち、ＣＧＨの生成もより迅速になる。
【００１２】
点密度の削減量または低密度化の量は、観察者が見ることができる見かけ上のファセット面積の減少に正比例することが好ましい。しかし、正比例することは本発明の要件ではない。段階的またはその他の削減特性には、処理が迅速になるなどの利点があり得る。
【００１３】
ＣＧＨディスプレイシステムでは、しばしば、観察者の位置情報が与えられず、したがって、それを低密度化係数の計算に使用することができない。その代わりに、処理中の特定ファセットが最もよく見える観察ボリューム部分に、観察者がいると仮定する、最悪のシナリオを想定する。すなわち、面積が最大であるようにみえる観察ボリューム内の点からファセットを観察すると仮定して、ファセットに点を配置する。この点は、ファセットに最も疎に点が配置されているように見えるところであり、したがって、ファセットには十分に点が配置されなければならない。ＣＧＨシステムでは、ファセットが観察ゾーンに直面しない場合、ファセットが最大に見える点は、観察ボリュームの背面のどこかにある。
【００１４】
したがって、本発明は、人間の目の解像能力に適合する最小の点密度をもたらすが、物体表面の局所的な過剰配置または不足配置を回避する方法を提供する。したがって、計算負荷が減り、画像をより迅速に表示することができる。画像を表示する時間および金銭に関するコストが減少する。
【００１５】
本発明は、干渉に基づくアルゴリズムを使用するＣＧＨシステムで実施する際に特に役に立つ。このアルゴリズムでは、コヒーレント光を使用して光学的にホログラムを生成するときに生じる干渉を模倣するように、ＣＧＨが設計されている。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、
１組の平面ファセットとして物体を表現するステップと、
どのファセットが観察ボリュームに直面して表示されていないかを計算するステップと、
ある密度の物体点を各ファセットに適用し、観察ボリュームに直面して表示されていないファセットには低密度を適用するステップとを含む、ホログラムを構築する方法が提供される。
【００１７】
本発明による方法は、コンピュータシステム上で動作するコンピュータプログラムとして実施することができる。このプログラムは、キャリア、たとえば、ハードディスクシステム、フロッピー（登録商標）ディスクシステム、または他の適当なキャリアに記憶することができる。コンピュータシステムは、単一のコンピュータに統合することもできるし、またはネットワークを介してともに接続された分散形要素を含むこともできる。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、表示すべき物体表面が、関連する点密度をもつ少なくとも１つの平面ファセットによって近似される、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムであって、ファセット上の任意の点から観察ボリュームに向かって投影された法線が、観察ボリュームの一部と交差し得ない場合、ファセット上の点密度を減らすことを特徴とするコンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムが提供される。
【００１９】
このＣＧＨディスプレイシステムは、任意の適切なコンピュータシステムにおいて実施することができる。特に、このコンピュータシステムは、単一のコンピュータに統合することもできるし、またはネットワークを用いてともに接続された分散形要素を含むこともできる。
【００２０】
次に、本発明の一実施形態を、添付の図面を参照して、例によってのみ詳細に説明する。
【００２１】
発明の詳細な説明
各ファセットに低密度化が適用できるかどうか、検討する必要がある。あるファセットが観察ボリュームと交差する法線をもち、次いで、観察ゾーン内のすべての点に対して十分な密度を保つことがわかった場合、そのファセットの点密度を減らすべきではなく、そのため、低密度化係数（ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）１．０が与えられる。便宜上、本実施形態では、当該ファセットの中心から法線を投影するが、一般には任意の法線を用いてもよい。一般に、ファセットは極めて小さいので、こうしても誤差はほとんどない。図１に、ＣＤＰ（ＣＧＨ設計面）８およびレンズ９を備えるディスプレイシステムによって投影され、観察ボリューム４と交差しない法線３をもつファセット１を示す。観察ベクトル２は、ファセット中心から、観察ボリューム４の背面５上でファセット１が最大にみえる点へのベクトルとして規定される。この例では、法線３の観察ボリューム４との交差はここでは生じないので、低密度化係数を、点の配置に適用して処理の労力を節減することができる。
【００２２】
当該ファセット１に適用できる最大の低密度化を決めるために、Ｖ２とＮ１との間の角度θが最小になるベクトルＶ_ｍｉｎを見つける必要がある。システムの幾何的配置の結果、観察ボリューム４に入るすべてのベクトルは、観察ボリューム４の背面５を通過する。Ｎ１自体が観察ボリューム４を通過しない場合、ベクトルＶ_ｍｉｎは常に背面５の縁部にある。したがって、Ｖ_ｍｉｎは、観察ボリューム４の背面５上でファセット１が最大に見える点を通過する。この点は、下記に論ずる帰納的反復二分法（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ，ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｂｉｎａｒｙ ｃｈｏｐ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって見つける。
【００２３】
本実施形態で使用する低密度化係数ｄは、これら２つのベクトル間の角度のコサインである。すなわち、
【数１】

【００２４】
したがって、この低密度化は、観察ボリューム内でファセット法線３に最も近い点から見た、ファセット１の面積の見かけ上の減少に正比例する。
【００２５】
角度θは常に９０°以下となる。したがって、ｄは常に０≦ｄ≦１の範囲内にある。したがって、当該ファセット上の点密度には、単に係数ｄを掛ける。
【００２６】
点密度のこの減少には、表示される完全な物体に対して他の暗示的な意味がある。ＣＧＨディスプレイを使用する場合、物体を構成するすべての点によるＣＧＨ全体の電界分布は、次式で与えられる。
【数２】

【００２７】
ここで、加算項ＮはＣＧＨ内の全画素数、ｎ_ｐは計算中の所与の画素についての可視物体点の全数、ａ_ｐは所与の点ｐについての光の振幅、ｒ_ｐは物体点からＣＧＨ画素までの距離、Φ_ｐはその物体点についての位相である。式の右側にあるＡｂｓ［Ｎ_ｐ・Ｖ_ｐ］項は、エネルギーの保存を保証するための斜角係数（ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）として働く。Ｖ_ｐは物体点から計算中の特定画素へのベクトルであり、Ｎ_ｐはその画素からの法線ベクトルである。
【００２８】
ＣＧＨを構成する点の数を削減する場合、本発明に従って、式（２）から電界合計Ｅが減少することがわかる。これには、被観察物体をより暗くみせるような効果がある。これに対処するために、低密度化されたファセット内の点について、斜角係数項Ａｂｓ［Ｎ_ｐ・Ｖ_ｐ］をｄで割って改変する。もちろん、一般には、ｄはファセットのそれぞれについて異なる。
【００２９】
したがって、電界分布方程式は次のようになる。
【数３】

ただし、ｄは点ｐを含むファセットに適用される低密度化係数である。したがって、ＣＧＨ全体でエネルギーの保存が保たれる。
【００３０】
図２に、ベクトルＶ_ｍｉｎを見つけるためにここで使用する方法を示す。これは、ファセット中心６から、ファセット１が最も直面して見える観察ボリューム（４、図示せず）部分へのベクトルである。どこからも完全には直面して見えないファセットは、観察ボリューム４の背面５の縁部７のまわりのある点から最も直面して見えることになる。ＣＧＨコードで使用するアルゴリズムでは、各縁部で次々に二分法を用いてこの点を見つける。この二分法では、各縁部７について、一方の半分の中点が、他方の半分の中点よりもファセット１をより多く見ることができるかどうかを調べる。次いで、より多く見える半分を選択し、その半分についてテストを繰り返し、以下同様に、毎回ある任意の精度に近づき、最終的にそれに達する。この点とファセットの中点とを結ぶ線と、ファセット法線との間の角度のコサインを、上記に示すように、低密度化係数として使用する。
【００３１】
このアルゴリズムの作用は下記のとおりである。ファセット１からファセット法線３に対して最小角を形成する縁部７に沿う点を、二分法で見つける。それぞれの半分（Ａ_１およびＢ_１）の中点を調べ、よりよい半分（この例では上側半分）を選択する。次いで、この部分のそれぞれの半分（Ａ_２およびＢ_２）の中点を調べ、再度、よりよい半分を選択する。このプロセスを、所望の精度に達するまで続ける。
【００３２】
代替方法を本発明で用いることもできる。可能な代替方法の１つは、ファセット法線ベクトルが、観察ボリュームの背面と交差する点を突き止め、次いで、背面上でこの点に最も近い点を見つけることである。
【００３３】
本発明は、Ａｃｔｉｖｅ−Ｔｉｌｉｎｇ（商標登録）コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）ディスプレイシステムで実施されているが、真の３Ｄ画像を表示でき、表面を構成するのに点のアレイを用いる、任意の３Ｄディスプレイシステムを用いてもよい。コンピュータシステム自体は、スタンドアローンユニットとすることもできるし、ネットワークで接続された遠隔要素を有することもできる。
【００３４】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムは、ホログラフィアニメーションの複数の異なるフレームを高速に再生することによって、ホログラフィ動画像を生成する手段である。Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムは、本質的に、光源からの光を第１ＳＬＭ（空間光変調器）手段上に向けるとともに、第１高速ＳＬＭ手段からの変調光の複数のＳＬＭサブフレームを、空間複合の第２ＳＬＭ上にリレーするためのシステムを備える。ＣＧＨは、この第２ＳＬＭから投影される。
【００３５】
完全なＣＧＨパターンは、画素数が第１ＳＬＭの複合度に等しいサブフレームに分割される。これらのフレームは、第１ＳＬＭ上に時系列に表示され、各フレームは第２ＳＬＭの別々の部分に投影される。したがって、完全な画像は、第２ＳＬＭ上に経時的に形成される。第１ＳＬＭ手段は第１ＳＬＭのアレイを備え、各第１ＳＬＭのアレイは、個々のサブフレームをそれぞれの領域にわたって第２ＳＬＭ上に並べる。
【００３６】
アレイ内のＳＬＭからの光が、意図されない第２ＳＬＭの複数部分に迷光として入射してはならない。これを防止するために、シャッタを、第１ＳＬＭ手段と第２ＳＬＭとの間に配置して、現在書込み中でない第２ＳＬＭの領域をマスキングすることができる。あるいは、画像を書き込むよう求められていない領域を覆う第２ＳＬＭ上の電極に、単に駆動電圧を供給しないようにもできる。そうすると、これらの領域内で第２ＳＬＭに当たる光は、変調層に影響を及ぼさないようになる。こうすると、シャッタシステムが必要なくなる。こうしたシステムの第１ＳＬＭは、第２ＳＬＭと比べて、変調パターンを迅速に変更することができるタイプのものである。したがって、第１ＳＬＭのフレーム更新速度は、第２ＳＬＭのフレーム読出し速度よりも速い。
【００３７】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムには、第１ＳＬＭアレイよりもずっと遅い速度でアドレスされる第２ＳＬＭで生成される画像が、第１ＳＬＭの動作によって効果的に制御されるという利点がある。このため、ＳＬＭアレイ内で使用する高速フレーム速度ＳＬＭで利用可能な時間的情報と、第２ＳＬＭとして現在の光学的にアドレスされるＳＬＭを使用して実現することができる高空間解像度とのトレードオフが可能になる。こうして、高空間解像度画像を、低解像度画像シーケンスを使用してＳＬＭに高速に書き込むことができる。
【００３８】
Ａｃｔｉｖｅ Ｔｉｌｉｎｇシステムの完全な説明については、ＰＣＴ／ＧＢ９８／０３０９７を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
観察ボリュームの外側に投影された法線ベクトルＮをもつファセットと、観察ボリューム内に投影されたベクトルＶとを示す、ディスプレイシステムの部分平面図である。
【図２】
ベクトルＶ_ｍｉｎを見つけるためにここで使用する方法を示す図である。

Claims (15)

1. 物体の表面が、関連する点密度をもつ少なくとも１つの平面ファセットにより近似される、物体を３次元で表示することができるコンピュータシステムにおいて３次元物体を表現する方法であって、前記ファセット上の任意の点から観察ボリュームに向かって投影される法線が、前記観察ボリュームの一部と交差し得ない場合、前記ファセット上の点密度を減らすことを特徴とする方法。
2. 点密度の削減量が、観察者に見えるファセット面積の見かけ上の減少に正比例する、請求項１に記載の方法。
3. 物体からの電界合計の分布が、点密度の減少後も前と同じままである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記コンピュータシステムが、コンピュータ生成ホログラムディスプレイを使用する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムが、干渉に基づくコンピュータ生成ホログラムを生成する、請求項４に記載の方法。
6. １組の平面ファセットとして物体を表現するステップと、
   どのファセットが観察ボリュームに直面して表示されていないかを計算するステップと、
   ある密度の物体点を各ファセットに適用し、観察ボリュームに直面して表示されていないファセットには低密度を適用するステップとを含む、ホログラムを構築する方法。
7. 前記ホログラムがコンピュータ生成ホログラムである、請求項６に記載の方法。
8. 前記コンピュータ生成ホログラムが、干渉に基づくコンピュータ生成ホログラムである、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を使用して、３次元物体を表現することができるコンピュータプログラム。
10. 請求項９に記載のコンピュータプログラムを含むキャリア。
11. 表示すべき物体表面が、関連する点密度をもつ少なくとも１つの平面ファセットによって近似される、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムであって、前記ファセット上の任意の点から観察ボリュームに向かって投影された法線が、前記観察ボリュームの一部と交差し得ない場合、前記ファセット上の点密度を減らすことを特徴とするシステム。
12. コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステムが、
    光源と、
    関連するフレーム更新速度を有し、前記光源からの光を変調する第１空間光変調器手段と、
    前記第１空間光変調器手段からの光の経路内にあり、前記第１空間光変調器手段からの変調光を誘導するリレー光学手段と、
    関連するフレーム読出し速度を有し、前記リレー光学手段からの前記誘導光の経路内にあり、表示用の実際の画像を生成するように構成された第２空間光変調器とを備え、
    前記第１空間光変調器手段の更新速度が、前記第２空間光変調器手段のフレーム読出し速度よりも速い、請求項１１に記載のコンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム。
13. 添付の図面を参照して本明細書で実質的に記載したような、ホログラムを構築する方法。
14. 添付の図面を参照して本明細書で実質的に記載したような、３次元物体を表現する方法。
15. 添付の図面を参照して本明細書で実質的に記載したような、コンピュータ生成ホログラムディスプレイシステム。

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