用于快速产生三维(3D)全息图的设备和方法 |
|||||||
申请号 | CN201310027577.7 | 申请日 | 2013-01-24 | 公开(公告)号 | CN103226842A | 公开(公告)日 | 2013-07-31 |
申请人 | 三星电子株式会社; | 发明人 | 南东暻; 魏浩千; 李硕; 朴斗植; 朴柱容; | ||||
摘要 | 提供一种用于快速产生三维(3D)全息图的设备和方法。可以以高速产生三维(3D)全息图模式的产生全息图的设备可包括:模式设置单元,用于针对产生了全息图模式的整个区域的八分之一区域,设置将产生全息图模式的点;计算单元,用于计算针对整个区域的八分之一区域选择的多个参考点的模式值,并使用循环插值来产生八分之一区域的模式;模式复制单元,用于通过复制产生的部分区域的模式来完成整个区域的模式。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于产生全息图的设备,所述设备包括: |
||||||
说明书全文 | 用于快速产生三维(3D)全息图的设备和方法技术领域背景技术[0003] 立体图像被提供为实现三维(3D)图像。然而,由于立体图像具有由于视觉疲劳、有限数量的视点等而引起的限制,因此使用全息图来实现3D图像的方法正引起注意。 [0004] 全息图是一种呈现具有无限数量的视点的3D空间的技术,并通过使用光的强度和相位再现3D空间对象来造成较小的视觉疲劳。通常地,根据产生数字全息图的方法使用计算机产生的全息图来产生全息图。即,在数字全息图产生方法中,光信号是逼近的,并使用通过数学运算产生的干涉模式来产生全息图。 [0005] 在数字全息图产生方法中,3D空间对象被解释为一组3D点,并产生与构成3D空间对象的所有3D点相应的点全息图。在此情况下,随着3D空间对象的精密性和复杂性增加,包括在3D空间对象中的3D点的数量也增加,因此,计算量也随之而增加。发明内容 [0006] 根据示例性实施例,公开了一种可加速产生三维(3D)全息图的产生全息图的设备和方法。 [0007] 根据示例性实施例,公开了一种在不依靠单独的查找表(LUT)的情况下,可加速产生3D全息图的设备和方法。 [0008] 根据示例性实施例,公开了一种可适用于使用多个处理器的并行处理并可最小化由外部存储器存取引起的操作延迟的产生全息图的设备和方法。 [0009] 通过提供一种用于产生全息图的设备来实现上述和/或其他方面,所述设备包括:计算单元,用于通过使用输入的三维(3D)数据的循环插值来产生部分区域的模式,部分区域与将产生全息图的整个区域的一部分相应;模式复制单元,用于通过复制产生的部分区域的模式来完成整个区域的模式。 [0010] 部分区域可与整个区域的八分之一区域相应。 [0011] 计算单元可计算部分区域中的多个参考点的菲涅耳波带片FZP)模式值,并通过使用针对所述多个参考点中的至少一个点计算的FZP模式值执行插值,计算部分区域中除所述多个参考点之外的点的FZP模式值。 [0013] 计算单元可包括:多个处理器,用于执行并行循环插值,所述设备还可包括:调度单元,用于针对所述多个处理器,执行并行循环插值的调度。 [0014] 所述设备还可包括模式设置单元,用于从整个区域选择部分区域,并确定所述部分区域中的模式的尺寸。 [0015] 通过提供一种用于产生全息图的设备来实现上述和/或其他方面,所述设备包括:模式设置单元,用于针对可产生全息图模式的整个区域的八分之一区域,设置将产生的全息图模式的点;计算单元,计算在整个区域的八分之一区域中选择的多个参考点的模式值,并基于计算的所述多个参考点的模式值,通过循环插值方案产生八分之一区域的模式。 [0016] 在此情况下,所述设备还可包括:模式复制单元,用于通过复制产生的八分之一区域的模式来完成整个区域的模式。 [0017] 计算单元可使用波动方程的解来计算所述多个参考点的FZP模式值。 [0018] 计算单元可包括:多个处理器,用于执行并行循环插值,所述设备还可包括:调度单元,用于针对所述多个处理器,执行并行循环插值的调度。 [0019] 通过提供一种产生全息图的方法来实现上述和/或其他方面,所述方法包括:由全息图产生设备的计算单元通过使用输入的三维(3D)数据的循环插值来产生部分区域的模式,部分区域与将产生全息图的整个区域的一部分相应;由全息图产生设备的模式复制单元通过复制产生的部分区域的模式来完成整个区域的模式。 [0021] 从下面结合附图进行的对实施例的描述中,这些和/或其它方面将会变得清楚,并且更易于理解,其中: [0022] 图1示出根据示例性实施例的用于产生全息图的设备; [0023] 图2示出根据示例性实施例的产生全息图的处理; [0024] 图3示出根据示例性实施例的用于产生全息图的设备的计算处理; [0025] 图4示出根据示例性实施例产生的全息图模式; [0026] 图5示出根据示例性实施例的产生模式的处理; [0027] 图6A和图6B示出根据示例性实施例的按照循环插值预先计算模式值的参考点; [0028] 图7示出根据示例性实施例的计算在一个点的模式值的处理; [0029] 图8以及图9A至图9D示出根据示例性实施例的循环插值的处理; [0030] 图10示出根据示例性实施例的通过复制部分区域的模式来产生整个区域的模式的处理; [0031] 图11A和图11B示出根据示例性实施例的图8的处理器的操作状态; [0032] 图12A至图13C示出根据示例性实施例的通过调度方法执行的循环插值的处理以及在该处理中处理器的操作状态; [0033] 图14示出根据示例性实施例的产生全息图的方法; [0034] 图15示出根据示例性实施例的产生全息图的方法中的循环插值。 具体实施方式[0035] 现在将详细参考实施例,其示例在附图中示出,其中,相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述实施例以解释本发明。 [0036] 图1示出根据示例性实施例的用于产生全息图的设备100。 [0037] 当执行存储器分配和全息图初始化,并通过设备100接收3D点数据时,可开始产生三维(3D)全息图图像的处理。 [0038] 模式设置单元110可通过确定模式的尺寸来设置菲涅耳波带片(FZP)模式的尺寸,其中,FZP模式的尺寸是可计算模式值的点的间隔。将参照图2至图6进一步描述模式的形状和模式的尺寸。 [0039] 计算单元130可计算参考点的模式值以直接计算八分之一区域的模式值,并还可使用循环插值,计算八分之一区域中其他点的模式值。 [0040] 当包括在计算单元130中的处理器通过循环插值计算模式值时,调度单元120可执行调度,以最小化空闲处理器的数量和处理迭代的次数。 [0041] 将参照图11至图13进一步描述调度处理。 [0042] 通过上述的处理,计算单元130可完成八分之一区域的模式,模式复制单元140可通过在贯穿整个区域内复制完成的八分之一区域的模式来完成整个区域的模式。 [0043] 将参照图10进一步描述复制模式的处理。 [0044] 图2示出根据示例性实施例的产生全息图的处理。 [0045] 全息图可以是指通过记录和再现空间中的光的相位信息和强度(即,电磁(EM)波)来恢复与原始图像相同的3D图像的技术。 [0046] 在计算机产生的全息图的情况下,由于例如维持暗室环境、控制短波长光或管理对象的移动的困难,通常可基于关于3D空间和对象的信息产生全息图模式,以直接捕获光的相位信息和强度。 [0047] 然而,因为需要对所有空间点计算全息图平面上的强度和相位信息,因此在产生全息图的过程中可能花费大量的时间。通常,在产生单条全息图的过程中花费数千至数万秒。 [0048] 示例性实施例可在产生全息图的处理中加速操作处理。 [0049] 图3示出根据示例性实施例的用于产生全息图的设备的计算处理。 [0050] 根据示例性实施例,可使用波动方程的解来产生全息图模式。例如,,可通过使用如由方程1表示的Rayleigh-Sommerfeld解(在下文中,被称为R-S解)来产生与整个区域的一部分相应的八分之一区域的全息图模式,并通过在整个区域上复制产生的八分之一区域的全息图模式来产生整个区域的模式,从而获得3D全息图。 [0051] 在产生八分之一区域的模式的处理中,可仅计算一部分参考点的模式值,并且可使用循环插值计算除所述参考点之外的其他点的模式值。 [0052] [等式1] [0053] [0054] 可如由等式2和等式3所表示分别定义等式1中的术语dp和k。 [0055] [等式2] [0056] [0057] [等式3] [0058] [0059] 可使用如下的二项式扩展来逼近R-S解。 [0060] 具体地,如果等式4是真的,则可通过等式5来计算dp。 [0061] [等式4]2 2 2 [0062] ρ=(ξ-xp)+(η-yp)(从等式2) [0063] [等式5] [0064] [0065] 因此,可由等式6来表示R-S解的近似值。 [0066] [等式6] [0067] [0068] 图4示出根据示例性实施例产生的全息图模式400。 [0069] 如可从整个区域的全息图模式400和等式6的近似值所理解,在位于与预定点相距预定距离的部分上将产生的全息图模式可以是同心对称的。因此,鉴于同心对称消除,可在不逐个产生整个区域的所有模式的情况下仅产生八分之一区域的FZP模式,并且可对剩余的区域复制产生的八分之一区域的模式,由此可获得整个区域的模式。 [0070] 即,当 使 用 全 息 图 模 式 的 同 心 对 称 时,可 通 过 等 式2 直接计算一维(1D)点的模式值,并且可通过使用 预先计算的模式值来间接获得与(ξ.η)相应的其他点的模式。 [0071] 图5示出根据示例性实施例的用于描述产生模式的处理的概念图500。 [0072] 如上所述,当产生八分之一区域510的FZP模式时,可通过复制产生的八分之一区域510的FZP模式来产生如概念图500中所示的四分之一区域的FZP模式。通过迭代复制产生的四分之一区域的FZP模式,可产生整个区域的FZP模式。 [0073] 当产生八分之一区域510的FZP模式时,可仅产生沿着单个预定方向的1D线上存在的点的模式,而不产生八分之一区域510中的所有点的模式,并且可通过循环插值产生八分之一区域510的FZP模式。 [0074] 在此情况下,可使用包含1D模式数据和半径数据之间的相关性的查找表(LUT)。 [0075] 可在LUT中预先计算根据半径数据的ρ值,并可基于针对1D模式数据执行的计算,通过参照LUT表直接确定未计算的部分的模式。 [0076] 然而,当将被显示的全息图的分辨率增加时,LUT的尺寸可增加,外部存储存取所需要的时间量可增加,大量的数据可需要被存储在全局存储器中。因此,多个处理器在执行并行处理的过程中遇到困难。 [0077] 因此,根据示例性实施例,可通过仅直接计算1D模式数据来产生八分之一区域510的全息图模式,而不使用半径数据的LUT,并且通过循环插值快速计算其他部分的数据。 [0078] 图6A和图6B示出根据示例性实施例的预先计算模式值的参考点。 [0079] 为了便于描述,可假设与具有同心对称的模式的中心相应的点的坐标(xp,yp)为xp=0,yp=0由于相对坐标和绝对坐标可容易互换,所以所述假设不会有问题。 [0080] 如由等式7表示,可基于等式6计算在与xp=0,yp=0相应的原点上的模式值。 [0081] [等式7] [0082] [0083] 在等式7中,在 (虚线框)中的值可被称为可变相位距离(VPD)。根据上述的同心对称,当VPD恒等时,模式在全息平面上具有相同的相位。 [0084] 尽管可沿着对角线计算R-S解,但是不一定要沿着对角线计算R-S解。作为替代,根据应用,可对适合的1D线上的点或一部分预定参考点计算初始的R-S解。 [0085] 可通过使用计算的参考点的初始值来实时执行计算处理。根据示例性实施例,计算的初始值可被用作LUT。 [0086] 在图6A和图6B的参考点(即,与计算了模式值的点相应的黑色实心点)当中,使在(nδξ,mδη)上的参考点的位置为A,在((n-1)δξ,(m-1)δη)上的参考点的位置为B,在((m-1)γξ,nδη)上的参考点的位置为P。可分别如等式8至等式10所示来计算每个位置的VPD。 [0087] [等式8] [0088] [0089] [等式9] [0090] [0091] [等式10] [0092] [0093] 图7示出根据示例性实施例的计算在一个点上的模式值的处理。 [0094] 在上述的等式中,当Q是与原点相距dm-1,n并位于线 上的点时,可针对m,n≥1完成等式11和等式12。 [0095] [等式11] [0096] [0097] [等式12] [0098] [0099] 另外,使在点A上的全息图模式值为V(m-1,m-1),在点B上的全息图模式值为V(m,n)。如由等式13表示,可通过线性插值来计算尚未计算的在点P上的全息图模式值V(m-1,n)。 [0100] [等式13] [0101] [0102] 使用预先计算模式值的点来针对尚未计算模式值的点迭代地执行上述处理的处理可与在整个本公开中提到的循环插值相应。 [0103] 可通过包括在图1的计算单元130中的处理器来并行执行上述处理,这将在稍后进行详细描述。 [0104] 图8以及图9A至图9D示出根据示例性实施例的循环插值的处理。 [0105] 如图8中所示,针对预定值m和n,可从V(m,n)和V(m-1,n-1)获取V(m-1,n),可通过图9A的迭代1、图9B的迭代2、图9C的迭代3和图9D的迭代4来计算包括在八分之一区域的点的模式值。 [0106] 尽管线性插值用作便于说明的示例,但可循环执行高阶插值来获取更精确的全息图模式值。另外,将理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对其进行形式和细节的各种改变。 [0107] 图10示出根据示例性实施例的通过复制整个区域的部分区域的模式来产生整个区域的模式的处理。 [0108] 图1的模式复制单元140可通过循环插值将通过计算单元130产生的八分之一区域1001的模式复制到尚未产生模式的相邻的八分之一区域1002。 [0109] 可完成四分之一区域1010的模式,模式复制单元140可将四分之一区域1010点的模式复制到另一相邻的四分之一区域1020。 [0110] 通过迭代处理,模式复制单元140可完成其他四分之一区域1030和1040的模式,并可完成整个区域的模式1000。 [0111] 图11A和图11B示出根据示例性实施例的图8的处理器的操作状态。 [0112] 可通过包括在图1的计算单元130中的一个处理器的顺序计算,执行产生八分之一区域中所有点的模式的处理。 [0113] 然而,可通过包括在计算单元130中的多个处理器的并行计算,执行产生八分之一区域中所有点的模式的处理。 [0114] 图11A示出由多个处理器(例如,Proc#1至Proc#9)并行执行循环插值计算的处理。图11B示出在执行图11A的处理的同时所述多个处理器的操作状态。 [0115] 因为空闲处理器的数量可随着在并行处理中迭代地执行迭代而增加,所以可需要提高效率。 [0116] 根据其它示例性实施例,可执行单独的调度以通过减小空闲处理器的数量来提高计算速率。 [0117] 图12A至图13C示出根据示例性实施例的通过调度方法执行的循环插值的处理和在该处理中处理器的操作状态。 [0118] 如图12A所示,图1的调度单元120可设置可预先计算模式值的点。 [0119] 如图12B至图12D以及图13A和图13B所示,当执行迭代时,循环插值可被分配给处理器(例如,Proc#1至Proc#9)。 [0120] 图13C中可示出处理器的操作状态。 [0121] 当与图11B的操作状态相比时,可理解空闲处理器的数量明显减少,并且执行的迭代的整体次数也减小。 [0122] 图14示出根据示例性实施例的产生全息图的方法。 [0123] 在操作1410,可初始化产生3D全息图图像的处理,并可执行存储器分配和全息图初始化。 [0124] 在操作1420,当接收到3D点时,用于产生全息图的图1的设备100可使用3D点数据产生全息图。 [0125] 在操作1430,图1的模式设置单元110可确定FZP模式的尺寸等,其中,所述FZP模式的尺寸是实际计算模式值的点的间隔。 [0126] 在操作1440,图1的计算单元130可计算参考点的模式值,以直接计算模式值。 [0127] 在操作1450,计算单元130可使用循环插值在八分之一区域中产生FZP模式。通过循环插值执行的计算处理可与参照图6至图9提供的描述相同。稍后将基于图15的流程图描述循环插值。 [0128] 在操作1460,模式复制单元140可复制通过计算单元130产生的八分之一区域的FZP模式,由此可完成其他八分之一区域的模式或其他四分之一区域的模式。此处理与参照图10提供的描述相同,因此为了简明将省略复制的描述。 [0129] 在操作1470,到目前为止产生的FZP模式可被添加为全息图模式。可在操作1480确定是否将产生附加的全息图模式,并且必要时,操作1420至操作1470的处理可被迭代。 [0130] 图15示出根据示例性实施例的产生全息图的方法中的循环插值。 [0132] 在操作1520,可执行存储器分配和FZP模式初始化。在操作1530计算参考点的模式值的处理可相似于图14的流程图。 [0133] 在操作1540至操作1580,通过依次增加迭代的次数,通过循环差值可计算与参考点邻近并尚未计算模式值的点的模式值。 [0134] 当迭代结束时,可在操作1590存储计算的模式值,并可通过图1的模式复制单元140来执行产生整个区域的模式的处理。 [0135] 根据上述实施例的方法可被记录在包括程序指令的非暂时计算机可读介质中,以执行通过计算机实现的各种操作。所述介质还可单独包括数据文件、数据结构等,或者还可包括与程序指令组合的数据文件、数据结构等。记录在所述介质上的程序指令可以是为实施例的目的专门设计和构造的程序指令,或可以是计算机软件领域的技术人员公知并能够使用的程序指令类型。非暂时计算机可读介质的示例包括磁介质(例如,硬盘、软盘、磁带)、光学介质(例如,CD ROM盘、DVD)、磁光介质(例如,光盘)、被专门构造为存储和执行程序指令的硬件装置(例如,只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等)。计算机可读介质还可以是分布式网络,从而以分布式的方式存储和执行程序指令。程序指令可被一个或多个处理器执行。计算机可读介质还可在执行(像处理器一样处理)程序指令的至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中实现。程序指令的示例包括机器代码(例如,由编译器所产生的)和包含计算机使用解释器可执行的高级代码的文件。为了执行上述实施例的操作,描述的硬件装置可被构造为用作一个或多个软件模块,反之亦然。 |