Hologram 생성

Hologram은 두 가지 방법으로 생성될 수 있다. 하나는 optical elements를 이용해서 실제 홀로그램을 measure하는 방식이고, 다른 하나는 3D depth image로부터 만들어내는 CGH 방식이다. optical element를 이용하는 방식은 다음 Figure 4 와 같은 전통적인 방법과 Optical Scanning Holography 방법으로 나뉜다.

Figure 4 전통적인 Hologram 취득 방법 (KellyDamien)

Optical Element를 이용한 방법

  • 전통적인 Hologram 취득 방법

    홀로그램은 레이져 광원이 물체에 반사되어 나온 object wavefield 와 레이져 광원 자체 reference wavefield 를 서로 만나게 하여 생기는 간섭패턴을 의미한다.  그림 4를 보면, Laser 광원은 mirror들과 BS1을 통해 object에 부딪혀 object wavefield를 만든다. 그리고, Mirror A를 통해 입사되는 광원 자체 (reference wavefield)와 object wavefield가 beam splitter(BS)를 통해 CCD에 입사된다. CCD는 이 두 wavefield가 만나면서 발생되는 간섭패턴을 저장한다. (만약 CCD대신 아날로그 홀로그램 필름을 두면 필름에 홀로그램이 저장될 것이다.)

    일반적으로 빛의 파장은 매우 짧으므로 위의 취득 구조는 조금의 오차도 허용하지 않는다. 따라서 Laser광이 지나가는 경로에 약간의 진동만 있어도 홀로그램의 품질은 매우 저하된다는 단점이 있다. 또한 Laser 광을 정확히 측정하기 위해 암실에서 측정하는 것이 일반적이다.

  • Optical Scanning Holography

    전통적인 취득 방법은 reference wave를 물체에 쏘여주고 반사되어 나오는 object wave와 reference wave간에 발생하는 간섭을 저장하는 방식이었다. Optical Scanning Holography는 reference wave를 물체에 쏘여주는 것이 아니라는 것이 가장 큰 특징이다. wave를 물체에 쏘여주기 전에 미리 간섭패턴을 만들어서 그 간섭패턴을 물체에 쏘게된다 (그림 5 참고) BE2를 통해 나오는 평면파와 cosine함수로 modulation된 BE1을 통해 나오는 구면파가 간섭패턴을 만든다. 이 간섭패턴은 X-Y 스캐너에 의해 조금씩 움직이면서(?) Object를 주우욱 스캔하게 된다. 스캔을 하면서 각 포인트의 반사값은 photomultiplier로 측정되고 그것을 demodulation하여 complex(real and imaginary) hologram을 얻게 된다.

Figure 5 Optical Scanning Holography를 이용한 3DTV 시스템 (PoonTing-Chung)

  • 내가 전공자가 아니다보니 이해가 안가는 부분이 몇가지 있는데,
  1. AOM (cosine modulator부분) 의 time-index가 X-Y 스캔시 점점 변하게 될텐데.. 이것을 어떻게 이용? 처리? 하는 지에 대한 부분.
  2. 간섭패턴을 object에 쏴줄때, overlap 된 영역이 있는지? 없는지? 모르겠다. 없다면 resolution이 낮아질 것 같고, 있다면 overlap된 영역을 어떻게 처리하는지?

 

Computer Generated Hologram 을 이용한 방법

위에서 살펴본 optical element에 의한 hologram을 취득은 수학적으로 모델링 될 수 있다. 이런모델링에 의한 연산을 통해 hologram을 얻는 것을 Computer Generated Hologram(CGH) 이라고 한다. CGH를 구현하는 여러 방법이 있지만, 광원으로부터 object까지의 위상 정보로부터 hologram의 intensity를 구할 수 있다.

                           ( 2 )

위에서 얻어진 hologram intensity는 Fresnel Approximation에 의해 다음 식으로 근사화 될 수 있다.

                              ( 3 )

위 식을 보면 hologram의 intensity Iα 는 Aj (j번째 광원의 세기), xαj (=xα-xj, object의 x좌표-광원의 x좌표), yαj (=yα-yj, object의 y좌표-광원의 y좌표), zj (j번째 광원으로부터 object까지의 거리) 로부터 얻을 수 있다.

A, x, y 는 일반 카메라 이미지로부터도 구할 수 있지만, z 는 depth camera가 있어야만 구할 수 있다. 따라서 다양한 방식의 depth camera가 hologram 생성에 이용된다.

  • Stereo Vision

    카메라 두 대로 object를 촬영하고, 두 카메라의 disparity를 이용하여 depth 정보를 추출한다.

                                                         ( 4 )

    의 관계에 있으며, 여기서 z는 depth, F는 focal length, B는 baseline, d는 disparity를 나타낸다.

    하지만 Stereo Vision의 경우, 카메라의 간격(baseline)이 줄어들수록 uncertainty가 증가한다. 아래 Figure 7의 (a)와 같이 카메라가 멀리 떨어진 경우 stereo영상의 pixel로부터 추정된 object 위치 영역이 좁은 반면, (b), (c)로 갈수록 그 영역이 넓어진다. 이 방법은 실시간성과 품질과의 trade-off 가 있어서 상용화가 어렵다.

     

Figure 6 Stereo Vision에서의 Disparity (BebisGeorge)

 

Figure 7 Stereo Vision의 Uncertainty

  • Time of Flight (ToF) Imaging

    ToF 는 레이더와 같이 continuous wave를 송출하고 받아서 송출된 신호와 받은 신호간 phase 차이를 계산하여 depth를 측정한다. 본 방식의 장점은 occlusion에 강인하다는 것이다. 하지만, noise가 심하고 비용이 고가라는 단점이 있다.

    • 사실 정확한 원리는 잘 모른다. 추후에 ToF의 원리에 대해 좀 더 공부해서 정리할 기회가 있기를…
  • Structured Light

    특정 pattern을 object에 쏴주고 카메라로 capture하여 capture된 image의 pattern 모양을 보고 depth 정보를 추출한다. Figure 8의 예를 보면, 가로줄 무늬를 쏴주고 가까운 곳은 촘촘하게 먼 곳은 듬성듬성 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 Structured Light를 탑재한 대표적인 상용기기는 Microsoft의 Kinect이다. 이 방법은 실내환경에서만 사용가능하다는 단점이 있다. 본 기술은 surface normal image를 결합되어 보다 정확하게 depth map을 구할 수 있다.

Figure 8 Structured Light (DibbellJulian)

  1. 제가 전문가가 아니다보니, 틀린 점들이 '많을' 수 있다는 것은 함정임.

  2. 오현오 2012.12.30 10:57 신고

    대단하심. 근데, Optical scanning holography가 이전(전통적인...)보다 좋은 점이 뭔가요? 기본원리도 그런가부다 하지만, 여기서는 왜 modulation한 빛을 보내는지 좀 더 모르겠군요. ㅎ

    • 저도 잘 모르는데, 답을 하려니 민망하군요 ^^;

      optical scanning holography의 경우, 간섭패턴이 X-Y scanner 전단 - 즉, M1, M2, M3, BS1, BS2, BE1, BE2, Laser 를 통해 만들어지게 됩니다. 따라서 요 X-Y scanner 전단에서만 오차가 없으면 (진동등에 의한) 홀로그램 생성시 발생할 수 있는 오차를 없앨 수 있다고 합니다.

      또한 위에서 설명한 X-Y scanner 이전단에서 어쩌다가 오차가 발생하였더라도,
      X-Y scanner를 통해 한 포인트 한포인트 얻게 되는 홀로그램 중 한 포인트의 픽셀에만 오차가 발생되게 되므로

      결국 오차에 매우 강인하게 된다고 하네요.

      모듈레이션이 왜 필요한가? 및 모듈레이션을 어떻게 이용하는가? 에 대해서는 글에서 쓴 바와같이 저도 아직 이해를 못했고 궁금하네요. ^^;

  3. 조용준 2013.05.20 13:33 신고

    Structured light는 왜 실내에서만 쓸수있죠?

+ Recent posts