DE102006042324B4 - Method for generating computer-generated video holograms in real time by means of sub-holograms - Google Patents

Method for generating computer-generated video holograms in real time by means of sub-holograms Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Generieren computer-generierter Videohologramme in Echtzeit, wobei – aus Bilddaten mit Tiefeninformation Hologrammwerte zur Darstellung einer dreidimensionalen, durch Objektpunkte strukturierten Szene (S) auf einem Spatial-Light-Modulator (SLM) kodiert werden, – derart, dass jene Wellenfront, die ein Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere virtuelle Betrachterfenster (OW) rekonstruiert wird, wobei das Betrachterfenster (OW) in einer Referenzebene, die dem Betrachter zugeordnet ist, liegt, – und zur Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunktes (P) nur ein Teilhologramm (TH) als Teilmenge des SLM verwendet wird, – wobei für jeden Objektpunkt (P) die Beiträge der Teilhologramme (TH) an der gesamten Rekonstruktion der Szene (S) aus dessen Position durch seine lateralen x und y-Koordinaten sowie dessen Tiefen-Abstand und der aktuellen Betrachterposition aus Look-Up-Tables bestimmt werden.Method for generating computer-generated video holograms in real time, whereby - from image data with depth information, hologram values for the representation of a three-dimensional scene (S) structured by object points are coded on a spatial light modulator (SLM), - in such a way that those wavefronts which would emit an object, is reconstructed in one or more virtual observer windows (OW), the observer window (OW) lying in a reference plane that is assigned to the observer, and only a partial hologram (TH ) is used as a subset of the SLM, - where for each object point (P) the contributions of the partial holograms (TH) to the entire reconstruction of the scene (S) from its position through its lateral x and y coordinates and its depth distance and current viewer position can be determined from look-up tables.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren computer-generierter Videohologramme CGVH aus dreidimensionalen Bilddaten mit Tiefeninformation in Echtzeit. Im Bereich der Generierung holographischer Daten betrifft die Erfindung die Transformation von Teilbereichen der Szene, wobei durch die Transformation die Ausbreitung der Lichtwellen beschrieben wird. Bei der holographischen Darstellung der 3D-Objekte oder 3D-Szenen wird die Lichtwellenfront durch die Interferenz und Überlagerung kohärenter Lichtwellen generiert.The invention relates to a method for generating computer-generated video holograms CGVH from three-dimensional image data with depth information in real time. In the field of generating holographic data, the invention relates to the transformation of subregions of the scene, wherein the transformation describes the propagation of the light waves. In the holographic representation of 3D objects or 3D scenes, the light wavefront is generated by the interference and superposition of coherent light waves.

Im Gegensatz zu klassischen Hologrammen, die als Interferenzmuster photographisch oder auf andere Weise gespeichert sind, existieren CGVH als Ergebnis der Berechnung von Hologrammdaten aus Sequenzen einer dreidimensionalen Szene und ihrer Speicherung mit elektronischen Mitteln. Moduliertes interferenzfähiges Licht breitet sich im Raum vor den Augen eines Betrachters als eine durch die Amplituden- und oder Phasenwerte steuerbare Lichtwellenfront zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene aus. Dabei bewirkt das Ansteuern eines Spatial-Light-Modulators SLM mit den Hologrammwerten der Videohologramme, dass das vom Displayschirm ausgehende, in Pixeln modulierte Wellenfeld durch Interferenzen in den Raum die gewünschte dreidimensionale Szene rekonstruiert. Ein holografisches Display enthält typischerweise eine Anordnung steuerbarer Pixel, wobei die Pixel durch elektronisches Beeinflussen der Amplitude und/oder Phase von beleuchtendem Licht Objektpunkte rekonstruieren. Eine solche Anordnung ist eine Form eines Spatial Light Modulators SLM. Das Display kann auch kontinuierlich statt matrixförmig sein. Es kann beispielsweise ein kontinuierlicher SLM sein, einschließlich eines kontinuierlichen SLM mit Matrixsteuerung oder eines akusto-optischen Modulators AOM. Eine geeignete Anzeigeeinrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen durch räumliche Amplitudenmodulation eines Lichtmusters ist beispielsweise ein Flüssigkristalldisplay LCD. Die Erfindung kann jedoch ebenso auf andere steuerbare Einrichtungen angewendet werden, welche kohärentes Licht nutzen, um eine Lichtwellenfront zu modulieren.Unlike classical holograms, which are photographically or otherwise stored as interference patterns, CGVH exist as a result of the calculation of hologram data from sequences of a three-dimensional scene and their storage by electronic means. Modulated interference-capable light propagates in the space in front of the eyes of a viewer as a controllable by the amplitude and or phase values light wave front to reconstruct a three-dimensional scene. The activation of a spatial light modulator SLM with the hologram values of the video holograms causes the pixel-modulated wave field emanating from the display screen to reconstruct the desired three-dimensional scene by interfering with the space. A holographic display typically includes an array of controllable pixels, the pixels reconstructing object points by electronically influencing the amplitude and / or phase of illuminating light. Such an arrangement is a form of Spatial Light Modulator SLM. The display can also be continuous rather than matrix-shaped. For example, it may be a continuous SLM, including a continuous matrix-controlled SLM or acousto-optic modulator AOM. A suitable display device for the reconstruction of video holograms by spatial amplitude modulation of a light pattern is, for example, a liquid crystal display LCD. However, the invention may also be applied to other controllable devices that use coherent light to modulate a light wavefront.

In diesem Dokument bezeichnet der Begriff ,Pixel' ein steuerbares Hologrammpixel im SLM; ein Pixel wird durch einen diskreten Wert eines Hologrammpunkts einzeln adressiert und angesteuert. Jedes Pixel stellt einen Hologrammpunkt des Videohologramms dar. Bei einem LCD wird daher der Begriff ,Pixel' für die einzeln adressierbaren Bildpunkte des Bildschirms verwendet. Bei einem DLP wird der Begriff ,Pixel' für einen einzelnen Mikrospiegel oder eine kleine Gruppe von Mikrospiegeln verwendet. Bei einem kontinuierlichen SLM ist ein Pixel die Übergangsregion auf dem SLM, die einen komplexen Hologrammpunkt repräsentiert. Der Begriff ,Pixel' bezeichnet daher ganz allgemein die kleinste Einheit, die einen komplexen Hologrammpunkt repräsentieren, also anzeigen kann. Schließlich bezeichnet der Begriff holographische Kodierung oder kurz Kodierung die Generierung komplexer Hologrammpunkte aus Bilddaten mit Tiefeninformation.In this document, the term 'pixel' denotes a controllable hologram pixel in the SLM; a pixel is individually addressed and driven by a discrete value of a hologram point. Each pixel represents a hologram point of the video hologram. In an LCD, therefore, the term 'pixel' is used for the individually addressable pixels of the screen. In a DLP, the term 'pixel' is used for a single micromirror or a small group of micromirrors. In a continuous SLM, a pixel is the transition region on the SLM representing a complex hologram point. The term 'pixel' therefore generally refers to the smallest unit that can represent a complex hologram point, that is, to display. Finally, the term holographic coding or short coding designates the generation of complex hologram points from image data with depth information.

Technischer Hintergrund und Stand der TechnikTechnical background and state of the art

Die computer-generierten Videohologramme können beispielsweise mit einem Hologrammdisplay rekonstruiert werden, das der Anmelder bereits in der Druckschrift WO 2004/044659 A2 beschrieben hat. Dazu blickt der Betrachter durch mindestens ein entsprechendes virtuelles Betrachterfenster, das größer als eine Augenpupille ist, zum Displayschirm.The computer-generated video holograms can be reconstructed, for example, with a hologram display, which the applicant already in the document WO 2004/044659 A2 has described. For this purpose, the viewer looks through at least one corresponding virtual viewer window, which is larger than an eye pupil, to the display screen.

Andere Verfahren für computergenerierter Videohologramme CGVH aus dreidimensionalen Bilddaten mit Tiefeninformation werden dagegen in den Druckschriften Lucente, M: Computational holographic bandwidth compression. In: IBM Systems Journal, IBM Corp. Armonk, New York, US, Bd. 35, Nr. 3&4, 1996, S. 349–365. – ISSN: 0018-8670 und WO 02/39192 A1 beschrieben. Diese Druckschriften arbeiten jedoch nicht mit Betrachterfenstern, sondern machen eine Szene gleichzeitig an jedem Punkt in einer festen, räumlich ausgedehnten Viewing Zone sichtbar.Other methods for computer-generated video holograms CGVH from three-dimensional image data with depth information, however, in the publications Lucente, M: Computational holographic bandwidth compression. In: IBM Systems Journal, IBM Corp. Armonk, New York, US, Vol. 35, No. 3 & 4, 1996, pp. 349-365. - ISSN: 0018-8670 and WO 02/39192 A1 described. However, these pamphlets do not work with viewer windows, but instead make a scene visible at any point in a fixed, spatially extended viewing zone.

Ein ,Betrachterfenster' ist ein begrenzter virtueller Bereich, durch welchen der Betrachter die gesamte rekonstruierte 3D-Szene mit ausreichend großer Sichtbarkeit ansehen kann. Das Betrachterfenster befindet sich auf den oder nahe der Augen des Betrachters. Das Betrachterfenster kann in die Richtungen X, Y und Z bewegt werden. Innerhalb des Betrachterfensters überlagern sich die Wellenfelder so, dass das rekonstruierte Objekt für den Betrachter sichtbar wird. Die Fenster liegen in Augennähe des Betrachters, können mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt werden. Damit können sie vorteilhaft auf eine Größe, die wenig über der Pupillengröße liegt, begrenzt werden. Es ist möglich, zwei Betrachterfenster zu verwenden, nämlich eines für jedes Auge. Aufwändigere Anordnungen von Betrachterfenstern sind ebenfalls möglich. Es ist ferner möglich, Videohologramme zu kodieren, die Objekte oder ganze Szenen enthalten, die der Betrachter hinter dem SLM sieht.A 'viewer window' is a limited virtual space through which the viewer can view the entire reconstructed 3D scene with sufficient visibility. The viewer window is located on or near the eyes of the viewer. The viewer window can be moved in the directions X, Y and Z. Within the observer window, the wave fields overlap in such a way that the reconstructed object becomes visible to the viewer. The windows are close to the eye of the viewer, can be tracked with known position detection and tracking of the current viewer position. Thus, they can be advantageously limited to a size that is little greater than the pupil size. It is possible to use two viewer windows, one for each eye. More elaborate arrangements of observer windows are also possible. It is also possible to encode video holograms that contain objects or entire scenes that the viewer sees behind the SLM.

Der Begriff ,Transformation' ist so weit auszulegen, dass er jede mathematische oder rechnerische Technik einschließt, die einer Transformation gleichkommt oder diese annähert. Transformationen im mathematischen Sinne sind lediglich Annäherungen physikalischer Prozesse, die genauer durch die Maxwellschen Wellenausbreitungsgleichungen beschrieben werden. Transformationen wie etwa Fresneltransformationen oder die spezielle Gruppe von Transformationen, die als Fouriertransformationen bekannt sind, beschreiben Annäherungen zweiter Ordnung. Transformationen führen in der Regel auf algebraische und nicht differentielle Beschreibungen und können folglich rechentechnisch effizient und performant gehandhabt werden. Überdies können sie präzise in optischen Systeme eingesetzt werden.The term 'transformation' is to be construed as including any mathematical or computational technique that approximates or approximates a transformation. Transformations in the mathematical sense are merely Approximations of physical processes, which are described in more detail by Maxwell's wave propagation equations. Transformations such as Fresnel transforms or the special group of transforms known as Fourier transforms describe second order approximations. Transformations usually lead to algebraic and non-differential descriptions and can therefore be handled computationally efficiently and performant. Moreover, they can be used precisely in optical systems.

Die WO 2006/066906 A1 ( PCT/EP 2005/013836 ) des Anmelders beschreibt ein Verfahren zum Berechnen von computer-generierten Videohologrammen. Es ordnet Objekte mit komplexen Amplitudenwerten einer dreidimensionalen Szene in Rasterpunkten von parallelen, virtuellen Schnittebenen zu, um zu jeder Schnittebene einen separaten Objektdatensatz mit diskreten Amplitudenwerten in Rasterpunkten zu definieren und aus den Bilddatensätzen eine holographische Kodierung für einen Spatial-Light-Modulator eines Hologrammdisplays zu berechnen.The WO 2006/066906 A1 ( PCT / EP 2005/013836 Applicant describes a method of calculating computer-generated video holograms. It assigns objects with complex amplitude values of a three-dimensional scene in grid points of parallel, virtual cutting planes to define a separate object data set with discrete amplitude values in grid points for each cutting plane and to calculate from the image data sets a holographic coding for a spatial light modulator of a hologram display ,

Die Lösung der Aufgabe nutzt gemäß der Erfindung den Grundgedanken, computergestützt die folgenden Schritte durchzuführen:

  • • aus jedem Objektdatensatz jeder tomographischen Szeneschnittfläche wird ein Beugungsbild in Form einer separaten zweidimensionalen Verteilung von Wellenfeldern für eine Betrachterebene mit einem endlichen Abstand parallel zu den Schnittebenen berechnet, wobei die Wellenfelder aller Schnitte für mindestens ein gemeinsames virtuelles Fenster berechnet werden, das in der Betrachterebene nahe den Augen eines Betrachters liegt und dessen Fläche gegenüber dem Videohologramm reduziert ist,
  • • die berechneten Verteilungen aller Schnittebenen werden zur Beschreibung eines gemeinsamen Wellenfeldes für das Fenster in einem zur Betrachterebene referenzierten Datensatz addiert und
  • • der Referenzdatensatz wird zum Erzeugen eines Hologrammdatensatzes für ein gemeinsames Computer generiertes Hologramm der Szene in eine von der Referenzebene endlich entfernte, parallele Hologrammebene transformiert, wobei in der Hologrammebene der Spatial Light Modulator liegt, mit welcher nach entsprechender Kodierung die Szene in den Raum vor den Augen des Betrachters rekonstruiert.
The solution of the problem utilizes according to the invention the basic idea of carrying out the following steps computer-assisted:
  • From each object data set of each tomographic scene intersection, a diffraction image is calculated in the form of a separate two-dimensional distribution of wavefields for a viewer plane with a finite distance parallel to the intersecting planes, the wavefields of all intersections being calculated for at least one common virtual window close to the observer plane is the eyes of a viewer and whose surface is reduced compared to the video hologram,
  • • the calculated distributions of all cutting planes are added to describe a common wave field for the window in a dataset referenced to the observer plane, and
  • The reference data set is transformed into a hologram of the scene generated by the computer for generating a hologram data set in a parallel hologram plane finally removed from the reference plane, wherein the hologram plane contains the spatial light modulator with which, after appropriate encoding, the scene enters the space before the hologram Eyes of the viewer reconstructed.

Den genannten Verfahren und Displays liegt dabei der Gedanke zugrunde, vorrangig nicht das Objekt der Szene zu rekonstruieren, sondern jene Wellenfront, die das Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere virtuelle Betrachterfenster zu rekonstruieren.The above methods and displays are based on the idea not to primarily reconstruct the object of the scene, but to reconstruct that wavefront that would send out the object into one or more virtual observer windows.

Durch die virtuellen Betrachterfenster kann der Betrachter die Szene sehen. Die virtuellen Betrachterfenster überdecken die Pupillen des Betrachters und werden mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt. Zwischen dem Spatial Light Modulator des Hologrammdisplays und den Betrachterfenstern ist ein virtueller pyramidenstumpf-förmiger Betrachterbereich, das so genannte Frustum, aufgespannt, wobei der SLM die Grundfläche und das Betrachterfenster die Spitze bildet. Bei sehr kleinen Betrachterfenstern kann der Pyramidenstumpf als Pyramide angenähert werden. Der Betrachter sieht durch die virtuellen Betrachterfenster in Richtung des Displays und nimmt im Betrachterfenster die Wellenfront auf, welche die Szene repräsentiert.Through the virtual viewer window, the viewer can see the scene. The virtual observer windows cover the pupils of the observer and are tracked with known position detection and tracking devices of the current observer position. Between the Spatial Light modulator of the hologram display and the observer windows, a virtual truncated pyramid-shaped observer area, the so-called frustum, is spanned, the SLM forming the base area and the observer window forming the top. For very small observer windows, the truncated pyramid can be approximated as a pyramid. The viewer looks through the virtual viewer window in the direction of the display and takes in the viewer window on the wavefront, which represents the scene.

Aufgrund der Vielzahl der notwendigen Transformationen ist die holographische Kodierung mit hohem Rechenaufwand verbunden. Eine Kodierung in Echtzeit würde hoch performante und kostspielige Recheneinheiten erfordern.Due to the large number of necessary transformations, the holographic coding is associated with high computational complexity. Real-time coding would require high-performance and costly computing units.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches erlaubt, in Echtzeit Videohologramme aus dreidimensionalen Bilddaten mit Tiefeninformation zu generierten. Die Generierung soll von einfachen und kostengünstigen Rechenanlagen durchgeführt werden können.The object of the invention is to provide a method which allows real-time video holograms to be generated from three-dimensional image data with depth information. The generation should be able to be carried out by simple and inexpensive computer systems.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Generieren computer-generierter Videohologramme in Echtzeit. Aus Bilddaten mit Tiefeninformation werden Hologrammwerte zur Darstellung einer dreidimensionalen, durch Objektpunkte strukturierten Szene auf einem Spatial-Light-Modulator, SLM, kodiert.The object is achieved by the method according to claim 1. The method according to the invention serves to generate computer-generated video holograms in real time. From image data with depth information, hologram values for displaying a three-dimensional scene structured by object points are encoded on a spatial light modulator, SLM.

Analog zum genannten Stand der Technik liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren das Prinzip zugrunde, vorrangig nicht das Objekt der Szene zu rekonstruieren, sondern jene Wellenfront, die das Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere virtuelle Betrachterfenster zu rekonstruieren. Aus hinreichend kohärentem Licht wird von einem mit Hologrammwerten gesteuerten Spatial Light Modulator SLM ein moduliertes Wellenfeld erzeugt und durch Interferenzen im Raum eine gewünschte reale oder virtuelle dreidimensionale Szene rekonstruiert. Ausgehend vom SLM werden in pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsräumen virtuelle Betrachterfenster generiert. Die Fenster liegen in Augennähe des Betrachters und können mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt werden. Es ist ein Ausgangspunkt der Erfindung, dass jener Bereich, in dem ein Betrachter eine Szene sieht, durch einen pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsraum, das so genannte Frustum, gegeben ist, der sich vom SLM zum Betrachterfenster erstreckt. Der Pyramidenstumpf kann in einer Näherung durch eine Pyramide ersetzt werden, da das Betrachterfenster viel kleiner als der SLM ist.Analogously to the cited prior art, the method according to the invention is based on the principle of not primarily reconstructing the object of the scene, but of reconstructing that wavefront which would emit the object into one or more virtual observer windows. From sufficiently coherent light, a modulated wave field is generated by a hologram-controlled Spatial Light Modulator SLM and a desired real or virtual three-dimensional scene is reconstructed by interferences in space. Based on the SLM, virtual observer windows are generated in truncated pyramidal reconstruction spaces. The windows are close to the viewer's eye and can be tracked with known position detection and tracking the current viewer position. It One starting point of the invention is that the area in which a viewer sees a scene is given by a truncated pyramid-shaped reconstruction space, the so-called frustum, which extends from the SLM to the viewer window. The truncated pyramid can be replaced by a pyramid in an approximation because the observer window is much smaller than the SLM.

Im Weiteren liegt dem Verfahren das Prinzip zugrunde, dass die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunktes nur ein Teilhologramm als Teilmenge der SLM erfordert. Die Information zu jedem einzelnen Szenepunkt ist somit nicht auf dem gesamten Hologramm, sondern nur in beschränkten Bereichen, den so genannten Teilhologrammen, verteilt. Diesem Gedanken folgend wird ein einzelner Objektpunkt der Szene nur durch einen beschränkten Pixelbereich der SLM, den so genannten Teilhologrammen rekonstruiert. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass für jeden Objektpunkt die Beiträge der Teilhologramme an der gesamten Rekonstruktion der Szene aus Look-Up-Tables bestimmbar sind und diese Teilhologramme zu einem Gesamthologramm zur Rekonstruktion der gesamten Szene akkumuliert werden.Furthermore, the method is based on the principle that the reconstruction of a single object point requires only a partial hologram as a subset of the SLM. The information about each scene point is thus not distributed over the entire hologram, but only in limited areas, the so-called sub-holograms. Following this idea, a single object point of the scene is reconstructed only by a limited pixel area of the SLM, the so-called sub-holograms. The invention is based on the idea that for each object point the contributions of the sub-holograms to the entire reconstruction of the scene can be determined from look-up tables and these sub-holograms are accumulated to form a total hologram for the reconstruction of the entire scene.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist durch die Position jedes Betrachters und dessen Blickrichtung eine Ansicht der Szene festgelegt. Einem Betrachter ist jeweils mindestens ein in einer Betrachterebene nahe der Augen liegendes virtuelles Betrachterfenster zugeordnet. In einen vorbereiteten Verfahrensschritt erfolgt eine dreidimensionale Diskretisierung der Szene in sichtbare Objektpunkte. Gegebenenfalls werden diese Daten bereits von einer Schnittstelle übernommen. Die nachfolgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritte umfassen

  • – Schritt (1): Ermittlung der Lage des Teilhologramms je Objektpunkt. Aus der Position eines Objektpunktes, also den lateralen x, y-Koordinaten und dessen Tiefenabstand, werden die Position und die Ausdehnung des zugehörigen Teilhologramms abgeleitet.
  • – Schritt (2): Ermittlung der Beiträge des zugehörigen Teilhologramms aus Look-Up-Tables
  • – Schritt (3): Wiederholen der beiden Schritte für allen Objektpunkte, wobei die Teilhologramme zu einem Gesamthologramm zur Rekonstruktion der gesamten Szene akkumuliert werden.
In a particularly preferred embodiment of the method, a view of the scene is determined by the position of each observer and his viewing direction. Each observer is assigned at least one virtual observer window located near the eyes in a viewer plane. A three-dimensional discretization of the scene into visible object points takes place in a prepared method step. If necessary, these data are already taken over by an interface. The following process steps according to the invention comprise
  • Step (1): Determination of the position of the partial hologram per object point. From the position of an object point, ie the lateral x, y coordinates and their depth distance, the position and the extent of the associated sub-hologram are derived.
  • Step (2): determination of the contributions of the associated sub-hologram from look-up tables
  • Step (3): repeating the two steps for all object points, the partial holograms being accumulated into a total hologram for reconstructing the entire scene.

Die Größe und Lage eines einem Objektpunkt zugeordneten Teilhologramms ergibt sich ersichtlich in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit aufgrund des Strahlensatzes. Dabei wird das Betrachterfenster oder ein die Pupillen überdeckender Teilbereich durch den Objektpunkt auf die Hologrammebene, also den SLM abgebildet. Im Weiteren ergeben sich dadurch die Indices der Pixel des Teilhologramms, die zur Rekonstruktion dieses Szenepunktes erforderlich sind.The size and position of a partial hologram assigned to an object point is evident in a simplest possible solution due to the set of rays. In this case, the observer window or a partial area covering the pupils is imaged by the object point onto the hologram plane, ie the SLM. Furthermore, this results in the indices of the pixels of the sub-hologram, which are required for the reconstruction of this scene point.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden auf das Teil- oder Gesamthologramm noch zusätzliche Korrekturfunktionen angewendet, um beispielsweise lage- oder formbedingte Toleranzen der SLM zu kompensieren oder eine Verbesserung der Rekonstruktion zu erreichen. Beispielsweise werden Korrekturwerte zu den Datenwerten der Teilhologramme und/oder dem Gesamthologramm addiert. Überdies können, da ja jeder Objektpunkt aufgrund der aktuellen Lage des Betrachterfensters bestimmt ist, auch spezielle Look-Up-Tables für außergewöhnlichere Betrachterfenster generiert werden. Beispielsweise wenn der Betrachter von einer seitlichen Position sehr schräg auf das Display sieht.In a further aspect of the invention, additional correction functions are applied to the partial or total hologram in order, for example, to compensate for positional or shape-related tolerances of the SLM or to achieve an improvement in the reconstruction. For example, correction values are added to the data values of the partial holograms and / or the total hologram. Moreover, since each object point is determined by the current position of the observer window, special look-up tables can also be generated for more extraordinary observer windows. For example, if the viewer sees from a lateral position very obliquely on the display.

Das Prinzip der Look-Up-Tables kann mit Vorteil erweitert werden. Beispielsweise können Parameterdaten zur Farb- und Helligkeitsinformation in separaten Look-Up-Tables abgelegt werden. Zusätzlich können dabei Datenwerte der Teilhologramme und/oder das Gesamthologramm mit Helligkeits- und/oder Farbwerten aus Look-Up-Tables moduliert werden. Einer Farbdarstellung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass die Grundfarben aus jeweiligen Look-Up-Tables bestimmbar sind.The principle of look-up tables can be extended with advantage. For example, parameter data for color and brightness information can be stored in separate look-up tables. In addition, data values of the partial holograms and / or the entire hologram can be modulated with brightness and / or color values from look-up tables. A color representation is based on the idea that the primary colors can be determined from respective look-up tables.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Look-Up-Tables werden vorzugsweise gemäß WO 2006/066906 A1 ( PCT/EP 2005/013836 ) oder WO 2006/066919 A1 ( PCT/EP 2005/013879 ) generiert und in entsprechende Datenträger und Speichermodule abgelegt.The look-up tables on which the method according to the invention is based are preferably used in accordance with FIG WO 2006/066906 A1 ( PCT / EP 2005/013836 ) or WO 2006/066919 A1 ( PCT / EP 2005/013879 ) and stored in corresponding data carriers and memory modules.

Das Verfahren erlaubt die Generierung computer-generierter Videohologramme in Echtzeit, beispielsweise für ein holographisches Display gemäß WO 2004/044659 A2 oder WO 2006/027228 A1 . Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die aufwändige Generierung der komplexen Hologrammwerte gemäß WO 2006/066906 A1 ( PCT/EP 2005/013836 ) oder WO 2006/066919 A1 ( PCT/EP 2005/013879 ) enffällt, wo zahlreiche Transformationen des diskretisierten Objekts in das Betrachterfenster und eine abschließende Rücktransformation in den SLM entsprechend aufwändig erfolgen. Zusammenfassend werden bei einer handelsüblichen Auflösung des SLM, welche bereits eine qualitativ hochwertige Darstellung des Hologramms ermöglicht, die bisher sehr hohen und kostenintensiven Anforderungen an die Recheneinheit zur Generierung der holographischen Daten nachhaltig verringert. Der Berechnungsaufwand kann anhand der Look-Up-Tables um mehrere Zehnerpotenzen reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit die Ausführung auf gängigen PC-Systemen. Damit wird gewährleistet, dass für holographische Anwendungen die Generierung der Hologramme interaktiv und in Echtzeit erfolgt. Schließlich wird durch die zuverlässige Generierung der Hologramme in Echtzeit gewährleistet, dass die daraus resultierende unerwünschte Reaktionszeit beim Nachverfolgen der Betrachterpupillen bzw. Fenster vermindert werden kann. Da die Generierung der Hologramme für einen Betrachter auch mit einfachen Recheneinheiten definitiv in Echtzeit erfolgt, gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren, dass auch für mehrere beziehungsweise viele Betrachter zeit- oder raumsequentiell separierte Hologramme zur Ansicht dargeboten werden können. Da die Generierung der Hologramme wenig Rechenaufwand erfordert, ist beispielsweise denkbar, die Berechnung nicht von der zentralen Recheneinheit (CPU) eines Rechners auszuführen. In einer alternativen Lösung wird die Generierung der Hologramme auf den Komponenten der Graphikkarte erstellt, wobei vorzugsweise ein Graphics Central Processing Unit GPU und/oder speziell konfigurierte Recheneinheiten verwendet werden. Die Erfindung trägt nachhaltig zur allgemeinen Anwendung und Akzeptanz holographischer Displays bei und ist von hohem wirtschaftlichem Wert.The method allows the generation of computer-generated video holograms in real time, for example, for a holographic display according to WO 2004/044659 A2 or WO 2006/027228 A1 , The advantage of this method according to the invention is that the complex generation of the complex hologram values in accordance with WO 2006/066906 A1 ( PCT / EP 2005/013836 ) or WO 2006/066919 A1 ( PCT / EP 2005/013879 ), where numerous transformations of the discretized object into the viewer window and a final inverse transformation into the SLM take place correspondingly complex. In summary, at a commercially available resolution of the SLM, which already enables a high-quality representation of the hologram, the hitherto very high and cost-intensive requirements on the computing unit for generating the holographic data are permanently reduced. The calculation effort can be reduced by several orders of magnitude using the look-up tables. The inventive method thus allows the execution of common PC systems. This ensures that for holographic applications, hologram generation is interactive and real-time. Finally, the reliable generation of the holograms in real time ensures that the resulting undesirable reaction time when tracking the viewer's pupils or windows can be reduced. Since the generation of the holograms for a viewer is definitely done in real time even with simple arithmetic units, the method according to the invention ensures that holograms separated in time or space sequentially can also be displayed for several or many observers. Since the generation of the holograms requires little computational effort, it is conceivable, for example, not to carry out the calculation by the central processing unit (CPU) of a computer. In an alternative solution, the generation of the holograms is created on the components of the graphics card, wherein preferably a Graphics Central Processing Unit GPU and / or specially configured computing units are used. The invention contributes sustainably to the general application and acceptance of holographic displays and is of high economic value.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

1a veranschaulicht den Grundgedanken der Erfindung anhand eines einzelnen Betrachters. Durch die Position des Betrachters (O) und dessen Blickrichtung ist eine Ansicht einer Szene (S) festgelegt. Dem Betrachter ist mindestens ein in einer Referenzebene nahe der Augen liegendes virtuelles Betrachterfenster (OW) zugeordnet. Aus hinreichend kohärentem Licht wird von einem mit Hologrammwerten gesteuerten Spatial Light Modulator (SLM) ein moduliertes Wellenfeld erzeugt. 1a illustrates the basic idea of the invention on the basis of a single observer. By the position of the viewer (O) and its viewing direction, a view of a scene (S) is set. The viewer is assigned at least one virtual viewer window (OW) lying in a reference plane near the eyes. From sufficiently coherent light, a modulated wave field is generated by a hologram-controlled Spatial Light Modulator (SLM).

Dem Verfahren und den davon abgeleiteten Displays liegt dabei der Gedanke zugrunde, vorrangig nicht das Objekt der Szene zu rekonstruieren, sondern jene Wellenfront, die das Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere virtuelle Betrachterfenster (OW) zu rekonstruieren. Das Objekt ist in der Figur durch einen Objektpunkt (P) vereinzelt dargestellt. Durch die virtuellen Betrachterfenster (OW) kann der Betrachter (O) die Szene (S) sehen. Die virtuellen Betrachterfenster (OW) überdecken die Pupillen des Betrachters (O) und werden mit bekannten Positionserkennungs- und Nachführeinrichtungen der aktuellen Betrachterposition nachgeführt. Dabei bewirkt das Ansteuern des Spatial-Light-Modulators (SLM) mit den Hologrammwerten der Videohologramme, dass das vom Displayschirm ausgehende, in Pixeln modulierte Wellenfeld durch Interferenzen in den Raum die gewünschte dreidimensionale Szene rekonstruiert. Wie aus 1a ersichtlich wird gemäß dem zugrunde liegenden Prinzip ein einzelner Objektpunkt (P) der Szene (S) nur durch einen beschränkten Pixelbereich des Spatial Light Modulators (SLM), dem so genannten Teilhologramm (TH), rekonstruiert. Die Größe und Lage eines Teilhologramms (TH) ergibt sich wie aus 1a ersichtlich in einer einfachsten Lösungsmöglichkeit aufgrund des Strahlensatzes, wodurch sich im Weiteren die Indices der zur Rekonstruktion dieses Objektpunktes (P) erforderlichen Pixel ergeben. Aus der Position eines Objektpunktes (P), also den lateralen x, y-Koordinaten und dessen Tiefen- beziehungsweise z-Abstand, werden die Position und die Ausdehnung des Teilhologramms (TH) abgeleitet. Im Look-up-Table LUT werden nun die zur Rekonstruktion des Punktes (P) erforderlichen Hologrammwerte ausgelesen. Das Teilhologramm (TH) wird mit einem Helligkeits- und/oder Farbwert moduliert und in die Hologrammebene an der entsprechenden Position zum so genannten Gesamthologramm akkumuliert. Die Daten der genannten Look-Up-Tables werden vorab generiert. Vorzugsweise werden die Daten nach dem im Stand der Technik genannten Verfahren gemäß WO 2006/066906 A1 ( PCT/EP 2005/013836 ) erstellt und in entsprechende Datenträger und Speichermodule abgelegt. Anhand der Lage und Eigenschaften der Objektpunkt werden die zugehörigen Teilhologramme vorab berechnet und somit die Look-Up-Tables der Teilhologramme, der Farb- und Helligkeitswerte sowie der Korrekturparameter generiert.The method and the displays derived therefrom are based on the idea not to primarily reconstruct the object of the scene, but rather to reconstruct the wavefront that would emit the object into one or more virtual observer windows (OW). The object is shown isolated in the figure by an object point (P). Through the virtual viewer window (OW) the viewer (O) can see the scene (S). The virtual observer windows (OW) cover the pupils of the observer (O) and are tracked with known position recognition and tracking devices of the current observer position. The activation of the Spatial Light Modulator (SLM) with the hologram values of the video holograms causes the pixel-modulated wave field emanating from the display screen to reconstruct the desired three-dimensional scene by interfering with the space. How out 1a Obviously, according to the underlying principle, a single object point (P) of the scene (S) is reconstructed only by a limited pixel area of the spatial light modulator (SLM), the so-called partial hologram (TH). The size and position of a partial hologram (TH) is as if 1a evident in a simplest possible solution due to the set of rays, resulting in the following the indices of the reconstruction of this object point (P) required pixels. The position and the extent of the partial hologram (TH) are derived from the position of an object point (P), that is to say the lateral x, y coordinates and their depth or z distance. In the look-up table LUT, the hologram values required for the reconstruction of the point (P) are read out. The partial hologram (TH) is modulated with a brightness and / or color value and accumulated in the hologram plane at the corresponding position to the so-called total hologram. The data of the named look-up tables are generated in advance. Preferably, the data is determined according to the method mentioned in the prior art WO 2006/066906 A1 ( PCT / EP 2005/013836 ) and stored in corresponding data carriers and memory modules. On the basis of the position and properties of the object point, the associated partial holograms are calculated in advance and thus the look-up tables of the partial holograms, the color and brightness values and the correction parameters are generated.

1b veranschaulicht dieses Prinzip weiter und zeigt die Teilhologramme (TH1, TH2) die jeweils den Objektpunkten (P1, P2) zugeordnet sind. Aus 1b ist ersichtlich, dass diese Teilhologramme beschränkt sind und eine kleine und zusammenhängende Teilmenge des Gesamthologramms, also des gesamten Spatial-Light-Modulators (SLM), sind. Neben der, wie in der 1a ersichtlich, anhand des Strahlensatzes ermittelten Lage und Ausdehnung der Teilhologramme sind weiterführende funktionale Zusammenhänge denkbar. 1b illustrates this principle further and shows the partial holograms (TH1, TH2) which are respectively associated with the object points (P1, P2). Out 1b It can be seen that these sub-holograms are limited and are a small and contiguous subset of the total hologram, so the entire Spatial Light Modulator (SLM), are. In addition to, as in the 1a it can be seen that the location and extent of the partial holograms determined from the set of rays make further functional relationships conceivable.

Claims (10)

Verfahren zum Generieren computer-generierter Videohologramme in Echtzeit, wobei – aus Bilddaten mit Tiefeninformation Hologrammwerte zur Darstellung einer dreidimensionalen, durch Objektpunkte strukturierten Szene (S) auf einem Spatial-Light-Modulator (SLM) kodiert werden, – derart, dass jene Wellenfront, die ein Objekt aussenden würde, in ein oder mehrere virtuelle Betrachterfenster (OW) rekonstruiert wird, wobei das Betrachterfenster (OW) in einer Referenzebene, die dem Betrachter zugeordnet ist, liegt, – und zur Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunktes (P) nur ein Teilhologramm (TH) als Teilmenge des SLM verwendet wird, – wobei für jeden Objektpunkt (P) die Beiträge der Teilhologramme (TH) an der gesamten Rekonstruktion der Szene (S) aus dessen Position durch seine lateralen x und y-Koordinaten sowie dessen Tiefen-Abstand und der aktuellen Betrachterposition aus Look-Up-Tables bestimmt werden.Method for generating computer-generated video holograms in real time, wherein - from image data with depth information, hologram values for representing a three-dimensional scene structured by object points (S) are encoded on a spatial light modulator (SLM), such that those wavefront, the an object would be transmitted, reconstructed into one or more virtual viewer windows (OW), the observer window (OW) being located in a reference plane associated with the viewer, - and only a partial hologram (TH) for reconstructing a single object point (P) ) is used as a subset of the SLM, - wherein for each object point (P) the contributions of the sub-holograms (TH) to the entire Reconstruction of the scene (S) whose position is determined by its lateral x and y coordinates as well as its depth distance and the current observer position from look-up tables. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Position eines Betrachters (O) und dessen Blickrichtung eine Ansicht der Szene (S) festgelegt ist, und dem Betrachter (O) mindestens ein in einer Betrachterebene (OP) nahe der Augen liegendes virtuelles Betrachterfenster (OW) zugeordnet ist, und nach einer dreidimensionalen Diskretisierung der Szene (S) in sichtbare Objektpunkte (P) das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Ermittlung der Lage des Teilhologramms (TH) für einen Objektpunkt (P); b) Ermittlung der Beiträge des zum Objektpunkt (P) gehörigen Teilhologramms (TH) aus den Look-Up-Tables; c) Wiederholen der Schritte a) und b) für alle Objektpunkte, wobei die zugehörigen Teilhologramme (TH) zu einem Gesamthologramm zur Rekonstruktion der gesamten Szene (S) akkumuliert werden.Method according to claim 1, wherein a view of the scene (S) is defined by the position of a viewer (O) and its viewing direction, and at least one virtual viewer window (OW) located in a viewer plane (OP) near the eyesight (O). and after a three-dimensional discretization of the scene (S) into visible object points (P), the method comprises the following steps: a) determination of the position of the partial hologram (TH) for an object point (P); b) determination of the contributions of the partial hologram (TH) belonging to the object point (P) from the look-up tables; c) repeating steps a) and b) for all object points, wherein the associated sub-holograms (TH) are accumulated into a total hologram for reconstruction of the entire scene (S). Verfahren nach Anspruch 2, wobei Datenwerte der Teilhologramme, welche aus Look-Up-Tables ermittelt werden, und/oder das Gesamthologramm mit Helligkeits- und/oder Farbwerten moduliert werden.The method of claim 2, wherein data values of the partial holograms, which are determined from look-up tables, and / or the entire hologram are modulated with brightness and / or color values. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zu den Datenwerten der Teilhologramme und/oder dem Gesamthologramm Korrekturwerte addiert werden.Method according to Claim 2, wherein correction values are added to the data values of the sub-holograms and / or to the overall hologram. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lage des Teilhologramms eines Objektpunktes aufgrund der Lage des Objektpunktes und dem Betrachterfenster ermittelt wird.Method according to claim 1, wherein the position of the partial hologram of an object point is determined on the basis of the position of the object point and the observer window. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Betrachterfenster durch den Objektpunkt auf dem SLM mittels des Strahlensatzes abgebildet wird, und sich die Größe und Lage des dem Objektpunkt zugeordneten Teilhologramms aufgrund des Strahlensatzes ergibt.Method according to claim 5, wherein the observer window is imaged by the object point on the SLM by means of the beam set, and the size and position of the sub-hologram associated with the object point result from the beam set. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Indizes der Pixel des SLM, welche das Teilhologramm eines Objektpunkts referenzieren, aufgrund der Lage des Objektpunktes und des Betrachterfensters ermittelt werden.Method according to claim 1, wherein the indices of the pixels of the SLM which refer to the partial hologram of an object point are determined on the basis of the position of the object point and the observer window. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Indizes der Pixel anhand des Strahlensatzes ermittelt werden und der Strahlensatz das Betrachterfenster durch den Objektpunkt auf dem SLM abbildet.The method of claim 7, wherein the indices of the pixels are determined from the set of rays and the set of rays images the viewer window through the object point on the SLM. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, wobei zur Farbdarstellung die Grundfarben aus jeweiligen Look-Up-Tables bestimmbar sind.Method according to one or more of the preceding claims, wherein for color representation, the primary colors can be determined from respective look-up tables. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche für ein holographisches Display.Method according to one or more of the preceding claims for a holographic display.
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