ホログラフィビームスプリッタレーザ光ミラーレーザ光記録物体ミラー再生像写真乾版ホログラム物体光物体光参照光ミラー再生光ミラーホログラムへの記録ホログラムの再生光の干渉を利用光の回折を利用 2

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ためひとうみのなか
5 years ago
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1 電子ホログラフィ技術を用いた立体映像システムに関する研究開発下馬場朋禄千葉大学大学院工学研究科 1

2 ホログラフィビームスプリッタレーザ光ミラーレーザ光記録物体ミラー再生像写真乾版ホログラム物体光物体光参照光ミラー再生光ミラーホログラムへの記録ホログラムの再生光の干渉を利用光の回折を利用 2

3 電子ホログラフィコンピュータ CGHを表示 LCD Controller LCD 再生像再生光 CGH計算空間に3次元像を確認できる電子ホログラフィの問題点 1 再生像のサイズと視域 2 ホログラムの計算量 3 カラー化 3

4 CGHの計算方法 CGH 光の伝搬計算 3次元物体面 z 点光源モデルポリゴンモデル CGH CGH Diffraction 4

5 再生像のサイズと視域 1つの点光源を記録したCGH 再生された点光源この点光源は観察者から見ることができない再生された点光源 LCD LCD 回折角θ 観察者の目 (a) (ｂ) (c) 5

6 本研究の実施内容複数枚のホログラム表示素子を用いた光学系の開発ホログラムを高速生成できるアルゴリズム波面記録法の開発波面記録法のGPUへの実装カラー再生手法の開発副次的な産物波動光学計算ライブラリ CWOライブラリ任意曲面フレネル回折計算 6

7 システム全体の概略図リアルタイム生成された 3000万画素ホログラムデータ 3原色光源制御用 PC レンズ群 LCD LCD LCD カラー三次元再生像ギガビット LAN LCD 観察者像サイズ 50mm 25mm 50mm LCD LCD 5ノードGPUクラスタ 2GPUボード/ノード 3000万画素ホログラム 200万画素高精細LCDを 15枚使用 7

8 複数枚のホログラム表示素子を用いた光学系ディスプレイを並べるとディスプレイ間に隙間ギャップが生じるギャップによって再生像が途切れてしまう LCD ギャップを解消する光学系の作成 8

9 複数枚のホログラム表示素子を用いた光学系視域角 [deg] 視域幅 [cm] 遮光板 LCD1枚理論値本光学システム理論値本光学システム計測値観察位置 9

10 開発した光学系 10

11 11

12 点光源モデル 3次元物体 N点 N I ( x h, y h )= x j, y j, z j j 2π A j cos( Rh j ) λ 2 H 計算量 O(N N ) 12 Rh j I ( xh, y h) CGH NH NH

13 ホログラムを高速生成できるアルゴリズム波面記録法の開発 3次元物体 N点 Wavefront recording plane 第1ステップ直接計算 uw xw, yw N u w x w, y w = j Aj 2 exp i Rw j Rw j 第2ステップ FFTを用いた回折計算 CGH NH NH CGH計算 13

14 波面記録法 CPU 2009年 Emerald 407点 Teapot 48277点 Sofa 52380点 CGHサイズ参照光波長 633nm 波面記録面とCGHのサンプリング間隔 8.5μm 3次元物体~波面記録面の距離 z1 5mm 波面記録面~CGHの距離 z2 300mm 14

波面記録法 CPU 2009年 Emerald 407点 Teapot 48277点従来手法

GeForceGTX260 2,216ms 17ms 7,631ms 1,380ms

15 波面記録法 CPU 2009年 Emerald 407点 Teapot 48277点従来手法直接計算 CPU Emerald 407点 13,941ms Teapot 48,277点 2,791,068ms Sofa 52,380点 3,025,730ms 6.3倍 366倍 302倍 Sofa 52380点本手法 CPU 従来手法直接計算 GPU GeForceGTX260 2,216ms 17ms 7,631ms 1,380ms 10,024ms 1,497ms CPU Intel Core2 Quad Q6600 上の計算は1CPUスレッドで行ったもの計測した 15

16 GPUコンピューティング Host Computer PCI Express GPU GPUをコプロセッサとして使用 GPUの選択肢は2つ NVIDIA社開発環境はCUDA OpenCL OpenACCなど AMD社開発環境はCAL Brook+ OpenCLなど tesla_c2075/index.ht ml 16

17 GPU上でのCGHの直接計算 2010年画素CGHを直接計算した場合にNVIDIA GPUとAMD GPUの比較 2010年 NVIDIA GPU : GeForce GTX260 (192 cores) AMD GPU : RADEON HD5850 GPU (1440 cores) 17

18 波面記録法のGPUへの実装 2012年 Object points (Global memory) Object points (Global memory) Read from global memory GT GT GT Read from global memory GT Write to global memory WRP (Global memory) Block GT GT GT GT GT GT GT GT GT Write to global memory WRP (Global memory) (a) (b) NVIDIA GeForce GTX580に実装 GT GPUスレッド 18

19 再生像 Dinosaur about 10,000 points Earth about 30,000 points 90 fps Merry-go-round about 100,000 points 23 fps CGH size : 1920 x 1080 Reference light : LED GPU : NVIDIA GeForce GTX580 19

20 カラー化 3枚方式 LCDパネルビームスプリッタレンズ光源 (赤) コリメートレンズ光源 (緑) 再生像光源 (青) ３枚のLCDパネルビームスプリッタが２枚必要 20

21 カラー化時分割方式 LCDパネルレンズフルカラーＬＥＤコリメートレンズビデオケーブル同期制御装置 (PICマイコン) 再生像ホストPC USB 目の残像効果を利用１光源１LCDのみでカラー電子ホログラフィ再生が可能 21

22 カラー再生像 22

23 CWOライブラリ(Computational Wave Optics library) 波動光学を簡易に取り扱えるライブラリの開発 GPUの知識のないユーザーでも GPUの計算パワーを享受できる C++言語とPythonに対応提供する主な機能 2次元回折計算 8種類 3次元回折計算 CGH計算 C++ と Python CPUもしくはNVIDIA GPU (CUDA 4.0) Microsoft Windows XP以上で動作準オープンソース下記URLからダウンロード可能 23

24 提供機能光伝搬計算スカラー回折計算ベクトル回折計算ホログラム計算位相回復アルゴリズム位相アンラッピング他ライブラリ OpenCVやKinect とのインターフェース CWO++ C++ライブラリ CWOpy Python用ライブラリ CWOライブラリ群高レベル Windows:dll Linux:.a(static library) libcwo CPU用 libgwo GPU用 CPU GPU 低レベルライブラリ群 C言語で記述ハードウェア 24

$Diffraction$

25 フレネル回折計算の例 Original image 回折パターン Diffraction Arbitrary distance 25

26 C++版 CPU CWO c; c.load( lena.bmp ); c.diffract(0.2,cwo_fresnel_conv); c.intensity(); c.scale(255); c.save( lena_diffract.bmp ); Python版 CPU import CWO as c c.load( lena.bmp ) c.diffract(0.2,cwo_fresnel_conv) c.intensity() c.scale(255) c.save( lena_diffract.bmp ) C++版 GPU CWO c; GWO g; c.load( lena.bmp ); g.send(c); g.diffract(0.2,cwo_fresnel_conv); g.intensity(); g.scale(255); g.recv(c); c.save( lena_diffract.bmp ); Python版 GPU import CWO as c import GWO as g c.load( lena.bmp ) g.send(c) g.diffract(0.2,cwo_fresnel_conv) g.intensity() g.scale(255) g.recv(c) c.save( lena_diffract.bmp ) 26

27 任意曲面フレネル回折 CGH Incident wave 3D object surface Diffraction z Normal Fresnel diffraction Planar surface Polygon approach CGH Planar surface Diffraction Diffraction 27

28 任意曲面フレネル回折不等間隔高速フーリエ変換(NUFFT) 入射光任意曲面 28

29 再生像 Diffraction Diffraction CGH CGH 29

30 まとめ複数枚のホログラム表示素子を用いた光学系の開発 2400万画素ホログラムを表示可能視域は約14 ホログラムを高速生成できるアルゴリズム波面記録法の開発波面記録法のGPUへの実装 10万点程度の複雑な3次元物体から2400万画素CGHを20fps以上で生成可能カラー再生手法の開発時分割法によるカラー再生副次的な産物波動光学計算ライブラリ CWOライブラリ任意曲面フレネル回折計算 30

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