（様式第 20）成果報告書

共同利用 成果報告書 平成 25 年度 学術利用

TSUBAME2.0 利用による大規模なホログラム計算
Large-sized hologram calculation by using TSUBAME2.0
涌波 光喜
Koki WAKUNAMI(独)情報通信研究機構
National Institute of Information and Communications Technology
http://www.nict .go.jp/

邦文抄録（300 字程度）
次世代の立体映像表示技術として期待される電子ホログラフィの実現には、光変調素子の高密度・大画面化、再生光学系の簡素化などと並び、表示するホログラムの計算アルゴリズムの検討が必要である。
特にホログラム計算時に必要となる光波面の伝搬シミュレーションは、その空間サンプリングが波長オーダーになることから計算量が多く、膨大なメモリを必要とする。本研究では TSUBAME2.0 の CPU 並列利用、数十から数百 GB の潤沢なメモリ環境を利用することで、720 フレームを超える動画再生用のホログラムを数時間で計算し、NICT が所有する対角 4cm、視域角 15 度、1 フレームで約 3,300 万画素を表示可
能な再生光学系でのフルカラー光学再生を実現する。
英文抄録（100 words 程度）
In the research field of electronic-holography system, even the current progress in the field ofhigh-speed computing, the calculation of hologram data to be displayed requires us huge calculation
cost/time for the simulation of light-wave propagation with gigantic memory capacity. In this project,
we achieve that the calculation of hundreds of hologram data flames for dynamic reconstruction byusing parallel CPUs and abundance of memory capacity provided by TSUBAME2.0. The full-color
hologram reconstruction with 4inch diagonal display size and about 15degree of horizontal viewing
angle is performed by the electronic-holography system developed by NICT.

Keywords: Holography, Computer-generated hologram, Electronic-holography system

背景と目的することで、700 フレームを超えるホログラムデー次世代の立体映像表示技術として期待される電子タ(総画素数約 237 億)を短時間で計算する。計算しホログラフィの実現には、ホログラムを表示するたたホログラムデータを NICT が所有する電子ホログめの光変調素子の高密度化・大画面化、1μm 以下のラフィ装置を用いて再生することで、コンピュータ画素構造の実現、再生光学系の簡素化といったハーグラフィックス(以下 CG)技術を用いて作製されたドウェアに関する課題と並び、ホログラム計算の効3D シーンのフルカラー動画再生を実現することを率化や膨大なホログラムデータの処理などソフトウ目的とする。

ェアに関する課題も多い。特に写実的で複雑な 3Dシーンの像再生を図る場合、計算量の多さから静止ホログラムデータの計算方法画で報告されることが多く、数百フレームからなる一般的なホログラム計算法では再生対象となる動画再生をフルカラーで計算された例は少ない。

3D 物体を点光源/ポリゴン光源群で構成し、各光源

本プロジェクトでは、報告者らが提案する光線サからホログラム面(ディスプレイ)までの光波伝搬をンプリング面(以下 RS 面)を用いたホログラム計算逐次計算することでホログラムデータのエンコード法[1,2]を TSUBAME2.0 上で実装し、当計算機が提供に必要な複素振幅分布を得る。伝搬計算には高速フする CPU/GPU 並列計算処理環境とメモリ資源を利用ーリエ変換(FFT)を使ったフレネル回折計算や角ス（様式第 20）成果報告書
ペクトル法を用いることが多いが、光源からディス計算環境と計算時間プレイまでの距離に依存する伝達関数を異なる奥行

本プロジェクトでは RS 面、ホログラム面ともに空きに配された光源毎に求める必要があるため、対象

間 サ ン プ リ ン グ 数 を 7,680 × 4,320 と し た が 、となる 3D 物体が奥行方向に幅を持ち、作りこまれたTSUBAME2.0 では 1 ノード当たり 50GB を超えるメモ

複雑な形状であるほど計算量が増加する。また、光リを利用できるため、両面の複素振幅分布、伝搬計

沢や質感といった CG 技術で用いられる写実的な表算に必要な配列全てを一度に確保できる。そのため現を点光源/ポリゴン光源群に付与することが難し分割計算を必要とせず、ホログラムデータ 1 フレー

い。一方、報告者らは対象物体の高密度な光線情報

ムあたりの計算コストはフレネル変換に必要な畳みを 2 次元平面状の波面(複素振幅分布)に変換する技込み定理のための FFT3 回が主で、その他に RS 面上術を提案している。光線情報は CG 分野で使われる一で光線情報を波面に変換する処理、ホログラムエン般的なレンダリングソフトウェアで取得可能であり、コード処理が含まれる。よって 1 フレーム当たりの光沢や質感、陰影といった写実的な表現を直接再生計算量は約 3O(NlogN)、ここで N は FFT 計算時の 1像に付与することができる。光線から波面への変換辺の画素数 16,384 である。FFT は FFTW ライブラリは物体近傍に設けた RS 面上で行われる[図 1]。RSを用いた。1 データ当たりの計算時間は約 5 分程度

面からホログラム面までの波面伝搬は 2 次元平面間であった。静止画用コンテンツは R、G、B 各波長用であるため FFT を利用した一度のフレネル回折計算に合計 3 枚のホログラムデータを計算した。一方、を行えばよいため、伝搬計算にかかるコストも物体

動画用コンテンツは地球を周回するテキストが 4 秒の複雑さに依存しない。本報告では、図 2 に示すよかけて 1 周する。よって 60fps で 4 秒分、RGB 各色うな静止画用コンテンツと動画用コンテンツを CG分で合計 720 枚、総画素数は約 237 億画素分のデーソフトで作成し、そこから各コンテンツの光線情報タを計算した。この際、30 プロセスの並列計算によを高密度にレンダリングし、RS 面に基づくホログラり約 2 時間で計算が完了した(1CPU 時で約 60 時間)。

ム計算法によって再生に用いるホログラムデータを計算した。

再生光学系について

FFT
Reference beampij of R

W:wavefront
R:ray information

Pij of W

計算したホログラムデータの光学再生は NICT が開発した電子ホログラフィシステム上で行った[3]。
図 3 にシステムの概要を示す。ディスプレイは解像

zRcellRS plane

2-D Fresnel
diffraction

それぞれ R, G, B に対応しており、フルカラー再生
CGH plane

図１．RS 面を用いたホログラム計算モデル
コンテンツ正面図

度 7,680×4,320 の 8K デバイスを 3 枚用いており、データ枚数が可能である。ディスプレイサイズは約 37mm×21mm(対角約 4cm)、水平視野角は光軸を 3 方向に分岐させることで通常の 3 倍にあたる約 15 度に拡大されている。

静止画用コンテンツ
3 枚(RGB 用)

V=1/60sec
Videorecorder
Cross
prism2

V/2V/3V-pulse
Timing
Gen.
PBS
prism

LC shutter2

720 枚

4f optical system

Achromatic lens

0/±1th order
illumination light

MirrorCross
prism1R C L

LC shutter1

4 秒×60fps×
3(RGB 用)
図２．作製したコンテンツの概要

Holographic
image

LCR

8Kx4K
LCD
(RGB Holo)

動画用コンテンツ

Achromatic lensMirrorGratingLens

B-laser
Ｂ

Lens Collimator

G-laser
ＧLens Collimator

R-laserＲ

Achromatic lensHigh-order diffraction beams

MirrorCollimator

図３．電子ホログラフィシステムの光学系

（様式第 20）成果報告書
computer generated hologram using ray-sampling

結果および考察plane,” Optics Express, Vol.19, No.10, (2011)

図 4 に静止画用コンテンツと動画用コンテンツの[2]中のフレーム番号 20、150 の再生結果を示す。

K.Wakunami,“Occlusion

H.Yamashita,cullingfor

M.Yamaguchi,

computergenerated

hologram based on ray-wavefront conversion,”
Optics Express, Vol.19, No.21, (2013)[3]

T.Senoh,T.Mishina,K.Yamamoto,R.OiandT.Kurita, “Viewing-Zone-Angle-Expanded Color
ElectronicHolography

SystemUsing

UltraHigh-Definition Liquied Crystal Displays WithUndesirable Light Elimination,” J. of DisplayTechnology, Vol.7, No.7, (2011)

図４．光学再生の結果
上段：静止画用コンテンツ
下段：動画用コンテンツ(右：フレーム#20, 左：#150)

静止画用コンテンツ、動画用コンテンツ共に CGで作製した複雑な 3D データを忠実に再現出来ていることがわかる。今回作製したコンテンツは、NICTが一般に技術公開を行うオープンハウスでも公開された。

まとめ、今後の課題
TSUBAME2.0 が提供する CPU 並列処理環境を利用することで、電子ホログラフィシステムに表示する動画用コンテンツの計算時間を大幅に削減することが出来た。今回報告した計算事例以外にも、以下のホログラム計算事例において TSUBAME2.0 の利用による高速計算を行った。
・14 億画素のホログラムデータ計算
S ノード(1 ノード 12 プロセス)60 並列利用で、1CPU利用時と比較して 500 倍程度の高速化を達成
・6 億画素のホログラムデータ計算
S96 ノード(1 ノード 1 プロセス)9 並列利用で、1CPU利用時と比較して約 10 倍の高速化を達成

今後は GPU 利用に適したホログラム計算アルゴリ
ズムの検討を行い、より計算時間の短縮を図る。

参考文献
[1]

K.Wakunami,

M.Yamaguchi,“Calculationfor