3 次元画像コンファレンス 2023 講演論文集, 発表番号 P-10 (2023.7.13, 京都)

ホログラフィック AR 効果のための高透過度高解像度 CGH の開発
Development of Very Transparent High-Definition CGH
for Holographic AR Effects
西 寛仁
Hirohito Nishi

内田大輝
Hiroki Uchida

松島恭治
Kyoji Matsushima

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科
Department of Electrical, Electronic and Information Engineering, Kansai University
ABSTRACT
High-definition computer-generated holograms (CGH) having high transparency are developed for a novel techniqueof visual effect, where the CGH is placed in front of physical objects and viewers look at the object through the CGH.
The CGH is just a transparent sheet unless it is illuminated. However, when the CGH is lit up, holographic 3D images
are emerged around the physical object and give some visual effects such as haloes, fogs, and SFX used in movies. We
call the visual effects holographic AR effects. Two key techniques necessary to realizing the holographic AR effect arepresented in this paper: fabrication of highly transparent CGH and occlusion processing between real objects andholographic images. A prototype display is fabricated to demonstrate the holographic AR effect.
Keywords:透明 CGH，サイネージ，アート1.

はじめにきるため，その社会実装が期待されている．

計 算 機 合 成 ホ ロ グ ラ ム (Computer-generated

本研究ではサイネージ等への FPHD-CGH の社会

hologram: CGH)は 50 年以上の研究の歴史があり，今実装を目的として，実物体と CGH による 3D 映像を日でも注目度の高い研究テーマである．長らく光学同時に鑑賞できる静止画ディスプレイの開発を行っホログラムに匹敵する CGH は開発されなかったが，た．本ディスプレイでは，実物体の前に透過度の高2009 年ごろから展示可能な全方向視差 CGH が作成

い FPHD-CGH を設置し，それを照明した際に実物体されるようになった[1]．これは，CGH の計算技術がの周辺に表示されるホログラフィックイメージによ飛躍的に進歩したことに加え，そのベースとなる技り，観察者に裸眼で見える AR 空間を体感させるこ術（計算機や描画装置の性能）が著しく向上したたとができる．本研究ではこれをホログラフィック ARめである．その結果，ポリゴン単位で物体光波を計効果と呼んでいる．本ディスプレイを実現するため算するポリゴン法を用いて，1000 億ピクセルを超えの課題の 1 つが CGH 越しに実物体を視認できる透る全方向視差の超高解像度 CGH(Full-parallax high-

過度の高い FPHD-CGH を作成することである．本研

definition CGH : FPHD-CGH)が作成されている[2]．現

究では原版 CGH をフォトポリマーに転写するコン

在では 30cm 角を超える巨大な FPHD-CGH も製作可

タクトコピーを活用し[4]，転写条件を最適化するこ能であり[3]，深い奥行き感と美しい 3D 像を再生でとで透過度の高い FPHD-CGH を作成した．また，実物体後方の空間に 3D 映像を再生した場合，実物体

西 寛仁<h_nishi@kansai-u.ac.jp>
関西大学システム理工学部電気電子情報工学科〒564-8680 大阪府吹田市山手町3-3-35
TEL 06-6368-0842

によって 3D 映像が隠されるオクルージョン処理を正しく行わなければ，観察者に違和感を与えてしまう．そこで，本研究では CGH の計算段階で実物体を

yPhotopolymer

CGH
Physical Object

Reconstructed lightyz
Observerzx

Holographicimages

Reconstructedimage
Original CGH

CGH
(a)

Reference light(b)

Fig.1 The concept of the holographic AR effects.

(a)Fig.2 The principle of the contact-copy.

(b)

(c)

Fig.3 Comparison of transparency between an amplitude CGH and CGVH. (a) A photograph of original
printed letters, and photographs of the same letters, but taken through (b) the original amplitude CGHand (c) the transferred CGVH.
考慮したオクルージョン処理を行い，実物体によりそこで本研究では，Fig.2 に示すように，振幅型 CGH遮蔽される光波を CGH の計算段階で除去した．この再生像をフォトポリマーに転写するコンタクトコ

れらの効果を確認するためにディスプレイを試作し，ピーを用いた[4]．この手法では，原版 CGH とフォ

実シーンに正しくホログラフィック AR 効果を付与

トポリマーを密着させ転写光でフォトポリマー越しできることを確認した．に原版 CGH を照明する．原版 CGH によって再生さ2.

ホログラフィック AR 効果ディスプレイ

2.1. 構成れた像が転写光を参照光として干渉を起こすことによ り フ ォ ト ポ リ マ ー に 位 相 型 CGVH(computer-本ディスプレイの構成を Fig.1 に示す．(a)の様にgenerated volume hologram)を記録することができる．

実物体正面に FPHD-CGH を設置し，観察者は FPHD-

本研究では，異なった複数の種類のフォトポリマ

CGH 越しに実物体を観察する．FPHD-CGH に再生ーで転写光強度と露光量を変化させ，再生像が明る照明光を当てると，(b)の様な 3D 映像が空間的に表く透過度が高い転写条件を調べた．その結果，フォ示され，ホログラフィック AR 効果を実物体に与えトポリマーに Covestro 社の Bayfol 🄬 HX-TP を使用ることができる．

し，Table 1 の条件で転写したときに透過度が高く再2.2. 高透過度高解像度 CGH の作成

生像が鮮明な CGVH となることを確認した．

本ディスプレイでは観察者が FPHD-CGH 越しにFig.3(b)と(c)の写真は原版の振幅型 CGH と転写

実物体を観察するため，透過度の高い FPHD-CGH がCGVH を透して，紙の上にプリントした文字を撮影求められる．しかし，従来の FPHD-CGH の多くは振したものである．なお，撮影は同一照明・同一条件

幅型ホログラムであり，Cr コート基板に塗布されたで行っている．(b)の原版 CGH の場合では，文字にレジストにレーザー直接描画装置でパターン描画・わずかなボケが生じ，明るさが低下しているが，(c)エッチングして作成された Cr 膜による干渉縞となの転写 CGVH では，CGH を透さない(a)と比較してっている．再生像は明るいものの，振幅型のため透も遜色ない程度に文字を確認できる．以後，本研究過度がかなり低い問題がある．CGH の透過度を高めではこの条件で AR 効果用の FPHD-CGH を作成しるためには位相型で CGH を作成する必要がある．ている ．

Table 1 Parameters used for the contact-copy.
4.08
Intensity [mW/cm2]
10.0
Exposure time [sec]Exposure [mJ/cm2]
40.8

Wallpaper

2.3. 実物体と 3D 映像のオクルージョン処理

1stpropagationObject plane
3D modelyHologramxz

2ndpropagation

オクルージョン処理は，3D 映像のみを表示する通常の CGH でも重要な処理である．これにより再生像の奥行き情報を正しく認識することができる．本

Silhouette-masked
wavefield of wallpaper

ディスプレイでも，実物体と 3D 映像の間に生じるオクルージョンを正しく処理する必要がある．
本研究では，CGH の計算時に，3D シーンに実物Fig.4 Occlusion processing between a physicalobject and reconstructed 3D images.

体と同じサイズの 3D モデルを設置し，その 3D モデ

原版 FPHD-CGH のパラーメータを示す．このディプルに対して通常のオクルージョン処理を行い，3D モ

レイでは，実物体のビーナス像の後方に CGH の再デルそのものの像は CGH では再生しないように処生像としてチェッカパターンを表示し，前方には理した．今回は，FPHD-CGH と実物体の位置調整を“Venus”の文字の 3D 映像を表示している．なお，簡単にするために 3D モデルに自己オクルージョン

この FPHD-CGH はポリゴン法で光波計算を行ってが無いモデルを使用している．そのため，ここではいる．
Fig.6 は CGH の照明が ON と OFF の時の写真であ物体単位のシルエット法を用いた[1]．
この手法では，まず Fig.4 の様に CGH で再生する

る．照明が OFF の時，原版 FPHD-CGH を転写した

3D シーン内に，本ディスプレイの実物体と同形同サCGVH 越しに実物体を鮮明に確認することができる．

イズの 3D モデルを同じ場所にセットする．次に，一方で，体積型のため CGVH 表面にブラッグ反射がCGH 光波の計算において 3D シーンの背景光波を生じ赤みを帯びた反射光が確認できる．しかし，照3D モデルの最大断面の位置である物体平面まで伝明を ON にすると再生光が明るくブラッグ反射は目搬し，この 3D モデルのシルエットマスクで遮蔽処立たなくなった．また，実物体のビーナス像を鮮明理を行う．その後，遮蔽された光波をホログラム面に視認でき，ホログラフィック 3D 映像も十分な輝まで伝搬しそれを CGH が再生する物体光波とする．

度で再生されていることが確認できる．視点を振っ

本手法では実物体とホログラムの間にある 3D モデた際も，実物体とチェッカーボード映像のオクルールのオクルージョン処理はできないが，後方であれジョン処理が正しく行われていることが確認できた．

ば自己オクルージョンが有る 3D モデルでも正しくなお，実物体前方に再生される文字の映像とビーナ処理できる．

ス像間のオクルージョン処理は行っていないが，文

本手法ではオクルージョン処理に使用した 3D モデルと形状及びサイズが同じ実物体を用意する必要

字の輝度が十分に高いため，違和感なく実物体と映像が融合して見えている．

がある．そこで，オクルージョン処理に使用した 3Dモデルを 3D プリンタでプリントしてそれを実物体とすることで両者の形状とサイズを揃えた．

4.

まとめ
本研究では，FPHD-CGH 技術の社会実装のための新たなアプリケーションとして，実物体の周辺にホホログラフィック AR 効果ディスプレイの試作

ログラフィック映像を再生することで，実シーンにホログラフィック AR 効果を確認するために試作ホログラフィック AR 効果を付与する新しいディスを行った．Fig.5 にその構成を示す．また，Table 2 にプレイを提案した．本ディスプレイに必要な高透過

3.

度高解像度な CGH としてコンタクトコピーで転写した CGVH を用い，その転写条件を最適化した．更に，実物体と 3D 映像間のオクルージョンを正しく参考文献[1] K. Matsushima and S. Nakahara, “Extremely highdefinition
full-parallax
computer-generated
hologram created by the polygon-based method,”
Appl. Opt. 48, H54-H63 (2009).
[2] K. Matsushima, Introduction to Computer
Holography, Sect. 1.3 (Springer, 2020).
[3] K. Matsushima, H. Nishi, R. Katsura, and C. -J. Lee,
“Computation techniques in tera-pixel-scale fullparallax computer holography for 3D display,” The12th Laser Display and Lighting Conf. 2023
(LDC2023), LDC10-02 (2023).
[4] O. Kunieda and K. Matsushima, “High-quality fullparallax full-color three-dimensional image
reconstructed by stacking large-scale computergenerated volume holograms,” Appl. Opt. 58, G104G111 (2019).

処理できる手順を考案した．実際に提案手法でディプレイを試作し，実シーンにホログラフィック AR効果が付与できることを確認した．
今回，転写光学系の制限で 5cm 角の CGVH しか作成できなかった．今後は 10cm を超えるサイズのFPHD-CGH を転写できるシステムを構築し，より巨大なディスプレイを構築したい．また，ディスプレイのフルカラー化も検討したい．

謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 22H03712 の助

Table 2 Parameters of the FPHD-CGH.
640
Design wavelength [nm]65,536 × 65,536
Number of pixels
0.8 × 0.8
Pixel pitches [m]

CGH

52mm

z52mm

y52mm

y

PhysicalObjectPhysicalobjectzxx
Holographicimages

Observer

200mm
CGH

52mm
(a)

48mm

成を受けたものである．

Holographic image(letters)
80mm

Holographic image(Checkerboard)

120mm(b)Fig.5 A prototype of the holographic AR effects display. (a) Setup and (b) arrangement.

Lighting off

Physical object

Bragg
reflection
Lighting on

Holographicimages

leftcenterrightFig.6 Photographs of the fabricated holographic AR effects display.