3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 2-2 (2021.7.1, オンライン)

構造化照明マッピングを用いた
全方向視差高解像度 CGH のアニメーション
Animation of Full-Parallax High-Definition CGH
by Mapping of Structured Illumination
松島恭治 小中崇史 森川凌
Kyoji Matsushima Takashi Konaka Ryo Morikawa
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
ABSTRACT
A technique is proposed to vary the reconstructed image in full-parallax large-scale computer holography, where
animation is very difficult because of the gigantic pixel number of the fringe pattern. In this technique, illumination lightthat has a periodic pattern is projected onto the printed fringe of the computer-generated hologram (CGH), in which
multiple fringes of the reconstructed frames are spatially integrated into the single fringe pattern. The change ofreconstructed image is realized by change of the structured light, illuminating the corresponding fringe area. Animatedreconstruction of a full-parallax high-definition CGH is demonstrated to verify the proposed technique.
Keywords: full-parallax CGH, animation, structured illumination1.

はじめに1,000 億画素以上のデジタル画像となっており，単体のコンピュータホログラフィのアルゴリズムと計算機ハー電子デバイスはもちろん，時空間的に多重化したホログ

ドウェアの発達により，数 100～1000 億画素の全方向視ラフィックディスプレイによってもその電子的再生は困難

差高解像度 CGH (Full-parallax high-definition CGH,Fringe pattern

以下 FPHD-CGH)を計算・作製できるようになった．このような FPHD-CGH は，その再生像に一切の知覚矛盾が生じないため，正にそこに物があるように見えるホログラ
フィの良さを実現する究極の 3D 映像技術となっている

Frame 1

[1]．現在のところ，「Toy Train」と名付けられた FPHD-

Frame 2

Frame 3
Spatialsplitting

Frame 4

CGH が最大であり，そのサイズは 18cm×18cm，水平垂直視域角は 45 度となっている．この FPHD-CGH では，奥行き 40cm 以上の物体空間が自然な運動視差と輻輳，焦点調節を伴って再生されるため，驚くほど深い奥行き感を感じる 3D 映像が得られる．
しかしながら，このような FPHD-CGH の干渉縞は松島恭治<matsu@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 06-6368-0933

Structuredillumination(frame 1)
High-definition CGH

Fig. 1 The principle of animated high-definition
CGHs by mapping of structured illumination

3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 2-2 (2021.7.1, オンライン)
・・・・・・

128

34
12・・・・・・・・・・・・・・・・・あり，周期的な縞や格子などの構造を有するパターン
光で物体を照明することにより，3 次元計測や超解像が実現されている．これは，近年急速に研究が進むシング・・・・・

3412Frame 1

ばれ，主として撮像や計測のために用いられる技術で・・・・・・

ルピクセルイメージングでも用いられる技術である．本

Frame 2

研究では，この構造化照明を計測に用いるのではなく，128・・・・・・
34
12・・・・・・・・・・・・・・・・・
Frame 3

FPHD-CGH の再生に用いる．

・・・・・・

提案手法の原理を Fig.1 に示す．まず，再生したい映像の物体モデルを複数用意し，その物体光波を合成し複数の干渉縞パターンを数値的に発生する．これらの・・・・・

34
12干渉縞パターンを適当な周期的あるいは非周期的なパFrame 4ターンで空間分割する．分割した干渉縞を一つに統合

Fig. 2 The pattern of a structured illumination.

することにより，1 枚の干渉縞とし，それを描画する．例である．そのため，再生像を全く変化できない静止画像

えば，Fig.1 では周期的な縦縞パターンで 4 つのモデルとなってしまうことが，このような高解像度コンピュータホの干渉縞を分割・統合している．

ログラフィ技術を社会実装する上で問題となっている．

ホログラムは干渉縞の断片からでも再生できるため，FPHD-CGH の再生像を変化させるためには，機械的にフレーム 1 の再生時にはフレーム 1 の干渉縞にのみ構CGH を交換する方法や，フィルム素材に転写してキネ造化照明光を照射することにより，フレーム 1 の再生像マトグラフ的に再生する手法等が考えられるが，いずれを得ることができる．照明光パターンを切り替える事によも大型で複雑な装置構成となることが問題となる．

り，連続的に複数のフレームを再生することや，あるい

そこで本論文では，構造化照明光を FPHD-CGH の干渉縞にマッピングする手法を用いたアニメーション技

は会話的にフレームを切り替えて再生することができる．

3.

原理確認のために，約 10cm 角の単色再生 FPHD-術を提案する

2.

アニメーション用 FPHD-CGH の作製

構造化照明光マッピングによる再生像アニメー

CGH を作製した．構造化照明パターンとしては，Fig.1ションの原理に示した縦縞状のパターンと Fig.2 に示した格子状のパ構造化照明は，符号化照明，パターン照明等とも呼ターンを試みた．しかし，実際に再生実験を行ったとこ

y94104
Frame 1(Base model)

Frame 2zx104

9090100

Units: mm

Frame 3Fig. 3 The 3D scene of the test FPHD-CGH.

Frame 4

3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 2-2 (2021.7.1, オンライン)
・ Frame 1・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・て 4 つのフレームを再生することにより，羽根を回転してFrame 2・・・・・・・・・・・・・・・・見せることを意図している．
3.2 干渉縞パターンの計算と統合
Fig.3 の 3D モデル群の物体光波をポリゴン法によっ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

Frame 3・・・・・て個別に計算し[2]，スイッチバック法によってオクルー・ジョン処理(隠面消去)している[3]．これらの物体光波を参照光波と数値的に干渉することにより，4 つのフレー・・・・・・・・・・・・・・ムのそれぞれについて干渉縞パターンを求めた．作製・・・

干渉縞パターンは，Fig.2 の構造化照明パターンに合わせて分割し統合する必要がある．この構造化照明パ・・・・・

Integrated fringepattern

した CGH のパラメータを Table 1 に示す．

ターンは，4 個の矩形を 1 ユニットとした周期構造となっFrame 4ており，4 個のうち一つの矩形領域のみが照明される．

Fig. 4 Integration of fringe pattern of four frames.

例えば，フレーム 1 では，図中で「1」とマークされた黄色

Area of
CGH fringe

部分のみが照明される．従って，Fig.4 に示すように．
Table 2 Specification of the projector used forstructured illumination.
Product name(a)Area ofCGH fringe

Smart Beam Laser

Display resolution

1280 × 720

Projection method

Laser-driven LCOSLight source

Laser diode

Projection distance [m]0.6 – 3

Screen size [in]20 – 200Brightness [lm]100

Table 1 Parameters of the test CGH.
(b)

Fig. 5 Correction and position adjustment ofprojection light.
ろ，Fig.1 の縦縞状パターンで連続的に再生すると，再生像が水平方向に流れて見える現象が発生したため，

No. of pixels (W×H)

131,072 × 131,072

Pixel pitches [µm]0.8 × 0.8

Size (W×H) [cm]10.4 × 10.4

Design wavelength [nm]Center of spherical reference
field (x, y, z) [mm]630(0, −100, 600)

以下では，Fig.2 の格子状パターンの結果を示す．

フレーム 1 の干渉縞では，4 個の矩形領域うちの左下の3.1 物体モデル

みの干渉縞を最終的な干渉縞に反映させる．本研究で本研究で作成したアニメーション CGH の 3D モデル

は，1 フレームの干渉縞がそれぞれ 131,072 × 131,072を Fig.3 に示す．ここでは，連続的に 4 フレームを再生の画素を有し，照明パターンは 128×128 の矩形で構成することを想定して，わずかに異なった 4 つのモデルをされているため，一つの矩形内の干渉縞は 1024×1024用意した．Fig.3 の Frame 1 に示すように，基本モデルは画素を有している．このようにして分割した 128×128 の

高さ約 10cm の風車であり，それをホログラムから 10cm矩形領域のうち 4 分の 1 のみを最終的な干渉縞に残す．

離して配置している．Frame 2～3 は，この基本モデルかこれを 4 つのフレームで行い，一つの干渉縞パターンにら風車の羽根を回転させたモデルとなっており，連続し統合した．

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Mobileprojector

CGH

Fig. 7 Photographs of structured illumination.
数が大きく減少し，構造化照明パターンにボケが生じている．この照明光をテスト CGH に投影して得られた光学

Fig. 6 Setup for optical reconstruction.

4.

構造化照明の発生と CGH の光学再生
市販のモバイルプロジェクターを用いて構造化照明光を発生した．用いたプロジェクターの仕様を Table 2 に示す．このプロジェクターは LD 光源を内蔵し，比較的短い焦点距離で像を投影できる．このプロジェクターをノート PC に接続し，PC 画面にパターン表示してそれを投影した．

再生像を Fig.8 に示す．この写真ではわかりにくいが，ビデオでは風車が回転している様子が見てとれる．しかし，照明光のボケに起因するフレーム間のクロストークがあることがわかる．

5.

まとめ
従来困難であった，全方向視差高解像度 CGH において再生像を変化する手法を提案した．現在のところ，
照明パターンの実効ピクセル数の不足によるクロストークがあるため，今後は投射光学系の改良と干渉縞への本研究では，構造化照明を正確に CGH 干渉縞にマッピングすることが極めて重要である．しかし，投影像の歪をプロジェクターと CGH のアライメント調整だけで除去することは困難であるため，パターン発生に Unity をガードギャップの導入等を試みる必要がある．

謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 18H03349 の助成を受けたものである．

用い，Unity のユーザーインターフェースによって会話的に投影パターンを調整する機構を実装した．構造化
照明の歪補正・位置合わせの例を Fig.5 に示す．

参考文献
[1] K. Matsushima, Introduction
Holography, (Springer, 2020).

toComputer

ターを投射可能距離の下限である 60 cm だけ CGH 面[2] K. Matsushima, “Computer-generated holograms forthree-dimensional surface objects with shade andtexture,” Appl. Opt. 44, 4607-4614 (2005).

から離し，構造化照明を投射した．構造化照明の写真[3] K.

光学再生実験では，Fig.6 に示すようにこのプロジェクを Fig.7 に示す．拡大写真からわかるとおり，投射距離60 cm であっても 20 インチの画像サイズがあるため，10.4 cm 角の CGH 上では，投影像の実効的なピクセル

Frame 1

Frame 2

Matsushima, M. Nakamura, S. Nakahara,“Silhouette method for hidden surface removal incomputer holography and its acceleration using theswitch-back technique,” Opt. Express 22, 2445024465 (2014).

Frame 3Fig. 8 Photographs of optical reconstruction of the animated FPHD-CGH.

Frame 4