KR20200116714A - 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치 및 화질 측정 방법 - Google Patents

홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치 및 화질 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 측정 패턴을 생성하는 단계와, 측정 패턴의 테두리에 2차원 또는 3차원적으로 구성된 계조 막대를 포함시켜 공통 패턴을 생성하는 단계와, 공통 패턴에 제1 위상을 삽입하는 단계와, 및 제1 위상이 삽입된 공통 패턴을 이용하여 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 방법을 제공함으로써, 홀로그래픽 디스플레이에 의해 재현되는 3차원 홀로그램 영상을 더 선명하고 명확하게 표현할 수 있다.

Description

홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치 및 화질 측정 방법{APPARATUS FOR EVALUATING QUALITY OF HOLOGRAPHIC DISPLAY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 홀로그래픽 디스플레이에서 재현되는 홀로그램에 대한 화질 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
홀로그래피(holography) 기술은 3차원 객체를 공간상에 재현하여 관찰자에게 자연스러운 입체감의 3차원 영상을 제공함으로써, 종래 기술에 따른 스테레오 방식에 의해 발생하는 초점-수렴 불일치 등의 영상 표현상의 한계를 해소할 수 있는 궁극적인 3차원 영상 재현 기술이다.
특히, 홀로그래피 기술 중에서도 디지털 홀로그래피 기술은 광전자기기(photo-electronic device)와 컴퓨터를 이용하여 3차원 객체와 실사 영상에 대한 입체정보(예를 들면, 진폭 및 위상)를 광학적 회절(diffraction)과 간섭(interference) 원리에 입각하여 광학적 디스플레이 방법에 의해 공간상에 마치 실재하는 것처럼 입체 영상을 재현할 수 있는 기술이다.
3차원 객체를 광학적으로 복원하는 홀로그래픽 디스플레이(holographic display)는 일반적으로 레이저와 같은 가간섭성(coherent) 빛을 공간적으로 변조시키는 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM), 렌즈, 필터 등과 같은 다양한 광학적 기능을 제공하는 광학 시스템으로 구성된다.
이때 홀로그램 복원 영상의 시야각(viewing angle)과 깊이감(depth) 재현 성능은 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel pitch)에 절대적인 영향을 받는다. 또한 홀로그램 복원 영상의 크기는 SLM 해상도와 크기에 직접적인 관련을 갖는다. 또한, 홀로그래피 복원 영상의 밝기와 색역(gamut), 선명도 및 스페클(speckle) 등은 주로 레이저 또는 LED(light emitting diode)와 같은 가간섭성(coherent) 또는 부분 가간섭성(partial coherent) 발광 장치의 성능에 영향을 받는다.
최근의 디지털 홀로그래픽 디스플레이는 핵심소자인 공간 광 변조기의 성능 한계로 인하여 매우 제한된 시야각을 갖고 있다. 만약 일반적인 TV나 디스플레이가 제공하는 60ㅀ 이상의 시야각을 얻기 위해서는 홀로그래픽 디스플레이의 공간 광 변조기의 픽셀 피치는 약 0.35ㅅm 정도로 매우 작아야 한다.
그러나, 최근 빔 프로젝터 기술 등에 이용되고 있는 공간 광 변조기는 약 8ㅅm의 수평 픽셀 피치 또는 수직 픽셀 피치를 가지며, 홀로그래픽 디스플레이로 활용될 경우 약 2ㅀ정도의 매우 좁은 시야각을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 홀로그래픽 디스플레이의 성능의 한계를 극복하고 궁극적으로는 화질을 향상시킬 수 있는 화질 평가 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 방법은 측정 패턴을 생성하는 단계; 상기 측정 패턴의 테두리에 2차원 또는 3차원적으로 구성된 계조 막대를 포함시켜 공통 패턴을 생성하는 단계; 상기 공통 패턴에 제1 위상을 삽입하는 단계; 및 상기 제1 위상이 삽입된 공통 패턴을 이용하여 상기 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 계조 막대는 적색, 녹색, 청색 및 백색 계조 막대를 포함할 수 있다.
상기 계조 막대의 최대 세기값인 full-white의 백색을 정규화 최대 기준으로 설정하는 단계, 그리고 부동 소수형 실수로 표현된 상기 공통 패턴의 복소 광 필드의 지폭 크기 또는 위상 크기를 정수값으로 양자화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양자화하는 단계는 상기 진폭 크기 또는 상기 위상 크기를 0부터 255 범위의 정수값으로 양자화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공통 패턴에 대하여 CGH 홀로그램 패턴을 n번 생성하는 단계, 그리고 상기 n개의 CGH 홀로그램 패턴 중에서 원본인 상기 공통 패턴과의 오차가 최소인 하나의 CGH 홀로그램 패턴을 이용하여 상기 화질을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 위상은 랜덤 위상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 측정 패턴을 생성하고, 상기 측정 패턴의 테두리에 2차원 또는 3차원적으로 구성된 계조 막대를 포함시켜 공통 패턴을 생성하는 측정 패턴 생성부; 상기 공통 패턴에 제1 위상을 삽입하는 랜덤 위상 삽입부; 상기 제1 위상이 삽입된 공통 패턴을 이용하여 CGH를 생성하는 CGH 생성부; 및 상기 CGH에 대한 화질을 측정하는 패턴 균일성 검증부를 포함할 수 있다.
상기 계조 막대는 적색, 녹색, 청색 및 백색 계조 막대를 포함할 수 있다.
상기 패턴 균일성 검증부는 상기 계조 막대의 최대 세기값인 full-white의 백색을 정규화 최대 기준으로 설정하고, 부동 소수형 실수로 표현된 상기 공통 패턴의 복소 광 필드의 지폭 크기 또는 위상 크기를 정수값으로 양자화할 수 있다.
상기 패턴 균일성 검증부는 상기 진폭 크기 또는 상기 위상 크기를 0부터 255 범위의 정수값으로 양자화할 수 있다.
상기 CGH 생성부는 상기 공통 패턴에 대하여 CGH 홀로그램 패턴을 n번 생성하고, 상기 n개의 CGH 홀로그램 패턴 중에서 원본인 상기 공통 패턴과의 오차가 최소인 하나의 CGH 홀로그램 패턴을 이용하여 상기 화질을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이에 의해 재현되는 3차원 홀로그램 영상을 더 선명하고 명확하게 표현할 수 있다.
또한, 홀로그래픽 디스플레이에 의해 재현되는 홀로그램의 화질 측정을 위한 측정 패턴의 균일성을 확보하여, 이에 따라 홀로그램 영상에 대한 객관적이고 정확한 측정을 수행할 수 있다.
또한, CGH 기법으로 생성되는 홀로그램 패턴을 공간 광 변조기에 업로드 할 수 있는 디지털 이미지 파일 포맷 형태로 변환하고 저장할 때 발생할 수 있는 정규화(normalization) 과정상의 오류와, 홀로그램 데이터에 랜덤 위상을 추가하는 경우 발생할 수 있는 패턴의 균일성(uniformity) 저하를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 및 화질 평가 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 측정 패턴 생성부를 도시한 블록 구성도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 측정 패턴의 구성을 도시한다.
도 4 는 도 3의 측정 패턴의 계조 막대의 3차원 깊이에 따른 구성을 도시한다.
도 5는 도 3의 측정 패턴의 계조 막대의 3차원 깊이에 따른 구성을 도시한다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 성능을 측정하고 화질을 평가하기 위한 테스트 패턴들의 예시를 도시한다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴에 대하여 랜덤 위상을 삽입하는 과정 및 균일성 검증을 위한 반복적 수행 과정을 나타낸 블록도이다.
도 8은 도 7의 측정 패턴을 도시한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
홀로그래픽 디스플레이에 의해 재현되는 홀로그램 복원 영상의 크기와 밝기, 컬러, 선명도, 시야각, 재현 깊이와 같은 홀로그래픽 디스플레이의 다양한 성능 요소들을 측정 평가하기 위해서, 해당되는 성능 요소에 특화된 적절하고 효과적인 테스트 패턴(test pattern)을 사용해야 한다.
특히, 2차원 디스플레이 또는 양안식 스테레오(stereo) 디스플레이, 다시점(multipoint) 디스플레이와 같은 종래기술에 따른 디스플레이와는 그 원리와 개념에서 전혀 다르며, 파동 광학(wave-optics)적 현상인 회절과 간섭 원리에 입각하여 3차원 객체를 공간상에 재현하는 홀로그래픽 디스플레이는 3차원의 영상의 형태를 가지는 홀로그램 영상 데이터를 테스트 패턴으로 이용한다.
홀로그래픽 디스플레이의 성능 측정 테스트 패턴은 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram, CGH) 방식으로 제작된다.
홀로그램을 재현하기 위한 참조파의 복소 진폭(complex amplitude)(R(u,v))는 하기의 수학식 1을 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00001
홀로그램을 재현하기 위한 물체파의 복소 진폭(O(u,v))은 하기의 수학식 2를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00002
상기한 수학식 1 및 수학식 2에서,
Figure pat00003
는 물체의 공간좌표(x,y,z)에서 물체파의 크기이며,
Figure pat00004
는 물체파와 참조파의 초기 위상차이며, N은 물체의 반사광원 개수이고, k는 파수(wave number, 2π/λ), λ는 광원의 파장(wave length)를 나타낸다.
상기한 수학식 1 및 수학식 2에서, r은 물체의 반사광원(x,y,z)과 홀로그램 평면의 한 좌표(u,v) 사이의 거리이다. r은
Figure pat00005
로 정의할 수 있다.
Figure pat00006
은 참조파의 크기이고,
Figure pat00007
은 참조파가 입사되는 각이다.
참조파와 물체파의 간섭(interference) 현상에 의해 생성되는 복소 홀로그램은 하기의 수학식 3을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
재현된 복소 홀로그램의 세기 강도는 하기의 수학식 4를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00009
상기한 수학식 4에서, 우변의 첫 번째 항은 물체파의 크기, 두 번째 항은 참조파의 크기를 각각 나타낸다. 세 번째와 네 번째 항은 두 파의 간섭(interference) 현상의 결과를 포함한다.
홀로그램, 즉, 물체파와 참조파의 간섭 현상의 결과인 프린지(fringe) 패턴은 하기의 수학식 5를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00010
상기한 수학식 5에 나타난 바와 같이, 홀로그램 I h (u, v)는 진폭(amplitude) 또는 위상(phase) 성분 중 하나를 선택하여 진폭 변조용 SLM에 사용되는 진폭 홀로그램 또는 위상 변조 전용 SLM에 사용되는 위상 홀로그램으로 계산된다.
상기한 수학식 5에서, 진폭 값 또는 위상 값은 I h (u, v)에서와 같이 모두 부동 소수형(floating point number type)의 실수(real) 값을 갖지만, 진폭 혹은 위상 변조 방식의 SLM에 업로드 되기 위해서는 bmp, jpg, tif 또는 png 등과 같은 디지털 이미지 파일 포맷 형태로 변환되어 저장되어야 한다. 이러한 디지털 이미지 파일의 데이터는 음이 아닌 정수(integer) 값으로서 R, G, B 채널당 8비트의 bit-length로 정의되어 0 ~ 255 범위에서 하나의 값을 갖는 정수로 표현된다.
즉, 상기한 바와 같이 실수의 데이터를 정수의 데이터로 변환하기 위해서는 양자화(quantization)와 정규화(normalization) 과정을 거쳐야 한다.
이때 기존의 디스플레이에서 사용되는 이미지 데이터와는 다르게, 홀로그래픽 디스플레이가 공간상에 재현하는 빛의 세기를 정규화하는 과정에서, 정량적인 진폭 크기를 결정하기 위해서는 RGB = (255, 255, 255)에 해당하는 백색(white)에 해당하는 기준값을 설정해주어야만, 개별적인 파일 형태로 데이터 저장 시 상대적인 빛의 세기 값을 정확히 계산해낼 수 있다.
또한, 종래 기술에 따른 공간 광 변조기의 시야각이 성능 한계로 인하여 매우 좁다는 단점을 보완하기 위하여, 홀로그램 생성시 랜덤 위상(random phase)을 홀로그램에 추가한다. 랜덤 위상의 삽입은 홀로그램 복원 영상의 모든 픽셀에서 빛을 난반사시키는 효과를 발생시키며, 이에 따라 사용자는 홀로그램 복원 영상을 좀 더 용이하게 관찰할 수 있다.
다만, 추가된 랜덤 위상으로 인해 측정 패턴의 세기의 균일성(uniformity)에 영향을 미치게 되며, 이는 홀로그래픽 디스플레이의 정확한 성능 측정을 저해하게 된다.
특히, 공간주파수 변화량에 따른 MTF(modulation transfer function) 측정, 복수의 컬러 패턴들을 이용한 색차(color difference) 기반 컬러 재현 충실도(color fidelity) 평가 등과 같이 여러 개의 측정 패턴들을 함께 이용하여 홀로그래픽 디스플레이의 특성 요소를 비교 측정 평가하는 경우에는 랜덤 위상에 따른 편차로 인하여 엄밀한 상대적 비교 평가에 어려움이 생긴다.
홀로그래픽 디스플레이의 효과적인 성능 측정과 화질 평가를 위해서는 상기와 같은 측정용 홀로그램 패턴 생성시 발생하는 정규화 과정에서의 오류와 랜덤 위상 추가로 인해 발생하는 측정 균일성 문제를 해결하기 위하여 보다 정확하고 체계적인 방식에 의한 홀로그래픽 디스플레이의 성능 측정용 홀로그램 패턴 생성 및 제작 과정에서 종래 기술보다 진보된 자동화된 수단과 기법이 필요하다.
이하, 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 홀로그래픽 디스플레이의 성능 측정에 필요한 테스트 홀로그램 패턴에 필수적인 특성 요소를 반영시킴으로써 홀로그래픽 디스플레이 측정 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 및 화질 평가 장치를 도시한 블록 구성도이다.
종래 기술에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 성능 측정 및 화질 평가를 위한 방법은 2차원 영상 또는 3차원 입체영상을 재현하는 홀로그램 형태의 측정 패턴을 공간상에 광학적으로 재현한 후, 단순히 육안으로 관찰하거나 또는 측정기기 등을 이용하여 그 광학적 특성을 측정하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같이 광학적 특성을 측정하는 경우, 측정 패턴의 홀로그램을 생성하고 난 후의 디지털 이미지 파일의 데이터로 저장할 때, 복소 광 필드의 세기와 위상 정보를 음이 아닌 정수값으로 변환할 때 정량화 오류가 발생한다. 또한, 홀로그램 생성시 삽입되는 랜덤 위상으로 인한 균일성 저하 문제가 발생한다. 이로 인하여, 정확하고 효과적인 측정 평가에 필요한 홀로그램 패턴을 제작하는 것이 어렵다.
홀로그래픽 디스플레이 측정 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시기 위하여, 홀로그래픽 디스플레이 측정 패턴을 자동으로 생성하고, 이를 측정에 반영할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 시스템(100)은 디지털 홀로그래픽 디스플레이(110), 측정 패턴 생성부(121), 광 측정기기(122)를 포함한다.
디지털 홀로그래픽 디스플레이(110)는 광을 방출하는 광원부(111), 광을 변조하는 공간 광 변조기(112) 및 변조된 광을 디스플레이하는 디스플레이 광학시스템(113)으로 구성된다.
측정 패턴 생성부(121) 및 광 측정기기(122)는 디지털 홀로그래픽 디스플레이의 성능 측정과 화질 평가에 필수적인 측정용 패턴을 생성하고, 이러한 측정 패턴으로부터 홀로그램 복원된 영상 패턴을 CCD 센서, 광학 카메라, 색측기(colorimeter) 등의 다양한 광 측정기기(Light Measurement Device; LMD)을 이용하여 측정 패턴의 홀로그램 복원 영상(123)에 대한 광학적 특성을 측정하기 위한 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 성능을 측정 평가한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 측정 패턴 생성부를 도시한 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 측정 패턴 생성부는 필수 공통 패턴 생성부(21), 테스트 패턴 생성부(22), 측정 패턴 합성부(23), 측정 패턴 CGH 생성부(24)를 이용하여 측정 패턴(홀로그램)(25)을 생성한다.
필수 공통 패턴 생성부(21)는 필수 공통 패턴을 생성한다. 필수 공통 패턴 생성부(21)는 홀로그램으로 변환 시 정규화(normalization)의 오류 발생을 방지하기 위한 목적으로 홀로그래피에 특화되어 홀로그래픽 디스플레이 측정에 필수적이며 또한 다양한 성능 항목의 측정 평가에 공통적으로 사용될 수 있는 측정 패턴을 생성한다.
테스트 패턴 생성부(22)는 테스트 패턴을 생성한다. 테스트 패턴 생성부(22)는 홀로그래피를 포함한 디스플레이의 다양한 성능 측정 평가에 이용되는 테스트 패턴을 생성하며, 이에 대한 설명은 후술한다.
측정 패턴 합성부(23)는 상기한 필수 공통 패턴과 테스트 패턴을 2차원 또는 3차원 공간에서 신호처리적으로 결합한다.
측정 패턴 CGH 생성부(24)는 합성된 측정 패턴을 3차원 공간상에서 광학적으로 재현시킬 수 있도록 측정 패턴을 컴퓨터 생성(Computer-Generated Hologram; CGH) 방법을 통하여 최종적으로 홀로그램 측정 패턴으로 변환한다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 측정 패턴의 구성을 도시하며, 도 4 는 도 3의 측정 패턴의 계조 막대의 3차원 깊이에 따른 구성을 도시하고, 도 5는 도 3의 측정 패턴의 계조 막대의 3차원 깊이에 따른 구성을 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 필수 공통 패턴 생성부는 2차원 공간 이미지 형태의 측정 패턴 중 그 테두리에 위치하는 정보를 생성한다.
필수 공통 패턴 생성부는 측정 패턴의 테두리의 네 부분을 각각 백색(White)의 그레이스케일(grayscale), 빨간색(Red) 그레이스케일, 초록색(Green) 그레이스케일 및 파란색(Blue) 그레이스케일의 계조 막대 형태로 구성한다.
이러한 RGBW(Red, Green, Blue, White) 각각의 계조 단계 N는 적용 분야에 따라 8, 16, 32, 64, 128, 256 중 하나로 선택된다. 즉, 최종적인 디스플레이 측정 패턴의 테두리 부분은 RGBW 계조 막대들의 홀로그램 패턴으로 구성되며, 이때 홀로그램은 특정한 재현거리 상에서 광학적으로 복원되는 단일 깊이 평면만을 가질 수도 있으며, 측정 목적에 따라서는 3차원 공간상에서 일정 복원 거리 내에서 유효한 홀로그램 패턴으로 생성될 수 있다.
예를 들어, 후술하겠으나, 홀로그래픽 디스플레이의 선예도(sharpness) 또는 콘트라스트(contrast)와 같은 해상능력(resolving power)를 측정 평가하기 위해서 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 도 6의 (b)의 MTF(Modulation Transfer Function) 측정 패턴을 깊이별(depth-wise) 즉 초점거리에 따라 재현함으로 깊이 재현 성능을 측정 평가할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 도 3의 RGBW 계조 막대에 d 0, … d N-1 범위에서의 깊이 특성을 부여할 수 있고, 측정 패턴을 제작함으로써, 3차원 홀로그래피 특성을 효과적으로 측정 평가할 수 있다.
계조 단계가 N=256의 계조 단계라면, 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 가장 밝은 계조 단계인 RGB=(255, 255, 255)를 거리 d255 에, RGB=(254, 254, 254)는 거리 d 254 에, RGB = (1, 1, 1)는 거리 d 1 에, 그리고 RGB = (0, 0, 0)는 거리 d 0 에 위치하도록 RGBW 막대 패턴의 3차원 깊이 값을 지정한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 RGBW 막대 패턴의 백색 계조 부분에서 재현하는 깊이를 마치 측정 패턴이 깊이 축으로 분포시킬 수 있다. 또한, 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 측정 패턴의 RGBW 테두리에 위치하는 Red, Green, Blue 계조 막대들도 백색 계조 막대와 유사한 방식으로 구현할 수 있다.
즉, 홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치는 측정 패턴의 테두리에 위치한 RGBW 계조 막대들은 홀로그래픽 디스플레이로 3차원 객체의 홀로그램을 일정 거리 내의 깊이에 따라 광학적으로 복원할 때, 그 재현 성능의 균일성(uniformity)과 실행가능성(feasibility)을 함께 확인하고 평가할 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이의 성능을 측정하고 화질을 평가하기 위한 테스트 패턴들의 예시를 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도 2의 테스트 패턴 생성부(22)는 상기 설명한 RGBW 계조 막대로 구성된 측정 패턴과 합성할 테스트 패턴을 생성한다.
하나의 예로, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 테스트 패턴은 홀로그래픽 디스플레이가 광학적으로 재현할 때 발생할 수 있는 기하학적 왜곡을 평가하기 위한 테스트 패턴을 포함한다.
다른 하나의 예로, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 디스플레이의 해상력을 측정 평가하기 위해 사용되는 MTF 측정 패턴을 포함한다.
또 다른 하나의 예로, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 디스플레이의 컬러 재현 성능 측정에 사용되는 컬러 바(color-bar) 패턴을 포함한다.
도 2의 측정 패턴 합성부(23)는 RGBW 계조 막대들로 구성된 테스트 패턴의 테두리와 도 6에서 예시한 다양한 디스플레이 테스트 패턴 중 하나를 2차원 또는 3차원 공간에서 신호처리적으로 결합한다. 도 3의 왼쪽 그림의 가운데 사선 무늬의 사각형 영역이 도 6에서 예시한 다양한 디스플레이 테스트 패턴에 해당한다.
만일 테스트 패턴의 영상들이 2차원이 아닌 3차원 정보인 경우, RGB와 깊이(depth) 영상 또는 포인트클라우드(point-cloud) 또는 3차원 메쉬(mesh) 등의 다양한 3차원 정보 형태로 표현될 수 있으며, 합성 과정 또한 그에 적절한 결합 방식으로 처리된다.
측정 패턴 CGH 생성부(24)는 RGBW 계조 테두리와 디스플레이 테스트 패턴이 합성된 2차원 또는 3차원의 측정 패턴 데이터를 입력 받아서 3차원 공간상에서 광학적 복원이 가능한 홀로그램 측정 패턴으로의 CGH 생성을 구현한다.
종래 기술에 따르면, 상기에서 설명한 바와 같이 홀로그래픽 디스플레이의 SLM 성능 한계로 인해 시야각이 매우 좁은 단점을 보완하기 위하여, 홀로그램 생성시 랜덤 위상(random phase)을 추가하며, 이로 인해 측정 패턴 세기의 균일성(uniformity)에 영향을 미치게 되어 정확한 성능 측정을 저해할 수 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 방법을 이하 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 패턴에 대하여 랜덤 위상을 삽입하는 과정 및 균일성 검증을 위한 반복적 수행 과정을 나타낸 블록도이다.
상기한 랜덤 위상에 따른 복소 광 필드 세기의 편차를 저감하기 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이, 홀로그램 패턴의 균일성 검증을 위한 반복과정(iterative method)을 하기의 수학식 6을 이용하여 수행한다. 홀로그램 패턴의 균일성 검증을 위한 반복과정(iterative method)을 수행함으로써, 최적의 랜덤 위상이 삽입된 홀로그램 패턴을 선정한다.
이때, 랜덤 위상의 삽입과 CGH 생성 과정을 N번 반복한 경우, 발생한 홀로그램의 RGBW 계조 막대 테두리 중 백색 계조 막대의 홀로그램 패턴을 x i , 그에 해당하는 백색 계조 막대의 원본 이미지를 R i ,, 그리고 이때 측정 패턴 홀로그램 x i 의 수치적 복원(numerical reconstruction)을 통해 계산된 (백색 계조 막대의) 홀로그램 복원 영상을 r(x i )라 한다면, 원본과 비교하여 최소의 오차(mean-squared-error)를 갖는, 즉 가장 유사한 세기(intensity) 값을 갖는 홀로그램 측정 패턴을 하기의 수학식 6을 이용하여 선정한다.
Figure pat00011
이는 원본 백색 계조와 가장 유사한 값을 가짐으로써 계조 단계의 균일성을 확보할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도 7의 측정 패턴(3차원 정보)를 도시한다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 측정 패턴 이미지는 원 모양의 디스플레이 테스트 패턴과 테두리에 RGBW 중 G과 W의 계조 막대를 갖는 측정패턴이 신호처리적으로 합성된 이미지를 포함한다.
도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 측정 패턴 이미지는 상기에서 설명한 측정 패턴의 CGH 생성 결과인 진폭 홀로그램 측정 패턴이며, 삽입된 랜덤 위상의 영향으로 홀로그램 세기에 상당한 잡음이 발생되었다.
도 8의 (c)에 도시된 바와 같이, 측정 패턴 이미지는 측정 패턴 홀로그램이 수치적으로 복원된 결과를 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 수학식 6을 반복하여 수행하여 원본과 가장 유사한 수치적 결과를 보이는 측정 패턴 홀로그램을 최종적으로 선정한다.
최종적으로, 상기 과정들을 거쳐 생성된 측정 패턴은 도 2에 도시된 디지털 홀로그래픽 디스플레이(110)의 공간 광 변조기(112)에 업로드 될 수 있는 홀로그램 이미지 파일 형식으로 저장된다.
일반적인 이미지 파일 포맷은 jpg, bmp, png, tif 등이 있으며, 기본적으로 이미지 픽셀은 0 ~ 255의 정수값을 갖는다. 즉, 복소 광 필드(complex wave-field)의 홀로그램 측정 패턴의 진폭 또는 위상 값은 부동소수형(floating point number type)의 실수(real) 값을 갖으며, 이와 같은 실수를 정수로 변환하기 위해서는 양자화(quantization) 및 정규화(normalization) 과정을 거쳐야 한다.
이때, 종래 기술에 따른 홀로그래픽 디스플레이에서 사용되는 이미지 데이터와 달리, 본 발명에서는 홀로그래픽 디스플레이가 공간상에 재현하는 빛의 세기를 정규화하는 과정에서 정량적인 크기를 결정하기 위해서 RGB = (255, 255, 255)에 해당하는 백색(full-white)에 해당하는 기준값을 패턴 균일성 검증부가 설정하여 상대적인 빛의 세기 값을 정확히 계산한다. 앞서 설명한 RGBW 계조 막대를 측정 패턴의 테두리에 위치시킴으로써 이러한 복소 광 필드의 다이나믹 범위 내에서 선형적 정규화(linear normalization)의 기준 역할을 하게 되어 정규화 과정에서 발생할 수 있는 오류를 회피할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 RGBW 계조 막대들로 구성된 측정 패턴과 합성된 2차원 또는 3차원 디스플레이 테스트 패턴을 홀로그램으로 변환 후 저장하는 과정에서 부동소수형 실수 형태의 다이나믹한 복소 광 필드의 세기를 [0, 255] 범위의 정수값으로 변환시 발생할 수 있는 정규화 과정 상의 오류와, 홀로그램 데이터에 랜덤 위상을 추가할 때 파생되는 측정 패턴의 세기 균일성 저하를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
이로써, 홀로그래픽 디스플레이 측정 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 방법에 있어서,
    측정 패턴을 생성하는 단계;
    상기 측정 패턴의 테두리에 2차원 또는 3차원적으로 구성된 계조 막대를 포함시켜 공통 패턴을 생성하는 단계;
    상기 공통 패턴에 제1 위상을 삽입하는 단계; 및
    상기 제1 위상이 삽입된 공통 패턴을 이용하여 상기 홀로그래픽 디스플레이의 화질을 측정하는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계조 막대는 적색, 녹색, 청색 및 백색 계조 막대를 포함하는
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계조 막대의 최대 세기값인 full-white의 백색을 정규화 최대 기준으로 설정하는 단계, 그리고
    부동 소수형 실수로 표현된 상기 공통 패턴의 복소 광 필드의 지폭 크기 또는 위상 크기를 정수값으로 양자화하는 단계를 포함하는
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양자화하는 단계는
    상기 진폭 크기 또는 상기 위상 크기를 0부터 255 범위의 정수값으로 양자화하는 단계를 포함하는
    방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공통 패턴에 대하여 CGH 홀로그램 패턴을 n번 생성하는 단계, 그리고
    상기 n개의 CGH 홀로그램 패턴 중에서 원본인 상기 공통 패턴과의 오차가 최소인 하나의 CGH 홀로그램 패턴을 이용하여 상기 화질을 측정하는 단계를 포함하는
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상은 랜덤 위상인
    방법.
  7. 측정 패턴을 생성하고, 상기 측정 패턴의 테두리에 2차원 또는 3차원적으로 구성된 계조 막대를 포함시켜 공통 패턴을 생성하는 측정 패턴 생성부;
    상기 공통 패턴에 제1 위상을 삽입하는 랜덤 위상 삽입부;
    상기 제1 위상이 삽입된 공통 패턴을 이용하여 CGH를 생성하는 CGH 생성부; 및
    상기 CGH에 대한 화질을 측정하는 패턴 균일성 검증부를 포함하는
    홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 계조 막대는 적색, 녹색, 청색 및 백색 계조 막대를 포함하는
    홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 패턴 균일성 검증부는 상기 계조 막대의 최대 세기값인 full-white의 백색을 정규화 최대 기준으로 설정하고, 부동 소수형 실수로 표현된 상기 공통 패턴의 복소 광 필드의 지폭 크기 또는 위상 크기를 정수값으로 양자화하는
    홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패턴 균일성 검증부는 상기 진폭 크기 또는 상기 위상 크기를 0부터 255 범위의 정수값으로 양자화하는
    홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 CGH 생성부는 상기 공통 패턴에 대하여 CGH 홀로그램 패턴을 n번 생성하고, 상기 n개의 CGH 홀로그램 패턴 중에서 원본인 상기 공통 패턴과의 오차가 최소인 하나의 CGH 홀로그램 패턴을 이용하여 상기 화질을 측정하는
    홀로그래픽 디스플레이의 화질 평가 장치.
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