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국문요약
ABSTRACT
목차
제1장 서론 22
제2장 디지털 홀로그램 비디오 서비스 모델 28
2.1. 디지털 홀로그램의 획득 29
2.2. 디지털 홀로그램의 재생 33
2.3. 홀로그램의 변환 특성 38
2.4. 디지털 홀로그램 비디오 서비스 모델 42
제3장 제안하는 홀로그램 비디오 서비스 시스템과 요소기술 45
3.1. 제안하는 시스템의 구조 45
3.2. 제안하는 객체의 3차원 정보 획득의 요소기술 49
3.2.1. 실사 영상 획득을 위한 카메라 시스템 49
3.2.2. 이종 카메라부터 획득한 영상의 보정 53
3.2.3. 시야각 개선을 위한 시청자 시점의 가상 영상 렌더링 57
3.2.4. 컴퓨터 그래픽 기반 렌더링 및 영상 쌍의 화질 개선 59
3.3. 제안하는 디지털 홀로그램의 고속생성을 위한 요소기술 60
3.3.1. 홀로그램 생성을 위한 병렬화 방법 60
3.3.2. GPU를 이용한 고속 홀로그램 생성방법 64
3.3.3. 전용 하드웨어를 이용한 고속화 75
3.4. 제안하는 홀로그램의 스테레오스코픽 재생 방법 81
3.5. 제안하는 홀로그램의 신호처리 요소기술 85
3.5.1. 디지털 홀로그램 데이터 전송을 위한 압축 기술 85
3.5.2. 수신측의 환경을 고려한 홀로그램 스케일러블 코딩 88
3.5.3. 디지털 홀로그램의 정보보호를 위한 암호화 기법 93
3.5.4. 디지털 홀로그램의 지적재산권 보호를 위한 디지털 워터마킹 기법 101
제4장 구현 및 실험 결과 109
4.1. 객체의 3차원 정보 획득 시스템 109
4.1.1. 실사 영상 획득을 위한 카메라 시스템 109
4.1.2. 이종 카메라부터 획득한 영상의 보정 113
4.1.3. 시야각 개선을 위한 시청자 시점의 가상 영상 렌더링 114
4.2. 고속 홀로그램 생성 시스템 116
4.2.1. GPU를 이용한 홀로그램 생성 116
4.2.2. 전용 하드웨어를 이용한 홀로그램 생성 120
4.3. 홀로그램 재생 시스템 131
4.3.1. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 재생 131
4.3.2. 광학 시스템을 이용한 재생 132
4.3.3. 스테레오스코픽 영상의 재생 134
4.4. 디지털 홀로그램의 신호처리 시스템 136
4.4.1. 압축 및 스케일러블 코딩 140
4.4.2. 디지털 홀로그램의 암호화 144
4.4.3. 디지털 홀로그램의 워터마킹 150
4.5. 구현한 서비스 시스템 158
제5장 결론 167
참고문헌 170
그림 2-1. (색상) 광학 시스템을 이용한 디지털 홀로그램 획득과정. 30
그림 2-2. (색상) 광학 시스템을 이용한 디지털 홀로그램 객체의 복원. 34
그림 2-3. 두 평면간 회절. 35
그림 2-4. (색상) (a) 단일슬릿의 회절, (b) 다중슬릿의 회절,... 36
그림 2-5. (a) 2D영상에 (b) 푸리에 변환 (c) 코사인변환, (d) 프레넬 변환을... 39
그림 2-6. 2D 영상에 프레넬 변환 적용결과. 40
그림 2-7. (a) 입력평면의 주파수에 따른 회절 평면의 공간 확장.... 41
그림 2-8. (색상) 디지털 홀로그램 비디오 서비스 시스템 모델. 44
그림 3-1. 제안하는 홀로그램 비디오 서비스를 위한 시스템의 구조. 46
그림 3-2. 카메라 시스템 구조의 예. 51
그림 3-3. 콜드미러의 분리파장에 따른 깊이 영상. 52
그림 3-4. 콜드미러의 반사율. 52
그림 3-5. (색상) 획득된 영상 쌍의 예. 53
그림 3-6. 보정 순서. 55
그림 3-7. (색상) 텍스쳐와 깊이영상 보정의 예. 56
그림 3-8. (색상) 영상 쌍들 사이의 보정의 예. 56
그림 3-9. (색상) 시청자 위치에 따른 가상시점 생성. 58
그림 3-10. (색상) 컴퓨터 생성 홀로그램의 병렬화 방법. 61
그림 3-11. (색상) 병렬화 방법에 따른 타이밍도. 62
그림 3-12. (색상) NVIDIA의 Pascal GP100의 하드웨어 구조. 65
그림 3-13. 메모리 접근 방법. 66
그림 3-14. 쓰레드 구성 및 홀로그램 계산 순서. 69
그림 3-15. 호스트의 쓰레드 분할. 73
그림 3-16. (색상) 분할에 따른 타이밍도. 74
그림 3-17. 홀로그램 생성기의 (a) 구조 및 (b) 타이밍도. 76
그림 3-18. HIC의 (a) 세부구조, (b) 타이밍도. 78
그림 3-19. VIC의 (a) 세부구조, (b) 타이밍도. 79
그림 3-20. PC의 (a) 세부구조, (b) 타이밍도. 80
그림 3-21. 부분 홀로그램의 크기에 따른 재생영상. 82
그림 3-22. (색상) 부분 홀로그램에서의 홀로그램 획득. 83
그림 3-23. 부분 홀로그램의 복원. 84
그림 3-24. (색상) (a) 스테레오스코픽을 위한 부분 홀로그램, (b) 재생결과. 84
그림 3-25. 부분 홀로그램의 변환 결과. 86
그림 3-26. 부분 홀로그램의 시퀀스 생성. 87
그림 3-27. 디지털 홀로그램 데이터 압축과정. 87
그림 3-28. 기본적인 스케일러블 코딩의 구조. 89
그림 3-29. 화질 기반 스케일러블 코딩의 부호화 과정. 90
그림 3-30. 화질 기반 스케일러블 레이어 구성을 위한 부분 홀로그램의 구성방... 90
그림 3-31. 화질 기반 스케일러블 레이어의 시퀀스 생성 방법. 91
그림 3-32. 스케일러블 코딩의 복호화 과정. 92
그림 3-33. 스케일러블 계층에 따른 복호화된 홀로그램. 92
그림 3-34. 홀로그램의 프레넬 변환 결과. 94
그림 3-35. 홀로그램 암호화 알고리즘. 95
그림 3-36. 홀로그램 암호화 과정. 96
그림 3-37. 암호화 영역을 계산하기 위한 2차 프레넬 변환의 도식화. 98
그림 3-38. 홀로그램 복호화 알고리즘. 99
그림 3-39. 홀로그램 복호화 과정. 99
그림 3-40. 홀로그램 복호화 결과. 100
그림 3-41. 홀로그램의 프레넬 변환 결과. 102
그림 3-42. 디지털 워터마크 삽입방법. 103
그림 3-43. 디지털 워터마크 삽입 과정. 104
그림 3-44. 디지털 워터마크 삽입 방법. 105
그림 3-45. 디지털 워터마크 추출방법. 107
그림 3-46. 디지털 워터마크 추출 과정. 107
그림 3-47. 워터마크 데이터의 추출 예. 108
그림 4-1. (색상) 구현한 수직리그 카메라 시스템. 112
그림 4-2. (색상) 수직리그 카메라 시스템으로부터 획득한 영상 쌍의 예. 112
그림 4-3. (색상) 보정과정의 예. 113
그림 4-4. (색상) 시청자의 위치 추적. 114
그림 4-5. (색상) 시청자 위치에 따른 가상 시점 영상 쌍 생성의 예. 115
그림 4-6. 객체정보의 양과 홀로그램 크기에 따른 CGH 계산시간. 118
그림 4-7. (색상) 전용 하드웨어의 시뮬레이션 결과. 121
그림 4-8. 비트할당에 따른 복원된 홀로그램의 PSNR. 122
그림 4-9. 기존 연구와 제안한 방법의 외부 메모리 접근양 비율. 123
그림 4-10. 기존 연구와 제안한 방법의 연산기의 수 비교. 124
그림 4-11. (색상) CGH 생성기 칩의 레이아웃 결과. 128
그림 4-12. (색상) CGH 생성기 칩의 제작 결과. 130
그림 4-13. (색상) 홀로그램 영상재생을 위해 구성한 광학 시스템. 132
그림 4-14. (색상) 홀로그램을 재생한 영상의 예. 133
그림 4-15. (색상) 부분 홀로그램을 이용한 스테레오스코픽 영상. 135
그림 4-16. (색상) 실험에 사용한 영상종류의 예. 139
그림 4-17. 압축률에 따른 재생영상의 화질 PSNR. 140
그림 4-18. 압축률에 따른 재생영상의 예(종류 1의 Rabbit 홀로그램). 141
그림 4-19. 압축률과 스케일러블 레이어에 따른 홀로그램 재생영상의 PSNR... 142
그림 4-20. 압축률과 스케일러블 레이어에 따른 재생영상의 예 143
그림 4-21. 2차 프레넬 변환거리와 스케일요소에 따른 암호화된 홀로... 145
그림 4-22. 2차 프레넬 변환거리가 20m일 때 스케일요소에 따른 암호화된... 146
그림 4-23. 프레넬 변환 거리에 따른 암호화된 홀로그램의 재생영상. 147
그림 4-24. 복호화된 홀로그램의 재생영상의 예. 148
그림 4-25. 홀로그램 종류와 워터마크 크기에 따라 워터마크가 삽입된 홀로... 151
그림 4-26. 워터마크 크기에 따라 추출된 워터마크의 예. 152
그림 4-27. 공격을 가한 홀로그램 재생영상의 평균 PSNR. 154
그림 4-28. 공격을 가한 뒤 추출한 워터마크의 평균 PSNR. 155
그림 4-29. 공격을 가한 후 추출한 워터마크의 예. 156
그림 4-30. (색상) 객체정보획득과 CGH 생성을 위한 GUI. 159
그림 4-31. (색상) 수직리그 카메라 시스템으로부터 영상쌍 획득 GUI. 159
그림 4-32. (색상) 영상 보정의 GUI. 160
그림 4-33. (색상) 가상시점 영상 생성과 컴퓨터 그래픽 렌더링의 GUI. 160
그림 4-34. 홀로그램 생성의 GUI. 161
그림 4-35. (색상) 홀로그램 영상 재생과 신호처리를 위한 GUI. 162
그림 4-36. (색상) 시뮬레이션에 의한 홀로그램 영상 재생 GUI. 163
그림 4-37. (색상) 스테레오스코픽 디스플레이를 위한 GUI. 163
그림 4-38. (색상) 홀로그램의 압축 및 스케일러블 코딩을 위한 GUI. 164
그림 4-39. (색상) 홀로그램 암호화를 위한 GUI. 164
그림 4-40. (색상) 홀로그램 워터마킹을 위한 GUI. 165
초록보기
본 논문에서는 디지털 홀로그램 비디오 콘텐츠를 서비스하는 시스템의 구조와 요소기술들을 제안하고 구현한다. 제안한 시스템의 구조는 객체정보 획득, 홀로그램 생성, 홀로그램 재생, 홀로그램의 서비스를 위한 신호처리 서브시스템들로 구성된다. 객체정보 획득 시스템은 이종의 카메라의 시점을 일치시키기 위해 자체 제작한 수직리그 카메라 시스템을 사용하여 3개의 텍스쳐+깊이 영상 쌍을 획득하고, 정밀한 객체정보 획득을 위한 보정기능을 포함한다. 또한 홀로그램의 좁은 시야각 문제를 해결하기 위해 시청자의 위치를 추적하여 해당 시점의 가상의 객체정보를 생성하는 과정을 포함한다. 디지털 홀로그램을 고속으로 생성하는 방법으로는 CGH(Computer Generated Hologram)의 방대한 양의 계산을 고속으로 수행하기 위해 GPU(Graphic Processing Unit)를 사용하는 방법과 전용 하드웨어의 구조를 제안한다. 제안하는 GPU를 이용한 방법은 NVIDIA에서 제공하는 Visual Profiler를 사용하여 메모리의 효율 및 자원사용의 최적화를 통해 가속화하고, 이종 시스템 간의 스케쥴링을 통하여 가속화한다. 제안하는 하드웨어의 구조는 메모리 접근을 줄일 수 있는 병렬화방식과 공유할 수 있는 데이터를 재사용한다. 홀로그램 재생 시스템은 광학장치를 이용한 재생방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 재생하는 방법을 포함하고 홀로그램을 스테레오스코픽 영상으로 변형하여 재생하는 방법을 제안한다. 이 방법은 이미 생성된 홀로그램에서 두 시점에 해당하는 부분 홀로그램을 추출하고 각각 시뮬레이션으로 재생하여 스테레오스코픽 영상으로 합성한다. 홀로그램의 서비스를 위한 시스템은 데이터 전송을 위한 전용 압축과 네트워크 상황에 따라 다르게 서비스할 수 있는 스케일러블 코딩 기능을 제안한다. 또한 홀로그램의 정보보안 및 보호를 위한 암호화 기능과 워터마킹 기능도 제안한다.
객체 정보 획득 시스템에서 3차원 정보는 30fps로 획득하며 실시간 처리가 가능하다. 홀로그램 생성 시스템에서 GPU를 이용한 가속화 방법은 기존 연구대비 최대 1.6배 이상 속도를 개선 시켰으며, 전용 하드웨어를 이용한 방법은 메모리 접근양을1/33,000만큼 감소하였고, 덧셈기와 곱셈기의 수를 각각 30%, 60% 감소시켰다. 홀로그램 서비스를 위한 시스템에서 압축 기법은 100:1까지 압축하여도 재생 영상의 열화도가 적었으며, 암호화 기법은 기존 연구의 5배 적은 데이터를 암호화하여도 효과적으로 은닉할 수 있었다. 워터마킹 기법은기존 연구보다 다양한 공격에 강인함을 보였다. 구현한 시스템은 LabVIEW환경에서 서브시스템을 통합하며, GUI(Graphic User Interface)에서 각종 파라미터를 통해 동작을 제어할 수 있도록 한다. 구현한 시스템은 신호처리 기능을 제외하고 객체정보 획득부터 재생까지 서비스하는데 프레임 당 평균 92ms정도 소요된다.MARC 보기
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