집적결상형 3차원 디스플레이에서 시차영상배열의 생성과 미분전달함수를 이용한 변환특성 분석 = Parallax image array generation for three-dimensional integral imaging display and its modification characteristics analysis based on differential transfer function

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 컴퓨터와 같은 정보처리 장치와 LCD나 PDP와 같은 2D 디스플레이 장치의 성능이 크게 향상되고 있다. 이에 따라 고해상도 2D 디스플레이를 사용하는 3D디스플레이분야 또한 크게 발전하고 있는 추세이다. 시차영상배열은 이러한 2D-3D 변환에 있어 매우 활용성이 높은 기본소재이다. 집적결상형 3차원 디스플레이는 이러한 시차영상배열을 사용하는 대표적인 3차원 디스플레이이다. 본 논문에서는 집적결상을 중심으로 3차원 디스플레이를 위한 시차영상배열의 생성 및 재조합, 그리고 크기변환에 따른 3차원 재생영상의 변화 특성에 대해 연구하였다.
우선 패럴랙스배리어방식과 집적결상방식 사이에서 시차영상배열의 호환성에 대해 조사하였다. 호환성 조사는 시차영상배열의 픽셀들이 개별적으로 매칭될 조건과 영상의 형태로 매칭될 조건을 구함으로써 이루어졌다. 연구결과로부터 특정 조건하에서 패럴랙스배리어방식의 시차영상배열은 집적결상방식의 시차영상배열로부터 합성될 수 있음을 확인하였다. 멀티뷰 패럴랙스배리어방식에서 시점의 수가 충분히 많아질 경우, 시차영상배열은 집적결상방식에서의 시차영상배열과 동일한 형태를 갖는다.
둘째로 시차영상배열 생성 방법들에 대하여 연구하였다. 회절격자를 이용하여 스테레오스코픽영상을 생성하는 방법을 시차영상배열 생성방법으로 확장하는 것에 대해 자세히 연구하였다. 이 방법은 작은 물체에 대해 효과적이며 획득결상계의 수차에 의한 광학적 손실이나 회절에 의한 해상도 저하를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 그리고 회절격자를 이용한 방법을 3차원 물체에 파장-깊이 매핑을 하는 방법으로 확장하였다. 이 경우, 작은 량의 데이터로 3차원 물체를 2차원 등고영상으로 매핑할 수 있다.
셋째로 시차영상배열은 기존의 시차영상배열을 재조합하는 방법으로도 얻을 수 있는데, 시차영상배열의 재조합을 통하여 도치상, 정치상, 실상, 허상뿐만 아니라 임의의 깊이로 변환할 수 있는 방법에 대해 연구하였다.
마지막으로 3차원 결상계의 해석에 유용한 미분전달함수를 제안하였다. 미분전달함수는 3차원영상 결상계와 3차원적 변형 분석에 있어 효과적이다. 미분전달함수를 이용하여 집적결상방식에서 시차영상배열의 크기 변환에 따라 나타날 수 있는 재생영상의 왜곡을 분석하였다. 집적결상방식에서 시차영상배열의 전체적 크기변환은 단일렌즈에 의한 결상에서 초점거리 변환과 매우 유사하다. 그리고 시차영상배열의 개별적 크기변환은 재생영상의 깊이만을 변화시킨다. 이러한 특성을 이용하여 단일결상렌즈에 의한 영상의 왜곡을 분석하고, 단일결상렌즈가 포함된 집적결상계에서 단일결상렌즈에 의해 나타날 수 있는 왜곡을 집적결상계의 시차영상배열의 크기가 변환 통하여 보정하는 방법에 대해 연구하였다. 대부분의 단일결상렌즈에 의한 왜곡은 시차영상배열의 전체적 크기변환을 통하여 보정될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, capability of 2D display devices such as LCD and PDP has been rapidly improved. Hence researches on 3D display, which is based on 2D display of high resolution and high frame speed, are being increased. Parallax image array(PIA) is an essential element in 3D display using the 2D display device. Integral image display is one of the most popular 3D display methods using the PIA. In this thesis, PIA generation and recombination methods and PIA scaling effect for 3D reconstructed image have been studied based on the integral imaging display.
Firstly, compatibility between the PIA in the parallax barrier method and that in the integral imaging method is investigated. The compatibility is confirmed by finding matching conditions for pixel and image. The results show that, under certain condition, the PIA of parallax barrier method can be obtained from the PIA of integral imaging method. If there is large number of views in the multi-view parallax barrier method, the PIA takes an identical form with the PIA of integral imaging method.
Secondly, new PIA generation methods have been researched and analyzed in comparison to conventional methods. The stereoscopic image generation method by using the diffraction grating is reanalyzed for expanding to PIA generation. The PIA generation method using diffraction grating is suitable for miniature objects and effective in improving PIA resolution because it does not cause the aberration and minimizes the diffraction loss. This diffraction grating method is expanded to a 3D contour display based on wavelength-depth mapping. This display method needs small data as much as about two times of which conventional 2D display needs.
Thirdly, a recombination method for PIA, which is a regeneration of PIA, has been researched. The recombination of PIA can freely change the depth of reconstructed image between not only orthoscopic and pseudoscopic but also real and imaginary.
Lastly, the differential transfer function (DFT) has been proposed. The DFT is useful in 3D imaging system analysis and especially effective in 3D deformation analysis. Based on DTF, distortion of the 3D reconstructed image which is depended on the PIA scaling in the integral imaging system is analyzed. In the integral imaging system, whole scaling of PIA is similar to changing the focal length in single lens imaging, and individual scaling of PIA changes the depth of reconstructed image. Using this property, a correction method for a distortion in a single lens combined integral imaging system has been investigated. The image distortion caused by the single lens can be perfectly corrected by the PIA scaling.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 시차영상배열을 이용한 3차원 디스플레이 = 5
• Ⅲ. 공간시차생성방식과 집적결상방식의 시차영상배열 = 14
• 1. 공간시차생성방식과 시차영상배열 = 14
• 2. 집적결상방식과 시차영상배열 = 17
• 3. 공간시차생성방식과 집적결상방식에서 시차영상배열의 호환성 = 23
• 1) 픽셀 매칭 = 24
• 2) 영상 매칭 = 30
• 3) 호환성 실험 = 33
• Ⅳ. 시차영상배열의 생성 = 37
• 1. 회절격자를 이용한 시차영상배열의 생성 = 37
• 2. 2차원 영상으로부터의 시차영상배열의 생성 = 42
• 1) 깊이생성방식의 3차원 영상 디스플레이 방법 = 42
• 2) 파장-깊이 매핑된 2차원영상으로부터의 시차영상 배열 생성 = 45
• 3) 2차원 영상으로부터의 시차영상배열 생성 실험 = 55
• 3. 시차영상배열의 재조합 = 58
• 1) 재생영상의 깊이변환을 위한 시차영상배열의 재조합 조건 = 64
• 2) 재생영상의 깊이조절 특성별 재조합 조건 = 64
• 3) 시차영상배열 재조합 실험 = 68
• Ⅴ. 시차영상배열의 변환 = 75
• 1. 3차원영상의 변형특성분석을 위한 미분전달함수 = 75
• 1) 미분전달함수 = 75
• 2) 복합결상계에 대한 미분전달함수 = 81
• 2. 시차영상배열의 크기변환에 따른 재생영상의 왜곡분석 및 응용 = 82
• 1) 시차영상배열의 크기변환에 따른 재생영상의 왜곡 = 82
• 2) 시차영상배열의 크기변환을 통한 단일결상렌즈에 의한 3차원적 왜곡 보정 = 86
• (1) 단일결상렌즈의 미분전달함수 = 86
• (2) 단일결상렌즈와 집적결상계가 조합된 복합 결상계의 미분전달함수 = 88
• (3) 복합결상계에서의 시차영상배열의 크기변환을 통한 왜곡보정 = 91
• (4) 결상계 구성에 따른 왜곡보정 조건 = 96
• (5) 왜곡보정 실험 = 101
• Ⅵ. 결론 = 109