Coherent and Holographic Imaging Methods for Immersive Near-Eye Displays
Mäkinen, Jani (2023)
Mäkinen, Jani
Tampere University
2023
Tieto- ja sähkötekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2023-12-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3213-6
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3213-6
Tiivistelmä
Lähinäytöt on suunniteltu tarjoamaan realistisia kolmiulotteisia katselukokemuksia, joille on merkittävää tarvetta esimerkiksi työkoneiden etäkäytössä ja 3D-suunnittelussa. Nykyaikaiset lähinäytöt tuottavat kuitenkin edelleen ristiriitaisia visuaalisia vihjeitä, jotka heikentävät immersiivistä kokemusta ja haittaavat niiden miellyttävää käyttöä. Merkittävänä ratkaisuvaihtoehtona pidetään koherentin valon, kuten laservalon, käyttöä näytön valaistukseen, millä voidaan korjata nykyisten lähinäyttöjen puutteita. Erityisesti koherentti valaistus mahdollistaa holografisen kuvantamisen, jota käyttävät holografiset näytöt voivat tarkasti jäljitellä kolmiulotteisten mallien todellisia valoaaltoja. Koherentin valon käyttäminen näyttöjen valaisemiseen aiheuttaa kuitenkin huomiota vaativaa korkean kontrastin häiriötä pilkkukuvioiden muodossa. Lisäksi holografisten näyttöjen laskentamenetelmät ovat laskennallisesti vaativia ja asettavat uusia haasteita analyysin, pilkkuhäiriön ja valon mallintamisen suhteen.
Tässä väitöskirjassa tutkitaan laskennallisia menetelmiä lähinäytöille koherentissa kuvantamisjärjestelmässä käyttäen signaalinkäsittelyä, koneoppimista sekä geometrista (säde) ja fysikaalista (aalto) optiikan mallintamista. Työn ensimmäisessä osassa keskitytään holografisten kuvantamismuotojen analysointiin sekä kehitetään hologrammien laskennallisia menetelmiä. Holografian korkeiden laskentavaatimusten ratkaisemiseksi otamme käyttöön holografiset stereogrammit holografisen datan likimääräisenä esitysmuotona. Tarkastelemme kyseisen esitysmuodon visuaalista oikeellisuutta kehittämällä analyysikehyksen holografisen stereogrammin tarjoamien visuaalisten vihjeiden tarkkuudelle akkommodaatiota varten suhteessa sen suunnitteluparametreihin. Lisäksi ehdotamme signaalinkäsittelyratkaisua pilkkuhäiriön vähentämiseksi, ratkaistaksemme nykyisten menetelmien valon mallintamiseen liittyvät visuaalisia artefakteja aiheuttavat ongelmat. Kehitämme myös uudenlaisen holografisen kuvantamismenetelmän, jolla voidaan mallintaa tarkasti valon käyttäytymistä haastavissa olosuhteissa, kuten peiliheijastuksissa.
Väitöskirjan toisessa osassa lähestytään koherentin näyttökuvantamisen laskennallista taakkaa koneoppimisen avulla. Kehitämme koherentin akkommodaatioinvariantin lähinäytön suunnittelukehyksen, jossa optimoidaan yhtäaikaisesti näytön staattista optiikka ja näytön kuvan esikäsittelyverkkoa. Lopuksi nopeutamme ehdottamaamme uutta holografista kuvantamismenetelmää koneoppimisen avulla reaaliaikaisia sovelluksia varten. Kyseiseen ratkaisuun sisältyy myös tehokkaan menettelyn kehittäminen funktionaalisten satunnais-3D-ympäristöjen tuottamiseksi. Kehittämämme menetelmä mahdollistaa suurten synteettisten moninäkökulmaisten kuvien datasettien tuottamisen, joilla voidaan kouluttaa sopivia neuroverkkoja mallintamaan holografista kuvantamismenetelmäämme reaaliajassa.
Kaiken kaikkiaan tässä työssä kehitettyjen menetelmien osoitetaan olevan erittäin kilpailukykyisiä uusimpien koherentin valon lähinäyttöjen laskentamenetelmien kanssa. Työn tuloksena nähdään kaksi vaihtoehtoista lähestymistapaa ristiriitaisten visuaalisten vihjeiden aiheuttamien nykyisten lähinäyttöongelmien ratkaisemiseksi joko staattisella tai dynaamisella optiikalla ja reaaliaikaiseen käyttöön soveltuvilla laskentamenetelmillä. Esitetyt tulokset ovat näin ollen tärkeitä seuraavan sukupolven immersiivisille lähinäytöille.
Tässä väitöskirjassa tutkitaan laskennallisia menetelmiä lähinäytöille koherentissa kuvantamisjärjestelmässä käyttäen signaalinkäsittelyä, koneoppimista sekä geometrista (säde) ja fysikaalista (aalto) optiikan mallintamista. Työn ensimmäisessä osassa keskitytään holografisten kuvantamismuotojen analysointiin sekä kehitetään hologrammien laskennallisia menetelmiä. Holografian korkeiden laskentavaatimusten ratkaisemiseksi otamme käyttöön holografiset stereogrammit holografisen datan likimääräisenä esitysmuotona. Tarkastelemme kyseisen esitysmuodon visuaalista oikeellisuutta kehittämällä analyysikehyksen holografisen stereogrammin tarjoamien visuaalisten vihjeiden tarkkuudelle akkommodaatiota varten suhteessa sen suunnitteluparametreihin. Lisäksi ehdotamme signaalinkäsittelyratkaisua pilkkuhäiriön vähentämiseksi, ratkaistaksemme nykyisten menetelmien valon mallintamiseen liittyvät visuaalisia artefakteja aiheuttavat ongelmat. Kehitämme myös uudenlaisen holografisen kuvantamismenetelmän, jolla voidaan mallintaa tarkasti valon käyttäytymistä haastavissa olosuhteissa, kuten peiliheijastuksissa.
Väitöskirjan toisessa osassa lähestytään koherentin näyttökuvantamisen laskennallista taakkaa koneoppimisen avulla. Kehitämme koherentin akkommodaatioinvariantin lähinäytön suunnittelukehyksen, jossa optimoidaan yhtäaikaisesti näytön staattista optiikka ja näytön kuvan esikäsittelyverkkoa. Lopuksi nopeutamme ehdottamaamme uutta holografista kuvantamismenetelmää koneoppimisen avulla reaaliaikaisia sovelluksia varten. Kyseiseen ratkaisuun sisältyy myös tehokkaan menettelyn kehittäminen funktionaalisten satunnais-3D-ympäristöjen tuottamiseksi. Kehittämämme menetelmä mahdollistaa suurten synteettisten moninäkökulmaisten kuvien datasettien tuottamisen, joilla voidaan kouluttaa sopivia neuroverkkoja mallintamaan holografista kuvantamismenetelmäämme reaaliajassa.
Kaiken kaikkiaan tässä työssä kehitettyjen menetelmien osoitetaan olevan erittäin kilpailukykyisiä uusimpien koherentin valon lähinäyttöjen laskentamenetelmien kanssa. Työn tuloksena nähdään kaksi vaihtoehtoista lähestymistapaa ristiriitaisten visuaalisten vihjeiden aiheuttamien nykyisten lähinäyttöongelmien ratkaisemiseksi joko staattisella tai dynaamisella optiikalla ja reaaliaikaiseen käyttöön soveltuvilla laskentamenetelmillä. Esitetyt tulokset ovat näin ollen tärkeitä seuraavan sukupolven immersiivisille lähinäytöille.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4787]