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A study on fast and low error ID Tag generation and recovery using color amplitude and phase modulation computer generated hologram with 2-D Random Key = 2차원 랜덤 키와 컬러 진폭 위상형 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용한 ID 태그의 생성 및 복원 고속화와 에러 극소화 연구
서명 / 저자 A study on fast and low error ID Tag generation and recovery using color amplitude and phase modulation computer generated hologram with 2-D Random Key = 2차원 랜덤 키와 컬러 진폭 위상형 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용한 ID 태그의 생성 및 복원 고속화와 에러 극소화 연구 / Ki-Mun Pak.
저자명 Pak, Ki-Mun ; 박기문
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

A computer-generated hologram (CGH) can be generated from a numerical simulation of interference fringes produced by the object and reference beams. The actual scattered wave front is expressed as amplitude and phase information. However, it is difficult to apply for hologram ID system due to its implementation re-strictions. So, recently, we proposed an ID tag application based on a kinoform-CGH in which the tag infor-mation was photo-printed in the form of kinoform patterns on fine texture papers and the reconstruction process was entirely accomplished digitally in a computer after the patterns were captured by a digital camera. This new kinoform-based approach offers key advantages for an ID tag application over the conventional optical interference methods: 1) there is no need for elaborate optical setups or equipment for writing holographic data on the optical materials, 2) the printed kinoform pattern on the tag is captured relatively easily and accurately under natural light by a normal digital camera or a scanner, and 3) the reconstructed data is not spoiled by DC spots or conjugated images. However, in spite of these advantages, large-scale kinoform synthesis inevitably requires too much time due to an iterative Fourier transform process, such as simulated annealing. So, a new generation method to reduce the generation time effectively is needed. In this thesis, as an alternative to this time-consuming kinoform synthesis, an amplitude and phase modulation (APM) CGH algorithm has been adopted for the purpose of as ID tag applications. However, large DC components are generally involved in some data cells after the Fourier transform. In order to solve these problems, a technique of randomization of the input data is proposed prior to the Fourier transform for effectively performing the amplitude quantization irrespective of any specific type of input data. Since all random data commonly has the same spatial frequency distribution, all input data can be dealt with in the same way on the Fourier plane after they are Fourier-transformed. Amplitude distributions are analyzed on the Fourier plane, where DC components are localized at a narrow center region with data randomization compared to a broad spatial spectrum without it. For an original input image with 75x75 pixels, only one data cell at the center contains DC components with data randomization whereas several hundreds of data cells are spoiled without it. This occurs since low frequency components can be minimized on the Fourier domain by suppressing a sequence of consecutive 0’s or 1’s through data randomization. As a result, DC components are always localized at the center region, which is only 1 pixel, regardless of input data, so it can be quantized effectively in all of pixels. And the size of the tag pattern is reduced 2.25 times using a color encryption technique. We also proposed a new binary decision method using real amplitude value. In the reconstruction pro-cess, the extracted (M, N) value pair of each pixel in the pattern is first synthesized cell by cell and then goes through IFFT. Since the resultant cell values are not generally binary after an IFFT operation because of quanti-zation errors, a binary decision for each cell data needs to be made using a fixed reference value, or threshold. In conventional hologram system, a predetermined threshold value for different data sizes are increasing as we increase data size. And it varies largely with different input data depending on the degree of the binary data ratio in kinoform reconstruction algorithm. So, the new binary decision process is proposed and the optimized threshold level is fixed at the center region. So, we don’t need to change threshold level depending on the differ-ent input data and don’t need to set password for certain threshold level. And With the randomization of input data, on the other hand, the optimized threshold point is located exactly at the center, thereby causing the binary decision to be accurate irrespective of any input data. The datum, 0’s and 1’s, is definitely divided based on the center region. So, the error doesn’t occur during binary decision process. In comparison with the conventional kinoform-CGH, the proposed method shows dramatically faster pattern generation times and more robust reconstruction capabilities against irregular pattern losses. The APM-CGH generation method save generation time significantly although quantization levels increase. And the reconstruction error rates in the (16x16)-level APM-CGH are almost negligible, within 2% for less than 50% lost patterns. On the other hand, the 11-level kinoform-CGH has an approximately 12% reconstruction error rate for a 50% pattern loss due to neglect of the amplitude information. Our experimental result through the image capture by a camera also shows that approximately 50% damaged APM-CGH tags can be reconstructed at a low error rate of about 1.8% as compared with the original document, even though about half of the total tag pattern is lost.

컴퓨터 생성 홀로그램은 물체 빔과 기준 빔이 서로 간섭하여 생긴 간섭 무늬를 수학적으로 계산하여 생성 할 수 있다. 실제 생성된 파면은 진폭과 위상으로 이루어지게 되는데 이 두 정보를 모두 홀로그램 ID 시스템에 적용하기 어렵다. 그래서 최근에 키노폼 컴퓨터 생성 홀로그램을 기반으로 한 홀로그램 ID가 제안 되었다. 이 태그는 포토프린터로 프린트되고 디지털 카메라로 캡춰하여 컴퓨터에서 복원되는 과정을 거친다. 이 키노폼을 이용한 ID 태그는 기존에 광 간섭계를 사용한 방식보다 많은 장점을 가지게 된다. 첫째, 정교한 광 간섭계가 필요 없고 둘째, 포토 프린터를 사용하여 출력 되고 디지털 카메라를 사용하여 인식되기 때문에 쉽고 정교하게 복원 할 수 있다. 셋째, 생성된 패턴에 DC 성분이 없다. 이렇게 많은 장점을 가지고 있지만, 키노폼 컴퓨터 생성 홀로그램은 simulated annealing 방법을 사용하기 때문에 굉장히 많은 생성 시간을 가지게 된다. 따라서 생성시간이 짧은 새로운 방법에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 기존에 위상 정보만을 사용하던 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘 대비 재생 오류와 생성 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 진폭 위상 변조 컴퓨터 생성 홀로그램 알고리즘을 홀로그램 ID 생성 방식으로 결정하고 제안하였다. 하지만 진폭의 DC 분포가 넓게 분포하기 때문에 진폭 양자화에서 많은 에러를 유발하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해서 제안된 방법이 랜덤 키를 사용한 방법이다. 푸리에 변환을 하기 전에 입력 데이터와 랜덤 키를 배타적 OR 연산을 통해 섞어주게 되면, 입력 데이터는 랜덤 키와 동일한 비율을 갖는 데이터 형식을 갖게 된다. 이 때문에 1과 0이 1:1의 비율을 갖는 랜덤 키를 사용하게 되면 입력데이터는 1:1 비율로 1과 0 데이터를 갖게 되고 푸리에 도메인에서 같은 공간주파수를 갖게 되고 DC 성분은 최소화 할 수 있다. 75x75 입력 데이터를 가지고 랜덤 키를 사용한 후 진폭 분포도를 보게 되면 DC 성분은 가운데 1 픽셀에만 존재하게 되고, 이 값을 0으로 대체하게 되면 위상정보와 같이 0부터 최대값 사이의 값을 골고루 갖게 된다. 따라서 진폭 양자화를 효율적으로 진행하여 에러를 최소화 할 수 있고, 이 방법을 통해 0%의 에러 율을 갖는 홀로그램 ID 태그 패턴을 생성 할 수 있었다. 본 생성 알고리즘에서는 진폭과 위상정보를 각각 16레벨로 양자화 하여 홀로그램 ID 패턴을 생성하였다. 그리고 4컬러를 가지고 4진수 방법을 사용하여 기존에 이진수를 사용한 방법보다 태그 크기를 2.25배 줄일 수 있었다. 본 알고리즘의 복원과정에서는 실수를 사용한 2변수 판정법이 도입되었다. 생성된 태그 정보는 역 푸리에 변환을 했을 때, 양자화 과정을 거쳤기 때문에 정확하게 1과 0의 데이터를 갖지 않는다. 그래서 1과 0을 결정하는 변수 판정법 과정이 필요하게 되는데 기존에 키노폼을 사용하여 복원과정에서 사용되고 있는 방법에서는 진폭 정보만을 사용하여 1과 0의 데이터를 판단하였다. 이 방법은 0부터 최대값까지 경계 값을 조금씩 증가시키면서 0과 1을 판단한 후, 에러 율을 비교해보는 반복적인 과정을 통해서 가장 에러가 적게 나온 값을 그 경계 값으로 결정하게 된다. 따라서 수신자 입장에서는 최적의 경계 값을 미리 알고 있어야 한다는 단점을 가지고 있고, 이 값들은 입력데이터에 따라 달라지기 때문에 ID 태그로의 적용에 있어서 많은 문제점을 가지고 있었다. 그래서 2변수 판정법이 도입되었다. 2변수 판정법에서는 진폭과 위상정보를 모두 가지고 있는 실수 값 변수를 가지고 0과 1을 판단하는 방법이다. 이 방법에서는 푸리에 변환 후 데이터 값들이 -1부터 +1까지의 값들을 갖게 되는데 이 때 경계 값을 0으로 고정 할 수 있기 때문에 수신자입장에서 항상 같은 값을 가지고 데이터를 복원 해낼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 복원과정에서 에러가 생기지 않게 되었다. 지금까지 분석 한 자료들을 토대로 키노폼 컴퓨터 생성 홀로그램과의 비교 연구도 진행되었다. 본 연구에서 제안된 진폭 위상 변조 컴퓨터 생성 홀로그램은 키노폼 컴퓨터 생성 홀로그램에 비해 크게 2가지 장점이 있다. 첫째, 패턴 생성 시간이다. 키노폼은 생성시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있었으나 진폭 위상 형 방식에서는 패턴 생성 시간을 완전히 단축 시켜 문제점을 개선 할 수 있었다. 둘째, 데이터 회복 능력이다. 50% 손상 데이터를 가지고 그 결과를 비교해보면, 키노폼 방식은 약 12%의 에러 율을, 진폭 위상 형 방식은 1.8%의 에러 율을 가지게 된다. 이 결과로 인해 진폭 위상 형 방식의 가장 큰 장점으로 손상이 있을 때 굉장히 높은 복구력을 보인다는 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 포토 프린터와 디지털 카메라로 생성 및 구현 시스템을 구현하여 성능을 실험하였다. 50% 손상을 가지는 홀로그램 ID 태그 시스템 실험 결과, 약 1.8%의 에러 율을 가져 원본 데이터가 성공적으로 복원되었음을 확인 할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 11135
형태사항 vi, 62p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박기문
지도교수의 영문표기 : Yong-Hyub Won
지도교수의 한글표기 : 원용협
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기 및 전자공학과,
서지주기 References : p. 55-56
주제 Amplitude and phase modulation
computer generated hologram
kinoform
hologram ID
2D random key
진폭위상변조
컴퓨터생성홀로그램
키노폼
홀로그램 ID
2차원 랜덤 키
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