CN103955127A - 一种相位调制全视差全息体视图实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算全息与三维显示技术领域，具体涉及一种相位调制全视差全息体视图实现方法。由目标物，CCD摄像机，计算机，全息单元，全息体视图，激光光源，准直***，空间光调制器构成。利用CCD摄像机或计算机图形学的方法获得目标物的多角度视差图像，根据全息单元与再现平面的傅立叶变换关系，提取全息单元频谱。以标定的全息单元频谱为再现目标图像，采用迭代傅立叶算法获得各相位调制全息单元，生成全息体视图。将全息体视图加载到空间光调制器中，利用激光光源照射全息体视图实现目标物的全视差多视角再现。本发明提供的全息体视图实现方法能够实现三维物体的多视角再现，克服了现有全息体视图中共轭像的干扰，充分利用了空间光调制器的带宽，有效地提高了全息体视图的衍射效率，实现了利用相位调制空间光调制器进行全视差全息体视图的显示。

Description

一种相位调制全视差全息体视图实现方法

技术领域

本发明属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种相位调制全视差全息体视图实现方法。

背景技术

随着激光技术和计算全息技术的快速发展，三维全息显示已经深入到社会生活的各个领域。由于可以逼真的重现三维物体的形态和深度特征，三维全息显示技术在地形地貌测量、表面轮廓重构、三维物体成像、三维目标识别和医学诊断等领域拥有广阔的应用前景。但是，巨大的数据量、缓慢的计算速度以及对于空间带宽积的高要求，是目前困扰计算全息显示技术实际应用的瓶颈问题。

全息体视图技术，作为计算全息技术与双目立体视觉技术的结合，相对于传统计算全息技术具有巨大的优势，是目前特别具有应用前景的三维显示技术。首先，传统的计算全息技术，包括点源法及波前重构法等，均需要获取三维物体精确的深度信息，而对于某些场景和形态巨大的物体，深度信息的获取非常困难。而全息体视图技术采用三维物体的二维序列视差图像编码成全息图，视差图像可以通过CCD摄像机从不同角度拍摄获取，因此全息体视图在数据获取方面更加宽容。其次，传统的光学全息和计算全息技术的再现精度达到纳米级，远远高于人眼视觉***的分辨率，过高的再现精度对计算速度和空间带宽积均是巨大的浪费，存在巨大的数据冗余。而全息体视图的再现图像直接面向人眼的视觉***，可以根据人眼视觉***的分辨率灵活设定再现精度，在保证人眼视觉效果的前提下，为压缩全息图的空间带宽提供了可能。

目前，学者们提出了很多种全息体视图实现方法(如M.W.Halle，et.al，The Ultragram：ageneralized holographic stereogram，Proceeding of SPIE，1461，142-155(1991)；W.Plesniak，Incremental update of computer-generated holograms，Optical Engineering，42，1560(2003)；Q.Y.J.Smithwick，et.al，Interactive holographic stereograms with accommodation cues，Proceeding ofSPIE，7619，761903(2010)；范诚等，一种全息功能屏及其制作方法，中国发明专利(CN101918901B)。然而，目前的全息体视图研究主要集中在水平视差显示。而全视差显示，是全息体视图技术的最终发展方向。另外，目前的全息体视图技术采用幅值调制，在再现过程中，共轭像的存在严重降低了图像的再现质量和对空间光调制器空间带宽的利用率。在国内，针对全息体视图的研究尚处于起步阶段，并没有较为成熟的样机和工程应用。针对这种情况，本发明提供了一种相位调制全视差全息体视图的实现方法，构建三维物体的全视差全息体视图，利用相位调制空间光调制器再现三维物体的多个视角，并有效地减弱共轭像的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种相位调制全视差全息体视图实现方法。关键技术在于利用三维物体的多角度视差图像序列，提取组合成全息单元频谱，对全息单元频谱进行标定，采用迭代傅立叶算法计算出相位调制全息单元，遍历计算全息体视图平面上所有全息单元，得到三维物体的全息体视图。将全息体视图加载到空间光调制器中，在激光光源照射下重构三维物体的多个视角，形成可供人眼观察的具有三维立体效果的全视差显示。

本发明的特征在于，一种相位调制全视差全息体视图实现方法，至少含有，目标物，CCD摄像机，计算机，全息单元，全息体视图，激光光源，准直***，空间光调制器。其中，由目标物、CCD摄像机及计算机构成全息体视图获取***，由激光光源、准直***及空间光调制器构成全息体视图再现***。

采用本发明实现相位调制全视差全息体视图计算和再现步骤为：采用CCD摄像机或者计算机图像学的方法获取三维物体的多角度视差图像，根据全息单元与再现平面的傅立叶变换关系，提取组合成全息单元频谱。以标定的全息单元频谱为再现目标图像，迭代计算相位调制全息单元，写入全息体视图的对应位置。计算完成所有全息单元后，将获得的全息体视图加载到空间光调制器中，激光光源被准直***准直后，被加载了全息体视图的空间光调制器调制，在再现区域再现三维物体的不同视角。

所述的三维物体多角度视差图像，由单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物获得，或者由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄获得，也可以采用计算机图形学的方法，由目标物的三维模型直接获取。

所述的全息单元频谱，根据全息单元与再现平面的傅立叶变换关系，由多角度视差图像的不同像素提取组合形成。为了调整相位调制全息单元的灰度调制范围，在全息单元频谱中加入0和255灰度级，形成标定的全息单元频谱。

所述的相位调制全息单元，以标定的全息单元频谱为再现目标图像，采用迭代傅立叶变换的方法，取迭代输出的相位获得。本发明中的全息单元为二维的数字全息图，调制方式为相位调制。

所述的空间光调制器可以是透射型的，也可以是反射型的，调制模式为相位调制。

与现有技术相比，本发明提供的全息体视图实现方法具有以下优点：

1、能够实现三维物体多个视角的全视差显示，更加符合人眼的观察习惯。

2、通过计算相位调制全息单元，获得相位调制的全息体视图，能够有效地减少传统幅值调制中共轭像的干扰，提高对空间光调制器空间带宽积的利用率，在有限的空间带宽积下，能够再现三维物体更多的视角。

3、在全息单元频谱中加入了灰度级标定，使相位调制全息单元的灰度调制特性更加准确，能够提高全息体视图的视角图像再现质量。

附图说明

本发明一种相位调制全视差全息体视图实现方法的附图有5个。

图1一种相位调制全视差全息体视图实现方法第一个实施例的结构示意图。

图2一种相位调制全视差全息体视图实现方法第二个实施例的结构示意图。

图3由多角度视差图像生成全息单元频谱示意图。

图4全息单元频谱标定及全息单元迭代计算流程图。

图5一种相位调制全视差全息体视图实现方法第二个实施例的再现结果。

图1～图5中，(1)-目标物，(2)-CCD摄像机，(3)-计算机，(4)-全息单元，(5)-全息体视图，(6)-激光光源，(7)-准直***，(8)-空间光调制器，(9)-多角度视差图像，(10)-全息单元频谱，(11)-标定的全息单元频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明“一种相位调制全视差全息体视图实现方法”做进一步描述。

图1为本发明提供的全息体视图实现方法的第一个实施例，包括目标物(1)，CCD摄像机(2)，计算机(3)，全息单元(4)，全息体视图(5)，激光光源(6)，准直***(7)，空间光调制器(8)。

在该实施例中，目标物(1)是一个三维人像。CCD摄像机(2)设置在与全息体视图(5)平面平行的平面上。可以采用单个CCD摄像机(2)沿该平面在水平方向和垂直方向上移动，或者多个CCD摄像机(2)构成的二维阵列同时拍摄的方法，获得目标物(1)的多角度视差图像(9)。全息体视图(5)在空间上分割为多个二维的功能衍射全息单元(4)，每个全息单元(4)是一幅相位调制数字全息图，具有向再现区域不同方向衍射光线的能力。目标物(1)的多角度视差图像(9)在计算机中提取组合成全息体视图中(5)一个全息单元(4)的频谱(10)，在频谱中加入0和255灰度级进行标定，生成标定的全息单元频谱(11)。以标定的全息单元频谱(11)为再现目标图像，采用迭代傅立叶变换算法，得到相位调制的全息单元(4)，全息单元(4)被写入全息体视图(5)中。当全息体视图(5)上所有的全息单元(4)计算完成后，即得到了目标物(1)的相位调制全视差全息体视图(5)。全息体视图(5)被加载到空间光调制器(8)中，空间光调制器可以是各种纯相位调制的空间光调制器，如透射式或反射式，这里选用透射式的相位调制型空间光调制器作为本发明一个方便说明的实例。通过准直***(7)，激光光源(6)发出的激光被整形为平行光，并入射到空间光调制器(8)上。空间光调制器(8)由于加载了全息体视图(5)，对入射激光进行调制，并在再现区域再现目标物(1)的不同视角，人眼在再现区域观察时，由于两眼接收到不同视角的视差图像，如同观察真实三维物体一样，因此实现了三维物体的全视差全息显示。

图2为本发明提供的一种相位调制全视差全息体视图实现方法的第二个实施例，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本发明的第一实施例相同。但在该实施例中，多角度视差图像(9)由计算机(3)根据目标物(1)的三维数学模型或者计算机辅助设计CAD模型，采用计算机图形学的方法生成。多角度视差图像(9)的生成过程更加简单快速，适用于数学描述已知、可以建立模型，但是并不真实存在的三维物体。在本实施例中，空间光调制器(8)采用反射式相位调制型空间光调制器。

图3为本发明中由多角度视差图像生成全息单元频谱示意图。全息体视图(5)位于ξ-η平面，再现区域(即人眼观察区域)设定为位于x-y平面。全息体视图(5)上的某一个全息单元(i，j)，可以视为一个有限孔径的功能衍射单元，当再现光被全息单元(4)调制后，产生复振幅O(ξ，η)＝A(ξ，η)exp[jφ(ξ，η)]，其中A(ξ，η)为幅值，φ(ξ，η)为相位。当全息单元(4)的孔径、全息体视图平面与再现平面的距离z满足夫琅禾费衍射条件时

$z>>\frac{k{({\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2)}_{\max }}{2}---\left(1\right)$

其中，k＝2π/λ是波数，λ是波长。再现平面上由全息单元(i，j)衍射的复振幅分布可以表示为

其中，是傅里叶变换符号。可以看到，U(x，y)是O(ξ，η)的二维傅立叶变换，因此再现平面可以视为全息单元(4)的频谱面。对于再现平面上的一幅视差图像，其像素(i，j)由全息体视图平面上的全息单元(i，j)衍射形成。类似地，所有视差图像上的像素(i，j)均由全息单元(i，j)衍射形成。因此，全息单元(i，j)的频谱U(x，y)由所有多角度视差图像的像素(i，j)组合形成。采用此方法，可以由目标物(1)的多角度视差图像(9)，获得全息体视图(5)上所有全息单元(4)的频谱。

图4为本发明中全息单元频谱标定及全息单元迭代计算流程图。由于全息体视图平面空间分割为多个全息单元(4)，它们的频谱是相互独立的。为了保证再现视差图像的质量，需要不同的全息单元(4)之间的灰度调制范围具有一致性。因此，在每个全息单元的频谱(10)中，加入0和255灰度级，限制全息单元(4)的灰度调制范围，提高全息单元频谱(10)的再现准确性，获得标定的全息单元频谱(11)。

以标定的全息单元频谱(11)为再现目标图像，采用迭代傅立叶变换的方法计算相位调制全息单元(4)。迭代计算过程为：以标定的全息单元频谱(11)为振幅，与随机相位组合形成初始复振幅；采用快速傅立叶变换，计算出全息单元的复振幅分布O(ξ，η)，以再现光强度作为幅值，与O(ξ，η)的相位组合，并对其进行逆傅立叶变换，得到再现面复振幅分布U(x，y)；保留的U(x，y)相位，加入标定的全息单元频谱(11)作为振幅，重复初始步骤进行迭代运算。当再现平面的幅值分布与标定的全息单元频谱(11)的误差满足设定条件时，迭代停止，输出O(ξ，η)的相位作为相位调制全息单元(4)。由于采用相位调制，与相息图一样，本发明提供的全息体视图在理论上可以利用再现光的全部光强重构目标物(1)的视角，提高衍射效率。

图5为采用本发明提供的第二个实施例的再现结果。可以看到，在再现平面的不同位置，可以观察到目标物(1)三维人像的不同角度视差图像，实现了三维物体的全视差显示。同时，由于采用了相位调制，本发明提供的全息体视图能够最大程度的消除共轭像。在传统幅值调制全息体视图的共轭像位置，同样可以再现三维物体的不同视角，更加充分地利用了空间光调制器的空间带宽积，实现更多视角的再现。例如，视角(3，4)是视角(2，1)的共轭像位置，但是在视角(3，4)依然可以再现人像的另一个视角，而不受视角(2，1)共轭像的干扰。另外，由于在全息单元频谱(10)中加入了0和255灰度级，获得了标定的全息单元频谱(11)。因此，再现视差图像中的视角(4，4)为所有全息单元中标定的255灰度级。对于全息单元频谱的标定，实现了相位调制全息单元灰度调制范围的精确控制，提高了目标物视差图像的再现质量。

Claims (8)

1.一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，至少含有，目标物(1)，CCD摄像机(2)，计算机(3)，全息单元(4)，全息体视图(5)，激光光源(6)，准直***(7)，空间光调制器(8)。全息体视图(5)被分割为多个二维的全息单元(4)，CCD摄像机(2)拍摄目标物(1)的多角度视差图像(9)序列，根据每个全息单元(4)与再现平面的傅立叶变换关系，从多角度视差图像(9)序列获得全息单元频谱(10)，利用0和255灰度级对全息单元频谱(10)进行标定得到标定的全息单元频谱(11)，采用迭代傅立叶方法计算纯相位调制的全息单元(4)，将计算得到的所有全息单元写入全息体视图(5)，将全息体视图(5)加载到空间光调制器(8)中，激光光源(6)发出的激光经过准直***(7)准直后，照射空间光调制器(8)，在再现区域再现目标物(1)的具有立体视觉的多视角图像。

2.根据权利要求1所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述全息体视图实现方法能够在再现区域实现目标物(1)的全视差三维再现，在观察区域的水平方向和垂直方向均具有视角差异。

3.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述的全息单元(4)为二维数字全息图，调制模式为相位调制。

4.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述的目标物(1)的多角度视差图像(9)，由多个CCD摄像机(2)组成的二维阵列或者单个CCD摄像机(2)二维移动的方法拍摄获得，或者由计算机图形学的方法，由目标物(1)的三维数学模型或者计算机辅助设计CAD模型，通过计算机(3)计算获得。

5.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述的全息单元频谱(10)，由计算机(3)根据全息单元(4)与再现面之间的傅立叶变换关系，由多视角视差图像(9)提取组合生成。

6.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，在全息单元频谱(10)中加入0和255灰度级，对全息单元(4)调制范围进行标定，得到标定的全息单元频谱(11)，实现相位调制的灰度级控制。

7.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述的全息单元(4)以标定后的全息单元频谱(11)为再现目标图像，采用迭代傅立叶方法计算得到，取迭代输出的量化相位作为全息单元(4)。

8.根据权利要求1或2所述的一种相位调制全视差全息体视图实现方法，其特征在于，所述的空间光调制器(8)是透射型，或者是反射型的空间光调制器，调制模式为相位调制。