CN109683461B - 基于光场渲染的全息图生成方法、***、存储介质及近眼ar全息三维显示*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光场渲染的全息图生成方法、***、存储介质及近眼AR全息三维显示***。该全息图生成方法,包括:(1)构建至少两个光场渲染平面,每个光场渲染平面由若干个发光点组成;(2)将三维物体的三维点云数据分别渲染至不同光场渲染平面上,得到每个光场渲染平面的光场图像;(3)将光场渲染平面的光场图像与该光场图像在全息面上的点扩散函数进行卷积,得到该光场图像在全息面上的复振幅;(4)将所有光场渲染平面的光场图像在全息面上的复振幅进行叠加,之后引入参考光干涉计算并进行编码,得到该三维物体的全息图。该全息图生成方法计算速度快,能够实现实时快速全息图的生成。
Description
技术领域
本发明涉及全息三维显示领域,尤其涉及一种基于光场渲染的全息图生成方法、***、存储介质及近眼AR全息三维显示***。
背景技术
目前,近眼AR三维显示是一个重要的研究领域和应用领域,实现近眼AR三维显示的方式有多种,如使用微显示器和复杂目镜***来实现AR三维显示,利用该方案实现的三维显示多为双目视差三维显示,存在辐辏冲突,佩戴此种AR三维显示设备会引起眼疲劳和眩晕,对青少年的视力发育存在一定不良影响,不适合青少年佩戴。
相比于复杂的目镜***,采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR三维显示时,显示***体积和重量大大减小,是目前近眼AR三维显示的一个重要发展方向,然而绝大多数基于光波导的近眼AR三维显示仍旧为双目视差三维显示或多深度的三维显示,仍然存在辐辏冲突的问题。
光场显示技术是使用一定的方式控制光线的传播方向的三维显示技术,如使用微透镜阵列等来控制光线的传播方向。采用该技术进行三维显示的一个缺陷是显示的图像角分辨率低,三维图像中的一个点,是由稀疏的多个方向的光线合成的低角分辨率的物点。
全息显示即利用全息原理实现的真实的立体显示,是国际公认最理想的三维显示方案。人眼可看到立体显示的全部特征,并有视差及遮挡效应。在不同的位置上进行观察时,物体有显著的运动视差。全息三维显示是最理想的三维显示技术,目前动态全息三维显示领域的计算全息是一个研究热点。
计算全息的制作模型主要有基于点元、面元和分层三种。基于点元的全息图生成方法中,将物体看做是大量三维物点的组成,计算每个物点在全息面上的复振幅并叠加得到整个物光的复振幅;基于面元的全息图像生成方法中,主要使用三角面元作为数据单元,将三维物体看做是大量三角面元的组合,计算时使用空间坐标转换和频域转换关系,在频域内重构三维物体光波的频谱,之后进行傅里叶逆变换得到全息面上的物光的复振幅;基于分层的全息图生成方法中,将三维物体沿着z方向分割为多层,每一层的分布通过菲涅尔衍射,计算全息平面的复振幅,所有层在全息面上的复振幅叠加,得到全息面上总物光的复振幅。得到全息面上物光的复振幅后,引入参考光干涉计算编码为计算全息图。
上述三种全息图生成方法都面临着计算量大、计算时间长的问题,若实现实时计算将需要极大的硬件资源,是全息三维显示应用于近眼AR三维显示的一个重大的障碍。
发明内容
本发明提供了一种基于光场渲染的全息图生成方法,相比于现有的全息图生成方法,本发明的全息图生成方法具有计算量少,计算速度快等特点。
具体技术方案如下:
一种基于光场渲染的全息图生成方法,包括以下步骤:
(1)构建至少两个光场渲染平面,每个光场渲染平面由若干个发光点组成;在一个光场渲染平面内,每个发光点的发光角度和发光方向相同;不同光场渲染平面内,每个发光点的发光角度相同而发光方向不同;
(2)将三维物体的三维点云数据分别渲染至不同光场渲染平面上,得到每个光场渲染平面的光场图像;
(3)将光场渲染平面的光场图像与该光场图像在全息面上的点扩散函数进行卷积,得到该光场图像在全息面上的复振幅分布;
(4)将所有光场渲染平面的光场图像在全息面上的复振幅分布进行叠加,得到总的物光复振幅分布,引入参考光干涉计算并进行编码,得到该三维物体的全息图。
所述的发光角度是指一个发光点的发光范围角度,发光方向是指发光角度的中心线与光场渲染平面法线之间的夹角。
本发明基于光场渲染的全息图生成方法计算量较小,并且光场渲染平面的光场图像渲染和全息面复振幅的计算均可在GPU显存中进行并行加速计算,可实现全息图的快速计算并用于实时三维显示。
所构建的光场渲染平面可位于三维点云物体的附加或三维点云物体的内部。
步骤(1)中,构建光场渲染平面时,光场渲染平面的参数由显示全息图的空间光调制器的衍射角度以及人眼分辨率决定。
即,光场渲染平面的个数由显示全息图的空间光调制器的衍射角度和光场渲染平面上发光点的发光角度决定:定义空间光调制器的衍射角度为θ,光场渲染平面的发光角度为Δθ;为了满足在θ角度范围内人眼均能观察到物像,则至少需要的光场渲染平面的数量且两相邻发光方向的光场渲染平面的发光方向角度差小于或等于Δθ。此时,所有光场渲染平面的发光角度覆盖整个θ角度。其中p为空间光调制器的像素尺寸,λ为照明光的波长。
进一步的,Δ=δgzd,其中δe为人眼的角分辨率,显示领域中,人眼的分辨角一般设定为δe=1.5′。zd为人眼到所观看的像点的距离,
优选的,所有光场渲染平面位于同一深度。此时,每个光场渲染平面上渲染得到的光场图像与全息面之间的距离相等。
另外,可以仅设定一个光场渲染平面,则该平面为三维物指定方向上的二维投影图像,此时所计算并显示的全息图实现了二维显示。
步骤(2)包括:
根据三维物体物点的坐标、光场渲染平面的发光方向以及三维物体物点与光场渲染平面之间的距离,计算该三维物体物点在光场渲染平面上对应的坐标,并进行渲染,得到该三维物体在该光场渲染平面上的光场图像;
对不同光场渲染平面的图像按照发光角度和方向进行渲染,得到不同光场渲染平面的光场图像。
步骤(3)中,光场渲染平面的光场图像在全息面上的点扩散函数表示为:
其中,λ为照明光的波长,xh为全息面的坐标,d为该光场渲染平面与全息面之间的距离。
在进行彩色全息三维显示时,根据R、G、B照明光的波长分别制作不同颜色分量的全息图,全息图的显示照明光源进行同步控制,进行分时彩色三维显示。
基于相同的发明构思,本发明还提供了一种基于光场渲染的全息图生成***,包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机存储器中并可在所述计算机处理器上执行的计算机程序,所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现所述基于光场渲染的全息图生成方法的步骤。
所述的基于光场渲染的全息图生成***可以为桌面型计算机、笔记本电脑、掌上电脑、微型计算机、远程服务器等计算机设备。
另外,本发明还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读介质存储有计算机程序,所述计算机程序被计算机处理器执行时实现所述基于光场渲染的全息图生成方法的步骤。
所述的计算机可读存储介质可以为内存条、移动硬盘、插接式硬盘、光盘、智能存储卡、闪存卡等。
本发明还提供了一种所述基于光场渲染的全息图生成方法生成的全息图的近眼AR全息三维显示***,包括:
光源模块,为空间光调制器提供照明光;
空间光调制器,受控于计算机并由计算机载入全息图,对照明光进行调制后发出被所述全息图调制的衍射图像光和未被所述全息图调制的零级光以及高级衍射光;
滤波模块,对空间调制器调制后的光进行滤波,滤除所述的零级光以及高级衍射光;
AR镜片模块,将滤波模块滤波后的光场对人眼进行成像;
计算机,根据所述基于光场渲染的全息图生成方法制作全息图并载入所述的空间光调制器。
所述的滤波模块为4f光学滤波***。
进一步优选的,近眼AR全息三维显示***包括:
光源,发出照明光;
反射镜片,将照明光反射至半透半反镜片;
半透半反镜片,将照明光部分反射至透镜一;
透镜一,半透半反镜片反射的照明光经过透镜一后形成平面波,照明空间光调制器;
空间光调制器,受控于计算机并由计算机载入全息图,对照明光进行调制后发出被所述全息图调制的衍射图像光和未被所述全息图调制的零级光以及高级衍射光;
透镜二,空间光调制器发出的光经过透镜一、半透半反镜片后进入透镜二;透镜一与透镜二组成4f光学***,在4f光学***的焦平面上设置有滤波器,滤波器滤除所述的零级光以及高级衍射光;
AR镜片模块,将滤波模块滤波后的光场对人眼进行成像;
计算机,根据所述的基于光场渲染的全息图生成方法制作全息图并载入所述的空间光调制器。
该近眼AR全息三维显示***结构更加紧凑,使得近眼AR全息三维显示***体积小、重量轻。
由于空间光调制器的像素结构和填充率问题,全息再现像存在未被衍射的直流分量(称为零级光)以及衍射产生的高级衍射光。本发明的近眼AR全息三维显示***使用4f光学滤波***,去除零级光和高级衍射光的影响,经过滤波的光场经过AR镜片模块成像后进入人眼,人眼即可看到位于远处放大的三维虚像,同时环境光可不受影响地进入人眼,实现近眼AR全息三维显示。
所述的光源模块由光源、准直透镜、反射镜及半透半反镜组成。光源发出的发散光被准直透镜准直后,再被反射镜反射进入半透半反镜,其中一部分光波被半透半反镜反射照明空间光调制器,被空间光调制器调制后的光反向传播,通过半透半反镜后进入4f光学滤波***滤波,滤波后的光场通过反射镜进入AR镜片,对人眼成像。
所述的光源为光纤光源,由单色LED、单色激光、三色LED或三色激光耦合进入光纤得到。
在进行彩色全息三维显示时,可使用三色光源,通过时分复用的方式实现彩色近眼AR全息三维显示。三色光源由光开关控制,通过计算机编程采用时序的方式照明空间光调制器,空间光调制器同步载入不同颜色分量的全息图,实现时序彩色三维显示。
所述的空间光调制器为振幅型或相位型反射式空间光调制器,优选的空间光调制器为纯相位型LCOS。
滤波模块由2个焦距相同的透镜组成,形成4f光学***,在两个透镜间的焦平面上,放置滤波器,去除零级光和高级像衍射光的干扰。
所述的AR镜片模块为三片式AR镜片或全息光学元件HOE。
从光源发出的发散球面波,经过准直透镜准直后被反射镜反射,之后被半透半反镜反射后照明空间光调制器,空间光调制器载入基于光场渲染计算的全息图,全息图对照明光进行调制,反射光和衍射光经过半透半反镜后进入滤波***,经过滤波***的光场被反射镜反射进入AR镜片模组,AR镜片模组将显示的光场成像,人眼可看到所成的放大的虚像并看到现实环境中的场景;或经过滤波***的光场被反射进入全息光学元件HOE,经过HOE反向衍射进入人眼,HOE为体全息光学元件,仅允许特定角度特定波长的光发生衍射,环境光刻不受干扰的通过HOE元件进入人眼,实现AR显示;彩色显示时,使用R、G、B三片衍射光学元件HOE堆叠,作为AR镜片模块。
所述的显示***可制作两套,分别用于显示对应于左眼和右眼的三维图像,实现双目的近眼AR全息三维显示。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供了一种基于光场渲染的全息图生成方法,相比于现有的全息图生成方法,该全息图生成方法计算速度快,能够实现实时快速全息图的生成,所显示的图像具有更高的角分辨率和更好的成像质量;相比于双目的立体显示***及光场显示方法,本发明的近眼AR全息三维显示***能够实现高分辨率,真三维显示,无辐辏冲突,是一种具有重要使用价值的近眼AR三维显示***。
附图说明
图1为基于光场渲染的全息图生成方法的原理示意图;其中(a)为光场渲染的原理示意图,(b)为某一光场渲染平面的光场图像渲染原理示意图,(c)为光场渲染平面的光场到全息面的点扩散函数的计算原理示意图;
图2为实施例2的近眼AR全息三维显示***的结构示意图;
图3为实施例3的近眼AR全息三维显示***的结构示意图;
图4为实施例4的近眼AR全息三维显示***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
实施例1
本实施例给出了基于光场渲染的全息图生成方法,其生成原理如图1所示,其中(a)为光场渲染的全息图生成原理,其中101、102、103为三个光场渲染平面,在一个光场渲染平面上,每个点的发光角度和发光方向相同,不同光场渲染平面的发光角度相同而发光方向不同,104、105、106分别表示三个光场渲染平面的发光角度和方向。110为空间中的一点,该空间点是由光场渲染平面101、102、103上的三个发光点107、108、109所发出的小角度光波交叠的区域形成的公共区域。111为全息平面,将会记录由光场渲染平面发出传播到该平面的光场复振幅。全息平面与三个光场渲染平面的距离分别为d1,d2和d3。
每个光场渲染平面上的发光角度大小和方向均可控,假设每个光场渲染平面的发光角度为Δθ,物点到最远的光场渲染平面的距离为zpmax,由于所设计的发光角度Δθ较小,则物点的物理尺寸约为Δθzpmax。物点的尺寸满足人眼分辨率要求的情况下,所设计的参数即可满足实际需求;假设人眼到三维像点的距离为zp,人眼的分辨角为δe,则人眼观看要求的像点尺寸为Δ=δezp,从而Δ=δezp=Δθzpmax,有所有光场渲染平面的光场的总发光角度,由最终显示全息图的空间光调制器的衍射角度决定,其中p为空间光调制器的像素尺寸,λ为照明光的波长。因此所需要的光场渲染平面个数由上述分析所确定的光场渲染平面个数,总的发光角度和每个光场渲染平面上的发光角度间隔为最优设计参数。
多个光场渲染平面到全息面的距离可设置为相同的距离,如d1=d2=d3的情形。
可仅设计一个光场渲染平面,其具有较大的发光角度。此时实现的显示为二维显示;设计多光场渲染平面,不同光场渲染平面具有相同发光角度和不同发光方向,不同发光方向的小角度光波合成三维显示。
当空间中包含多个不同深度的三维物体时,可设计多组光场渲染平面,每一组光场渲染平面负责一个三维物体的渲染。
图1中(b)为光场渲染平面的图像渲染方法,为了分析简单,以xoz平面进行分析,其中201为一个光场渲染平面。三维物体可看做是由大量三维点组成的物体,图1中(b)仅给出两个物点渲染的情况,其中202和203为空间中的两个物点,其坐标分别为(x1,z1)和(x2,z2)。该光场渲染平面的小的发光角度的角平分线与x轴的夹角为θxi,在光场渲染平面上,所渲染的光场图像的两个对应点分别为204和205,其坐标分别为xp1和xp2,从而有:
假设光场渲染平面的光场图像由Imi表示,其中i表示第i个光场渲染平面,则光场渲染平面上一个点可以表示为:
其中xpj为第pj个物点在图像Imi上的坐标,可由公式(1)计算得到。Apj为第pj个物点的灰度值或颜色值。Imi可以是单通道的灰度图或三通道的彩色图。上述分析给出二维坐标系中的计算情况,在三维坐标系中的计算可类推,不再赘述。光场图像渲染可在GPU中快速完成。
图1中(c)给出了从光场渲染平面到全息平面计算的示意图。其中301为一个光场渲染平面,其发光角度为Δθ,传播方向为θxi。305为全息平面,302为光场平面上一个点,其两个发光边界在全息面的两个端点分别是303和304,坐标分别为xs和xe,该光场渲染平面与全息面的距离为d。在此,我们推算从光场渲染平面到全息面的点扩散函数,假设点302的x坐标为0,全息面的坐标为xh。点302发出的球面波在全息面上的分布就是点扩散函数,可以表示为:
其中λ表示光波的波长,d为光场渲染平面到全息面的距离。xh的有效范围为xs≤xh≤xe。其中xs和xe的坐标可以表示为:
获得点扩散函数后,全息面上的复振幅分布可以表示为:
对于多个光场渲染图像Imi的情形,每个光场渲染图像计算出其对应的点扩散函数psfi,全息面上的总的光场复振幅分布Eall可以表示为
其中N为总的光场渲染图像个数。当我们获得光场复振幅分布后,可引入参考光干涉计算,编码为振幅全息或使用双相位编码方式编码为纯相位全息图或仅保留相位,编码为纯相位全息图。全息图的编码方式为现有技术。
实施例2
图2为本实施例的近眼AR全息三维显示***的示意图。其中401为光源,可以是单色LED光源或激光光源,可以是三色LED或激光光源耦合进入光纤中,分时点亮,在光纤端口发出发散球面波。光源发出的发散球面波,经过透镜402后准直为平面波,经反射镜403反射后再次经过半透半反镜404部分反射,反射光照明空间光调制器405,空间光调制器405为反射式振幅型或相位型LCOS,全息图经过计算机载入LCOS,计算机未在图中示出。经过LCOS调制的光场被反向衍射,通过透镜406后在透镜406的焦平面407形成频谱,在频谱平面加滤波器(图中未示出),将未被衍射的零级光及由像素结构引起的高级光滤波,后经过透镜408后衍射一段距离形成三维实像。透镜406与透镜408组合为4f滤波***。经过透镜408后的光场被反射镜409和反射镜410反射进入AR镜片模块,该模块由场镜411、半透半反镜412和半透半反镜413组成。全息显示的光场通过AR镜片模块进入人眼,使人眼看到处于远处的放大的三维虚像,而环境光经过半透半反镜412和半透半反镜413进入人眼,不发生畸变,可实现近眼AR全息三维显示效果。在此设计中,光源部分和LCOS显示光路部分为一个双层结构,能够更大效率的利用空间。
实施例3
图3为本实施例的近眼AR全息三维显示***的示意图。其中501为光源,可以是单色LED光源或激光光源,可以是三色LED或激光光源耦合进入光纤中,分时点亮,在光纤端口发出发散球面波。光源发出的发散球面波,经反射镜502反射后再次经过半透半反镜503部分反射,反射光经过透镜504准直为平面波照明空间光调制器505,空间光调制器505为反射式振幅型或相位型LCOS,全息图经过计算机载入LCOS,计算机未在图中示出。经过LCOS调制的光场被反向衍射,通过透镜504后在透镜504的焦平面506形成频谱,在频谱平面加滤波器(图中未示出),将未被衍射的零级光及由像素结构引起的高级光滤波,后经过透镜507后衍射一段距离形成三维实像。透镜504与507组合为4f滤波***。经过507透镜后的光场被反射镜508和反射镜509反射进入AR镜片模块,该模块由场镜510、半透半反镜511和半透半反镜512组成。全息显示的三维光场通过AR镜片模块进入人眼,看到处于远处的放大的三维虚像,而环境光经过半透半反镜511和半透半反镜512进入人眼,不发生畸变,可实现AR显示效果。在此设计中,光源部分和LCOS显示光路部分为一个双层结构,能够更大效率的利用空间,并且与实施例2的近眼AR全息三维显示***相比较,减少了一个准直透镜,透镜504起到双重功能的作用,明显地缩短光路,是一种更加紧凑的近眼AR全息三维显示***。
实施例4
图4为本实施例的近眼AR全息三维显示***的示意图。其中601为光源,可以是单色LED光源或激光光源,可以是三色LED或激光光源耦合进入光纤中,分时点亮,在光纤端口发出发散球面波。光源发出的发散球面波,经反射镜602反射后再次经过半透半反镜603部分反射,反射光经过透镜604准直为平面波照明空间光调制器605,空间光调制器605为反射式振幅型或相位型LCOS,全息图经过计算机载入LCOS,计算机未在图中示出。经过调制的光场被反向衍射,通过透镜604后在透镜604的焦平面606形成频谱,在频谱平面加滤波器(图中未示出),将未被衍射的零级光及由像素结构引起的高级光滤波,后经过透镜607后衍射一段距离形成三维实像。透镜604与透镜607组合为4f滤波***。经过607透镜后的光场被反射镜608反射进入体全息光学元件609,体全息光学元件609能够对特定方向入射的特定波长的光波进行反向衍射成像,使人眼看到位于远处的再现的全息虚像。而体全息光学元件对入射光具有角度选择性,环境光可不受干扰的经过体全息光学元件609而进入眼睛,实现AR显示。彩色时序显示时,体全息光学元件609为三片体全息光学元件的叠合,每一片体全息光学元件仅对特定方向入射的特定波长的光波发生衍射作用,通过时分复用实现彩色三维显示。体全息光学元件609为全息透镜,是现有技术。
与实施例2和3的近眼AR全息三维显示***相比,AR镜片模块仅由单片或三片平面型的全息透镜组成,更薄,体积更小,重量更轻,本实施例的近眼AR全息三维显示***具有更加紧凑的结构,更具有实用价值。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光场渲染的全息图生成方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)构建至少两个光场渲染平面,每个光场渲染平面由若干个发光点组成;在一个光场渲染平面内,每个发光点的发光角度和发光方向相同;不同光场渲染平面内,每个发光点的发光角度相同而发光方向不同;
(2)将三维物体的三维点云数据分别渲染至不同光场渲染平面上,得到每个光场渲染平面的光场图像;
(3)将光场渲染平面的光场图像与该光场图像在全息面上的点扩散函数进行卷积,得到该光场图像在全息面上的复振幅;
(4)将所有光场渲染平面的光场图像在全息面上的复振幅进行叠加,得到总的物光的复振幅,引入参考光干涉计算并进行编码,得到该三维物体的全息图。
2.根据权利要求1所述的基于光场渲染的全息图生成方法,其特征在于,步骤(1)中,构建光场渲染平面时,光场渲染平面的参数由显示全息图的空间光调制器的衍射角度以及人眼分辨率决定。
5.根据权利要求1所述的基于光场渲染的全息图生成方法,其特征在于,步骤(2)包括:
根据三维物体物点的坐标、光场渲染平面的发光方向以及三维物体物点与光场渲染平面之间的距离,计算该三维物体物点在光场渲染平面上对应的坐标,并进行渲染,可得到该三维物体在该光场渲染平面上的光场图像;
对不同光场渲染平面的图像按照发光角度和方向进行渲染,得到不同光场渲染平面的光场图像。
6.一种基于光场渲染的全息图生成***,包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机存储器中并可在所述计算机处理器上执行的计算机程序,其特征在于,所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被计算机处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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