CN113330372B - 全息显示***和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在降低计算复杂度的情况下使用标准图像处理硬件生成全息图的全息显示***和方法。在一个方面，提供了一种全息图像显示***，其包括处理器，所述处理器在输入端处接收图像数据并且基于所述图像数据来产生输出全息图数据，其中所述图像数据包括能够分成位于不同图像平面处的多个二维图像层的三维图像数据，并且其中所述处理器被配置来：a)对每个图像层执行诸如傅立叶变换的空间‑频率变换，以提供经变换的图像层，b)将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，c)将伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层，并且d)将所述经变换的图像层相加以形成全息子帧，e)重复步骤(c)和步骤(d)来进行多次迭代，在每次迭代中将不同的伪随机相位因子应用于所述经变换的图像层以形成多个全息子帧，所述输出全息图数据包括所述多个全息子帧；并且f)利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动空间光调制器以生成全息图像。通过在每个图像层已经变换之后将伪随机相位因子应用于每个图像层，可生成大量全息子帧，而无需对每个子帧执行傅立叶变换。

Description

全息显示***和方法
技术领域
本发明涉及数字计算机生成全息术的领域。本发明特别涉及以减少计算负荷的方式生成在空间光调制器上显示的衍射全息图案。
背景技术
数字图像数据的捕获和显示仍将变得更加复杂。实时视频数据捕获、传输和显示现在已经司空见惯，诸如Skype和Facetime的服务可通过移动数据网络来使用。在线计算机游戏中高度逼真图像的渲染现在也很普遍。
三维图像的生成现在也变得越来越普遍。基于数字图像数据显示衍射全息图像所需的数学和技术是众所周知的。但需要处理、特别是用于移动图像全息图的数据量可能是海量的，并且计算要求非常高。出于该原因，全息显示***仍然是相对专业的产品，而并非消费者广泛可用的。
一种先前描述的用于显示全息图像的技术是单步相位恢复(OSPR)，所述技术降低全息图中的感知噪声水平。此技术描述于例如WO2007/031797中。本质上，所述技术包括快速连续地显示多个子帧全息图来代替单个全息图图像。每个子帧全息图具有特意引入其中以创建独立噪声场的不同的随机相位因子。但子帧全息图显示得很快，使得人眼仅感知到平均子帧。噪声场的平均化实际上导致感知到比每个单独子帧全息图噪声更少的全息图。
与尝试基于显示仅单个全息图帧来再现类似质量的全息图像的技术(诸如基于Gerchberg-Saxton算法的迭代技术)相比，这种技术具有减少计算需求的优势。然而，感知高质量图像所需的子帧数仍相对较大，并且对于每个子帧，需要执行多次快速傅立叶变换运算。这需要快速且高带宽存储器以及大量计算资源并且使得实际实现变得困难。
期望能够减少生成和显示高质量全息图像所需的计算资源。
发明内容
在本发明的第一方面，提供了一种全息图像显示***，其包括：
相干或部分相干光源；
空间光调制器，所述空间光调制器由所述相干或部分相干光源进行照明；以及
处理器，所述处理器被配置来利用输出全息图数据驱动所述空间光调制器，所述处理器在输入端处接收图像数据并且基于所述图像数据来产生输出全息图数据，
其中所述图像数据包括能够分成位于不同图像平面处的多个二维图像层的三维图像数据，并且其中所述处理器被配置来：
a)对每个图像层执行诸如傅立叶变换的空间-频率变换，以提供经变换的图像层，
b)将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，
c)将伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层，并且
d)将所述经变换的图像层相加以形成全息子帧，
e)重复步骤(c)和步骤(d)来进行多次迭代，在每次迭代中将不同的伪随机相位因子应用于所述经变换的图像层以形成多个全息子帧，所述输出全息图数据包括所述多个全息子帧；并且
f)利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器以生成全息图像。
所述空间-频率变换优选地是傅立叶变换，但也可使用其他变换，诸如菲涅耳变换。如果使用菲涅耳变换，则菲涅耳变换将应用聚焦因子的步骤(b)合并到所述变换中。在所述情况下，步骤(a)和步骤(b)在单个操作中执行。
通过在每个图像层已经变换之后将伪随机相位因子应用于每个图像层，可生成大量全息子帧，而无需对每个子帧执行傅立叶变换。这意指可以相对低的计算资源需求生成大量子帧。这进而意指可在短时间帧内生成高质量感知图像。有利地，可将相同伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层内的所有像素。
所述处理器有利地被配置来：在步骤(a)之前的步骤(在本文中称为步骤(x))中将初始随机相位因子应用于每个图像层。每个图像层可被复制多次并且不同的初始随机相位因子应用于给定图像层的每个副本以生成多个全复杂图像层。所述处理器可被配置来对所述多个复杂图像层中的每个层执行步骤(a)至步骤(f)以产生多组全息子帧。换言之，全息图像显示***可被配置来：在执行步骤(f)之前，针对每个图像层重复步骤(x)至步骤(e)来进行多次迭代，以产生所述多个全息子帧，其中在每次迭代中将不同的初始随机相位因子应用于对应图像层。所述处理器可被配置来：利用所述多组全息子帧中的每一者在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器，以生成全息生成的图像。
所述图像数据可包括图像帧流。每个图像帧可包括位于不同图像平面处的多个二维图像层。所述处理器可被配置来为每个图像帧生成多个全息子帧或多组全息子帧，并且利用每多个全息子帧或每多组全息子帧连续地驱动所述空间光调制器以生成移动全息图像。
每个初始随机相位因子包括用于所述图像层中的每个像素的相位值。不同的相位值可应用于不同的像素。所述相位值有利地跨所述图像层在统计上均匀地分布。有利地，将随机相位因子应用于图像帧内的每个不同的图像层。然而，相同的随机相位因子可用于图像帧流中的每个连续图像帧。因此，只需生成所述图像层中的每个层的单组初始随机相位因子。所述一组初始随机相位因子可存储在所述显示***内的非易失性存储器中。
类似地，对于单个图像帧内的每个图像层，在步骤(c)中应用于每个经变换的图像层的所述伪随机相位因子有利地是不同的。但在连续图像帧中可再次使用相同的伪随机相位因子。所述伪随机相位因子中的每个伪随机相位因子可包括应用于经变换的图像层中的所有像素的单个值。
应用于每个经变换的图像层的所述聚焦因子对应于所述层的沿着与所述图像层中的每个图像层的平面正交的轴线的位置。所述聚焦因子的所述应用可在所述空间频率变换之后执行或者可作为所述空间频率变换的一部分执行。
每个图像层可以是较低分辨率图像层。每个较低分辨率图像层通过将较高分辨率图像层分割成多个较低分辨率图像层形成。特别地，所述图像数据可呈位于不同图像平面处的多个较高分辨率二维图像层的形式。所述处理器可被配置来将每个较高分辨率二维图像层分割成同一图像平面中的多个较低分辨率图像层。每个较高分辨率图像层可包括多个像素。所述处理器可被配置来使用分块技术将每个较高分辨率图像层分割成多个所述较低分辨率图像层。每个较低分辨率图像层包括来自所述较高分辨率图像层的多个像素，使得所述较高分辨率图像层中的每个像素存在于至少一个较低分辨率图像层中。所述较高分辨率图像层中的相邻像素可有利地位于不同的较低分辨率图像层中。所述处理器然后可对每个较低分辨率图像层并行地执行步骤(a)至步骤(e)以形成所述输出全息图数据。在步骤(f)中，所述处理器可利用从同一较高分辨率二维图像层产生的全息子帧在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器。所述较低分辨率全息子帧可在重放场中倾斜或移位以确保它们正确地定位。
所述分块可在一个维度或两个维度上执行。在分块在一个维度上执行的情况下，所述较高分辨率图像层中的在所述二维较高分辨率图像层的第一维度上彼此相邻的像素出现在不同的较低分辨率图像层中，但所述较高分辨率图像层中的在所述二维较高分辨率图像层的第二维度上彼此相邻的像素出现在同一较低分辨率图像层中。在分块在两个维度上执行的情况下，所述较高分辨率图像层中的在任一维度上彼此相邻的像素出现在不同的较低分辨率图像层中。
分块策略具有几个优势。首先，在文献中已经注意到，每当两个空间相邻的像素同时彼此紧靠地显示时，它们可彼此干扰，这取决于它们的相对相位。通过驱动所述空间光调制器显示不同全息子帧中的在时间上分开的相邻像素，可避免这种干涉，从而产生较高质量图像。其次，如果不是生成多个较高分辨率全息子帧，而是生成多个较低分辨率全息子帧，则在执行傅立叶变换的步骤之前将每个图像层分割成多个较低分辨率图像层产生计算益处。
所述图像数据可包括包含三维空间中的多个点的点云，并且所述点云可被分成包括多个像素的多个图像层，所述像素中的一些像素由所述点云的点占据。单个图像帧内的图像层数可由***设计者选择，但256层是方便的数字。所述处理器可被配置来在步骤(a)之前将来自多个相邻图像层的像素组合成单个组合图像层。所述处理器可被配置来将来自每n个相邻图像层的像素组合成不同的组合图像层，其中n是大于1的整数。这在输入图像数据中的图像层数太高而不允许在显示移动全息图像所需的时间帧内生成静态全息图像的情况下是有益的。例如，如果所述输入图像数据被分成256层，则所述处理器可被配置来将每四层组合成单个组合图像层。在这种情况下，来自输入图像层1、输入图像层2、输入图像层3和输入图像层4的像素包含在第一组合图像层中，来自输入图像层5、输入图像层6、输入图像层7和输入图像层8的像素包含在第二组合图像层中，并依此类推。这将使执行时间加快四倍。
所述处理器可被配置来：对所述图像层重新排序，使得包含至少一个占据像素的图像层彼此相邻，并且其中仅对包含至少一个占据像素的层执行步骤(a)。这在处理器不具有分支预测能力的情况下特别有益。通过在执行傅立叶变换之前对层进行重新排列，可实现一些图像的处理时间的显著加快。
根据本发明的第二方面，提供了一种从三维图像数据集生成全息图的方法，所述三维数据集被分成位于不同图像平面处的多个二维图像层，所述方法包括：
a)对每个图像层执行诸如傅立叶变换的空间-频率变换，以提供经变换的图像层，
b)将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，
c)将伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层，以及
d)组合所述经变换的图像层以形成全息子帧，
e)重复步骤(c)和步骤(d)来进行多次迭代，在每次迭代中将不同的伪随机相位因子应用于所述经变换的图像层以形成多个全息子帧；以及
f)利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动空间光调制器，并且利用相干光源对所述空间光调制器进行照明以生成全息图。
所述方法可包括在步骤(a)之前将另外的伪随机相位因子应用于每个图像层的步骤。所述方法可包括将不同的初始伪随机相位因子应用于给定图像层的多个副本中的每个副本以生成多个复杂图像层。可对所述多个复杂图像层中的每个层执行步骤(a)至步骤(f)以产生多组全息子帧。可利用所述多组全息子帧中的每一者在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器，以生成全息图像。
所述图像数据可包括图像帧流。每个图像帧可包括位于不同图像平面处的多个二维图像层。所述方法可包括：为每个图像帧生成多个全息子帧或多组全息子帧，并且利用每多个全息子帧或每多组全息子帧连续地驱动所述空间光调制器以生成移动全息图像。
每个图像层可以是较低分辨率图像层。每个较低分辨率图像层可通过将较高分辨率图像层分割成所述图像平面中的多个较低分辨率图像层来形成。特别地，所述图像数据可呈位于不同图像平面处的多个较高分辨率二维图像层的形式。所述方法可包括将每个较高分辨率二维图像层分割成同一图像平面中的多个较低分辨率图像层。每个较高分辨率图像层可包括多个像素。所述方法可包括将每个较高分辨率图像层分割成多个较低分辨率图像层，使得在较高分辨率图像层中跨至少一个维度的相邻像素处于不同的较低分辨率图像层中。例如，每个较高分辨率图像层可被分割成两个或四个较低分辨率图像层。然后可对每个较低分辨率图像层并行地执行步骤(a)至步骤(e)以形成所述输出全息图数据。在步骤(f)中，可利用从同一较高分辨率二维图像层产生的全息子帧在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器。由属于同一高分辨率图像层的低分辨率图像层产生的全息子帧可在所述全息平面中倾斜或移位，使得它们在重放场中并不彼此重叠。
所述图像数据可包括包含三维空间中的多个点的点云。所述方法可包括将所述点云分成各自包括多个像素的图像层。所述像素中的一些像素由来自所述点云的点占据。所述图像数据可包括多个图像层，并且所述方法可包括在步骤(a)之前将来自多个相邻图像层的像素组合成单个组合图像层。所述方法可包括将来自每n个相邻图像层的像素组合成不同的组合图像层，其中n是大于1的整数。
所述方法可包括：对所述图像层重新排序，使得包含由来自所述点云的点占据的至少一个像素的图像层彼此相邻，其中仅对包含至少一个占据像素的层执行步骤(a)。不包含任何占据像素的图像层从确实包含至少一个占据像素的层之间移除。
根据本发明的第三方面，提供了一种全息图像显示***，其包括：
相干或部分相干光源；
空间光调制器，所述空间光调制器由所述相干或部分相干光源进行照明；
处理器，所述处理器被配置来利用输出全息图数据驱动所述空间光调制器，所述处理器在输入端处接收图像数据并且基于所述图像数据来产生输出全息图数据，
其中所述图像数据包括能够分成位于不同图像平面处的多个二维图像层的三维图像数据，其中每个图像层包括多个像素，并且其中所述处理器被配置来：
将每个图像层分成多个子图像，使得所述图像层中的相邻像素位于不同的子图像中，
对每个子图像执行诸如傅里叶变换的空间-频率变换，以提供多个经变换的子图像，并且组合所述经变换的子图像以形成完整的经变换的图像层，
将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，组合所述经变换的图像层以形成全息子帧，并且
利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器以生成全息图。
如本文所用，“相邻”意指在至少一个维度或方向上相邻。特别地，所述图像层中相邻像素位于不同的子图像中的要求可以是指跨二维图像层中的仅一个维度的相邻
应当清楚，关于本发明的一个方面描述的特征可适用于本发明的其他方面。特别地，第一方面的特征可适用于本发明的第二和第三方面。
附图说明
现将参考附图详细地描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是根据本发明的全息显示***的示意图；
图2是根据本发明的被配置来执行处理步骤的计算机***的部件的示意图；
图3示出了将点云划分成多个图像层；
图4示出了根据本发明的图像处理方法；
图5示出了将较高分辨率图像层划分成四个较低分辨率图像层；
图6的(a)和图6的(b)示出了重放场中经变换的图像层的移位；
图7示出了将较高分辨率图像层划分成两个较低分辨率图像层；
图8示出了重放场中经变换的图像层的移位；并且
图9示出了在处理之前重新排列图像层的过程。
具体实施方式
图1是全息显示***的示意图。***包括全息投影仪20和驱动计算机10。全息投影仪包括被配置来对二进制空间光调制器(SLM)24进行照明的激光照明模块22。激光照明模块包括三个激光二极管(红、绿、蓝)。激光照明模块组合来自激光二极管的输出并使其准直。激光照明模块22通过激光驱动器板26连接到驱动计算机。二进制SLM 24也连接到驱动计算机10并且受其控制。SLM可以是液晶装置(LCD)或数字微镜装置(DMD)。来自激光照明模块的激光从SLM反射(或透射通过SLM)以形成全息图。SLM向计算机10或直接向激光驱动器板26提供同步信号。激光驱动器板26调度激光脉冲以匹配由SLM显示的帧。来自SLM的光穿过光学图像放大***28和分束器29，之后到达用户的眼睛30。光学图像放大***可以是多透镜光学***。
驱动计算机控制SLM以控制全息图的性质。在此实施方案中，***被配置来通过生成快速连续地显示的全息帧序列来生成移动全息图像。
图2是驱动SLM所涉及的驱动计算机的基本部件的示意图。计算机包括输入缓冲器12、图形处理单元(GPU)14和输出缓冲器16以及控制器18。输入缓冲器12接收呈一系列三维帧形式的三维图像数据，每个三维帧被划分成多个图像切片或层。每个图像层本质上是二维图像，其中切片沿着三维图像的z轴排列。
图3示出了将三维点云图像划分成图像层。为清楚地说明，将图像划分成仅16个层，但在实际实现方式中，使用更大数量的层，通常为256层。
图像层由GPU 14处理以产生全息帧(或子帧，如将描述的)序列。全息帧被输出到输出缓冲器。然后在控制器的控制下，全息帧从输出缓冲器输出到空间光调制器24。输出到SLM 24的全息帧可各自包括24位位图，其中红色、绿色和蓝色通道中的每一者具有8个位。这些可各自由SLM驱动器分割成24个二进制全息帧，这些帧然后顺序地显示在SLM上。
GPU被编程来根据下文参考图4、图5、图6、图7、图8和图9所述的过程来处理输入图像层。
图4示出了从单个图像帧生成多个全息子帧的过程。图像帧包括多个图像层，如前所述。图4示出了N个图像层。在此示例中，N等于256，但为了便于说明，示出了仅三个图像层。
在不添加任何随机相位的情况下，来自深度z＝zq处的单个图像层ψ(u,v,z)的对最终全息图的贡献可写为：
Figure GDA0003160583680000121
考虑到可随机地选择显示场景中的初始对象相位，这可近似为：
Figure GDA0003160583680000122
其中Z3(x,y)是第三泽尔尼克多项式(二次相位聚焦因子)：
Z3(x,y)＝(x2+y2)
并且α是缩放常数，其取决于***的物理设置(例如空间光调制器的性质和激光波长)。
所有层在复杂场中的贡献是总和：
Figure GDA0003160583680000131
如果
Figure GDA0003160583680000132
则总和可写为：
Figure GDA0003160583680000133
然而，在步骤405中，将初始随机相位因子添加到每个层。应用于每个图像层的初始随机相位因子包括针对图像层中的每个像素的相位值。相位值跨图像层具有在统计上均匀的分布。因此，每个随机相位因子可包括要应用于包括2048x2048像素的图像层的2048x2048随机数矩阵。每个图像层设置有不同的初始随机相位因子。然而，相同的初始随机相位因子可应用于图像层的视频流中的后续图像帧。
输入随机相位可表达为θj(u,v)。然后每个图像帧的复杂场可写为：
Figure GDA0003160583680000134
在应用初始随机相位因子之后，每个图像层在步骤410中经历傅立叶变换。这是计算成本最高的步骤。
在傅立叶变换之后，在步骤415中将适当的聚焦因子
Figure GDA0003160583680000141
添加到每个层。图像层是在沿着投影轴的不同深度处穿过图像的切片。聚焦因子取决于图像层在三维图像内的深度，并且确保三维图像正确地重构。
在步骤420中，引入另外的伪随机相位贡献以便生成多个全息子帧。步骤420中所引入的伪随机相位贡献与每个经变换的图像层内的坐标(u，v)无关。这意指可在傅立叶变换步骤之后应用另外的伪随机相位贡献。
在步骤415之后，将另外的伪随机相位贡献添加到每个经变换的图像层。每个图像层接收不同的伪随机相位因子。随后在步骤425中将图像层相加以在步骤430中生成全息子帧。然而，步骤420和425重复多次，其中利用每次迭代将不同的另外的随机相位贡献添加到每个图像层。
另外的随机相位贡献可表达为θprand(q，k)，其中q是图像层数并且k是迭代数。然后每个图像帧的复杂场可写为：
Figure GDA0003160583680000142
由于伪随机相位贡献与每个经变换的图像层内的坐标(u，v)无关，因此这可重写为：
Figure GDA0003160583680000143
因为在傅立叶变换步骤之后应用了另外的伪随机相位贡献，所以这允许以相对少的计算开销从单组经傅立叶变换的输入图像层生成多个全息子帧。
空间光调制器用多个全息子帧在时间上快速连续地驱动。这产生了被人眼感知为具有相对少的噪声的图像，因为通过对多个子帧平均化消除了噪声。
可看出，为了产生单个全息子帧，需要执行与输入图像层数一样多次数的傅里叶变换，所述层数通常为256层。在不使用添加另外的随机相位贡献的所述技术的情况下，为了创建下一子帧，需要执行另外256次傅立叶变换。由于傅立叶变换运算最耗时，因此全息算法的执行时间将与全息子帧的数量成线性比例。为了实现良好的噪声消除，需要每图像帧多达24个全息子帧，从而将(取决于层数的)全息图生成时间延长至若干秒。这在试图产生移动图像时是不切实际的。
通过在傅立叶变换之后添加另外的随机相位贡献，可在无需执行更多傅立叶变换的情况下产生多个全息子帧。通过多次执行步骤405至425，可从单个图像帧产生多个全息子帧。通过在傅立叶变换步骤之后添加另外的伪随机相位贡献产生的子帧可称为伪子帧。为了产生24个全息子帧，可例如通过执行步骤405、步骤410和步骤415进行三次迭代来产生三个批次的八个伪子帧，其中每次迭代在步骤405中添加不同的初始随机相位，并且对于三次迭代中的每一次，通过执行步骤420和步骤425进行八次迭代来产生八个伪子帧，其中在每次迭代中添加不同的另外的伪随机相位贡献。在实践中，这通过产生质量相当于执行步骤405至步骤415的12次迭代而只需要执行这些步骤进行三次迭代的图像而产生四倍加速。
减少生成全息帧的计算开销的另外的技术是使用分块技术划分每个图像层。每个图像层被划分成多个较低分辨率图像，所述图像然后进行傅立叶变换。经变换的层然后在全息图平面中重新组合。第一示例在图5和图6中示出。
首先将每个图像层分成多个较低分辨率子图像。在图5和图6的示例中，存在四个子图像，但在相同类型的方案中可使用8个或16个子图像。将图像层500分割成多个2x2网格510。然后通过从每个2x2网格中获取空间对应的像素来形成每个子图像。因此，在此示例中，一个子图像由从每个2x2网格内左上位置获取的像素520形成，第二子图像由来自右上位置的像素525形成，第三子图像由来自左下位置的像素530形成，并且第四子图像由来自右下位置的像素535形成。
然后根据关于图4描述的过程处理子图像中的每个子图像以产生全息子帧。特别地，每个子图像经历傅立叶变换。因为每个子图像具有四分之一像素数，所以处理每个子图像的计算成本较低。
每个子图像的傅立叶变换的结果为：为原始图像帧大小的四分之一的全息图。为了再现原始大小的图像，较小全息图中的每个全息图在重放场中进行分块，并且快速连续地显示。图6的(a)和图6的(b)示出了分块过程。每个较小全息子帧610在重放场中被采样，使得其分布在多个2x2网格上，但在每个网格中仅填充左上像素。这在图6的(a)中示出。变换子图像600以产生低分辨率全息图610。为了将每个像素移位到重放场中的正确位置，在傅立叶变换之前根据每个子图像600所基于的原始图像的部分将可变图像倾斜620应用于每个子图像600，以产生移位低分辨率全息图620。这在图6的(b)中示出。
图7和图8示出了分块过程的另一个示例。在图7和图8的示例中，分块跨二维图像层的仅一个维度执行。较高分辨率图像700中的每个像素720被分配给两个较低分辨率子图像中的一个子图像。在此示例中，每个像素被分配给与水平维度上的相邻像素不同的子图像。但每个像素被分配给与竖直维度上的相邻像素相同的子图像。这产生两个较低分辨率子图像730、740，每个子图像具有与原始较高分辨率图像不同的纵横比。
然后根据关于图4描述的过程处理子图像中的每个子图像以产生全息子帧。特别地，每个子图像经历傅立叶变换。因为每个子图像具有一半像素数，所以处理每个子图像的计算成本较低。
每个子图像的傅立叶变换的结果为：为原始图像帧大小的一半的全息图。为了再现原始大小的图像，较小全息图中的每个全息图在重放场中进行分块，并且快速连续地显示。这在图8中示出。在重放场中对每个较小全息子帧进行采样，使得其分布在多条竖直线750上。为了将每个像素移位到重放场中的正确位置，在傅立叶变换之前根据每个子图像所基于的原始图像的部分将可变图像倾斜应用于每个子图像，以产生移位低分辨率全息图，其方式与参考图6所述相同。
除了减少计算时间，分块过程还具有另外的益处，即在不同时间显示全息图中的空间相邻像素。这消除了相邻像素之间的干涉效应。但如果子帧显示得足够快，人眼和大脑就将会合并子帧，使得观看者体验到单个更高分辨率图像。
可采取来减少计算时间的另外的步骤是减少在生成全息子帧之前使用的图像层数。例如，如果接收到的图像数据包含256个图像层，则可合并图像层以减少需要处理、特别是需要进行傅立叶变换的层数。这可描述为层抽取，其中图像层数按抽取因子缩减。例如，在抽取因子为4的情况下，来自图像层1、图像层2、图像层3和图像层4的所有像素包含在新抽取层1中。层5、层6、层7和层8包含在抽取层2中，并依此类推。在来自原始图像层的占据像素在抽取层中重叠的情况下，则可使用平均值。
可采取来减少计算时间的另外的步骤是：识别包含任何占据像素的图像层，然后对层重新排序，使得不转换任何空层。GPU(诸如使用NVidia的CUDA语言的那些GPU)通常不具备执行分支预测的能力。图像层在分批操作中并行处理，使得在运行时跳过空层并不产生操作加速。在四个层并行处理并且层1和层4包含像素但层2和层3不包含像素的示例中，GPU仍将对所有四层执行傅立叶变换运算，即使对于两个层来说不需要也是如此。
因此，为了减少处理负荷，可在处理前识别空图像层，然后对层重新排列以确保GPU的最佳使用。方法可包括以下步骤：
1)解析输入图像数据以确定哪些图像层包含占据像素，即为非空层
2)对层信息重新排列以将非空层彼此紧靠地堆叠
3)对仅非空层执行傅立叶变换运算
4)将适当的聚焦因子应用于经变换的层，如参考图4所述
图9示出了在层2、层3、层5和层8为空的八个图像层的示例中的重新排序过程。可看出，原始层一对应于重新排序层1，原始层4变成了层2，层6变成了层3，并且层7变成了层4。然后在合并之前变换仅包含占据像素的四个层。此过程可显著加快处理，特别是在稀疏点云数据的情况下。重新排序过程在任何其他处理步骤之前执行。参考图2，一旦GPU 14接收到图像层，就在控制器18的控制下在GPU 14中执行重新排序过程。
通过使用所描述的技术，可显著加快生成全息子帧的过程，使得可接受分辨率的实时移动图像全息图可使用标准GPU硬件生成。在实践中，加速可为超过两个数量级。

Claims (14)

1.一种全息图像显示***，其包括：
相干或部分相干光源；
空间光调制器，所述空间光调制器由所述相干或部分相干光源进行照明；
处理器，所述处理器被配置来利用输出全息图数据驱动所述空间光调制器，所述处理器在输入端处接收图像数据并且基于所述图像数据来产生输出全息图数据，
其中所述图像数据包括能够分成位于不同图像平面处的多个二维图像层的三维图像数据，并且其中所述处理器被配置来：
a)对每个图像层执行傅立叶变换，以提供经变换的图像层，
b)将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，
c)将伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层，其中所述伪随机相位因子跨每个经变换的图像层是恒定的，并且
d)将所述经变换的图像层相加以形成全息子帧，
e)重复步骤(c)和步骤(d)来进行多次迭代，在每次迭代中将不同的伪随机相位因子应用于所述经变换的图像层以形成多个全息子帧，所述多个全息子帧形成所述输出全息图数据；并且
f)利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动所述空间光调制器。
2.根据权利要求1所述的全息图像显示***，其中所述处理器被配置来：在步骤(a)之前的步骤(x)中将初始随机相位因子应用于每个图像层。
3.根据权利要求2所述的全息图像显示***，其中所述处理器被配置来：在执行步骤(f)之前，针对每个图像层重复步骤(x)至步骤(e)来进行多次迭代，以产生所述多个全息子帧，其中在每次迭代中将不同的初始随机相位因子应用于对应图像层。
4.根据权利要求2或3所述的全息图像显示***，其中每个初始随机相位因子包括用于所述图像层中的每个像素的相位值，并且其中所述相位值跨所述图像层在统计上均匀地分布。
5.根据权利要求2或3所述的全息图像显示***，其中所述图像数据包括位于不同图像平面处的所述多个二维图像层，每个二维图像层包括多个像素，并且其中所述处理器被配置来将每个二维图像层分割成同一图像平面中的多个较低分辨率图像层，使得所述二维图像层中的相邻像素位于不同较低分辨率图像层中，所述多个较低分辨率图像层是对其并行地执行步骤(a)以形成多个经变换的子图像的所述图像层，其中所述经变换的子图像被分块以形成所述经变换的图像层。
6.根据权利要求1所述的全息图像显示***，其中所述图像数据包括包含三维空间中的多个点的点云，并且其中所述点云被分成所述多个二维图像层，使得所述点云的所述点占据所述多个二维图像层中的像素。
7.根据权利要求6所述的全息图像显示***，其中所述处理器被配置来：在步骤(a)之前，组合多个相邻图像层，使得所述多个相邻图像层中的所有所述像素包含在单个组合图像层中。
8.根据权利要求6或7所述的全息图像显示***，其中所述处理器被配置来：确定哪些图像层不包含任何占据像素，并且对所述处理器内的图像层的序列重新排序，使得包含至少一个占据像素的所述图像层在所述序列中彼此相邻，并且其中仅对包含至少一个占据像素的层执行步骤(a)至步骤(f)。
9.一种从三维图像数据集生成全息图的方法，所述三维图像数据集被分成位于不同图像平面处的多个二维图像层，所述方法包括：
a)对每个图像层执行傅立叶变换，以提供经变换的图像层，
b)将聚焦因子应用于每个经变换的图像层，
c)将伪随机相位因子应用于每个经变换的图像层，其中所述伪随机相位因子跨每个经变换的图像层是恒定的，以及
d)组合所述经变换的图像层以形成全息子帧，
e)重复步骤(c)和步骤(d)来进行多次迭代，在每次迭代中将不同的伪随机相位因子应用于所述经变换的图像层以形成多个全息子帧；以及
f)利用所述全息子帧在时间上快速连续地驱动空间光调制器，并且利用相干光源对所述空间光调制器进行照明。
10.根据权利要求9所述的方法，其包括在步骤(a)之前将另外的随机相位因子应用于每个图像层的步骤。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中每个图像层包括多个像素，并且其中步骤(a)包括：将每个图像层分成多个子图像，使得所述图像层中的相邻像素位于不同的子图像中；对每个子图像执行所述傅立叶变换，以提供多个经变换的子图像；以及对所述经变换的子图像进行分块以形成经变换的图像层。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述图像数据包括包含三维空间中的多个点的点云，所述方法包括将所述点云分成所述多个二维图像层，使得所述点云的所述点占据所述多个二维图像层中的像素。
13.根据权利要求12所述的方法，其包括在步骤(a)之前组合多个相邻图像层以使得来自所述多个相邻图像层的像素包含在单个组合图像层中的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其包括确定哪些图像层不包含任何占据像素，并且对所述图像层的序列重新排序，使得包含至少一个占据像素的图像层在所述序列中彼此相邻，并且其中仅对包含至少一个占据像素的层执行步骤(a)至步骤(f)。
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