CN118331014A - 一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，根据实际需求设定时间复用全息图的帧数，随机初始化全息图；对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，利用衍射算法从初始全息图重建目标位置的光场，并计算重建的光强分布；根据时间复用方法计算所有帧的平均光强，得到重建图像，将重建的图像和目标的立体图像带入损失函数，得到损失值；以减小损失值为目标，利用随机梯度下降算法更新全息图，不断优化全息图，当优化的次数满足设定的次数，或重建图像的质量达到要求后，停止优化；将优化好的全息图加载到空间光调制器上，从而获得全息图的再现像。以及提供一种增强深度线索和抗干扰的全息显示***。本发明***结构简单，性能稳定，增强图像的深度线索。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息显示技术领域，具体是一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法及***。
背景技术
为了在虚拟世界中获得更逼真的视觉感知，人们对显示设备提出了更高的要求。与其他3D显示设备相比，计算全息技术可以利用平面的空间光调制器动态的对光场调制，在开发3D显示设备方面有显著的优势。因此，基于计算全息技术的显示设备很有可能成为下一代的AR和VR平台。
由于人眼对清晰图像的敏感度较高，对自然模糊图像的敏感度较低，因此人眼对于深度的感知主要是由模糊驱动的。但是目前空间光调制器受限于像素尺寸、像素数量和空间带宽积，难以模拟自然光在物体表面的漫反射形成的自然模糊效果。另一方面，全息显示***中设备的固有缺陷往往使得全息显示的实际效果远不如仿真的效果。其中由于像素填充系数低等原因造成空间光调制器的低衍射效率和设备中灰尘等杂质造成光学元件表面的衍射干扰一直是目前全息显示设备的基本问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法及***，本发明通过在全息显示***中添加高通滤波器的方式，滤除了光场中的直流信号和低频信号，实现增强深度线索和抗干扰的效果。
基于以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实际需求设定时间复用全息图的帧数，随机初始化全息图；
步骤二：对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，利用衍射算法从初始全息图重建目标位置的光场，得到重建的复振幅光场，并计算重建的光强分布。根据时间复用方法，计算所有帧的平均光强，得到重建图像，将重建的图像和目标的立体图像带入损失函数，得到损失值；
步骤三：以减小损失值为目标，利用随机梯度下降算法更新全息图，不断优化全息图，当优化的次数满足设定的次数，或重建图像的质量达到要求后，停止优化；
步骤四：将优化好的全息图加载到空间光调制器上，从而获得全息图的再现像。
进一步，所述步骤二中，对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，是指通过在傅立叶频域添加二进制掩模的方式，滤除复振幅光场的高频和低频区域的信号。
优选的，所述步骤二中，衍射算法是指角谱法，或其他可微分的衍射算法。
再优选的，所述步骤二中，时间复用方法是指利用人眼视觉暂留现象，在视觉暂留时间内以相同的时间间隔显示多帧图像，使得人眼最终观察到的图像是所有帧图像的平均。
更优选的，所述步骤二中，损失函数是指均方误差损失函数。
一种增强深度线索和抗干扰的全息显示***，所述的增强深度线索和抗干扰的全息显示***通过时间复用、空间滤波和优化计算实现目标物体的全息成像，所述的增强深度线索和抗干扰的全息显示***包括光源、空间光调制模块、空间滤波模块、成像模块和用于用做控制激光器和空间光调制器之间的同步同时控制相机传感器捕获图像并存储信息的计算机，所述光源包括激光器、准直透镜和偏振片，所述的激光器用于产生相干光场，所述的准直透镜用于将激光器产生的相干光场准直为平行光出射，所述偏振片用于将平行光被调制为线偏光；所述空间光调制模块包括空间光调制器和分束镜，所述的空间光调制器用于加载全息图并调制相干光场；所述空间滤波模块包括第一透镜组和空间光滤波器；所述成像模块包括第二透镜组的相机传感器；
其中，激光器产生的激光首先通过准直透镜和偏振片形成平行的线偏光束；然后光束通过分束镜被反射进入空间光调制器表面，进行调制；调制后的光束从空间光调制器表面出射，透过分束镜进入第一透镜组，聚焦在空间光滤波器平面，并被空间光滤波器遮挡中心低频信号和高频信号；光束从空间光滤波器出射后被第二透镜组重建为平行光场，并最后在相机传感器上成像。
进一步，所述的空间光调制器为高刷新率的空间光调制器。
再进一步，所述的分束镜用于反射激光器的出射光，使其以合适的角度入射空间光调制器表面。
更进一步，所述的空间光滤波器为传统的低通滤波器和高通滤波器的结合，低通滤波器用于滤除高级衍射光，高通滤波器用于滤除光场中的低频信号和直流分量。
本发明的有益效果为：***结构简单，性能稳定，通过空间滤波模块滤波消除了光场中的直流分量和低频噪声，同时可以在提供高质量全息图像的情况下，增强图像的深度线索。
附图说明
图1是本发明的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示***的结构示意图；
图2是本发明采用的空间光滤波器的示意图；
图3是本发明的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法的流程图；
图4是本发明不同帧数的重建图像仿真质量柱状图；
图5是本发明和传统方法的实验效果对比图，其中，(a)3D场景的全聚焦图像，(b)传统不加空间滤波器方法的在近处捕获的图像，(c)本发明在近处捕获的图像，(d)3D场景的深度图，(e)传统不加空间滤波器方法的在远处捕获的图像，(f)本发明在远处捕获的图像。
附图标记说明：1、光源；11、激光器；12、准直透镜；13；偏振片；2、空间光调制模块；21、空间光调制器；22、分束镜；3、空间滤波模块；31、第一透镜组；32、空间光滤波器；4、成像模块；41、第二透镜组；42、相机传感器；5、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同变换均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参照图1～图5，一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实际需求设定时间复用全息图的帧数T，随机初始化全息图，全息图的初始光场为u＝A(x,y)eiφ(x,y)；
其中，A(x,y)是全息图初始光场的振幅分布，φ(x,y)是全息图初始光场的相位分布。
步骤二：使用角谱法作为衍射算法
其中，表示傅立叶变换函数，fx和fy分别表示x轴方向和y轴方向上的空间频率，z表示光场传播距离，表示传输矩阵。
其中，λ表示光的波长。
对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，则基于角谱法作为衍射算法被修改为
其中，表示滤波后的传输矩阵。
根据时间复用方法，计算所有帧的平均光强，得到重建图像，将重建的图像和目标的立体图像带入损失函数，得到损失值Loss为
其中，Atarget是目标图像的光强分布，s是光强相关的比例因子，ut表示第t帧全息图；
步骤三：将计算得到的总损失函数Loss对全息图u进行梯度计算，得到梯度值根据反向传播公式u'＝u-lr*Grad，得到更新后的纯相位全息图u'，其中lr是学习率；将全息图重建，计算总损失值，进行梯度的计算，最后根据反向传播算法对全息图进行更新的过程视作一次优化全息图的过程，不断重复优化全息图的过程；直至优化的次数达到设定的上限，或重建的图像通过计算得到其峰值信噪比指标，指标达到阈值后停止优化，并保留最后一次迭代得到的全息图作为优化好的全息图；
步骤四：在计算机的控制下，将优化好的全息图加载到空间光调制器上并和激光器同步刷新，从而获得全息图的再现像。
本发明实例提供了一种增强深度线索和抗干扰的全息显示***。参照图1，一种增强深度线索和抗干扰的全息显示***，包括光源1、空间光调制模块2、空间滤波模块3、成像模块4和计算机。本实例实施过程中，激光从光源1出射，经过空间光调制模块2调制为全息光场，经过空间滤波模块3滤波后，最终由成像模块记录重建图像信息。计算机5用作协调光源1和空间光调制模块2，以及成像模块4存储信息。
所述的光源1包括激光器11、准直透镜12和偏振片13。激光器11可以在计算机5控制下产生红色、绿色和蓝色三种相干光。相干光经过准直透镜12后成为平行光进入偏振片13，最终被调制为线偏光入射空间光调制模块2。
所述的空间光调制模块2包括空间光调制器21和分束镜22。入射空间光调制模块2的光束被分束镜22反射后进入空间光调制器21的表面。光束经过空间光调制器21的调制后反射回分束镜22，最终透射过分束镜22入射空间滤波模块3。所述的空间光调制器21为高刷新率的空间光调制器。空间光调制器21可以为纯振幅空间光调制器、纯相位空间光调制器或复振幅空间光调制器。
所述的空间滤波模块3包括第一透镜组31和空间光滤波器32。入射的光束通过第一透镜组31汇聚在空间光滤波器32中心，经过空间光滤波器32滤波后入射成像模块4。所述的第一透镜组31的焦距为75mm。所述的空间光滤波器32被放置在第一透镜组31的后焦面上。所述的空间光滤波器的结构如图2所示，中心是直径为0.6mm的圆形不透光结构。
所述的成像模块4包括第二透镜组41和相机传感器42。入射光束通过第二透镜组41最终成像在相机传感器42上。本实例中，所述的第二透镜组41为50mm相机镜头。
所述的计算机5用做控制激光器11和空间光调制器21之间的同步，同时控制相机传感器42捕获图像并存储信息。
其中，激光器11产生的激光首先通过准直透镜12和偏振片13形成平行的线偏光束；然后光束通过分束镜22被反射进入空间光调制器21表面，进行调制；调制后的光束从空间光调制器21表面出射，透过分束镜22进入第一透镜组31，聚焦在空间光滤波器32平面，并被空间光滤波器32遮挡中心低频信号和高频信号；光束从空间光滤波器32出射后被第二透镜组41重建为平行光场，并最后在相机传感器42上成像。
在本发明的实施例中，利用图3所示的方法，目标图像分辨率设定为1024x1024，空间光调制器的分辨率为1920x1080，波长设定为520nm。采用八个深度的分层立体图像，深度分别为0mm,1.78mm,3.66mm,5.63mm,7.70mm,9.88mm,12.17mm,和14.6mm。本发明实施例中不同帧数的仿真重建图像的峰值信噪比(PSNR)指标柱状图如图4所示。实验捕获的结果如图5所示，展示了现有技术和本发明在0mm，5.63mm和14.6mm处的仿真重建图。第一列是渲染的目标真实图像和深度图；第二列是传统不加空间滤波器方法的实验捕获图像；第三列是本实例的实验捕获图像。可以看出本发明方法与传统方法相比有根明显的深度线索，以及在聚焦面对于灰尘等噪声所造成的衍射环有更好的抗干扰能力。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据实际需求设定时间复用全息图的帧数，随机初始化全息图；
步骤二：对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，利用衍射算法从初始全息图重建目标位置的光场，得到重建的复振幅光场，并计算重建的光强分布；根据时间复用方法，计算所有帧的平均光强，得到重建图像，将重建的图像和目标的立体图像带入损失函数，得到损失值；
步骤三：以减小损失值为目标，利用随机梯度下降算法更新全息图，不断优化全息图，当优化的次数满足设定的次数，或重建图像的质量达到要求后，停止优化；
步骤四：将优化好的全息图加载到空间光调制器上，从而获得全息图的再现像。
2.如权利要求1所述的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，其特征在于，所述步骤二中，对带滤波器的光场传播过程进行数字建模，是指通过在傅立叶频域添加二进制掩模的方式，滤除复振幅光场的高频和低频区域的信号。
3.如权利要求1或2所述的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，其特征在于，所述步骤二中，衍射算法是指角谱法，或其他可微分的衍射算法。
4.如权利要求1或2所述的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，其特征在于，所述步骤二中，时间复用方法是指利用人眼视觉暂留现象，在视觉暂留时间内以相同的时间间隔显示多帧图像，使得人眼最终观察到的图像是所有帧图像的平均。
5.如权利要求1或2所述的一种增强深度线索和抗干扰的全息显示方法，其特征在于，所述步骤二中，损失函数是指均方误差损失函数。
6.一种实现如权利要求1所述的增强深度线索和抗干扰的全息显示方法的***，其特征在于，所述***通过时间复用、空间滤波和优化计算实现目标物体的全息成像，所述***包括光源、空间光调制模块、空间滤波模块、成像模块和用于用做控制激光器和空间光调制器之间的同步同时控制相机传感器捕获图像并存储信息的计算机，所述光源包括激光器、准直透镜和偏振片，所述的激光器用于产生相干光场，所述的准直透镜用于将激光器产生的相干光场准直为平行光出射，所述偏振片用于将平行光被调制为线偏光；所述空间光调制模块包括空间光调制器和分束镜，所述的空间光调制器用于加载全息图并调制相干光场；所述空间滤波模块包括第一透镜组和空间光滤波器；所述成像模块包括第二透镜组的相机传感器；
其中，激光器产生的激光首先通过准直透镜和偏振片形成平行的线偏光束，然后光束通过分束镜被反射进入空间光调制器表面，进行调制；调制后的光束从空间光调制器表面出射，透过分束镜进入第一透镜组，聚焦在空间光滤波器平面，并被空间光滤波器遮挡中心低频信号和高频信号；光束从空间光滤波器出射后被第二透镜组重建为平行光场，并最后在相机传感器上成像。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述的空间光调制器为高刷新率的空间光调制器。
8.如权利要求6或7所述的***，其特征在于，所述的分束镜用于反射激光器的出射光，使其以合适的角度入射空间光调制器表面。
9.如权利要求6或7所述的***，其特征在于，所述的空间光滤波器为传统的低通滤波器和高通滤波器的结合，低通滤波器用于滤除高级衍射光，高通滤波器用于滤除光场中的低频信号和直流分量。
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