CN101512445B - 借助亚全息图实时生成视频全息图的方法 - Google Patents

Abstract

一种为包含至少一个光调制装置(SLM)的图像回放装置(HAE)实时生成视频全息图的方法，其中被分成物点(OP)的场景(3D-S)被编码为总全息图(H∑_SLM)，可以从位于视频全息图的再现的周期性区间中的可见区(VR)中被作为再现看到，可见区(VR)与要被再现的场景(3D-S)的每个物点(OP)限定亚全息图(SH)，总全息图(H∑_SLM)通过亚全息图(SH)的基值的叠加形成，其特征在于对于每个物点(OP)，都可以从至少一个查找表确定场景(3D-S)的全部再现中亚全息图(SH)的基值。

Description

借助亚全息图实时生成视频全息图的方法

技术领域

本发明涉及一种由具有深度信息的图像数据实时生成视频全息图，具体说是计算机生成的视频全息图(CGNH)的方法。在全息再现三维物体或三维场景时，通过相干光波的干涉和叠加生成光波阵面。 

背景技术

与以照相或干涉图样的形式的其他格式方式存储的传统的全息图相反，视频全息图作为由三维场景的序列及其在电子装置中所存储的序列计算全息图数据的结果存在。 

在全息显示装置中，能生成干涉的调制光以光波阵面的形式在观察者眼睛前面的空间传播，该光波阵面可以通过振幅和/或相位值控制，所述光波阵面从而再现三维场景。通过控制具有视频全息图的全息值的光调制装置，使得发出的在其像素内被调制的波场在空间中通过产生干涉再现所需的三维场景。 

全息显示装置典型地包含可控像素的排列，该可控像素的排列通过电子影响照射光的振幅和/或相位再现物点。在本文件中，术语“像素”指光调制装置中的可控的全息图像素；像素由全息点的离散值单独寻址和控制。每个像素表示视频全息图的全息点。在LCD中，术语“像素”用于显示屏幕的可独立寻址的图像点。在数字光处理显示器(DLP)中，术语“像素”用于单个微镜或一小组微镜。在连续SLM中，“像素”是光调制装置上的过渡区，表示复杂的全息点。因此术语“像素”一般是指表示或能显示复全息点的最小单元。 

公知的有多种光调制装置，例如空间光调制器(SLM)形式的光调制装置。光调制装置可以是连续型的或阵列型的。例如，其可以是具有阵列控制的连续SLM或声光调制器(AOM)。液晶显示器(LCD)就是这种通过光图样的调幅再现视频全息图的合适的显示装置的实例。但是，本发明还可以用于使用相干光调制光波阵面的其他可控装置。

较佳地用于本发明的全息显示装置实质上基于以下原理：在至少一个光调制装置上将被分成物点的场景作为总全息图编码。可以从可见区观看再现的该场景，该可见区位于再现的视频全息图的一个周期区间内。为要被再现的场景的每个物点定义亚全息图。通过亚全息图的叠加形成总全息图。一般说来，此原理是主要再现将由物体发出进入一个或多个可见区的波阵面。单个物点的再现仅需要一个亚全息图作为光调制装置上编码的总全息图的子集。全息显示装置包含至少一个屏幕装置。屏幕装置是编码场景的全息图的光调制器本身，或者是光调制器上编码的场景的全息图或波阵面成像到其上的光学元件，如透镜或反射镜。 

申请人提出的其他文件中已说明了可见区中屏幕装置的定义和相应的场景再现的原理。第WO 2004/044659号和第WO 2006/027228号专利文件中，屏幕装置是光调制器本身。第WO 2006/119760号“由于场景全息再现的投射装置和方法”的专利文件中，场景装置是光调制器上编码的全息图所成像到的光学元件。第DE 10 2006 004 300号“用于场景的全息再现的投射装置”的专利文件中，屏幕装置是光调制器上编码的场景的波阵面所成像到的光学元件。 

可见区是观察者可以见到整个再现场景的有限区域。在可见区内，波场干涉以形成波阵面，使得再现场景对于观察者可见。可见区位于或靠近观察者的眼睛。可见区可以在X、Y和Z方向移动，借助公知的位置探测和跟踪系统将可见区跟踪到实际的观察者位置。每个观察者可以使用两个可见区，每只眼睛一个。一般说来也可以有可见区的其他实施例。还可以编码视频全息图，从而对观察者而言，单个物体或整个场景看起来位于光调制器的后方。 

虚拟的截头锥体形的再现空间在全息显示装置的光调制装置与可见区之间延伸，其中光调制器表示底部，而可见区表示截头锥体的顶部。如 果可见区十分小，则截头锥体可以近似为锥形。观察者通过可见区观看全息显示装置，在可见区接收表示场景的波阵面。 

申请人提出的第WO/2006/066906号专利文件中说明了一种计算视频全息图的方法。总体上包括以下步骤：将场景切分为平行于光调制器平面的剖面，将所有这些剖面变换成可见区并将其相加。而后，相加的结果被逆变换成光调制器所在的全息平面，从而确定视频全息图的复全息值。 

该方法实质上借助计算机对三维场景执行以下步骤： 

根据每个断层场景剖面的每个物数据集，为观察者平面计算分开的二维波场分布形式的衍射图像，该观察者平面位于距剖面有限远的距离并平行于剖面，其中为至少一个通用可见区计算所有剖面的波场， 

将所有剖面的计算分布相加，以便限定涉及观察者平面参考的数据集中的可见区的总波场，以及 

将为场景的通用计算机生成全息图生成全息数据集的参考数据集变换到位于距参考平面有限距离并平行于参考平面的全息平面中，其中光调制装置位于全息平面中。 

根据第WO/2006/066906号专利文件，复全息值的生成十分复杂。由于有大量必要的变换，该方法的实施代理极大的计算量。全息值的实时编码或生成需要高成本、高性能的计算单元。这种昂贵的计算单元将限制或损害数字视频全息图的认可度。 

发明内容

因而，本发明的一个目的在于提供一种由具有深度信息的三维图像数据实时生成视频全息图的方法。使用简单而便宜的计算单元便可以生成这些全息图。 

该目的通过一种方法达成，该方法对于所有物点，可以从至少一个查找表中搜索亚全息图对场景的全部再现的基值。这些亚全息图叠加以形成用于再现整个场景的总全息图。 

根据本发明的方法适合于权利要求1前序部分定义的全息显示装置。 这种具有适当的光调制器装置的全息显示装置基于叠加波场的原理，利用至少一个可见区中的场景的物点信息调制该波场。由一个亚全息图产生单个物点，该亚全息图的位置取决于物点的位置，该亚全息图的区域或大小取决于观察者的位置。亚全息图的区域包括必需被寻址的光调制装置上的多个像素，以便再现各个物点。因而，亚全息图的区域仅表示光调制装置的子区域。 

根据最简单的实施例，亚全息图的中心位于穿过要被再现的物点和可见区中心的直线上。此外，在最简单的实施例中，基于交叉线定理确定亚全息图的大小，其中可见区通过要被再现的物点被跟踪回光调制装置。根据观察者与光调制装置之间的法向距离改变可见区的大小。 

给定观察者的恒定法向距离，必须区分物点是否在固定位置被编码。如果物点未在固定位置被编码，则给定到达光调制装置的恒定法向距离，无论观察者实际位置如何，都假设观察者位于中部，例如光调制器的前面的中心，来确定亚全息图的位置。如果观察者移动，则再现物点位于连接当前可见区中心和与中心有关的亚全息图中心的直线上。 

如果物点在固定位置被编码，则意味着再现物点的空间位置相对于光调制装置保持不变。物点到光调制装置的法向距离也保持不变。为达上述目的，亚全息图相对光调制装置的位置根据观察者位置变化。再者，确定亚全息图的位置使得亚全息图的中心位于穿过要被再现的物点和可见区中心的直线上。如果观察者移动，则该直线具有作为枢轴点的要被再现的物点，这意味着亚全息图的位置取决于观察者的位置。 

下面说明本方法的特定较佳实施例：在准备过程的步骤中，确定可见的物点。准备数据可以已经从界面中接收。本发明的创新方法包含以下步骤： 

寻找用于每个物点的亚全息图的位置和大小，如上所述； 

从至少一个查找表中确定相应的亚全息图的基值； 

对所有物点重复以上两个步骤，叠加亚全息图从而为整个场景的再现形成总全息图。考虑到总坐标系统，物点的单个亚全息图是可叠加的并使 用复数加法相加，以便形成总全息图。 

查找表包含亚全息图的复值，从而也包含物点对总全息图的基值。构建查找表，以便快速存取数据。可以用任意类型的存储部件或界面实现提供对亚全息图的基值的查找表。实例为专用存储部件、数据载体、数据库或其他存储介质和界面。较好的界面为因特网(Internet)、无线局域网(WLAN)、以太网(Ethernet)和其他合适的局域或全球网络。 

根据本发明的再一方面，将其他的修正功能用于亚全息图或总全息图，例如以便补偿光调制装置因其位置或形状所引起的公差，或者改进再现质量。修正值例如与亚全息图和/或总全息图的数值相加。 

最好可以扩展使用查找表的原理。例如可以在独立的查找表中存储颜色和亮度信息的参数数据。此外，可以用从查找表搜索的亮度和/或颜色值调制亚全息图和/或总全息图的数值。对于颜色表现，还可以从查找表搜索各个颜色的全息值。 

通过为有限空间内每个可能的物点确定亚全息图的全息值，并将全息值存储在合适的数据载体和/或存储介质或通过界面提供全息值，生成查找表。空间包含例如观察者的动作的目的范围，在该范围中他可以看见全息图。对于物点，例如通过将由物点发出的波阵面传播到可见区并将其逆变换到光调制装置所在的全息平面来生成相应的亚全息图的全息值。根据第WO/2006/066906号专利文件，每一个全息值例如为单个物点而产生。 

根据提出的另一方案，借助光线追踪方法生成全息值。其他提出的方案包含分析法或最优化法。近似法也是可以的。 

创新的方法还为要被再现的每个物点存取这些数据。因而可以以很高的速度进一步地处理这些数据。从而利用创新的方法实现全息值的实时生成。 

总的说来，可以说借助本创新的方法，可以实质上减少之前对用于生成全息数据的计算单元的十分高而昂贵的要求。使用查找表时，通过量的预定就可以减少计算量。因而，本创新方法使得全息图能用普通PC系统交互式地实时生成。最后，由于可靠的全息图的实时生成，保证了跟踪观 察者瞳孔的所带来的不希望的延迟得以减小。保证简单的计算单元为单个观察者实时生成全息图。本创新的方法还能实时提供用于多个观察者的时间或空间分离的全息图。 

由于全息图的生成仅需要很少的计算量，所以计算可以例如不通过计算机的中央处理单元CPU执行。根据另一可选方案，利用图形卡组件生成全息图，最好使用图像中央处理单元(GPU)和/或专门配置的计算单元。这也最好能使用增加的数据传输率。 

附图说明

现参照附图并借助以下实施例详细说明本发明，其中 

图1a、1b是示意性的二维示图，每一个表示一个全息显示装置， 

图2是表示全息显示装置的原理的立体图，以及 

图3表示根据一实施例的本创新的方法的流程图。 

具体实施方式

图1a表示基于一个观察者用的全息显示装置(HAE)的一般性原理。该原理因而适用于多个观察者。观察者的位置由其眼睛或其瞳孔(VP)的位置来表征。该装置含有光调制装置(SLM)，为了简化起见，本实施例中该光调制装置与屏幕装置(B)相同，该装置叠加至少一个可见区(VR)内的利用场景(3D-S)物点信息调制的波场。可见区被跟踪到眼睛。再现空间(RV)在光调制装置(SLM)和可见区(VR)之间延伸。场景(3D-S)的单个物点(OP)的再现仅需要一个亚全息图(SH)作为光调制装置(SLM)上编码的总全息图(H∑_SLM)的子集。从该图中可以看出，亚全息图(SH)的区域仅包含光调制装置(SLM)的小部分。根据更简单的实施例，亚全息图(SH)的中心位于穿过要被再现的物点(OP)和可见区(VR)中心的直线上。在更简单的实施例中，基于交叉线定理确定亚全息图(SH)的大小，通过要被再现的物点(OP)将可见区(VR)追溯到光调制装置(SLM)。亚全息图的位置和大小限定再现该物点所需的、必须被寻址的光调制装置 (SLM)上的这些像素的系数。 

图1b更详细地说明了该原理，表示具有分别与物点(OP1，OP2)相关的亚全息图(SH1，SH2)的全息显示装置(HAE)的放大细节。从图1b中可以看出，这些亚全息图受到限制，形成总全息图(H∑_SLM)、也就是全部光调制装置(SLM)的小而相连的子集。除了基于交叉线定理确定的亚全息图的位置和大小之外，还可以有其他的函数关系。 

图2以立体图表示亚全息图(SH)的原理，相同的元件用相同的附图标记标明。 

图3表示根据一实施例的本创新方法的流程图。该实施例基于由大量物点(OP)组成的三维场景(3D-S)。可将颜色图和深度图用于物点(OP)。所谓深度图包含深度信息，所谓颜色图包含图像系统提供的像素化图像的颜色信息。 

步骤(1)中，为每个可见物点确定全息平面中或光调制装置(SLM)上的各个亚全息图(SH)的尺寸和位置。借助于物点和观察者位置(VP)的深度信息，根据上述原理执行该步骤。 

步骤(2)中，按照本发明的总体思路，借助于至少一个查找表确定亚全息图(SH)的复全息值。例如，从图像系统的专用存储部件搜索这些数据。此外，根据物点的颜色和/或亮度值，随颜色和亮度值调制亚全息图的复值，以便修改全息值的幅度，如果必要的话。例如，亚全息图的复基值与强度因子相乘。颜色图包含颜色信息，最好通过分开的界面读取。可以从至少一个查找表确定亚全息图的有关颜色的基值。对于颜色表示，还可以从查找表搜索颜色信息用的修正值，用这些值调制亚全息图的基值。 

提前生成上述查找表中的数据。最好使用如以上现有技术部分引用的第WO/2006/066906号专利中说明的方法为每个物点生成数据，并且在合适的数据载体和存储介质中存储。借助物点的位置和特性，提前计算相应的亚全息图，从而生成亚全息图的查找表，如果必要的话还有颜色和亮度值以及修正参数的查找表。 

步骤(3)中，物点的亚全息图相加，以形成总全息图(H∑_SLM)。考 虑到全坐标系统，物点的单个亚全息图(SH1，SH2，…)是可叠加的并使用复数加法相加，以形成总全息图(H∑_SLM)。总全息图(H∑_SLM)表示所有物点的全息图。总全息图表示和再现整个场景(3D-S)。或者可以在独立的步骤中叠加亚全息图。 

在最后的步骤(4)中，如上所述，最好是根据第WO 2004/044659号、第WO 2006/027228号、第WO 2006119760号和第DE 10 2006 004 300号专利文件，可以将全息值编码为伯克哈特分量、二相位分量或其他任意合适的编码，以便将总全息图变换为用于全息显示装置的像素值。 

Claims (18)

1.一种为具有至少一个光调制装置(SLM)的全息显示装置(HAE)实时生成视频全息图的方法，被分成物点(OP)的场景(3D-S)在光调制装置上被编码为总全息图(H∑_SLM)，能够从位于视频全息图的再现的周期性区间中且位于观察者的眼睛处的可见区(VR)中被作为再现看到，其中亚全息图的位置和大小取决于可见区(VR)的位置和场景的一个物点(OP)的位置，可见区(VR)与要被再现的场景(3D-S)的每个物点(OP)限定亚全息图(SH)，总全息图(H∑_SLM)通过亚全息图(SH)的基值的叠加形成，其特征在于对每个物点(OP)，都从至少一个查找表搜索亚全息图(SH)对场景(3D-S)的全部再现的基值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于观察者(O)的位置和观看方向确定场景(3D-S)的视图，向观察者(O)分配至少一个位于观察者平面(OP)中眼睛附近的可见区(VR)，在场景(3D-S)被三维离散成可见的物点(OP)后，包含以下步骤：

寻找用于每个物点(OP)的亚全息图(SH)的位置和大小，

从至少一个查找表中确定相应的亚全息图(SH)的基值；

对所有物点重复以上两个步骤，叠加亚全息图(3D-S)，从而为整个场景(3D-S)的再现形成总全息图。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用亮度和/或颜色值调制亚全息图和/或总全息图的数值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于利用至少一个查找表中的亮度和/或颜色值调制亚全息图和/或总全息图的数值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将修正值与亚全息图和/或总全息图的数值相加。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于确定亚全息图(SH)的位置，使得亚全息图(SH)的中心位于穿过要被再现的物点(OP)和可见区(VR)的中心的直线上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于通过追溯经过物点(OP)到光调制装置(SLM)的可见区(VR)，确定亚全息图(SH)的大小。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于为表示颜色，能够从各个查找表中搜索原色的全息值。

9.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于亚全息图(SH)的复全息值被转换为光调制装置(SLM)的像素值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于亚全息图(SH)的复全息值被转换为光调制装置(SLM)的像素值。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于复全息值被转换为伯克哈特分量、二相位分量或其他任意合适的编码。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于复全息值被转换为伯克哈特分量、二相位分量或其他任意合适的编码。

13.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，用于带屏幕装置的全息显示装置，其特征在于屏幕装置是编码场景的全息图的光调制器本身，或者是光调制装置上编码的场景的全息图或波阵面所成像到的光学元件。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，显示装置的光学元件是透镜或反射镜。

15.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于通过将物点发出的波阵面传播到可见区，确定物点的亚全息图的全息值。

16.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于通过为限定空间内每个可能的物点确定亚全息图的对应条目，通过将物点发出的波阵面传播到可见区，并通过将其逆变化进入光调制装置所在的全息平面中，生成查找表。

17.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于借助光线追踪方法，通过为限定空间内每个可能的物点确定亚全息图的对应条目，生成查找表。

18.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于借助优化法或近似法，通过为限定空间内每个可能的物点确定亚全息图的对应条目，生成查找表。

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