CN101707724A - 一种实现计算全息三维动态显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现计算全息三维动态显示装置及方法，主机个人计算机通过高速的USB接口将原始物体的三维信息传输给数据处理系统进行运算处理；获得的计算全息图数据，通过PCI总线接口传输给主机，并在其显示器上显示，同时主机通过VGA接口将计算全息图传输给空间光调制器SLM，并在SLM高分辨率的显示芯片上显示出计算全息图，激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向SLM的显示芯片上，即可在观察屏幕上观看到再现物体的实像。此装置及方法能够快速有效地实现计算全息图的计算，保证再现三维图像的清晰度和实时性，能够再现动态的三维物体图像。

Description

一种实现计算全息三维动态显示装置及方法

技术领域

本发明涉及一种信息技术领域，特别涉及一种利用光、电组成的实现计算全息三维动态显示的方法。

背景技术

如何实现真正的三维显示，使人们能够直观的看到包含物理深度信息的三维场景，并且这些场景是真正处于观看者所在的物质空间之内，使观看者真正获得完美的视觉感受和体验，是广大显示技术研究者都十分关心的问题。计算全息术的发展，为这个梦想的实现提供了一个可行的方案。计算全息三维动态显示技术的研究和发展将有效地带动虚拟现实相关技术的研究和综合集成，在工业设计、展览展示、医疗、娱乐、军事和空间、三维电视等重大应用领域具有重要的产业价值。

目前，最常见的三维显示方式是采用二维的计算机屏幕来显示旋转的二维图像，表现出三维的效果，但是这种方式只有心理景深，而没有真正意义上的物理景深。另一种三维显示技术是通过佩戴专用的眼镜或者其他的辅助设备，运用视差效果来实现三维效果，这种方式不能同时满足多人同时观察。全息技术可以产生真实的三维图像，且不需要其他的眼镜或头部感应器，可以允许许多人观察图像，产生的图像和真实物体几乎没什么区别。计算全息术的发展使得光波的物理干涉被计算步骤所替代，更加使得计算全息三维显示技术有望成为最终实现三维显示的最终方案。但是随着显示分辨率的提高，以及对实现动态运动效果要求的提高，需要处理的数据是非常庞大的，不能达到实时性的要求，使得该项技术还没有获得广泛的应。

发明内容

本发明是针对现有技术中存在的问题，提出了一种实现计算全息三维动态显示装置及方法，该方法能够实现真正包含物理景深的三维显示，有效地解决了计算全息三维动态显示技术中，计算全息图计算的实时性问题。

本发明的技术方案为：一种实现计算全息三维动态显示装置，包括原始三维物体数据存储和传输系统、数据处理系统、计算全息图显示系统、计算全息再现系统，原始三维物体数据存储和传输系统包括主机个人计算机、高速通用串行总线接口USB、PCI总线接口；计算全息图显示系统包括主机显示器以及空间光调制器SLM；计算全息再现系统包括一个激光器，一个扩束镜，一个反射镜，一个观察屏幕，主机个人计算机通过高速的USB接口将原始物体的三维信息传输给数据处理系统进行运算处理；获得的计算全息图数据，通过PCI总线接口传输给主机，并在其显示器上显示，同时主机通过VGA接口将计算全息图传输给空间光调制器SLM，并在SLM高分辨率的显示芯片上显示出计算全息图，激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向SLM的显示芯片上，即可在观察屏幕上观看到再现物体的实像。

所述USB接口为USB2.0，其最大传输速率高达480Mbps。

所述PCI接口为32bit，66MHz，传输带宽达到266MByte/s。

所述空间光调制器SLM的显示芯片是高解析度的LCOS投影器件。

一种实现计算全息三维动态显示方法，包括实现计算全息三维动态显示装置，显示方法包括如下步骤：

1)将所述主机内存储的数据类型为32位单精度数的原始物体三维数据信息及强度信息，通过USB总线接口传输给所述数据处理系统；

2)所述数据处理系统，在以FPGA为核心的运算电路单元内，对每个物点进行计算全息运算，算法按照菲涅耳计算全息图的循环递推算法，分别计算每个物点的菲涅耳计算全息图，叠加在前一个物点的计算全息图的结果上，直到计算到最后一个物点的计算全息图；

3)所述数据处理系统通过PCI接口将计算全息图传输给主机，并在主机显示器上显示出来；同时，主机通过VGA接口将计算全息图显示在空间光调制器SLM的显示芯片LCOS上；

4)激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向空间光调制器SLM的显示芯片上，再现出原始物体的三维图像。

本发明的有益效果在于：本发明实现计算全息三维动态显示装置及方法，能够快速有效地实现计算全息图的计算，保证再现三维图像的清晰度和实时性，能够再现动态的三维物体图像。

具体实施方式

计算全息三维动态显示装置，包括：

一、原始三维物体数据存储和传输系统，包括主机个人计算机、高速通用串行总线接口USB、PCI总线接口。

二、数据处理系统，是以现场可编程门阵列FPGA芯片作为核心器件的专门实现计算全息运算的计算电路单元。

三、计算全息图显示系统，包括主机显示器以及空间光调制器SLM。

四、计算全息再现系统，是一个光学再现系统，包括一个激光器，一个扩束镜，一个反射镜，一个观察屏幕。

原始物体的三维信息，包括各个物点的三维坐标信息以及强度信息，将其预先存储在主机个人计算机中，通过高速的USB接口传输给数据处理系统进行运算处理；对数据的运算处理主要在FPGA芯片中进行，其内部是以硬件方式实现计算全息图运算的，具有很高的运算效率，可以满足实时性的要求；获得的计算全息图数据，通过PCI总线接口传输给主机，并在其显示器上显示，同时主机通过VGA接口将计算全息图传输给空间光调制器SLM，并在SLM高分辨率的显示芯片上显示出计算全息图。最后通过光学再现系统实现三维物体再现。激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向SLM的显示芯片上，即可在观察屏幕上观看到再现物体的实像。

所述原始三维物体数据的大小在1Mbytes左右。

所述主机与数据处理系统输入端的通信是通过通用串行总线接口USB实现的。所采用USB接口的为USB2.0，其最大传输速率高达480Mbps。

所述数据处理系统的输出端与主机的通信是通过PCI总线接口实现的。所采用的PCI接口为32bit，66MHz，传输带宽达到266MByte/s。

所述以FPGA为核心的计算全息运算电路单元，采用的FPGA为Xlinx公司的XC2VP70，内部采用的算法是菲涅耳计算全息图循环递推算法。

所述主机与空间光调制器SLM之间的数据通信是通过VGA接口实现的。

所述空间光调制器SLM的显示芯片是高解析度的LCOS投影器件。

为解决上述技术问题，本发明提出的实现计算全息三维动态显示仪的新方法，步骤如下：

a)将所述主机内存储的数据类型为32位单精度数的原始物体三维数据信息及强度信息，通过USB总线接口传输给所述数据处理系统；

b)所述数据处理系统，在以FPGA为核心的运算电路单元内，对每个物点进行计算全息运算。具体算法按照菲涅耳计算全息图的循环递推算法，分别计算每个物点的菲涅耳计算全息图，叠加在前一个物点的计算全息图的结果上，直到计算到最后一个物点的计算全息图；

c)所述数据处理系统通过PCI接口将计算全息图传输给所述主机，并在主机显示器上显示出来；同时，所述主机通过所述VGA接口将计算全息图显示在所述SLM的显示芯片LCOS上；

d)所述显示在SLM上的计算全息图通过所述光学再现系统，再现出原始物体的三维图像。

本发明提供的实现计算全息三维动态显示仪的新方法，由于：

1、采用传输速率高达480Mbps的通用串行传输接口USB2.0和传输带宽高达266Mbyte/s的PCI接口；

2、计算全息图的计算是在现场可编程门阵列FPGA中实现的，即用硬件电路实现计算全息图的运算。

3、FPGA内部所采用的计算全息图算法是菲涅尔计算全息循环递推算法，只有少数的乘除法运算，大部分都是由加法运算实现的，占用FPGA内部资源少，根据容量可以尽可能多的增加基本运算单元的个数，提高运输效率。

4、所采用的FPGA具有很强的并行工作能力，可以有效地进行分布扩展运算，更进一步提高工作效率。

5、SLM的显示芯片采用LCOS芯片，分辨率高达1024×768，像素间隔为19μm。

6、三维物体再现系统为光学再现系统。

所以本发明能够快速有效地实现计算全息图的计算，保证再现三维图像的清晰度和实时性，能够再现动态的三维物体图像。

Claims (5)

1.一种实现计算全息三维动态显示装置，其特征在于，包括原始三维物体数据存储和传输系统、数据处理系统、计算全息图显示系统、计算全息再现系统，原始三维物体数据存储和传输系统包括主机个人计算机、高速通用串行总线接口USB、PCI总线接口；计算全息图显示系统包括主机显示器以及空间光调制器SLM；计算全息再现系统包括一个激光器，一个扩束镜，一个反射镜，一个观察屏幕，主机个人计算机通过高速的USB接口将原始物体的三维信息传输给数据处理系统进行运算处理；获得的计算全息图数据，通过PCI总线接口传输给主机，并在其显示器上显示，同时主机通过VGA接口将计算全息图传输给空间光调制器SLM，并在SLM高分辨率的显示芯片上显示出计算全息图，激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向SLM的显示芯片上，即可在观察屏幕上观看到再现物体的实像。

2.根据权利要求1所述的实现计算全息三维动态显示装置，其特征在于，所述USB接口为USB2.0，其最大传输速率高达480Mbps。

3.根据权利要求1所述的实现计算全息三维动态显示装置，其特征在于，所述PCI接口为32bit，66MHz，传输带宽达到266MByte/s。

4.根据权利要求1所述的实现计算全息三维动态显示装置，其特征在于，所述空间光调制器SLM的显示芯片是高解析度的LCOS投影器件。

5.一种实现计算全息三维动态显示方法，包括实现计算全息三维动态显示装置，其特征在于，显示方法包括如下步骤：

1)将所述主机内存储的数据类型为32位单精度数的原始物体三维数据信息及强度信息，通过USB总线接口传输给所述数据处理系统；

2)所述数据处理系统，在以FPGA为核心的运算电路单元内，对每个物点进行计算全息运算，算法按照菲涅耳计算全息图的循环递推算法，分别计算每个物点的菲涅耳计算全息图，叠加在前一个物点的计算全息图的结果上，直到计算到最后一个物点的计算全息图；

3)所述数据处理系统通过PCI接口将计算全息图传输给主机，并在主机显示器上显示出来；同时，主机通过VGA接口将计算全息图显示在空间光调制器SLM的显示芯片LCOS上；

4)激光器发射相干光经过扩束镜后射向一个反射镜，反射镜将光束射向空间光调制器SLM的显示芯片上，再现出原始物体的三维图像。