CN101711377B - 一种为具有随机寻址的全息显示装置生成视频全息图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为具有至少一个光调制器装置(SLM)的全息重建装置(HAE)生成视频全息图的方法，其中分为物点(OP)的场景(3D-S)作为整个全息图(H∑_SLM)编码，并且可以作为重建从位于重建的视频全息图的一个周期性区间内的可见区(VR)看到。可见区(VR)，连同将要重建的场景(3D-S)的每个物点(OP)确定亚全息图(SH)，并且从亚全息图(SH)的叠加中生成整个全息图(H∑_SLM)，其中图像内容序列中，最好为每幅图像生成物点的差分亚全息图(SD)，不同于根据随后的序列图像(P_n-1，P_n)中的观察者位置(VP)的可见度。显示装置(HAE)包含尽管数据量明显减少、但提供高品质视频全息图的装置。

Description

一种为具有随机寻址的全息显示装置生成视频全息图的方法

本发明涉及一种为具有随机寻址的全息显示装置生成视频全息图的方法。

实现本方法的装置称之为内容生成装置(content generation means)。根据本方法，内容生成装置生成在全息显示装置中显示(representation)所必需的全息值，因此可以理解为数据源。可以将所生成的全息值直接传输到全息显示装置或者存储在数字存储装置中。

将具有随机寻址的全息显示装置理解为数据接收器并且提供根据本方法或内容生成装置生成的全息数据的全息显示。

由于在硬件组件和计算方法方面做出的进步，全息图的实时重建在许多重要应用中的适用性已经得到验证。数字全息术(digital holography)中的主要挑战是处理每一幅图像的数据量，该数据量远远大于传统视频信息的数据量。如此大的数据量对存储介质和数据传输装置，例如网络组件和总线系统，提出了更高的要求。传统视频数据的传输和处理已经对这些资源提出了很多要求。

全息显示装置实质上基于这样的原理：亚全息图由要重建的场景的每个物点一起形成，并且整个全息图借助于至少一个光调制器装置由亚全息图叠加形成，在光调制器装置上将被分成物点的场景编码成整个全息图，并且场景可以作为重建从位于视频全息图的重建的一个周期性区间内的可见区看到。一般说来，此原理是主要重建将由物体发射到一个或多个可见区的波阵面。

具体地，这样的装置基于这样的原理：重建单个物点仅需要亚全息图作为在光调制器装置上编码的整个全息图的子集。全息显示装置包含至少一个屏幕装置(screen means)。屏幕装置是编码场景的全息图的光调制器本身，或者是在光调制器上编码的场景的全息图或波阵面投射到其上的光学元件，如透镜或反射镜。

在本申请文件中，术语“光调制器装置”或者“SLM”指通过转换(switching)、选通(gating)或调制由一个或多个独立光源发出的光束的方式来控制光的强度、色彩和/或相位的装置。全息显示装置典型地包含通过调节穿过显示面板的光的振幅和/或相位重建物点的可控像素矩阵。光调制器装置包含这样的矩阵。光调制器装置可以例如是声光调制器(acousto-optic modulator)AOM或连续型调制器。通过振幅调制的方式进行全息图重建的一个实施例可以利用液晶显示器(LCD)。本发明还涉及用于将充分相干光调制成波阵面或调制成光波轮廓的另外的可控装置。

术语“像素”指光调制器的可控全息像素，其表示全息点的离散值并且被离散地寻址和控制。每个像素表示全息图的全息点。就LC显示器来说，像素是可离散控制的显示器像素。就DMD(数字微镜装置(DigitalMicro-mirror Device))来说，例如DLP(数字光处理器(Digital LightProcessor))，像素是可离散控制的微镜或这种微镜的小组群。就连续的空间光调制器装置来说，像素是表示全息点的虚构区。就彩色显示来说，典型地将像素再分为多个表示基色(primary colours)的子像素。

术语“变换”应理解为包括任何与变换相同或近似的数学或者计算技术。数学意义上的变换仅仅是物理过程的逼近，其可以通过麦克斯韦(Maxwellian)波动方程更加精确地描述。像菲涅耳(Fresnel)变换或者以傅立叶(Fourier)变换著称的变换的特殊群的变换描述二阶逼近。变换通常用代数或者非微分方程表示，因此可以应用公知的计算工具进行有效且高性能地处理。此外，可以利用光学系统对它们进行精密地模仿。

从内容生成单元，即数据源和可视化模块(visualisation module)(例如作为数据接收器的LCD或CRT监视器)传送图像数据按照惯例运作，使得图像的整个内容从顶部到底部逐行输出，像是使用传统的管监视器一样。这不会对HDTV监视器分辨率生成问题，因为可以通过标准接口，例如数字视频接口(Digital Visual Interface)(DVI)或高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)(HDMI)，将所需的数据量足够快地传送。

内容生成的装置，即数据源，例如是实现3D渲染管道(3D renderingpipeline)的图形卡(graphics cards)或图形子系统。3D渲染图形管道说明为显示在监视器上而从三维场景的矢量、数学描述到帧缓冲器中的像素化图像数据的路径。三维图像数据包含深度信息，通常还包含关于材料和表面性能的附加信息。例如，在该管道中完成屏幕坐标到装置坐标的转换、材质贴图(texturing)、裁切(clipping)和图形保真(anti-aliasing)。表示三维场景的二维投射、并且存储在图形适配器的帧缓冲器中的像素化图像包含监视器屏幕，例如LC显示器的可控像素的像素值。全息管道由3D渲染图形管道的结果生成用于在全息显示装置上显示的复全息值。

全息显示装置需要的像素的量比传统的二维显示器大得多，因此对于全息值来说数据量大得多。本发明的目的是提供一种明显减少为视频全息图所生成的数据量。数据源，即内容生成装置，和数据接收器，即全息显示装置，它们之间将要传送的数据量因此减至最少。因此，数字存储介质中需要为视频全息图存储的数据量也会减少。此外，会提供全息显示装置以确保在不损失品质还减少数据量的情况下显示序列。本方法会利用公知的数据存储和传送装置。可管理的数据量将有助于提高视频全息图的认可和分布。

在公知技术领域所描述的传送过程中，全部数据从内容生成装置，即数据源，以每一幅图像或每个序列的视频帧地传送到全息显示装置，即数据接收器。这意味着传送了全部全息信息，包括那些没有从一幅图像变为下一幅图像的信息碎片。因为全息图在三维空间内重建物点，所以足以知晓与之前的视频帧相比，视频帧中哪一个物点已经改变。更改具体涉及位置，还涉及色彩和强度。

根据本发明的生成视频全息图的方法尤其适合于具有至少一个光调制器装置的全息显示装置，在该光调制器装置上，被分为物点的场景编码成整个全息图，并且场景可以作为重建从位于重建的视频全息图的一个周期性区间内的可见区看到，亚全息图由可见区连同将要重建的场景的每个物点确定，并且整个全息图由亚全息图的叠加而形成。这样的具有光调制器装置的全息显示装置基于这样的原理：在至少一个可见区中叠加用场景的物点信息调制的波阵面。可见区的确定已经由上述内容给出。

此外，该原理的优点是场景的单个物点的重建仅需要作为在光调制器装置上编码的整个全息图的子集的亚全息图。每个单一物点由一个亚全息图创造，其位置依赖于物点的位置，其大小依赖于观察者位置。下面将光调制器装置上的亚全息图区称为调制区。调制区是重建物点所需要的光调制器装置的子区域(sub-region)。同时，为了重建物点，调制区确定光调制器上的哪些像素必须寻址。如果物点是固定在空间中的物点，则调制区将保持在固定位置。这意味着将要重建的物点依赖于观察者位置而改变位置。依赖于观察者位置的调制区的改变允许物点在固定位置编码，即，其在空间中的位置不依赖于观察者位置而改变。就本发明而言，可以类似地利用这些原理。根据最简单的实施例，调制区的中心位于贯穿将要重建的物点和可见区的中心的直线上。在最简单的实施例中，基于交线定理确定调制区的大小，其中，可见区通过将要重建到光调制器装置的物点追溯。

同样，如果较好地利用了亚全息图，则表示光调制器的最小可控单元的像素不仅包含单一亚全息图的信息，而且，由于叠加的结果，还包含多个亚全息图的信息。

本发明基于这样的思想：在图像序列中，生成现在可见的物点和现在被其它物点覆盖的物点的差分亚全息图，反之亦然。

有关观察者眼睛的可见度，由以下确定差分亚全息图(还参照以下附图和实施例)

●(a)通过在当前图像中消失的物点的亚全息图与在之前图像中被覆盖并且现在可见的物点的亚全息图的差值，或者，反之亦然，

●(b)通过在当前图像中现在可见的物点的亚全息图与在之前图像中被其它物点覆盖的物点的亚全息图的差值，并且

●(c)在不改变可见度的情况下，通过在固定的物点位置改变色彩和强度的亚全息图，以及/或者描述这些改变的数据。

通常可以将物点的位移理解为对应点的出现和消失并且其包括在前述的可见度的区别的情况中。再者，这样的情况还包括没有对物点提供背景的情况。在这种情况下，差分亚全息图表示物点对应的亚全息图。

对于可见度不改变的固定物点来说，色彩和/或强度的改变最好由描述性数据或者，如有必要，由对应的亚全息图来确定。

根据本发明，为每个差分亚全息图生成描述性数据。描述性数据通常用于使差分亚全息图的处理、并且最终显示在全息显示装置中变得有可能、可控或者变得更为方便。描述性数据例如包含差分亚全息图的大小、光调制器上的位置、像素区、存储器部分标记、索引标记等。因此描述性数据允许高性能处理，例如，因为所需要的存储器部分标记能够使数据快速存取。此外，描述性数据例如用于将差分亚全息图的地址范围读取到全息显示装置的屏幕缓冲中，或者在高性能情况下确定地址范围。因此可以在高性能情况下填充这些存储器部分，以便可以最终寻址光调制器的对应像素。描述性数据和差分亚全息图为一个点相结合从而创造差分数据。

根据本发明，在生成全息图数据的过程中做了进一步的优化。控制单元以优化的方式确定其生成差分数据更加有利，还是可选择地生成整个全息图，即整个图像内容，更加有利。如果图像内容已经实质上改变，例如像剪切之后的情况，则必须传送对应于物点的大量差分数据。在这样的情况下，可能更努力传送数据或者处理这么多量的数据，而不需要传送或处理整个图像的整个全息图。整个全息图最好在这样的情况下生成。可以以任何顺序生成、存储和传送差分数据，因为根据本发明，差分亚全息图以描述性数据的形式附有处理所需的信息，如前所述。与公知的可视化系统中严格的逐行生成或者传送相比，根据本发明的方法允许随机生成，因此允许随机传送和存储。最好将差分数据立即传送，即，在它们已经被计算后立即传送到数据接收器，例如，传送到全息显示装置。还可以将多个点的差分数据组合成数据包。根据本发明，将这些所生成的数据，即，差分亚全息图和对应的描述性数据，提供给数字存储装置或直接传送到全息显示装置。

根据本发明的方法确保了视频全息图所需的数据量可以明显地减少。本发明的优点具体是全息显示装置的光调制器的较高分辨率、更经常的单个差分亚全息图，即，明显更少的数据量、而不是整个全息图要传送或存储。为了提供全息显示的无暇品质，还可以在已确定的间隔中传送整个全息图。

明显更少的数据量允许视频序列在传统的数字存储介质上存储。由于本发明的具体优点，通过计算机网络和因特网进行数据传送的努力明显减少。

根据本发明的延续，对描述性数据额外地提供允许差分亚全息图分配到较好地实现全息图原理的不同全息显示装置的广义信息(generalisedinformation)。根据协议可以建立或商定作为行业标准。

基于根据本发明的本方法和数据源，将全息显示装置理解为接收单元。因此，为了基于根据本发明已经生成的视频全息数据显示全息图，必需将装置和方法提供给全息显示装置。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，或者是在光调制器上编码的场景的全息图或波阵面投射到其上的光学元件，如透镜或反射镜。可见区中场景重建的屏幕装置和相应原理的定义在由申请人提交的其它专利文件中进行了描述。在WO 2004/044659和WO 2006/027228号专利文件中，光调制器本身形成屏幕装置。在WO 2006/119760号，名称为“用于场景的全息重建的投射装置和方法(Projection device and method forholographic reconstruction of scenes)”的专利文件中，屏幕装置是在光调制器上编码的全息图所投射到其上的光学元件。在DE 10 2006 004 300号“用于场景的全息重建的投射装置(Projection device for the holographicreconstruction of scenes)”的专利文件中，屏幕装置是在光调制器上编码的场景的波阵面所投射到其上的光学元件。由申请人提交的WO2006/066919号专利文件描述了上述用于计算视频全息图的方法。

全息显示装置包含屏幕存储器或对应的允许读取像素值的存储器构架。因此借助于像素值寻址光调制器装置的像素。屏幕存储器是图形卡的存储器，其中设置有用于屏幕输出的数据。还可以将其称为视频RAM(VRAM)。

根据本方法，主要将差分数据，而不是整个全息图，为每个视频帧传送到全息显示装置。根据本发明，全息显示装置还包含分离器。分离器是计算装置，其一方面在根据本方法生成的数据流中检测差分数据，并且另一方面从对应的描述性数据中分离差分亚全息图的数据。借助于描述性数据，分离器确保例如将差分亚全息图写入屏幕存储器的各个存储器部分，并且进而将其提供给光调制器装置。

光调制器典型地是有源矩阵显示器(active matrix display)，为了不丢失信息，其必须不断地刷新其像素值。如果仅将这些图像内容传送到已经改变的光调制器，信息将在该区丢失，图像内容不变。因此保持不变的物点不再出现。在这样的光调制器中，每个刷新循环中的屏幕存储器中的整个图像内容必须是可以得到的，因为在一个刷新循环中整个图像内容从屏幕存储中读取，以便相应地寻址或刷新像素。

根据本发明，将差分亚全息图的数据同时写入屏幕存储器。这就是建议用能够同时读取和写入的特殊的屏幕存储器或合适的存储器构架的原因。其确保一方面在写入模式中存储新的差分亚全息图(SD)，而且同时在读取模式中读取整个屏幕存储器并且将该信息传送到光调制器用于寻址像素。建议最好利用双端口RAMs作为屏幕存储器。

差分亚全息图最好在利用高分辨率的显示装置时生成。根据本发明的方法可以减少从内容生成装置传送到全息显示装置的数据量。类似地，对存储装置和传输装置的要求也较佳地减少。公知的存储介质允许存储长的视频序列。公知的传送装置，例如英特网、LAN、WLAN、DVI、HDMI等，类似地确保了高性能传送。

现借助实施例并结合附图详细说明本发明，其中

图1a表示全息显示装置所基于的原理，

图1b表示用于呈现的点的差分亚全息图，

图1c表示用于消失的点的差分亚全息图，

图2表示本方法的流程图，以及

图3表示全息显示装置的流程图。

现借助附图详细说明从亚全息图中生成复全息值的特定较佳方法，其中

图B1表示全息显示装置所基于的原理，以及表示物点的调制区，

图B2a是具有包含透镜和棱镜的投射元件的显示装置的侧视图，

图B2b表示调制区和垂直有效的棱镜，

图B2c表示调制区和水平有效的棱镜，

图B3表示根据本发明的方法的流程图，以及

图B4表示在全息平面后面重建物点的可选择的方法。

图1a表示用于一个观察者的全息显示装置(HAE)所基于的一般原理。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。该装置包含光调制器装置(SLM)，为了简化起见，本实施例中该光调制器装置与屏幕装置(B)相同；并且该装置叠加在至少一个可见区(VR)内用场景(3D-S)的物点信息调制的波阵面。将可见区追踪到眼睛。场景(3D-S)的单一物点(OP)的重建仅需要一个亚全息图(SH)作为在光调制器装置(SLM)上编码的整个全息图(H∑_SLM)的子集。调制区(MR)是光调制器(SLM)上的亚全息图区。从该图中可以看出，调制区(MR)仅包含光调制器装置(SLM)的小部分。根据最简单的实施例，调制区(MR)的中心位于穿过将要重现的物点(OP)并穿过可见区(VR)中心的直线上。在最简单的实施例中，基于交线定理确定调制区(MR)的大小，通过要被重建到光调制器装置(SLM)的物点(OP)追溯可见区(VR)。此外，重建该物点所需的光调制器装置(SLM)上的这些像素的索引因此可以确定。

如图1b所示，在与之前的图像相比的序列当前图像(Pn)中出现新物点(OPN)，然而，如图所示，所述新物点覆盖了之前图像(Pn-1)中可见的物点(OPX)，结果最初可见的物点现在根据观察者的可见度变得不可见。在这种情况下，将差分亚全息图(SD＝SHN-SHX)确定为物点(OPX)的亚全息图(SHX)与点(OPN)的亚全息图(SHN)之差，并且因此可以对其进行计算。

如图1c所示，在与之前的图像相比的序列当前图像(Pn)中物点(OPX)消失，结果，如图所示，已经不可见并且隐藏在之前图像(Pn-1)中的物点(OPN)现在根据观察者的可见度变得可见。在这种情况下，将差分亚全息图(SD＝SHN-SHX)确定为消失物点(OPX)的亚全息图(SHX)与最新可见的物点(OPN)的亚全息图(SHN)之差，并且因此可以对其进行计算。

下面在不参照某一附图的情况下对不同色彩和/或强度的固定物点的第三种情况进行说明。这里的差分亚全息图描述对应的色彩或强度信息。然而，借助描述性数据通常足以具体说明这些改变。

为差分亚全息图生成并存储附加的描述性数据。描述性数据包含允许或有利于显示装置的屏幕存储器中差分亚全息图的分配的信息。正如图4中所示那样，描述性数据包含差分亚全息图的位置和大小，并且最好还包含用于像素区、存储器部分等的附加索引。

图2表示方法的流程图。第一步骤中，为序列的当前图像计算之前图像的差值。例如通过3D渲染图形管道计算这些数据。此外，提供观察者的位置-更精确地，提供观察者眼睛瞳孔的位置或者覆盖眼睛瞳孔的可见区的位置。这些准备步骤中，控制装置(CU)优化并且确定是生成经修改的物点的差分数据较好，还是生成整个图像的整个全息图较好。如果图像内容实质上不同，正如剪切之后的情况一样，则生成整个全息图(H∑_SLM)比较好。否则，将为每个经修改的物点计算差分亚全息图。

与图1b和图1c所描述的内容类似，根据可见度区分新的、现在可见点是否出现，曾经可见的物点是否消失，或者具有未改变可见度的固定点的色彩和/或强度是否已经改变。与图1b和图1c所描述的内容类似，将差分亚全息图作为可见与不可见物点的亚全息图之间的差值计算。分析地计算亚全息图或者最好将其从查找表格中寻回。分析方法例如基于根据文件WO2006/066919的原理，其中亚全息图最好可以借助该方法从查找表格中寻回。

由申请人提交的WO 2006/066919号专利文件描述了一种计算视频全息图的方法。具体地，利用该方法并且借助计算机的辅助通过执行以下步骤来计算物点的亚全息图的全息值：

●从每个断层场景剖面的每个目标数据集中，为观察者平面计算分离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距离并平行于剖面，其中为至少一个共用可见区计算所有剖面的波场，

●将所有剖面层的计算的分布相加，以确定相对于观察者平面参考的数据集中的可见区的总波场，以及

●为了为场景的共用计算机生成全息图生成全息数据集，将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内，其中光调制器装置位于全息平面内。

在第三种情况下，即，在色彩和/或强度改变的固定物点的情况下，还可以确定色彩或强度改变的差分亚全息图。然而，借助描述性参数通常足以描述这些改变。

在以下步骤中计算用于差分亚全息图的描述性数据。正如从图1a中可以看出或者得知，这些数据包含光调制器装置(SLM)上的差分全息图的位置和大小以及索引部分、存储器部分、地址范围等等。全息显示装置(HAE)最好包含差分亚全息图所必需的屏幕存储器(VRAM)的存储器部分和地址范围。通常，这些描述性数据使得在光调制器上的显示能够实现、对其进行控制或者有利于在光调制器上显示。这里假设全息显示装置的初始化数据，尤其是光调制器的初始化数据是已知的。这些数据例如由全息显示装置寻回或者读取。对于描述性数据，就此方面参照图3，对这里由全息显示装置生成的数据的处理进行描述。物点的差分亚全息图(SD)以及对应的描述性数据(SD_IND)一同形成现在所提供的差分数据(D)，进一步数据压缩后如有必要，立刻将其提供到存储装置、传输装置或者提供到全息显示装置。

图3表示全息显示装置(HAE)的原理图并且说明在不损失品质的前提下显示根据本方法所生成的视频全息图的原理。根据本方法，显示装置的输入数据包含对应于物点并且由描述性数据(SD_IND)以及差分亚全息图(SD)组成的差分数据(D)。利用描述性数据，物点的差分数据包含进一步处理所必需的任何数据。差分数据在图中由点索引“3”、“126”和“1056”示例性示出，意味着可以以随机顺序传送差分数据。

显示装置包含光调制器装置(SLM)。从屏幕存储器(VRAM)中读取用于寻址光调制器装置(这里仅示意性示出)的像素值的数据。

显示装置还包含：

●分离器(SX)，作为检测差分数据(D)并将它们分离成描述性数据(SD_IND)和差分亚全息图(SD)的数据的装置，以及

●根据屏幕存储器(VRAM)中的描述性数据(SD_IND)描述差分亚全息图(SD)的数据的装置。

计算差分亚全息图的存储器部分或地址范围的附加计算装置(IC)可能是必需的，除非该信息整个地包含在描述性数据中。这些计算装置(IC)最好与分离器(SX)结合。

屏幕存储器(VRAM)保持像素值，以便该值还可以为随后的显示间隔而保持，直到它们被新的值覆盖。

在本实施例中，光调制器(SLM)是有源矩阵显示器(active matrixdisplay)，其为了不丢失信息必须不断地刷新其像素值。每个刷新循环中，必须将屏幕存储器(VRAM)中的整个图像内容提供给光调制器。因此刷新循环中的整个图像内容从屏幕存储器中读取，并且对像素寻址或者刷新。这就是建议用能够同时读取和写入的特殊屏幕存储器(VRAM)的原因。从图中可以看出，一方面确保将新的差分亚全息图(SD)在写入模式中存储，而同时在读取模式中读取整个屏幕存储器(VRAM)的内容并且将该信息传送到光调制器(SLM)用于寻址其像素。对于该类型的屏幕存储器，可以利用双端口RAMs或者具有相似功能原理并能够同时读取和写入的其它存储器技术。本图中，亚全息图的像素区为将要处理的差分数据示例性地表示在光调制器(SLM)上。因此可以再次看到单一物点的重建仅需要亚全息图作为在光调制器(SLM)上编码的整个全息图(H∑_SLM)的子集。

以下借助图B1到B4说明生成亚全息图的特定较佳方法。该方法基于具有色彩和深度信息的三维场景(3D-S)，其由多个物点组成。同样，如果较好地利用亚全息图，表示光调制器的最小可控单元的像素不仅包含单一亚全息图的信息，而且，由于叠加的结果，还包含多个亚全息图的信息。

较佳的方法基于这样的思想：亚全息图的复全息值在光调制器装置的调制区中从将要重建的物点的波阵面中计算，其中对投射元件的透射函数或调制函数进行计算和分析，其在调制区中模型化并且将要重建的物点位于其焦点上。全息平面由屏幕装置的位置确定，为了简化，以下描述中屏幕装置将是光调制器本身。

根据本方法的较佳实施例，投射元件包括处在全息平面内具有焦距f并且倾斜放置的透镜。倾斜透镜由相对于全息平面来说没有倾斜的透镜以及在水平方向和垂直方向都有效的棱镜组成。严格来说，棱镜不确定亚全息图，因为由于无焦点棱镜功能，没有物点被重建。

然而，为了保持本发明思想的清晰，将这样描述，因为棱镜还将其部分贡献给调制范围内的复全息值。以下以透镜和棱镜的例子详细说明本方法。当然，本方法还可以独立地应用于透镜或棱镜；在这种情况下，处理步骤或对应的术语不再实施或者可以忽略。为了计算亚全息图的复值，对于场景的每个可见物点来说，本方法的详细设计包含以下步骤：

A：如上所述确定调制区的大小和位置，但是，然后对该调制区给定局部坐标系，其中原点处在其中心位置，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标。“a”是调制区的半宽，“b”是调制区的半高，这些区间边界包括在以下术语中。

B：确定全息平面内透镜的亚全息图：

B1：确定透镜的焦距f：

透镜的焦距f最好是将要重建的物点距全息平面的垂线距离(normal distance)。

B2：透镜对应的亚全息图的复值：

利用等式Z_L＝exp{+/-i*[(π/λf)*(x²+y²)]}确定对应的亚全息图的复值，其中λ是参比波长，f是焦距，(x，y)是对应的坐标对。这里的负号是由于凹透镜的特征。凸透镜由正号标识。

B3：由于x轴和y轴的对称性，足以在一个象限内确定复值并且通过利用符号规则将该复值应用到其它象限。

C：确定全息平面内棱镜(P)的亚全息图：

所选择的棱镜贯穿横坐标或纵坐标，如附图所示。

C1：确定具有水平有效方向的棱镜(PH)的线性因子Cx，线性因子Cx在区间x∈[-a，a]内由以下等式描述

Cx＝M*(2π/λ)

其中M是棱镜的倾角。

C2：确定具有垂直有效方向的棱镜(PV)的线性因子Cy，线性因子Cy在区间y∈[-b，b]内由以下等式描述

Cy＝N*(2π/λ)

其中N是棱镜的倾角。

C3：确定组合棱镜的对应的亚全息图的复值：

对应的亚全息图的复值通过叠加两个棱镜项确定：

Z_P＝exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}

叠加的棱镜贯穿局部坐标系的原点。

C4：如果全息显示装置显示出将光源投射进入可见区的特征，棱镜项可以去掉。

D：调制透镜和棱镜的亚全息图：

为了确定组合的全息图，将透镜和棱镜的复值复合相乘：

Z_SH＝Z_L*Z_P

或者，象征性地，

SH＝SH_L*SH_P

E：随机相位的应用：

为了确保可见区内均匀的亮度分布，向从步骤D得到的每个经调制的亚全息图分配随机相位。通过复乘将随机相位增加到亚全息图：

Z_SH：＝Z_SH exp(iΦ₀)

或者，象征性地，

SH：＝SH exp(iΦ₀)

将随机相位单独地分配到每个亚全息图。概括地，所有亚全息图的随机相位最好是均匀分布的。

F：强度调制：

向复值给出附加倍增因子，其表示强度或亮度：

Z_SH＝C*Z_SH

或者，象征性地，

SH：＝C*SH；

G：如果计算整个全息图，将对亚全息图进行叠加以形成整个全息图。在简单的实施例中，考虑到亚全息图的位置，将亚全息图复合地增加到整个全息图中。

整个全息图＝所有的亚全息图的复合总和，并且

H∑_SLM＝∑SH_i

或者，象征性地，

Z_SLM＝∑Z_SHi(就整个坐标系而言)。

本方法最好仅用于可见物点。物点的可见度作为3D渲染图形管道对场景渲染处理的结果确定，并且其依赖于观察者的位置，即眼睛瞳孔的位置，因此，来自追踪到瞳孔位置的可见区的位置。

详细的说明涉及最可能的解决方案的计算。如果降低的重建品质可以接受或者甚至是所需要的，当然可以用更加简单的函数项代替上述函数项。然而，可以看出：为了改善重建品质，应用了更新的处理步骤。例如可以选择透镜或者棱镜以校正光调制器装置等的像差、公差。同样还可以应用于示例性提到的用于确定调制区的方法。

从基于图1的图B1可以看出，对调制区(MR)给出一坐标系统，坐标系统的原点在其中心，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标。调制区(MR)具有半宽“a”和半高“b”。

图B2a是全息显示装置(HAE)的侧视图，表示本方法的一般原理。与图B1类似，调制区(MR)来源于可见区(VR)。该区处在全息平面(HE)内，全息平面内设置有光调制器(SLM)。向调制区给出上述的坐标系。在这里由聚焦透镜(L)和棱镜(P)组成的投射元件(OS)位于调制区(MR)内。该图仅表示垂直有效的棱镜楔(prism wedge)，并且所示的投射元件(OS)在全息平面(HE)的前方以使物体更加清楚。

图B2b表示在调制区(MR)前方的垂直有效的棱镜楔(PH)，连同所用的坐标和尺寸。因此这里的棱镜楔贯穿纵坐标。

图B2c类似地表示垂直有效的棱镜楔(PV)，其贯穿横轴。两个棱镜楔如下所述叠加。

图B3表示较佳方法的流程图。该方法的起点是由多个物点(OP)组成的三维场景(3D-S)。色彩和深度信息对物点(OP)来说是可以利用的。基于物点的深度信息、根据观察者的位置，即观察者眼睛瞳孔的位置确定物点的可见度。步骤(A)中，为每个可见物点确定全息平面(HE)内或者光调制器装置上各个调制区(MR)的大小和位置。根据本发明的思想，将要重建的物点(OP)理解为位于全息平面内的投射元件的焦点。这里的投射元件理解为聚焦透镜(L)以及如图2b和2c所示的垂直或水平有效的棱镜(PH，PV)的组合。步骤(B1)中，为每个可见物点确定的透镜(L)的焦距因此作为物点(OP)作为距全息平面(HE)的垂线距离。步骤(B2)中，利用以下等式确定对应的亚全息图(SHL)的复值：

Z_L＝exp{-i*[(π/λf)*(x²+y²)]}

其中λ是参比波长，f是焦距，(x，y)是对应的局部坐标对。对坐标系的定义如前所述。

步骤(C)中，确定全息平面内棱镜(P)的亚全息图(SHP)。利用等式Cx＝M*(2π/λ)确定具有水平有效方向的棱镜(PH)的线性因子Cx，其中M是棱镜的倾角。以类似的等式求得垂直有效棱镜的线性因子Cy，但是倾角为N。通过叠加两个棱镜项确定对应的亚全息图(SHP)的复值：

SH_P：＝Z_P＝exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}

如果全息显示装置显示出将光源投射进入可见区(VR)的特征，一个棱镜项可以去掉。

既然透镜(L)的亚全息图(SHL)和棱镜的亚全息图(SHP)是可以得到的，它们在步骤(D)中叠加，以通过透镜的复值和棱镜的复值的复合相乘而形成组合的亚全息图(SH)：

Z_SH＝Z_L*Z_P

或者，象征性地，

SH＝SH_L*SH_P

步骤(E)中，对亚全息图(SH)给出均匀分布的随机相位。

步骤(F)中，执行强度调制，亚全息图(SH)与强度因子相乘：

Z_SH＝C*Z_SH

或者，象征性地，

TH：＝C*TH

正如所需，物点(OP)的已组合的亚全息图(SH)现在完全可以得到。

附加的处理步骤(G)中，可以增加物点的亚全息图以形成整个全息图(H∑_SLM)。物点的单个亚全息图(SHi)是可叠加的并且复合地增加，以形成整个全息图(H∑_SLM)。

整个全息图＝物点的所有亚全息图的复合总和

H∑_SLM＝∑SHi

或者

Z_SLM＝∑Z_Shi(就整个坐标系而言)。

整个全息图(H∑_SLM)表示所有物点的全息图。因此其表示并且重建了整个场景(3D-S)。

借助于本方法，可以利用目前商业化的标准硬件组件对在重建空间中任意位置的物点生成用于交互式实时全息重建的亚全息图。较佳的方法最好用于确定亚全息图并且用这些亚全息图填充查找表格。与根据本发明的方法和装置类似，较佳的方法适用于还较好利用亚全息图的原理的优点的全息显示装置。其具体地包括，正如前述那样，在WO 2004/044659、WO2006/027228、WO 2006119760和DE 10 2006 004 300中说明的装置。

附图标记说明

HAE             全息显示装置

B               HAE的屏幕装置

SLM             HAE的光调制器装置

VRAM            HAE的屏幕存储器

SX              HAE的分离器

IC              HAE的计算装置

3D-S            场景，由物点组成

VR              可见区

OP              物点，一般的

OPn，OPn+1，... 物点，具有标记索引

OPN             新近可见的/当前的物点

OPX             旧的物点

SH              亚全息图，一般的

SHi             亚全息图，一般的，有索引的

SD              差分亚全息图

SHN             新物点的亚全息图

SHX             旧物点的亚全息图

MR              调制区

SD_IND          差分亚全息图的描述性数据

D               作为差分亚全息图和描述性数据的组合的差分数据

H∑SLM          整个全息图

Pn              序列图像

Pn-1，Pn，Pn+1  序列的图像序列

CU              控制装置

Claims (17)

1.一种为具有至少一个光调制器装置(SLM)的全息显示装置(HAE)生成视频全息图的方法，场景(3D-S)在所述至少一个光调制器装置(SLM)上编码成整个全息图(H∑_SLM)，场景(3D-S)被分为物点(OP)，场景(3D-S)作为重建可以从位于重建的视频全息图的一个周期性区间内的可见区(VR)看到，所述可见区(VR)位于观察者眼睛瞳孔位置，场景(3D-S)的物点(OP)的重建仅需要亚全息图(SH)，其中，在该至少一个光调制器装置(SLM)上的亚全息图(SH)的大小和位置取决于物点的位置和可见区(VR)的位置，并且整个全息图(H∑_SLM)由亚全息图(SH)的叠加而形成，其中在用于每幅图像的图像内容序列中

●生成包含不同于序列的随后的图像(Pn-1，Pn)的物点的差分亚全息图(SD)和描述性数据(SD_IND)的差分数据，其中用于差分亚全息图(SD)的描述性数据(SD_IND)包含使得在所述至少一个光调制器装置(SLM)上的显示能够实现、对其进行控制或者有利于在所述至少一个光调制器装置(SLM)上显示的数据，有关观察者眼睛的可视度(VP)通过以下确定差分亚全息图(SD)：

●(a)通过在当前图像(Pn)中消失的物点(OPX)的亚全息图(SHX)与在之前图像(P_n-1)中被覆盖并且现在可见的物点(OPN)的亚全息图(SHN)的差值，或者

●(b)通过在当前图像(Pn)中现在可见的物点(OPX)的亚全息图(SHX)与在之前图像(P_n-1)中被其它物点覆盖的物点(OPN)的亚全息图(SHN)的差值，或者

●(c)在不改变可视度的情况下，在物点位置改变色彩和强度的亚全息图，或者描述色彩和强度改变的数据，

将所生成的差分数据提供给存储装置或者传送到全息显示装置(HAE)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，描述性数据(SD_IND)至少包括在所述至少一个光调制器装置(SLM)上的差分亚全息图(SD)的位置和大小。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，描述性数据(SD_IND)包括关于差分亚全息图(SD)所必需的全息显示装置(HAE)的屏幕存储器(VRAM)的存储器部分或地址范围的信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应于物体的观察者位置的亚全息图从至少一个查找表格(LUT)中寻回。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算物点的亚全息图的全息值，或者在已确定的空间内，预先对每个可能的物点在一个或多个查找表格中生成亚全息图的对应条目，其中亚全息图(SH)的复全息值在所述至少一个光调制器装置(SLM)的调制区(MR)中从将要重建的物点(OP)的波阵面中计算，其中对投射元件(OS)的透射函数或调制函数进行计算和分析，其在调制区(MR)中模型化并且将要重建的物点(OP)位于其焦点上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，投射元件(OS)包含至少一个透镜(L)。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，投射元件(OS)包含至少一个棱镜(P)。

8.根据权利要求1到6中的一项所述的方法，其特征在于，物点的差分数据(D)以随机顺序生成。

9.根据权利要求1到6中的一项所述的方法，其特征在于，控制装置(CU)优化并且确定是计算差分数据(D)，还是可选择地计算图像的整个全息图(H∑_SLM)。

10.根据权利要求1到6中的一项所述的方法，其特征在于，在一个或多个物点的差分数据(D)生成后，立即将其传送到全息显示装置(HAE)。

11.根据权利要求1到6中的一项所述的方法，其特征在于，将复全息值转换成所述至少一个光调制器装置(SLM)的像素值。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将复全息值转换成伯克哈特分量、二相位分量或其它任意合适的编码。

13.具有随机寻址的全息显示装置，其利用根据权利要求1到12中的一项所述的方法，其特征在于，其包含至少一个屏幕存储器(VRAM)，从所述至少一个屏幕存储器中读取用于控制所述至少一个光调制器装置(SLM)的像素的像素值，其中，在图像内容序列中仅将随后图像的改变的像素值写入所述至少一个屏幕存储器。

14.根据权利要求13所述的全息显示装置，至少包含：

●分离器(SX)，作为检测差分数据(D)并将它们分成描述性数据(SD_IND)以及差分亚全息图(SD)的数据的装置，

●根据描述性数据(SD_IND)计算差分亚全息图(SD)所必需的所述至少一个屏幕存储器(VRAM)中的存储器部分或地址范围的装置，以及

●根据描述性数据(SD_IND)将差分亚全息图(SD)的数据写入到为所述至少一个光调制器装置(SLM)存储像素值直到它们被覆盖的所述至少一个屏幕存储器(VRAM)中的装置。

15.根据权利要求13所述的全息显示装置，其特征在于，所述至少一个屏幕存储器(VRAM)允许同时写入差分亚全息图(SD)的像素值和为所述至少一个光调制器装置读取像素值。

16.根据权利要求13到15中的一项所述的全息显示装置，具有屏幕装置(B)，其特征在于，屏幕装置(B)是在其上编码场景(3D-S)的整个全息图的所述至少一个光调制器装置(SLM)本身，或者是在所述至少一个光调制器装置上编码的场景的整个全息图或波阵面投射到其上的光学元件。

17.根据权利要求16所述的全息显示装置，其特征在于，光学元件是透镜或反射镜。

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