CN102117041A - 彩色合成全息图的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种彩色合成全息图制作方法包括以下步骤：采样，获取三维物体的多幅不同视角的图像；对上述多幅图像进行如下处理：将上述每幅图像分割成多个横向图像行，将每个横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像组成一个新的灰度图像，该新的灰度图像背景为黑色，仅由横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像间隔一定距离排开而组成；及将上述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的多个狭长区域上，所述采样得到的每幅图像对应的信息会被记录到全息干板的一个狭长区域上，得到三维物体的合成全息图。

Description

彩色合成全息图的制作方法

技术领域

本发明涉及全息技术领域，尤其涉及一种彩色合成全息图的制作方法。

背景技术

目前，全息术能够记录和再现物体的全部光学信息，在光学立体显示方面的应用具有重要研究价值。作为其分支之一的合成全息技术，既利用了体视对图像合成立体感的思想，又利用了全息术可原物光衍射复现的特点，具有灵活的制作方式、丰富的拍摄题材和强烈的视觉冲击力，能够以简便的再现形式，实现高质量的立体场景光学显示。

现有技术提供的彩色合成全息图的制作方法中，为了能在全息干板上记录三维物体的颜色信息，一般需要采用红绿蓝三色激光器来分别拍摄三维物体的红绿蓝三通道信息，在彩色合成全息图制作过程中需要进行红绿蓝三色激光器的切换，导致彩色合成全息图制作过程复杂且制作设备比较昂贵。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能够采用一种颜色的激光就可以同时记录红绿蓝三通道信息的彩色合成全息图的制作方法。

一种彩色合成全息图制作方法包括以下步骤：采样，获取三维物体的多幅不同视角的图像；对上述多幅图像进行如下处理：将上述每幅图像分割成多个横向图像行，将每个横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像组成一个新的灰度图像，该新的灰度图像背景为黑色，仅由横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像间隔一定距离排开而组成；及将上述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的多个狭长区域上，所述采样得到的每幅图像对应的信息会被记录到全息干板的一个狭长区域上，得到三维物体的合成全息图。

所述彩色合成全息图制作方法中，通过对原始二维图像竖直方向图像信息进行分通道处理，从而能够采用一种颜色的激光就可以同时记录红绿蓝三通道信息，得到彩色合成全息图，从而可以大大简化彩色合成全息图制作过程，降低彩色合成全息图制作成本。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法中的图像处理过程示意图。

图2为本发明第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法中得到彩色合成全息图的原理图。

图3为本发明第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法使用的光路图。

图4为本发明第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法中使用的全息光学元件的制作光路图。

图5为本发明第二实施例提供的彩色合成全息图制作方法使用的光路图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。

本发明第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法包括以下步骤：

步骤1：采样，获取三维物体的M幅不同视角的图像。

采样包括对实际三维物体和虚拟三维物体采样两种方式。实际三维物体可采用现有的导轨式自动控制三维物体采样系统，该系统安装角度可控的数码相机或数码摄像机，能够按照程序设定拍摄三维物体的各角度透视图像(用普通相机亦可，而后需用扫描仪将彩色照片输入计算机进行处理)。虚拟三维物体利用计算机三维建模和动画软件生成一个虚拟三维物体或三维物体动画，按照要求渲染输出虚拟三维物体的各角度透视图像。

采样角度范围通常取45度到60度之间。但如果仅为表现其大角度旋转的空间感，忽略其真实的再现角度，可以将采样角度取得更大。采用图像的张数一般不少于100张。采样图像的分辨率在小于后续用于读出这些图像的空间光调制器的分辨率时，通常越大越好，但如果超出空间光调制器的分辨率将没有意义。下面将举例说明对于不同类型三维物体的可选采样方法，可以理解，对于这些不同类型三维物体的采样方法并不限于以下示例。

当对静物进行采样时，可将静物置于转盘上，数码相机放置于转盘正前方，转盘从-25度转到25度，每转动0.5°拍摄一幅图像，共100幅。图像输入计算机，用图像软件(如photoshop等)进行提高像质的各项图像处理，如对图像进行剪裁，去掉原来照片上不需要的背景和不良阴影等，以到达最好的艺术效果，得到一组原始二维图像序列。上述数码相机可通过计算机控制拍摄，以实现拍摄过程自动化。

当对人进行采样时，可拍摄人物的头像、半身像和站像，也可以拍摄类似婚纱照的艺术照片。人物的头像拍摄可以用拍摄者转动头部的简单方法，站像可以让人物站在转盘上拍摄，转盘最好用电机控制，保持匀速旋转，并可控制旋转角度。拍摄方法大致与对静物拍摄时相同，需要特别注意的是人像很难保持完全静止，最好采用数码摄像机快速记录下人物转动的一段动画，然后输入计算机，用数码视频处理软件，如mainactor，按照要求角度分解为100幅平面图像。

当对计算机生成的三维立体模型进行采样时，例如，一辆由计算机辅助设计的新型概念车。利用常用的计算机三维建模和构图软件，如3DMAX，处理汽车模型数据，加以适当的光照、材质。然后进行渲染输出，输出该立体模型按所需角度投影的平面图像100幅。

步骤2：对上述M幅图像进行图像处理。

请参阅图1，该图像处理分两个步骤，首先进行水平方向的变换来实现合成视差，然后进行竖直方向变换来分颜色通道。此二过程可交换先后顺序，最终得到处理结果相同。

进行水平方向的变换来实现合成视差时，需要对采样得到的原始图像进行编号，将上一步骤得到的M幅二维图像编组为一个第一图像序列(X₁，X₂，...，X_i，...X_M)，1≤i≤M，其中，第一图像序列中共有M幅图像，每一幅图像记为X_i，并将X_i表示向量矩阵形式，即X_i＝(x_i1，x_i2，...，x_ik，...，x_iN)。其中，角标N即是合成全息图拍摄时的狭缝数目，该标识说明图像被按照狭缝的数目拆分为N个纵向图像列，再由第一图像序列中每幅图像提供一个图像列来组成一幅新的图像，具体变换的过程是：从X_i＝(x_i1，x_i2，...，x_ik，...，x_iN)中提取某一图像列、从全部二维图像阵列中提取M个图像列，组成一幅新图像。经过图像变换后的一幅新二维图像可表示为Y_k＝(x_1k，x_2k，...，x_ik，...x_Mk)，例如，当k＝1，提取每一图像第1列，依次排列组成新图像矩阵Y₁＝(x₁₁，x₂₁，...，x_i1，...x_M1)，变换需针对所有原始图像进行多次，经过从k＝1到k＝N的多组变换，即可得到一组第二图像序列，包含的图像可表示为(Y₁，Y₂，...，Y_N)。需要说明的是，上述图像列中可包括一个或多个像素列，上述M既可等于N也可不等于N。

然后需对竖直方向图像信息进行分通道处理，目的是实现将三个通道的颜色信息通过一次曝光就记录下来，而且能再现全彩色。图像颜色通道的划分采取公知的图像颜色分通道方法，即红绿蓝通道分别输出一幅灰度图像。第一步得到的第二图像序列(Y₁，Y₂，...，Y_N)将被输出为三个灰度图像序列，按照对应红、绿、蓝颜色分别表示为(Y_1r，Y_2r，...，Y_Nr)、(Y_1g，Y_2g，...，Y_Ng)、(Y_1b，Y_2b，...，Y_Nb)，以其中一幅为例，又各自表示为例如

其中

等表示一个横向图像行。这一步变换就是取(Y_1r，Y_2r，...，Y_Nr)、(Y_1g，Y_2g，...，Y_Ng)、(Y_1b，Y_2b，...，Y_Nb)中每一幅的一个横向图像行，再将每三个横向图像行组成一幅新的灰度图像，该图像背景为黑色，仅由三个横向细条间隔一定距离排开而组成，该新图像可表示为：Z_k1＝(y_kr1，y_kg1，y_kb1)，而将(Y₁，Y₂，...，Y_N)全部进行变换后，将得到一个灰度图像的二维阵列(Z₁₁...Z_1h，Z₂₁...Z_2h，...，Z_N1...Z_Nh)，其中h的数目和每一横向图像行中包含的像素数目都取决于合成全息拍摄时每一像素的横向宽度尺寸，类似于公知的二维彩虹全息方法中狭缝的宽度尺寸。

经过以上两次变换，将原来一组由M幅图像组成的原始二维彩色图像序列(X₁，X₂，...，X_i，...X_M)拆分组合成为一个灰度图像的二维阵列(Z₁₁...Z_1h，Z₂₁...Z_2h，...，Z_N1...Z_Nh)，该阵列纵向信息针对合成视差，横向信息针对颜色通道，共有h×N幅图像。需要说明的是，上述横向图像行中可包括一个或多个像素行。

步骤3：请参阅图2，将上述图像处理后得到的h×N幅图像记录到全息干板10的N个狭长区域上，让全息干板10上每个狭长区域记录的信息都包括照片X₁-X_M中每个照片的一个图像列和该图像列的颜色信息。具体的，由图像序列(Y₁，Y₂，...，Y_N)中每个图像经过竖直方向变换的分颜色通道处理得到的h幅图像会记录到全息干板10上的一个狭长区域上。

为了实现一次记录红绿蓝三个通道后，能够再现彩色图像，首先需要对透射全息图的衍射角度进行严格的计算。通过设计物光和参考光的记录夹角，可以控制再现时颜色光的衍射方向。请参阅图3，根据彩虹全息图的原理，通过控制红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角，即物光和参考光的记录夹角，可以在特定方向(一定角度范围内，如图3中人眼所在位置)观察到原物体的真实颜色三维再现像，即以一种假彩色编码的方式达到了真彩色再现的效果。为了让人眼在大致与全息干板10垂直的位置观察到三维物体真实颜色的再现像，红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}2{\mathrm{\λ}}_r\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_r}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\\ 2{\mathrm{\λ}}_g\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_g}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\\ 2{\mathrm{\λ}}_b\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_b}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，θ_r、θ_g、θ_b为红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角；λ₀为记录激光波长；λ_r、λ_g、λ_b是红绿蓝光对应的波长；α是参考光与全息干板10的垂线的夹角。

在本实施例提供的彩色合成全息图制作方法中，激光器1出射的光线会被反射镜2反射到分束镜3上，分束镜3将激光器1出射的光线分成两束，一束用于作为参考光，另一束作为物光。该物光依次经过扩束镜4和准直透镜5照射到数字微反射镜6上，上述图像处理后得到的N幅图像会被依次输入到数字微反射镜6上，再通过成像透镜7、光偏转元件8及矩孔挡板9上的矩孔记录到全息干板10上。通过控制曝光间隔时间、移动全息干板10、并精确控制移动步长和矩孔尺寸，最终将在全息干板10的N个狭长区域上分别记录上述N幅图像。本实施例中，参考光束以45度角左右投射于矩孔上，且保持两束光光程差约为0。所述全息干板10的移动装置(图未示)可通过计算机控制来移动全息干板10，从而能够实现改变输出图像、控制快门(图未示)曝光的协调运作，自动完成全息图的激光干涉打印记录。最后，对全息干板10进行显影、定影处理，得到合成全息图。所述全息干板10的移动装置可为一个步进马达。本实施例中，所述激光器1采用氦氖激光器，波长632.8nm。

所述光偏转元件8用于将红绿蓝三个通道光线均偏转照射到矩孔挡板9的矩孔中，并使红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角满足上述公式1。

所述光偏转元件8可以为一组反射镜、透镜或全息光学元件等。本实施例中，该光偏转元件8为一个全息光学元件。该全息光学元件上具有平行设置的三个光栅，该三个光栅分别用于偏转红绿蓝三个通道的光线，该三个光栅满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_r=d_r\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\λ}}_g=d_g\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\λ}}_b=d_b\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，d_r、d_g、d_b分别为对应红绿蓝三个通道的光栅的光栅常数；λ_r、λ_g、λ_b是红绿蓝光对应的波长；α是参考光与全息干板10的垂线的夹角。由于理论上来说α的值可取0到90度，因此，能够用于本实施例中的全息光学元件中的三光栅应满足：

$0\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_r}{d_r}=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{d_g}=\frac{{\mathrm{\λ}}_b}{d_b}\≤1---\left(3\right)$

由于α的值一般在30度到60度之间，优选地，所述全息光学元件中的三个光栅满足：

所述全息光学元件具体制作光路如图4所示，经准直透镜5准直后的平行光作为参考光，被分束镜3反射的光作为物光，此物光从矩形小孔中扩散出来到毛玻璃13中，最终与参考光形成干涉。经过曝光、显影、定影、漂白制作成全息光学元件，其三个光栅如图4中右图所示。

本实施例中对竖直方向图像信息进行分通道处理的目的是为了能够采用一种颜色的激光就可以同时记录红绿蓝三通道信息。

公知的二步合成全息的拍摄方法中，将采样得到的图像直接拍摄于狭缝或矩孔后的全息干板上，再现时，观察者看到的图像是来自多个狭缝或矩孔的、互相重叠交叉的图像，导致观察者无法看到一幅完整的二维透视图像，而是多幅、各个角度二维透视图像的重叠，观察者看到的将是完全混乱的图像。本实施例中对水平方向进行变换来实现合成视差的目的是为了在后续合成全息图再现时，观察者的每只眼看到的将不再是混乱的图像交叠，而是按照一定规律、有序地组合而成的完整二维图像，且符合体视对关系，形成合成立体感，因此，通过采用本实施例提供的彩色合成全息图制作方法，能够得到高质量的合成全息图。

所述对竖直方向图像信息进行分通道处理与对图像水平方向进行变换来实现合成视差的功能是相互独立的，因此，在其他实施例中，在上述图像处理过程中，也可仅进行竖直方向图像信息进行分通道处理，即直接对M幅图像进行竖直方向图像信息进行分通道处理，然后记录到全息干板10上，但此时全息干板10需要M个狭长区域以对应记录M幅图像的信息。

本发明第二实施例提供的彩色合成全息图制作方法中采样及图像处理的过程与第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法中相同，其与第一实施例提供的彩色合成全息图制作方法的区别在于将图像处理后得到的h×N幅图像记录到全息干板10上的方式不同。请参阅图5，本实施例中，采用液晶显示器15作为空间光调制器来替代数字微反射镜6。激光器1出射的光线会被反射镜2反射到分束镜3上，分束镜3将激光器1出射的光线分成两束，一束用于作为参考光，另一束作为物光。该物光被导入导光板14中，作为液晶显示器15的光源使用。所述h×N幅图像会被依次显示在液晶显示器15上，通过控制液晶显示器15与矩孔挡板9上的矩孔的相对位置，使得红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角满足上述公式1，如此得到的合成全息图再现时，即可让人眼在大致与全息干板10垂直的位置观察到三维物体真实颜色的再现像。

需要说明的是，上述液晶显示器15与本发明第一实施例中的数字微反射镜6的作用都是作为空间光调制器来显示图像，因此，本发明第一至第三实施例中的数字微反射镜6均可替换为液晶显示器15。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其他各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种彩色合成全息图制作方法包括以下步骤：

采样，获取三维物体的多幅不同视角的图像；

对上述多幅图像进行如下处理：将上述每幅图像分割成多个横向图像行，将每个横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像组成一个新的灰度图像，该新的灰度图像背景为黑色，仅由横向图像行的红绿蓝三通道灰度图像间隔一定距离排开而组成；及

将上述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的多个狭长区域上，所述采样得到的每幅图像对应的信息会被记录到全息干板的一个狭长区域上，得到三维物体的合成全息图。

2.如权利要求1所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，在将处理后的图像记录到全息干板的多个狭长区域上时，所述新的灰度图中，红绿蓝三通道光线入射到全息干板上时的物参角满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}2{\mathrm{\λ}}_r\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_r}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\\ 2{\mathrm{\λ}}_g\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_g}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\\ 2{\mathrm{\λ}}_b\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_b}{2}={\mathrm{\λ}}_0\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，θ_r、θ_g、θ_b为红绿蓝三个通道光线入射到全息干板上时的物参角；λ₀为记录激光波长；λ_r、λ_g、λ_b是红绿蓝光对应的波长；α是参考光与全息干板的垂线的夹角。

3.如权利要求2所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述红绿蓝三通道光线通过一个光偏转元件后记录到全息干板上。

4.如权利要求3所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述光偏转元件为一个全息光学元件，该全息光学元件上具有平行设置的三个光栅，该三个光栅分别用于偏转红绿蓝三个通道的光线，该三个光栅满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_r=d_r\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\λ}}_g=d_g\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\λ}}_b=d_b\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，d_r、d_g、d_b分别为对应红绿蓝三个通道的光栅的光栅常数；λ_r、λ_g、λ_b是红绿蓝光对应的波长；α是参考光与全息干板的垂线的夹角。

5.如权利要求4所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述全息光学元件中的三个光栅满足条件：

6.如权利要求1所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述三维物体包括实际三维物体和虚拟三维物体。

7.如权利要求1所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，在获取三维物体的多幅不同视角的图像后，对该多幅图像进行提高像质的处理。

8.如权利要求7所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述提高像质的处理包括对图像进行剪裁、去掉原来照片上不需要的背景或不良阴影。

9.如权利要求1所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，所述空间光调制器为数字微反射镜或液晶显示器。

10.如权利要求1所述的彩色合成全息图制作方法，其特征在于，在对多幅图像进行处理过程中，还对上述采样得到的多个图像进行水平方向的变换来实现合成视差。

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