CN102938229A - 三维数字全息光子地图 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维地理信息显示领域，具体涉及一种显示三维地形的全息光子地图。由再现光源、全息图记录介质组成。具体通过地形数据采集系统获取三维地形信息，采用运动恢复结构算法SfM重构地形三维数据。基于逆向衍射计算全息技术和衍射单元查找表算法计算三维地形全息图。将全息图写入记录介质中，形成光子地图板。本发明提供的三维光子地图板能够显示地形的空间三维特征，达到全视角、多角度、高精度的三维地图显示效果，同时具有数据标绘指示功能，克服了现有的地图无法精确、直观表现三维地形信息的不足。

Description

三维数字全息光子地图

技术领域

本发明属于三维地理信息显示和计算全息技术领域，具体涉及一种能够显示三维地形的数字全息光子地图。

背景技术

近年来，社会经济的稳步发展和人民生活水平的日益提高，使得实际应用中对空间地理信息的感知不断提出新的要求。无论在军事上的战场精确打击和城市反恐，还是在日常生活中的交通拥塞疏导和地理信息导航，全视差、多角度的裸眼真三维地形信息图都成为人们的迫切需要。目前公知的地图学，是一种平面二维的制图学。如常规的纸质和电子地图，只是地形信息在平面上的表象，缺乏地形的三维表示和空间立体感；而近期飞速发展的三维虚拟电子地图，利用透视关系，在屏幕上显示三维地理信息一个视角上的二维投影图像，缺乏三维直观性，降低了人眼观察的舒适度，而且由于投影和透视计算，地物有显示误差，同样不能有效地满足科技发展对三维地理信息精确显示的需求。

在三维全息地图方面，美国麻省理工学院媒体实验室的Mark Lcucente小组提出了基于Hogel技术的空间光场再现方法，由于采用光场复振幅实部作为基本衍射条纹，因此再现过程中存在共轭像的干扰；美国Zebra Imaging公司实现了三维模型的全息地图，但是其技术细节从未公开。同时，此项技术国内尚未有文献报道。

基于这种情况，本发明提供了一种三维全息光子地图，既具备纸质和电子地图的精确性，又具有适于人眼观察的三维直观性和空间立体感。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够再现三维地形的数字全息光子地图板。关键技术在于将地图地形地貌特征建模为空间三维点集，通过逆向衍射全息技术计算数字全息图，写入全息记录介质，在再现光源照射下重现逼真、立体的三维地形图。

本发明的特征在于，一种用于显示三维地形的数字全息光子地图板，包含：再现光源；全息图记录介质；三维地形信息采集与计算全息图激光写入系统；其中三维地形信息采集与计算全息图激光写入系统包括地形数据采集系统、全息图计算装置、全息写入系统。再现光源与全息图计算所采用的光源具有相同波长，既可以是白光光源，也可以是单色光源；全息图可以是反射型全息图，也可以是透射型全息图或者模压全息图。

所述地形数据采集系统具有采集三维地形信息功能，可以是利用点扫描、线扫描、面阵的图像传感器实现三维地形信息获取的装置，也可以是从虚拟三维模型中获得地形信息的软件系统。

所述全息图计算装置采用基于数字衍射光栅的全息图计算方法，根据不同的衍射角度基于迭代傅里叶变换算法获得不同频率的基本数字衍射光栅，多条数字衍射光栅叠加组成光子地图板的一个全息衍射单元。算法迭代运算在全息面和衍射面之间进行，生成的数字衍射光栅取其相位，组成纯相位型全息图。相位型基本衍射光栅衍射效率高，克服了普通光学全息中共轭像难以分离的问题。

所述全息图计算装置中，光点的衍射功能单元分配采用查找表的方法。即根据光点与光子地图板的空间位置关系，预先计算三维地形数据的衍射单元分配表，克服了逐个计算光点的衍射单元耗时长的问题，提高了计算效率和干涉条纹的生成速度。另外，在衍射单元分配表的计算中采用低频优先的原则，即空间光点最优化地使用功能衍射单元的低频数字光栅。此种优化使数字光栅的低频部分得到最充分的利用，再现光的光能利用效率得到提高。对三维地图的每个光点查找衍射分配表，获得该光点的功能衍射单元和衍射方向分配，根据光点亮度对其进行强度赋值。

所述全息图记录介质是具有记录计算全息图功能的介质材料，可以是卤化物银盐干版和聚合物干版，也可以是空间光调制器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提供的三维地形信息采集与写入系统和三维光子地图板能够快速将三维地形信息转化为全息干涉条纹，在再现系统下显示地形的空间三维信息，同时可以方便在地图中标绘数据信息，达到全视角、高精度、形象逼真的三维立体地图显示效果。

附图说明

本发明三维全息光子地图板的附图有4个。

图1三维全息光子地图板第一个实施例的结构示意图。

图2三维全息光子地图板第二个实施例的结构示意图。

图3纯相位基本数字衍射光栅迭代计算简图。

图4数字全息图计算过程框图。

图1～图4中，(1)-再现光源，(2)-全息图记录介质，(3)-地形数据采集系统，(4)-全息图计算装置、(5)-全息写入系统、(6)-激光器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明“三维全息光子地图板”做进一步描述。

图1为本发明提供的三维光子地图板的第一个实施例，由再现光源(1)、全息图记录介质(2)、地形数据采集系统(3)和全息图计算装置(4)组成。再现光源(1)是白光或者是单色光源，再现光源的选择由全息图计算装置(4)决定，与全息图计算装置所采用的光源波长相同。在该例中，全息图记录介质(2)选择液晶空间光调制器，该器件在空间上调制光的强度和相位分布，是一种动态光学元件，具有较高的衍射效率和可刷新性。

地形数据采集系统(3)包含多个点扫描、线扫描、或者面阵的图像传感器。图像传感器采用在三维地形上移动，或者架设在地形上方不同方向的方法拍摄，获得三维地形一系列从左到右、从上到下的透视图像。每一幅获取的图像对应三维物体的一个视觉角度，每一个角度对应一个图像传感器位置。地形数据采集系统(3)或是从地形虚拟三维模型软件系统中获得三维地形的多角度二维图像。运动恢复结构算法SfM在多角度序列图像中跟踪三维地形的多个特征点，提取并匹配出所有特征点在二维图像上的位置，利用矩阵分解的方法在三维空间中做相似变换，恢复地形的三维结构，获得地形的三维点阵数据。在三维点阵数据中可根据需要加入相应的地图信息，如行政边界、地名、建筑物名称信息，使其具有数据表示和地理指示功能。

全息图计算装置(4)根据逆向衍射计算全息算法获得三维全息图。传统的全息图计算方法是基于干涉的全息图计算，模拟在光学全息中的干涉环节，计算物光与参考光的干涉条纹作为全息图。数字全息图的实际作用是调制再现光产生三维图像，再现过程是对光线的衍射，并不涉及干涉过程。逆向衍射计算全息技术仅仅考虑全息图的衍射再现环节，将传统全息图中的干涉条纹视为具有特定衍射功能的数字光栅，全息图的计算过程简化为由三维场景的点阵信息逆向求取数字衍射光栅的过程。具体实施方法为：三维地形的每个点由全息图中多个不同位置衍射单元中的基本数字光栅衍射光线汇聚而成。根据地形中目标点与全息图的相对位置关系，计算形成该点的衍射单元和基本衍射光栅，并对该衍射单元中的对应光栅进行强度赋值。对三维地形的所有点逐一扫描后，赋值的衍射单元形成三维数字全息图。计算的全息图由计算机直接下载到空间光调制器中，在再现光源照射下重构三维地形。由于空间光调制器具有动态写入特性，可以实现全息图的实时更新，实现三维地形数据的动态显示。

图2为本发明提供的三维光子地图板的第二个实施例，其特征为，全息图记录介质为卤化物银盐干版或者聚合物干版，其分辨率可以达到1000线/mm以上，因此该记录介质可以体现三维地图微小的空间形貌特征，具有极高的分辨率和精度。银盐干版或者聚合物干版需要采用激光器(6)逐点写入的方式，具有不可刷新性。银盐干版或者聚合物干版写入全息图后，表面加有玻璃构成的透明层，上面印有地图信息对应的行政边界、地名、建筑物名称信息，具有标绘地物和保护全息图的功能。

图3所示为全息图计算装置(4)中纯相位基本数字衍射光栅的迭代计算过程。不同频率的基本数字光栅对光的衍射方向不同：低空间频率的数字光栅对光的衍射角小，高空间频率的数字光栅对光的衍射角大。每个基本数字衍射光栅将再现光调制到衍射光场的一个方向，多个方向的衍射光线汇聚形成三维地形的一个光点。根据衍射原理，远场夫琅禾费衍射中，衍射面与全息面之间满足傅里叶变换关系，其中，傅里叶变换的时域代表基本数字光栅的条纹分布，频域代表数字光栅的衍射方向。因此，利用迭代傅里叶变换的方法计算基本数字衍射光栅。实施方法为：由随机函数生成光栅u(x)，傅里叶变换到频域后，对光栅的衍射方向施加约束，即施加频率约束给V(θ)；傅里叶逆变换到空域后，加入再现光的幅值约束，即施加空间约束给u(x)，反复迭代至光栅频谱特性满足要求。取此时的复振幅u(x)的相位φ作为纯相位基本数字衍射光栅，具有无共轭像和衍射效率高的优点。

图4所示为三维数字全息图计算过程。为了提高数字全息图的计算速度，算法采用衍射单元分配查找表方法。实施方法为：根据地形三维空间结构中光点与全息面的位置关系，计算衍射形成该点的衍射单元和基本衍射光栅，放入一个表中。计算全息图的过程中，根据点的位置查找该表获得衍射单元和基本衍射光栅分配，直接对基本衍射光栅的强度赋值，避免了求解衍射单元和基本衍射光栅过程中的重复运算。

三维数字全息图计算实施过程为：地形数据采集系统(3)获得三维地形的多角度二维图像，运动恢复结构算法SfM重构地形的三维结构信息。地形三维结构信息离散为空间光点，提取其坐标(x，y，z)和强度M。空间光点坐标y作为衍射单元序列的行坐标，利用空间光点坐标x，z查找衍射单元分配表，获得衍射单元分配及系数，系数与强度M相乘决定分配的衍射单元与光栅的幅值。遍历三维模型所有光点后，衍射单元序列与附图3实例计算的纯相位基本数字衍射光栅卷积运算，获得三维地形的全息图。

Claims (12)

1.一种能够显示三维地形的数字全息光子地图，其特征在于，至少含有：再现光源(1)、全息图记录介质(2)、三维地形信息采集与计算全息图激光写入系统，其中三维地形信息采集与计算全息图激光写入系统包括地形数据采集系统(3)、全息图计算装置(4)、全息图写入系统(5)。

2.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于，所述再现光源(1)与全息图计算装置(4)所采用的光源具有相同波长。

3.根据权利要求2所述的三维全息光子地图，其特征在于，所述所采用的光源为白光光源或单色光源。

4.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于，所述全息图记录介质(2)是具有高亮度衍射特性的全息记录介质材料。

5.根据权利要求4所述的数字全息光子地图，其特征在于，所述具有高亮度衍射特性的全息记录介质材料，为卤化物银盐干版和聚合物干版，或空间光调制器，全息图是反射型全息图、透射型全息图或者模压全息图。

6.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于，所述地形数据采集系统(3)具有采集三维地形信息功能，其是利用点扫描、线扫描、面阵的图像传感器实现三维地形信息获取的装置，或是从虚拟三维模型中获得地形信息的软件系统；所述地形数据采集系统(3)采用运动恢复结构算法SfM重构地形三维数据，获得地形三维点阵信息。

7.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于，所述全息图写入装置(5)将计算得到的全息图写入到全息图记录介质(2)中，采用激光曝光方式写入或采用模压方式写入。

8.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于：所述的光子地图具有数据标绘指示功能，该地图在再现光源(1)照射时，显示的全息图不仅包含原始的三维地形信息，还包含地图的行政边界、地名、建筑物名称、尺寸信息和地图说明。

9.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征在于其中全息图计算装置(4)采用逆向衍射计算全息技术，从衍射结果出发，将光学重构的三维地形作为衍射目标图像，逆向求取需要的衍射条纹，避免了干涉过程复杂的计算方法，该方法计算仅基于发生在全息图像重构时的衍射，采用逆向方法求解数字光栅，归一化衍射的光栅不再是严格的物理干涉条纹，而是通过更清晰地了解衍射目的或采用合成的方法产生的合成光栅，这种合成光栅是基本数字光栅条纹的叠加，它存在于每一全息衍射单元中，用于合成所需的三维图像。

10.根据权利要求1或8所述的数字全息光子地图，其特征在于其中全息图计算装置(4)采用纯相位基本衍射光栅算法，根据数字光栅的衍射特性，由不同的衍射角度基于迭代傅里叶变换算法获得不同频率的基本数字衍射光栅，多条基本数字衍射光栅叠加组成光子地图板的一个全息衍射单元，迭代运算在全息面和衍射面之间进行，生成的数字衍射光栅取其相位，组成纯相位型全息图，纯相位基本衍射光栅衍射效率高，克服了普通光学全息中共轭像难以分离的问题。

11.根据权利要求1或8所述的数字全息光子地图，其特征在于衍射单元分配中的查找表方法是根据光点与光子地图板的空间位置关系，预先计算三维地形数据的衍射单元分配表，克服了逐个计算光点的衍射单元耗时长的问题，提高了计算效率和干涉条纹的生成速度；在衍射单元分配表的计算中采用低频优先的原则，即空间光点最优化地使用功能衍射单元的低频数字光栅，此种优化使数字光栅的低频部分得到最充分的利用，再现光的光能利用效率得到提高。

12.根据权利要求1所述的数字全息光子地图，其特征是：数字全息光子地图计算中采用逆向衍射计算全息技术、运动恢复结构、纯相位基本衍射光栅算法以及衍射单元分配的查找表方法。

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