CN103941567A - 三维数据虚拟分层全息图方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算全息领域，涉及一种三维数据虚拟分层全息图方法。本发明使用三维扫描仪对三维物体进行三维扫描，将采集到的三维数据进行分层处理，使用云平台计算三维数据每层的全息图，将每层全息图加以融合得到整个三维物体的全息图。使用本发明所提供的三维数据虚拟分层全息图方法，可以实现真实三维物体和虚拟三维物体的三维全息再现，并且可以加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，扩大计算全息的应用领域。

Description

三维数据虚拟分层全息图方法

技术领域

本发明涉及一种三维数据虚拟分层全息图方法，更具体的说，本发明提供一种3DVLH(3D Virtual Layer Holograph)三维数据虚拟分层全息图方法，对三维数据分层处理以后，使用云平台计算每层的全息图，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，扩大计算全息的应用领域。

背景技术

全息投影是近年来国内外研究的热点技术，是一种完整记录和重建三维物体光波为基础的三维显示技术。光波携带的信息包括振幅相位。其中，振幅信息反映了物体的表面特性，比如颜色、材质和光照效果等。相位信息则反映物体的空间位置特性。由于全息的再现光波保留了原有物体光波的全部信息(振幅信息和相位信息)，全息再现影像与原始物体有着完全相同的三维特性，能够提供人眼视觉系统所需的全部深度感知信息。人们在观看全息再现影像时，会得到与观看原物时完全相同的视觉效果。因此，全息术被国际上广泛认为是最有发展前景的真三维显示技术。

在国外，全息技术一直是研究的热点。美国麻省理工学院的D.E.Smalley等人2013年在Nature上发表的文章中介绍了其研制出用于全息显示的新型空间光调制器，使得制造全息显示器的梦想照进现实；英国剑桥大学的Blake M等人研究了用于全息显示的新型材料设计方法；美国哈佛大学的Giuliano CB等人使用内联全息显微镜(DIHM)准确地确定了物体在三个维度的位置和几何形状；日本千叶大学的伊藤智义(Tomoyoshi Ito)等人研究出了一种由多个二维图像的投影再现出三维全息的算法，用于媒体艺术、数字标牌和加密技术等领域；日本理化学研究所的Ozaki M等人2011年在Science上发表的文章中提出一种基于表面等离子体激元的方法实现从任何角度实时观看三维彩色图像的目的；丹麦科技大学(TechnicalUniversity ofDenmark)的Darwin Palima等人使用二进制相位空间光调制器来进行光束整形；埃尔南德斯大学(Universidad Miguel Hemandez)的Martinez JL等人利用基于波长补偿的方法来改变再现像成像的大小。

国内多所大学和研究机构的专家学者在数字全息计算、再现方面也做了很多的研究。在提高分辨率方面，昆明理工大学袁操今等人利用相位模板实现数字全息超分辨成像，中国科学院上海光学精密机械研究所司徒国海等通过分离和在傅立叶域合成不同频率区域的带宽来增加空间分辨率，北京邮电大学的冷俊明等人将博奇编码与四步相移法相结合的方法来达到提高图像对比度和分辨率的效果；在提高计算全息速度方面，中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利等人通过分层技术提高三维物体全息图的计算速度，昆明理工大学的徐蔚等人提出一种解析表达傅立叶频谱的计算三维全息的快速算法；在去除再现像噪声方面，北京工业大学戎路等人通过抑制全息像的相干噪声、散斑噪声以提高全息像的再现质量，安徽大学沈川、韦穗等人通过在SLM后面引入成像透镜，并在透镜的后焦面设置高通滤波器的方法来消除零激光，通过分离重构图像与零级光位置的方法来改善全息再现像的视觉效果，北京理工大学王涌天等人通过分离重构图像与零级光位置的方法消除傅里叶再现投影中的零级光；在改善显示介质方面，清华大学的陈献忠等人利用亚波长金属纳米棒制作的超颖材料实现全息再现像的多角度观看，清华大学曹良才、金国藩等人通过使用多灰阶全息存储来提高每幅数据页的信息量，北京理工大学的谢敬辉等人通过利用多SLM拼接技术获得大视场角和大尺寸的三维全息再现像，安徽大学韦穗等人通过对LCOS原理的探究来改善全息显示材料的分辨率；在彩色全息显示方面，上海大学郑华东等人通过对物信息进行差别采样来解决由于三色激光波长不同造成再现像出现倍率色差的问题，浙江师范大学的王辉等人选取PAL制式彩色显示色系下的彩色目标为全息图计算物体进行彩色全息显示实验，为彩色计算全息三维显示的实用化奠定一定的理论基础。

已有的全息方法的研究尚存在如下缺点：不能实现三维数据的“真全息”三维显示；全息再现过程不能脱离复杂光路系统；计算全息图的速度达不到实时显示的要求。

本发明给出了一种三维数据虚拟分层全息图方法，该方法与现有的全息图计算方法的最大差别是，经过对三维数据的分层处理，可加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，节省计算时间，扩大计算全息的应用领域。

发明内容

本发明提供一种三维数据虚拟分层全息图方法，经过对三维数据的分层处理，可加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，节省计算时间，扩大计算全息的应用领域。

所述的三维数据虚拟分层全息图方法系统包括：

用于获取三维数据的三维扫描仪，扫描仪的个数为1个；

用于进行三维数据处理的计算机，计算机的个数为1个；

用于进行三维数据全息计算的云平台；

本发明所设计的三维数据虚拟分层全息图方法，具体操作步骤如下：

步骤1：使用所述的三维扫描仪对要采集的三维物体进行三维扫描，扫描三维物体之前，使用所述的三维扫描仪对三维物体进行光源的预投射，在扫描过程中三维物体应处于静止状态，匀速均匀的移动所述的三维扫描仪，获取三维物体的三维数据；

步骤2：使用所述的计算机对步骤1采集的三维数据进行处理，使步骤1采集到的三维物体的表面光滑，三维数据完善，对所述的三维数据沿YZ平面的进行分层，分层的层数结合全息图的计算速度以及三维数据的完整性进行设定，本发明对步骤1中采集到的三维物体间隔5.00mm进行分层，总共分98层即可包含三维物体的全部信息；

步骤3：使用所述的云平台对步骤2三维数据的每层数据进行全息图的计算，对不同层的公共区域，经过信息融合，生成连续的全息图，所示全息图的干涉条纹不可避免会出现重合现象，对于存在重合的全息图条纹可以采用细化、插补、去噪等一系列方法进行全息图最优化，去除重叠区域，为了逼真的显示三维物体的全息像，应加大三维数据的分层层数，但同时三维数据分层的层数应结合全息图的计算速度以及三维数据的完整性进行设定，多层三维数据的全息图计算量大，此外，为了更精确地描述三维物体模型，通常需要使用海量的点基元或面基元以及一些光照阴影、渲染材质、遮挡效果等信息，这种级别的计算量对于任何一台个人PC都是难以承受，云(cloud)计算为解决这一难题可提供帮助，在所述的云平台模式下，建立一个接近1500点的云平台，可以调动5000个内核的CPU协同工作，实现超级计算机的能力，类似300mm*300mm的计算量，在所述的云平台中可以在10秒钟内完成运算，每层全息图的计算过程具体如下：

设物体的复振幅分布为u(x，y)，物光和参考光在全息面上的干涉光强为i_H(x_H，y_H)，物体与全息面的距离为d，根据菲涅尔衍射公式可以得到物光波在全息面上的衍射光场分布O(x_H，y_H)为：

$O(x_H,y_H)=\frac{e^{\mathrm{jkd}}}{\mathrm{j\λd}}\text{\∫\∫u}(x,y)\exp \left\{\frac{\mathrm{jk}}{2d}\right[{(x-x_H)}^2+{(y-y_H)}^2\left]\right\}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

其中λ为波长，k＝2π/λ为波数，

在全息平面上，设参考光波的分布为R(x_H，y_H)，则全息平面的光强分布i_H(x_H，y_H)为：

i_H(x_H，y_H)＝[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]·[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]^*    (2)

其中λ为波长，k＝2π/λ为波数，

使用上面的公式分别计算出每层的全息图，将每层的全息图叠加后加入参考光即可制作出一张全物场的全息图；

步骤4：对步骤3中计算得到的全物场全息图进行仿真再现，观察再现像的三维立体效果；

至此，三维数据虚拟分层全息图方法结束。

本发明的有益效果是：本发明设计的三维数据虚拟分层全息图系统，经过对三维数据的分层处理，可加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，节省计算时间，扩大计算全息的应用领域。

附图说明

图1：采集到的三维数据

图2：三维数据分层各角度示意图

图3：其中一层三维数据计算的全息图

图4：三维数据虚拟分层全息图方法流程图

具体实施方式

本发明提供一种三维数据虚拟分层全息图方法，经过对三维数据的分层处理，可加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，节省计算时间，扩大计算全息的应用领域。

所述的三维数据虚拟分层全息图方法系统包括：

用于获取三维数据的三维扫描仪，扫描仪的个数为1个；

用于进行三维数据处理的计算机，计算机的个数为1个；

用于进行三维数据全息计算的云平台；

本发明所设计的三维数据虚拟分层全息图方法，具体操作步骤如下：

步骤1：使用所述的三维扫描仪对要采集的三维物体进行三维扫描，扫描三维物体之前，使用所述的三维扫描仪对三维物体进行光源的预投射，在扫描过程中三维物体应处于静止状态，匀速均匀的移动所述的三维扫描仪，获取三维物体的三维数据，本发明要采集的三维物体为一个小女孩，采集到的三维数据如图1所示；

步骤2：使用所述的计算机对步骤1采集的三维数据进行处理，使步骤1采集到的三维物体的表面光滑，三维数据完善，对所述的三维数据沿YZ平面的进行分层，分层的层数结合全息图的计算速度以及三维数据的完整性进行设定，本发明对步骤1中采集到的三维物体间隔5.00mm进行分层，总共分98层即可包含三维物体的全部信息，采集的三维数据的分层示意图如图2所示；

步骤3：使用所述的云平台对步骤2三维数据的每层数据进行全息图的计算，对不同层的公共区域，经过信息融合，生成连续的全息图，所示全息图的干涉条纹不可避免会出现重合现象，对于存在重合的全息图条纹可以采用细化、插补、去噪等一系列方法进行全息图最优化，去除重叠区域，为了逼真的显示三维物体的全息像，应加大三维数据的分层层数，但同时三维数据分层的层数应结合全息图的计算速度以及三维数据的完整性进行设定，多层三维数据的全息图计算量大，此外，为了更精确地描述三维物体模型，通常需要使用海量的点基元或面基元以及一些光照阴影、渲染材质、遮挡效果等信息，这种级别的计算量对于任何一台个人PC都是难以承受，云(cloud)计算为解决这一难题可提供帮助，在所述的云平台模式下，建立一个接近1500点的云平台，可以调动5000个内核的CPU协同工作，实现超级计算机的能力，类似300mm*300mm的计算量，在所述的云平台中可以在10秒钟内完成运算，每层全息图的计算过程具体如下：

设物体的复振幅分布为u(x，y)，物光和参考光在全息面上的干涉光强为i_H(x_H，y_H)，物体与全息面的距离为d，根据菲涅尔衍射公式可以得到物光波在全息面上的衍射光场分布O(x_H，y_H)为：

$O(x_H,y_H)=\frac{e^{\mathrm{jkd}}}{\mathrm{j\λd}}\text{\∫\∫u}(x,y)\exp \left\{\frac{\mathrm{jk}}{2d}\right[{(x-x_H)}^2+{(y-y_H)}^2\left]\right\}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

其中λ为波长，k＝2π/λ为波数，

在全息平面上，设参考光波的分布为R(x_H，y_H)，则全息平面的光强分布i_H(x_H，y_H)为：

i_H(x_H，y_H)＝[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]·[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]^*    (2)

其中上标*代表复共轭，

使用上面的公式分别计算出每层的全息图，其中一层的计算全息图如图3所示，将每层的全息图叠加后加入参考光即可制作出一张全物场的全息图；

步骤4：对步骤3中计算得到的全物场全息图进行仿真再现，观察再现像的三维立体效果；

至此，三维数据全息图计算过程结束。

本发明所设计的三维数据虚拟分层全息图方法流程图如图4所示。

本发明与现有的全息图计算方法的最大区别是：经过对三维数据的分层处理，可加快三维数据的全息图计算速度，降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，节省计算时间，扩大计算全息的应用领域。

综上所述，本发明所述全息图计算方法的优点是：

(1)对三维数据分层处理以后，加快三维数据的全息图计算速度；

(2)降低全息图计算过程对计算机硬件的要求，扩大计算全息的应用领域；

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种三维数据虚拟分层全息图方法，其特征是，包括下列步骤：

步骤1：使用三维扫描仪对要采集的三维物体进行三维扫描，扫描所述的三维物体之前，使用所述的三维扫描仪对所述的三维物体进行光源的预投射，在扫描过程中所述的三维物体应处于静止状态，匀速均匀的移动所述的三维扫描仪，获取所述的三维物体的三维数据；

步骤2：使用计算机对步骤1采集的所述的三维数据进行处理，使步骤1采集到的所述的三维物体的表面光滑，对所述的三维数据沿YZ平面的进行分层，分层的层数结合全息图的计算速度以及所述的三维数据的完整性进行设定；

步骤3：使用云平台对经过步骤2处理后的所述的三维数据的每层数据进行全息图的计算，对不同层的公共区域，经过信息融合，生成连续的全息图，所述的全息图的干涉条纹不可避免会出现重合现象，对于存在重合的全息图条纹可以采用细化、插补、去噪等一系列方法进行全息图最优化，去除重叠区域，为了逼真的显示三维物体的全息像，应加大三维数据的分层层数，但同时三维数据分层的层数应结合全息图的计算速度以及三维数据的完整性进行设定，多层三维数据的全息图计算量大，为了更精确地描述三维物体模型，海量的点基元或面基元以及一些光照阴影、渲染材质、遮挡效果等信息也需要考虑，这种级别的计算量对于任何一台个人PC都是难以承受，云(cloud)计算可以为这一难题提供帮助，在所述的云平台模式下，建立一个1500点的云平台，可以调动5000个内核的CPU协同工作，实现超级计算机的能力，类似300mm*300mm的计算量，在所述的云平台中可以在10秒钟内完成运算，每层全息图的计算过程具体如下：

设物体的复振幅分布为u(x，y)，物光和参考光在全息面上的干涉光强为i_H(x_H，y_H)，所述的物体与所述的全息面的距离为d，根据菲涅尔衍射公式可以得到物光波在所述的全息面上的衍射光场分布O(x_H，y_H)为：

$O(x_H,y_H)=\frac{e^{\mathrm{jkd}}}{\mathrm{j\λd}}\text{\∫\∫u}(x,y)\exp \left\{\frac{\mathrm{jk}}{2d}\right[{(x-x_H)}^2+{(y-y_H)}^2\left]\right\}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

其中λ为波长，k＝2π/λ为波数，

在所述的全息面上，设参考光波的分布为R(x_H，y_H)，则所述的全息面的光强分布i_H(x_H，y_H)为：

i_H(x_H，y_H)＝[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]·[O(x_H，y_H)+R(x_H，y_H)]^*    (2)

其中λ为波长，k＝2π/λ为波数，

使用上面的公式分别计算出每层的全息图，将所述的全息图叠加后加入参考光即可制作出一张全物场全息图；

步骤4：对步骤3中计算得到的所述的全物场全息图进行仿真再现，观察再现像的三维立体效果；

至此，三维数据虚拟分层全息图方法结束。