CN103941569A - Led多角度全息三维数据再现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算全息领域，涉及一种LED多角度全息三维数据再现方法。本发明结合三维扫描仪、云平台、LED光源和光致聚合物等实现三维物体的多角度全息再现。使用三维物体扫描仪可以获得三维物体的三维数据，使用云平台可以计算出三维数据的全息图，进而将全息图刻录在光致聚合物上，通过LED光源投射到光致聚合物即可观看到三维物体的空间再现像。本发明无需搭建再现光路，对已刻录完成的光致聚合物投射LED光源可观看到三维物体的空间再现像，使用云平台对三维数据进行全息计算，可提高全息图的计算速度，通过本发明所提供的数字全息再现方法，可以实现三维物体的空间多角度再现，摆脱复杂光路系统对全息应用范围的限制。

Description

LED多角度全息三维数据再现方法

技术领域

本发明涉及一种LED多角度全息三维数据再现方法，更具体的说，本发明所提供的LED-MVHP(LED-Multi View Holograph Playback)全息再现方法，可以摆脱复杂光路系统对数字全息应用范围的限制，通过使用LED光源和光致聚合物实现三维物体的空间多角度再现。

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 of Denmark)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 Hernandez)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LED多角度全息三维数据再现方法，该方法与现有的全息再现方法的最大差别是，无需搭建再现光路，对已刻录完成的光致聚合物投射LED光源可观看到三维物体的空间再现，使用云平台对三维数据进行全息计算，提高了全息图的计算速度。因此本发明所提供的数字全息再现方法，可以实现三维物体的空间多角度再现，摆脱复杂光路系统对全息应用范围的限制。

发明内容

本发明提供一种LED多角度全息三维数据再现方法，经过对已刻录完成的光致聚合物投射LED光源，可以实现三维物体的空间多角度再现，弥补已有显示方法存在的缺陷，提高全息的应用领域。

所述的LED多角度全息三维数据再现系统包括：

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；

用于记录三维数据的光致聚合物；

用于投射光源的LED灯，LED灯的个数为若干个；

本发明所设计的LED多角度全息三维数据再现方法，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，对所述的三维数据进行前方、右前方、右方、右后方、后方、左后方、左方、左前方八个方向进行投射；

步骤3：使用所述的云平台对步骤2中八个方向的三维数据投射图进行全息图的计算，对不同视角的公共区域，经过信息融合，生成多个角度的全息图，多角度合成的主要算法采用了图像处理中的融合技术，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，不同拍摄角度之间的夹角要小，一个360度物体会被进行多次的全息拍摄和合成等运算，多角度合成的计算量大，以一副人脸(130万点阵)为例，包含25000个三角面片，生成多角度尺寸为300mm*300mm的模拟全息图将要完成接近800亿个点的计算，每个单点的亮度计算量接近数万次，除此之外，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都是难以承受的，云(cloud)计算为解决这一难题提供可靠的帮助，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，对计算所得的全息图进行虚拟光源的投射，观察再现的三维物体是否符合要求，虚拟光源投射分析方式可以有效地避免物光和参考光干涉对于光路系统要求过高的缺点，在虚拟计算全息图的过程中，假定在空间相同振动方向上，物光和参考光的光强矢量如公式(1)和公式(2)所示：

其中：

r₁，r₂：物光和参考光到底片上的点的光程；

物光和参考光的光强矢量；

ω：物光和参考光的周期；

t：时间变量；

λ：物光和参考光的波长；

物光和参考光的初始相位，在虚拟系统中，这两个值完全相同，物光和参考光的相位差如公式(3)所示：

由于三维数据中每个点的坐标信息是已知的，因此可以计算出物光和参考光照射到底片上的任意一束光的光程，并根据光程差获得叠加后的光强I如公式(4)所示：

式(4)中：I₁，I₂代表物光和参考光的光强，

虚拟物光和参考光经过虚拟扩束镜后，扩散为强度均匀分布的光，物光投射到物体的三角面片上，可以根据三角面片的法矢给出反射光的方向，对于扫描出来的三维物体，可以根据预设的材质参数和预设的颜色参数等信息计算出反射光的强弱，对于三维扫描仪获得的三维物体，一般只能获得被测物体的颜色信息，无法获得被测物体的材质信息，根据三维物体的颜色信息的深浅可以间接推导出材质的反射特性，根据物体的颜色信息计算反射光的强弱，经分光镜分光后的物光强度，将根据三维数据表面形貌信息，给出理论模型和经标定矫正后的修正系数，由物体反射后到达全息底片的物光光强I₁如公式(5)所示：

$I_1=I_0\×k_f\×\mathrm{\π}\frac{{r_{a1}}^2}{{r_{b1}}^2}\×H_f\cos {\mathrm{\θ}}_1\×\cos {\mathrm{\ψ}}_1\×\cos {\mathrm{\η}}_1---\left(5\right)$

式(5)中：

I₀：系统初始光强；

k_f：分光镜分光系数；

r_a1，r_b1：照射到分光镜初始光斑和最终投射到底片上的光斑半径；

θ₁，ψ₁，η₁：物光与全息底片的方向矢量夹角；

H_f：根据材料参数和表面参数得到的反射系数；

参考光的光强I₂如公式(6)所示：

$I_2=I_0\×(1-k_f)\×\mathrm{\π}\frac{{r_a}^2}{{r_b}^2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_2\×\cos {\mathrm{\ψ}}_2\×\cos {\mathrm{\η}}_2---\left(6\right)$

任意照射到三维物体上并交汇于一点的物光和参考光，可以利用公式(4)计算出叠加后的强度，由于数码记录介质能够表达的亮度有界限，因此光干涉进行叠加后的亮度信息需要进行归一化，使之进入到已有数码记录介质能够展示的范围之内，观察虚拟光源投射出的三维物体各角度全息再现图的是否符合要求，如符合要求，则进行下一步，不符合要求则返回步骤2重新开始；

步骤4：将步骤3中计算完成的全息图刻录到所述的光致聚合物上；

步骤5：从不同角度对所述的刻录好的光致聚合物投射所述的LED光源，观察光致聚合物在空间中的三维成像；

至此，多角度全息再现过程结束。

本发明的有益效果是：本发明所设计的三维全息再现系统，使用云平台对三维数据的多角度投影进行全息图计算，提高了全息图的计算速度，降低了计算全息对计算机硬件的要求，通过本发明所介绍的LED多角度全息三维数据再现方法，可以利用LED光源实现三维物体的空间多角度再现，弥补已有显示方法存在的缺陷，提高全息的应用领域。

附图说明

图1：采集到的三维数据

图2：三维数据八个方向的投射图

图3：多角度全息图融合示意图

图4：对三维数据进行虚拟光源投射示意图

图5：LED多角度全息三维数据再现方法流程图

具体实施方式

本发明提供一种LED多角度全息三维数据再现方法，经过对已刻录完成的光致聚合物投射LED光源，可以实现三维物体的空间多角度再现，弥补已有再现方法存在的缺陷，提高全息的应用领域。

所述的LED多角度全息三维数据再现系统包括：

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；

用于记录三维数据的光致聚合物；

用于投射光源的LED灯，LED灯的个数为若干个；

本发明所设计的LED多角度全息三维数据再现方法，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，调整所述的三维扫描仪距离被测三维物体600mm-1000mm范围的位置，在扫描过程中尽量保持三维物体处于静止状态，匀速均匀的移动所述的三维扫描仪，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采集的三维物体进行处理，使步骤1采集到的三维物体的表面光滑，三维数据完善，对所述的三维数据进行前方、右前方、右方、右后方、后方、左后方、左方、左前方八个方向进行投射，投射的结果如图2所示；

步骤3：使用所述的云平台对步骤2中八个方向的三维数据投射图进行全息图的计算，对不同视角的公共区域，经过信息融合，生成了多个角度的全息图，多角度合成的主要算法采用了图像处理中的融合技术，以三个角度的全息图融合为例，示意图如图3，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，为了尽可能逼真的显示三维物体的全息像，不同拍摄角度之间的夹角要尽可能小，一个360度物体就会被进行多次的全息拍摄和合成等运算，多角度合成的计算量非常大，以一副人脸(130万点阵)为例，包含25000个三角面片，生成多角度尺寸为300mm*300mm的模拟全息图将要完成接近800亿个点的计算，每个单点的亮度计算量接近数万次，除此之外，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都是难以承受的，云(cloud)计算为解决这一难题提供可靠的帮助，在云平台模式下，建立一个接近1500点的云平台，可以调动接近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，在云平台中可以在10秒钟内完成运算，对计算所得的全息图进行虚拟光源的投射，观察再现的三维物体是否符合要求，虚拟光源投射分析方式可以有效地避免了物光和参考光干涉对于光路系统要求过高的缺点，在虚拟计算全息图的过程中，假定在空间相同振动方向上，物光和参考光的光强矢量如公式(1)和公式(2)所示：

其中：

r₁，r₂：物光和参考光到底片上的点的光程；

物光和参考光的光强矢量；

ω：物光和参考光的周期；

t：时间变量；

λ：物光和参考光的波长；

物光和参考光的初始相位，在虚拟系统中，这两个值完全相同，物光和参考光的相位差如公式(3)所示：

由于三维数据中每个点的坐标信息是已知的，因此可以计算出物光和参考光照射到底片上的任意一束光的光程，并根据光程差获得叠加后的光强I如公式(4)所示：

式(4)中：I₁，I₂代表物光和参考光的光强，

虚拟物光和参考光经过虚拟扩束镜后，扩散为强度均匀分布的光，物光投射到物体的三角面片上，可以根据三角面片的法矢给出反射光的方向，对于扫描出来的三维物体，可以根据预设的材质参数和预设的颜色参数等信息计算出反射光的强弱；对于三维扫描仪获得的三维物体，一般只能获得被测物体的颜色信息，无法获得被测物体的材质信息，根据三维物体的颜色信息的深浅可以间接推导出材质的反射特性，再根据物体的颜色信息计算反射光的强弱，经分光镜分光后的物光强度，将根据三维数据表面形貌信息，给出理论模型和经标定矫正后的修正系数，由物体反射后到达全息底片的物光光强I₁如公式(5)所示：

$I_1=I_0\×k_f\×\mathrm{\π}\frac{{r_{a1}}^2}{{r_{b1}}^2}\×H_f\cos {\mathrm{\θ}}_1\×\cos {\mathrm{\ψ}}_1\×\cos {\mathrm{\η}}_1---\left(5\right)$

式(5)中：

I₀：系统初始光强；

k_f：分光镜分光系数；

r_a1，r_b1：照射到分光镜初始光斑和最终投射到底片上的光斑半径；

θ₁，ψ₁，η₁：物光与全息底片的方向矢量夹角；

H_f：根据材料参数和表面参数得到的反射系数；

参考光的光强I₂如公式(6)所示：

$I_2=I_0\×(1-k_f)\×\mathrm{\π}\frac{{r_a}^2}{{r_b}^2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_2\×\cos {\mathrm{\ψ}}_2\×\cos {\mathrm{\η}}_2---\left(6\right)$

任意照射到三维物体上并交汇于一点的物光和参考光，可以利用公式(4)计算出叠加后的强度，由于数码记录介质能够表达的亮度是有一定的界限，因此光干涉进行叠加后的亮度信息还需要进行归一化，使之进入到已有数码记录介质能够展示的范围之内，观察虚拟光源投射出的三维物体各角度全息再现图的是否符合要求，如符合要求，则进行下一步，不符合要求则返回第二步重新开始，以三个角度进行虚拟光源投射为例，示意图如图4所示；

步骤4：将步骤3中计算完成的全息图刻录到所述的光致聚合物上；

步骤5：从不同角度对所述的刻录好的光致聚合物投射所述的LED光源，观察光致聚合物在空间中的三维成像。

至此，多角度全息再现过程结束。

本发明所设计的LED多角度全息三维数据再现方法流程图如图5所示。

本发明与现有的全息再现方法的最大区别是：已有的全息再现方法很难实现三维物体的空间立体再现，再现光路复杂；本发明所提供的全息三维数据再现方法，使用云平台对三维数据计算全息图，降低了计算全息对计算机硬件的要求，并且可以在空间中实现多角度的三维立体再现，再现光源为LED灯，无需复杂的再现光路，扩大了全息的应用领域。

综上所述，本发明所述的全息再现方法的优点是：

1)使用云平台计算三维数据的全息图，降低了计算全息对计算机硬件的要求，提高了全息图计算的速度；

2)再现光源使用LED光源，可在空间中多角度的再现三维物体的全息图；

3)生成的全息信息刻录在光致聚合物上，全息信息不易丢失，且无需复杂的再现光路即可实现三维物体的空间再现；

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LED多角度全息三维数据再现方法，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，对所述的三维数据进行前方、右前方、右方、右后方、后方、左后方、左方、左前方八个方向进行投射；

步骤3：使用云平台对步骤2中所述的三维数据的八个方向的投射图进行全息图的计算，对不同视角的公共区域，经过信息融合，生成多个角度的全息图，本发明的多角度合成方法采用了图像处理中的融合技术，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。为了逼真的显示所述的三维物体的全息像，一个360度物体会被进行多次的全息拍摄和合成等运算，此外，在计算过程中，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都是难以承受的，云(cloud)计算为解决这一难题提供可靠的帮助，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，对计算所得的全息图进行虚拟光源的投射，观察再现的三维物体是否符合要求，虚拟光源投射分析方式可以有效地避免物光和参考光干涉对于光路系统要求过高的缺点，在虚拟计算全息图的过程中，假定在空间相同振动方向上，物光和参考光的光强矢量如公式(1)和公式(2)所示：

其中：

r₁，r₂：所述的物光和所述的参考光到底片上的点的光程；

所述的物光和所述的参考光的光强矢量；

ω：所述的物光和所述的参考光的周期；

t：时间变量；

λ：所述的物光和所述的参考光的波长；

所述的物光和所述的参考光的初始相位，在虚拟系统中，这两个值完全相同，所述的物光和所述的参考光的相位差如公式(3)所示：

由于所述的三维数据中每个点的坐标信息是已知的，因此可以计算出所述的物光和所述的参考光照射到底片上的任意一束光的光程，并根据光程差获得叠加后的光强I如公式(4)所示：

式(4)中：I₁，I₂代表物光和参考光的光强，

所述的物光和所述的参考光经过虚拟扩束镜后，扩散为强度均匀分布的光，所述的物光投射到物体的三角面片上，可以根据三角面片的法矢给出反射光的方向，对于扫描出来的三维物体，可以根据预设的材质参数和预设的颜色参数等信息计算出反射光的强弱，对于三维扫描仪获得的三维物体，一般只能获得被测物体的颜色信息，无法获得被测物体的材质信息，根据三维物体的颜色信息的深浅可以间接推导出材质的反射特性，根据物体的颜色信息计算反射光的强弱，经分光镜分光后的物光强度，将根据三维数据表面形貌信息，给出理论模型和经标定矫正后的修正系数，由物体反射后到达全息底片的物光光强I₁如公式(5)所示：

$I_1=I_0\×k_f\×\mathrm{\π}\frac{{r_{a1}}^2}{{r_{b1}}^2}\×H_f\cos {\mathrm{\θ}}_1\×\cos {\mathrm{\ψ}}_1\×\cos {\mathrm{\η}}_1---\left(5\right)$

式(5)中：

I₀：系统初始光强；

k_f：分光镜分光系数；

r_a1，r_b1：照射到分光镜初始光斑和最终投射到底片上的光斑半径；

θ₁，ψ₁，η₁：所述的物光与全息底片的方向矢量夹角；

H_f：根据材料参数和表面参数得到的反射系数；

参考光的光强I₂如公式(6)所示：

$I_2=I_0\×(1-k_f)\×\mathrm{\π}\frac{{r_a}^2}{{r_b}^2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_2\×\cos {\mathrm{\ψ}}_2\×\cos {\mathrm{\η}}_2---\left(6\right)$

任意照射到三维物体上并交汇于一点的所述的物光和所述的参考光，可以利用公式(4)计算出叠加后的强度，由于数码记录介质能够表达的亮度有界限，因此光干涉进行叠加后的亮度信息需要进行归一化，使之进入到已有数码记录介质能够展示的范围之内，观察虚拟光源投射出的三维物体各角度全息再现图的是否符合要求，如符合要求，则执行步骤4，不符合要求则返回步骤2重新开始；

步骤4：将步骤3中计算完成的全息图刻录到光致聚合物上；

步骤5：从不同角度对所述的刻录好的光致聚合物投射所述的LED光源，观察所述的光致聚合物在空间中的三维成像；

至此，多角度全息再现过程结束。