CN103997636B - 一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法，本发明通过对全息图不同采样区域执行垂直投影过程，消除各个子全息图对应的遮挡信息；利用逆向垂直投影过程，在原物空间获得无畸变的三维点阵数据，通过计算这些数据对应全息平面采样区域的复振幅分布图，最终拟合成一幅具有消遮挡特性的全息图，整个计算过程不增加全息图的计算时间，简便可行且可以获得多物体间正确的遮挡关系。

Description

一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法。

背景技术

移动视差是三维显示中一种重要的深度暗示，一般的移动视差由遮挡效果提供。近年来，研究者们开始逐渐重视计算全息三维显示中的遮挡问题。计算机合成全息图是由二维视差图像生成，可以很容易实现遮挡效果，但是合成全息图很难提供人眼所需的所有深度感，比如深度调节。

松岛等人提出了基于轮廓的遮挡计算法，该算法将不同深度的三维场景投影到相应的二维平面上，然后将三维场景的遮挡关系简化为几个二维平面的遮挡关系，但是由于很难将复杂的三维场景简化成几个二维投影面，因此该算法只适用于简单的的三维场景遮挡效果的求解。

英国剑桥大学的瑞克·陈小组通过创建遮挡列表的方式来计算遮挡效果，但是该方法需要进行二维插值计算，增加了算法的复杂度，并会带来误差。

2009年，北京理工大学的张浩提出了基于光线追迹的消遮挡算法，该算法不需要对三维模型进行近似或者变换处理，能够获得较高的质量再现三维图像。但是该算法需要从全息图中每个抽样点像素投射出一组光线，这些投射光线以一定的角度间隔均匀投射在三维物体上，通过计算每条投射光线与三维场景中空间点最近的交点来确定三维场景对对该抽样点的贡献，这增加了额外的计算量，并且该方法对于再现较大深度的三维物体，由于投射光线随着投射距离的增加，其角度逐渐增大，无法精确计算遮挡关系。

2013年，涌波光喜提出的利用光线和波前相互转换的方法，该方法在每一个三维体前面放置一个光线采样屏，通过比较不同三维物体在光线采样屏上的二维投影图像获得其遮挡关系，但是该方法要想获得具有遮挡效果的连续深度再现的三维物体，需要在每一个三维物体前都放置一个光线采样屏，增加了算法的复杂度和计算时间。

总之，现有的计算全息三维显示物体间遮挡关系的技术方案存在计算过程复杂，精确度不高的技术缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高全息三维显示物体间遮挡关系的精确度，同时降低计算全息三维显示物体间遮挡关系的复杂度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法，包括以下步骤：

S1、首先对全息图划分采样区域，形成子全息图；

S2、对于每一个子全息图，连接子全息图上的中心采样点与观察点作为视轴，视轴穿过三维物体中心，垂直每个视轴靠近三维物体放置一个投影屏，并且所述投影屏在所述观察点和三维物体之间；

生成每一个三维物体上的采样点在对应投影屏上的投影图像，并根据投影距离生成所述每个三维物体上的采样点的深度图像；

S3、根据所述深度图像的投影距离，通过逆向垂直投影，从所述投影图像中获得三维物体在实际空间的三维数据；

S4、根据步骤S2所得到的三维数据，计算三维物体发出的光波在对应子全息图上的采样点复振幅分布，得到子全息图；

S5、各个子全息图拟合生成全息图。

优选地，所述步骤S1具体为根据观察距离D、三维物体上的相邻两个采样点在深度方向的间距L以及人眼的分辨率角ε，求得采样视角，计算公式为公式1；

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ac}\sin \left[\frac{2\mathrm{Dtg}(\mathrm{\ϵ}/2)}{L}\right]---\left(1\right)$

根据采样视角将全息图划分子全息图。

(三)有益效果

本发明提供了一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法，本发明通过对全息图不同采样区域执行垂直投影过程，消除各个子全息图对应的遮挡信息；利用逆向垂直投影过程，在原物空间获得无畸变的三维点阵数据，通过计算这些数据对应全息平面采样区域的复振幅分布图，最终拟合成一幅具有消遮挡特性的全息图，整个计算过程不增加全息图的计算时间，简便可行且可以获得多物体间正确的遮挡关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a、图1b为应用本发明的不同观察点的垂直投影过程示意图；

图1c、图1d为应用本发明的不同观察点的逆向垂直投影过程示意图；

图2为利用本发明的方法计算全息三维显示物体间遮挡关系算法示意图；

图3为利用本发明的一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法计算皇冠和棋盘格间遮挡关系的模拟再现图。

附图说明：

1、全息图；2、观察平面；3、三维物体；4、投影屏；5、视轴；6三维点源；7、投影图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明的一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法，首先对全息图进行采样区域划分，成为子全息图；根据本发明方法全息图上的每一个采样点对应三维物体的一个视角，理论上按照全息图上的每个采样点对三维物体的视角进行采样，可以获得最精确的三维物体显示，但是实际上全息图上相邻两个像素的间距非常小，对应三维物体的视差变化也非常小，人眼根本无法分辨如此小的视角变化。按照全息图上的单个像素对三维物体的视角采样造成了视角信息采样的浪费。因此本发明还提供一种对全息图进行采样区域划分的方法，该方法利用人眼能够分辨出最近相邻点为近似判断依据，采样视角公式可由如下式所示，

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ac}\sin \left[\frac{2\mathrm{Dtg}(\mathrm{\ϵ}/2)}{L}\right]---\left(1\right)$

其中D为观察距离，ε为人眼的分辨率角，L为三维物体上相邻两个采样点在深度方向的间距。由公式(1)可知，三维物体的采样视角与观察距离和三维物体的相邻两个采样点在深度方向的间距有关；三维物体相邻两个采样点在深度方向的间距反映了三维物体表面的平整度或者三维物体间的间距。如果观察距离一定，三维物体的表面变化平缓或者三维物体间间距较小，则采样视角可以适当稀疏一点，但是当三维物体表面变化剧烈或者物体间间距较大时，则视角采样则需要密一点。

当三维物体中心距全息图距离为z时，采样视角角度决定了全息图采样区域大小。s为全息图采样区域可由公式(2)求得

s＝2×z×tgθ(2)

通过上述采样区域的划分方法，把全息图划分为多个子全息图。

对于每一个子全息图，从子全息图上1的中心采样点向一个采样视角投射出一条直线，这条直线过三维物体3中心点交与观察平面2的观察点，我们定义这条直线为该观察点的视轴5，一个视轴对应于一个视角。沿着视轴方向，在子观察点和三维物体之间放置一个投影屏4，投影屏与视轴5垂直并且紧挨着三维物体3，做三维物体3到投影屏4的投影，获得二维投影图像。在做三维物体到二维投影屏的投影时，该视角下不可见的信息无法在投影屏形成投影图像，因此这部分信息可得到有效的消除，如图1a和图1b所示，这一过程在计算机三维模型模软件中执行实现。三维物体上不同采样点到投影屏的投影距离各不相同，因此我们利用投影距离表征三维物体的深度信息。最终可由二维投影图像根据其对应的深度映射图像，利用逆向投影获得该视轴下消隐后的三维物体数据，如图1c和图1d所示，其中三维点源6为投影图像7通过逆向投影获得的三维物体的采样点。

根据本发明方法利用垂直投影获得不同视角的投影图像，可以获得无畸变的空间三维数据。对每一个子全息图都执行一遍上述过程即可获得不同遮挡关系的三维数据，利用这些数据计算其在对应全息图上的采样点的复振幅幅分布，获得子全息图，具体方法示意图如图2所示。所有子全息图拟合成三维物体的全息图。

实施例

根据本发明的方法，构建了一组三维物体，包含一个棋盘格作为背景图像和一个皇冠，距离全息图分别为400mm和350mm。在MATLAB下模拟实现本发明的算法。全息图采样像素数为1920*1080，像素尺寸为8um，再现光波长为532nm。为了简便起见，本实施例只考虑再现像的水平遮挡关系，因此只对三维物体的水平方向视角进行采样。其垂直方向的遮挡关系计算方法与水平遮挡关系方法一样。当观察距离为25mm时，由公式(1)(2)求得的采样视角间距为0.17度，但是由于人眼分辨率受到环境的影响会有不同程度的下降，因此本发明将视角采样距离扩大至0.5度，全息图分为5个采样区域，对每个区域执行垂直投影与逆向垂直投影的过程，获得消除遮挡信息的三维点阵数据，利用这些数据分别计算各个子全息图，最后全息图由这些子全息图拼接而成。

图3为利用本发明的一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法计算皇冠和棋盘格间遮挡关系的模拟再现图。由模拟结果可以看出，本发明所述方法能够消除不同视角下被遮挡的信息，最终可以获得视角连续，具有遮挡效果的再现三维图像。而且不会增加全息图计算时间，易于实现。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种计算全息三维显示物体间遮挡关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首先对全息图划分采样区域，形成子全息图；

S2、对于每一个子全息图，连接子全息图上的中心采样点与观察点作为视轴，视轴穿过三维物体中心，垂直每个视轴靠近三维物体放置一个投影屏，并且所述投影屏在所述观察点和三维物体之间；

生成每一个三维物体上的采样点在对应投影屏上的投影图像，并根据投影距离生成所述每个三维物体上的采样点的深度图像；

S3、根据所述深度图像的投影距离，通过逆向垂直投影，从所述投影图像中获得三维物体在实际空间的三维数据；

S4、根据步骤S3所得到的三维数据，计算三维物体发出的光波在对应子全息图上的采样点复振幅分布，得到子全息图；

S5、各个子全息图拟合生成全息图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为根据观察距离D、三维物体上的相邻两个采样点在深度方向的间距L以及人眼的分辨率角ε，求得采样视角θ，计算公式为公式1；

$\mathrm{\θ}=ac\sin \[\frac{2Dtg(\mathrm{\ϵ}/2)}{L}\]---\left(1\right)$

根据采样视角将全息图划分子全息图。