CN106647211A - 合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于全息术领域，具体涉及一种合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法。本发明的技术方案包括下述步骤：第一步，系统参数的确定，既用于后续算法的实现，又与最终搭建的激光打印光路密切相关；第二步，视角图片的采样，利用建模软件中的简单相机，采集场景的视角图片；第三步，视角图片的分割重组，根据视角图片分割重组算法原理，提取并拼接视角图片中的有效像素，得到合成视角图片；第四步，全息体视图的曝光打印，设计并搭建全息体视图打印光路，曝光合成视角图片，得到静态全息体视图。本发明能够一步完成全息体视图的打印，并获得高分辨率的再现图像。

Description

合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法

技术领域

本发明属于全息术领域，具体涉及合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法。

背景技术

全息术能够提供真三维显示效果，是应用前景最佳的立体显示技术。全息体视图技术是利用人眼分辨率有限的特点，将全息术与双目视差原理相结合，以解决传统全息术大数据量这一弊端的一种全息技术。合成全息体视图打印方法的基本原理是利用空间光调制器，加载并投射出多幅视角图片，分别与参考光干涉，将干涉条纹曝光记录于分块的全息介质上，形成若干个全息单元(Hogel)，全息再现时，当人的双眼处于适当位置时，将会观察到不同的视角图片，从而产生立体感觉。静态全息体视图最先由美国的麻省理工学院(MIT)研制成功，目前已广泛应用于军事、商业、医疗等领域。

目前，学者们提出了较多的合成全息体视图打印输出系统(CN105223795A，Keehoon Hong et al.，Resolution enhancement of holographic printer using ahogel overlapping method，Opt.Express21，14047-14055(2013)；X.W.Rong et al.，Multichannel holographic recording method for three-dimensional displays，Appl.Opt.50，77-80(2011)；M.Yamaguchi，Ray-based and wavefront-based holographicdisplays for high-density light-field reproduction，SPIE8043(2011)；万远红，等，一种三维全息图图的数字化实现方法，光子学报39，1268-1271(2010))，以上方法可归纳总结为两类，一类是两步转换法，即首先拍摄菲涅尔全息图母板，再由母板翻拍至转移干板，母板翻拍的目的是为了获得全息再现像凸出于全息记录介质的观察效果；另一类是MIT使用的无限远相机法，首先将视角图片分割组合成视差图片，再进行一步打印，可直接获得全息再现像凸出于全息记录介质的观察效果。两步转换法光路复杂，在保证同样的观察视角时，母板的尺寸需远大于转移干板的尺寸；无限远相机法再现像的分辨率较低，其分辨率是由视角图片的采样数所决定的。

为解决以上两种方法存在的不足，本发明提出一种新的合成全息体视图打印方法，即合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，既能够一步完成全息体视图的打印，又可以获得高分辨率的再现图像。

发明内容

本发明的目的是提出一种合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，可一步完成全息打印，并获得高分辨率的再现图像。

本发明是基于光线追击原理，模拟光在传播过程中的走向和人眼视线的锥状放射观察效果，通过对视角图片的分割重组，来提取特定视点所能接收到的图片信息，进而获得用于一步打印的图像。将某一视点所能观察到的图像信息用来代替该视点周围一正方形区域内的全部信息，即全息单元，全息单元逐行逐列曝光后即可完成全息打印。实现该方法时，为方便理解，可将其设想为两步转换法的等效过程，直接求得需要打印到转移干板上的视角图片，称母板为H₁干板，转移干板为H₂干板。

本发明的技术方案是：合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，系统参数的确定。

确定H₁干板、H₂干板与空间光调制器的距离，H₁干板与H₂干板的全息单元数及全息单元尺寸，观察视角等系统参数，系统参数需要与空间光调制器的真实尺寸、最终搭建的激光打印光路等实验条件相对应。

第二步，视角图片的采样。

利用建模软件中的简单相机采集视角图片，采样数与采样间隔分别等于H₁干板的全息单元数和全息单元尺寸，相机的视场角等于H₁干板上全息单元与其对应视角图片的张角。

第三步，视角图片的分割重组。

根据光线追击原理和系统参数，针对H₂干板的每个全息单元，将对其有所贡献的全部视角图片分割重组，得到H₂干板各全息单元的合成视角图片。

第四步，全息体视图的曝光打印。

向空间光调制器依次加载各幅合成视角图片，携带图片信息的物光光束在H₂干板相应位置处与参考光光束干涉，形成全息条纹并被记录，得到静态全息体视图。

本发明所提出的合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，其核心在于视角图片的分割重组算法，相比传统的合成全息体视图打印方法，该方法光路简单，再现像分辨率高。

附图说明

实施例图：

本发明提供的合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法的附图有6个。

图1合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法的流程图。

图2基于光线追击法的视角图片分割重组算法的原理图。

图3基于简单相机法的视角图片采样的原理图。

图4视角图片分割重组的具体实现算法。

图5合成全息体视图曝光打印光路的示意图。

图6合成全息体视图的光学再现效果。

图1～图5中，(1)-H₁干板，(2)-LCD屏，(3)-H₂干板，(4)-场景，(5)-相机，(6)-光源，(7)-快门，(8)-偏振分光棱镜，(9)-空间滤波器，(10)-准直透镜，(11)-漫反射屏，(12)-孔径光阑，(13)-全息记录介质，(14)-位移平台，(15)-平面反射镜，(16)-计算机。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明“合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法”实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明提供的合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法的流程图。包括系统参数的确定、视角图片的采样、视角图片的分割重组和全息体视图的曝光打印四个步骤。

第一步是系统参数的确定。

图2为基于光线追击法的视角图片分割重组算法的原理图。为方便说明，我们将立体空间简化到二维平面，定义如图所示的o-xz坐标系，选择液晶显示屏(LCD)作为空间光调制器。沿Z轴平行放置H₁干板(1)、LCD屏(2)和H₂干板(3)，H₁干板(1)与LCD屏(2)的距离为L₁，LCD屏(2)与H₂干板(3)的距离为L₂，假设H₁干板(1)与H₂干板(3)上的全息单元尺寸分别为l₁与l₂，H₁干板(1)所能提供的观察视角为θ，可以求出对于H₂干板(3)上任意观察点O，H₁干板(1)的有效长度部分l_MN，及该部分对应的全息单元数，如图2所示，有

对应的全息单元数为

若H₂干板(3)的全息单元数为N_H2，则H₁干板的全息单元数为

假设观察点O正对着的H₁干板(1)的全息单元为Hogel0，它对应的LCD屏(2)为AB段，根据光线追击原理，AB段中仅有CD部分是有效的，该部分信息会传递到O点；同理，对于Hogel0下方的Hogel1，它对应的LCD屏(2)为A′B′段，A′B′段中仅有DE部分是有效的。以此类推，将O点观察视角内H₁干板(1)所有全息单元的有效部分提取并拼接起来，得到O点的观察图像，曝光打印到H₂干板(3)上以O点为中心的全息单元处，H₂干板(3)其余全息单元的合成视角图片采用相同方式获得，将以上方法称为基于光线追击法的视角图片分割重组算法。

第二步是视角图片的采样。

图3为基于简单相机法的视角图片采样的原理图。利用建模软件采集场景(4)的若干视角图片，相机(5)沿相机平面运动，镜头垂直于运动轨迹拍摄场景(4)，相机的采样间距与H₁干板(1)的全息单元尺寸一致，即l₁，采样数与H₁干板(1)的全息单元数一致，即N_H1，相机的视场角为θ′，该值应等于图2中LCD屏(2)相对于H₁干板(1)全息单元的张角，l_LCD表示LCD屏(2)的尺寸，则有

第三步是视角图片的分割重组。

图4为视角图片分割重组的具体实现算法。为方便说明，图4包括(a)、(b)两部分，(a)是沿视线方向的侧视图，(b)是沿视线方向的正视图，并且增加了Hogel对应LCD屏(2)的图像部分，建立空间坐标系o-xyz，由H₁干板(1)向H₂干板(3)看过去，H₁干板(1)首行首列全息单元的左上顶点的坐标为(0，0，0)，z轴的正方向是垂直于H₁干板(1)指向H₂干板(3)的方向，x轴的正方向是沿H₁干板(1)纵轴且竖直向下的方向，y轴的正方向是沿H₁干板(1)横轴且垂直向里的方向，o-xy平面与z轴构成左手系。图4(a)中，O点表示位于H₂干板(3)的某个观察点，坐标值为(x₀，y₀，z₀)，人眼视线为锥形放射状，假设去观察H₁干板(1)上的全息单元ABCD，视线穿过LCD屏(2)时，在LCD屏(2)上截取的范围为A′B′C′D′，A′B′C′D′的z轴坐标值为z₁，图2与图4相对应，存在L₁＝|z₁|，L₂＝|z₀-z₁|。图4(b)中，全息单元ABCD位于向它投射视角图片的LCD屏(2)的正中心，视角图片的边界记为A″B″C″D″，像素数为N×N。可求出A′B′C′D′截取A″B″C″D″中的有效像素部分，同理提取H₁干板(1)其余全息单元的有效像素，拼接组合后得到O点最终的观察效果图，即合成视角图片。由于LCD屏(2)的尺寸与所加载的视角图片的像素数是一定的，则单位长度内的像素数也是确定的，而ABCD与A″B″C″D″又是共中心点的，因此可采用定位中心点的方法计算有效像素部分。

H₂干板(3)第n行，第m列全息单元的坐标分别：A(nl₁-l₁，ml₁-l₁，0)，B(nl₁，ml₁-l₁，0)，C(nl₁，ml₁，0)，D(nl₁-lx，ml₁，0)，中心点坐标为即

由相似三角形，得A″B″C″D″的边长为

xoz平面内，直线OP′P过(x₀，z₀)和两点，直线方程为：当z＝z₁时，

yoz平面内，直线OP′P过(y₀，z₀)和两点，直线方程为：当z＝z₁时，

因此，P′点坐标为

已知P点的x轴坐标及LCD屏(2)尺寸l_LCD，得A″点的x轴坐标

已知P′点的x轴坐标及得A′点的x轴坐标

A′点与A″点在x轴方向的距离为同理，A′点与A″点在y轴方向的距离为

再将空间坐标值转换成视角图片的像素坐标值，视角图片为N×N像素，LCD屏(2)尺寸为l_LCD，则单位长度对应的像素数为令视角图片A″点的像素坐标值为(1，1)，求得A′、B′、C′、D′各点的像素坐标值

将各全息单元对应A′、B′、C′、D′之间的像素截取并拼接后，得到观察点O(x₀，y₀，z₀)处的合成视角图片。

第四步是合成全息体视图的曝光打印。

图5为合成全息体视图曝光打印光路的示意图。向LCD屏(2)上依次加载步骤三得到的合成视角图片，光源(6)经快门(7)和偏振分光棱镜(8)后分成两束光，一路作为物光光束，经空间滤波器(9)和准直透镜(10)后照射LCD屏(2)，物光信息经漫反射屏发散(11)后，照射全息记录介质(13)，全息记录介质(13)前方的孔径光阑(12)保持静止，控制位移平台(14)，带动全息记录介质(13)沿X轴和Y轴分别运动；另一路作为参考光光束，相继通过平面反射镜(15)、空间滤波器(9)和准直透镜(10)后，从与物光光束相反的一侧照射全息记录介质(13)，与物光光束干涉，形成全息条纹。计算机(16)同时控制快门(7)、位移平台(14)，并向LCD屏(2)加载视角图片。

搭建全息打印光路时LCD屏(2)与全息记录介质(13)的距离应等于图2中L₂保持一致，位移平台的移动步长应于图2中H₂干板(3)的全息单元尺寸l₂保持一致。

需要注意的是，由于视角图片的采样方位与O点的观察方位是相反的，步骤三得到的合成视角图片应首先进行水平向翻转，再加载至LCD屏(2)。

图6为合成全息体视图的光学再现效果。根据计算模型，茶壶应凸出于全息记录介质(13)11.4cm的位置，为清晰描述，在全息记录介质前11.4cm的位置处放置一刻度尺，当相机聚焦茶壶前表面时，拍照如图6(a)所示，此时刻度尺也清晰，当相机聚焦全息记录介质(13)时，拍照如图6(b)所示，此时全息记录介质(13)清晰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，系统参数的确定：

模拟合成全息体视图打印方法中的两步转换法，应首先确定系统参数，母板、空间光调制器与转移干板分别平行放置，母板与空间光调制器的距离为L₁，空间光调制器与转移干板的距离为L₂，以纵向尺寸为例进行分析，空间光调制器的尺寸为l_LCD，母板与转移干板上全息单元的尺寸分别为l₁与l₂，对于转移干板上的任意观察点，母板所能提供的观察视角为θ，母板有效部分的长度为有效部分对应的全息单元数为转移干板的全息单元数为N_H2，母板的全息单元数为

第二步，视角图片的采样：

利用建模软件采集场景的视角图片，相机沿相机平面运动，镜头垂直于运动轨迹拍摄场景，相机的采样间隔为l₁，采样数为N_H1，相机的视场角为

第三步是视角图片的分割重组；

建立空间坐标系o-xyz，由母板向转移干板看去，母板首行首列全息单元的左上顶点坐标为(0，0，0)，z轴的正方向是垂直于母板指向转移干板的方向，x轴的正方向是沿母板纵轴且竖直向下的方向，y轴的正方向是沿母板横轴且垂直向里的方向，o-xy平面与z轴构成左手系；

转移干板上观察点的坐标值为(x₀，y₀，z₀)，锥形放射状视线去观察母板上的全息单元ABCD，视线穿过空间光调制器时截取空间光调制器的范围为A′B′C′D′，空间光调制器的z轴坐标值为z₁，全息单元ABCD位于向它投射视角图片的空间光调制器的正中心，视角图片的范围为A″B″C″D″，像素数为N×N，采用定位中心点的方法计算各视角图片中的有效像素部分；

母板第n行，第m列全息单元的顶点坐标为：A(nl₁-l₁，ml₁-l₁，0)，B(nl₁，ml₁-l₁，0)，C(nl₁，ml₁，0)，D(nl₁-l₁，ml₁，0)，全息单元的中心点坐标为

A′B′C′D′的边长为A′B′C′D′的中心点坐标为P′

由P点的x轴坐标及空间光调制器的尺寸l_LCD，得A″点的x轴坐标为

由P′点的x轴坐标及得A′点的x轴坐标

A′点与A″点在x轴方向的距离为

A′点与A″点在y轴方向的距离为

将空间坐标值转换成视角图片的像素坐标值，空间光调制器单位长度对应的像素数为令视角图片A″点的像素坐标值为(1，1)，则A′、B′、C′、D′各点的像素坐标值为

$A^{\′}\left(\right|\frac{z_1}{z_0}\left(x_0-{\mathrm{nl}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+1,|\frac{z_1}{z_0}\left(y_0-{\mathrm{ml}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+1),$

$B^{\′}\left(\right|\frac{z_1}{z_0}\left(x_0-{\mathrm{nl}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+\frac{z_0-z_1}{z_0}\×\frac{{\mathrm{Nl}}_1}{l_{LCD}},|\frac{z_1}{z_0}\left(y_0-{\mathrm{ml}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+1),$

$C^{\′}\left(\right|\frac{z_1}{z_0}\left(x_0-{\mathrm{nl}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+\frac{z_0-z_1}{z_0}\×\frac{{\mathrm{Nl}}_1}{l_{LCD}},|\frac{z_1}{z_0}\left(y_0-{\mathrm{ml}}_1+l_1\right)-\frac{l}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+\frac{z_0-z_1}{z_0}\×\frac{{\mathrm{Nl}}_1}{l_{LCD}}),$

$C^{\′}\left(\right|\frac{z_1}{z_0}\left(x_0-{\mathrm{nl}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+1,|\frac{z_1}{z_0}\left(y_0-{\mathrm{ml}}_1+l_1\right)-\frac{l_1}{2}+\frac{l_{LCD}}{2}|\×\frac{N}{l_{LCD}}+\frac{z_0-z_1}{z_0}\×\frac{{\mathrm{Nl}}_1}{l_{LCD}});$

将各全息单元对应的A′、B′、C′、D′之间的像素截取并拼接后，得到观察点(x₀，y₀，z₀)处的合成视角图片；

第四步是全息体视图的曝光打印；

搭建全息体视图曝光打印光路，空间光调制器与全息记录介质的距离等于L₂，位移平台的移动步长等于l₂，合成视角图片应水平翻转后再加载至空间光调制器。

2.如权利要求1所述的一种合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，其特征在于，空间光调制器既可以是液晶显示屏，也可以是数字微镜元件，还可以是硅基液晶。

3.如权利要求1所述的一种合成全息体视图的视角图片分割重组打印方法，其特征在于，视角图片既可以是对实际三维立体物体利用相机拍摄得到的视角图片，也可以是利用计算机对虚拟三维模型进行渲染得到的视角图片。