CN106898039B - 用于生成计算全息图的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。本公开还提供了一种用于生成计算全息图的方法和系统。

Description

用于生成计算全息图的方法和系统
技术领域
本公开涉及全息图像技术领域，特别地，涉及一种用于生成计算全息图的方法和系统。
背景技术
全息显示技术分为传统的光学全息和运用数字计算机去模拟、运算、处理各种光学过程的计算全息。传统的光学全息是利用光的干涉原理，通过引入一个与物光波相干的参考光波与物光波干涉，将物光波中的相位和振幅信息以干涉条纹的形式记录在某种介质上，然后，利用光波衍射原理，再现原始物光波后形成原物体的3D图像。然而，光学全息术需要非常稳定的光学系统(例如，无振动，无噪声等)以及具有高度相干性和高强度的光源，从而大大限制了其应用范围。为此，人们开始研究用计算机模拟运算的计算全息术。
计算全息图的制作和再现过程主要分为以下五个步骤：第一、抽样，得到物体或波面在离散样点上的值；第二、计算，计算物光波在全息平面上的光场分布；第三、编码，把全息平面上光波的复振幅分布编码成为全息图的透过率变化；第四、成图，在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成图，如果绘图设备分辨率不够，则绘制一个较大的图，再缩版得到使用的全息图；第五、再现，这一步与光学全息图的再现相同。计算全息和光学全息相比具有噪声低、可重复性好以及可以获得虚拟物体的全息图等显著特点。
在观察真实物体时，观察到的一般是物体表面的反射光，大部分表面材质对光线的反射具有明显的各向异性。这样，在实际观察时，在不同的观察视角，表面各点的亮度将呈现与材质对应的变化。然而，在目前的计算全息术中，实体物体或虚拟物体的三维模型被抽样为离散化的多个体素，仅有表面的亮度信息会被保留下来，模型表面的纹理细节信息被丢弃。即，体素仅是一个具有一定亮度的点。这样，在计算全息图的生成过程中，物体的各个体素的发光强度的各向异性并没有体现出来。因此，当从不同的角度观察再现的全息像时，各个体素的亮度几乎没有变化，与实际观察的物体具有明显的差异。
发明内容
为了解决上述问题的至少一个方面，本公开提供一种用于生成计算全息图的方法和系统，该方法和系统在生成计算全息图的过程中考虑了物体的体素在不同方向观察时亮度的各向异性，从而使得计算全息再现像更加接近真实物体。
根据本公开的一个方面，提供一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：
对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；
确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和
基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
根据一些实施例，基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据从该体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出。
根据一些实施例，各个体素的物光波在全息平面上的光场分布由各个体素的物光波在全息平面上的复振幅表示，
并且，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布的步骤包括：
计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的结果。
根据一些实施例，一个体素的物光波在全息平面上的光场分布根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000031
其中，U(AP)表示体素A的物光波在全息平面内的点P处的复振幅，θ表示该体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素A在方位角θ处的发光特性，a表示该体素A的物光波的初始振幅，r为该体素A至点P的距离，k为波矢量。
根据一些实施例，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000032
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向的值。
根据一些实施例，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000033
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
根据一些实施例，当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000041
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。
根据本公开的另一方面，提供一种用于生成计算全息图的方法，包括：
计算步骤：根据上述实施例任个所述的方法计算三维模型的各个体素的物光波在由空间光调制器的多个像素形成的全息平面上的光场分布；
编码步骤：将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和
成图步骤：在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成全息图。
根据本公开的又一方面，还提供一种用于生成计算全息图的系统，包括：
建模模块，该建模模块被构造为对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；
发光特性确定模块，该发光特性确定模块被构造为确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和
光场分布计算模块，该光场分布计算模块被构造为基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：根据从一个体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出该体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
根据一些实施例，该光场分布计算模块具体被构造为：计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，以获得各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000051
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000061
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000062
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。
根据一些实施例，所述系统还包括：编码模块，该编码模块被构造为将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和成图模块，该成图模块被构造为将全息图的透过率变化绘制成全息图。
根据本公开的再一方面，还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，其中，该存储器存储有指令，当所述指令被执行时，使得所述处理器执行根据上述实施例中任一个所述的方法。
在根据本发明的实施例的方法和系统中，考虑体素在不同角度的发光特性，具体地，在全息复振幅计算中加权发光特性，使得计算全息图中的体素能够真实反映实际物体表面的发光特性，使得在不同的观察视角计算全息图中的对象的表面上各点的亮度将呈现与材质对应的变化，从而使得计算全息再现像更加接近真实物体。
附图说明
通过下文中参照附图对本公开所作的描述，本公开的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本公开有全面的理解。
图1是根据本发明实施例的用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法的流程图；
图2是示出多视点下的体素多向辐射的示意图；
图3是示出物体表面上的入射光和反射光的示意图；
图4是根据双向反射分布函数计算发光特性的示意图；
图5是根据朗伯辐射体原理计算发光特性的示意图；
图6是示出基于体素发光特性计算光场分布的示意图；
图7是根据本发明实施例的用于生成计算全息图的方法的流程图；
图8是根据本发明实施例的用于生成计算全息图的系统的框图；和
图9是根据本发明实施例的用于生成计算全息图的电子设备的框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本公开的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本公开实施方式的说明旨在对本公开的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本公开的一种限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
根据本发明的实施例，在生成计算全息图的过程中，数字三维模型的表面被分割或抽样为一系列面元，然后每一个面元会被抽象为一个体素。在生成计算全息图的过程中，首先需要计算各个体素在全息平面上的光场分布。本文中的“光场分布”表示某一时刻光波在空间的分布，具体地，可以表示某一时刻物体的体素的光波在全息平面上的分布。在一个示例中，体素在全息平面上的光场分布可以由到达全息平面上的光波的复振幅表示。根据本发明的一个示例，每个体素根据与全息平面的相对位置、表面亮度与照明波长会生成一个基元全息复振幅函数。所有体素生成的基元全息复振幅函数的叠加将构成三维模型的完整的全息复振幅函数。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法的流程图。
在步骤S10中，对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型。具体地，当待生成全息图的对象为实体三维物体时，采用已知的三维建模方法(例如，三维扫描)对该实体三维物体进行建模，从而获得其数字三维模型。当待生成全息图的对象为虚拟三维物体(即，数字三维物体)时，那么根据计算机图形学理论，该虚拟三维物体本身通常存在对应的数字三维模型。
在步骤S20中，确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。具体地，在步骤S10中建立的数字三维模型的表面被分割为一系列面元，该每一个面元被抽样为一个体素，然后确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。在一个示例中，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性可以根据从该体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出。具体的确定发光特性的方法将在下文中更详细地说明。
在步骤S30中，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。具体地，基于步骤S20中计算的每一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算每一个体素的物光波在全息平面上的光场分布，每一个体素的物光波在全息平面上的光场分布组合形成所述对象在全息平面上的整体光场分布。
下面，具体描述根据本发明实施例的确定一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的方法。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，简称为BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
人们观察一个表面的过程，实际上是周围环境的光照射到表面上，然后该表面将一部分光反射到人眼中。双向反射分布函数BRDF用于描述表面入射光和反射光的关系。具体地，双向反射分布函数BRDF用来定义给定入射方向上的辐射照度(irradiance)如何影响给定出射方向上的辐射率(radiance)。一般地说，它描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布——这可以是从理想镜面反射到漫反射、各向同性(isotropic)或者各向异性(anisotropic)的各种反射。
例如，如图3所示，L表示入射光方向，v表示反射光反向(对应观察方向)，n表示表面的法线方向。对于一个方向的入射光，表面会将光反射到表面上半球的各个方向，不同方向反射的比例是不同的，我们用BRDF来表示指定方向的反射光和入射光的比例关系，BRDF可以定义为：
Figure BDA0001231047340000091
其中，f表示BRDF函数，l表示入射光方向，v表示观察方向；Lo(v)表示表面反射到v方向的反射光的辐射率，dLo(v)表示表面反射到v方向的反射光的微分辐射率；dE(l)表示表面上来自入射光方向l的微分辐照度，其中，表面接收到的辐照度为E，其来自上半球所有方向的入射光线的贡献，而微分辐照度dE(l)特指来自于方向l的入射光。
目前，建立起来的BRDF模型多达百种，它们大体上可以被分为经验统计模型、物理模型和半经验模型3类。其中，物理模型又主要有辐射传输模型、几何光学模型、混合模型和计算机模拟模型4类。常用的物理模型包括Lambert、Phong、Cook-Torrance、Ward、Oren-Nayar等模型。
根据上述BRDF理论，结合图4所示，在图4中，A表示体素，AZ表示水平方向，一个体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角θ处的发光特性可以根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000101
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向(即，图4中的光源方向和观察方向)的值。
根据本发明的另一个实施例，如图5所示，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，可以通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。对于某种材料的表面辐射的物理机理，一般可以定性描述为：物体表面受光照射后，物体的一些原子或分子从“激发态”转变为“低能态”，然后能量就以电磁波辐射的形式发射出来。目前，一些材料的表面辐射的物理机理是已知的，例如，朗伯辐射体，其辐射强度可以采用公式化的数学模型计算出。这样，当所述对象由这些表面辐射的物理机理已知的材料构成时，例如，当所述对象是朗伯辐射体时，辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角θ的变化遵守余弦规律，那么，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性可以根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000102
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
根据本发明的又一实施例，当所述对象为实体三维模型时，可以通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。具体地，当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000111
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。应理解的是，由θ0、θ1、……θn-1、θn构成的方位角区间对应观察的视角范围。
上面详细描述了计算体素在方位角θ处的发光特性L(θ)的方法，可以基于各个体素在方位角θ处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布，从而使得在不同的观察方位角对象的表面上的各点的亮度呈现与材质对应的变化。
根据一个示例，各个体素的物光波在全息平面上的光场分布由各个体素的物光波在全息平面上的复振幅表示。并且，在步骤S30中，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布的步骤包括：计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的结果。本领域技术人员应理解，数学意义上的“权”通常表示“系数”，“加权”一般意指乘以系数。
具体地，如图6所示，由A点发出的光线向全息平面的位置P进行光线反向追迹，得到光波的复振幅分布。在图6所示的示例中，体素A的物光波在全息平面上的光场分布可以根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000121
其中，U(AP)表示体素A的物光波在全息平面内的点P处的复振幅，θ表示该体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素A在方位角θ处的发光特性，a表示该体素A的物光波的初始振幅，r为该体素A至点P的距离，k为波矢量。
根据本发明的实施例，如图7所示，还提供一种用于生成计算全息图的方法，该方法可以包括以下步骤：
步骤S710：根据上述的方法计算三维模型的各个体素的物光波在由全息平面上的光场分布；
步骤S720：将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和
步骤S730：在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成全息图。
在一个示例中，全息平面可以由空间光调制器形成，即，计算全息图生成在空间光调制器中。空间光调制器是基于液晶分子电致双折射效应而制作的空间光调制器，其受控单元为独立的像素单元，像素单元在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元可独立接收光信号或电信号等控制信号，可对输入光波进行像素级的调制，灵活改变光波的波前。
根据本发明的另一实施例，如图8所示，还提供一种用于生成计算全息图的系统800，包括：
建模模块810，该建模模块被构造为对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；
发光特性确定模块820，该发光特性确定模块被构造为确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和
光场分布计算模块830，该光场分布计算模块被构造为基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
根据本发明的一个实施例，发光特性确定模块820具体被构造为：基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；或者，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；或者，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
在一个实施例中，发光特性确定模块820具体被构造为：根据从一个体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出该体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
在一个实施例中，光场分布计算模块830具体被构造为：计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，以获得各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
在一个实施例中，发光特性确定模块820具体被构造为：一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000131
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向(即，图4中的光源方向和观察方向)的值。
在一个实施例中，发光特性确定模块820具体被构造为：当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000141
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
在一个实施例中，发光特性确定模块820具体被构造为：当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：
Figure BDA0001231047340000142
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。
根据本发明的又一实施例，如图8所示，上述系统800还可以包括：编码模块840，该编码模块被构造为将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和成图模块850，该成图模块被构造为将全息图的透过率变化绘制成全息图。在一个示例中，该编码模块840和成图模块850可以由空间光调制器形成。
图9是示出了根据本公开实施例的图8所示系统(或设备)800的示例硬件布置900的框图。硬件布置900包括处理器906(例如，微处理器(μP)、数字信号处理器(DSP)等)。处理器906可以是用于执行本文描述的方法的不同步骤的单一处理单元或者是多个处理单元。布置900还可以包括用于从其他实体接收信号的输入单元902、以及用于向其他实体提供信号的输出单元904。输入单元902和输出单元904可以被布置为单一实体或者是分离的实体。
此外，布置900可以包括具有非易失性或易失性存储器形式的至少一个可读存储介质908，例如是电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、和/或硬盘驱动器。可读存储介质908包括计算机程序910，该计算机程序910包括代码/计算机可读指令，其在由布置900中的处理器906执行时使得硬件布置900和/或包括硬件布置900在内的设备800可以执行上文描述的方法及其任何变形。
尽管上面结合图9所公开的实施例中的代码手段被实现为计算机程序模块，其在处理器906中执行时使得硬件布置900执行上文描述的方法，然而在备选实施例中，该代码手段中的至少一项可以至少被部分地实现为硬件电路。
处理器可以是单个CPU(中央处理单元)，但也可以包括两个或更多个处理单元。例如，处理器可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))。处理器还可以包括用于缓存用途的板载存储器。计算机程序可以由连接到处理器的计算机程序产品来承载。计算机程序产品可以包括其上存储有计算机程序的计算机可读介质。例如，计算机程序产品可以是闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、EEPROM，且上述计算机程序模块在备选实施例中可以用UE内的存储器的形式被分布到不同计算机程序产品中。
需要说明的是，在上文的描述中以及附图中，为了描述以及表示方便，所有角度α、θ均采用了平面角度，但是，在实际应用中角度α、θ及二者的和和/或差均可以是三维空间中的立体角度。
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。
虽然本公开的总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本公开的总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (13)

1.一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：
对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；
确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和
基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布；
其中，基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数BRDF计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；
或者，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；
或者，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据从该体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，各个体素的物光波在全息平面上的光场分布由各个体素的物光波在全息平面上的复振幅表示，
并且，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布的步骤包括：
计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，一个体素的物光波在全息平面上的光场分布根据如下公式计算：
Figure FDA0002566394510000021
其中，U(AP)表示体素A的物光波在全息平面内的点P处的复振幅，θ表示该体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素A在方位角θ处的发光特性，a表示该体素A的物光波的初始振幅，r为该体素A至点P的距离，k为波矢量。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure FDA0002566394510000022
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向的值。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其中，当所述对象是朗伯辐射体时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：
Figure FDA0002566394510000023
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其中，当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：
Figure FDA0002566394510000031
其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。
8.一种用于生成计算全息图的方法，包括：
计算步骤：根据权利要求1-7中任一项所述的计算三维模型的各个体素的物光波在由空间光调制器的多个像素形成的全息平面上的光场分布；
编码步骤：将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和
成图步骤：在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成全息图。
9.一种用于生成计算全息图的系统，包括：
建模模块，该建模模块被构造为对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；
发光特性确定模块，该发光特性确定模块被构造为确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和
光场分布计算模块，该光场分布计算模块被构造为基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布；
其中，该发光特性确定模块具体被构造为：
基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数BRDF计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；
或者，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；
或者，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，该发光特性确定模块具体被构造为：
根据从一个体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出该体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，该光场分布计算模块具体被构造为：
计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，以获得各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。
12.根据权利要求9或10所述的系统，还包括：
编码模块，该编码模块被构造为将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和
成图模块，该成图模块被构造为将全息图的透过率变化绘制成全息图。
13.一种电子设备，包括处理器和存储器，其中，该存储器存储有指令，当所述指令被执行时，使得所述处理器执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
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