CN109445262A - 全息数据的存储方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种全息数据的存储方法及装置，其中，所述方法包括：将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。能够有效减少全息数据的存储量。并且利用上述存储的信息，能够实现全息图像的计算机模拟或者光学重现。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种全息数据的存储方法及装置。
背景技术
全息三维显示技术是利用参考光与物光干涉，把物光的振幅和相位等所有信息记录在全息图上，再现时则是全息图对入射光衍射调制的过程。全息技术能提供真实和自然的观察感，满足人眼的所有视觉感受。计算全息术结合了光学全息与计算机技术，采用计算机模拟光学全息记录过程，编码后生成数字形式的全息图，并用光学方法予以再现。
为了得到计算全息图，需要对三维物体进行数学描述。点编码方法将物体看作离散物点的集合，逐一计算各物点在全息图上的光场，叠加后得到计算全息图。三维物体也可以看成是由纵向切分的许多剖面所组成，利用各个剖面的轮廓来构成三维物体，全息平面的光场由各剖而在该平面的衍射场叠加而成。以上两种方法都需要非常多的计算基元才能保证再现物体表而的平滑效果。因此，目前全息图的数据较多，需要占据较大的存储空间，不利于全息三维显示数据的推广。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种全息数据的存储方法及装置，以解决现有技术中存在的全息数据量较多的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种全息数据的存储方法，包括：
将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；
确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；
记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；
对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
进一步的，所述对所述全息图进行压缩，包括：
将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。
进一步的，所述将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理，包括：
利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
进一步的，所述确定每个二维平面在全息面上的分布，包括：
记录每个二维平面的复振幅分布。
更进一步的，在记录每个二维平面的复振幅分布之后，所述方法还包括：
将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
第二方面，本发明实施例还提供了一种全息数据的存储装置，包括：
分层模块，用于将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；
分布确定模块，用于确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；
记录模块，用于记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；
压缩模块，用于对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
进一步的，所述压缩模块包括：
处理单元，用于将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。
进一步的，所述处理单元用于：
利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
进一步的，所述分布确定模块，包括：
记录单元，用于记录每个二维平面的复振幅分布。
更进一步的，所述装置还包括：
相乘模块，用于将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
本发明实施例提供的全息数据的存储方法及装置，通过对三维物体进行分层,将三维物体分为若干个相互平行的二维平面,并记录每个二维平面在全息面上的分布,以及记录每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布并对全息图进行压缩。能够有效减少全息数据的存储量。并且利用上述存储的信息，能够实现全息图像的计算机模拟或者光学重现。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例一提供的全息数据的存储方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二提供的全息数据的存储装置的结构示意图。
具体实施方式
在阐述下面的本发明的详细描述之前，可以先阐述在本专利文件整篇中使用的某些词和词语的定义。其中，术语“包括”和“包含”以及它们的派生词的意思是非限制性的包含；术语“或”是开放式的，意味着和/或；词语“相关联”和“与其相关联”以及它们的派生词的意思可以是包括、被包括在内、与…互连、包含、被包含在内、连接到或与…连接、耦合到或与…耦合、与…通信、与…合作、交错、并列、接近、受……限制、具有、具有…属性，等等；术语“控制器”的意思是控制至少一个操作的任何设备、系统或它们的一部分，这样设备可以以硬件、固件或软件实现，或其中至少两种的组合。应注意的是，与任何特定的控制器相关联的功能可以本地或远程地集中实现或分布实现。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的全息数据的存储方法的流程图，本实施例可适用于对全息图像的数据进行保存的情况，该方法可以由全息数据的存储装置来执行，具体包括如下步骤：
S110,将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面。
数字全息是在传统光学全息的记录过程中用CCD取代感光记录材料，从而可以实现更加便捷地记录全息图，再在计算机中实现对全息图的数值再现。在将全息图记录在计算机后，就要对其进行数字化再现。在计算机中模拟了光学衍射的重现过程，以在平面上得到物光波的分布。
计算全息是在计算机中对物光波的数学表达式做相应的处理，生成数字形式的全息图，再通过绘图仪制成全息图。这样与使用传统光学设备进行记录得到的全息图在性质上类似，省去了光源、光学平台和记录介质等硬件，并且可以在计算机中生成任意三维物体。
通常，全息图可以分为以下几类：如根据全息图记录距离的不同，可以分为菲涅尔全息、傅里叶变换全息。相面全息，按照全息图再现方式的不同可以分为纯光学再现、光电再现和数值再现等等。在本实施例中，可以采用菲涅尔全息方式。
菲涅尔型全息图的全息面是在物体菲涅尔衍射区域，物光波是物体发出的菲涅尔衍射光在记录材料上的光场。由此可以看出，菲涅尔型全息图包括若干平面的光场信息。因此，可以利用多个平面的平面全息图来表征菲涅尔型全息图，进而对物体的菲涅尔型全息图进行存储。
因此，在本实施例中，可以首先将成像的三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的三维平面。示例性的，可以将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面。物光波前和参考光的波前在记录面上的干涉图经过曝光、显影等处理后可以得到其全息图。参考光在全息图的记录中基本参数受到了物光的调制，并使得物光波前在自由空间中的相位在记录介质中变换为干涉图样强度。被记录的物光波是物体与全息面有一定距离的复数形式的菲涅尔衍射波，再将其编码成全息图。
例如，假设三维物体包含3层，每一层上分别由不同图像，且与全息面的距离分别为z1,z2和z3。每一层图像经过菲涅尔衍射后在全息面形成复振幅分布，将三者进行叠加后与参考光波进行干涉，就可以得到全息图的光强分布。
因此，可以将三维物体在深度方向上进行分层。分层的层数可以根据三维图像的厚度确定。至少要形成至少两个二维平面。同时，所述至少两个二维平面互相平行，以方便在后期模拟光源时进行叠加，生成三维物体的全息图。
S120,确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图。
示例性的，可以按照上述方法将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，再将其分割成一系列相互平行的二维平面，计算每一层上的物体在全息面上的分布。
S130,记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布。
可选的，可以在记录每个二维平面的复振幅分布之后，增加如下步骤：将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。示例性的，可以通过如下方式进行计算：
其中，三维物体在深度方向上可以按深度分为L层，第1层(记为Pi)到全息面的距离为zi，(xiyi)为平面坐标，k＝2π/λ为波矢的模，ψr(xi，yi)为随机位相矩阵。根据上述方式可以得到该层平面的全息图。其相当于记录了每个二维平面的复振幅分布情况。并记录每个二维平面的先后序号，以方便进行后期物体全息图的整体合成。
将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，再将其分割成一系列相互平行的二维平面，计算每一层上的物体在全息面上的分布，再将物体的每一层在全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布进行叠加，与平行参考光叠加发生干涉，从而形成了物体的全息图。在再现过程中，用参考光照射全息图所在的平面，则可在衍射光波出射的方向上得到原始三维物体的所有截面像，当观察者逆着出射光波观看时，在虚像空间上可以看到由不同截面像拼接而成的原始物体的立体像。示例性的，可以将各个层面在全息面上的衍射分布进行叠加，得到全息面各个点上总的复振幅分布Et(ξ，η），示例性的，可以通过如下方式计算得到：
其中，
A0(ξ，η)，ψ(ξ，η)分别为叠加后全息面上的复振幅的模和位相。
可选的，可以在记录每个二维平面的复振幅分布之后，增加如下步骤：将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
S140，对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
通常，全息图包含的信息量远大于三维物体的全部信息量。其中，全息图中可以包含着巨大的冗余信息。为了方便对全息图存储，需要对其进行压缩。通常，图像压缩技术一般有无损、有损以及特征抽取等方式。根据那奎斯特采样原理，在对物光波进行抽样时，采样频率必须至少为光场中最大空间频率的两倍。因此，可以利用变换压缩算法对每个平面得到的全息图进行压缩。
示例性的，所述对所述全息图进行压缩，可以包括：将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。将全息图由时域转换到频域内，对高频及低频分量进行处理，实现信息量的压缩。
此外，由于全息图数字再现中零级亮斑的存在，会影响了图像的再现。而零级亮斑属于低频信息，因此可以在压缩的同时，通过滤除低频信息实现去除零级亮斑。示例性的，所述将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理，包括：利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
示例性的，当一个实偶函数被展开时，相应的傅里叶级数中不含对其实施离散化可得到正交变换，示例性的，其公式如下：
其中，x，y，u，v＝0，1，2……N-1，
利用上述公式，能够将全息图在时空域中的表达式变换到频率域中，消除了空域中像素间的相关性，利用较少的数据点即可表征该图像，并且可以对低频和高频信息直接进行处理，得到压缩后的图像。
可选的，可以将全息图分为若干N*N个子图像，并根据上述方式对每个子图像进行压缩。示例性的，可以先将全息图在时域中分解成4*4个大小的子图像块，再利用正交变换将所有子图像块转换到频域，对频域中的直流、低频、中频和高频等频率系数进行操作，压缩全息图信息量以及消除零级亮斑。然后利用正交变换将所有子图像块重新变换回时域中，将其重新组成一幅完整的图像。通过上述过程得到的全息图含有较少的信息量，同时能够去除零级亮斑。
利用上述方式虽然减少了全息图的少量图像熵，但并未影响到全息图的图像质量，有效的减少了全息图的存储空间，同时还可有效减少零级亮斑对全息图的影响。
本实施例通过对三维物体进行分层，将三维物体分为若干个相互平行的二维平面，并记录每个二维平面在全息面上的分布，以及记录每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布并对全息图进行压缩。。能够有效减少全息数据的存储量。并且利用上述存储的信息，能够实现全息图像的计算机模拟或者光学重现。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的全息数据的存储装置的结构示意图，如图2所示，所述装置包括：
分层模块210，用于将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；
分布确定模块220，用于确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；
记录模块230，用于记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；
压缩模块240，用于对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
本实施例提供的全息数据的存储装置，通过对三维物体进行分层,将三维物体分为若干个相互平行的二维平面,并记录每个二维平面在全息面上的分布,以及记录每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布并对全息图进行压缩。。能够有效减少全息数据的存储量。并且利用上述存储的信息，能够实现全息图像的计算机模拟或者光学重现。进一步的，所述压缩模块包括：
处理单元，用于将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。
进一步的，所述处理单元用于：
利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
进一步的，所述分布确定模块，包括：
记录单元，用于记录每个二维平面的复振幅分布。
更进一步的，所述装置还包括：
相乘模块，用于将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种全息数据的存储方法，其特征在于，所述方法包括：
将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；
确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；
记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；
对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述全息图进行压缩，包括：
将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理，包括：
利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每个二维平面在全息面上的分布，包括：
记录每个二维平面的复振幅分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在记录每个二维平面的复振幅分布之后，所述方法还包括：
将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
6.一种全息数据的存储装置，其特征在于，所述装置包括：
分层模块，用于将三维物体在深度方向上进行分层并分别成像，形成至少两个相互平行的二维平面；
分布确定模块，用于确定每个二维平面在全息面上的分布，并记录每个二维平面的序号和对应的全息图；
记录模块，用于记录所述三维物体的每一层在所述全息面上的菲涅尔衍射的复振幅分布；
压缩模块，用于对所述全息图进行压缩，并对应存储压缩后的全息图。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述压缩模块包括：
处理单元，用于将所述全息图从时域转换为频域，并对高频和低频信号进行处理。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于：
利用傅里叶级数展开，对展开中的余弦级数进行离散化，实现正交变换。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分布确定模块，包括：
记录单元，用于记录每个二维平面的复振幅分布。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
相乘模块，用于将随机位相矩阵与所述复振幅分布相乘，以减少频谱信息的丢失。
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