CN111176091A - 一种3d全息动物模型投影方法 - Google Patents

一种3d全息动物模型投影方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及投影技术领域,具体地说,是一种3D全息动物模型投影方法,包括:对动物光信息的采集;对物光信息的处理;根据编码方法将全息平面上的光场分布用计算全息图透过率表示;全息图的记录存储与再现。本发明的计算全息术可以不依靠真实存在的物体,只需要得到具体数据以及描述,就可以利用计算机和输出设备得到计算全息图,在制作与合成3D全息投影动物模型时,可以更加便捷。

Description

一种3D全息动物模型投影方法
技术领域
本发明涉及投影技术领域,具体地说,是一种3D全息动物模型投影方法。
背景技术
全息投影技术可以实现所投影像的全立体化。全息投影技术以全新的视角聚拢了人们的眼球,此次的动物展示,我们便是利用这一新型技术。预想场景为将3D动物模型的画面悬浮于空中,其效果具有很强的纵深感,且亦真亦假,让人觉的甚是奇特。观察者通过各个不同的视角来观察可以得到动物不同方向的模样。
全息在不同的发展阶段中形成了不同的成果,它的分类较多,有传统光学全息术、数字全息术、计算全息术,计算全息术具体到3D显示领域,物体的复现又有很多种方法。
但是传统的光学全息是需要依靠真实存在的物体,对不同动物样式和内容的选择要求较高。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种3D全息动物模型投影方法,以解决现有的投影方法必须依靠真实存在的物体,导致对可投影物体的样式和内容的选择范围小这一问题。
本发明采用的具体技术方案如下:
一种3D全息动物模型投影方法,包括以下步骤:
步骤一:采集物体的光信息,通过扫描动物内部结构,并同时在unity中建立3D动物模型,对于动物体内的几何形状,使用制图软件来形成图形并通过相应的操作转化成unity中的动物模型;
步骤二:对步骤一采集到的光信息进行处理,通过申请微信API,下载SDK文件,提供应用程序编程接口并在相应的文档中写入注册接口与授权接口,使得微信与unityprojec能够相互调用;用户通过扫描相应的微信二维码,登录微信程序界面,其中含有3D动物模型选择、体内系统运行模拟、病毒扩散模拟相应功能;
步骤三:根据编码方法,通过计算全息图透过率表示全息平面上的光场分布;
步骤四,记录存储并再现全息图。
上述步骤二中,对图像的抽象以及对全息图的抽样,使用离散函数值点集或是它的抽样值表示这个连续函数;取抽样单元数不超过物的空间带宽积;通过离散函数值点集或离散函数的抽样值表示连续函数:
对离散函数点集f(x,y)抽样,抽样后的函数为fs(x,y),对函数进行离散化计算,即:
Figure BDA0002402278360000021
输入图像面积:(Δx)2
频带面积:(Δv)2
得出总的计算面积即N=(ΔxΔv)2
运用物理定律求出全息平面上的光场分布。
上述步骤一中,若物体实际存在,采用扫描仪或者数字摄像机进行电子扫描到计算机里面,利用计算机技术分析数据,来进行数据采集;若物体实际不存在,将所述物体以函数的形式输入计算机。
上述步骤三中的编码方法根据以下公式获得快速的全息投影技术算法:
(x,y)=Ci[f(x,y)]
其中,hi(x,y)表示全息图的全息函数,全息图的全息函数为实值非负函数,f(x,y)表示输入的空间复值函数,C表示编码的变换符号,i表示不同的编码方法;
若物函数是第(m,n)个抽样点的表示,采用以下公式进行编码:
Figure BDA0002402278360000031
其中,Hmn为高度,(m,n)为采样点,
Figure BDA0002402278360000032
为采样点相位,Amn为振幅值;通过动物的大小和形态来编码复波前的频谱的振幅和相位。
上述步骤四采用空间光调制器进行全息图的记录存储与再现。
本发明的有益效果:由于计算全息术将全息原理与计算机技术进行了极佳的结合,相比传统的光学全息,计算全息术可以不依靠真实存在的物体,只需要得到物波的具体数学描述,就可以利用计算机和输出设备得到计算全息图,在制作与合成3D全息动物模型时,可以更加便捷,通过Auto CAD、SolidWorks等一些三维建模软件创建和记录一个较为合适的3D动物模型,对于不同动物样式与具体器官的选择拥有很高的自由度。并且如今空间光调制器相关技术逐渐发展成熟,可有效实现全息图的存储再现,顺利完成相应的全息影像制作,实现实时动态彩色三维显示效果。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合实施例对本发明做进一步详细描述,该实施例仅用于解释本发明,并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例:一种3D全息动物模型投影方法,具体包括:对动物信息采集、对动物信息的处理、根据编码方法将全息平面上的光场分布用计算全息图透过率表示和全息图的记录存储与再现。
对物光信息的采集:对于实际存在着的动物物体,可以直接利用扫描仪或数字摄像机进行数据采集,而对于实际并不存在的物体,可将物体的函数形式直接键盘输入计算机。
对物光信息的处理:①抽样,它包含了对图像的抽象以及对全息图的抽样。数字计算机信息处理是信息的一种形式,只能对离散的数据进行处理。当需要实现新的记录、传输以及处理时,要用离散函数值点集或是它的抽样值表示这个连续函数。
物函数需要离散化,一般取抽样单元数不超过物的空间带宽积。当刚好都满足抽样定理的时候,物面与谱面的抽样点数是相同的,并且都等于空间带宽积,所以可确定输入图像和全息平面上的抽样点数总数是相同的。对f(x,y)抽样,抽样后的函数为fs(x,y),
即:
Figure BDA0002402278360000041
输入图像面积:(Δx)2
频带面积:(Δv)2
即N=(ΔxΔv)2
一般能以图片格式存储在计算机里的图像便已经实现了图像抽样的离散,确定好其尺寸和空间宽带积就可以进行图像的抽样间隔和全息图的抽样间隔的换算。由于3D动物模型制作出发点为利用电脑进行设计动物模型,所以必须进行抽样这一步骤。
②计算:这一过程要计算物函数在全息平面上的光场分布,是运用物理定律求出全息平面振幅分布。
光波从物到达全息图的光场复振幅函数,是对应了物函数的变化的,并且在不同的全息图中变化内容也各不相同。
计算的时候有多种方法可以选择,可使用傅里叶变换全息图、菲涅耳全息图、像全息等方法进行计算,同时用计算机加以辅助。其中,计算机全息中运用的是标量波衍射理论,它是将光波看作标量波进行处理计算的。同时可以借助计算机的图形学中光线追踪发进行计算全息图的制作。
根据编码方法将全息平面上的光场分布用计算全息图透过率表示:是把二维的复振幅分布变换成为全息图的而为透过率分布。
用数学公式表示此过程:hi(x,y)=ci[f(x,y)]
其中,hi(x,y):计算全息图的全息函数,此函数为实值非负函数,f(x,y):输入的空间复值函数,C:编码的变换符号,i:不同的编码方法;设物函数是第(m,n)个抽样点的表示,采用编码公式:
Figure BDA0002402278360000051
其中,Hmn为高度;(m,n)为采样点;
Figure BDA0002402278360000052
为采样点相位;Amn为振幅值;
然后通过动物的大小和形态来编码复波前的频谱的振幅和相位。
全息图的记录存储与再现:结束对动物计算全息图的编码后,要寻找适合光学再现的尺寸和方式将计算全息图进行相应的输出。我们选用高分辨率的空间光调制器直接来调制编码结束的图像。尽可能选择每一个抽样单元的大小在微米量级。由于计算全息图通常使用的是光学方法获取波前重现,所以在存储的时候也考虑到这个问题,让存储手段与之相适应。虽然使用传统的计算机绘图仪比较便利,考虑到动物模样的全息图像在投影时需要图文动物器官皆清晰,就要保证全息图大小不受出图设备的限制,此处选择使用像元尺寸在微米量级,像素数超过百万的、具有高分辨率电寻址空间光调制器,利用其来替代全息干板,更有效地实现已完成的3D动物模型全息图的输出与动态的再现。
空间光调制器(SLM)是一种可编程控制的信息输入和实时显示器件,它可以通过空间光调制器对激光束的空间调制而实时的显示多种函数。空间光调制器能够在三维空间之中直接投射光线而形成点,有效地将信息加载到一维或者二维的光学数据场中的器件,把非相干光转化成相干光,进一步实现全息图像生成。它可以将计算机产生的全息图用空间光调制器的点阵单元结构进行重采样,使得计算全息图的信息存储到中用于再现。
SLM的工作区域上分布了微米量级的像素点,每个像素点都可以提供独立的光场调制。SLM可以加载全息图,再现全息图中记录的原始物光波的波前,实现原始物体三维图像的再现,将通过全息图加载到SLM上,就可以复现出设计的立体图像。利用空间光调制器十分适合进行全息图的动态显示,因为它的单元像素通常情况是液晶之类的电控装置,所以可以实现相应的动态调制。
将SLM与计算机进行连接后,使动物模型全息图以符合原投影系统RGB信号的传输,之后全息图由计算机输出到光学。需要完成如图的流程,依次将它们摆放到光学平台上,先连接激光器电源,然后连接空间光调制器的数据线和计算机以及电源适配器,将CCD与计算机进行连接,即可实现全息影像的显示。
另外,因为本次3D拟真设计选用《山海经》为代表,书中包含大量彩色图,要得到彩色全息图像,还需要进行一番制作。可以通过光栅和滤波器,将一张彩色透明片的红、蓝、绿的信息编码记录在一张黑白胶片上,然后使用单色激光制作彩色的全息图。我们需要先用彩虹全息术获得由红、蓝、绿所成的三个基色彩虹全息图像。之后再用白光透射,可以得到原彩色图的真彩色全息像,所以,在以后的设计实际操作中还需要进一步加强完善。
动态手势识别与计算机全息图像实时生成是贯穿对动物信息采集、对动物信息的处理、根据编码方法将全息平面上的光场分布用计算全息图透过率表示和全息图的记录存储与再现。的关键步骤,因此我们将它们放在前面,且将完整的步骤设计展现出来,确保整个过程毫无问题。
具体实现中,本发明还提供一种计算机存储介质,其中,该计算机存储介质可存储有程序,该程序执行时可包括本发明提供的一种3D全息动物模型投影方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文:read-onlymemory,简称:ROM)或随机存储记忆体(英文:random access memory,简称:RAM)等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种3D全息动物模型投影方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:采集物体的光信息,通过扫描动物内部结构,并同时在unity中建立3D动物模型,对于动物体内的几何形状,使用制图软件来形成图形并通过相应的操作转化成unity中的动物模型;
步骤二:对步骤一采集到的光信息进行处理,通过申请微信API,下载SDK文件,提供应用程序编程接口并在相应的文档中写入注册接口与授权接口,使得微信与unity projec能够相互调用;用户通过扫描相应的微信二维码,登录微信程序界面,其中含有3D动物模型选择、体内系统运行模拟、病毒扩散模拟等相应功能;
步骤三:根据编码方法,通过计算全息图透过率表示全息平面上的光场分布;
步骤四,记录存储并再现全息图。
2.根据权利要求1所述的3D全息动物模型投影方法,其特征在于,所述步骤二中,对图像的抽象以及对全息图的抽样,使用离散函数值点集或是它的抽样值表示这个连续函数;取抽样单元数不超过物的空间带宽积;通过离散函数值点集或离散函数的抽样值表示连续函数:
对离散函数点集f(x,y)抽样,抽样后的函数为fs(x,y),对函数进行离散化计算,即:
Figure FDA0002402278350000011
输入图像面积:(Δx)2
频带面积:(Δv)2
得出总的计算面积即N=(ΔxΔv)2
运用物理定律求出全息平面上的光场分布。
3.根据权利要求1所述的3D全息动物模型投影方法,其特征在于,所述步骤一中,若物体实际存在,采用扫描仪或者数字摄像机进行电子扫描到计算机里面,利用计算机技术分析数据,来进行数据采集;若物体实际不存在,将所述物体以函数的形式输入计算机。
4.根据权利要求1所述的3D全息动物模型投影方法,其特征在于,所述步骤三中的编码方法根据以下公式获得快速的全息投影技术算法:
(x,y)=Ci[f(x,y)]
其中,hi(x,y)表示全息图的全息函数,全息图的全息函数为实值非负函数,f(x,y)表示输入的空间复值函数,C表示编码的变换符号,i表示不同的编码方法;
若物函数是第(m,n)个抽样点的表示,采用以下公式进行编码:
Figure FDA0002402278350000021
其中,Hmn为高度,(m,n)为采样点,
Figure FDA0002402278350000022
为采样点相位,Amn为振幅值;通过动物的大小和形态来编码复波前的频谱的振幅和相位。
5.根据权利要求1所述的3D全息动物模型投影方法,其特征在于,所述步骤四采用空间光调制器进行全息图的记录存储与再现。
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