CN111443583B - 一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法。该方法包括以下步骤：对于一个3D物体，首先，将3D物体分成具有不同深度的2D面，根据2D面的深度计算每个2D面的衍射距离。其次，基于近场衍射原理计算2D面所有物点的初始干涉图，根据观看位置、2D面的尺寸和2D面的衍射距离对2D面的全息图进行优化分割计算，实现全息图的快速计算。最后，对不同深度2D面的全息图分别进行优化分割计算并将计算后的所有2D面全息图叠加在一起，生成3D物体的全息图。将3D物体的全息图加载到空间光调制器上，当光源照射空间光调制器时，可以看到3D物体的再现像。

Description

一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法
一、技术领域
本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法。
二、背景技术
全息能够完整记录和重建3D物体的波前，全息3D显示能够提供人眼视觉所需全部深度信息，且不存在集合调节冲突所致的立体观看视疲劳问题，因此，其在医疗诊断、教育培训和广告传媒等领域具有广泛的应用。然而，目前全息3D显示的计算速度非常慢，难以满足视频显示的观看需求，阻碍了全息3D显示的发展。为了提高全息3D显示的计算速度，研究者提出了使用新型查表法，并在此基础上结合二维视频压缩技术，来减小全息视频中全息图的计算量。也有研究者通过简化球面波的数学表达，提出了分离查表法，可以将查表法中的数据存储量进一步减小。一些研究者提出了基于三角形解析角谱模型的全息图生成算法，该算法通过坐标变换实现了全息计算过程的全解析化和3D图像的快速重建。此外，基于不同3D图像重建原理的全息图加速算法也相继被提出，例如点源法、波带片法、相位追迹法等。随着计算机和光电子器件的进一步发展，全息图的快速计算方法越来越成为研究人员关注的热点。
三、发明内容
本发明提出一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法。如附图1所示，该方法包括以下步骤：对于一个3D物体，首先，将3D物体分成具有不同深度的2D面，根据2D面的深度计算每个2D面的衍射距离。其次，基于近场衍射原理计算2D面所有物点的初始干涉图，根据观看位置、2D面的尺寸和2D面的衍射距离对2D面的全息图进行优化分割计算，实现全息图的快速计算。最后，对不同深度2D面的全息图分别进行优化分割计算，将计算后的所有2D面全息图叠加在一起，生成3D物体的全息图。将3D物体的全息图加载到空间光调制器上，当光源照射空间光调制器时，可以看到3D物体的再现像。
本发明所提出的一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法中，全息图的优化分割计算原理如附图2所示，3D物体被分为不同深度的2D面，第i层2D面的尺寸记为di，i＝1、2、3...，根据2D面的深度计算2D面的衍射距离并将第i层2D面的衍射距离记为Li，P和Q分别是第i层2D面的最顶点和最底点，M是2D面上的任意一点，P'、M'和Q'分别是P、M和Q点对应的再现像。根据衍射原理计算出，2D面的再现像观看视角受空间光调制器的最大衍射角θ限制：
Figure BDA0002449628980000021
其中λ是波长，p是空间光调制器的像素间距。进而根据2D面的尺寸及衍射距离计算其再现像的最大衍射角α为：
Figure BDA0002449628980000022
其中h是空间光调制器的尺寸。当观看者位于距离空间光调制器后方R位置时，在再现像的最大衍射角范围内，只有BC区域可以显示出2D面的完整再现像，完整再现像的最大衍射角β为：
Figure BDA0002449628980000023
β<α，BC区域为2D面的完整观看区域。基于该区域计算2D面的任意一点再现像M'所对应的子全息图，如附图3所示，其大小s为：
Figure BDA0002449628980000024
根据公式(4)可知，当观看者位置不变时，2D面上任意一点的子全息图大小相同且均小于空间光调制器的尺寸。设置空间光调制器的像素间距等物体的采样间隔，基于近场衍射原理计算2D面所有物点的初始干涉图，其大小均等于h，根据公式(4)对每一物点的初始干涉图分别进行优化分割，通过减小初始干涉图的尺寸来提高计算速度，从而生成所有物点的子全息图。将子全息图看成是由像素组成的二维矩阵，相邻物点的子全息图间隔为
Figure BDA0002449628980000025
通过矩阵的平移处理叠加2D面所有物点的子全息图，最终得到2D面物体的全息图。
本发明所提出的一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法中，观看者与空间光调制器的距离大于再现像的衍射距离，3D物体的深度小于再现像的衍射距离。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法的流程示意图。
附图2为本发明的全息图的优化分割计算原理示意图。
附图3为本发明的2D面子全息图计算原理示意图。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：在实验中，采用绿色激光作为光源，其波长为532nm。空间光调制器的分辨率为1920×1080，像素间距是6.4μm，刷新率为60HZ。设置3D物体的衍射距离为10cm，观看者与空间光调制器的距离为30cm。使用MATLABR2017b计算全息图，计算机的配置为英特尔E3-1230处理器(3.4GHz)，内存为8GB。当物体的分辨率分别为400×400时，使用本方法所计算的任意物点的子全息图分辨率为1320×480，平均每个物点子全息图的计算时间为5.55s。与此同时，当使用新型查表算法进行对比实验时，其计算的子全息图分辨率为1920×1080，平均每个物点全息图的计算时间为8.256s。由此可见，本发明所提出的方法可以将计算速度提高32.7％。而当物点数为600×600时，相比于传统的新型查表算法，本方法的计算速度可提高51.5％。因此，随着物点数的增加，本方法具有更大的优势。

Claims (2)

1.一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：对于一个3D物体，首先，将3D物体分成具有不同深度的2D面，根据2D面的深度计算每个2D面的衍射距离；其次，基于近场衍射原理计算2D面所有物点的初始干涉图，根据观看位置、2D面的尺寸和2D面的衍射距离对2D面的全息图进行优化分割计算，实现全息图的快速计算；最后，对不同深度2D面的全息图分别进行优化分割计算，将计算后的所有2D面全息图叠加在一起，生成3D物体的全息图；
全息图的优化分割计算中，3D物体被分为不同深度的2D面，第i层2D面的尺寸记为di，i＝1、2、3...，根据2D面的深度计算2D面的衍射距离并将第i层2D面的衍射距离记为Li，再现像的最大衍射角α为：
Figure FDA0002808650930000011
其中h是空间光调制器的尺寸，当观看者位于距离空间光调制器后方R位置时，在再现像的最大衍射角范围内，完整再现像的最大衍射角β为：
Figure FDA0002808650930000012
β<α，基于2D面的完整观看区域计算2D面的任意一点再现像所对应的子全息图，其大小s为：
Figure FDA0002808650930000013
当观看者位置不变时，2D面上任意一点的子全息图大小相同且均小于空间光调制器的尺寸；基于近场衍射原理计算2D面所有物点的初始干涉图，其大小均等于h，根据子全息图的大小对每一物点的初始干涉图分别进行优化分割，通过减小初始干涉图的尺寸来提高计算速度，生成所有物点的子全息图；将子全息图看成是由像素组成的二维矩阵，相邻物点的子全息图间隔为
Figure FDA0002808650930000014
通过矩阵的平移处理叠加2D面所有物点的子全息图，最终得到2D面物体的全息图。
2.根据权利要求1所述的一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法，其特征在于，3D物体的深度小于再现像的衍射距离。
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