CN111812956A - 基于体数据的计算全息图生成方法、装置和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于体数据的计算全息图生成方法、装置和电子设备，该方法包括读入待全息物体的体数据并设置用于将体数据中体素标量值转换为四元量的传递函数，使用反向光线投射算法，获取每条与待全息物体模型相交的光线的合成物点确定全息面的相位值和合成物点确定全息面的振幅值，然后基于所有与待全息物体模型相交的光线的合成物点信息来计算全息面的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。本发明实施例提供的方法、装置和电子设备，实现了利用计算机图形学的优势采用计算机计算全息图生成，避免了传统全息技术需要严格的光学记录条件和较高的制备条件，且在全息图显示时灵活选定感兴趣区域。
Description
技术领域
本发明涉及全息图领域，尤其涉及一种基于体数据的计算全息图生成方法、装置和电子设备。
背景技术
随着科技的不断进步与发展，三维立体显示技术正逐渐融入人们的生活，包括医疗、建筑、游戏、影视、展览等多个领域。在三维显示技术中，全息显示技术能够提供原始光场的物理信息，符合人眼观看三维世界的生理特性，因而具备再现的真实感和观看的舒适性，发展前景十分广阔。在传统的光学全息显示技术中，真实物体的复振幅信息被记录在感光胶片上，记录过程需要具备严格的光学记录条件，制备条件较高。而计算全息显示技术无需严苛的记录条件，通过和计算机技术的结合，使得全息技术显示任意的三维模型变得可能。然而，计算全息存在许多待解决的问题，如生成全息图需要庞大的计算量和较长的计算时间，在渲染时表现虚拟物体的真实感还不足够。近年来，计算机图形学的发展以及图形处理单元(GPU)的可编程能力的提升，给计算全息技术带来新的发展契机。体数据是通过物理传感器采样或仿真得到的三维数据，蕴含三维数据场的丰富信息，广泛应用于医疗、气象、地质等多种领域，但是未经处理的体数据不便于理解。
因此，如何避免现有的光学全息显示技术中记录过程需要严格的光学记录条件的繁琐，制备条件较高的要求，没有利用好计算机图形学的发展优势，不能灵活重建待全息物体的感兴趣区域，仍然是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于体数据的计算全息图生成方法、装置和电子设备，用以解决现有的光学全息显示技术中记录过程需要严格的光学记录条件的繁琐，制备条件较高的要求，没有利用好计算机图形学的发展优势且不能灵活重建物体感兴趣区域的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于体数据的计算全息图生成方法，包括：
读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；
基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；
基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；
基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
优选地，该方法中，所述读入待全息物体的体数据，具体包括：
读入待全息物体的3D体数据，将所述3D体数据绑定到GPU的纹理存储中。
优选地，该方法中，所述模拟从全息面中心向物体投射光线，具体包括：
模拟从全息面中心向物体投射光线，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。
优选地，该方法中，所述对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
对于所述相交光线中的第s条光线，以所述光线击中所述模型的点作为采样起始点依次在该光线上以等预设步长的间隔进行采样；
确定第一个采样点的累加颜色值为所述采样起始点的颜色值，确定第一个采样点的累加不透明度为所述采样起始点的不透明度；
确定第一个采样点以后的采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值；
基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度；
其中，任一采样点的颜色值和不透明度都是通过所述传递函数将所述任一采样点的体素标量值转换成四元量得到。
优选地，该方法中，所述基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加颜色值C'l：
C'l＝C'l-1+(1-A'l-1)Cl
其中，l为整数且1＜l≤Ni，C'l-1为第l-1个采样点的累加颜色值，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Cl为第l个采样点的颜色值；
对应地，所述基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加不透明度A'l：
A'l＝A'l-1+(1-A'l-1)Al
其中，l为整数且1＜l≤Ni，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Al为第l个采样点的不透明度。
优选地，该方法中，所述基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，具体包括：
确定所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的三维坐标为(xs,ys,zs)，则第s条光线的合成物点在全息面上的相位值θs通过如下公式获取：
其中，λ是光波长，rs是坐标(xs,ys,zs)的模型中的合成物点到所述全息面上坐标为(x,y,z)点的距离；
对应地，所述基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，具体包括：
将所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换为灰度值，确定所述灰度值为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
优选地，该方法中，所述基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图，具体包括：
通过如下公式生成待全息物体的合成物点在全息面上的复振幅分布E：
其中，As为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，θs为第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数；
对所述复振幅分布E编码，生成待全息物体的全息图。
第二方面，本发明实施例提供一种基于体数据的计算全息图生成装置，包括：
读取单元，用于读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
模拟单元，用于模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
采样单元，用于对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；
第一确定单元，用于基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；
第二确定单元，用于基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；
生成单元，用于基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的基于体数据的计算全息图生成方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的基于体数据的计算全息图生成方法的步骤。
本发明实施例提供的方法、装置和电子设备，通过读入待全息物体的体数据并设置用于将体数据中体素标量值转换为四元量的传递函数，使用反向光线投射算法，获取每条与待全息物体模型相交的光线的合成物点确定全息面的相位值和合成物点确定全息面的振幅值，然后基于所有与待全息物体模型相交的光线的合成物点信息来计算全息面的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。如此，基于体绘制技术和反向投射算法，记录体数据的有效信息的波前信息，从而达到体数据在三维空间中的可视化。而预设的传递函数可以调整，故可以重建体数据中不同的感兴趣区域，在显示时具备灵活性。因此，本发明实施例提供的方法、装置和电子设备，实现了利用计算机图形学的优势采用计算机计算全息图生成，避免了传统全息技术需要严格的光学记录条件和较高的制备条件，还能在全息图显示时灵活选定感兴趣区域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于体数据的计算全息图生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的传递函数映射曲线图；
图3为本发明实施例提供的反向光线投射算法原理示意图；
图4为本发明实施例提供的三维线性插值示意图；
图5为本发明实施例提供的实时调整传递函数的计算全息图生成方法的算法流程图；
图6为本发明实施例提供的基于体数据的计算全息图生成装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于本发明实施例中出现的技术名词，先作如下解释：
体数据：在三维空间中通过物理传感器采样或仿真得到的三维数据。如医学领域的计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)数据、地质勘探中的地震波数据。本发明实施例中涉及的体数据均为用等间隔的三维离散采样点进行数学建模得到的。
体素：三维体数据中最小的单位。一个体素表示体数据中三维空间某部分的值，概念上类似二维图像平面的最小单位像素。
插值：离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。
发射-吸收模型：一种体数据的光学模型，该模型认为体数据中的体素本身发射光线，并且可以吸收光线，但在射线的方向上，体素之间不存在散射。
空间光调制器(SLM)：是计算全息再现过程中的核心器件，可以依据不同的光读出方式分类为反射式SLM和透射式SLM。SLM中含有多个小单元，这些单元彼此独立，在接收电信号或光信号等控制信号时不受相邻单元的影响，能独立的根据控制信号改变自身的某些性质，从而实现对输入光波的调制，改变输入光波的相位、振幅等。
现有的全息显示技术普遍存在光学全息显示技术中记录过程需要严格的光学记录条件的繁琐，制备条件较高的要求，没有利用好计算机图形学的发展优势的问题。对此，本发明实施例提供了一种基于体数据的计算全息图生成方法。图1为本发明实施例提供的基于体数据的计算全息图生成方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤110，读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数。
具体地，根据不同体数据的初始存储格式，以正确的形式读入体数据。然后，设置当前用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数。此处需要说明的是，传递函数的设置是可以变化的，它根据需要展示待全息物体的不同感兴趣部位的变化而变化。图2为本发明实施例提供的传递函数映射曲线图，如图2所示，体数据的标量值通过传递函数映射为四元量(R、G、B三种颜色值和不透明度)，这一过程用如下公式表示：
Ii(Ci,Ai)＝Ii(Ri,Gi,Bi,Ai)＝TF(v(si))
其中，TF表示预设传递函数，v(si)是体素si的标量值，Ii是映射后的四元量，包含红绿蓝颜色分量Ri,Gi,Bi和不透明度Ai，Ci表示由红绿蓝颜色分量Ri,Gi,Bi组成的颜色值，i＝1,2,3,…,T；T是需要转换的体素的总个数。
步骤120，模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线。
具体地，在传统的计算全息中，物体离散为点光源，从物平面方向向全息平面方向传播波前，由于要遍历所有离散物点，计算量巨大且耗时。与上述方式不同，本发明实施例采取反向记录的方式，模拟从全息面向体数据形成的待全息物体的模型并行发射多条光线。然后再判断这些光线是否与体数据形成的待全息物体的模型相交，如果没有击中该模型，则提前结束该条光线，如果击中了该模型，则将该光线提取出作为相交光线。如此检测出与所述模型相交的所有光线。
步骤130，对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数。
具体地，对所有相交光线中的每一条光线作如下处理：从该光线击中该模型开始对光线在行进过程中执行等距离采样，每前进一个采样步长，得到一个新的采样值，该采样值包括该采样点的颜色值和不透明度，而该采样点的颜色值和不透明度是通过传递函数将该采样点对应所述体数据中的体素的标量值转换为四元量得到的。然后，根据发射-吸收模型中的发射-吸收公式确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度。判断光线的终止的方法为：当光线射出模型或者不透明度累加到一定值，终止光线，即对光线依次采样，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样，其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数。
步骤140，基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值。
具体地，对于第s条光线，在该光线前进的采样和累加过程中，当累加不透明度开始大于0时，这一点之后的采样值才开始对累加结果起到影响作用，因此，可以认为第一个让累加不透明度大于0的采样点为第一个有效信息点，而该点的位置信息作为累加结果的深度信息，且可以基于该点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值。
步骤150，基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
具体地，将第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换成灰度值，将该灰度值作为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
步骤160，基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
具体地，使用每条相交光线获得的合成物点信息(包括每条光线上的合成物点在全息面上的振幅值和每条光线上的合成物点在全息面上的相位值)进行波前的叠加计算合成物点在全息面上的复振幅分布，然后再对所述复振幅分布进行编码生成符合空间光调制器分辨率的计算全息图。
本发明实施例提供的方法，通过读入待全息物体的体数据并设置用于将体数据中体素标量值转换为四元量的传递函数，使用反向光线投射算法，获取每条与待全息物体模型相交的光线的合成物点确定全息面的相位值和合成物点确定全息面的振幅值，然后基于所有与待全息物体模型相交的光线的合成物点信息来计算全息面的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。如此，基于体绘制技术和反向投射算法，记录体数据的有效信息的波前信息，从而达到体数据在三维空间中的可视化。而预设的传递函数可以调整，故可以重建体数据中不同的感兴趣区域，在显示时具备灵活性。因此，本发明实施例提供的方法，实现了利用计算机图形学的优势采用计算机计算全息图生成，避免了传统全息技术需要严格的光学记录条件和较高的制备条件，还能在全息图显示时灵活选定感兴趣区域。
基于上述实施例，该方法中，所述读入待全息物体的体数据，具体包括：
读入待全息物体的3D体数据，将所述3D体数据绑定到GPU的纹理存储中。
具体地，将3D数据绑定到GPU的纹理内存中，可达到随机快速读取的目的。GPU的处理能使后续的反向记录方式中并行计算全息元素能利用GPU并行计算的加速能力，并且易于和计算机图形学的渲染技术相结合。
本发明实施例提供的方法，实现了通过GPU进行加速，提高了整个过程的运算效率。
基于上述任一实施例，该方法中，所述模拟从全息面中心向该模型投射光线，具体包括：
模拟从全息面中心向该模型投射光线，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。
具体地，在模拟从全息面中心向该模型投射光线时，所述光线形成的光线簇的锥角要满足一定要求，即所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角，所述最大衍射角θ通过如下公式计算：
θ＝arcsin(λ/Δp)
其中，Δp为所述全息面进行全息成像的空间光调制器的像素间距，λ是光波长。此处需要说明的是上述光波长对应的光为激光器发射的光，通常为绿光或者红光。
图3为本发明实施例提供的反向光线投射算法原理示意图，如图3所示，模拟的全息面置于所述体数据形成的模型的正前方，图3中的体数据为所述体数据形成的模型的简写以起到标识作用，θ为反向光线形成的光线簇的锥角，图3中的“×”用于标识未击中光线(即未击中所述体数据形成的模型的光线)。
基于上述任一实施例，该方法中，所述对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
对于所述相交光线中的第s条光线，以所述光线击中所述模型的点作为采样起始点依次在该光线上以等预设步长的间隔进行采样；
确定第一个采样点的累加颜色值为所述采样起始点的颜色值，确定第一个采样点的累加不透明度为所述采样起始点的不透明度；
确定第一个采样点以后的采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值；
基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度。
具体地，对于所述相交光线中的第s条光线，在该光线行进过程中执行等距离采样，所述距离为预设步长。此处需要说明的是，预设步长在实际处理过程中可以调节，当预设步长设置的小时，采样点多，后续处理虽然会因为数据量大造成计算量大但是也会得到更精确的结果，当预设步长设置的大时，采样点少，后续处理虽然会因为数据量小达到计算量小的目的但是也会造成结果不精确，此处预设步长可以根据需求进行设置。第一个采样点(即采样起始点)为第s条光线击中所述模型的点，后面每前进一个步长，得到一个新的采样点以及该采样点对应的颜色值和不透明度。
此处需要说明一种特殊情况，即采样点不在体数据的网格点上而在网格点之间，采样点对应的体素标量值通过相邻8个体素的三维坐标以及对应体素标量值经过三维线性插值得到。图4为本发明实施例提供的三维线性插值示意图，如图4所示，V点是实际采样点，V000～V111是V点相邻的8个体素值，通过如下三维线性插值公式，计算V点的三维坐标(x,y,z):
v＝v000(1-xd)(1-yd)(1-zd)+v100xd(1-yd)(1-zd)
+v010(1-xd)yd(1-zd)+v001(1-xd)(1-yd)zd
+v101xd(1-yd)zd+v011(1-xd)ydzd
+v110xdyd(1-zd)+v111xdydzd
其中，xd＝(x-x0)/(x1-x0)，yd＝(y-y0)/(y1-y0)，zd＝(z-z0)/(z1-z0)，v是插值得到的采样点体素标量值，v000～v111是V点相邻的8个体素标量值，(x,y,z)是V点的坐标，(x0,y0,z0)为V000点的坐标，(x1,y1,z1)是V111点的坐标。
三维线性插值在GPU纹理内存提供基于硬件的插值功能的优势下，可以直接利用纹理内存去加速数据读取和插值过程。
然后，对于第一个采样点的累加颜色值设置为所述采样起始点的颜色值，将第一个采样点的累加不透明度设置为所述采样起始点的不透明度，对于第一个采样点以后的采样点的累加颜色值和累加不透明度，通过发射-吸收模型中的发射-吸收公式可知，基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值；基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度。
基于上述任一实施例，该方法中，所述基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加颜色值C'l：
C'l＝C'l-1+(1-A'l-1)Cl
其中，l为整数且1＜l≤Ni，C'l-1为第l-1个采样点的累加颜色值，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Cl为第l个采样点的颜色值；
对应地，所述基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加不透明度A'l：
A'l＝A'l-1+(1-A'l-1)Al
其中，l为整数且1＜l≤Ni，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Al为第l个采样点的不透明度。
具体地，根据发射-吸收公式可以确定当前采样点的位置处的累加颜色值和不透明度。
基于上述任一实施例，该方法中，所述基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，具体包括：
确定所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的三维坐标为(xs,ys,zs)，则第s条光线的合成物点在全息面上的相位值θs通过如下公式获取：
其中，λ是光波长，rs是坐标(xs,ys,zs)的模型中的合成物点到所述全息面上坐标为(x,y,z)点的距离；
对应地，所述基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，具体包括：
将所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换为灰度值，确定所述灰度值为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
具体地，对于第s条光线，在该光线前进的采样和累加过程中，当累加不透明度开始大于0时，这一点之后的采样值才开始对累加结果起到影响作用，因此，可以认为第一个让累加不透明度大于0的采样点为第一个有效信息点，而该点的位置信息作为累加结果的深度信息，且可以基于该点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值。然后，将第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换成灰度值，将该灰度值作为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
基于上述任一实施例，该方法中，所述基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图，具体包括：
通过如下公式生成待全息物体的合成物点在全息面上的复振幅分布E：
其中，As为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，θs为第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数；
对所述复振幅分布E编码，生成待全息物体的全息图。
具体地，上述生成待全息物体的全息图E的公式可以进一步表示为：
其中，As为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，λ是光波长，rs是坐标(xs,ys,zs)的模型中的合成物点到所述全息面上坐标为(x,y,z)点的距离，(xs,ys,zs)为第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的三维坐标，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数。
如此确定得到的待全息物体的在全息面上的复振幅分布E通过编码，获得符合空间光调制器分辨率的计算全息图。其中，编码方式根据显示设备决定，可以使用幅度编码、相位编码等多种方式。由于本发明实施例中使用的显示设备是相位型反射式空间光调制器，因此，采用的编码方式是相位编码。
基于上述任一实施例，本发明实施例提供了一种实时调整传递函数的计算全息图生成方法，图5为本发明实施例提供的实时调整传递函数的计算全息图生成方法的算法流程图。如图5所示，计算机中的CPU开始就输入待全息物体的体数据，然后设置传递函数，然后调用运行光线投射核函数，该核函数运行于GPU中，左边虚线框中的步骤具体展开就是右边虚线框中的内容，因此，GPU核函数，具体包括如下步骤：发射光线(模拟反向光线的发射)、路径采样(每条相交光线上的等距离采样)、传递函数映射(确定采样点的颜色值和不透明度)、颜色合成(在每一条相交光线上依次进行累加颜色值和累加不透明度的计算)、获取物点信息(获取每条相交光线的合成物点的三维坐标和颜色值)、计算全息面复振幅分布(基于每条相交光线的合成物点在全息面上的相位值和每条相交光线的合成物点在全息面上的振幅值来计算全息面的复振幅分布)和计算CGH(进行编码)；然后，进入传递函数改变的判断步骤，如果有改变，则返回运行光线投射核函数，将其中的传递函数进行相应修改，如果没有改变，则通过显示设备(即相位型反射式空间光调制器)输出CGH。
基于上述任一实施例，本发明实施例提供一种基于体数据的计算全息图生成装置，图6为本发明实施例提供的基于体数据的计算全息图生成装置的结构示意图。如图6所示，该装置包括读取单元610、模拟单元620、采样单元630、第一确定单元640、第二确定单元650和生成单元660，其中，
所述读取单元610，用于读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
所述模拟单元620，用于模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
所述采样单元630，用于对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；
所述第一确定单元640，用于基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；
所述第二确定单元650，用于基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；
所述生成单元660，用于基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
本发明实施例提供的装置，通过读入待全息物体的体数据并设置用于将体数据中体素标量值转换为四元量的传递函数，使用反向光线投射算法，获取每条与待全息物体模型相交的光线的合成物点确定全息面的相位值和合成物点确定全息面的振幅值，然后基于所有与待全息物体模型相交的光线的合成物点信息来计算全息面的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。如此，基于体绘制技术和反向投射算法，记录体数据的有效信息的波前信息，从而达到体数据在三维空间中的可视化。而预设的传递函数可以调整，故可以重建体数据中不同的感兴趣区域，在显示时具备灵活性。因此，本发明实施例提供的装置，实现了利用计算机图形学的优势采用计算机计算全息图生成，避免了传统全息技术需要严格的光学记录条件和较高的制备条件，还能在全息图显示时灵活选定感兴趣区域。
基于上述任一实施例，该装置中，所述读入待全息物体的体数据，具体包括：
读入待全息物体的3D体数据，将所述3D体数据绑定到GPU的纹理存储中。
基于上述任一实施例，该装置中，所述模拟从全息面中心向物体投射光线，具体包括：
模拟从全息面中心向物体投射光线，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。
基于上述任一实施例，该装置中，所述对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
对于所述相交光线中的第s条光线，以所述光线击中所述模型的点作为采样起始点依次在该光线上以等预设步长的间隔进行采样；
确定第一个采样点的累加颜色值为所述采样起始点的颜色值，确定第一个采样点的累加不透明度为所述采样起始点的不透明度；
确定第一个采样点以后的采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值；
基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度。
基于上述任一实施例，该装置中，所述基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加颜色值C'l：
C'l＝C'l-1+(1-A'l-1)Cl
其中，l为整数且1＜l≤Ni，C'l-1为第l-1个采样点的累加颜色值，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Cl为第l个采样点的颜色值；
对应地，所述基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加不透明度A'l：
A'l＝A'l-1+(1-A'l-1)Al
其中，l为整数且1＜l≤Ni，A'l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Al为第l个采样点的不透明度。
基于上述任一实施例，该装置中，所述基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，具体包括：
确定所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的三维坐标为(xs,ys,zs)，则第s条光线的合成物点在全息面上的相位值θs通过如下公式获取：
其中，λ是光波长，rs是坐标(xs,ys,zs)的模型中的合成物点到所述全息面上坐标为(x,y,z)点的距离；
对应地，所述基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，具体包括：
将所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换为灰度值，确定所述灰度值为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
基于上述任一实施例，该装置中，所述基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图，具体包括：
通过如下公式生成待全息物体的合成物点在全息面上的复振幅分布E：
其中，As为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，θs为第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数；
对所述复振幅分布E编码，生成待全息物体的全息图。
图7为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储在存储器703上并可在处理器701上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的基于体数据的计算全息图生成方法，例如包括：读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
此外，上述的存储器703中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于体数据的计算全息图生成方法，例如包括：读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述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计算机可读存储介质中，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，包括：
读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；
基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；
基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；
基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
2.根据权利要求1所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述读入待全息物体的体数据，具体包括：
读入待全息物体的3D体数据，将所述3D体数据绑定到GPU的纹理存储中。
3.根据权利要求1所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述模拟从全息面中心向物体投射光线，具体包括：
模拟从全息面中心向物体投射光线，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。
4.根据权利要求1所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
对于所述相交光线中的第s条光线，以所述光线击中所述模型的点作为采样起始点依次在该光线上以等预设步长的间隔进行采样；
确定第一个采样点的累加颜色值为所述采样起始点的颜色值，确定第一个采样点的累加不透明度为所述采样起始点的不透明度；
确定第一个采样点以后的采样点的累加颜色值和累加不透明度，具体包括：
基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值；
基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度；
其中，任一采样点的颜色值和不透明度都是通过所述传递函数将所述任一采样点的体素标量值转换成四元量得到。
5.根据权利要求4所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述基于前一采样点的累加颜色值、前一采样点的累加不透明度和当前采样点的颜色值确定当前采样点的累加颜色值，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加颜色值C′l：
C′l＝C′l-1+(1-A′l-1)Cl
其中，l为整数且1＜l≤Ni，C′l-1为第l-1个采样点的累加颜色值，A′l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Cl为第l个采样点的颜色值；
对应地，所述基于前一采样点的累加不透明度和当前采样点的不透明度确定当前采样点的累加不透明度，具体包括：
通过如下公式确定第l个采样点的累加不透明度A′l：
A′l＝A′l-1+(1-A′l-1)Al
其中，l为整数且1＜l≤Ni，A′l-1为第l-1个采样点的累加不透明度，Al为第l个采样点的不透明度。
6.根据权利要求1所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，具体包括：
确定所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的三维坐标为(xs,ys,zs)，则第s条光线的合成物点在全息面上的相位值θs通过如下公式获取：
其中，λ是光波长，rs是坐标(xs,ys,zs)的模型中的合成物点到所述全息面上坐标为(x,y,z)点的距离；
对应地，所述基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，具体包括：
将所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值转换为灰度值，确定所述灰度值为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值。
7.根据权利要求1所述的基于体数据的计算全息图生成方法，其特征在于，所述基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图，具体包括：
通过如下公式生成待全息物体的合成物点在全息面上的复振幅分布E：
其中，As为第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值，θs为第s条光线的合成物点在全息面上的相位值，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数；
对所述复振幅分布E编码，生成待全息物体的全息图。
8.一种基于体数据的计算全息图生成装置，其特征在于，包括：
读取单元，用于读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
模拟单元，用于模拟全息面放置于所述体数据形成的模型的正前方并模拟从全息面中心向该模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
采样单元，用于对于所述相交光线中的第s条光线，从所述光线击中所述模型开始依次进行采样并依次确定每个采样点的累加颜色值和累加不透明度，直到第Ns个采样点超出所述模型或者其累加不透明度超过预设阈值，则停止采样；其中，s＝1,2,3,…,n，n为相交光线的总条数，Ns为正整数；
第一确定单元，用于基于所述第s条光线中第一个累加不透明度大于0的采样点的位置信息确定第s条光线的合成物点在全息面上的相位值；
第二确定单元，用于基于所述第s条光线的第Ns-1个采样点的累加颜色值确定第s条光线的合成物点在全息面上的振幅值；
生成单元，用于基于所述相交光线的n条光线各自的合成物点在全息面上的相位值和合成物点在全息面上的振幅值，计算合成物点在全息面上的复振幅分布，进而生成待全息物体的全息图。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于体数据的计算全息图生成方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如1-7中任一项所述的基于体数据的计算全息图生成方法的步骤。
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