CN117420746A - 一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法，该方法包括以下三个步骤：第一步，基于高斯滤波器对物体进行预处理，将物体的高频信息和低频信息分离，并得到相对应的高频图像和低频图像；第二步，用新型查找表法对高频图像进行计算，得到对应的高频全息图，同时，用角谱法对低频图像进行计算，得到对应的低频全息图；第三步，将高频全息图和低频全息图的复振幅信息叠加，得到最终全息图的复振幅信息，并提取相位信息，得到纯相位全息图。将最终的纯相位全息图加载到空间光调制器上进行光学重建，当相干平行光照射空间光调制器时，再现出物体的全息像。本发明所提出的方法减少了参与新型查找表法计算的物点个数，大幅提升了全息图的计算时间。
Description
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高频信息提取的快速全息图生成方法。
二、背景技术
近年来，随着计算机的快速发展，计算全息3D显示技术因其灵活性而受到广泛关注。然而，巨大的计算量影响了全息图的生成速度，限制了动态全息3D显示的进一步发展。为了提升计算速度，研究者基于对物体不同的描述方法提出了不同的全息图生成算法，其中，点元法是全息图生成的经典算法，其将物体离散为单独的理想点光源，由每个物点计算出子全息图，然后将所有子全息图叠加得到最终全息图，能够很好地重建物体的细节信息。然而，点元数量随着物体复杂度的上升而急剧增加，限制了基于点元法生成全息图的计算速度。一些研究人员提出了不同的改进算法，如新型查找表法、拆分查找表法、压缩查找表法等，但计算速度仍然难以满足实时动态全息显示的要求。因此，简化计算过程，从而加快全息图计算速度是全息3D显示亟待解决的问题。
三、发明内容
本发明提出一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法。如附图1所示，该方法包括以下三个步骤：第一步，基于高斯滤波器对物体进行预处理，将物体的高频信息和低频信息分离，并得到相对应的高频图像和低频图像；第二步，用新型查找表法对高频图像进行计算，根据衍射理论生成每个像素点对应的子全息图，并叠加得到高频全息图，同时，用角谱法对低频图像进行计算，得到对应的低频全息图；第三步，将高频全息图和低频全息图的复振幅信息叠加，得到最终全息图的复振幅信息，并提取相位信息，得到纯相位全息图。将最终的纯相位全息图加载到空间光调制器上进行光学重建，当相干平行光照射空间光调制器时，再现出物体的全息像。本发明所提出的方法减少了参与新型查找表法计算的物点个数，大幅提升了全息图的计算时间。
在步骤一中，基于高斯滤波器对图像进行预处理，将图像的高频信息和低频信息分离，得到相对应的高频信息图像和低频信息图像。高斯滤波是对图像的像素值进行加权平均处理的过程，主要过程如下：首先，构建一个二维矩阵K作为卷积核，即高斯核；然后，对于图像的每一个像素点M，计算其邻域像素和高斯核K的乘积，将所有计算过后的邻域像素值相加作为像素点M的加权值，加权后的图像就是低频信息图像；最后，分析原图像与低频信息图像的像素差值，计算得到高频信息图像。
在步骤二中，使用新型查找表法对高频信息图像进行计算，将高频信息图像视为由一系列离散点组成，基于衍射理论，计算其中心条纹图案，通过平移和叠加原理计算其他点的条纹图案，从而生成高频全息图。高频全息图的复振幅分布UHF(x,y)如下式所示：
其中，N是图像点的数量，k和λ分别代表波数和波长，j为虚数单位。对于第i个点，Ai和分别是对应的振幅和相位信息，ri是全息平面上点(xi,yi,zi)和采样点(x,y,0)之间的距离。同时，使用角谱法对低频信息图像进行计算，基于角谱衍射理论计算得到低频全息图的复振幅分布ULF(x,y)表示为：
其中，和/>分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ALF是低频图像的振幅，fx和fy是x和y方向的空间频率，z是传播距离。
在步骤三中，通过叠加高频全息图和低频全息图的复振幅信息得到最终全息图平面上的复振幅信息。由于在计算过程中使用的原理不同，高频与低频全息图复振幅分布的幅值差异较大，导致高频和低频部分重建时亮度不均匀。为此，基于角谱衍射理论再次计算高频复振幅分布，记为然后进行归一化处理得到优化后的高频复振幅分布，记为
其中，max|·|表示获取目标函数最大值的函数。最终的全息图的复振幅分布U(x,y)表示为：
将复振幅分布U(x,y)中的相位信息提取出来，得到纯相位全息图。
在全息重建过程中，将步骤三中生成的纯相位全息图加载在空间光调制器上，当空间光调制器被相干平行光照射时，可以重建出全息再现像。
本发明所提方法的优势在于：对于复杂的物体，基于高斯滤波器分离高频信息和低频信息，只有高频信息使用新型查找表法进行计算，而低频信息采用角谱法提升计算速度，在保证物体细节信息被完整重建的同时减少参与新型查找表法计算的点元数量，大幅提升全息图的计算速度。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法流程示意图。
附图2为本发明的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法和传统新型查找表法的计算时间对比示意图。
附图3为本发明的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法的重建效果图。
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高频信息提取的快速全息图生成方法的实施例，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：使用波长为532nm的准直光源作为相干光源，空间光调制器是反射式纯相位型空间光调制器，其像素间距和分辨率分别是6.4μm和1920×1080，可寻址灰度为256阶，相位调制能力是2π，刷新速度为60Hz。首先，使用一组分辨率分别为300×300、400×400、500×500和600×600的图片“花朵”作为被记录物体，重建距离为20cm。当使用传统的新型查找表法进行计算时，全息图的生成时间分别为617s、1096s、1709s和2456s，随着被记录物体分辨率的上升，计算时间大幅增加。当使用本发明的方法进行计算时，基于高斯滤波器提取出“花朵”的高频信息图像和低频信息图像，使用新型查找表法和角谱法分别计算高频全息图和低频全息图，相叠加并处理得到最终的纯相位全息图。最终的纯相位全息图的生成时间分别为211s、375s、570s和774s。计算时间对比如附图2所示。与传统的新型查找表法相比，计算速度分别提升了65.81％、65.79％、66.65％和68.49％。本发明的方法可以将全息图的生成速度提升60％以上，且随着图片分辨率的提高，速度提升更为显著。将“花朵”分辨率为600×600时本发明所计算的纯相位全息图加载到空间光调制器上，当再现光照射空间光调制器时，重建图像如附图3所示。结果表明本发明的方法可以实现重建图像的正确重建。
Claims (4)
1.一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法，其特征在于，该方法包括以下三个步骤：第一步，基于高斯滤波器对物体进行预处理，将物体的高频信息和低频信息分离，并得到相对应的高频图像和低频图像；第二步，用新型查找表法对高频图像进行计算，根据衍射理论生成每个像素点对应的子全息图，并叠加得到高频全息图，同时，用角谱法对低频图像进行计算，得到对应的低频全息图；第三步，将高频全息图和低频全息图的复振幅信息叠加，得到最终全息图的复振幅信息，并提取相位信息，得到纯相位全息图。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法，其特征在于，在步骤二中，使用新型查找表法对高频信息图像进行计算，将高频信息图像视为由一系列离散点组成，基于衍射理论，计算其中心条纹图案，通过平移和叠加原理计算其他点的条纹图案，从而生成高频全息图；高频全息图的复振幅分布UHF(x,y)如下式所示：
其中，N是图像点的数量，k和λ分别代表波数和波长，j为虚数单位；对于第i个点，Ai和分别是对应的振幅和相位信息，ri是全息平面上点(xi,yi,zi)和采样点(x,y,0)之间的距离；同时，使用角谱法对低频信息图像进行计算，基于角谱衍射理论计算得到低频全息图的复振幅分布ULF(x,y)表示为：
其中，和/>分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ALF是低频图像的振幅，fx和fy是x和y方向的空间频率，z是传播距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法，其特征在于，在步骤三中，通过叠加高频全息图和低频全息图的复振幅信息得到最终全息图平面上的复振幅信息；由于在计算过程中使用的原理不同，高频与低频全息图复振幅分布的幅值差异较大，导致高频和低频部分重建时亮度不均匀；为此，基于角谱衍射理论再次计算高频复振幅分布，记为然后进行归一化处理得到优化后的高频复振幅分布，记为
其中，max|·|表示获取目标函数最大值的函数；最终全息图的复振幅分布U(x,y)表示为：
将复振幅分布U(x,y)中的相位信息提取出来，得到纯相位全息图。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频信息提取的快速全息图生成方法，其特征在于，对于复杂的物体，基于高斯滤波器分离高频信息和低频信息，只有高频信息使用新型查找表法进行计算，而低频信息采用角谱法提升计算速度，在保证物体细节信息被完整重建的同时减少参与新型查找表法计算的点元数量，大幅提升全息图的计算速度。
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