一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法及其系统技术方案

本发明专利技术属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法及其系统。该显示系统利用CCD摄像机或计算机图形学的方法获取彩色目标物体的多视角二维图像，经预处理变换过程后生成一组适用于位相型全息图计算的目标图像；应用迭代傅里叶变换算法计算相应的位相型全息图，并分时地加载到空间光调制器上，同步控制电路控制红、绿、蓝三色光源同步顺序显示，在重构平面分时产生三个单色全息再现像，将相应的再现像像素定向衍射到像素型纳米光栅的固定的位置，形成不同的视点，得到多视角彩色再现像，实现真彩色三维立体显示。结合空间光调制器对全息图的快速刷新加载，实现目标物的多视角真彩色全视差动态全息三维再现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种彩色三维显示方法，具体涉及一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法及其系统，属于计算全息与三维显示领域。
技术介绍
随着显示技术以及计算机科学的迅速发展，人们对于医学成像、商业艺术、军事国防等方面的显示技术都提出了更高的要求。这些要求远远超出了当前二维(2D)显示的范畴，因此，真彩色三维(3D)显示已经成为现代信息社会的一种必然需求，是现代显示技术发展的重要目标。彩色全息三维显示作为一种近乎完美的成像技术，不仅能够提供几乎接近于真实世界的真彩色3D图像，还能提供所有视点上、所有距离上的3D视觉，其重构的景象几乎与原始的景物一样，是最具吸引力的真彩色3D表现形式。然而，目前构建的系统并不能满足真彩色3D显示所希望的质量和技术要求，彩色全息显示仍然面临着诸多挑战，其中亟待解决的关键问题是带给观察者3D体验的同时提供色彩体验。现阶段，学者们提出了很多种彩色全息显示的实现方法，大致可以分为两类，一类是传统全息应用全息干板实现的彩色信息显示，另一类是计算全息应用光调制器件承载全息图实现的彩色信息显示。传统全息方法是指利用全息记录与再现的原理，将三维物体的全部信息(包括振幅信息和位相信息)重现出来，实际上是一种三维物体波前重建的方法，能够提供逼真的彩色3D体验。彩色全息的目的是记录和再现彩色三维全息图像，具体涉及两个基本问题：三原色信息的获取和三原色信息的再现。但用含有三原色的激光替代单色激光作全息记录时，在同一张全息干板上得到的是三幅全息图，它们分别由红、绿、蓝激光相干而成，当用三色激光再现时，每一波长的激光将再现三幅不同大小和位置略有不同的全息图，三个波长的激光将再现九幅全息图，它们重叠在一起，图像显得模糊不清，这一现象称为色串扰，因此解决色串扰也是彩色全息的重要研究课题。针对这样两方面的问题，学者们开展了相关的研究工作。例如，1962年，苏联学者Denisyuk首先提出了反射式全息图。记录时，参考光波与物体信息从感光板的两侧射来，感光介质记录了物光波与参考光波的干涉光场，当用白光(点光源)以适当角度照射全息图时，观察者在照明光源同侧即可观察到彩色的物体信息。但是，其记录全息图的大小受到激光束大小的制约，在制作大面积全息图的应用中受到了限制，制约了其在实践中的应用推广。1969年Benton首先用二步法制成了彩虹全息图，彩虹全息是像全息与狭缝相结合的产物，在自然光下可以实现全息信息再现，其优点表现在白光再现、观察范围比较大、采取合适的记录光路可能有较大的能量利用率，不足之处是二步记录制作过程比较烦琐，而且由于两步记录，全息图的噪声较大。1978年美籍华裔学者陈选与杨正寰提出了一步彩虹全息术，利用透镜对物体和狭缝进行成像，放置全息干板于物体像与狭缝像之间，从光的传播来看，透过真实狭缝的物光波经透镜后与参考光进行干涉形成彩虹全息图，大大简化了制作过程，并且降低了噪声，但能量利用率较低，观察范围受成像透镜相对孔径的限制，且制作大体积物体需成本高昂的高质量大口径透镜，由于存在以上这些不足使得这一制作方法的实用范围有限。2010年Nature杂志报道了美国Blanche等在光折变聚合物中实现了刷新时间为2s的近实时动态全息显示成果，显示尺寸为4英寸×4英寸。其显示原理如下：将三维物体若干个视角的二维图片进行预处理得到的图片依次加载到空间光调制器上形成物光波，在记录介质上与参考光波干涉形成一个全息单元，称为Hogel。控制记录介质的移动进行下一幅图片的记录，依次进行下去就可以得到一幅由全息单元组成的全息体视图。读出光再现时会将三维物体若干个视角的图片再现出来，人眼观察时就会有立体感。引入擦除光后可将之前介质上记录的信息擦除，为下一幅图像的显示做准备。为了实现彩色全息三维显示，实验中使用了角度复用的方法，以不同的角度同时写入三幅全息图，并且用不同颜色的LED读出，最终可以实现彩色全息三维显示的效果。实际上，此类彩色全息的局限性最主要体现在记录介质为传统的光学记录介质，无法满足实时、动态的显示需求，因此极大地限制了其在显示方面的应用。计算全息方法是指应用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色激光作为光源，利用光调制器件承载全息图实现对激光的调制，进而实现彩色全息显示。其中，加载有全息图的空间光调制器作为一种全息光学元件，可以对激光进行振幅或者位相的调制，具有再现任意光场的潜力。这类彩色全息显示的优势体现在可以实现动态全息显示，同时又具有激光显示的优点，比如高光谱亮度、色域大、色饱和度丰富等。应用此类方法实现彩色全息显示，主要包括以下几种方式：时分复用、空分复用、空间划分和空间叠加。1.时分复用：红(R)、绿(G)、蓝(B)三色以一定的速率顺序显示，通过人眼的视觉暂留效应实现彩色信息显示。该方法要求承载三色信息的硬件有较高的响应速度，当速度达到一定程度后，人眼通过积分效应感觉到一个时间合成的彩色图像。基于时分复用方法的彩色全息显示系统结构简单，使用器件较少，特别是只需要一个信息承载介质器件即可实现彩色显示。但是它需要精确地保证单色光源的工作时间与加载对应颜色分量全息图时间的同步性。对于单色分量来说在时间轴上有一定的能量损失。同时，因为需要高速切换三个单色全息图合成彩色全息重构像，系统对于空间光调制器的响应时间也提出了较高的要求。例如，2011年王涛等构建的基于时分复用的彩色全息显示系统中使用了独立的RGB三色激光器作为光源，利用激光-空间光调制器同步控制装置控制分时照明与对应的全息图加载同步进行，最终利用CCD采集全息光电再现像，实现彩色全息显示。2.空分复用：采用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光源分别照明三个空间光调制器进行光学重构，并在重构平面实现三个单色全息再现像的合成。全息再现时，将计算得到的三个单色全息图同时加载到对应的空间光调制器上，驱动电路同时驱动三个空间光调制器工作，三色光源分别入射三个空间光调制器，最终的RGB三色全息再现像在空间进行配准合成，得到彩色全息再现像。基于空分复用方法的彩色全息显示系统具有更高的光学效率，并在色彩还原和分辨率等方面具有诸多优势，是彩色全息显示发展的一个重要方向。但需要指出的是这种方法构建的系统结构较复杂，采用的器件较多，比如需要使用三片空间光调制器，并且需要颜色合成元件对三色光进行合成，增加了系统的成本，而且系统中还存在三个单色全息再现像空间合成时的精确配准问题。例如，2012年王岳等建立的基于空分复用的彩色全息显示系统借鉴了商业投影仪的结构，三片硅基液晶(LCOS)呈U形排布，通过分光棱镜和合色棱镜的共同作用，实现彩色全息显示。3.空间划分：利用单片高分辨率的空间光调制器，将其划分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图，利用全息图衍射重现的特性在重构平面形成彩色全息再现像。基于空间划分方法的彩色全息显示系统虽然使用了较少的空间光调制器，但是却牺牲了红、绿、蓝三色全息图的分辨率，会对全息重构像的显示质量产生严重的影响。例如，2010年Michal Makowski等建立的基于空间划分的彩色全息显示系统中将单片空间光调制器等分为三片区域，计算得到三色分量全息图分别加载到对应的1/3区域，利用光阑的作用，使每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法，包括以下步骤：1).彩色三维目标物体多视角二维图像的获取步骤：利用摄像机扫描拍摄或者使用计算机图形学的方法获得彩色三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列；2).图像预处理变换步骤：将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R1,G1,B1；R2,G2,B2；…RN,GN,BN)，对三色分量图像进行重新分组可以得到一系列单色图像(R1,R2,…RN；G1,G2,…GN；B1,B2,…BN)，经过水平变换、竖直变换和像素排列处理后得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R物,G物,B物)；3).位相型全息图的获取步骤：将目标图像(R物,G物,B物)作为计算位相型全息图的数据源，根据衍射理论编程计算获得相应的位相型全息图；4).定向衍射屏(14)的设计与制作步骤：根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相应的像素型纳米光栅的周期和栅线取向，根据像素排列后得到的彩色像素分布来设计像素型纳米光栅的结构分布，利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏(14)；5).全息再现步骤：搭建以空间光调制器(9)为核心器件，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏(14)为定向分光器件的全息再现显示系统，使用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光源依次循环作为分时的再现光波，并以大于30次每秒的速率分时照明空间光调制器(9)，同时使用同步控制电路(12)控制驱动板(11)，将计算机(10)中已经计算好的全息图加载至空间光调制器(9)上，在全息再现像面(13)上放置定向衍射屏(14)，定向衍射屏(14)中的纳米光栅像素将对应的再现像像素衍射到固定的位置，形成不同的视点，通过人眼的视觉暂留效应实现彩色三维立体显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法，包括以下步骤：1).彩色三维目标物体多视角二维图像的获取步骤：利用摄像机扫描拍摄或者使用计算机图形学的方法获得彩色三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列；2).图像预处理变换步骤：将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R1,G1,B1；R2,G2,B2；…RN,GN,BN)，对三色分量图像进行重新分组可以得到一系列单色图像(R1,R2,…RN；G1,G2,…GN；B1,B2,…BN)，经过水平变换、竖直变换和像素排列处理后得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R物,G物,B物)；3).位相型全息图的获取步骤：将目标图像(R物,G物,B物)作为计算位相型全息图的数据源，根据衍射理论编程计算获得相应的位相型全息图；4).定向衍射屏(14)的设计与制作步骤：根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相应的像素型纳米光栅的周期和栅线取向，根据像素排列后得到的彩色像素分布来设计像素型纳米光栅的结构分布，利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏(14)；5).全息再现步骤：搭建以空间光调制器(9)为核心器件，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏(14)为定向分光器件的全息再现显示系统，使用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光源依次循环作为分时的再现光波，并以大于30次每秒的速率分时照明空间光调制器(9)，同时使用同步控制电路(12)控制驱动板(11)，将计算机(10)中已经计算好的全息图加载至空间光调制器(9)上，在全息再现像面(13)上放置定向衍射屏(14)，定向衍射屏(14)中的纳米光栅像素将对应的再现像像素衍射到固定的位置，形成不同的视点，通过人眼的视觉暂留效应实现彩色三维立体显示。2.根据权利要求1所述的一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法，其特征在于：所述的步骤1)中摄像机扫描拍摄可以使用单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物，也可以由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。3.根据权利要求1或2所述的一种基于时分复用的彩色全息三维显示方法，其特征在于：所述的步骤2)中图像预处理变换过程分为五个步骤，第一步将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R1,G1,B1；R2,G2,B2；…RN,GN,BN)，第二步进行重新分组可以得到一系列单色图像(R1,R2,…RN；G1,G2,…GN；B1,B2,…BN)，第三步进行水平方向的变换，第四步进行竖直方向的变换，而在水平变换和竖直变换之前，对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维图像阵列，维数为I×J，每一幅图像编号为Xij,i(＝1,2,...,I)对应水平方向的位置，j(＝1,2,...,J)对应垂直方向，每一幅图像Xij维数相同，为M×N，即图像的像素数为M×N，在水平方向变换过程中，将水平方向维数为M的Xij以向量的方式表示为Xij＝(xij1,xij2,.xijk..,xijM)，其中向量xijk是一个N阶向量，表示图像矩阵Xij中第k列像素，从(xij1,xij2,.xijk..,xijM)...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏衍峰，吴建宏，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32