用于生成计算全息图的方法和系统技术方案

本公开提供了一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。本公开还提供了一种用于生成计算全息图的方法和系统。

【技术实现步骤摘要】
用于生成计算全息图的方法和系统
本公开涉及全息图像
，特别地，涉及一种用于生成计算全息图的方法和系统。
技术介绍
全息显示技术分为传统的光学全息和运用数字计算机去模拟、运算、处理各种光学过程的计算全息。传统的光学全息是利用光的干涉原理，通过引入一个与物光波相干的参考光波与物光波干涉，将物光波中的相位和振幅信息以干涉条纹的形式记录在某种介质上，然后，利用光波衍射原理，再现原始物光波后形成原物体的3D图像。然而，光学全息术需要非常稳定的光学系统(例如，无振动，无噪声等)以及具有高度相干性和高强度的光源，从而大大限制了其应用范围。为此，人们开始研究用计算机模拟运算的计算全息术。计算全息图的制作和再现过程主要分为以下五个步骤：第一、抽样，得到物体或波面在离散样点上的值；第二、计算，计算物光波在全息平面上的光场分布；第三、编码，把全息平面上光波的复振幅分布编码成为全息图的透过率变化；第四、成图，在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成图，如果绘图设备分辨率不够，则绘制一个较大的图，再缩版得到使用的全息图；第五、再现，这一步与光学全息图的再现相同。计算全息和光学全息相比具有噪声低、可重复性好以及可以获得虚拟物体的全息图等显著特点。在观察真实物体时，观察到的一般是物体表面的反射光，大部分表面材质对光线的反射具有明显的各向异性。这样，在实际观察时，在不同的观察视角，表面各点的亮度将呈现与材质对应的变化。然而，在目前的计算全息术中，实体物体或虚拟物体的三维模型被抽样为离散化的多个体素，仅有表面的亮度信息会被保留下来，模型表面的纹理细节信息被丢弃。即，体素仅是一个具有一定亮度的点。这样，在计算全息图的生成过程中，物体的各个体素的发光强度的各向异性并没有体现出来。因此，当从不同的角度观察再现的全息像时，各个体素的亮度几乎没有变化，与实际观察的物体具有明显的差异。
技术实现思路
为了解决上述问题的至少一个方面，本公开提供一种用于生成计算全息图的方法和系统，该方法和系统在生成计算全息图的过程中考虑了物体的体素在不同方向观察时亮度的各向异性，从而使得计算全息再现像更加接近真实物体。根据本公开的一个方面，提供一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。根据一些实施例，基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据从该体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出。根据一些实施例，各个体素的物光波在全息平面上的光场分布由各个体素的物光波在全息平面上的复振幅表示，并且，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布的步骤包括：计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的结果。根据一些实施例，一个体素的物光波在全息平面上的光场分布根据如下公式计算：其中，U(AP)表示体素A的物光波在全息平面内的点P处的复振幅，θ表示该体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素A在方位角θ处的发光特性，a表示该体素A的物光波的初始振幅，r为该体素A至点P的距离，k为波矢量。根据一些实施例，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向的值。根据一些实施例，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。根据一些实施例，当所述对象为实体三维模型时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性通过实际测量的方式根据如下公式计算：其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，θ0、θ1、……θn-1、θn分别表示各次实际测量时对应的方位角，l1、l2、……ln分别表示各次实际测量时获得的发光特性值。根据本公开的另一方面，提供一种用于生成计算全息图的方法，包括：计算步骤：根据上述实施例任个所述的方法计算三维模型的各个体素的物光波在由空间光调制器的多个像素形成的全息平面上的光场分布；编码步骤：将计算出的所述全息平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；和成图步骤：在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成全息图。根据本公开的又一方面，还提供一种用于生成计算全息图的系统，包括：建模模块，该建模模块被构造为对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；发光特性确定模块，该发光特性确定模块被构造为确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和光场分布计算模块，该光场分布计算模块被构造为基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，该发光特性确定模块具体被构造为：根据从一个体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出该体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。根据一些实施例，该光场分布计算模块具体被构造为：计算各个体素的物光波在全息平面上的复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。

【技术特征摘要】
1.一种用于在生成计算全息图的过程中计算光场分布的方法，包括：对待生成全息图的对象进行三维建模，以获得该对象的三维模型；确定该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；和基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性，计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布。2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于建立的三维模型，通过双向反射分布函数(BRDF)计算该三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；或者，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，通过数学模型计算该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性；或者，当所述对象为实体三维模型时，通过实际测量的方式确定该对象的三维模型的各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据从该体素辐射出的光波的复振幅的幅度和该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角计算出。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，各个体素的物光波在全息平面上的光场分布由各个体素的物光波在全息平面上的复振幅表示，并且，基于各个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性计算各个体素的物光波在全息平面上的光场分布的步骤包括：计算各个体素的物光波在全息平面上的复振幅加权相应的体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性的结果。5.根据权利要求4所述的方法，其中，一个体素的物光波在全息平面上的光场分布根据如下公式计算：其中，U(AP)表示体素A的物光波在全息平面内的点P处的复振幅，θ表示该体素A在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素A在方位角θ处的发光特性，a表示该体素A的物光波的初始振幅，r为该体素A至点P的距离，k为波矢量。6.根据权利要求2或5所述的方法，其中，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，L(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度，BRDF(0)和BRDF(θ+α)分别表示根据BRDF函数计算出的沿0°和(θ+α)°反射方向的值。7.根据权利要求2或5所述的方法，其中，当所述对象由表面辐射的物理机理已知的材料构成时，一个体素在待形成的全息图的视角范围内的各个方位角处的发光特性根据如下公式计算：其中，θ表示该体素在待形成的全息图的视角范围内的方位角，α表示光源在待形成的全息图的视角范围内的方位角，上(θ)表示该体素在方位角θ处的发光特性，L0表示光源方向的辐射强度。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：石炳川，
申请(专利权)人：京东方科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11