实时绘制并生成计算机生成视频全息图的方法技术

从有深度信息的三维图像数据中实时绘制并且产生计算机生成视频全息图的方法，其中，观察者（Ｖ）的位置和观察者视线确定景象（３Ｄ－Ｓ）的视图，并且观察者分配有至少一个虚拟观察者窗口（ＶＷ），该虚拟观察者窗口处于观察着眼睛附近的观察平面中（ＶＰ），包含以下步骤：步骤（１）：３Ｄ绘制和两平行截面间景象截面数据的深度图的产生，该两平行截面设置成与观察者的观察方向成直角，步骤（２）：景象截面数据的转换，即，光波向观察者窗口传播的计算。步骤（３）：３Ｄ绘制和转换步骤的重复，将单独转换的结果进行加和，步骤（４）：回归转换，汇集数据从观察面转换到全息面，以便产生全息数据，步骤（５）：为了重建三维景象，在像素值中编码，各个过程步骤通过一个或多个图形处理器在图形子系统上执行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种从有深度信息的三维图像数据中实时绘制并且生成计算机生成视频全息图CGVH的方法。关于绘制过程，本专利技术涉及3D绘 制管线或者图形管线，其描述了从三维景象的矢量、数学描述到显示器屏 幕像素图像的运算法则。三维图像数据包含深度信息，通常也包含关于材 料和表面性能的附加信息。关于全息图数据的生成，本专利技术涉及景象分段 转换，转换中描述了光波的传播。在三维对象或者三维景象的全息重建过 程中，光波前通过相干光波的干涉和叠加产生。经典的全息图用摄影术或者另一种适当的干涉图形式的方法存储，与 经典全息图不同，计算机生成视频全息图CGVH作为从三维景象序列获 得的全息数据的计算结果的形式存在并且以电子方式存储。已调制光能够 在观察者眼前的区域以可控制振幅和相位值的光波前的形式产生干涉传 播，上述的光波前因此重建三维景象。通过控制有视频全息图的全息值的 空间光调制器SLM产生在像素中调制并且从显示屏中发出的波场，以按 需要通过在重建空间中产生干涉来重建三维景象。全息显示装置典型地包含通过电子影响照明光的振幅以及/或者相位 重建对象点的可控制像素安排。这样的安排形成空间光调制器SLM或者， 更为普遍地，形成光调制器装置。显示装置可选择地为连续型而非矩阵型。 例如，其可以是连续的空间光调制器SLM，包括有矩阵控制的连续空间 光调制器SLM或者声光调制器AOM。液晶显示器LCD作为这种通过光 图样的空间振幅调制的方式重建视频全息图的适宜显示装置的例子。然 而，本专利技术也可以应用于其他使用干涉光调制光波前的可控制装置。在本专利文件中，术语"像素"指空间光调制器SLM中的可控制全 息像素；像素通过全息点的离散值单独地寻址和控制。每一个像素表示视频全息图的一个全息点。在液晶显示器LCD中，术语"像素"因此用于显示屏的可单独寻址图像点。在DLP中，术语"像素"用于个别微反射 镜或者小微反射镜群。在连续的空间光调制器SLM中，"像素"是表示复 杂全息点的空间光调制器SLM的过渡区。术语"像素"因此通常指能够 表示或者显示复杂全息点的最小单元。
技术介绍
电脑生成视频全息图可以例如应用WO 2004/044659号专利文件中申 请人已经说明的全息显示装置进行重建。观察者通过至少一个比眼睛瞳孔 大的虚拟观察者窗口看向显示屏。"观察者窗口"是有限的虚拟区域，通过该区域观察者可以有足够的 可见度观察到整个三维景象的重建。观察者窗口位于观察者眼睛上或者在 观察者眼睛附近。观察者窗口可以在X、 Y和Z方向移位。在观察者窗口 中，波场干涉使得观察者可以看到重建对象。窗口位于观察者眼睛附近并 且在已知的位置检测和跟踪系统的帮助下可以跟踪到真实的观察者位置。 因此它们最好被限制到仅仅略大于眼睛瞳孔的大小。可以使用两个观察者 窗口，每一只眼睛用一个。通常，也可能存在更复杂的观察者窗口安排。 进一步可能的是编码包含对观察者来说出现在空间光调制器SLM后方的 对象或者整个景象的视频全息图。术语"转换"应解释为包括任何与转换相同或近似的数学或者计算技 术。数学景象的转换仅仅是物理过程的逼近，可以通过麦克斯韦 (Maxwellian)波动方程更加精确地描述。像菲涅耳(Fresnel)转换或者 特殊群转换这些被认为是傅里叶(Fourier)转换的转换描述了二阶逼近。 转换通常用代数或者非微分方程表示，因此转换可以应用公知的计算装置 被有效并且高性能地处理。此外，它们可以在光学系统中精密使用。由申请人提交的WO 2006/066919号专利文件说明了一种计算计算机 生成视频全息图的方法。根据这种方法，具有三维景象的复杂振幅值的目 标被分配到平行虚拟截面层的矩阵点，使得对每一个截面层来说，单独的目标数据集由矩阵点中的离散振幅值定义，并且全息显示装置的光调节矩 阵的全息编码由图像数据集计算得到。根据本专利技术，目标解决方案利用这样的总体思路，即，以下步骤借助 计算机执行以波场的分别的二维分布的形式从每一个断层景象截面的目标数据 集为观察者平面计算衍射图，上述观察者平面处于距截面层有限的距离并 且与截面层平行，其中为至少一个普通的虚拟窗口、处于观察者眼睛附近 的观察者平面中的观察者窗口计算所有截面的光场，上述的观察者窗口区 域小于视频全息图；将所有计算的截面层分布加起来在相对于观察者窗口 参照的数据集中为观察者平面形成汇集波场；将参考数据集转换成处于距参考面有限距离并且与参考面平行的全 息面，以便产生景象的汇集计算机生成全息图的全息数据集，光调制器矩 阵处于全息平面内，并且在编码以后、在上述光调制器矩阵的帮助下、景 象在观察者的眼睛前方的空间重建。上述方法和全息显示装置是基于这样想法，即景象目标本身不重建， 而是最好在一个或者多个观察者窗口中重建将由目标发出的波前。观察者可以通过虚拟观察者窗口观察景象。虚拟观察者窗口可以在公 知的位置检测和跟踪系统的帮助下跟踪到真实的观察者位置。虚拟的、平 截头形的重建空间在全息显示装置的光调制装置和观察者窗口之间延伸，空间光调制器SLM表示基部和观察者窗口平截头的顶部。如果观察者窗口非常小，平截头可以近似成为棱锥体。观察者通过虚拟观察者窗口朝向 显示器观察并且在观察者窗口中接收表示景象的光波前。专利技术目的本专利技术的目的是提供一种从有深度信息的三维图像数据中实时产生 视频全息图的方法。具体说，会使用如今市售的例如用于显卡和游戏机中 的图形处理器和图形子系统。关于硬件、软件和程序界面的已建立的行业 标准会在没有限制通用性的情况下使用。
技术实现思路
下面对本专利技术方法的总体思路进行说明，不详细叙述可能的优化。本 方法基于有深度信息的三维图像数据。该信息例如采用顶点、法向矢量和 矩阵形式的三维描述来说是可用的。图像数据通常含有关于材料和表面性 能等的附加信息。实时绘制时，3D绘制管线或者图形管线说明了为显示在显示屏幕上 而从三维景象的矢量、数学描述到帧缓冲中的像素化图像数据的路径。例 如，屏幕坐标到装置坐标的转换，在管线中完成材质贴图、裁切和反锯齿。 表示三维景象的二维投影、并且存储在图形适配器的帧缓冲中的像素画图 像含有监视器屏幕、例如LCD液晶显示器的可控制像素的像素值。为了获得全息再现，对能够产生干涉的光进行相位以及/或者振幅调 制，并且三维景象在叠加光波产生的衍射图的帮助下重建。图形管线同样用于从有深度信息的三维图像数据中产生视频全息图 的第一个过程步骤中。接下来，全息数据的产生基于景象的转换，其中转 换描述了光波的传播。回归转换之后，执行编码过程，该过程中复杂全息 值转换成为全息显示装置的一个或者多个光调制器的像素值。本专利技术基于这样的想法，S卩， 一方面3D绘制过程、另一方面全息转 换、回归转换和编码过程，这两个过程组没有在图形处理器和运算处理器 上分别实现，但是，这两个过程组可以在一个或多个图形处理器上实现。 所有过程步骤的全部实现用图形子系统完成，图形子系统主要包含图形处 理器的主要部件、存储介质以及接口。根据本专利技术，目的最好是利用与运 算处理器相比当今市售的图形处理器的高性能。此外，可以省略图形子系 统和其它外接口之间的复杂数据传输。现在，对上述的过程步骤将进行如下详细说明。三维景象的视图通过 观察者的位置和观察方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
从有深度信息的三维图像数据中实时绘制并且产生计算机生成视频全息图的方法，适用于包含光调制器装置（ＳＬＭ）并且主要将目标发出的波前重建到观察者眼睛的全息显示装置（ＨＡＥ），其中，观察者的位置和观察方向确定景象（３Ｄ－Ｓ）的视图并且观察者分配有至少一个虚拟观察者窗口（ＶＷ），虚拟观察者窗口处于观察者眼睛附近的观察平面中，，在准备步骤中考虑观察者的观察方向使景象坐标发生转换并且进行景象照度计算，包含以下步骤：　步骤（１）：３Ｄ绘制和两平行截面间景象截面数据的深度图的产生，该两 平行截面设置成与观察者的观察方向成直角，　步骤（２）：景象截面数据的转换，即，光波向观察者窗口传播的计算。　步骤（３）：３Ｄ绘制和转换步骤的重复，同时在观察方向上连续移置截面，直到整个景象转换，并且将单独转换的结果进行加和，　 　步骤（４）：回归转换，汇集数据从观察面转换到与光调制器方法（ＳＬＭ）的位置一致的全息面，全息面位于最远端并且与观察面平行，以便产生视频全息的全息数据，　步骤（５）：编码，为了重建三维景象，标准化步骤之后计算像素值并且在帧缓冲中转移 ，　各个过程步骤通过一个或多个图形处理器在图形子系统上执行。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大史威特纳，
申请(专利权)人：视瑞尔技术公司，
类型：发明
国别省市：LU[卢森堡]