一种基于体全息存储技术的三维全息显示方法

摘要

一种基于体全息存储技术的三维全息显示方法，涉及图像的存储及三维显示方法。本发明为了解决现有的全息照相技术源图像无法数字化处理、复用存储幅数少、幅面的远场成像数据处理困难的问题和数字全息技术存在的高分辨率全息再现的实时性有限的问题。本方法利用CCD对不同视角的物体或环境进行成像，并根据需要进行修饰或处理，而后将这些图像根据特定算法进行分割，再重新组合成新的页面，利用体全息存储光路以位移复用技术将这些页面记录到介质的点或线中，即可以实现三维立体再现。本发明适用于物体的三维显示。

说明书

技术领域

本发明涉及图像的存储及三维显示方法。

背景技术

传统的三维成像技术是采用二维屏幕显示合成图像或动态的二维图像，利用人眼的双 目视差(或视觉暂留效应)表现三维效果，如采用电子开关、变换波长或偏振原理构建的 立体眼镜，从多个角度获取物体的二维图像而后在不同视窗输出相应图像的多视图立体显 示器，以及采用透镜阵列制造双目视差的透镜阵列立体显示器等。但这些成像方式只有心 理景深，缺乏真正意义上的三维呈现。理想的三维成像技术应提供所有视点、距离上的深 度感知，无需借助任何辅助装置就可以在全视景、多角度下观察到真实的三维影像，使三 维物体表现出既有心理景深，又有物理景深。光学全息技术由于能够记录物体的相位信息， 因此再现像有明显的视差特性，被认为是最为理想的三维成像技术。

基于全息原理的三维成像技术目前主要有两种，一种是DennisGabor全息照相技术， 其原理是将物体发射或散射的光场信息与扩束后的参考光束在全息干板上干涉，而后利用 衍射方法实现三维再现。这种记录方式使记录介质的每一个点均记录下物体的信息，因而 具有很高的存储冗余度；采用角度复用技术，可以在同一介质上记录多幅全息图，但受到 存储介质选择性的限制，其记录幅数少，且整个幅面的远场成像也给数据处理带来困难。 另一种是数字全息技术，该技术通过计算机产生全息图，克服了记录介质和实际景物成像 对于光学全息记录的限制，但形成一幅全息图需要计算大量的信息，导致高分辨率全息再 现的实时性下降或以牺牲分辨率作为代价。

发明内容

本发明为了解决现有的全息照相技术源图像无法数字化处理、复用存储幅数少、幅面 的远场成像数据处理困难的问题和数字全息技术存在的高分辨率全息再现的实时性有限 的问题。

一种基于体全息存储技术的三维全息显示方法，包括以下步骤：

步骤一、待存储图像的处理：

步骤1、将待存储(显示)图像进行分割：

(1)如果图像是一维扫描拍摄得到的n幅图像：

步骤1.1.1、将n幅图像依次编号为1至n；然后按照扫描的方向将每一幅图像平均分 成n个条块，如图1(A)所示；

步骤1.1.2、第1幅图像的n个条块分别记为1₁，1₂，…，1_n，第2幅图像的n个条块分别 记为2₁，2₂，…，2_n，依次对每一幅图像的条块进行标记，直至第n幅图像的n个条块分别记 为n₁，n₂，…，n_n；

(2)如果图像是二维扫描得到的n幅图像(根据二维扫描得到的n幅图像的特性，n 为合数)：

步骤1.2.1、将n幅图像依次编号为1至n，n＝m×p，m、p是整数且m、p均大于1； 按照从左至右、从上之下的顺序将n幅图像排列成m行p列，构成m行p列的图像阵列， 即将n幅图像排列成m行p列；

步骤1.2.2、将每一幅图像平均分成m×p个条块，即m行p列个条块；

步骤1.2.3、针对第1幅图像的m行p列个条块，依次将条块按条块所在位置编号， 将第1幅图像按条块分割；

步骤1.2.4、针对编号为1至n的n幅图像，按照步骤1.2.3将每幅图像按条块进行分 割；

以6幅图像为例，其分割方法如图2(A)所示，即每幅图像的分割数应为图像总数；

步骤2、将待存储(显示)图像进行重组：

(1)如果是一维扫描拍摄得到的图像分割的n个条块：

步骤2.1.1、则将n幅图像的第一个条块提取出来，并按照图像编号的逆向顺序将n 幅图像的第一个条块进行排列，组成第一幅新图像，即n₁，…，3₁，2₁，1₁；

步骤2.1.2、按照步骤2.1.1的操作，将n幅图像的第二个条块重新组成第二幅新图像；

以此类推，直至将n幅图像第n条块依次重新排列，组成第n幅新图像；

重新得到n幅图像，如图1(B)所示；

(2)如果是二维扫描拍摄得到的图像分割的m×p个条块：

步骤2.2.1、将m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第1列分割位的条块提取出来， 并按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m 行p列，重新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列图像阵列的 第1行第1列；

步骤2.2.2、将m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第2列分割位的条块提取出来， 并按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m 行p列，重新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列的图像阵列 的第1行第2列；

步骤2.2.3、按照步骤2.2.1和步骤2.2.2的操作，依次类推，将m×p幅图像中的每一 幅图像的第i行第j列分割位的条块提取出来，i＝1,2，…，m，j＝1,2，…，p，并按照图像编 号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m行p列，重 新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列的图像阵列的第i行第j 列；

以6幅图像为例，见图2(B)；

步骤二、图像的存储与三维图像再现：

对于步骤一中分割并重组后的新图像作为图像源，采用体全息存储光路以位移复用技 术进行记录并再现。

复用技术是体全息记录领域的通用称呼，分为位移复用，角度复用，波长复用等复用 方式，位移复用就是移动一下就记录一下，让记录位置发生改变，角度复用就是角度变化 一下就记录一下；该发明里的位移复用就是记录一幅图像就改变一下位置再记录另一幅图 像，如果是一维分解的图像，记录的时候也是一维方向移动，如果是二维分解的图像，就 在记录介质上二维移动，记录的顺序应该与图像组合分布的顺序一致。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用体全息存储技术，记录图像的过程避免了传统方法物体散射光与参考光干 涉衍射效率低，以及记录介质各点都需要多次角度复用而导致的动态范围降低的问题。本 发明方法的源图像由于采用CCD等成像器件进行采集，可以对待记录图像预先进行修饰 和调整，并可以对记录介质的点或线进行独立操作，从而实现了图像源、存储过程、再现 处理的操作灵活性，使幅面的远场成像数据处理比较简单。并且体全息存储技术通过将物 光会聚到一个很小的区域内与参考光干涉，并在一定厚度的材料内记录，因此具有存储容 量大、数据传输快等特点。体全息存储技术基于布拉格选择性原理的角度复用选择性是传 统面存储技术的10倍以上，因此可以使存储介质的记录幅数大幅增加。

本发明并不是采用依靠计算机对图像处理的数字全息技术，所以相比数字全息技术节 省了大量的计算时间，尤其是在高分辨率全息再现时，本发明不仅不需要大量的计算时间 而且高分辨率全息再现的实时性好；同时由于本发明采用的是存储介质记录信息，相比数 字全息技术的存储方式移动性好，图像的再现方便。

附图说明

图1(A)为一维扫描拍摄得到的n幅图像的分割示意图；

图1(B)为一维扫描拍摄得到的n幅图像分割后的重组示意图；

图1(C)为一维扫描拍摄得到的n幅图像分割重组后的位移复用记录顺序示意图；

图2(A)为二维扫描拍摄得到的n幅图像的分割示意图；

图2(B)为二维扫描拍摄得到的n幅图像分割后的重组示意图；

图3为进行位移复用的光路示意图；

图4为实施例中原始三维物体效果图；

图5(A)为实施例中进行三维全息显示的三维物体效果图；

图5(B)为实施例中进行三维全息显示的三维物体效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本方法利用CCD对不同视角的物体或环境进行成像，针对成像后 的图像，进行基于体全息存储技术的三维全息显示；

一种基于体全息存储技术的三维全息显示方法，包括以下步骤：

步骤一、待存储图像的处理：

步骤1、将待存储(显示)图像进行分割：

(1)如果图像是一维扫描拍摄得到的n幅图像：

步骤1.1.1、将n幅图像依次编号为1至n；然后按照扫描的方向将每一幅图像平均分 成n个条块，如图1(A)所示；

步骤1.1.2、第1幅图像的n个条块分别记为1₁，1₂，…，1_n，第2幅图像的n个条块分别 记为2₁，2₂，…，2_n，依次对每一幅图像的条块进行标记，直至第n幅图像的n个条块分别记 为n₁，n₂，…，n_n；

(2)如果图像是二维扫描得到的n幅图像(根据二维扫描得到的n幅图像的特性，n 为合数)：

步骤1.2.1、将n幅图像依次编号为1至n，n＝m×p，m、p是整数且m、p均大于1； 按照从左至右、从上之下的顺序将n幅图像排列成m行p列，构成m行p列的图像阵列， 即将n幅图像排列成m行p列；

步骤1.2.2、将每一幅图像平均分成m×p个条块，即m行p列个条块；

步骤1.2.3、针对第1幅图像的m行p列个条块，依次将条块按条块所在位置编号， 将第1幅图像按条块分割；

步骤1.2.4、针对编号为1至n的n幅图像，按照步骤1.2.3将每幅图像按条块进行分 割；

以6幅图像为例，其分割方法如图2(A)所示，即每幅图像的分割数应为图像总数；

步骤2、将待存储(显示)图像进行重组：

(1)如果是一维扫描拍摄得到的图像分割的n个条块：

步骤2.1.1、则将n幅图像的第一个条块提取出来，并按照图像编号的逆向顺序将n 幅图像的第一个条块进行排列，组成第一幅新图像，即n₁，…，3₁，2₁，1₁；

步骤2.1.2、按照步骤2.1.1的操作，将n幅图像的第二个条块重新组成第二幅新图像；

以此类推，直至将n幅图像第n条块依次重新排列，组成第n幅新图像；

重新得到n幅图像，如图1(B)所示；

(2)如果是二维扫描拍摄得到的图像分割的m×p个条块：

步骤2.2.1、将m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第1列分割位的条块提取出来， 并按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m 行p列，重新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列图像阵列的 第1行第1列；

步骤2.2.2、将m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第2列分割位的条块提取出来， 并按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m 行p列，重新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列的图像阵列 的第1行第2列；

步骤2.2.3、按照步骤2.2.1和步骤2.2.2的操作，依次类推，将m×p幅图像中的每一 幅图像的第i行第j列分割位的条块提取出来，i＝1,2，…，m，j＝1,2，…，p，并按照图像编 号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下依次排列成m行p列，重 新构成一幅新图像；并将这幅重新构成的新图像排列在m行p列的图像阵列的第i行第j 列；

以6幅图像为例，见图2(B)；

步骤二、图像的存储与三维图像再现：

对于步骤一中分割并重组后的新图像作为图像源，采用体全息存储光路以位移复用技 术进行记录并再现。

复用技术是体全息记录领域的通用称呼，分为位移复用，角度复用，波长复用等复用 方式，位移复用就是移动一下就记录一下，让记录位置发生改变，角度复用就是角度变化 一下就记录一下；该发明里的位移复用就是记录一幅图像就改变一下位置再记录另一幅图 像，如果是一维分解的图像，记录的时候也是一维方向移动，如果是二维分解的图像，就 在记录介质上二维移动，记录的顺序应该与图像组合分布的顺序一致。

具体实施方式二：

本实施方式的步骤1.2.3所述的依次将条块按条块所在位置编号，将第1幅图像按条 块分割的步骤如下：

针对第1幅图像的m行p列个条块，依次将条块按条块所在位置编号1_ij， i＝1,2，…，m；j＝1,2，…，p；1_ij表示第1幅图像的第i行第j列的条块；

将第1幅图像按条块分割为以下形式：$\begin{array}{cccc}{1}_{11}& 1_{12}& \mathrm{...}& 1_{1p}\\ 1_{21}& 1_{22}& \mathrm{...}& 1_{2p}\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ 1_{m1}& 1_{m2}& \mathrm{...}& 1_{mp}\end{array}.$

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式步骤2.2.1所述将m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第1列分割位的 条块提取出来并按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到下 依次排列成m行p列的具体步骤如下：

提取第一幅图像的第1行第1列分割位的条块1₁₁，提取第二幅图像的第1行第1列分 割位的条块2₁₁，依次类推将n＝m×p幅图像中的每一幅图像的第1行第1列分割位的条 块提取出来；然后按照图像编号的逆向顺序将m×p幅图像的条块按照从左至右、从上到 下依次排列成m行p列，即$\begin{array}{cccc}{[m·p]}_{11}& \mathrm{...}& {[(m-1)·p+2]}_{11}& {[(m-1)·p+1]}_{11}\\ {[(m-1)·p]}_{11}& \mathrm{...}& {[(m-2)·p+2]}_{11}& {[(m-2)·p+1]}_{11}\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ p_{11}& \mathrm{...}& 2_{11}& 1_{11}\end{array}.$

其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式步骤二所述采用体全息存储光路以位移复用技术进行记录的具体步骤如 下：

让激光器1发出的光束经过偏振扩束装置2扩束后，利用分光棱镜3将光束分成两束；

一束光经过1/4波片4后，照射到SLM5(空间光调制器)上，并加载SLM5上的重 组后的新图像信息，记为物光；物光返回后经过1/4波片4和分光棱镜3，令物光经过第 一反射镜6和第一透镜7后垂直照射存储介质8；

另外一束光记为参考光；令参考光经过第二反射镜9和第二透镜10后以入射角15° —60°照射到存储介质8上；

令垂直照射存储介质8的物光和以入射角15°—60°照射到存储介质8上的参考光在 存储介质8内部产生干涉；

以上光路构成体全息存储光路，如图3所示；

利用上述体全息存储光路将存储介质内发生干涉后的信息存储记录在存储介质8上； 存储过程采用位移复用；存储介质8可选用聚合物、液晶、无机晶体等薄层材料；

若重组后的新图像信息是一维扫描分割、重组后的新图像，即采用步骤2.1.1-步骤2.1.2 重组后的新图像，第一透镜7和第二透镜10为柱透镜；物光相对记录介质垂直入射，物 光和参考光的干涉位为线形，通过一维移动记录介质，利用位移复用技术完成整块材料的 复用记录，每移动一次记录介质需要更新SLM的重组图像，移动记录顺序为重组新图像 的顺序；记录后的信息位如图1(C)所示；

若重组后的新图像信息是二维扫描分割、重组后的新图像，即采用步骤2.2.1-步骤2.2.3 重组后的新图像，第一透镜7和第二透镜10为圆透镜或傅里叶透镜；物光相对记录介质 垂直入射，物光和参考光的干涉位为点，通过二维移动记录介质，利用位移复用技术完成 整块材料的复用记录，每移动一次记录介质需要更新SLM的重组图像；移动记录顺序及 变更图像必须与m×p的重组后的新图像顺序一致。

其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式的步骤二所述采用体全息存储光路以位移复用技术进行再现的具体步骤 如下：

利用所述体全息存储光路，遮挡住物光光束，同时移走参考光光路中的第二透镜(10)， 使参考光直接入射到存储介质(8)的整个幅面，则在原物光透射方向上能够显示出原始 图像的三维全息图，即待存储图像的三维全息图。

其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例

以一个模拟的三维茶壶为研究对象，如图4所示，在横向一维方向上以2°为角间隔， 依次采集了80幅二维图片。采用图1(A)、(B)、(C)所介绍的一维图像分割和重组方 案，得到了重组后的80幅图像。

利用图3所示的记录光路，记录条件为：两束记录光夹角为35°，光束功率为2.5mw， 记录介质采用厚度为300微米、幅面为2cm×2cm的丙烯酰胺光致聚合物，一维位移复用 为126微米，各幅图像记录的曝光时间为2秒。我们将80幅图像依次记录到记录介质内， 完成了图像记录。此后，采用该光路，遮挡物光，去除参考光光路中的柱透镜，在物光透 射方向上观察到茶壶的三维全息图。图5(A)和(B)是两个方向看到的茶壶像，可以 明显看到相位区别。

由于实验条件限制，本实验仅采用了80幅图像的分割记录，所以分辨率略低。本发 明中图像分割数越大，分辨率越高。