一种用于实时计算视频全息图的分析方法 |
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| 申请号 | CN200880016106.3 | 申请日 | 2008-05-16 | 公开(公告)号 | CN101681143B | 公开(公告)日 | 2013-05-01 |
| 申请人 | 视瑞尔技术公司; | 发明人 | 亚历山大·史威特纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于为具有至少一个光调制装置(SLM)的全息重建装置(HAE)计算视频全息图的分析方法，其中被分为物点(OP)的场景(3D-S)编码为整个全息图(H∑SLM)，且可以作为从位于重建的视频全息图的一个周期性区间内的可见区(VR)看到。可见区域(VR)连同要重建的场景(3D-S)的每个物点(OP)一起形成亚全息图(SH)，整个全息图(H∑SLM)由亚全息图(SH)的 叠加 产生，其中亚全息图(SH)的复全息值由在光调制装置的调制区(MR)的重建的各个物点(OP)的波阵面通过对在调制区(MR)中形成的成像元件(OS)的透射函数或调制函数进行计算和分析而确定。要重建的物点(OP)位于成像元件的焦点上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种为具有至少一个光调制装置(SLM)的全息显示装置(HAE)计算视频全息图的分析方法， |
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| 说明书全文 | 一种用于实时计算视频全息图的分析方法[0001] 本发明涉及一种用于为全息显示装置实时计算视频全息图的分析方法。 [0002] 这样的全息显示装置实质上基于以下原理：亚全息图由要重建的场景的每个物点一起形成，并且整个全息图借助于至少一个光调制装置由亚全息图叠加形成，在光调制装置上将被分成物点的场景编码成整个全息图，并且场景可以作为重建从位于视频全息图的重建的一个周期性区间内的可见区看到。大体上，此原理是主要重建将由物体发射到一个或多个可见区的波阵面。具体地，这样的装置基于这样的原理：重建单个物点仅需要亚全息图作为在光调制装置上编码的整个全息图的子集。全息显示装置包含至少一个屏幕装置(screen means)。屏幕装置是编码场景的全息图的光调制器本身，或者是在光调制器上编码的场景的全息图或波阵面成像到其上的光学元件，如透镜或反射镜。 [0003] 申请人提出的其他文件中已说明了可见区中屏幕装置的定义和相应的场景再现的原理。第WO 2004/044659号和第WO 2006/027228号专利文件中，光调制器本身形成了屏幕装置。在名称为“用于场景的全息重建的投射装置和方法”的WO 2006/119760号专利文件中，屏幕装置是光调制器上编码的全息图成像到其上的光学元件。在名称为“用于场景的全息重建的投射装置”的DE1 0 2006 004 300号德国专利文件中，屏幕装置是在光调制器上编码的场景的波阵面成像到其上的光学元件。在申请人提交的WO 2006/066919号专利文件中，公开了用于计算视频全息图的方法。 [0004] “可见区域”是限定的区域，观察者通过可见区域可以足够清晰地看到场景的整个重建。在可见区域内，波场干涉使得重建的场景对观察者变得可见。可见区域位于或靠近观察者的眼睛。可见区域可以在x，y和z方向上移动，在公知的位置检测和追踪系统的帮助下，将可见区域跟踪到实际的观察者位置。可以应用两个可见区域，每个可见区域用于一只眼睛。总体上，可见区域的更复杂的设置也是可能的。也可以编码视频全息图，使得单个对象或整个场景对于观察者来说看起来处于光调制器之后。 [0005] 在本申请文件中，术语“光调制装置”或“SLM”指通过转换(switching)、选通(gating)或调制由一个或多个独立光源发出的光束的方式来控制光的强度、色彩和/或相位的装置。全息显示装置典型地包含通过调节穿过显示面板的光的振幅和/或相位重建物点的可控像素矩阵。光调制装置包含这样的矩阵。光调制装置可以例如是声光调制器(acousto-optic modulator)AOM或连续型调制器。通过振幅调制的方式进行全息图重建的一个实施例可以利用液晶显示器(LCD)。本发明还涉及用于将充分相干光调制成波阵面或调制成光波轮廓的另外的可控装置。 [0006] 术语“像素”指光调制器的可控全息像素，其表示全息点的离散值并且被离散地寻址和控制。每个像素表示全息图的全息点。就LC显示器来说，像素是可离散控制的显示器像素。就DMD(数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device))来说，例如DLP(数字光处理器(Digital Light Processor))，像素是可离散控制的微镜或这种微镜的小组群。就连续的空间光调制装置来说，像素是表示全息点的虚构区。就彩色显示来说，典型地将像素再分为多个表示基色(primary colours)的子像素。 [0007] 术语“变换(transformation)”应理解为包括任何与变换相同或近似的数学或者计算技术。数学意义上的变换仅仅是物理过程的逼近，其可以通过麦克斯韦(Maxwellian)波动方程更加精确地描述。像菲涅耳(Fresnel)变换或者以傅立叶(Fourier)变换著称的变换的特殊群的变换描述二阶逼近。变换通常用代数或者非微分方程表示，因此可以应用公知的计算工具进行有效且高性能地处理。此外，可以利用光学系统对它们进行精密地模仿。 [0008] 申请人提交的WO 2006/066919号专利文件，公开了一种用于计算视频全息图的方法。其总体上包括以下步骤：将场景分割成平行于光调制器的平面的剖面，将这些剖面变换到可见区域，并在可见区域将其相加。然后，将相加后的结果变换回设置有光调制器的全息图平面中，从而确定视频全息图的复全息值。 [0009] DE1 0 2006 042 324号德国专利文件公开了一种用于实时生成视频全息图的方法。该方法应用的原理是：单个物点的重建仅需作为在SLM上编码的整个全息图的子集的亚全息图。其特征在于，对于每个物点，亚全息图的贡献可以从查找表中找回，所述亚全息图如此累加，从而形成整个全息图，用于重建整个场景。 [0010] 前述的用于生成交互式实时显示的视频全息图的方法只能付出大量努力并投入大量资源才可以实现。而且，因为大量的复杂的计算步骤，视频全息图的生成引起非常大的计算负担，且需要高性能和昂贵的计算单元。因为长的计算时间，存在不能向视频序列和交互式三维实时应用提供所需的刷新频率的风险。 [0011] 在传统的视频技术中，在显示计算机生成的视频全息图时，高图像刷新率是需要的而且是必不可少的。引用的方法进一步显示了不足之处：全息值仅能为表示某些离散位置或离散剖面层的位置的物点生成。 [0012] 本发明的目的是克服现有技术的这一不足。本发明提供的方法，允许全息值为重建空间或平截头体内的任意位置的物点计算。相关的全息值实时计算。本发明的另一目的是显著减少计算全息值所需的努力，从而支持该方法的实时性能。 [0013] 根据本发明的用于生成视频全息图的方法，适合用于具有至少一个光调制装置的全息显示装置，在该光调制装置上，被分为物点的场景编码成整个全息图，并且场景可以作为重建从位于重建的视频全息图的一个周期性区间内的可见区看到，亚全息图由可见区连同将要重建的场景的每个物点确定，并且整个全息图由亚全息图的叠加而形成。这样的具有光调制装置的全息显示装置基于这样的原理：在至少一个可见区中叠加用场景的物点信息调制的波阵面。可见区的确定已经由上述内容给出。 [0014] 进一步，该原理的优点是场景的单个物点的重建仅需要作为在光调制装置上编码的整个全息图的子集的亚全息图。每个单一物点由一个亚全息6图创造，其位置依赖于物点的位置，其大小依赖于观察者位置。下面将光调制装置上与亚全息图对应的区称为调制区。调制区是重建物点所需要的光调制装置的子区域(sub-region)。同时，为了重建物点，调制区确定光调制器上的哪些像素必须寻址。如果物点是固定在空间中的物点，则调制区将保持在固定位置。这意味着将要重建的物点依赖于观察者位置而改变位置。依赖于观察者位置的调制区的改变允许物点在固定位置编码，即，其在空间中的位置不依赖于观察者位置而改变。就本发明而言，可以类似地利用这些原理。 [0015] 根据最简单的实施例，调制区的中心位于贯穿将要重建的物点和可见区的中心的直线上。在最简单的实施例中，基于交线定理确定调制区的大小，其中，可见区通过将要重建到光调制装置的物点追溯。同样，如果较好地利用了亚全息图，则表示光调制器的最小可控单元的像素不仅包含单一亚全息图的信息，而且，由于叠加的结果，还包含多个亚全息图的信息。 [0016] 本发明基于这样的思想：亚全息图的复全息值在光调制装置的调制区中从将要重建的物点的波阵面中计算，其中对成像元件的透射函数或调制函数进行计算和分析，其在调制区中模型化并且将要重建的物点位于其焦点上。 [0017] 成像元件位于全息显示装置的全息图平面内。全息图平面由屏幕装置的位置确定，其中为了简化，在下述的说明中，屏幕装置将是光调制器本身。 [0018] 根据本方法的优选实施例，成像元件包括处在全息平面内具有焦距f并且倾斜放置的透镜。倾斜透镜由相对于全息平面来说没有倾斜的透镜以及在水平方向和垂直方向都有效的棱镜组成。严格来说，棱镜不确定亚全息图，因为由于无焦点棱镜功能，没有物点被重建。然而，为了保持本发明思想的清晰，将这样描述，因为棱镜还将其部分贡献给调制范围内的复全息值。以下以透镜和棱镜的例子详细说明本方法。当然，本方法还可以独立地应用于透镜或棱镜；在这种情况下，处理步骤或对应的术语不再实施或者可以忽略。为了计算亚全息图的复值，对于场景的每个可见物点来说，本方法的详细设计包含以下步骤： [0019] A：如上所述确定调制区的大小和位置，但是，然后对该调制区给定局部坐标系，其中原点处在其中心位置，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标。“a”是调制区的半宽，“b”是调制区的半高，这些区间边界包括在以下术语中。 [0020] B：确定全息平面内透镜的亚全息图： [0021] B1：确定透镜的焦距f： [0022] 透镜的焦距f最好是将要重建的物点距全息平面的垂线距离(normal distance)。 [0023] B2：透镜对应的亚全息图的复值： [0024] 利用等式ZL＝exp{+/-i*[(π/λf)*(x2+y2)]}确定对应的亚全息图的复值，其中λ是参考波长，f是焦距，(x，y)是对应的坐标对。这里的负号是由于凹透镜的特征。凸透镜由正号标识。 [0025] B3：由于x轴和y轴的对称性，足以在一个象限内确定复值并且通过利用符号规则将该复值应用到其它象限。 [0026] C：确定全息平面内棱镜(P)的亚全息图： [0028] C1：确定具有水平有效方向的棱镜(PH)的线性因子Cx，线性因子Cx在区间x∈[-a，a]内由以下等式描述 [0029] Cx＝M*(2π/λ) [0030] 其中M是棱镜的倾角。 [0031] C2：确定具有垂直有效方向的棱镜(PV)的线性因子Cy，线性因子Cy在区间y∈[-b，b]内由以下等式描述 [0032] Cy＝N*(2π/λ) [0033] 其中N是棱镜的倾角。 [0034] C3：确定组合棱镜的对应的亚全息图的复值： [0035] 对应的亚全息图的复值通过叠加两个棱镜项确定： [0036] ZP＝exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]} [0037] 叠加的棱镜贯穿局部坐标系的原点。 [0038] C4：如果全息显示装置显示出将光源成像进入可见区的特征，棱镜项可以去掉。 [0039] D：调制透镜和棱镜的亚全息图： [0040] 为了确定组合的亚全息图，将透镜和棱镜的复值复合相乘： [0041] ZSH＝ZL*ZP [0042] 或者，象征性地， [0043] SH＝SHL*SHP [0044] E：随机相位的应用： [0045] 为了确保可见区内均匀的亮度分布，向从步骤D得到的每个经调制的亚全息图分配随机相位。通过复乘将随机相位增加到亚全息图： [0046] ZSH:＝ZSH exp(iΦ0) [0047] 或者，象征性地， [0048] SH:＝SH exp(iΦ0) [0049] 将随机相位单独地分配到每个亚全息图。概括地，所有亚全息图的随机相位最好是均匀分布的。 [0050] F：应用强度因子： [0051] 向复值给出附加倍增因子，其表示强度或亮度： [0052] ZSH＝C*ZSH [0053] 或者，象征性地， [0054] SH:＝C*SH； [0055] G：如果计算整个全息图，将对亚全息图进行叠加以形成整个全息图。在简单的实施例中，考虑到亚全息图的位置，将亚全息图复合地增加到整个全息图中。 [0056] 整个全息图＝所有的亚全息图的复合总和，并且 [0057] H∑SLM＝∑Shi [0058] 或者，象征性地， [0059] ZSLM＝∑ZSHi (就整个坐标系而言)。 [0060] 该方法最好仅用于可见物点。物点的可见度作为3D渲染图形管道对场景渲染处理的结果确定，并且其依赖于观察者的位置，即眼睛瞳孔的位置，因此，来自追踪到瞳孔位置的可见区的位置。 [0061] 详细的说明涉及最可能的解决方案的计算。如果降低的重建品质可以接受或者甚至是所需要的，当然可以用更加简单的函数项代替上述函数项。然而，可以看出：为了改善重建品质，应用了更新的处理步骤。例如可以选择透镜或者棱镜以校正光调制装置等的像差、公差。同样还可以应用于示例性提到的用于确定调制区的方法。 [0062] 根据该方法的延续，特定的全息显示装置的像素值基于整个全息图(或亚全息图)的复全息值求得。例如，将复合全息图值变换成Burckhardt分量、两相分量或其它合适的编码。 [0063] 该方法具有的优点是，要重建的物点可以位于重建空间(平截头体)内的任意位置，且其位置不是通过离散靠近的，例如应用剖平面时。 [0064] 除了用于为了在全息显示装置上显示而生成全息值外，根据本发明的方法最好还用于用生成的亚全息图填充查找表。限定的空间构建到物点内，用于每个物点的亚全息图储存在查找表中。 [0065] 上述的空间例如是容许的或限定的空间，其可以是观察者眼睛瞳孔所处的位置，或是在光调制装置和可见区域之间伸展的重建空间(平截头体)。这样的生成的查找表使得找回以前计算的物点的亚全息图，并将其应用于生成全息图数据的过程中成为可能。查找表最好用成像元件(组合的透镜和棱镜功能)的亚全息图填充。但是，还可以理解到的是，分离的查找表分别用透镜或棱镜相关的亚全息图填充。一般地，这样的查找表实质上地加速任何其它方法，其中亚全息图的原理最好根据本发明的方法的说明应用。这样的查找表使得后续的方法或例如需要大量计算负担的方法加速。 [0066] 借助于该方法，用于交互式实时全息重建的物点可以应用当前可商购的标准的硬件组件在重建空间的任何位置生成。如果实施该方法的处理单元具有更高的性能，可以更精细地构建场景，并且重建的质量可以显著提高。根据本发明的方法省略了本来应用的复杂的变换，其特征在于，可以分解地执行简单的构建步骤。这也实现了根据本发明的方法的实时性能。 [0067] 现借助实施例结合附图对本发明进行详尽的说明，其中： [0068] 图1表示全息显示装置所基于的原理，及表示物点的调制区， [0069] 图2a是具有包含透镜和棱镜的成像元件的显示装置的侧视图， [0070] 图2b表示调制区和垂直有效的棱镜， [0071] 图2c表示调制区和水平有效的棱镜， [0072] 图3表示根据本发明的方法的流程图，及 [0073] 图4表示用于在全息图平面后重建物点的可选方法。 [0074] 图1表示用于一个观察者的全息显示装置(HAE)所基于的一般原理。该原理因而适用于多个观察者。观察者的位置由其眼睛或其瞳孔(VP)的位置来表征。该装置包含光调制装置(SLM)，为了简化起见，本实施例中该光调制装置与屏幕装置(B)相同；并且该装置叠加在至少一个可见区(VR)内用场景(3D-S)的物点信息调制的波阵面。将可见区追踪到眼睛。场景(3D-S)的单一物点(OP)的重建仅需要一个亚全息图(SH)作为在光调制装置(SLM)上编码的整个全息图(H∑SLM)的子集。调制区(MR)是光调制器(SLM)上的亚全息图区。从该图中可以看出，调制区(MR)仅包含光调制装置(SLM)的小部分。根据最简单的实施例，调制区(MR)的中心位于穿过将要重现的物点(OP)并穿过可见区(VR)中心的直线上。在最简单的实施例中，基于交线定理确定调制区(MR)的大小，通过要被重建到光调制装置(SLM)的物点(OP)追溯可见区(VR)。此外，重建该物点所需的光调制装置(SLM)上的这些像素的索引因此可以确定。从图中可以看出，对调制区(MR)给出一坐标系统，坐标系统的原点在其中心，x轴表示横坐标，y轴表示纵坐标。调制区(MR)具有半宽“a”和半高“b”。 [0075] 图2a是表示本发明方法的基本原理的全息显示装置(HAE)的侧视图。调制区(MR)的来源与图1中所述的相似。该区处在全息平面(HE)内，全息平面内设置有光调制器(SLM)。在这里由聚焦透镜(L)和棱镜(P)组成的成像元件(OS)位于调制区(MR)内。该图仅表示垂直有效的棱镜楔(prism wedge)，并且所示的成像元件(OS)在全息平面(HE)的前方以使物体更加清楚。 [0076] 图2b表示在调制区(MR)前方的垂直有效的棱镜楔(PH)，连同所用的坐标和尺寸。因此这里的棱镜楔贯穿纵坐标。 [0077] 图2c类似地表示垂直有效的棱镜楔(PV)，其贯穿横坐标。两个棱镜楔如下所述叠加。 [0078] 图3表示根据本发明的方法的流程图。该方法的开始点是由多个物点(OP)组成的三维场景(3D-S)。色彩和深度信息对物点(OP)来说是可以利用的。基于物点的深度信息、根据观察者的位置，即观察者眼睛瞳孔的位置确定物点的可见度。步骤(A)中，为每个可见物点确定全息平面(HE)内或者光调制装置上各个调制区(MR)的大小和位置。根据本发明的思想，将要重建的物点(OP)理解为位于全息平面内的成像元件的焦点。这里的成像元件理解为聚焦透镜(L)以及如图2b和2c所示的垂直或水平有效的棱镜(PH，PV)的组合。亚全息图(SH)的复全息值在光调制装置的调制区(MR)中从将要重建的物点(OP)的波阵面中计算，其中对成像元件(OS)的透射函数或调制函数进行计算和分析，其在调制区(MR)中模型化并且将要重建的物点(OP)位于成像元件(OS)的焦点上。步骤(B1)中，为每个可见物点确定的透镜(L)的焦距因此作为物点(OP)作为距全息平面(HE)的垂线距离。 [0079] 在步骤(B2)，利用以下等式确定对应的亚全息图(SHL)的复值： [0080] ZL＝exp{-i*[(π/λf)*(x2+y2)]} [0081] 其中λ是参考波长，f是焦距，(x，y)是对应的局部坐标对。对坐标系的定义如前所述。 [0082] Cx＝M*(2π/λ)， [0083] 步骤(C)中，确定全息平面内棱镜(P)的亚全息图(SHP)。利用等式Cx＝M*(2π/λ)确定具有水平有效方向的棱镜(PH)的线性因子Cx， [0084] 其中M是棱镜的倾角。以类似的等式求得垂直有效棱镜的线性因子Cy，但是倾角为N。通过叠加两个棱镜项确定对应的亚全息图(SHP)的复值： [0085] SHP:＝ZP＝exp{i*[Cx*(x-a)+Cy*(y-b)]}。 [0086] 如果全息显示装置显示出将光源成像进入可见区(VR)的特征，一个棱镜项可以去掉。 [0087] 既然透镜(L)的亚全息图(SHL)和棱镜的亚全息图(SHP)是可以得到的，它们在步骤(D)中叠加，以通过透镜的复值和棱镜的复值的复合相乘而形成组合的亚全息图(SH)： [0088] ZSH＝ZL*ZP [0089] 或者，象征性地， [0090] SH＝SHL*SHP。 [0091] 步骤(E)中，对亚全息图(SH)给出均匀分布的随机相位。 [0092] 步骤(F)中，执行强度调制，亚全息图(SH)与强度因子相乘： [0093] ZSH＝C*ZSH [0094] 或者，象征性地， [0095] SH:＝C*SH [0096] 物点(OP)的已组合的亚全息图(SH)现在完全可以得到。 [0097] 在进一步的可以分开执行的方法步骤(G)中，增加物点的亚全息图以形成整个全息图(H∑SLM)。物点的单个亚全息图(SHi)是可叠加的并且复合地增加，以形成整个全息图(H∑SLM)。 [0098] 整个全息图＝物点的所有亚全息图的复合总和 [0099] H∑SLM＝∑SHi [0100] 或者 [0101] ZSLM＝∑ZShi(就整个坐标系而言)。 [0102] 整个全息图(H∑SLM)表示所有物点的全息图。因此其表示并且重建了整个场景(3D-S)。 [0103] 在最后的步骤(H)中，如上所述，整个全息图可以通过编码变换成用于全息显示装置的像素值，全息显示装置最好也采用亚全息图原理。如上所述，这些装置具体公开于WO2004/044659，WO 2006/027228，WO2006119760和DE 102006004300号专利文件中。 [0104] 图4表示通过应用本发明的方法，总体上可以类似地重建位于全息图平面(HE)之后的物点(OP)。在该情况下，成像元件(OS)类似地包含提到的棱镜(P)，但是成像元件中的透镜是凹透镜(L)，用相同的方法在调制区可以确定波阵面。 [0105] 附图标记列表 [0106] 3D-S 场景 [0107] VR 可见区 [0108] OP 一般的物点 [0109] OPn 具有标记索引的物点 [0110] SH 一般的亚全息图 [0111] SHL 透镜的亚全息图 [0112] SHP 棱镜的亚全息图 [0113] MR 调制区 [0114] SHi 一般的索引的亚全息图 [0115] H∑SLM整个全息图 [0116] HAE 全息显示装置 [0117] B 屏幕装置 [0118] SLM 光调制装置 [0119] HE 全息平面 [0120] VP 观察者眼睛/观察者位置 [0121] OS 成像元件 [0122] L 透镜 [0123] P 棱镜 [0124] PH 具有水平有效方向的棱镜 [0125] PV 具有垂直有效方向的棱镜 |
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