自然光場(chǎng)的全息圖快速計(jì)算算法研究.pdf

1、全息顯示因其能夠重建出三維場(chǎng)景的完整光場(chǎng)，并提供人眼感知所需要的全部深度線索，而被認(rèn)為是未來(lái)三維顯示領(lǐng)域中最有前景的發(fā)展方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和液晶顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以擺脫傳統(tǒng)全息中復(fù)雜的干涉記錄過(guò)程，不必使用高相干度光源系統(tǒng)和記錄干板，而在計(jì)算機(jī)中數(shù)值計(jì)算全息圖來(lái)重建真實(shí)存在或后期合成的場(chǎng)景，只要該三維場(chǎng)景能夠在數(shù)學(xué)上被描述出來(lái)。
　　在計(jì)算中數(shù)值計(jì)算全息圖，即生成計(jì)算機(jī)全息圖的方法主要分為三種:點(diǎn)源法，基于平面的方法和立

2、體全息法。
　　點(diǎn)源法中，三維物體看作由許許多多的點(diǎn)源組成，然后數(shù)值模擬出每個(gè)點(diǎn)源產(chǎn)生的光場(chǎng)從三維場(chǎng)景傳播到全息面的光學(xué)過(guò)程，并將所有的光場(chǎng)進(jìn)行疊加。這種方法可以重建出連續(xù)的運(yùn)動(dòng)視差和三維場(chǎng)景準(zhǔn)確的深度信息。我們知道，點(diǎn)源數(shù)量越多，越能夠精確的描述出原三維場(chǎng)景的細(xì)節(jié)，但對(duì)于復(fù)雜的三維場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，計(jì)算量將會(huì)顯著增大，計(jì)算效率降低。此外，點(diǎn)源法難以表現(xiàn)出三維場(chǎng)景中基于視點(diǎn)的一些屬性，例如陰影和遮擋關(guān)系。后期針對(duì)這一問(wèn)題提出了一些改進(jìn)算法

3、，例如陰影面消除法可以解決陰影面數(shù)據(jù)的消失問(wèn)題，但會(huì)引入失真，逆正交投影法可以避免幾何失真，但會(huì)限制重建場(chǎng)景的深度范圍?；谄矫娴姆椒ㄅc點(diǎn)源法類似，所不同的是將三維物體看作由多層平面組成，將各個(gè)平面光場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換再傳播到全息面進(jìn)行疊加，即可得到全息面上的光場(chǎng)分布。同于點(diǎn)源法，復(fù)雜的三維物體會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜度，使得實(shí)時(shí)計(jì)算成為問(wèn)題。同時(shí)該方法也存在陰影和遮擋問(wèn)題，近期有人提出利用光線追跡技術(shù)來(lái)提供物體的陰影、折射和反射效果，但該方法

4、會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
　　立體全息法是本文重點(diǎn)研究的方法。首先結(jié)合光場(chǎng)的理論，獲取了記錄光線強(qiáng)度和方向信息的光場(chǎng)子圖像。本文利用3Dmax等圖形渲染軟件對(duì)三維場(chǎng)景、微透鏡陣列和圖像傳感器進(jìn)行成像建模，研究了兩種投影幾何關(guān)系，分別獲得了透視投影子圖和正交投影子圖。其次根據(jù)立體全息圖的重建原理，提出對(duì)每張投影子圖做快速傅里葉變換來(lái)得到相應(yīng)的復(fù)振幅全息圖。由于空間光調(diào)制器的限制，不能夠同時(shí)調(diào)制全息圖的振幅和相位，因此本文提出了將復(fù)振幅

5、信息編碼為相位信息的兩種可行方式，一種方法是在每張子圖進(jìn)行快速傅里葉變換之前施加一個(gè)隨機(jī)相位，然后將得到的復(fù)振幅信息直接取相位部分得到純相位全息元，第二種方法是對(duì)每張子圖進(jìn)行GS迭代，直接得到純相位全息元。本文推導(dǎo)出了全息圖的采樣率公式，并分別給出了各種情況下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)將結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。分析了全息圖的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)性進(jìn)行了討論，最終完成了自然光場(chǎng)全息圖的快速計(jì)算。在對(duì)全息圖的參數(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，計(jì)算復(fù)雜度依賴于