计算全息三维显示的信息量及其简化

全息信息简化是基于波前再现的全息三维显示技术重要的课题。对全息三维显示的信息量与再现像的视差角与视场角的关系进行了分析,指出全息三维显示的巨大信息量是为了提供足够的视差和视场,以达到人眼立体视觉效果。在牺牲垂直视差并保证足够的水平视差角和视场角的条件下,利用光栅对全息图进行取样,计算了光栅取样全息图对信息压缩的极限,分析了简化后全息图再现像的特点和存在的问题,对于信息压缩后的光栅取样全息图的再现进行了设计。     

无狭缝计算全息图的白光再现

利用彩虹全息是实现白光全息的常用方法,由于记录过程中引入狭缝使得再现像的视场非常狭小,且只有水平视差。在计算全息中模拟无狭缝记录,通过博奇编码获得菲涅耳全息图,以视频信号输入液晶板(LCD)显示,在白色发光二极管(LED)照明下获得同时具有水平和垂直视差的彩色全息再现像,大小为15 mm×15 mm。调整物面采样间距和滤波小孔孔径以减小色模糊、提高再现光的空间相干性,获得的白光再现像与彩虹全息图的再现像相比,前者虽然牺牲了一定的像质,但垂直视场角远大于后者,且整个系统简单紧凑、操作方便,再现像视场范围大,利于观察和接收,另外宽光谱光源和空间光调制器的使用为实现实时三维彩色全息打下了基础。     

赝像-正像转换算法在全息体视图打印中的应用

将适用于三维场景信息非对称采集和显示的赝像-正像转换(POC)算法应用于全息体视图打印,得到了采样平面与全息图平面的距离、采样间隔与全息单元尺寸比例不同时,采样图像和合成视差图像之间的像素匹配关系。分析了曝光光学系统参数和POC算法参数对体视图再现像视场角的影响,得到了场景深度和视场角之间的制约关系。实验通过在不同场景深度下三维物体的再现,验证了POC算法对全息体视图打印的适用性以及场景深度和视场角之间制约关系的正确性。实验结果表明,当场景深度较小时,再现像重影导致分辨率降低,并从理论上分析了全息体视图重影现象产生的原因。像素级精确的视差图像避免了数据误差对体视图再现质量的影响,对提高再现像分辨率有积极意义。     

基于LC-SLM的CT图像全息三维重构与实时显示

提出了一种将计算全息技术与液晶空间光调制器相结合的CT图像三维重构与实时显示的方法。用计算全息技术对一系列CT图片进行三维信息融合,并根据CT图片数目的不同,制作了不同的计算全息图,基于CT图片本身是数字化二维图像的特点,采用了快速傅里叶变换算法。用液晶空间光调制器作为全息图显示载体,设计了CT图像三维实时显示系统,利用计算机控制实时输出不同的计算全息图到空间光调制器,通过光学再现获得不断变化的三维再现像,实现CT图像的三维实时显示。     

数字化全息及其在三维显示和检测中的应用

从三维显示和检测的角度回顾了数字化全息研究的发展与现状.首先简要介绍了在三维显示的应用中计算全息的编码原理,以及全息图数字化再现的几种算法.给出了计算全息一般的制作方法,对典型的光电全息记录光路进行了分析,然后对数字化全息在三维显示和全息影视中的应用研究进行了讨论.分析了几种数字化全息显示装置,包括数字全息打印机,声光调制型的全息影视系统和空间光调制器型的全息影视系统.最后对数字全息三维显示技术的未来进行了展望.     

基于计算全息技术的彩色CT真三维可视化

不同于现有的用计算机软件合成的CT 图像的伪 三维可视化,本文提出了一种基于计算全息技术的彩色CT 图像的真三维可视化技术。首先,利用计算全息技术对彩色CT图像进行三维重建,将一组 彩色CT图像的空间 二维信息融合成三维信息,并以计算全息图(CGH)的形式进行保存;然后,设计了彩色CT图 像光电再现与三维显示系 统,以液晶空间光调制器(LC-SLM)作为CGH的显示载体,通过计算机同时输入 3幅CGH,通过光电再现获得 三原色三维再现像,利用合色棱镜将三原色再现像合成为彩色图像,用雾屏作为彩色三维再 现像的显示载体,获 得彩色真三维CT图像。在全息图的计算过程中,基于CT图像的二维属性,采用了快速傅里 叶变换(FFT)算法,大大加快了计算速度。给出了理论分析与实验结果。     

元宇宙中的动态全息三维显示:发展与挑战（特邀）

相比二维显示,三维显示可以提供更接近真实世界的图像内容,是5G、大数据、元宇宙和物联网领域的关键性技术。计算全息三维显示可以提供所有种类的深度线索,被认为是三维显示的终极实现方式,在智能制造、远程教育、异地办公和娱乐社交等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了计算全息技术的发展历史和重要技术节点,分析了高质量全息动态三维显示面临的挑战,主要包括计算全息图重建质量不足、波前调制器件和全息显示系统性能受限以及三维内容源匮乏等,进一步介绍了已有的解决方案,比较了各类方案的优势与不足,进而分析了高质量全息动态三维显示的主要研究方向,包括低噪声全息图的获取、像质优化和畸变校正技术的开发以及三维内容源的构建。实现高质量、低噪声、无畸变、高刷新、真三维的动态全息三维显示,是计算全息显示发展的必由之路,也是元宇宙等典型应用对全息三维显示提出的必然要求。     

计算全息三维显示的数据压缩编码技术

全息三维显示能够重建真实场景的光场,提供全部的深度感,成为真三维显示的最佳解决方案之一。计算全息三维显示只需要知道物光波的数学描述,可以灵活地控制波前,显示出虚拟的三维物体。但是,巨大的数据量和计算量阻碍了计算全息三维显示的实用化。文中提出了计算全息三维显示中多个环节的数据压缩编码技术,包括三维物体的稀疏采样、全息三维视频压缩编码的优选和参数优化、全息图分形压缩算法,有效地压缩了数据量,并利用GPU的并行运算能力实现了全息图的快速计算。     

基于计算全息的全视差合成全息研究

文中进行了一种新型三维全息图的制作方法研究,该方法基于计算全息原理,与合成全息相结合,实现激光三维全息图的直写打印制作。首先进行了菲涅耳计算全息图的实验,表明计算全息与合成全息结合的可行性与合理性。然后根据合成全息原理与计算全息原理对三维模型进行采样和图像变换处理,再计算出相应的菲涅耳计算全息图,借助数字全息激光打印系统完成三维全息图的拍摄,在激光下进行光学再现,最后对再现结果进行了分析与讨论。     

三维物体菲涅耳计算全息图的研究

介绍一种用计算全息显示三维物体的方法.记录三维物体在非相干白光照明条件下两个正交方向上不同视角的一系列连续二维像,根据计算机断层成像原理,由这些二维像计算出物体的三维傅立叶频谱,从中提取出一特征傅立叶频谱,用卷积算法计算出在一定传播距离处的菲涅耳衍射分布,用计算全息编码方法制出一张菲涅耳计算全息图,并进行模拟再现,给出了不同再现距离处的再现像.     

高分辨率多视点动态全息3D显示

提出了一种高分辨率多视点动态全息3D显示方法,观看视点位置变化时,观看者能够看到连续变化的3D效果。在进行全息图计算时,首先根据针孔阵列投影模型,渲染3D动画中每一帧3D模型的光场图像序列;然后从已渲染的多组光场图像序列中抽取对应视角信息的光场图像进行融合,得到融合后的动态光场图像序列;在进行全息图编码时,以动态光场图像序列中的一帧图像作为物光振幅,以来自于针孔的发散球面波的相位作为物光相位,引入平面参考光进行编码,得到一个单元全息图。由于每个单元全息图的计算是相互独立的,因此在计算过程中使用并行加速计算,实现了尺寸为32 mm×32 mm、分辨率为100000 pixel×100000 pixel的高分辨率全息图,其光场图像融合和全息编码的时间仅需27 min。光学再现结果证明了该方法的可行性。所提出的高分辨率多视点动态全息3D显示方法在全息包装和3D广告等领域具有广泛的应用前景。     

数字再现三维物体菲涅耳计算全息的研究

提出了一种用计算机产生和再现三维物体离轴菲涅尔（Fresnel)全息图的数字方法。采用Born近似法则建立了理想三维的物体模型；利用博奇（Burch)编码方法制作了此三维物体的计算全息图。通过卷积和快速傅立叶变换（FFT）的方法计算衍射积分，以数字聚焦的方法进行再现，通过改变再现距离，获得了三维物体各截面的再现像。直接利用数字滤波技术消除了虚像和零级像，得到了清晰的实像，给出了此三维物体的计算全息图及其不同截面的数字再现结果。     

基于空间光调制器的合成全息显示技术研究

提出了一种基于液晶空间光调制器和计算全患技术的合成全患显示新方法.由计算机设计三维物体模型并获取带有视差信息的系列二维体视数字图像,通过计算全患方法对每一幅二维图像计算得到相应的全息图,再现时将左右眼视图对应的全息图同时输出到两个空间光调制器进行实时光电再现,并使再现像的位置符合人眼双目观察需要,计算机控制不同视角全患图顺序输出,从而实现合成全患立体显示,同时可观察合成全息动感,而观察者位置不必移动,与传统的合成全息显示相比操作灵活,易于控制.在实验中用液晶背投影光学引擎系统设计了硬件实验系统,设计了相关的控制软件,并给出了实验结果.     

基于共形对应的球面图像的计算全息图

研究了基于共形对应的球面图像的计算全息图(CGH)的生成和重现.通常,当用平面波照射全息图时,所重现的图像一般显示在平面上.共形对应在计算机图形学中被广泛应用,它可以将平面图像和任意曲面对应.相对于简单的坐标变换,共形对应关系具有很多优点,如它可以保持变换前后图像之间的几何形状不变性等.将共形对应引入计算机全息图的生成过程中,利用平面与球面的共形对应关系,生成显示于球面的二维图像的计算全息图,并由所生成全息图得到原始图像,从而实现整个全息记录和重现过程的计算机模拟.二维图像重现于球面实际上了产生三维显示,因此上述方法在从计算全息图重现三维图像方面起到重要的作用.     

Distortion Compensation of Reconstructed Hologram Image in Digital Holographic Display Based on Viewing Window

A holographic display based on a viewing window enables the converging of a reconstruction wave into a viewing window by means of an optical system. Accordingly, a user can observe a reconstructed hologram image, even with a small diffraction angle. It is very difficult to manufacture an optical system with no aberrations; thus, it is inevitable that a certain amount of wave aberrations will exist. A viewing‐window‐based holographic display, therefore, always includes distortions in an image reconstructed from a hologram pattern. Compensating the distortions of a reconstructed image is a very important technical issue because it can dramatically improve the performance when reconstructing a digital three‐dimensional content image from a hologram pattern. We therefore propose a method for suppressing image distortion by measuring and compensating the wave aberration calculated from a Zernike polynomial, which can represent arbitrary wave aberrations. Through our experimental configuration using only numerical calculations, our proposed method decreased the reconstructed image distortion by more than 28%.     

全息立体显示视角增强方法研究

介绍了全息立体成像的工作原理,通过与其他立体成像技术比较,说明全息立体显示能形成真三维再现像,具有可以提供全部物理景深的优势。从改善全息立体像观察视角出发,阐述了4种增强视角的方法,介绍了这些方法的原理,并对这些方法做了比较分析。     

Efficient coding of experimental holograms using speckle denoising

Lossy compression for Experimental Holograms (EH) and Computer-Generated Holograms (CGH) using standardized coding solutions is a highly efficient process provided that these solutions can be applied to the object plane. This compression efficiency reveals to be more relevant in CGH. Speckle noise mainly affects reconstructed EH, and to less extent reconstructed CGH. In the current work, the reduction of speckle noise of EH is proposed to improve the coding efficiency of the hologram compression scheme. The compression scheme defines a base layer where a 2D version of the object is coded with an image codec standard. When speckle noise reduction is performed before any compression, efficient compression is obtained for both CGH and EH. Since speckle noise reduction is performed only on amplitude data, without affecting the phase information of the reconstructed hologram, it is still possible to render 3D features such as depth map, multi-view or to recover holographic interference patterns for further 3D visualization.     

基于非均匀棱镜阵列的三维集成成像视角增强方法

针对传统集成成像系统视角受限于单元透镜尺寸及其焦长的问题,提出了一种基于非均匀棱镜阵列的三维集成成像视角增强方法。以传统集成成像重构显示原理为基础,借助于非均匀棱镜阵列对重构光线的偏转作用,设计了显示透镜阵列和非均匀棱镜阵列组合的立体显示模式。依据集成成像的三维重构显示原理,利用光线追迹理论,导出了非均匀棱镜阵列的结构参数和集成成像系统视角之间的关系模型。仿真实验表明,基于非均匀棱镜阵列的集成成像系统视角比传统集成成像系统有了显著提高。     

Digital Holographic Display System with Large Screen Based on Viewing Window Movement for 3D Video Service

A holographic display system with a 22‐inch LCD panel is developed to provide a wide viewing angle and large holographic 3D image. It is realized by steering a narrow viewing window resulting from a very large pixel pitch compared to the wave length of the laser light. Point light sources and a lens array make it possible to arbitrarily control the position of the viewing window for a moving observer. The holographic display provides both eyes of the observer with a holographic 3D image using two vertically placed LCD panels and a beam splitter to support the holographic stereogram.