专利名称：数字信息立体显示的多通道全息记录方法
技术领域：
本发明涉及一种数字信息立体显示的多通道全息记录方法，属于图像处理领域。
背景技术：
随着信息技术的发展，在科学研究和生产实践中运用计算机技术和数字影像技术获取了大量三维数据，有很多的三维数据需要立体显示，如在工业品和工程设计的展示、军事和地质勘探的立体地图、商业广告和艺术品展览等方面。目前工业品和工程设计的展示通常是要制作物理模型，也可以利用虚拟现实技术中的多种立体图像的显示方法，如戴偏振光眼镜等。制作物理模型，制作时间较长、费用较高，若利用虚拟现实技术显示，则都是限制在昂贵的虚拟现实系统中使用。而全息图像以其再现光波和真实光波的相似性，是提供真实感三维图像显示的技术。因此需要有简便快捷三维全息图像的记录和展示方法。在先申请的中国专利将三维数字信息记录在全息底片上的装置及其记录方法；公开号为CN101101479A;
公开日期为2008年1月9日，此专利记载了将三维图像转换成不同视角的二维图像系列，并在数字微反射镜上显示，在全息底片上成像的技术方案。实现了立体显示，并且横向和纵向的图像信息都不丢失、图像大小不受限制、视角大、图像质量好，其装置具有结构简单、制造成本低廉的优点。可以不制作物理模型或不在虚拟现实系统中，就能记录显示三维全息图像。在科学计算数据可视化的立体显示中，可以大大加快数据的处理速度，使产生的海量数据得到有效利用，观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具。但是，此专利记录全息图是单通道记录方法，记录一幅全息图往往需要两至五天的时间，存在时间过长的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有全息图单通道记录方法记录时间过长的问题，提供了一种数字信息立体显示的多通道全息记录方法。
本发明方法使用的装置包括D/A-A/D数据采集卡、计算机、视频分配器、二维位移总成装置和e个全息图像制作光学组件单元，每个全息图像制作光学组件单元具有f个光学通道，所述f个光学通道沿直线方向均布，e个全息图像制作光学组件单元之间平行等距设置，e个全息图像制作光学组件单元的光学通道组成eXf光学通道阵列，所述光学通道阵列与一个液晶空间光调制器SLM相对应，实现本发明方法包括以下步骤
步骤一、在计算机中将三维图像转换成aXb个不同视角的二维图像阵列，其中a和b为正整数；
步骤二、将二维图像阵列中的每幅二维图像按设定的光学通道阵列格局分割处理成eXf个子图像，每个子图像对应全息底片上的一个显示单元；
形成的子图像阵列[Zn，Z仏…，Zw;Zn，Z22，…，Zm;…；Zel， Ze2，…，Zef]，每个子图像具有MXN个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[Dn，D"…，Dw;Dn，D22，…，D2N;…；Dm，Dm2，…，Dmn]，其中，e、 f、 M和N为正整数;
步骤三、计算机将所述aXb个不同视角的二维图像阵列运算和合成处理获得eXf个光学通道的通道合成图像Pij，
每个通道合成图像Pi j由M X N个子合成图像pxy组成，
计算机通过D/A-A/D数据采集卡、二维位移总成装置控制全息底片做底片平面内二维移动，全息底片每移动一次，每个光学通道通过视频分配器在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像Pxy，所述光学通道的输出记录在全息底片上形成一个像素点，通过全息底片的二维移动，使每个光学通道的输出遍历全息底片上的对应显示单元中的所有像素点，
全息底片上的每个显示单元中第x行第y列的像素点的形成过程为
计算机通过D/A-A/D数据采集卡控制e个全息图像制作光学组件单元的电动快门同时工作，全息图像制作光学组件单元的激光器输出的激光通过电动快门输出，经单元分束镜分束后的分束透射光依次经过f-l个物光分束镜透射后，由第一全反镜Ml反射形成第f个光学通道的入射光，所述单元分束镜的分束透射光依次经过f-l个物光分束镜反射后形成第一至第f-l个光学通道的入射光，f个光学通道入射光光强相同，
每个光学通道的出射光形成物光束汇聚到全息底片上；所述单元分束镜的分束反射光由第二全反镜M2反射，再依次经过f-l个参考光分束镜透射后，由第三全反镜M3反射形成第f个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光依次经过f-l个参考光分束镜反射后形成第一至第f-l个光学通道的参考光，f个参考光的光强相同，每个光学通道的物光束与其对应的参考光在全息底片上重合，其中，lS i》e， lS j》f， lS x》M， lS y》N，
每个光学通道按照上述方法同时在全息底片上记录形成e X f个通道全息图，所述e X f个通道全息图拼合形成整个全息图。
本发明的优点本发明提出的用一个液晶空间光调制器， 一个二维位移总成记录一幅全息图像的多通道记录方法，比单通道记录方法速度快几倍。
图l是本发明方法所使用装置的结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是获取二维图像阵列示意图，图4是每个二维图像分割成子图像阵列示意图，图5是每个子图像像素阵列图，图6是通道合成图像的阵列示意图，图7是具体实施例的结构示意图，图8是图7所述具体实施例的二维图像分割成子图像阵列示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式方法使用的装置包括D/A-A/D数据采集卡l、计算机2、视频分配器3、 二维位移总成装置4和e个全息图像制作光学组件单元5，每个全息图像制作光学组件单元5具有f个光学通道，所述f个光学通道沿直线方向均布，e个全息图像制作光学组件单元5之间平行等距设置，e个全息图像制作光学组件单元5的光学通道组成eXf光学通道阵列，所述光学通道阵列与一个液晶空间光调制器SLM相对应，
实现本发明方法包括以下步骤
步骤一、在计算机2中将三维图像转换成aXb个不同视角的二维图像阵列，其中a和b为正整数；
步骤二、将二维图像阵列中的每幅二维图像按设定的光学通道阵列格局分割处理成eXf个子图像，每个子图像对应全息底片8上的一个显示单元；
形成的子图像阵列[Zn，Z仏…，Zw;Zn，Z22，…，Zm;…；Zel， Ze2，…，Zef]海个子图像具有MXN个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[Dn，D"…，Dw;Dn，D22，…，D2N;…；Dm，Dm2，…，Dmn]，其中，e、 f、 M和N为正整数;
步骤三、计算机2将所述aXb个不同视角的二维图像阵列运算和合成处理获得eXf个光学通道的通道合成图像Pij，
每个通道合成图像Pi j由M X N个子合成图像pxy组成，
计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1、 二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内二维移动，全息底片8每移动一次，每个光学通道通过视频分配器3在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像Pxy，所述光学通道的输出记录在全息底片8上形成一个像素点，通过全息底片8的二维移动，使每个光学通道的输出遍历全息底片8上的对应显示单元中的所有像素点，
全息底片8上的每个显示单元中第x行第y列的像素点的形成过程为
计算机2通过D/A-A/D数据采集卡l控制e个全息图像制作光学组件单元5的电动快门7同时工作，全息图像制作光学组件单元5的激光器6输出的激光通过电动快门7输出，经单元分束镜分束后的分束透射光依次经过f-l个物光分束镜透射后，由第一全反镜Ml反射形成第f个光学通道的入射光，所述单元分束镜的分束透射光依次经过f-l个物光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的入射光，f个光学通道入射光光强相同，
每个光学通道的出射光形成物光束汇聚到全息底片8上；所述单元分束镜的分束反射光由第二全反镜M2反射，再依次经过f-l个参考光分束镜透射后，由第三全反镜M3反射形成第f个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光依次经过f-l个参考光分束镜反射后形成第一至第f-i个光学通道的参考光，f个参考光的光强相同，每个光学通道的物光束与其对应的参考光在全息底片8上重合，其中，lS i》e， lS j》f， lS x》M， lS y》N。
每个光学通道按照上述方法同时在全息底片8上记录形成e X f个通道全息图，所述e X f个通道全息图拼合形成整个全息图。
本实施方式所述的物光束和参考光在全息底片8的两侧，记录的是反射式全息图。全息底片8全部记录完成后用白光照明即可实现立体成像。
步骤一将三维图像分割成不同视角的二维图像阵列，如图3所示，不同视角的二维图像阵列的设置规则为水平方向取b个视角的二维图像，竖直方向取a个视角的二维图像，构成a行b列不同视角的二维图像阵列[Vu， V12，…，Vlb; V21， V22，…，V2b;…；Val， Va2，， Vab]。
由于本发明采用了物体不同视角的大量的相关二维图像Vrs，最后合成全息图，所以可以全面、逼真地显示物体各个不同视角的图像，立体感强，表现质量非常好。其中l》r》a，lS sS b。
步骤二形成的子图像阵列如图4所示，每个二维图像分割子图像都是按照设定的光学通道阵列进行的，g卩[Zn，Z仏…，Zw;Zn，Z22，…，Zm;…；Zel， Ze2，…，Zef]，每个子图像都具有mXN个像素，如图5所示。
eXf光学通道同时记录，完成后，拼到一起形成整个全息图，每个光学通道记录的方法相同，液晶空间光调制器SLM按所述eXf光学通道阵列格局配置分布合成eXf个通道合成图
像Pij，形成合成图像阵列为[Pu，Pi2，…，Pif; P21，P22，…，P2f;…；Pei， Pe2，…，Pef]。
每个通道合成图像Pij来自所有二维图像中与其坐标相对应的子图像Zij，即第一个光学通道的通道合成图像Pii取自所有二维图像的子图像Zn，共计aXb个Zn，第二个光学通道的通道合成图像Pi2取自所有二维图像的子图像Z^，共计aXb个Z^，依此类推，最后一个光学
通道的通道合成图像Pef取自所有二维图像的子图像Zef，共计aXb个Zef。
每个子图像Zij具有MXN个像素，每个子图像Zij具有的像素形成的阵列为[Dn， D12，…，D1N;D21，D22，…，D2N;…；Dm， DM2，…，DMN]。在往全息底片8上记录时，逐点记录，每记录一' 点时，提取aXb个子图像Zij中每个子图像的一个像素形成通道合成图像Pij，每个光学通道 的通道合成图像Pij的排布为
Pij = {Vii[Zij(Dxy)]， V12[Zij(Dxy)]， V13[Zij(Dxy)]，…，Vlb[Zij(Dxy)]; V2l[Zij(Dxy)]， V22[Zij(Dxy)]， V23[Zij(Dxy)]，…，V2b[Zij(Dxy)];
Val[Zij(Dxy)]， Va2[Zij(Dxy)]， Va3[Zij(Dxy)]，…，Vab [Zi j (Dxy) ] }。
参见图6进行具体说明，当1=1，」'=1时，即第一个光学通道的通道合成图像Pn: Pll = {Vu[Zu(Dxy)]， V12[ZU (Dxy)]， V13[ZU (Dxy)]，…，Vlb[Zu (Dxy)]; V2l[Zn (Dxy)]， V22[ZU (Dxy)]， V23[ZU (Dxy)]，…，V2b[Zu (Dxy)];
Val[ZU (Dxy)]， Va2[ZU (Dxy)]， Va3[ZU (Dxy)],..， Vab[ZU (Dxy)]}。
每个通道合成图像Pij中的像素取自所有二维图像中与其坐标相对应的子图像Zij，每个 通道合成图像Pij中的V rs [Zij(Dxy)]的像素是通过下述方法获得的
在二维图像Vrs中的子图像Zij中从左到右、从上到下的像素Dxy，按从右到左、从下到上
的顺序规则依次投射获得所述通道合成图像Pij中的一个像素Vrs[Zij(Dxy)]，其中l》r》a， lS sS b。
参照上述规则，第一个光学通道的通道合成图像Pii中有MXN个子合成图像Pxy，每在全 息底片8上记录一点，显示一幅子合成图像Pxy，因此第一个光学通道在全息底片8上记录MX N点。
先记录第一点，即x二M， y=N，所有aXb子图像Zn中的像素DMN都被调用提取出来进行排
列，被处理合成为子合成图像pmn，表示如下
Pmn = {VU[ZU(DMN)]， V12[ZU (DMN)]， V13[ZU (Dmn)]，…，Vlb[Zu (DMN)]; V21[Z11 (DMN)]， V22[ZU (Dmn)]， V23[ZU (Dmn)]，…，V2b[Zu (DMN)];
Vai[Zu (DMN)]， Va2[Zu (DMN)]， Va3[Zu (Dmn)]，…，Vab[Zu (DMN) ] } 这个点被记录在全息底片8上，然后，二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内 二维移动，按如上方式记录下一点，逐点记录， 一直到最后一点，SPx=l， y=l，记录最后一 点，所有aXb子图像的Dn都被调用提取出来进行排列，子合成图像pn表示如下 Pll = {VU[ZU(DU)]， V12[ZU (DU)]， V13[ZU (DU)],..， Vlb[Zu (Du)];V2l[Zn (DU)]， V22[ZU (DU)]， V23[ZU (D!!)],..， V2b[Zu (Du)];
Vai[Zu (DU)]， Va2[Zu (DU)]， Va3[Zu (DU)],..， Vab[Zu (Du)]}， 第一个光学通道共记录MXN个点，形成第一个通道全息图。
如上，第一个光学通道的通道全息图记录完成，其它光学通道的通道全息图的记录方式 与其相同，且同时进行，如最后一个光学通道上通道合成图像Pef取自所有二维图像的子图 像Zef， eXf个光学通道记录的通道全息图拼合形成整个全息图。
下面以一个具体实施例说明本发明的方法，参见图7，取el， f=4，即四个并列的光学 通道，在液晶空间光调制器SLM呈现四个通道合成图像为Pn、 P12、 P^和Pm。
将三维图像如前所述分割成aXb个不同视角的二维图像阵列，每个二维图像按光学通道 的格局分割成四部分子图像，四个子图像分别为Zn、 Z12、 Z^和Zm，如图8所示，每个二维 图像中子图像Zn用于构成通道合成图像Pn，每个子图像都具有MXN个像素，每个子图像具 有的像素形成的阵列为[Dn，D工2， ...，D1N; D21，D22， ...，D2N; ...;Dm，DM2，…，DMN]。
先介绍记录第一个光学通道，二维位移总成装置4每移动一次，第一个光学通道通过视 频分配器3在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像Pxy，共计MXN个子合成图像Pxy， 在全息底片8上与第一个光学通道对应的显示单元上记录MXN个像素点，通过全息底片8的二 维移动，逐点记录，使第一个光学通道的输出遍历全息底片8上的对应显示单元中的所有像 素点，记录方法如前所述。完成第一个光学通道的全息图的记录，其它三个光学通道的记录 方式相同，且同时进行，第二个光学通道的通道合成图像Pi2调用所有二维图像的子图像Z^ ，第三个光学通道的通道合成图像Pi3调用所有二维图像的子图像Z^，第四个光学通道的通 道合成图像Pl4调用所有二维图像的子图像Zw，四个光学通道记录的通道全息图像合成一个 完整的全息图。
步骤三所述的每个光学通道的出射光形成物光束的过程为
每个光学通道入射光经扩束镜扩束形成扩束光，所述扩束光经第一凸透镜形成平行光入 射到液晶空间光调制器SLM上，液晶空间光调制器SLM将所述平行光透射到第二凸透镜，并经 所述第二凸透镜形成物光束汇聚到全息底片8上。
具体操作过程为计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1控制四个全息图像制作光学组件单 元5的电动快门7同时工作，全息图像制作光学组件单元5的激光器6输出的激光通过电动快门 7输出，经单元分束镜PO分束后的分束透射光依次经过第一物光分束镜Ph、第二物光分束镜 Pl2、第三物光分束镜Pl3透射后，由第一全反镜M1反射形成第四个光学通道的入射光，所述单元分束镜PO的分束透射光依次经过第一物光分束镜Ph、第二物光分束镜Pl2、第三物光分 束镜Pl3反射后形成第一至第四个光学通道的入射光，四个光学通道入射光光强相同，第一 个光学通道的入射光经第一扩束镜LId扩束形成扩束光，所述扩束光经第一光学通道第一凸 透镜L 1 i形成平行光入射到液晶空间光调制器SLM上，液晶空间光调制器SLM将所述平行光透 射到第一通道第二凸透镜L2h并汇聚到全息底片8，作为第一光学通道物光束；所述单元分 束镜P0的分束反射光由第二全反镜M2反射，再由第一参考光分束镜P2i反射形成第一个光学 通道的参考光，第一个光学通道的物束光与参考光在全息底片8上重合，同时计算机2通过 D/A-A/D数据采集卡l、 二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内二维移动，形成一个 光学通道的通道全息图。
其余三个光学通道的参考光形成为第二全反镜M2反射光经第一参考光分束镜P2i透射 后，再依次透射第二参考光分束镜P22和第三参考光分束镜P23后，由第三全反镜M3反射形成 第四个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光经第一参考光分束镜P2h第二参考光 分束镜P22和第三参考光分束镜P23反射后形成第一至第三光学通道的参考光，所述三光学通 道记录全息的工作过程与第一光学通道相同，不再赘述。
四个光学通道在全息底片8记录的通道全息图拼合形成整个全息图。
权利要求
1.数字信息立体显示的多通道全息记录方法，该方法使用的装置包括D/A-A/D数据采集卡(1)、计算机(2)、视频分配器(3)、二维位移总成装置(4)和e个全息图像制作光学组件单元(5)，每个全息图像制作光学组件单元(5)具有f个光学通道，所述f个光学通道沿直线方向均布，e个全息图像制作光学组件单元(5)之间平行等距设置，e个全息图像制作光学组件单元(5)的光学通道组成e×f光学通道阵列，所述光学通道阵列与一个液晶空间光调制器(SLM)相对应，其特征在于，实现本发明方法包括以下步骤步骤一、在计算机(2)中将三维图像转换成a×b个不同视角的二维图像阵列，其中a和b为正整数；f个子图像，每个子图像对应全息底片(8)上的一个显示单元；形成的子图像阵列[Z11，Z12，…，Z1f；Z21，Z22，…，Z2f；…；Ze1，Ze2，…，Zef]，每个子图像具有M×N个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[D11，D12，…，D1N；D21，D22，…，D2N；…；DM1，DM2，…，DMIN]，其中，e、f、M和N为正整数；步骤三、计算机(2)将所述a×b个不同视角的二维图像阵列运算和合成处理获得e×f个光学通道的通道合成图像Pij，每个通道合成图像Pij由M×N个子合成图像Pxy组成，计算机(2)通过D/A-A/D数据采集卡(1)、二维位移总成装置(4)控制全息底片(8)做底片平面内二维移动，全息底片(8)每移动一次，每个光学通道通过视频分配器(3)在液晶空间光调制器(SLM)上显示一幅子合成图像Pxy，所述光学通道的输出记录在全息底片(8)上形成一个像素点，通过全息底片(8)的二维移动，使每个光学通道的输出遍历全息底片(8)上的对应显示单元中的所有像素点，全息底片(8)上的每个显示单元中第x行第y列的像素点的形成过程为计算机(2)通过D/A-A/D数据采集卡(1)控制e个全息图像制作光学组件单元(5)的电动快门(7)同时工作，全息图像制作光学组件单元(5)的激光器(6)输出的激光通过电动快门(7)输出，经单元分束镜分束后的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜透射后，由第一全反镜(M1)反射形成第f个光学通道的入射光，所述单元分束镜的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的入射光，f个光学通道入射光光强相同，每个光学通道的出射光形成物光束汇聚到全息底片(8)上，所述单元分束镜的分束反射光由第二全反镜(M2)反射，再依次经过f-1个参考光分束镜透射后，由第三全反镜(M3)反射形成第f个光学通道的参考光，所述第二全反镜(M2)反射光依次经过f-1个参考光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的参考光，f个参考光的光强相同，每个光学通道的物光束与其对应的参考光在全息底片(8)上重合，其中，1≥i≥e，1≥j≥f，1≥x≥M，1≥y≥N，每个光学通道按照上述方法同时在全息底片(8)上记录形成e×f个通道全息图，所述e×f个通道全息图拼合形成整个全息图。
2.根据权利要求l所述的数字信息立体显示的多通道全息记录方法，其特征在于，步骤一所述的不同视角的二维图像阵列的设置规则为水平方向取b个视角的二维图像，竖直方向取a个视角的二维图像，构成a行b列不同视角的二维图像阵列IVu,V12，'"，Vlb; V"，V22，…，V^…;V化V。，…，Vab]。
3.根据权利要求2所述的数字信息立体显示的多通道全息记录方法，其特征在于，步骤三所述的通道合成图像&J在液晶空间光调制器(SLM)上的显示规则液晶空间光调制器(SLM)按所述eXf光学通道阵列格局配置分布合成图像阵列[PnHf; P21，P22,"'，P2f;…；P+Pe^"^每个通道合成图像&j中的像素取自所有二维图像中与其坐标相对应的子图像々J ，通道合成图像^j的显示阵列为<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根据权利要求3所述的数字信息立体显示的多通道全息记录方法，其特征在于，每个通道合成图像^J中的V"^^①""的像素是通过下述方法获得的在二维图像"中的子图像^J中从左到右、从上到下的像素.xy，按从右到左、从下到上的顺序规则依次投射获得所述通道合成图像^j中的一个像素V"[^①"3，其中l》r》a， lSss2;b。
5.根据权利要求l所述的数字信息立体显示的多通道全息记录方法，其特征在于，步骤三所述的每个光学通道的出射光形成物光束的过程为每个光学通道入射光经扩束镜扩束形成扩束光，所述扩束光经第一凸透镜形成平行光入射到液晶空间光调制器(SLM)上，液晶空间光调制器(SLM)将所述平行光透射到第二凸透镜，并经所述第二凸透镜形成物光束汇聚到全息底片(8)上。
全文摘要
数字信息立体显示的多通道全息记录方法，属于图像处理领域，本发明是为了解决现有全息图单通道记录方法记录时间过长的问题。本发明方法包括以下步骤1.将三维图像转换成不同视角的二维图像阵列；2.将每幅二维图像按光学通道格局分割处理成子图像，3.运算处理子图像获得通道合成图像，在液晶空间光调制器SLM上显示，控制全息底片移动，每移动一次，每个光学通道显示一幅子合成图像，并在全息底片记录一个点，记录一个点的过程为激光器输出激光同时控制e个电动快门开启工作，光学通道同时记录，形成的物光束打在全息底片的一侧；另一部分激光打在全息底片的背面上，逐点记录，多个光学通道在全息底片上记录的通道全息图拼合形成整个全息图。
文档编号G03H1/12GK101661265SQ20091030791
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者于晓艳, 关承祥, 励强华, 孙文军, 飙 张, 王旭宏, 荣宪伟 申请人:哈尔滨师范大学