合成全息體視圖技術(shù)研究進(jìn)展

　　摘要合成全息體視圖技術(shù)是三維顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)等各個行業(yè)。本文基于國內(nèi)外合成全息體視圖技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了該技術(shù)的基本寫入方法、像質(zhì)提升方法以及性能改善方法。首先介紹了基本寫入方法的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，歸納了其實(shí)現(xiàn)方法，并對現(xiàn)階段幾種主要方法的綜合性能進(jìn)行了簡要評價。圍繞合成全息體視圖的成像質(zhì)量與綜合性能兩個方面，總結(jié)了近年來改進(jìn)合成全息體視圖技術(shù)的較新進(jìn)展。最后得出結(jié)論并進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞全息;合成全息體視圖;三維顯示;研究現(xiàn)狀

　　1引言

　　合成全息體視圖技術(shù)是一種三維立體顯示技術(shù)，它結(jié)合光學(xué)全息原理[1]與人眼的雙目視差效應(yīng)[2]，用離散的波前近似復(fù)現(xiàn)原光場的三維信息。合成全息體視圖可視為多個全息單元構(gòu)成的二維陣列。全息寫入時，將帶有視差信息的圖像序列用光學(xué)全息的方法進(jìn)行逐個曝光， 在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)形成干涉條紋，形成全息單元。

　　三維論文范例：三維軟件設(shè)計(jì)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

　　全息再現(xiàn)時，每個全息單元都可視為獨(dú)立存在的子全息圖，它們會向空間復(fù)現(xiàn)出帶有原圖像信息的物光波前，觀察者在所有全息單元聯(lián)合復(fù)現(xiàn)的條件下觀察，雙眼便可接收到帶有視差的二維光場信息。人眼的雙目視差效應(yīng)彌補(bǔ)了二維圖像缺失的相位信息，也就是原光場的深度信息，形成三維顯示效果。正確的寫入方法是保證再現(xiàn)像滿足人眼視覺需求的關(guān)鍵。1967年，Pole[3]利用多幅二維圖像制作了反射式全息體視圖，實(shí)現(xiàn)了場景的三維顯示，但是由于用來采樣的透鏡陣列工藝欠佳，相鄰?fù)哥R的間隙較大，成像質(zhì)量嚴(yán)重退化。

　　1969年，DeBitetto[4]首次提出了水平視差合成全息體視圖的單步曝光方法，他利用可水平移動的長條形光闌限制光線的傳播，將采樣得到的水平視差圖像序列按順序依次寫入到光闌暴露出的區(qū)域(全息單元)中，實(shí)現(xiàn)了三維場景的再現(xiàn)。單步法中，相鄰全息單元中的縫隙被大大減小，較好地解決了Pole研究中成像不佳的問題。但是，觀察再現(xiàn)像時，人眼必須位于記錄介質(zhì)平面上，既緊貼全息圖表面觀察，當(dāng)遠(yuǎn)離該位置觀察時，再現(xiàn)像會出現(xiàn)透視畸變甚至消失。

　　1970年，King等[5]為了在白光下復(fù)現(xiàn)單步法的像，提出了合成全息體視圖的兩步轉(zhuǎn)移曝光方法。在打印出水平視差全息圖后，利用原參考光的共軛光照射主全息圖，獲得三維場景的贗實(shí)像，而后對贗實(shí)像進(jìn)行二次翻拍，獲得了可白光再現(xiàn)的轉(zhuǎn)移全息圖。兩步法將觀察平面限定在二次翻拍時的主全息圖所在平面上，使觀察更加方便，但是這種方法操作復(fù)雜，難度較大，不易實(shí)現(xiàn)。合成全息體視圖技術(shù)的誕生與發(fā)展，在傳統(tǒng)光學(xué)全息基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，為實(shí)現(xiàn)大幅面、廣視角場景的全息三維顯示提供了可行方法。國內(nèi)外研究學(xué)者對該技術(shù)進(jìn)行了大量有效的研究，取得了較為豐碩的成果，并已經(jīng)應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)等重要領(lǐng)域。

　　2合成全息體視圖的基本寫入方法

　　單步法與兩步法的出現(xiàn)為后續(xù)研究提供了可行思路。近年來，隨著科技手段迎來數(shù)字化進(jìn)程，計(jì)算機(jī)性能顯著提升，高質(zhì)量空間光調(diào)制器(SpatialLightModulator,SLM)得到不斷創(chuàng)新研發(fā),合成全息體視圖的寫入方法也從光學(xué)方案的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛刹蓸訄D像生成曝光圖像的算法。為獲得無畸變的高質(zhì)量再現(xiàn)像，Halle等[6]使用無窮遠(yuǎn)相機(jī)對三維場景進(jìn)行拍攝采樣，并模擬兩步轉(zhuǎn)移曝光方法，對采樣圖像的像素進(jìn)行分割重組處理，獲得了能夠直接用于曝光的圖像。

　　該方法被多次改進(jìn)，并始終用于制作高質(zhì)量全息體視圖。中國海洋大學(xué)王金城團(tuán)隊(duì)[7,8]結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件對該方法進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了大幅面全息體視圖的打印。M.Yamaguchi等[9]提出Lippmann法，該方法加載到顯示器上的圖像不是由相機(jī)采樣得到，而是利用計(jì)算機(jī)與圖像處理技術(shù)獲得。基于光線追蹤原理，由物點(diǎn)向全息單元中心進(jìn)行投影，投影直線與顯示器平面的交點(diǎn)即為對應(yīng)曝光圖像的像素點(diǎn)，進(jìn)而獲得了與全息單元對應(yīng)的曝光圖像。

　　H.Bjelkhagen等[10]提出直寫數(shù)字全息(Direct-WriteDigitalHolography,DWDH)法,該方法考慮空間中多平面之間像素的精確對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光線追蹤原理獲得了能夠直接用于曝光的圖像。2017年，本課題組提出了一種基于有效視差圖像分割與重組(EffectivePerspectiveImages’SegmentationandMosaicking，EPISM)的單步全視差全息體視圖打印方法[11]，該方法根據(jù)光的傳播規(guī)律和人眼的視錐效應(yīng)，利用有效視角圖像的分割和重組算法，得到曝光圖像。

　　3合成全息體視圖的像質(zhì)提升方法

　　3.1分辨率提升

　　合成全息體視圖由全息單元對三維場景進(jìn)行波前重構(gòu)，全息單元的尺寸是影響再現(xiàn)像分辨率的重要因素。Hong等[12]通過計(jì)算機(jī)仿真分析了全息單元尺寸對分辨率的影響機(jī)理，分析表明：不能通過無限減小全息單元尺寸的方法提高分辨率，進(jìn)而提出了全息單元交疊打印的方法，既在打印過程中位移平臺的步長小于全息單元尺寸，實(shí)現(xiàn)了再現(xiàn)像的高分辨率顯示。通過這種方法，能夠在不減小全息單元尺寸的條件下，打印出具有更高分辨率再現(xiàn)像的全息圖。

　　3.2畸變消除

　　合成全息體視圖的畸變問題，是指在寫入與再現(xiàn)過程中，圖像與原場景的透視關(guān)系有明顯偏差。研究表明：當(dāng)觀察傳統(tǒng)兩步法制作的全息體視圖再現(xiàn)像時，人眼所在位置的移動會導(dǎo)致圖像發(fā)生畸變甚至消失，前文所述的Halle等[6,21]提出的方法正是以解決透視畸變?yōu)榛�礎(chǔ)。為解決大幅面全息體視圖再現(xiàn)時的人眼移動會產(chǎn)生透視畸變的問題，Halle等提出了無窮遠(yuǎn)相機(jī)法與透視分割法，其本質(zhì)都是對采樣圖像進(jìn)行分割重組，人眼觀察的再現(xiàn)像可以認(rèn)為是多個像素塊的拼接而成。這兩種方法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

　　在全息單元寫入時，曝光系統(tǒng)中不理想透鏡的應(yīng)用會導(dǎo)致再現(xiàn)像的徑向畸變，影響視覺感受。Park等[22]對全視差合成全息體視圖進(jìn)行了數(shù)值重構(gòu)，并將徑向畸變問題考慮在內(nèi)，主動在曝光圖像中加入一定的畸變因子k。而后用結(jié)構(gòu)相似度與峰值信噪比兩種指標(biāo)，對無畸變圖像的數(shù)值重構(gòu)結(jié)果與帶有畸變因子的數(shù)值重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行了像質(zhì)的對比評價。該方法能夠在實(shí)施曝光前預(yù)測畸變程度，為圖像預(yù)處理消除畸變提供依據(jù)。圖5展示了加入畸變因子圖像的前后對比，與兩種指標(biāo)的評價結(jié)果。

　　4合成全息體視圖的性能改善方法

　　4.1光場數(shù)據(jù)的高效采集

　　光場數(shù)據(jù)的采集，是實(shí)現(xiàn)合成全息體視圖顯示的第一步，以全視差的光場數(shù)據(jù)采集為例，多用透鏡陣列或運(yùn)動相機(jī)[26，27]實(shí)現(xiàn)，這兩種方式簡單實(shí)用，可以基本滿足小幅面場景的少量采集需求，但是對于較大幅面場景的大量數(shù)據(jù)采集不再適合。為了解決這一問題，近年來，視圖合成技術(shù)[28]開始被應(yīng)用于合成全息體視圖的數(shù)據(jù)采集中，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維場景的任意虛擬視點(diǎn)的生成。BarakKatz等[29]使用特定卷積核生成了兩幅圖像對應(yīng)的垂直邊緣圖像，而后對虛擬視點(diǎn)圖像進(jìn)行仿射變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了虛擬視點(diǎn)圖像的合成。

　　這種方法有兩點(diǎn)不足：一是不適用于復(fù)雜場景，二是只能合成已知的兩視點(diǎn)之間的視圖，不能對未采集區(qū)域進(jìn)行預(yù)測生成。Gilles等[30]提出了一種“多視角+深度(MultiviewplusDepth，MVD)”的場景數(shù)據(jù)獲取方法，首先獲取不同視角圖像和相應(yīng)的深度圖，然后利用MVD數(shù)據(jù)將原三維場景重建為分層點(diǎn)云，進(jìn)而成功渲染了新視點(diǎn)圖像。最近，F(xiàn)achada等[31]有了新進(jìn)展，其所在研究團(tuán)隊(duì)利用基于深度圖像的渲染(DeepImagesBasedRendering,DIBR)算法[32]，在只輸入4幅RGBD圖像(三通道彩色圖像及其對應(yīng)的深度圖像)的條件下，獲得了高質(zhì)量的虛擬視點(diǎn)圖像，大大減少了實(shí)際采樣量，并且同步實(shí)現(xiàn)了真實(shí)場景與計(jì)算機(jī)三維模型的數(shù)據(jù)采集，最終打印的全息圖效果良好。

　　5結(jié)論及展望

　　合成全息圖技術(shù)是近年來國內(nèi)外三維顯示領(lǐng)域的熱點(diǎn)，大量研究在總結(jié)當(dāng)前該技術(shù)存在問題的同時，相繼提出了有效可行的解決方法。本文回顧了合成全息體視圖的發(fā)展歷程，簡要介紹了合成全息體視圖技術(shù)的基本寫入方法，并對近年來該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，相關(guān)研究成果可以應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域中�，F(xiàn)階段，合成全息體視圖技術(shù)仍停留在小物體或計(jì)算機(jī)三維模型的寫入與再現(xiàn)，仍然難以做到超大幅面場景的全息顯示。

　　限制這一發(fā)展的原因，在于針對大幅面場景的規(guī)則采樣較為困難。另外，對大型全息記錄介質(zhì)的顯影、定影、脫水、漂白等處理也較為不便。因此，將新型技術(shù)引入合成全息體視圖技術(shù)中，研究新的、更加符合實(shí)際的數(shù)據(jù)獲取方法，研制干涉性能強(qiáng)、衍射效率高、工藝處理簡單的真彩色記錄介質(zhì)，提升其綜合性能將是下一步的主要發(fā)展方向。

　　近年來，各種科技的不斷突破，為合成全息體視圖技術(shù)的進(jìn)步提供了新思路。人工智能、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)可以為合成全息體視圖的數(shù)據(jù)獲取提供新的方法來源;新興材料、電子集成技術(shù)的深入研究為全息記錄介質(zhì)及光學(xué)元件的研制方式創(chuàng)造了無限遐想，并且有望實(shí)現(xiàn)。不久的將來，合成全息體視圖技術(shù)將在科學(xué)研究與生產(chǎn)生活中得到更為廣泛的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]GaborD.Anewmicroscopicprinciple[J].Nature.1948,161(4098):777-778.

　　[2]QianN.BinocularDisparityandthePerceptionofDepth[J].Neuron.1997,18(3):359-368.

　　[3]PoleRV.3-DImageryAndHologramsOfObjectsIlluminatedInWhiteLight.AppliedPhysicsLetters.1967;10(1):20-21.

　　[4]DeBitettoDJ.Holographicpanoramicstereogramssynthesizedfromwhitelightrecordings[J].AppliedOptics.1969,8(8):1740-1741.

　　[5]KingMC,NollAM,BerryDH.ANewApproachtoComputer-GeneratedHolography[J].Appliedoptics,1970,9(2):471-475.

　　作者：劉云鵬1，劉新蕾1，王晨卿1，荊濤1，汪熙1，屈強(qiáng)1，蔣曉瑜1，閆興鵬

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///dzlw/26121.html