本發(fā)明屬于全息術(shù)領(lǐng)域，具體涉及合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法。

背景技術(shù)：

全息術(shù)能夠提供真三維顯示效果，是應(yīng)用前景最佳的立體顯示技術(shù)。全息體視圖技術(shù)是利用人眼分辨率有限的特點(diǎn)，將全息術(shù)與雙目視差原理相結(jié)合，以解決傳統(tǒng)全息術(shù)大數(shù)據(jù)量這一弊端的一種全息技術(shù)。合成全息體視圖打印方法的基本原理是利用空間光調(diào)制器，加載并投射出多幅視角圖片，分別與參考光干涉，將干涉條紋曝光記錄于分塊的全息介質(zhì)上，形成若干個全息單元(Hogel)，全息再現(xiàn)時，當(dāng)人的雙眼處于適當(dāng)位置時，將會觀察到不同的視角圖片，從而產(chǎn)生立體感覺。靜態(tài)全息體視圖最先由美國的麻省理工學(xué)院(MIT)研制成功，目前已廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。

目前，學(xué)者們提出了較多的合成全息體視圖打印輸出系統(tǒng)(CN105223795A，Keehoon Hong et al.，Resolution enhancement of holographic printer using a hogel overlapping method，Opt.Express21，14047-14055(2013)；X.W.Rong et al.，Multichannel holographic recording method for three-dimensional displays，Appl.Opt.50，77-80(2011)；M.Yamaguchi，Ray-based and wavefront-based holographic displays for high-density light-field reproduction，SPIE8043(2011)；萬遠(yuǎn)紅，等，一種三維全息圖圖的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，光子學(xué)報39，1268-1271(2010))，以上方法可歸納總結(jié)為兩類，一類是兩步轉(zhuǎn)換法，即首先拍攝菲涅爾全息圖母板，再由母板翻拍至轉(zhuǎn)移干板，母板翻拍的目的是為了獲得全息再現(xiàn)像凸出于全息記錄介質(zhì)的觀察效果；另一類是MIT使用的無限遠(yuǎn)相機(jī)法，首先將視角圖片分割組合成視差圖片，再進(jìn)行一步打印，可直接獲得全息再現(xiàn)像凸出于全息記錄介質(zhì)的觀察效果。兩步轉(zhuǎn)換法光路復(fù)雜，在保證同樣的觀察視角時，母板的尺寸需遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)移干板的尺寸；無限遠(yuǎn)相機(jī)法再現(xiàn)像的分辨率較低，其分辨率是由視角圖片的采樣數(shù)所決定的。

為解決以上兩種方法存在的不足，本發(fā)明提出一種新的合成全息體視圖打印方法，即合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法，既能夠一步完成全息體視圖的打印，又可以獲得高分辨率的再現(xiàn)圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法，可一步完成全息打印，并獲得高分辨率的再現(xiàn)圖像。

本發(fā)明是基于光線追擊原理，模擬光在傳播過程中的走向和人眼視線的錐狀放射觀察效果，通過對視角圖片的分割重組，來提取特定視點(diǎn)所能接收到的圖片信息，進(jìn)而獲得用于一步打印的圖像。將某一視點(diǎn)所能觀察到的圖像信息用來代替該視點(diǎn)周圍一正方形區(qū)域內(nèi)的全部信息，即全息單元，全息單元逐行逐列曝光后即可完成全息打印。實(shí)現(xiàn)該方法時，為方便理解，可將其設(shè)想為兩步轉(zhuǎn)換法的等效過程，直接求得需要打印到轉(zhuǎn)移干板上的視角圖片，稱母板為H₁干板，轉(zhuǎn)移干板為H₂干板。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法，其特征在于包括下述步驟：

第一步，系統(tǒng)參數(shù)的確定。

確定H₁干板、H₂干板與空間光調(diào)制器的距離，H₁干板與H₂干板的全息單元數(shù)及全息單元尺寸，觀察視角等系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)需要與空間光調(diào)制器的真實(shí)尺寸、最終搭建的激光打印光路等實(shí)驗(yàn)條件相對應(yīng)。

第二步，視角圖片的采樣。

利用建模軟件中的簡單相機(jī)采集視角圖片，采樣數(shù)與采樣間隔分別等于H₁干板的全息單元數(shù)和全息單元尺寸，相機(jī)的視場角等于H₁干板上全息單元與其對應(yīng)視角圖片的張角。

第三步，視角圖片的分割重組。

根據(jù)光線追擊原理和系統(tǒng)參數(shù)，針對H₂干板的每個全息單元，將對其有所貢獻(xiàn)的全部視角圖片分割重組，得到H₂干板各全息單元的合成視角圖片。

第四步，全息體視圖的曝光打印。

向空間光調(diào)制器依次加載各幅合成視角圖片，攜帶圖片信息的物光光束在H₂干板相應(yīng)位置處與參考光光束干涉，形成全息條紋并被記錄，得到靜態(tài)全息體視圖。

本發(fā)明所提出的合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法，其核心在于視角圖片的分割重組算法，相比傳統(tǒng)的合成全息體視圖打印方法，該方法光路簡單，再現(xiàn)像分辨率高。

附圖說明

實(shí)施例圖：

本發(fā)明提供的合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法的附圖有6個。

圖1合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法的流程圖。

圖2基于光線追擊法的視角圖片分割重組算法的原理圖。

圖3基于簡單相機(jī)法的視角圖片采樣的原理圖。

圖4視角圖片分割重組的具體實(shí)現(xiàn)算法。

圖5合成全息體視圖曝光打印光路的示意圖。

圖6合成全息體視圖的光學(xué)再現(xiàn)效果。

圖1～圖5中，(1)-H₁干板，(2)-LCD屏，(3)-H₂干板，(4)-場景，(5)-相機(jī)，(6)-光源，(7)-快門，(8)-偏振分光棱鏡，(9)-空間濾波器，(10)-準(zhǔn)直透鏡，(11)-漫反射屏，(12)-孔徑光闌，(13)-全息記錄介質(zhì)，(14)-位移平臺，(15)-平面反射鏡，(16)-計(jì)算機(jī)。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明“合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法”實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明提供的合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法的流程圖。包括系統(tǒng)參數(shù)的確定、視角圖片的采樣、視角圖片的分割重組和全息體視圖的曝光打印四個步驟。

第一步是系統(tǒng)參數(shù)的確定。

圖2為基于光線追擊法的視角圖片分割重組算法的原理圖。為方便說明，我們將立體空間簡化到二維平面，定義如圖所示的o-xz坐標(biāo)系，選擇液晶顯示屏(LCD)作為空間光調(diào)制器。沿Z軸平行放置H₁干板(1)、LCD屏(2)和H₂干板(3)，H₁干板(1)與LCD屏(2)的距離為L₁，LCD屏(2)與H₂干板(3)的距離為L₂，假設(shè)H₁干板(1)與H₂干板(3)上的全息單元尺寸分別為l₁與l₂，H₁干板(1)所能提供的觀察視角為θ，可以求出對于H₂干板(3)上任意觀察點(diǎn)O，H₁干板(1)的有效長度部分l_MN，及該部分對應(yīng)的全息單元數(shù)，如圖2所示，有

對應(yīng)的全息單元數(shù)為

若H₂干板(3)的全息單元數(shù)為N_H2，則H₁干板的全息單元數(shù)為

假設(shè)觀察點(diǎn)O正對著的H₁干板(1)的全息單元為Hogel0，它對應(yīng)的LCD屏(2)為AB段，根據(jù)光線追擊原理，AB段中僅有CD部分是有效的，該部分信息會傳遞到O點(diǎn)；同理，對于Hogel0下方的Hogel1，它對應(yīng)的LCD屏(2)為A′B′段，A′B′段中僅有DE部分是有效的。以此類推，將O點(diǎn)觀察視角內(nèi)H₁干板(1)所有全息單元的有效部分提取并拼接起來，得到O點(diǎn)的觀察圖像，曝光打印到H₂干板(3)上以O(shè)點(diǎn)為中心的全息單元處，H₂干板(3)其余全息單元的合成視角圖片采用相同方式獲得，將以上方法稱為基于光線追擊法的視角圖片分割重組算法。

第二步是視角圖片的采樣。

圖3為基于簡單相機(jī)法的視角圖片采樣的原理圖。利用建模軟件采集場景(4)的若干視角圖片，相機(jī)(5)沿相機(jī)平面運(yùn)動，鏡頭垂直于運(yùn)動軌跡拍攝場景(4)，相機(jī)的采樣間距與H₁干板(1)的全息單元尺寸一致，即l₁，采樣數(shù)與H₁干板(1)的全息單元數(shù)一致，即N_H1，相機(jī)的視場角為θ′，該值應(yīng)等于圖2中LCD屏(2)相對于H₁干板(1)全息單元的張角，l_LCD表示LCD屏(2)的尺寸，則有

第三步是視角圖片的分割重組。

圖4為視角圖片分割重組的具體實(shí)現(xiàn)算法。為方便說明，圖4包括(a)、(b)兩部分，(a)是沿視線方向的側(cè)視圖，(b)是沿視線方向的正視圖，并且增加了Hogel對應(yīng)LCD屏(2)的圖像部分，建立空間坐標(biāo)系o-xyz，由H₁干板(1)向H₂干板(3)看過去，H₁干板(1)首行首列全息單元的左上頂點(diǎn)的坐標(biāo)為(0，0，0)，z軸的正方向是垂直于H₁干板(1)指向H₂干板(3)的方向，x軸的正方向是沿H₁干板(1)縱軸且豎直向下的方向，y軸的正方向是沿H₁干板(1)橫軸且垂直向里的方向，o-xy平面與z軸構(gòu)成左手系。圖4(a)中，O點(diǎn)表示位于H₂干板(3)的某個觀察點(diǎn)，坐標(biāo)值為(x₀，y₀，z₀)，人眼視線為錐形放射狀，假設(shè)去觀察H₁干板(1)上的全息單元ABCD，視線穿過LCD屏(2)時，在LCD屏(2)上截取的范圍為A′B′C′D′，A′B′C′D′的z軸坐標(biāo)值為z₁，圖2與圖4相對應(yīng)，存在L₁＝|z₁|，L₂＝|z₀-z₁|。圖4(b)中，全息單元ABCD位于向它投射視角圖片的LCD屏(2)的正中心，視角圖片的邊界記為A″B″C″D″，像素數(shù)為N×N?？汕蟪鯝′B′C′D′截取A″B″C″D″中的有效像素部分，同理提取H₁干板(1)其余全息單元的有效像素，拼接組合后得到O點(diǎn)最終的觀察效果圖，即合成視角圖片。由于LCD屏(2)的尺寸與所加載的視角圖片的像素數(shù)是一定的，則單位長度內(nèi)的像素數(shù)也是確定的，而ABCD與A″B″C″D″又是共中心點(diǎn)的，因此可采用定位中心點(diǎn)的方法計(jì)算有效像素部分。

H₂干板(3)第n行，第m列全息單元的坐標(biāo)分別：A(nl₁-l₁，ml₁-l₁，0)，B(nl₁，ml₁-l₁，0)，C(nl₁，ml₁，0)，D(nl₁-lx，ml₁，0)，中心點(diǎn)坐標(biāo)為即

由相似三角形，得A″B″C″D″的邊長為

xoz平面內(nèi)，直線OP′P過(x₀，z₀)和兩點(diǎn)，直線方程為：當(dāng)z＝z₁時，

yoz平面內(nèi)，直線OP′P過(y₀，z₀)和兩點(diǎn)，直線方程為：當(dāng)z＝z₁時，

因此，P′點(diǎn)坐標(biāo)為

已知P點(diǎn)的x軸坐標(biāo)及LCD屏(2)尺寸l_LCD，得A″點(diǎn)的x軸坐標(biāo)

已知P′點(diǎn)的x軸坐標(biāo)及得A′點(diǎn)的x軸坐標(biāo)

A′點(diǎn)與A″點(diǎn)在x軸方向的距離為同理，A′點(diǎn)與A″點(diǎn)在y軸方向的距離為

再將空間坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成視角圖片的像素坐標(biāo)值，視角圖片為N×N像素，LCD屏(2)尺寸為l_LCD，則單位長度對應(yīng)的像素數(shù)為令視角圖片A″點(diǎn)的像素坐標(biāo)值為(1，1)，求得A′、B′、C′、D′各點(diǎn)的像素坐標(biāo)值

將各全息單元對應(yīng)A′、B′、C′、D′之間的像素截取并拼接后，得到觀察點(diǎn)O(x₀，y₀，z₀)處的合成視角圖片。

第四步是合成全息體視圖的曝光打印。

圖5為合成全息體視圖曝光打印光路的示意圖。向LCD屏(2)上依次加載步驟三得到的合成視角圖片，光源(6)經(jīng)快門(7)和偏振分光棱鏡(8)后分成兩束光，一路作為物光光束，經(jīng)空間濾波器(9)和準(zhǔn)直透鏡(10)后照射LCD屏(2)，物光信息經(jīng)漫反射屏發(fā)散(11)后，照射全息記錄介質(zhì)(13)，全息記錄介質(zhì)(13)前方的孔徑光闌(12)保持靜止，控制位移平臺(14)，帶動全息記錄介質(zhì)(13)沿X軸和Y軸分別運(yùn)動；另一路作為參考光光束，相繼通過平面反射鏡(15)、空間濾波器(9)和準(zhǔn)直透鏡(10)后，從與物光光束相反的一側(cè)照射全息記錄介質(zhì)(13)，與物光光束干涉，形成全息條紋。計(jì)算機(jī)(16)同時控制快門(7)、位移平臺(14)，并向LCD屏(2)加載視角圖片。

搭建全息打印光路時LCD屏(2)與全息記錄介質(zhì)(13)的距離應(yīng)等于圖2中L₂保持一致，位移平臺的移動步長應(yīng)于圖2中H₂干板(3)的全息單元尺寸l₂保持一致。

需要注意的是，由于視角圖片的采樣方位與O點(diǎn)的觀察方位是相反的，步驟三得到的合成視角圖片應(yīng)首先進(jìn)行水平向翻轉(zhuǎn)，再加載至LCD屏(2)。

圖6為合成全息體視圖的光學(xué)再現(xiàn)效果。根據(jù)計(jì)算模型，茶壺應(yīng)凸出于全息記錄介質(zhì)(13)11.4cm的位置，為清晰描述，在全息記錄介質(zhì)前11.4cm的位置處放置一刻度尺，當(dāng)相機(jī)聚焦茶壺前表面時，拍照如圖6(a)所示，此時刻度尺也清晰，當(dāng)相機(jī)聚焦全息記錄介質(zhì)(13)時，拍照如圖6(b)所示，此時全息記錄介質(zhì)(13)清晰。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。