用于全息显示的三维场景信息的获取方法
【专利摘要】一种在自然光照明条件下利用彩色像感器用于全息显示的三维场景信息的获取方法，包括从彩色像感器拍摄的二维彩色照片中提取所拍三维场景相位的方法；所使用的像感器的参数：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、颜色滤波片阵列的排布方式、谱型谱宽；所采用的摄影镜头的参数：包括焦距、光圈大小。本发明与现有全息显示的三维场景获取技术相比，具有低散斑噪声、高分辨率和大景深的优点。
【专利说明】用于全息显示的三维场景信息的获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维场景信息获取，特别是一种在自然光照明条件下用于全息显示的 二维场景信息的获取方法。
【背景技术】
[0002] 全息显示是一种裸眼真三维显示技术，相比目前市场上比较成熟的助视或光栅式 三维显示技术，全息显示能够提供几乎接近于真实世界的3D图像，不存在显示机理与人眼 视觉生理之间的矛盾，使用户能在连续视点获得很好的3D视觉体验，被公认为是最理想的 3D显示技术之一。全息显示涉及若干个关键的核心技术：包括计算全息图的产生、高分辨 全息图载体（显示面板）以及用于全息显示的三维视频/图像的获取等等。这些均是本领 域的研究与技术人员应该重点考虑的问题。
[0003] 针对用于全息显示的真实世界三维场景信息的获取，当前的技术方案主要有以下 两种：
[0004] 1、全息照相法：利用干涉原理，将三维场景光波的振幅和相位信息都记录下来， 使物光波的全部信息（即场景的三维信息）都存储在数字化的记录介质如电荷耦合器件 (CCD)或互补金属氧化物半导体（CMOS)像感器中。由于在记录过程中需要用到相干性很好 的激光，所产生的激光散斑也会记录在全息图中，难以实现对大型场景的全息照相。
[0005] 2、集成成像法：利用微透镜阵列的各个子透镜对三维场景进行分视场成像，获得 相应的"元图像（element image)"，用像感器对这些元图像阵列进行成像可实现从多个不 同角度对该三维场景的记录。通过计算机对所记录的元图像阵列进行处理，可生成相应的 三维图像，然后便可把该三维图像编码成计算机产生全息图用于全息显示。
[0006] 利用集成成像技术来获取三维场景信息，并实现三维场景计算全息图制作的方案 虽能够利用自然光照明实现对较大物体的计算全息图制作，但由于集成成像技术中微透镜 阵列的使用，因而在全息图再现中引入了集成成像显示中固有的分辨率低和景深浅的问 题。
[0007] 近来，科研人员已为提高集成成像分辨率作出诸多努力[参见Optics letters,2012,37(24) :5103-5105 ；0ptics express,2004,12(19) :4579-4588 ；0ptical Engineering，2006,45(ll) :117004-117004-7.]。这些方案对于提高集成成像分辨率有一 定帮助，但是方案自身仍存在一定的缺陷。例如，1)通过构建一个距离投影面很近的虚拟 面，结合特定的插值算法，得到高密度采样的虚拟面并编码成计算机产生全息图可得到高 分辨率三维场景再现，但该方法得到三维场景景深较浅。2)在图像获取阶段通过移动透镜 阵列，获得较多的元素图像通过计算机拼接后再现高分辨率三维场景，但该方法对成像系 统稳定性要求较高，图像获取不便且景深较浅。
【发明内容】
[0008] 针对上述三维场景获取技术的不足，本发明公开一种在自然光照明条件下利用彩 色像感器用于全息显示的三维场景信息的获取方法。本发明具有低散斑噪声、高分辨率和 大景深等优点。
[0009] 本发明的技术解决方案如下：
[0010] 一种用于全息显示的三维场景信息获取方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0011] 1、首先确定所使用的像感器的参数：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、颜色滤波 片阵列的排布方式、颜色滤波片的光谱型状和宽度；所采用的摄影定焦镜头的参数：包括 焦距、光圈大小、共轭距；
[0012] 2、在自然光条件下，利用一台所述的彩色像感器对一个三维场景拍摄二维彩色图 像或视频；
[0013] 3、利用拍摄的二维彩色图像或视频获取用于全息显示的三维场景信息并进行显 示，步骤如下：
[0014] 1)根据彩色相机或摄像机的像感器的像素尺寸确定水平（X)方向和坚直（Y)方向 的采样间隔，分别记为Sx和Sy ;
[0015] 2)根据像感器的尺寸确定X方向和Y的采样数量，分别记为Μ和N;
[0016] 3)把所拍摄的二维离焦彩色图片或视频帧载入到计算机的缓存；
[0017] 4)从缓存读取一幅二维彩色图片或视频巾贞I (m，η)，其中m和η分别表示X和Υ方 向的离散坐标；
[0018] 5)从I (m，η)中提取红、绿、蓝三色光强分量，分别记为IJm，n)、Ig(m，η)和Ib(m， n)，其中下标r、g、b分别表示红、绿、蓝；
[0019] 6)根据像感器对红、绿、蓝三色光的量子效率曲线，对1>，n)、Ig(m，η)和I b(m， η)进行归一化处理；
[0020] 7)把1>，η)、1>，η)和Ib(m，η)输入到基于变换强度传输方程的相位求解器， 求解对应颜色通道（如绿色通道）图像平面上的相位Φ 8(πι，η);
[0021] 8)根据离焦量2，把18〇11，11)6邓[1(^( 111，11)]传回理想像面上，获得场景的准焦像 面上的三维场景的复振幅；
[0022] 9)把步骤8)所得到的三维场景的复振幅编码成计算机全息图；
[0023] 10)把所述的计算机全息图加载到空间光调制器上，用于全息显示；
[0024] 11)返回步骤4)，提取下一个视频帧；
[0025] 12)重复计算上述步骤5)-11)，直到要显示的视频计算完毕，或计算中断为止。
[0026] 所述的像感器的摄影镜头为定焦镜头；该像感器采样间隔在微米量级，采样数量 Μ > 4000, N > 2000,颜色滤波片阵列的排布方式通常为拜耳滤波片，具体参数视不同像感 器而有所不同；光谱宽度通常为可见光范围350nm-770nm，准确范围需根据像感器的量子 效率曲线而定。
[0027] 所述的二维彩色图片的载入、读取均由计算机程序完成，编程语言如C、C++等均 提供相应的程序接口可以直接调用，该操作为该领域技术人员所公知。
[0028] 所述的归一化处理的方法，是根据像感器得到的不同波长的光强信息结合像感器 的量子效率曲线，利用不同波长光强值和对应量子效率值之商，进一步得到不同波长的精 确光强信息。
[0029] 所述的相位求解器主要包含一种求解类似于传统强度传输方程的变换强度传输 方程的方法。
[0030] 所述的传统强度传输方程（Transport of Intensity Equation,简称为TIE) 是在旁轴近似下，光强I沿轴向变化与相位Φ (rp z)横向分布的关系，其数学描述为
【权利要求】
1. 一种用于全息显示的三维场景信息的获取方法，该方法利用的工具包括彩色像感 器、计算机、空间光调制器和激光光源，其特征在于：所述的彩色像感器的摄影镜头为定焦 镜头，照明条件为自然光照明，该方法包括下列步骤： 1、 首先确定所使用的像感器的参数：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、颜色滤波片阵 列的排布方式、颜色滤波片的光谱型状和宽度；所采用的摄影定焦镜头的参数：包括焦距、 光圈大小、共轭距； 2、 在自然光照明的条件下用一台所述的彩色像感器对一个三维场景拍摄二维彩色图 像或视频并输入所述的计算机； 3、 所述的计算机对所述的二维彩色图像或视频读取一幅二维彩色图片或视频帧I (m， η),提取红、绿、蓝三色光强分量，分别记为L(m,n)、Ig(m,n)和Ib(m,n),其中下标r、g、b分 别表示红、绿、蓝，其中m和η分别表示图片或视频帧I (m，η)的X和Y方向的离散坐标； 4、 利用下列变换强度传输方程（1)从I(m，η)中的数值求解相位（^并编码成计算机 产生全息图用于全息显示；
(1) 其4
r、g代表不同波长，I为光强，Ζ为离焦距离； 所述的利用变换强度传输方程求解相位并编码成计算机产生全息图用于全息显 示，包括以下具体步骤： 1) 根据彩色相机或摄像机的像感器的像素尺寸确定水平（X)方向和坚直（Υ)方向的采 样间隔，分别记为Sx和Sy ; 2) 根据像感器的尺寸确定X方向和Y的采样数量，分别记为Μ和N ; 3) 把所拍摄的二维离焦彩色图片或视频帧载入到计算机的缓存； 4) 从缓存读取一幅二维彩色图片或视频巾贞I (m，η)，其中m和η分别表示X和Υ方向的 离散坐标； 5) 从I (m，η)中提取红、绿、蓝三色光强分量，分别记为IJm，n)、Ig(m，η)和Ib(m，η)， 其中下标r、g、b分别表示红、绿、蓝； 6) 根据像感器对红、绿、蓝三色光的量子效率曲线，对1>，n)、1>，η)和Ib(m，η)进 行"归一化处理"； 7) 把1>，n)、Ig (m，η)和Ib (m，η)输入到基于变换强度传输方程的相位求解器，求解 对应颜色通道（如绿色通道）图像平面上的相位Φ8(πι，η); 8) 根据离焦量Ζ，把Ig (m，n) exp [I Φ g (m，η)]传回理想像面上，获得场景的准焦像面上 的三维场景的复振幅； 9) 把步骤8)所得到的三维场景的复振幅编码成计算机全息图； 10) 把所述的计算机全息图加载到空间光调制器上，用于全息显示； 11) 返回步骤4)，提取下一个视频帧； 12) 重复计算上述步骤5)-11)，直到要显示的视频计算完毕，或计算中断为止。
2.根据权利要求1所述的用于全息显示的三维场景信息的获取方法，其特征在于所 述的像感器的摄影镜头为定焦镜头；该像感器采样间隔在微米量级，采样数量Μ > 4000， N > 2000,颜色滤波片阵列的排布方式通常为拜耳滤波片，具体参数视不同像感器而有所 不同；光谱宽度通常为可见光范围350nm-770nm，准确范围需根据像感器的量子效率曲线 而定。
3. 根据权利要求1所述的用于全息显示的三维场景信息的获取方法，其特征在于所述 的求解相位的方法包括傅里叶求解法、多重网格法、格林函数法和泽尼克多项式法等多种 求解方法。
4. 根据权利要求1所述的用于全息显示的三维场景信息的获取方法，其特征在于所述 的红、绿、蓝三色光强分量的提取是利用像感器得到的不同波长的光强信息并结合像感器 的量子效率曲线进行"归一化处理"得到更精确光强信息的方法。
【文档编号】G03H1/04GK104090476SQ201410307063
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】岳伟瑞, 司徒国海 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所