專利名稱：三維數(shù)字全息光子地圖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維地理信息顯示和計(jì)算全息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠顯示三維地形的數(shù)字全息光子地圖。
背景技術(shù)：
近年來，社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展和人民生活水平的日益提高，使得實(shí)際應(yīng)用中對空間地理信息的感知不斷提出新的要求。無論在軍事上的戰(zhàn)場精確打擊和城市反恐，還是在日常生活中的交通擁塞疏導(dǎo)和地理信息導(dǎo)航，全視差、多角度的裸眼真三維地形信息圖都成為人們的迫切需要。目前公知的地圖學(xué)，是一種平面二維的制圖學(xué)。如常規(guī)的紙質(zhì)和電子地圖，只是地形信息在平面上的表象，缺乏地形的三維表示和空間立體感；而近期飛速發(fā)展的三維虛擬電子地圖，利用透視關(guān)系，在屏幕上顯示三維地理信息一個(gè)視角上的二維投影圖像，缺乏三維直觀性，降低了人眼觀察的舒適度，而且由于投影和透視計(jì)算，地物有顯示誤差，同樣不能有效地滿足科技發(fā)展對三維地理信息精確顯示的需求。在三維全息地圖方面,美國麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的Mark Lcucente小組提出了基于Hogel技術(shù)的空間光場再現(xiàn)方法，由于采用光場復(fù)振幅實(shí)部作為基本衍射條紋，因此再現(xiàn)過程中存在共軛像的干擾；美國Zebra Imaging公司實(shí)現(xiàn)了三維模型的全息地圖，但是其技術(shù)細(xì)節(jié)從未公開。同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)尚未有文獻(xiàn)報(bào)道?！せ谶@種情況，本發(fā)明提供了一種三維全息光子地圖，既具備紙質(zhì)和電子地圖的精確性，又具有適于人眼觀察的三維直觀性和空間立體感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠再現(xiàn)三維地形的數(shù)字全息光子地圖板。關(guān)鍵技術(shù)在于將地圖地形地貌特征建模為空間三維點(diǎn)集，通過逆向衍射全息技術(shù)計(jì)算數(shù)字全息圖，寫入全息記錄介質(zhì)，在再現(xiàn)光源照射下重現(xiàn)逼真、立體的三維地形圖。本發(fā)明的特征在于，一種用于顯示三維地形的數(shù)字全息光子地圖板，包含再現(xiàn)光源；全息圖記錄介質(zhì)；三維地形信息采集與計(jì)算全息圖激光寫入系統(tǒng)；其中三維地形信息采集與計(jì)算全息圖激光寫入系統(tǒng)包括地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、全息圖計(jì)算裝置、全息寫入系統(tǒng)。再現(xiàn)光源與全息圖計(jì)算所采用的光源具有相同波長，既可以是白光光源，也可以是單色光源；全息圖可以是反射型全息圖，也可以是透射型全息圖或者模壓全息圖。所述地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集三維地形信息功能，可以是利用點(diǎn)掃描、線掃描、面陣的圖像傳感器實(shí)現(xiàn)三維地形信息獲取的裝置，也可以是從虛擬三維模型中獲得地形信息的軟件系統(tǒng)。所述全息圖計(jì)算裝置采用基于數(shù)字衍射光柵的全息圖計(jì)算方法，根據(jù)不同的衍射角度基于迭代傅里葉變換算法獲得不同頻率的基本數(shù)字衍射光柵，多條數(shù)字衍射光柵疊加組成光子地圖板的一個(gè)全息衍射單元。算法迭代運(yùn)算在全息面和衍射面之間進(jìn)行，生成的數(shù)字衍射光柵取其相位，組成純相位型全息圖。相位型基本衍射光柵衍射效率高,克服了普通光學(xué)全息中共軛像難以分離的問題。所述全息圖計(jì)算裝置中，光點(diǎn)的衍射功能單元分配采用查找表的方法。即根據(jù)光點(diǎn)與光子地圖板的空間位置關(guān)系，預(yù)先計(jì)算三維地形數(shù)據(jù)的衍射單元分配表，克服了逐個(gè)計(jì)算光點(diǎn)的衍射單元耗時(shí)長的問題，提高了計(jì)算效率和干涉條紋的生成速度。另外，在衍射單元分配表的計(jì)算中采用低頻優(yōu)先的原則，即空間光點(diǎn)最優(yōu)化地使用功能衍射單元的低頻數(shù)字光柵。此種優(yōu)化使數(shù)字光柵的低頻部分得到最充分的利用，再現(xiàn)光的光能利用效率得到提高。對三維地圖的每個(gè)光點(diǎn)查找衍射分配表，獲得該光點(diǎn)的功能衍射單元和衍射方向分配，根據(jù)光點(diǎn)亮度對其進(jìn)行強(qiáng)度賦值。所述全息圖記錄介質(zhì)是具有記錄計(jì)算全息圖功能的介質(zhì)材料，可以是鹵化物銀鹽干版和聚合物干版，也可以是空間光調(diào)制器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明提供的三維地形信息采集與寫入系統(tǒng)和三維光子地圖板能夠快速將三維地形信息轉(zhuǎn)化為全息干涉條紋，在再現(xiàn)系統(tǒng)下顯示地形的空間三維信息，同時(shí)可以方便在地圖中標(biāo)繪數(shù)據(jù)信息，達(dá)到全視角、高精度、形象逼真的三維立體地圖顯示效果。


本發(fā)明三維全息光子地圖板的附圖有4個(gè)。圖I三維全息光子地圖板第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2三維全息光子地圖板第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3純相位基本數(shù)字衍射光柵迭代計(jì)算簡圖。圖4數(shù)字全息圖計(jì)算過程框圖。圖I 圖4中，(I)-再現(xiàn)光源，⑵-全息圖記錄介質(zhì)，(3)-地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，
(4)-全息圖計(jì)算裝置、(5)-全息寫入系統(tǒng)、(6)-激光器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明“三維全息光子地圖板”做進(jìn)一步描述。圖I為本發(fā)明提供的三維光子地圖板的第一個(gè)實(shí)施例，由再現(xiàn)光源⑴、全息圖記錄介質(zhì)(2)、地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)和全息圖計(jì)算裝置⑷組成。再現(xiàn)光源⑴是白光或者是單色光源，再現(xiàn)光源的選擇由全息圖計(jì)算裝置(4)決定，與全息圖計(jì)算裝置所采用的光源波長相同。在該例中，全息圖記錄介質(zhì)(2)選擇液晶空間光調(diào)制器，該器件在空間上調(diào)制光的強(qiáng)度和相位分布，是一種動(dòng)態(tài)光學(xué)元件，具有較高的衍射效率和可刷新性。地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)包含多個(gè)點(diǎn)掃描、線掃描、或者面陣的圖像傳感器。圖像傳感器采用在三維地形上移動(dòng)，或者架設(shè)在地形上方不同方向的方法拍攝，獲得三維地形一系列從左到右、從上到下的透視圖像。每一幅獲取的圖像對應(yīng)三維物體的一個(gè)視覺角度，每一個(gè)角度對應(yīng)一個(gè)圖像傳感器位置。地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)或是從地形虛擬三維模型軟件系統(tǒng)中獲得三維地形的多角度二維圖像。運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法SfM在多角度序列圖像中跟蹤三維地形的多個(gè)特征點(diǎn)，提取并匹配出所有特征點(diǎn)在二維圖像上的位置，利用矩陣分解的·方法在三維空間中做相似變換，恢復(fù)地形的三維結(jié)構(gòu)，獲得地形的三維點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。在三維點(diǎn)陣數(shù)據(jù)中可根據(jù)需要加入相應(yīng)的地圖信息，如行政邊界、地名、建筑物名稱信息，使其具有數(shù)據(jù)表示和地理指示功能。全息圖計(jì)算裝置(4)根據(jù)逆向衍射計(jì)算全息算法獲得三維全息圖。傳統(tǒng)的全息圖計(jì)算方法是基于干涉的全息圖計(jì)算，模擬在光學(xué)全息中的干涉環(huán)節(jié)，計(jì)算物光與參考光的干涉條紋作為全息圖。數(shù)字全息圖的實(shí)際作用是調(diào)制再現(xiàn)光產(chǎn)生三維圖像，再現(xiàn)過程是對光線的衍射，并不涉及干涉過程。逆向衍射計(jì)算全息技術(shù)僅僅考慮全息圖的衍射再現(xiàn)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)全息圖中的干涉條紋視為具有特定衍射功能的數(shù)字光柵，全息圖的計(jì)算過程簡化為由三維場景的點(diǎn)陣信息逆向求取數(shù)字衍射光柵的過程。具體實(shí)施方法為三維地形的每個(gè)點(diǎn)由全息圖中多個(gè)不同位置衍射單元中的基本數(shù)字光柵衍射光線匯聚而成。根據(jù)地形中目標(biāo)點(diǎn)與全息圖的相對位置關(guān)系，計(jì)算形成該點(diǎn)的衍射單元和基本衍射光柵，并對該衍射單元中的對應(yīng)光柵進(jìn)行強(qiáng)度賦值。對三維地形的所有點(diǎn)逐一掃描后，賦值的衍射單元形成三維數(shù)字全息圖。計(jì)算的全息圖由計(jì)算機(jī)直接下載到空間光調(diào)制器中，在再現(xiàn)光源照射下重構(gòu)三維地形。由于空間光調(diào)制器具有動(dòng)態(tài)寫入特性，可以實(shí)現(xiàn)全息圖的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。
圖2為本發(fā)明提供的三維光子地圖板的第二個(gè)實(shí)施例，其特征為，全息圖記錄介質(zhì)為鹵化物銀鹽干版或者聚合物干版，其分辨率可以達(dá)到1000線/mm以上，因此該記錄介質(zhì)可以體現(xiàn)三維地圖微小的空間形貌特征，具有極高的分辨率和精度。銀鹽干版或者聚合物干版需要采用激光器(6)逐點(diǎn)寫入的方式，具有不可刷新性。銀鹽干版或者聚合物干版寫入全息圖后，表面加有玻璃構(gòu)成的透明層，上面印有地圖信息對應(yīng)的行政邊界、地名、建筑物名稱信息，具有標(biāo)繪地物和保護(hù)全息圖的功能。圖3所示為全息圖計(jì)算裝置(4)中純相位基本數(shù)字衍射光柵的迭代計(jì)算過程。不同頻率的基本數(shù)字光柵對光的衍射方向不同低空間頻率的數(shù)字光柵對光的衍射角小，高空間頻率的數(shù)字光柵對光的衍射角大。每個(gè)基本數(shù)字衍射光柵將再現(xiàn)光調(diào)制到衍射光場的一個(gè)方向，多個(gè)方向的衍射光線匯聚形成三維地形的一個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)衍射原理，遠(yuǎn)場夫瑯禾費(fèi)衍射中，衍射面與全息面之間滿足傅里葉變換關(guān)系，其中，傅里葉變換的時(shí)域代表基本數(shù)字光柵的條紋分布，頻域代表數(shù)字光柵的衍射方向。因此，利用迭代傅里葉變換的方法計(jì)算基本數(shù)字衍射光柵。實(shí)施方法為由隨機(jī)函數(shù)生成光柵u(x)，傅里葉變換到頻域后，對光柵的衍射方向施加約束，即施加頻率約束給V( Θ );傅里葉逆變換到空域后，加入再現(xiàn)光的幅值約束，即施加空間約束給U(X)，反復(fù)迭代至光柵頻譜特性滿足要求。取此時(shí)的復(fù)振幅U(X)的相位Φ作為純相位基本數(shù)字衍射光柵，具有無共軛像和衍射效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖4所示為三維數(shù)字全息圖計(jì)算過程。為了提高數(shù)字全息圖的計(jì)算速度，算法采用衍射單元分配查找表方法。實(shí)施方法為根據(jù)地形三維空間結(jié)構(gòu)中光點(diǎn)與全息面的位置關(guān)系，計(jì)算衍射形成該點(diǎn)的衍射單元和基本衍射光柵，放入一個(gè)表中。計(jì)算全息圖的過程中，根據(jù)點(diǎn)的位置查找該表獲得衍射單元和基本衍射光柵分配，直接對基本衍射光柵的強(qiáng)度賦值，避免了求解衍射單元和基本衍射光柵過程中的重復(fù)運(yùn)算。三維數(shù)字全息圖計(jì)算實(shí)施過程為地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)獲得三維地形的多角度二維圖像，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法SfM重構(gòu)地形的三維結(jié)構(gòu)信息。地形三維結(jié)構(gòu)信息離散為空間光點(diǎn)，提取其坐標(biāo)(x，y，z)和強(qiáng)度Μ?？臻g光點(diǎn)坐標(biāo)y作為衍射單元序列的行坐標(biāo)，利用空間光點(diǎn)坐標(biāo)X，z查找衍射單元分配表，獲得衍射單元分配及系數(shù)，系數(shù)與強(qiáng)度M相乘決定分配的衍射單元與光柵的幅值。遍歷三維模型所有光點(diǎn)后，衍射單元序列與附圖3實(shí)例計(jì)算的純相位基本數(shù)字衍射光柵卷積 運(yùn)算，獲得三維地形的全息圖。
權(quán)利要求
1.一種能夠顯示三維地形的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，至少含有再現(xiàn)光源(I)、全息圖記錄介質(zhì)(2)、三維地形信息采集與計(jì)算全息圖激光寫入系統(tǒng)，其中三維地形信息采集與計(jì)算全息圖激光寫入系統(tǒng)包括地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)、全息圖計(jì)算裝置(4)、全息圖寫入系統(tǒng)(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，所述再現(xiàn)光源(I)與全息圖計(jì)算裝置(4)所采用的光源具有相同波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維全息光子地圖，其特征在于，所述所采用的光源為白光光源或單色光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，所述全息圖記錄介質(zhì)⑵是具有高亮度衍射特性的全息記錄介質(zhì)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，所述具有高亮度衍射特性的全息記錄介質(zhì)材料，為鹵化物銀鹽干版和聚合物干版，或空間光調(diào)制器，全息圖是反射型全息圖、透射型全息圖或者模壓全息圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，所述地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)具有采集三維地形信息功能，其是利用點(diǎn)掃描、線掃描、面陣的圖像傳感器實(shí)現(xiàn)三維地形信息獲取的裝置，或是從虛擬三維模型中獲得地形信息的軟件系統(tǒng)；所述地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法SfM重構(gòu)地形三維數(shù)據(jù)，獲得地形三維點(diǎn)陣信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于，所述全息圖寫入裝置(5)將計(jì)算得到的全息圖寫入到全息圖記錄介質(zhì)(2)中，采用激光曝光方式寫入或采用模壓方式寫入。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于所述的光子地圖具有數(shù)據(jù)標(biāo)繪指示功能，該地圖在再現(xiàn)光源(I)照射時(shí)，顯示的全息圖不僅包含原始的三維地形信息，還包含地圖的行政邊界、地名、建筑物名稱、尺寸信息和地圖說明。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于其中全息圖計(jì)算裝置(4)采用逆向衍射計(jì)算全息技術(shù)，從衍射結(jié)果出發(fā)，將光學(xué)重構(gòu)的三維地形作為衍射目標(biāo)圖像，逆向求取需要的衍射條紋，避免了干涉過程復(fù)雜的計(jì)算方法，該方法計(jì)算僅基于發(fā)生在全息圖像重構(gòu)時(shí)的衍射，采用逆向方法求解數(shù)字光柵，歸一化衍射的光柵不再是嚴(yán)格的物理干涉條紋，而是通過更清晰地了解衍射目的或采用合成的方法產(chǎn)生的合成光柵，這種合成光柵是基本數(shù)字光柵條紋的疊加，它存在于每一全息衍射單元中，用于合成所需的三維圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或8所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于其中全息圖計(jì)算裝置(4)采用純相位基本衍射光柵算法，根據(jù)數(shù)字光柵的衍射特性，由不同的衍射角度基于迭代傅里葉變換算法獲得不同頻率的基本數(shù)字衍射光柵，多條基本數(shù)字衍射光柵疊加組成光子地圖板的一個(gè)全息衍射單元，迭代運(yùn)算在全息面和衍射面之間進(jìn)行，生成的數(shù)字衍射光柵取其相位，組成純相位型全息圖，純相位基本衍射光柵衍射效率高，克服了普通光學(xué)全息中共軛像難以分離的問題。
11.根據(jù)權(quán)利要求I或8所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征在于衍射單元分配中的查找表方法是根據(jù)光點(diǎn)與光子地圖板的空間位置關(guān)系，預(yù)先計(jì)算三維地形數(shù)據(jù)的衍射單元分配表，克服了逐個(gè)計(jì)算光點(diǎn)的衍射單元耗時(shí)長的問題，提高了計(jì)算效率和干涉條紋的生成速度；在衍射單元分配表的計(jì)算中采用低頻優(yōu)先的原則，即空間光點(diǎn)最優(yōu)化地使用功能衍射單元的低頻數(shù)字光柵，此種優(yōu)化使數(shù)字光柵的低頻部分得到最充分的利用，再現(xiàn)光的光能利用效率得到提高。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字全息光子地圖，其特征是數(shù)字全息光子地圖計(jì)算中采用逆向衍射計(jì)算全息技術(shù)、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)、純相位基本衍射光柵算法以及衍射單元分配的查找表方法。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維地理信息顯示領(lǐng)域，具體涉及一種顯示三維地形的全息光子地圖。由再現(xiàn)光源、全息圖記錄介質(zhì)組成。具體通過地形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三維地形信息，采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法SfM重構(gòu)地形三維數(shù)據(jù)?；谀嫦蜓苌溆?jì)算全息技術(shù)和衍射單元查找表算法計(jì)算三維地形全息圖。將全息圖寫入記錄介質(zhì)中，形成光子地圖板。本發(fā)明提供的三維光子地圖板能夠顯示地形的空間三維特征，達(dá)到全視角、多角度、高精度的三維地圖顯示效果，同時(shí)具有數(shù)據(jù)標(biāo)繪指示功能，克服了現(xiàn)有的地圖無法精確、直觀表現(xiàn)三維地形信息的不足。
文檔編號G09B29/00GK102938229SQ20121036123
公開日2013年2月20日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者蔣曉瑜, 閆興鵬, 裴闖, 李強(qiáng), 汪熙, 陳卓, 張桂敏, 謝志宏, 劉中晅 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院