一種為具有隨機尋址的全息顯示裝置生成視頻全息圖的方法

文檔序號：2816180閱讀：473來源：國知局

專利名稱：一種為具有隨機尋址的全息顯示裝置生成視頻全息圖的方法
一種為具有隨機尋址的全息顯示裝置生成視頻全息圖的方
法本發(fā)明涉及一種為具有隨機尋址的全息顯示裝置生成視頻全息圖的方法。實現(xiàn)本方法的裝置稱之為內容生成裝置(content generation means)。根據(jù)本方
法，內容生成裝置生成在全息顯示裝置中顯示(^presentation)所必需的全息值，因此可
以理解為數(shù)據(jù)源?？梢詫⑺傻娜⒅抵苯觽鬏?shù)饺@示裝置或者存儲在數(shù)字存儲裝置中。將具有隨機尋址的全息顯示裝置理解為數(shù)據(jù)接收器并且提供根據(jù)本方法或內容生成裝置生成的全息數(shù)據(jù)的全息顯示。由于在硬件組件和計算方法方面做出的進步，全息圖的實時重建在許多重要應用中的適用性已經得到驗證。數(shù)字全息術(digital holography)中的主要挑戰(zhàn)是處理每一幅圖像的數(shù)據(jù)量，該數(shù)據(jù)量遠遠大于傳統(tǒng)視頻信息的數(shù)據(jù)量。如此大的數(shù)據(jù)量對存儲介質和數(shù)據(jù)傳輸裝置，例如網絡組件和總線系統(tǒng)，提出了更高的要求。傳統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)的傳輸和處理已經對這些資源提出了很多要求。全息顯示裝置實質上基于這樣的原理亞全息圖由要重建的場景的每個物點一起形成，并且整個全息圖借助于至少一個光調制器裝置由亞全息圖疊加形成，在光調制器裝置上將被分成物點的場景編碼成整個全息圖，并且場景可以作為重建從位于視頻全息圖的重建的一個周期性區(qū)間內的可見區(qū)看到。一般說來，此原理是主要重建將由物體發(fā)射到一個或多個可見區(qū)的波陣面。具體地，這樣的裝置基于這樣的原理重建單個物點僅需要亞全息圖作為在光調制器裝置上編碼的整個全息圖的子集。全息顯示裝置包含至少一個屏幕裝置(screen means)。屏幕裝置是編碼場景的全息圖的光調制器本身，或者是在光調制器上編碼的場景的全息圖或波陣面投射到其上的光學元件，如透鏡或反射鏡。在本申請文件中，術語"光調制器裝置"或者"SLM"指通過轉換(switching)、選通 (gating)或調制由一個或多個獨立光源發(fā)出的光束的方式來控制光的強度、色彩和/或相位的裝置。全息顯示裝置典型地包含通過調節(jié)穿過顯示面板的光的振幅和/或相位重建物點的可控像素矩陣。光調制器裝置包含這樣的矩陣。光調制器裝置可以例如是聲光調制器 (acousto-optic modulator)AOM或連續(xù)型調制器。通過振幅調制的方式進行全息圖重建的一個實施例可以利用液晶顯示器(LCD)。本發(fā)明還涉及用于將充分相干光調制成波陣面或調制成光波輪廓的另外的可控裝置。術語"像素"指光調制器的可控全息像素，其表示全息點的離散值并且被離散地尋址和控制。每個像素表示全息圖的全息點。就LC顯示器來說，像素是可離散控制的顯示器像素。就DMD(數(shù)字微鏡裝置(DigitalMicro-mirror Device))來說，例如DLP(數(shù)字光處理器(Digital LightProcessor))，像素是可離散控制的微鏡或這種微鏡的小組群。就連續(xù) 的空間光調制器裝置來說，像素是表示全息點的虛構區(qū)。就彩色顯示來說，典型地將像素再分為多個表示基色(primary colours)的子像素。術語"變換"應理解為包括任何與變換相同或近似的數(shù)學或者計算技術。數(shù)學意
4義上的變換僅僅是物理過程的逼近，其可以通過麥克斯韋(Maxwellian)波動方程更加精確地描述。像菲涅耳(Fresnel)變換或者以傅立葉(Fourier)變換著稱的變換的特殊群的變換描述二階逼近。變換通常用代數(shù)或者非微分方程表示，因此可以應用公知的計算工具進行有效且高性能地處理。此外，可以利用光學系統(tǒng)對它們進行精密地模仿。
從內容生成單元，即數(shù)據(jù)源和可視化模塊(visualisation module)(例如作為數(shù) 據(jù)接收器的LCD或CRT監(jiān)視器)傳送圖像數(shù)據(jù)按照慣例運作，使得圖像的整個內容從頂部到底部逐行輸出，像是使用傳統(tǒng)的管監(jiān)視器一樣。這不會對HDTV監(jiān)視器分辨率生成問題，因為可以通過標準接口，例如數(shù)字視頻接口 (Digital Visual Interface) (DVI)或高清晰度多媒體接口 (High Definition Multimedia Interface) (HDMI)，將所需的數(shù)據(jù)量足夠快地傳送。內容生成的裝置，即數(shù)據(jù)源，例如是實現(xiàn)3D渲染管道(3D renderingpipeline)的圖形卡(graphics cards)或圖形子系統(tǒng)。3D渲染圖形管道說明為顯示在監(jiān)視器上而從三維場景的矢量、數(shù)學描述到幀緩沖器中的像素化圖像數(shù)據(jù)的路徑。三維圖像數(shù)據(jù)包含深度信息，通常還包含關于材料和表面性能的附加信息。例如，在該管道中完成屏幕坐標到裝置坐標的轉換、材質貼圖(texturing)、裁切(cli卯ing)和圖形保真(anti-aliasing)。表示三維場景的二維投射、并且存儲在圖形適配器的幀緩沖器中的像素化圖像包含監(jiān)視器屏幕，例如LC顯示器的可控像素的像素值。全息管道由3D渲染圖形管道的結果生成用于在全息顯示裝置上顯示的復全息值。全息顯示裝置需要的像素的量比傳統(tǒng)的二維顯示器大得多，因此對于全息值來說數(shù)據(jù)量大得多。本發(fā)明的目的是提供一種明顯減少為視頻全息圖所生成的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)源，即內容生成裝置，和數(shù)據(jù)接收器，即全息顯示裝置，它們之間將要傳送的數(shù)據(jù)量因此減至最少。因此，數(shù)字存儲介質中需要為視頻全息圖存儲的數(shù)據(jù)量也會減少。此外，會提供全息顯示裝置以確保在不損失品質還減少數(shù)據(jù)量的情況下顯示序列。本方法會利用公知的數(shù)據(jù)存儲和傳送裝置?？晒芾淼臄?shù)據(jù)量將有助于提高視頻全息圖的認可和分布。
在公知技術領域所描述的傳送過程中，全部數(shù)據(jù)從內容生成裝置，即數(shù)據(jù)源，以每一幅圖像或每個序列的視頻幀地傳送到全息顯示裝置，即數(shù)據(jù)接收器。這意味著傳送了全部全息信息，包括那些沒有從一幅圖像變?yōu)橄乱环鶊D像的信息碎片。因為全息圖在三維空間內重建物點，所以足以知曉與之前的視頻幀相比，視頻幀中哪一個物點已經改變。更改具體涉及位置，還涉及色彩和強度。根據(jù)本發(fā)明的生成視頻全息圖的方法尤其適合于具有至少一個光調制器裝置的全息顯示裝置，在該光調制器裝置上，被分為物點的場景編碼成整個全息圖，并且場景可以作為重建從位于重建的視頻全息圖的一個周期性區(qū)間內的可見區(qū)看到，亞全息圖由可見區(qū) 連同將要重建的場景的每個物點確定，并且整個全息圖由亞全息圖的疊加而形成。這樣的具有光調制器裝置的全息顯示裝置基于這樣的原理在至少一個可見區(qū)中疊加用場景的物點信息調制的波陣面。可見區(qū)的確定已經由上述內容給出。此外，該原理的優(yōu)點是場景的單個物點的重建僅需要作為在光調制器裝置上編碼的整個全息圖的子集的亞全息圖。每個單一物點由一個亞全息圖創(chuàng)造，其位置依賴于物點的位置，其大小依賴于觀察者位置。下面將光調制器裝置上的亞全息圖區(qū)稱為調制區(qū)。調制區(qū)是重建物點所需要的光調制器裝置的子區(qū)域(sub-region)。同時，為了重建物點，調制區(qū)確定光調制器上的哪些像素必須尋址。如果物點是固定在空間中的物點，則調制區(qū)將保
持在固定位置。這意味著將要重建的物點依賴于觀察者位置而改變位置。依賴于觀察者位
置的調制區(qū)的改變允許物點在固定位置編碼，即，其在空間中的位置不依賴于觀察者位置
而改變。就本發(fā)明而言，可以類似地利用這些原理。根據(jù)最簡單的實施例，調制區(qū)的中心位
于貫穿將要重建的物點和可見區(qū)的中心的直線上。在最簡單的實施例中，基于交線定理確
定調制區(qū)的大小，其中，可見區(qū)通過將要重建到光調制器裝置的物點追溯。同樣，如果較好地利用了亞全息圖，則表示光調制器的最小可控單元的像素不僅
包含單一亞全息圖的信息，而且，由于疊加的結果，還包含多個亞全息圖的信息。
本發(fā)明基于這樣的思想在圖像序列中，生成現(xiàn)在可見的物點和現(xiàn)在被其它物點
覆蓋的物點的差分亞全息圖，反之亦然。有關觀察者眼睛的可見度，由以下確定差分亞全息圖(還參照以下附圖和實施例) 參(a)通過在當前圖像中消失的物點的亞全息圖與在之前圖像中被覆蓋并且現(xiàn) 在可見的物點的亞全息圖的差值，或者，反之亦然，參(b)通過在當前圖像中現(xiàn)在可見的物點的亞全息圖與在之前圖像中被其它物點覆蓋的物點的亞全息圖的差值，并且參(c)在不改變可見度的情況下，通過在固定的物點位置改變色彩和強度的亞全息圖，以及/或者描述這些改變的數(shù)據(jù)。通?？梢詫⑽稂c的位移理解為對應點的出現(xiàn)和消失并且其包括在前述的可見度的區(qū)別的情況中。再者，這樣的情況還包括沒有對物點提供背景的情況。在這種情況下，差分亞全息圖表示物點對應的亞全息圖。對于可見度不改變的固定物點來說，色彩和/或強度的改變最好由描述性數(shù)據(jù)或者，如有必要，由對應的亞全息圖來確定。根據(jù)本發(fā)明，為每個差分亞全息圖生成描述性數(shù)據(jù)。描述性數(shù)據(jù)通常用于使差分亞全息圖的處理、并且最終顯示在全息顯示裝置中變得有可能、可控或者變得更為方便。描述性數(shù)據(jù)例如包含差分亞全息圖的大小、光調制器上的位置、像素區(qū)、存儲器部分標記、索引標記等。因此描述性數(shù)據(jù)允許高性能處理，例如，因為所需要的存儲器部分標記能夠使數(shù) 據(jù)快速存取。此外，描述性數(shù)據(jù)例如用于將差分亞全息圖的地址范圍讀取到全息顯示裝置的屏幕緩沖中，或者在高性能情況下確定地址范圍。因此可以在高性能情況下填充這些存儲器部分，以便可以最終尋址光調制器的對應像素。描述性數(shù)據(jù)和差分亞全息圖為一個點相結合從而創(chuàng)造差分數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，在生成全息圖數(shù)據(jù)的過程中做了進一步的優(yōu)化?？刂茊卧詢?yōu)化的方式確定其生成差分數(shù)據(jù)更加有利，還是可選擇地生成整個全息圖，即整個圖像內容，更加有禾U。如果圖像內容已經實質上改變，例如像剪切之后的情況，則必須傳送對應于物點的大量差分數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，可能更努力傳送數(shù)據(jù)或者處理這么多量的數(shù)據(jù)，而不需要傳送或處理整個圖像的整個全息圖。整個全息圖最好在這樣的情況下生成?？梢砸匀魏雾樞?生成、存儲和傳送差分數(shù)據(jù)，因為根據(jù)本發(fā)明，差分亞全息圖以描述性數(shù)據(jù)的形式附有處理所需的信息，如前所述。與公知的可視化系統(tǒng)中嚴格的逐行生成或者傳送相比，根據(jù)本發(fā)明的方法允許隨機生成，因此允許隨機傳送和存儲。最好將差分數(shù)據(jù)立即傳送，即，在它們已經被計算后立即傳送到數(shù)據(jù)接收器，例如，傳送到全息顯示裝置。還可以將多個點的差分數(shù) 據(jù)組合成數(shù)據(jù)包。根據(jù)本發(fā)明，將這些所生成的數(shù)據(jù)，即，差分亞全息圖和對應的描述性數(shù) 據(jù)，提供給數(shù)字存儲裝置或直接傳送到全息顯示裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法確保了視頻全息圖所需的數(shù)據(jù)量可以明顯地減少。本發(fā)明的優(yōu) 點具體是全息顯示裝置的光調制器的較高分辨率、更經常的單個差分亞全息圖，即，明顯更少的數(shù)據(jù)量、而不是整個全息圖要傳送或存儲。為了提供全息顯示的無暇品質，還可以在已確定的間隔中傳送整個全息圖。明顯更少的數(shù)據(jù)量允許視頻序列在傳統(tǒng)的數(shù)字存儲介質上存儲。由于本發(fā)明的具體優(yōu)點，通過計算機網絡和因特網進行數(shù)據(jù)傳送的努力明顯減少。根據(jù)本發(fā)明的延續(xù)，對描述性數(shù)據(jù)額外地提供允許差分亞全息圖分配到較好地實現(xiàn)全息圖原理的不同全息顯示裝置的廣義信息(generalisedinformation)。根據(jù)協(xié)議可以建立或商定作為行業(yè)標準。基于根據(jù)本發(fā)明的本方法和數(shù)據(jù)源，將全息顯示裝置理解為接收單元。因此，為了基于根據(jù)本發(fā)明已經生成的視頻全息數(shù)據(jù)顯示全息圖，必需將裝置和方法提供給全息顯示裝置。全息顯示裝置包含至少一個屏幕裝置。屏幕裝置是編碼場景的全息圖的光調制器本身，或者是在光調制器上編碼的場景的全息圖或波陣面投射到其上的光學元件，如透鏡或反射鏡?？梢妳^(qū)中場景重建的屏幕裝置和相應原理的定義在由申請人提交的其它專利文件中進行了描述。在W0 2004/044659和W0 2006/027228號專利文件中，光調制器本身形成屏幕裝置。在W0 2006/119760號，名稱為"用于場景的全息重建的投射裝置和方法(Projection device and method forhologr即hic reconstruction of scenes)，，的專利文件中，屏幕裝置是在光調制器上編碼的全息圖所投射到其上的光學元件。在DE 10 2006 004 300號"用于場景的全息重建的投射裝置(Projection device for the hologr即hicreconstruction of scenes)"的專利文件中，屏幕裝置是在光調制器上編碼的場景的波陣面所投射到其上的光學元件。由申請人提交的W02006/066919號專利文件描述了上述用于計算視頻全息圖的方法。全息顯示裝置包含屏幕存儲器或對應的允許讀取像素值的存儲器構架。因此借助于像素值尋址光調制器裝置的像素。屏幕存儲器是圖形卡的存儲器，其中設置有用于屏幕輸出的數(shù)據(jù)。還可以將其稱為視頻RAM (VRAM)。根據(jù)本方法，主要將差分數(shù)據(jù)，而不是整個全息圖，為每個視頻幀傳送到全息顯示裝置。根據(jù)本發(fā)明，全息顯示裝置還包含分離器。分離器是計算裝置，其一方面在根據(jù)本方法生成的數(shù)據(jù)流中檢測差分數(shù)據(jù)，并且另一方面從對應的描述性數(shù)據(jù)中分離差分亞全息圖的數(shù)據(jù)。借助于描述性數(shù)據(jù)，分離器確保例如將差分亞全息圖寫入屏幕存儲器的各個存儲器部分，并且進而將其提供給光調制器裝置。光調制器典型地是有源矩陣顯示器(active matrix display)，為了不丟失信息，其必須不斷地刷新其像素值。如果僅將這些圖像內容傳送到已經改變的光調制器，信息將在該區(qū)丟失，圖像內容不變。因此保持不變的物點不再出現(xiàn)。在這樣的光調制器中，每個刷新循環(huán)中的屏幕存儲器中的整個圖像內容必須是可以得到的，因為在一個刷新循環(huán)中整個圖像內容從屏幕存儲中讀取，以便相應地尋址或刷新像素。根據(jù)本發(fā)明，將差分亞全息圖的數(shù)據(jù)同時寫入屏幕存儲器。這就是建議用能夠同
7時讀取和寫入的特殊的屏幕存儲器或合適的存儲器構架的原因。其確保一方面在寫入模式
中存儲新的差分亞全息圖(SD)，而且同時在讀取模式中讀取整個屏幕存儲器并且將該信息
傳送到光調制器用于尋址像素。建議最好利用雙端口 RAMs作為屏幕存儲器。差分亞全息圖最好在利用高分辨率的顯示裝置時生成。根據(jù)本發(fā)明的方法可以減
少從內容生成裝置傳送到全息顯示裝置的數(shù)據(jù)量。類似地，對存儲裝置和傳輸裝置的要求
也較佳地減少。公知的存儲介質允許存儲長的視頻序列。公知的傳送裝置，例如英特網、
LAN、 WLAN、 DVI 、 HDMI等，類似地確保了高性能傳送。現(xiàn)借助實施例并結合附圖詳細說明本發(fā)明，其中圖la表示全息顯示裝置所基于的原理，圖lb表示用于呈現(xiàn)的點的差分亞全息圖，圖lc表示用于消失的點的差分亞全息圖，圖2表示本方法的流程圖，以及圖3表示全息顯示裝置的流程圖。現(xiàn)借助附圖詳細說明從亞全息圖中生成復全息值的特定較佳方法，其中圖Bl表示全息顯示裝置所基于的原理，以及表示物點的調制區(qū)，圖B2a是具有包含透鏡和棱鏡的投射元件的顯示裝置的側視圖，圖B2b表示調制區(qū)和垂直有效的棱鏡，圖B2c表示調制區(qū)和水平有效的棱鏡，圖B3表示根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖，以及圖B4表示在全息平面后面重建物點的可選擇的方法。圖la表示用于一個觀察者的全息顯示裝置(HAE)所基于的一般原理。該原理因而適用于多個觀察者。觀察者的位置由其眼睛或其瞳孔(VP)的位置來表征。該裝置包含光調制器裝置(SLM)，為了簡化起見，本實施例中該光調制器裝置與屏幕裝置(B)相同；并且該裝置疊加在至少一個可見區(qū)(VR)內用場景(3D-S)的物點信息調制的波陣面。將可見區(qū) 追蹤到眼睛。場景(3D-S)的單一物點(0P)的重建僅需要一個亞全息圖(SH)作為在光調制器裝置(SLM)上編碼的整個全息圖(H E SU()的子集。調制區(qū)(MR)是光調制器(SLM)上的亞全息圖區(qū)。從該圖中可以看出，調制區(qū)(MR)僅包含光調制器裝置(SLM)的小部分。根據(jù)最簡單的實施例，調制區(qū)(MR)的中心位于穿過將要重現(xiàn)的物點(0P)并穿過可見區(qū)(VR) 中心的直線上。在最簡單的實施例中，基于交線定理確定調制區(qū)(MR)的大小，通過要被重建到光調制器裝置(SLM)的物點(0P)追溯可見區(qū)(VR)。此外，重建該物點所需的光調制器裝置(SLM)上的這些像素的索引因此可以確定。如圖lb所示，在與之前的圖像相比的序列當前圖像(Pn)中出現(xiàn)新物點(OPN)，然而，如圖所示，所述新物點覆蓋了之前圖像(Pn-1)中可見的物點(OPX)，結果最初可見的物點現(xiàn)在根據(jù)觀察者的可見度變得不可見。在這種情況下，將差分亞全息圖(SD = SHN-SHX) 確定為物點(OPX)的亞全息圖(SHX)與點(OPN)的亞全息圖(SHN)之差，并且因此可以對其進行計算。如圖lc所示，在與之前的圖像相比的序列當前圖像(Pn)中物點(OPX)消失，結果，如圖所示，已經不可見并且隱藏在之前圖像(Pn-1)中的物點(OPN)現(xiàn)在根據(jù)觀察者的可見度變得可見。在這種情況下，將差分亞全息圖(SD = SHN-SHX)確定為消失物點(OPX)的亞全息圖(SHX)與最新可見的物點(OPN)的亞全息圖(SHN)之差，并且因此可以對其進行計算。下面在不參照某一附圖的情況下對不同色彩和/或強度的固定物點的第三種情況進行說明。這里的差分亞全息圖描述對應的色彩或強度信息。然而，借助描述性數(shù)據(jù)通常足以具體說明這些改變。為差分亞全息圖生成并存儲附加的描述性數(shù)據(jù)。描述性數(shù)據(jù)包含允許或有利于顯示裝置的屏幕存儲器中差分亞全息圖的分配的信息。正如圖4中所示那樣，描述性數(shù)據(jù)包含差分亞全息圖的位置和大小，并且最好還包含用于像素區(qū)、存儲器部分等的附加索引。
圖2表示方法的流程圖。第一步驟中，為序列的當前圖像計算之前圖像的差值。例如通過3D渲染圖形管道計算這些數(shù)據(jù)。此外，提供觀察者的位置_更精確地，提供觀察者眼睛瞳孔的位置或者覆蓋眼睛瞳孔的可見區(qū)的位置。這些準備步驟中，控制裝置(CU)優(yōu)化并且確定是生成經修改的物點的差分數(shù)據(jù)較好，還是生成整個圖像的整個全息圖較好。如果圖像內容實質上不同，正如剪切之后的情況一樣，則生成整個全息圖(HESU()比較好。否則，將為每個經修改的物點計算差分亞全息圖。與圖lb和圖lc所描述的內容類似，根據(jù)可見度區(qū)分新的、現(xiàn)在可見點是否出現(xiàn)，曾經可見的物點是否消失，或者具有未改變可見度的固定點的色彩和/或強度是否已經改變。與圖lb和圖lc所描述的內容類似，將差分亞全息圖作為可見與不可見物點的亞全息圖之間的差值計算。分析地計算亞全息圖或者最好將其從查找表格中尋回。分析方法例如基于根據(jù)文件W02006/066919的原理，其中亞全息圖最好可以借助該方法從查找表格中尋回。由申請人提交的WO 2006/066919號專利文件描述了一種計算視頻全息圖的方法。具體地，利用該方法并且借助計算機的輔助通過執(zhí)行以下步驟來計算物點的亞全息圖的全息值參從每個斷層場景剖面的每個目標數(shù)據(jù)集中，為觀察者平面計算分離的二維波場
分布形式的衍射圖像，該觀察者平面位于距剖面有限距離并平行于剖面，其中為至少一個共用可見區(qū)計算所有剖面的波場，參將所有剖面層的計算的分布相加，以確定相對于觀察者平面參考的數(shù)據(jù)集中的
可見區(qū)的總波場，以及參為了為場景的共用計算機生成全息圖生成全息數(shù)據(jù)集，將參考數(shù)據(jù)集變換到位
于距參考平面有限距離并平行于參考平面的全息平面內，其中光調制器裝置位于全息平面內。在第三種情況下，即，在色彩和/或強度改變的固定物點的情況下，還可以確定色彩或強度改變的差分亞全息圖。然而，借助描述性參數(shù)通常足以描述這些改變。
在以下步驟中計算用于差分亞全息圖的描述性數(shù)據(jù)。正如從圖la中可以看出或者得知，這些數(shù)據(jù)包含光調制器裝置(SLM)上的差分全息圖的位置和大小以及索引部分、存儲器部分、地址范圍等等。全息顯示裝置(HAE)最好包含差分亞全息圖所必需的屏幕存儲器(VRAM)的存儲器部分和地址范圍。通常，這些描述性數(shù)據(jù)使得在光調制器上的顯示能夠實現(xiàn)、對其進行控制或者有利于在光調制器上顯示。這里假設全息顯示裝置的初始化數(shù) 據(jù)，尤其是光調制器的初始化數(shù)據(jù)是已知的。這些數(shù)據(jù)例如由全息顯裝置尋回或者讀取。對于描述性數(shù)據(jù)，就此方面參照圖3，對這里由全息顯示裝置生成的數(shù)據(jù)的處理進行描述。物點的差分亞全息圖(SD)以及對應的描述性數(shù)據(jù)(SD_IND) —同形成現(xiàn)在所提供的差分數(shù) 據(jù)(D)，進一步數(shù)據(jù)壓縮后如有必要，立刻將其提供到存儲裝置、傳輸裝置或者提供到全息顯示裝置。圖3表示全息顯示裝置(HAE)的原理圖并且說明在不損失品質的前提下顯示根據(jù) 本方法所生成的視頻全息圖的原理。根據(jù)本方法，顯示裝置的輸入數(shù)據(jù)包含對應于物點并且由描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)以及差分亞全息圖(SD)組成的差分數(shù)據(jù)(D)。利用描述性數(shù)據(jù)，物點的差分數(shù)據(jù)包含進一步處理所必需的任何數(shù)據(jù)。差分數(shù)據(jù)在圖中由點索引"3"、"126" 和"1056"示例性示出，意味著可以以隨機順序傳送差分數(shù)據(jù)。顯示裝置包含光調制器裝置(SLM)。從屏幕存儲器(VRAM)中讀取用于尋址光調制器裝置(這里僅示意性示出)的像素值的數(shù)據(jù)。
顯示裝置還包含參分離器(SX)，作為檢測差分數(shù)據(jù)(D)并將它們分離成描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)和差分亞全息圖(SD)的數(shù)據(jù)的裝置，以及參根據(jù)屏幕存儲器(VRAM)中的描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)描述差分亞全息圖(SD)的數(shù)據(jù)的裝置。計算差分亞全息圖的存儲器部分或地址范圍的附加計算裝置(IC)可能是必需的，除非該信息整個地包含在描述性數(shù)據(jù)中。這些計算裝置(IC)最好與分離器(SX)結合。
屏幕存儲器(VRAM)保持像素值，以便該值還可以為隨后的顯示間隔而保持，直到它們被新的值覆蓋。在本實施例中，光調制器(SLM)是有源矩陣顯示器(active matrixdisplay)，其為了不丟失信息必須不斷地刷新其像素值。每個刷新循環(huán)中，必須將屏幕存儲器(VRAM)中的整個圖像內容提供給光調制器。因此刷新循環(huán)中的整個圖像內容從屏幕存儲器中讀取，并且對像素尋址或者刷新。這就是建議用能夠同時讀取和寫入的特殊屏幕存儲器(VRAM) 的原因。從圖中可以看出，一方面確保將新的差分亞全息圖(SD)在寫入模式中存儲，而同時在讀取模式中讀取整個屏幕存儲器(VRAM)的內容并且將該信息傳送到光調制器(SLM) 用于尋址其像素。對于該類型的屏幕存儲器，可以利用雙端口 RAMs或者具有相似功能原理并能夠同時讀取和寫入的其它存儲器技術。本圖中，亞全息圖的像素區(qū)為將要處理的差分數(shù)據(jù)示例性地表示在光調制器(SLM)上。因此可以再次看到單一物點的重建僅需要亞全息圖作為在光調制器(SLM)上編碼的整個全息圖(H E SU()的子集。以下借助圖Bl到B4說明生成亞全息圖的特定較佳方法。該方法基于具有色彩和深度信息的三維場景(3D-S)，其由多個物點組成。同樣，如果較好地利用亞全息圖，表示光調制器的最小可控單元的像素不僅包含單一亞全息圖的信息，而且，由于疊加的結果，還包含多個亞全息圖的信息。較佳的方法基于這樣的思想亞全息圖的復全息值在光調制器裝置的調制區(qū)中從將要重建的物點的波陣面中計算，其中對投射元件的透射函數(shù)或調制函數(shù)進行計算和分析，其在調制區(qū)中模型化并且將要重建的物點位于其焦點上。全息平面由屏幕裝置的位置確定，為了簡化，以下描述中屏幕裝置將是光調制器本身。根據(jù)本方法的較佳實施例，投射元件包括處在全息平面內具有焦距f并且傾斜放置的透鏡。傾斜透鏡由相對于全息平面來說沒有傾斜的透鏡以及在水平方向和垂直方向都有效的棱鏡組成。嚴格來說，棱鏡不確定亞全息圖，因為由于無焦點棱鏡功能，沒有物點被重建。然而，為了保持本發(fā)明思想的清晰，將這樣描述，因為棱鏡還將其部分貢獻給調制范圍內的復全息值。以下以透鏡和棱鏡的例子詳細說明本方法。當然，本方法還可以獨立地應用于透鏡或棱鏡；在這種情況下，處理步驟或對應的術語不再實施或者可以忽略。為了計算亞全息圖的復值，對于場景的每個可見物點來說，本方法的詳細設計包含以下步驟
A:如上所述確定調制區(qū)的大小和位置，但是，然后對該調制區(qū)給定局部坐標系，其中原點處在其中心位置，x軸表示橫坐標，y軸表示縱坐標。"a"是調制區(qū)的半寬，"b"是調制區(qū)的半高，這些區(qū)間邊界包括在以下術語中。
B :確定全息平面內透鏡的亞全息圖
Bl :確定透鏡的焦距f : 透鏡的焦距f最好是將要重建的物點距全息平面的垂線距離(normal distance)。 B2 :透鏡對應的亞全息圖的復值利用等式Z^二 e^{+/-i*[(Ji/Af)*(X2+y2)]}確定對應的亞全息圖的復值，其中入是參比波長，f是焦距，(x，y)是對應的坐標對。這里的負號是由于凹透鏡的特征。凸透鏡由正號標識。 B3:由于x軸和y軸的對稱性，足以在一個象限內確定復值并且通過利用符號規(guī)則將該復值應用到其它象限。
C :確定全息平面內棱鏡(P)的亞全息圖所選擇的棱鏡貫穿橫坐標或縱坐標，如附圖所示。 Cl :確定具有水平有效方向的棱鏡(PH)的線性因子Cx，線性因子Cx在區(qū)間 x G [-a，a]內由以下等式描述
Cx = M* (2 Ji /入)
其中M是棱鏡的傾角。 C2 :確定具有垂直有效方向的棱鏡(PV)的線性因子Cy，線性因子Cy在區(qū)間 y G [-b，b]內由以下等式描述
Cy = N* (2 Ji /入)
其中N是棱鏡的傾角。
C3 :確定組合棱鏡的對應的亞全息圖的復值
對應的亞全息圖的復值通過疊加兩個棱鏡項確定
ZP = exp {i* [Cx* (x_a) +Cy* (y-b) ]}
疊加的棱鏡貫穿局部坐標系的原點。 C4:如果全息顯示裝置顯示出將光源投射進入可見區(qū)的特征，棱鏡項可以去掉。
D :調制透鏡和棱鏡的亞全息圖為了確定組合的全息圖，將透鏡和棱鏡的復值復合相乘
ZSH = ZL*ZP
或者，象征性地，
11
SH = SHL*SHP E:隨機相位的應用為了確?？梢妳^(qū)內均勻的亮度分布，向從步驟D得到的每個經調制的亞全息圖分配隨機相位。通過復乘將隨機相位增加到亞全息圖
ZSH := ZSH exp(i①。)
或者，象征性地，
SH := SH exp(i①Q) 將隨機相位單獨地分配到每個亞全息圖。概括地，所有亞全息圖的隨機相位最好
是均勻分布的。 F:強度調制向復值給出附加倍增因子，其表示強度或亮度
ZSH = C*ZSH
或者，象征性地，
SH:=C*SH; G:如果計算整個全息圖，將對亞全息圖進行疊加以形成整個全息圖。在簡單的實
施例中，考慮到亞全息圖的位置，將亞全息圖復合地增加到整個全息圖中。
整個全息圖=所有的亞全息圖的復合總和，并且HESLM=ESHi 或者，象征性地， ZSLM = E ZSHi (就整個坐標系而言)。本方法最好僅用于可見物點。物點的可見度作為3D渲染圖形管道對場景渲染處理的結果確定，并且其依賴于觀察者的位置，即眼睛瞳孔的位置，因此，來自追蹤到瞳孔位置的可見區(qū)的位置。詳細的說明涉及最可能的解決方案的計算。如果降低的重建品質可以接受或者甚至是所需要的，當然可以用更加簡單的函數(shù)項代替上述函數(shù)項。然而，可以看出為了改善重建品質，應用了更新的處理步驟。例如可以選擇透鏡或者棱鏡以校正光調制器裝置等的像差、公差。同樣還可以應用于示例性提到的用于確定調制區(qū)的方法。
從基于

圖1的圖Bl可以看出，對調制區(qū)(MR)給出一坐標系統(tǒng)，坐標系統(tǒng)的原點在其中心，x軸表示橫坐標，y軸表示縱坐標。調制區(qū)(MR)具有半寬"a"和半高"b"。
圖B2a是全息顯示裝置(HAE)的側視圖，表示本方法的一般原理。與圖Bl類似，調制區(qū)(MR)來源于可見區(qū)(VR)。該區(qū)處在全息平面(HE)內，全息平面內設置有光調制器 (SLM)。向調制區(qū)給出上述的坐標系。在這里由聚焦透鏡(L)和棱鏡(P)組成的投射元件 (OS)位于調制區(qū)(MR)內。該圖僅表示垂直有效的棱鏡楔(prism wedge)，并且所示的投射元件(OS)在全息平面(HE)的前方以使物體更加清楚。圖B2b表示在調制區(qū)(MR)前方的垂直有效的棱鏡楔(HI)，連同所用的坐標和尺寸。因此這里的棱鏡楔貫穿縱坐標。圖B2c類似地表示垂直有效的棱鏡楔(PV)，其貫穿橫軸。兩個棱鏡楔如下所述疊加。圖B3表示較佳方法的流程圖。該方法的起點是由多個物點(OP)組成的三維場景(3D-S)。色彩和深度信息對物點(OP)來說是可以利用的?；谖稂c的深度信息、根據(jù)觀察者的位置，即觀察者眼睛瞳孔的位置確定物點的可見度。步驟(A)中，為每個可見物點確定全息平面(HE)內或者光調制器裝置上各個調制區(qū)(MR)的大小和位置。根據(jù)本發(fā)明的思想，將要重建的物點(OP)理解為位于全息平面內的投射元件的焦點。這里的投射元件理解為聚焦透鏡(L)以及如圖2b和2c所示的垂直或水平有效的棱鏡(ra，PV)的組合。步驟(Bl) 中，為每個可見物點確定的透鏡(L)的焦距因此作為物點(OP)作為距全息平面(HE)的垂線距離。步驟(B2)中，利用以下等式確定對應的亞全息圖(SHL)的復值
ZL = exp {-i* [ (Ji / A f) * (x2+y2) ]} 其中A是參比波長，f是焦距，(x， y)是對應的局部坐標對。對坐標系的定義如前所述。步驟(C)中，確定全息平面內棱鏡(P)的亞全息圖(SHP)。利用等式Cx二M^2ji/ 入)確定具有水平有效方向的棱鏡(PH)的線性因子Cx，其中M是棱鏡的傾角。以類似的等式求得垂直有效棱鏡的線性因子Cy，但是傾角為N。通過疊加兩個棱鏡項確定對應的亞全息圖(SHP)的復值 SHP : = ZP = exp {i* [Cx* (x_a) +Cy* (y_b) ]} 如果全息顯示裝置顯示出將光源投射進入可見區(qū)(VR)的特征，一個棱鏡項可以去掉。既然透鏡(L)的亞全息圖(SHL)和棱鏡的亞全息圖(SHP)是可以得到的，它們在步驟(D)中疊加，以通過透鏡的復值和棱鏡的復值的復合相乘而形成組合的亞全息圖 (SH): ZSH = ZL*ZP
或者，象征性地，
SH=SHL*SHP 步驟(E)中，對亞全息圖(SH)給出均勻分布的隨機相位。
步驟(F)中，執(zhí)行強度調制，亞全息圖(SH)與強度因子相乘
ZSH = C*ZSH
或者，象征性地，
TH:=C*TH 正如所需，物點(OP)的已組合的亞全息圖(SH)現(xiàn)在完全可以得到。附加的處理步驟(G)中，可以增加物點的亞全息圖以形成整個全息圖(H E SU()。
物點的單個亞全息圖(SHi)是可疊加的并且復合地增加，以形成整個全息圖(HE SU()。整個全息圖=物點的所有亞全息圖的復合總和 HESLM=ESHi 或者 ZSU( = E Zshi (就整個坐標系而言)。整個全息圖(H E SU()表示所有物點的全息圖。因此其表示并且重建了整個場景 (3D-S)。借助于本方法，可以利用目前商業(yè)化的標準硬件組件對在重建空間中任意位置的物點生成用于交互式實時全息重建的亞全息圖。較佳的方法最好用于確定亞全息圖并且用這些亞全息圖填充查找表格。與根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置類似，較佳的方法適用于還較好利用亞全息圖的原理的優(yōu)點的全息顯示裝置。其具體地包括，正如前述那樣，在WO 2004/044659、 W02006/027228、 WO 2006119760和DE 10 2006 004 300中說明的裝置。 0143] 附圖標記說明
HAE 全息顯示裝置 B HAE的屏幕裝置
SLM HAE的光調制器裝置
VRAM HAE的屏幕存儲器
SX HAE的分離器
IC HAE的計算裝置
3D-S 場景，由物點組成
VR 可見區(qū) OP 物點，一般的 OPn， OPn+l，...物點，具有標記索引 OPN 新近可見的/當前的物點
舊的物點亞全息圖，一般的亞全息圖，一般的，有索引的差分亞全息圖新物點的亞全息圖舊物點的亞全息圖調制區(qū)
差分亞全息圖的描述性數(shù)據(jù)
作為差分亞全息圖和描述性數(shù)據(jù)的組合的差分數(shù)據(jù)
整個全息圖序列圖像字列的圖像序列
0144] 0145] 0146] 0147] 0148] 0149] 0150] 0151] 0152] 0153] 0154] 0155] 0156] 0157] 0158] 0159] 0160] 0161] 0162] 0163] 0164] 0165] 0166] 0167]
OPX SH SHi SD SHN SHX MR
SD—IND D
H E SLM Pn
Pn-l， Pn， Pn+1 CU
權利要求
一種為具有至少一個光調制器裝置(SLM)的全息顯示裝置(HAE)生成視頻全息圖的方法，在該光調制器裝置上，被分為物點(OP)的場景(3D-S)編碼成總全息圖(H∑SLM)，并且場景(3D-S)可以作為從位于重建的視頻全息圖的一個周期性區(qū)間內的可見區(qū)(VR)看到，亞全息圖(SH)由可見區(qū)(VR)連同將要重建的場景(3D-S)的每個物點(OP)確定，并且總全息圖(H∑SLM)由亞全息圖(SH)的疊加而形成，其中在用于每幅圖像的圖像內容序列中●生成不同于序列的隨后的圖像(Pn-1，Pn)的物點的差分亞全息圖(SD)，其中有關觀察者眼睛的可視度(VP)，通過以下確定差分亞全息圖(SD)●(a)通過在當前圖像(Pn)中消失的物點(OPX)的亞全息圖(SHX)與在之前圖像(Pn-1)中被覆蓋并且現(xiàn)在可見的物點(OPN)的亞全息圖(SHN)的差值，或者●(b)通過在當前圖像(Pn)中現(xiàn)在可見的物點(OPN)的亞全息圖(SHN)與在之前圖像(Pn-1)中被其它物點覆蓋的物點(OPX)的亞全息圖(SHX)的差值，并且●(c)在不改變可見度的情況下，在物點位置改變色彩和強度的亞全息圖，或者描述這些改變的數(shù)據(jù)，將所生成的數(shù)據(jù)提供給存儲裝置或者傳送到全息顯示裝置(HAE)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其特征在于，生成包含差分亞全息圖(SD)和對應的描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)的差分數(shù)據(jù)(D)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，差分亞全息圖(SD)的描述性數(shù)據(jù)(SD_ IND)包含使得在光調制器(SLM)上的顯示能夠實現(xiàn)、對其進行控制或者有利于在光調制器 (SLM)上顯示的數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)至少包括光調制器裝置(SLM)上的差分亞全息圖(SD)的位置和大小。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)包括關于差分亞全息圖(SD)所必需的全息顯示裝置(HAE)的屏幕存儲器(VRAM)的存儲器部分或地址范圍的信息。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，對應于物體的觀察者位置的亞全息圖從至少一個查找表格(LUT)中尋回。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，計算物點的亞全息圖的全息值，或者在已確定的空間內，預先對每個可能的物點在一個或多個查找表格中生成亞全息圖的對應條目，其中，在計算機的協(xié)助下執(zhí)行以下步驟參從每個斷層場景剖面的每個目標數(shù)據(jù)集中，為觀察者平面計算分離的二維波場分布形式的衍射圖像，該觀察者平面位于距剖面有限距離并平行于剖面，其中為至少一個共用可見區(qū)計算所有剖面的波場，參將所有剖面層的計算的分布相加，以確定相對于觀察者平面參考的數(shù)據(jù)集中的可見區(qū)的總波場，以及參為了為場景的共用計算機生成全息圖生成全息數(shù)據(jù)集，將參考數(shù)據(jù)集變換到位于距參考平面有限距離并平行于參考平面的全息平面內，其中光調制器裝置位于全息平面內。
8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，計算物點的亞全息圖的全息值，或者在已確定的空間內，預先對每個可能的物點在一個或多個查找表格中生成亞全息圖的對應條目，其中亞全息圖(SH)的復全息值在光調制器裝置的調制區(qū)(MR)中從將要重建的物點 (OP)的波陣面中計算，其中對投射元件(OS)的透射函數(shù)或調制函數(shù)進行計算和分析，其在調制區(qū)(MR)中模型化并且將要重建的物點(OP)位于其焦點上。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，投射元件(OS)包含至少一個透鏡(L)。
10. 根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，投射元件(OS)還包含至少一個棱鏡(P)。
11. 根據(jù)前述一個或多個權利要求所述的方法，其特征在于，物點的差分數(shù)據(jù)(D)以隨機順序生成。
12. 根據(jù)前述一個或多個權利要求所述的方法，其特征在于，控制裝置(CU)優(yōu)化并且確定是計算差分數(shù)據(jù)(D)，還是可選擇地計算圖像的總全息圖(H E SU()。
13. 根據(jù)前述一個或多個權利要求所述的方法，其特征在于，在一個或多個物點的差分數(shù)據(jù)(D)生成后，立即將其傳送到全息顯示裝置(HAE)。
14. 根據(jù)權利要求1到13中的一項或多項所述的方法，其特征在于，將復全息值轉換成光調制器裝置(SLM)的像素值。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，將復全息值轉換成伯克哈特分量、二相位分量或其它任意合適的編碼。
16. 具有隨機尋址的全息顯示裝置，其利用根據(jù)權利要求1到15中的一項或多項所述的方法，其特征在于，其包含至少一個屏幕存儲器(VRAM)，從該屏幕存儲器中讀取用于控制至少一個光調制器裝置(SLM)的像素的像素值，其中，在圖像序列中僅將隨后圖像的改變的像素值寫入屏幕存儲器。
17. 根據(jù)權利要求16所述的全息顯示裝置，至少包含參分離器(SX)，作為檢測差分數(shù)據(jù)(D)并將它們分成描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)以及差分亞全息圖(SD)的數(shù)據(jù)的裝置，參根據(jù)描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)計算差分亞全息圖(SD)所必需的屏幕存儲器(VRAM)中的存儲器部分或地址范圍的裝置，以及參根據(jù)描述性數(shù)據(jù)(SD_IND)將差分亞全息圖(SD)的數(shù)據(jù)寫入到為光調制器裝置 (SLM)存儲像素值直到它們被覆蓋的屏幕存儲器(VRAM)中的裝置。
18. 根據(jù)權利要求16或17所述的全息顯示裝置，其特征在于，屏幕存儲器(VRAM)允許同時寫入差分亞全息圖(SD)的像素值和為光調制器裝置讀取像素值。
19. 根據(jù)權利要求16到18中的一項所述的全息顯示裝置，具有屏幕裝置(B)，其特征在于，屏幕裝置(B)是在其上編碼場景(3D-S)的全息圖的光調制器(SLM)本身，或者是在光調制器上編碼的場景的全息圖或波陣面投射到其上的光學元件。
20. 根據(jù)權利要求19所述的全息顯示裝置，其特征在于，光學元件是透鏡或反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種為具有至少一個光調制器裝置(SLM)的全息重建裝置(HAE)生成視頻全息圖的方法，其中分為物點(OP)的場景(3D-S)作為整個全息圖(H∑SLM)編碼，并且可以作為重建從位于重建的視頻全息圖的一個周期性區(qū)間內的可見區(qū)(VR)看到。可見區(qū)(VR)，連同將要重建的場景(3D-S)的每個物點(OP)確定亞全息圖(SH)，并且從亞全息圖(SH)的疊加中生成整個全息圖(H∑SLM)，其中圖像內容序列中，最好為每幅圖像生成物點的差分亞全息圖(SD)，不同于根據(jù)隨后的序列圖像(Pn-1，Pn)中的觀察者位置(VP)的可見度。顯示裝置(HAE)包含盡管數(shù)據(jù)量明顯減少、但提供高品質視頻全息圖的裝置。
文檔編號G03H1/22GK101711377SQ200880016210
公開日2010年5月19日申請日期2008年5月16日優(yōu)先權日2007年5月16日
發(fā)明者亞歷山大·史威特鈉, 阿明·史威特納申請人:視瑞爾技術公司

完整全部詳細技術資料下載