本發(fā)明屬于全息術領域，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：

全息術能夠提供真三維顯示效果，是應用前景最佳的立體顯示技術。全息體視圖技術是利用人眼分辨率有限的特點，將全息術與雙目視差原理相結合，以解決傳統(tǒng)全息術大數(shù)據(jù)量這一弊端的一種全息技術。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，當人的雙眼處于適當位置時，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院(MIT)研制成功，目前已廣泛應用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療等領域。

目前，學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)；萬遠紅，等，一種三維全息圖圖的數(shù)字化實現(xiàn)方法，光子學報39，1268-1271(2010))，以上方法可歸納總結為兩類，一類是兩步轉換法，即首先拍攝菲涅爾全息圖母板，再由母板翻拍至轉移干板，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使用的無限遠相機法，首先將視角圖片分割組合成視差圖片，再進行一步打印，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。兩步轉換法光路復雜，在保證同樣的觀察視角時，母板的尺寸需遠大于轉移干板的尺寸；無限遠相機法再現(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。

技術實現(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，來提取特定視點所能接收到的圖片信息，進而獲得用于一步打印的圖像。將某一視點所能觀察到的圖像信息用來代替該視點周圍一正方形區(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。實現(xiàn)該方法時，為方便理解，可將其設想為兩步轉換法的等效過程，直接求得需要打印到轉移干板上的視角圖片，稱母板為H₁干板，轉移干板為H₂干板。

本發(fā)明的技術方案是：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)制器的真實尺寸、最終搭建的激光打印光路等實驗條件相對應。

第二步，視角圖片的采樣。

利用建模軟件中的簡單相機采集視角圖片，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，相機的視場角等于H₁干板上全息單元與其對應視角圖片的張角。

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，(6)-光源，(7)-快門，(8)-偏振分光棱鏡，(9)-空間濾波器，(10)-準直透鏡，(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)-計算機。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明“合成全息體視圖的視角圖片分割重組打印方法”實施方式作進一步地詳細描述。

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O，H₁干板(1)的有效長度部分l_MN，及該部分對應的全息單元數(shù)，如圖2所示，有

對應的全息單元數(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

假設觀察點O正對著的H₁干板(1)的全息單元為Hogel0，它對應的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；同理，對于Hogel0下方的Hogel1，它對應的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點的觀察圖像，曝光打印到H₂干板(3)上以O點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(5)沿相機平面運動，鏡頭垂直于運動軌跡拍攝場景(4)，相機的采樣間距與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，相機的視場角為θ′，該值應等于圖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)是沿視線方向的側視圖，(b)是沿視線方向的正視圖，并且增加了Hogel對應LCD屏(2)的圖像部分，建立空間坐標系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的坐標為(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軸構成左手系。圖4(a)中，O點表示位于H₂干板(3)的某個觀察點，坐標值為(x₀，y₀，z₀)，人眼視線為錐形放射狀，假設去觀察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軸坐標值為z₁，圖2與圖4相對應，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″又是共中心點的，因此可采用定位中心點的方法計算有效像素部分。

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

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，直線方程為：當z＝z₁時，

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

因此，P′點坐標為

已知P點的x軸坐標及LCD屏(2)尺寸l_LCD，得A″點的x軸坐標

已知P′點的x軸坐標及得A′點的x軸坐標

A′點與A″點在x軸方向的距離為同理，A′點與A″點在y軸方向的距離為

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

將各全息單元對應A′、B′、C′、D′之間的像素截取并拼接后，得到觀察點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)和準直透鏡(10)后，從與物光光束相反的一側照射全息記錄介質(zhì)(13)，與物光光束干涉，形成全息條紋。計算機(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)的距離應等于圖2中L₂保持一致，位移平臺的移動步長應于圖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點的觀察方位是相反的，步驟三得到的合成視角圖片應首先進行水平向翻轉，再加載至LCD屏(2)。

圖6為合成全息體視圖的光學再現(xiàn)效果。根據(jù)計算模型，茶壺應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，當相機聚焦茶壺前表面時，拍照如圖6(a)所示，此時刻度尺也清晰，當相機聚焦全息記錄介質(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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。