用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法
【專利摘要】一種在自然光照明條件下利用彩色像感器用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法，包括從彩色像感器拍攝的二維彩色照片中提取所拍三維場(chǎng)景相位的方法；所使用的像感器的參數(shù)：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、顏色濾波片陣列的排布方式、譜型譜寬；所采用的攝影鏡頭的參數(shù)：包括焦距、光圈大小。本發(fā)明與現(xiàn)有全息顯示的三維場(chǎng)景獲取技術(shù)相比，具有低散斑噪聲、高分辨率和大景深的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維場(chǎng)景信息獲取，特別是一種在自然光照明條件下用于全息顯示的 二維場(chǎng)景信息的獲取方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 全息顯示是一種裸眼真三維顯示技術(shù)，相比目前市場(chǎng)上比較成熟的助視或光柵式 三維顯示技術(shù)，全息顯示能夠提供幾乎接近于真實(shí)世界的3D圖像，不存在顯示機(jī)理與人眼 視覺生理之間的矛盾，使用戶能在連續(xù)視點(diǎn)獲得很好的3D視覺體驗(yàn)，被公認(rèn)為是最理想的 3D顯示技術(shù)之一。全息顯示涉及若干個(gè)關(guān)鍵的核心技術(shù)：包括計(jì)算全息圖的產(chǎn)生、高分辨 全息圖載體（顯示面板）以及用于全息顯示的三維視頻/圖像的獲取等等。這些均是本領(lǐng) 域的研究與技術(shù)人員應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。
[0003] 針對(duì)用于全息顯示的真實(shí)世界三維場(chǎng)景信息的獲取，當(dāng)前的技術(shù)方案主要有以下 兩種：
[0004] 1、全息照相法：利用干涉原理，將三維場(chǎng)景光波的振幅和相位信息都記錄下來， 使物光波的全部信息（即場(chǎng)景的三維信息）都存儲(chǔ)在數(shù)字化的記錄介質(zhì)如電荷耦合器件 (CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)像感器中。由于在記錄過程中需要用到相干性很好 的激光，所產(chǎn)生的激光散斑也會(huì)記錄在全息圖中，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型場(chǎng)景的全息照相。
[0005] 2、集成成像法：利用微透鏡陣列的各個(gè)子透鏡對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行分視場(chǎng)成像，獲得 相應(yīng)的"元圖像（element image)"，用像感器對(duì)這些元圖像陣列進(jìn)行成像可實(shí)現(xiàn)從多個(gè)不 同角度對(duì)該三維場(chǎng)景的記錄。通過計(jì)算機(jī)對(duì)所記錄的元圖像陣列進(jìn)行處理，可生成相應(yīng)的 三維圖像，然后便可把該三維圖像編碼成計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖用于全息顯示。
[0006] 利用集成成像技術(shù)來獲取三維場(chǎng)景信息，并實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景計(jì)算全息圖制作的方案 雖能夠利用自然光照明實(shí)現(xiàn)對(duì)較大物體的計(jì)算全息圖制作，但由于集成成像技術(shù)中微透鏡 陣列的使用，因而在全息圖再現(xiàn)中引入了集成成像顯示中固有的分辨率低和景深淺的問 題。
[0007] 近來，科研人員已為提高集成成像分辨率作出諸多努力[參見Optics letters,2012,37(24) :5103-5105 ；0ptics express,2004,12(19) :4579-4588 ；0ptical Engineering，2006,45(ll) :117004-117004-7.]。這些方案對(duì)于提高集成成像分辨率有一 定幫助，但是方案自身仍存在一定的缺陷。例如，1)通過構(gòu)建一個(gè)距離投影面很近的虛擬 面，結(jié)合特定的插值算法，得到高密度采樣的虛擬面并編碼成計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖可得到高 分辨率三維場(chǎng)景再現(xiàn)，但該方法得到三維場(chǎng)景景深較淺。2)在圖像獲取階段通過移動(dòng)透鏡 陣列，獲得較多的元素圖像通過計(jì)算機(jī)拼接后再現(xiàn)高分辨率三維場(chǎng)景，但該方法對(duì)成像系 統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，圖像獲取不便且景深較淺。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)上述三維場(chǎng)景獲取技術(shù)的不足，本發(fā)明公開一種在自然光照明條件下利用彩 色像感器用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法。本發(fā)明具有低散斑噪聲、高分辨率和 大景深等優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0010] 一種用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息獲取方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0011] 1、首先確定所使用的像感器的參數(shù)：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、顏色濾波 片陣列的排布方式、顏色濾波片的光譜型狀和寬度；所采用的攝影定焦鏡頭的參數(shù)：包括 焦距、光圈大小、共軛距；
[0012] 2、在自然光條件下，利用一臺(tái)所述的彩色像感器對(duì)一個(gè)三維場(chǎng)景拍攝二維彩色圖 像或視頻；
[0013] 3、利用拍攝的二維彩色圖像或視頻獲取用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息并進(jìn)行顯 示，步驟如下：
[0014] 1)根據(jù)彩色相機(jī)或攝像機(jī)的像感器的像素尺寸確定水平（X)方向和堅(jiān)直（Y)方向 的采樣間隔，分別記為Sx和Sy ;
[0015] 2)根據(jù)像感器的尺寸確定X方向和Y的采樣數(shù)量，分別記為Μ和N;
[0016] 3)把所拍攝的二維離焦彩色圖片或視頻幀載入到計(jì)算機(jī)的緩存；
[0017] 4)從緩存讀取一幅二維彩色圖片或視頻巾貞I (m，η)，其中m和η分別表示X和Υ方 向的離散坐標(biāo)；
[0018] 5)從I (m，η)中提取紅、綠、藍(lán)三色光強(qiáng)分量，分別記為IJm，n)、Ig(m，η)和Ib(m， n)，其中下標(biāo)r、g、b分別表示紅、綠、藍(lán)；
[0019] 6)根據(jù)像感器對(duì)紅、綠、藍(lán)三色光的量子效率曲線，對(duì)1>，n)、Ig(m，η)和I b(m， η)進(jìn)行歸一化處理；
[0020] 7)把1>，η)、1>，η)和Ib(m，η)輸入到基于變換強(qiáng)度傳輸方程的相位求解器， 求解對(duì)應(yīng)顏色通道（如綠色通道）圖像平面上的相位Φ 8(πι，η);
[0021] 8)根據(jù)離焦量2，把18〇11，11)6鄧[1(^( 111，11)]傳回理想像面上，獲得場(chǎng)景的準(zhǔn)焦像 面上的三維場(chǎng)景的復(fù)振幅；
[0022] 9)把步驟8)所得到的三維場(chǎng)景的復(fù)振幅編碼成計(jì)算機(jī)全息圖；
[0023] 10)把所述的計(jì)算機(jī)全息圖加載到空間光調(diào)制器上，用于全息顯示；
[0024] 11)返回步驟4)，提取下一個(gè)視頻幀；
[0025] 12)重復(fù)計(jì)算上述步驟5)-11)，直到要顯示的視頻計(jì)算完畢，或計(jì)算中斷為止。
[0026] 所述的像感器的攝影鏡頭為定焦鏡頭；該像感器采樣間隔在微米量級(jí)，采樣數(shù)量 Μ > 4000, N > 2000,顏色濾波片陣列的排布方式通常為拜耳濾波片，具體參數(shù)視不同像感 器而有所不同；光譜寬度通常為可見光范圍350nm-770nm，準(zhǔn)確范圍需根據(jù)像感器的量子 效率曲線而定。
[0027] 所述的二維彩色圖片的載入、讀取均由計(jì)算機(jī)程序完成，編程語言如C、C++等均 提供相應(yīng)的程序接口可以直接調(diào)用，該操作為該領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。
[0028] 所述的歸一化處理的方法，是根據(jù)像感器得到的不同波長的光強(qiáng)信息結(jié)合像感器 的量子效率曲線，利用不同波長光強(qiáng)值和對(duì)應(yīng)量子效率值之商，進(jìn)一步得到不同波長的精 確光強(qiáng)信息。
[0029] 所述的相位求解器主要包含一種求解類似于傳統(tǒng)強(qiáng)度傳輸方程的變換強(qiáng)度傳輸 方程的方法。
[0030] 所述的傳統(tǒng)強(qiáng)度傳輸方程（Transport of Intensity Equation,簡稱為TIE) 是在旁軸近似下，光強(qiáng)I沿軸向變化與相位Φ (rp z)橫向分布的關(guān)系，其數(shù)學(xué)描述為

【權(quán)利要求】
1. 一種用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法，該方法利用的工具包括彩色像感 器、計(jì)算機(jī)、空間光調(diào)制器和激光光源，其特征在于：所述的彩色像感器的攝影鏡頭為定焦 鏡頭，照明條件為自然光照明，該方法包括下列步驟： 1、 首先確定所使用的像感器的參數(shù)：包括像感器的尺寸、各像素的尺寸、顏色濾波片陣 列的排布方式、顏色濾波片的光譜型狀和寬度；所采用的攝影定焦鏡頭的參數(shù)：包括焦距、 光圈大小、共軛距； 2、 在自然光照明的條件下用一臺(tái)所述的彩色像感器對(duì)一個(gè)三維場(chǎng)景拍攝二維彩色圖 像或視頻并輸入所述的計(jì)算機(jī)； 3、 所述的計(jì)算機(jī)對(duì)所述的二維彩色圖像或視頻讀取一幅二維彩色圖片或視頻幀I (m， η),提取紅、綠、藍(lán)三色光強(qiáng)分量，分別記為L(m,n)、Ig(m,n)和Ib(m,n),其中下標(biāo)r、g、b分 別表示紅、綠、藍(lán)，其中m和η分別表示圖片或視頻幀I (m，η)的X和Y方向的離散坐標(biāo)； 4、 利用下列變換強(qiáng)度傳輸方程（1)從I(m，η)中的數(shù)值求解相位（^并編碼成計(jì)算機(jī) 產(chǎn)生全息圖用于全息顯示；
(1) 其4
r、g代表不同波長，I為光強(qiáng)，Ζ為離焦距離； 所述的利用變換強(qiáng)度傳輸方程求解相位并編碼成計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖用于全息顯 示，包括以下具體步驟： 1) 根據(jù)彩色相機(jī)或攝像機(jī)的像感器的像素尺寸確定水平（X)方向和堅(jiān)直（Υ)方向的采 樣間隔，分別記為Sx和Sy ; 2) 根據(jù)像感器的尺寸確定X方向和Y的采樣數(shù)量，分別記為Μ和N ; 3) 把所拍攝的二維離焦彩色圖片或視頻幀載入到計(jì)算機(jī)的緩存； 4) 從緩存讀取一幅二維彩色圖片或視頻巾貞I (m，η)，其中m和η分別表示X和Υ方向的 離散坐標(biāo)； 5) 從I (m，η)中提取紅、綠、藍(lán)三色光強(qiáng)分量，分別記為IJm，n)、Ig(m，η)和Ib(m，η)， 其中下標(biāo)r、g、b分別表示紅、綠、藍(lán)； 6) 根據(jù)像感器對(duì)紅、綠、藍(lán)三色光的量子效率曲線，對(duì)1>，n)、1>，η)和Ib(m，η)進(jìn) 行"歸一化處理"； 7) 把1>，n)、Ig (m，η)和Ib (m，η)輸入到基于變換強(qiáng)度傳輸方程的相位求解器，求解 對(duì)應(yīng)顏色通道（如綠色通道）圖像平面上的相位Φ8(πι，η); 8) 根據(jù)離焦量Ζ，把Ig (m，n) exp [I Φ g (m，η)]傳回理想像面上，獲得場(chǎng)景的準(zhǔn)焦像面上 的三維場(chǎng)景的復(fù)振幅； 9) 把步驟8)所得到的三維場(chǎng)景的復(fù)振幅編碼成計(jì)算機(jī)全息圖； 10) 把所述的計(jì)算機(jī)全息圖加載到空間光調(diào)制器上，用于全息顯示； 11) 返回步驟4)，提取下一個(gè)視頻幀； 12) 重復(fù)計(jì)算上述步驟5)-11)，直到要顯示的視頻計(jì)算完畢，或計(jì)算中斷為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法，其特征在于所 述的像感器的攝影鏡頭為定焦鏡頭；該像感器采樣間隔在微米量級(jí)，采樣數(shù)量Μ > 4000， N > 2000,顏色濾波片陣列的排布方式通常為拜耳濾波片，具體參數(shù)視不同像感器而有所 不同；光譜寬度通常為可見光范圍350nm-770nm，準(zhǔn)確范圍需根據(jù)像感器的量子效率曲線 而定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法，其特征在于所述 的求解相位的方法包括傅里葉求解法、多重網(wǎng)格法、格林函數(shù)法和澤尼克多項(xiàng)式法等多種 求解方法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于全息顯示的三維場(chǎng)景信息的獲取方法，其特征在于所述 的紅、綠、藍(lán)三色光強(qiáng)分量的提取是利用像感器得到的不同波長的光強(qiáng)信息并結(jié)合像感器 的量子效率曲線進(jìn)行"歸一化處理"得到更精確光強(qiáng)信息的方法。
【文檔編號(hào)】G03H1/04GK104090476SQ201410307063
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】岳偉瑞, 司徒國海 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所