專利名稱：一種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光、電組成的實現(xiàn)計算全息三
維動態(tài)顯示的方法。
背景技術(shù)：
如何實現(xiàn)真正的三維顯示，使人們能夠直觀的看到包含物理深度信息的三維場 景，并且這些場景是真正處于觀看者所在的物質(zhì)空間之內(nèi)，使觀看者真正獲得完美的視覺 感受和體驗，是廣大顯示技術(shù)研究者都十分關(guān)心的問題。計算全息術(shù)的發(fā)展，為這個夢想的 實現(xiàn)提供了一個可行的方案。計算全息三維動態(tài)顯示技術(shù)的研究和發(fā)展將有效地帶動虛擬 現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)的研究和綜合集成，在工業(yè)設(shè)計、展覽展示、醫(yī)療、娛樂、軍事和空間、三維電 視等重大應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。 目前，最常見的三維顯示方式是采用二維的計算機(jī)屏幕來顯示旋轉(zhuǎn)的二維圖像， 表現(xiàn)出三維的效果，但是這種方式只有心理景深，而沒有真正意義上的物理景深。另一種三 維顯示技術(shù)是通過佩戴專用的眼鏡或者其他的輔助設(shè)備，運(yùn)用視差效果來實現(xiàn)三維效果， 這種方式不能同時滿足多人同時觀察。全息技術(shù)可以產(chǎn)生真實的三維圖像，且不需要其他 的眼鏡或頭部感應(yīng)器，可以允許許多人觀察圖像，產(chǎn)生的圖像和真實物體幾乎沒什么區(qū)別。 計算全息術(shù)的發(fā)展使得光波的物理干涉被計算步驟所替代，更加使得計算全息三維顯示技 術(shù)有望成為最終實現(xiàn)三維顯示的最終方案。但是隨著顯示分辨率的提高，以及對實現(xiàn)動態(tài) 運(yùn)動效果要求的提高，需要處理的數(shù)據(jù)是非常龐大的，不能達(dá)到實時性的要求，使得該項技 術(shù)還沒有獲得廣泛的應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝 置及方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)真正包含物理景深的三維顯示，有效地解決了計算全息三維動 態(tài)顯示技術(shù)中，計算全息圖計算的實時性問題。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，包括原始三維物體 數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、計算全息圖顯示系統(tǒng)、計算全息再現(xiàn)系統(tǒng)，原始三維 物體數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)包括主機(jī)個人計算機(jī)、高速通用串行總線接口 USB、 PCI總線接 口 ；計算全息圖顯示系統(tǒng)包括主機(jī)顯示器以及空間光調(diào)制器SLM ;計算全息再現(xiàn)系統(tǒng)包括 一個激光器， 一個擴(kuò)束鏡， 一個反射鏡， 一個觀察屏幕，主機(jī)個人計算機(jī)通過高速的USB接 口將原始物體的三維信息傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理；獲得的計算全息圖數(shù)據(jù)，通 過PCI總線接口傳輸給主機(jī)，并在其顯示器上顯示，同時主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖傳 輸給空間光調(diào)制器SLM，并在SLM高分辨率的顯示芯片上顯示出計算全息圖，激光器發(fā)射相 干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向SLM的顯示芯片上，即可在觀察屏 幕上觀看到再現(xiàn)物體的實像。 所述USB接口為USB2. 0，其最大傳輸速率高達(dá)480Mbps。
所述PCI接口為32bit，66MHz，傳輸帶寬達(dá)到266MByte/s。 所述空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片是高解析度的LCOS投影器件。 —種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示方法，包括實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，顯
示方法包括如下步驟 1)將所述主機(jī)內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)類型為32位單精度數(shù)的原始物體三維數(shù)據(jù)信息及強(qiáng) 度信息，通過USB總線接口傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 2)所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在以FPGA為核心的運(yùn)算電路單元內(nèi)，對每個物點(diǎn)進(jìn)行計算 全息運(yùn)算，算法按照菲涅耳計算全息圖的循環(huán)遞推算法，分別計算每個物點(diǎn)的菲涅耳計算 全息圖，疊加在前一個物點(diǎn)的計算全息圖的結(jié)果上，直到計算到最后一個物點(diǎn)的計算全息 圖； 3)所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過PCI接口將計算全息圖傳輸給主機(jī)，并在主機(jī)顯示器 上顯示出來；同時，主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖顯示在空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片 LCOS上； 4)激光器發(fā)射相干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向空間光調(diào) 制器SLM的顯示芯片上，再現(xiàn)出原始物體的三維圖像。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置及方法，能夠快 速有效地實現(xiàn)計算全息圖的計算，保證再現(xiàn)三維圖像的清晰度和實時性，能夠再現(xiàn)動態(tài)的 三維物體圖像。
具體實施例方式
計算全息三維動態(tài)顯示裝置，包括 —、原始三維物體數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)，包括主機(jī)個人計算機(jī)、高速通用串行總線 接口 USB、PCI總線接口。 二、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，是以現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片作為核心器件的專門實現(xiàn)計 算全息運(yùn)算的計算電路單元。 三、計算全息圖顯示系統(tǒng)，包括主機(jī)顯示器以及空間光調(diào)制器SLM。 四、計算全息再現(xiàn)系統(tǒng)，是一個光學(xué)再現(xiàn)系統(tǒng)，包括一個激光器，一個擴(kuò)束鏡，一個
反射鏡，一個觀察屏幕。 原始物體的三維信息，包括各個物點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息以及強(qiáng)度信息，將其預(yù)先存 儲在主機(jī)個人計算機(jī)中，通過高速的USB接口傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理；對數(shù)據(jù) 的運(yùn)算處理主要在FPGA芯片中進(jìn)行，其內(nèi)部是以硬件方式實現(xiàn)計算全息圖運(yùn)算的，具有很 高的運(yùn)算效率，可以滿足實時性的要求；獲得的計算全息圖數(shù)據(jù)，通過PCI總線接口傳輸 給主機(jī)，并在其顯示器上顯示，同時主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖傳輸給空間光調(diào)制器 SLM，并在SLM高分辨率的顯示芯片上顯示出計算全息圖。最后通過光學(xué)再現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)三維 物體再現(xiàn)。激光器發(fā)射相干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向SLM的顯 示芯片上，即可在觀察屏幕上觀看到再現(xiàn)物體的實像。
所述原始三維物體數(shù)據(jù)的大小在1Mbytes左右。 所述主機(jī)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸入端的通信是通過通用串行總線接口 USB實現(xiàn)的。所 采用USB接口的為USB2. 0，其最大傳輸速率高達(dá)480Mbps。
所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸出端與主機(jī)的通信是通過PCI總線接口實現(xiàn)的。所采用的 PCI接口為32bit，66MHz，傳輸帶寬達(dá)到266MByte/s。 所述以FPGA為核心的計算全息運(yùn)算電路單元，采用的FPGA為XI inx公司的
XC2VP70，內(nèi)部采用的算法是菲涅耳計算全息圖循環(huán)遞推算法。 所述主機(jī)與空間光調(diào)制器SLM之間的數(shù)據(jù)通信是通過VGA接口實現(xiàn)的。 所述空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片是高解析度的LCOS投影器件。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示儀的新方法，步
驟如下 a)將所述主機(jī)內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)類型為32位單精度數(shù)的原始物體三維數(shù)據(jù)信息及強(qiáng) 度信息，通過USB總線接口傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； b)所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在以FPGA為核心的運(yùn)算電路單元內(nèi)，對每個物點(diǎn)進(jìn)行計算 全息運(yùn)算。具體算法按照菲涅耳計算全息圖的循環(huán)遞推算法，分別計算每個物點(diǎn)的菲涅耳 計算全息圖，疊加在前一個物點(diǎn)的計算全息圖的結(jié)果上，直到計算到最后一個物點(diǎn)的計算 全息圖； c)所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過PCI接口將計算全息圖傳輸給所述主機(jī)，并在主機(jī)顯示 器上顯示出來；同時，所述主機(jī)通過所述VGA接口將計算全息圖顯示在所述SLM的顯示芯片 LCOS上； d)所述顯示在SLM上的計算全息圖通過所述光學(xué)再現(xiàn)系統(tǒng)，再現(xiàn)出原始物體的三 維圖像。 本發(fā)明提供的實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示儀的新方法，由于 1、采用傳輸速率高達(dá)480Mbps的通用串行傳輸接口 USB2. 0和傳輸帶寬高達(dá)
266Mbyte/s的PCI接口 ； 2、計算全息圖的計算是在現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中實現(xiàn)的，即用硬件電路實現(xiàn) 計算全息圖的運(yùn)算。 3、FPGA內(nèi)部所采用的計算全息圖算法是菲涅爾計算全息循環(huán)遞推算法，只有少數(shù) 的乘除法運(yùn)算，大部分都是由加法運(yùn)算實現(xiàn)的，占用FPGA內(nèi)部資源少，根據(jù)容量可以盡可 能多的增加基本運(yùn)算單元的個數(shù)，提高運(yùn)輸效率。 4、所采用的FPGA具有很強(qiáng)的并行工作能力，可以有效地進(jìn)行分布擴(kuò)展運(yùn)算，更進(jìn)
一步提高工作效率。 5、 SLM的顯示芯片采用LCOS芯片，分辨率高達(dá)1024X 768，像素間隔為19 ii m。
6、三維物體再現(xiàn)系統(tǒng)為光學(xué)再現(xiàn)系統(tǒng)。 所以本發(fā)明能夠快速有效地實現(xiàn)計算全息圖的計算，保證再現(xiàn)三維圖像的清晰度 和實時性，能夠再現(xiàn)動態(tài)的三維物體圖像。
權(quán)利要求
一種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，其特征在于，包括原始三維物體數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、計算全息圖顯示系統(tǒng)、計算全息再現(xiàn)系統(tǒng)，原始三維物體數(shù)據(jù)存儲和傳輸系統(tǒng)包括主機(jī)個人計算機(jī)、高速通用串行總線接口USB、PCI總線接口；計算全息圖顯示系統(tǒng)包括主機(jī)顯示器以及空間光調(diào)制器SLM；計算全息再現(xiàn)系統(tǒng)包括一個激光器，一個擴(kuò)束鏡，一個反射鏡，一個觀察屏幕，主機(jī)個人計算機(jī)通過高速的USB接口將原始物體的三維信息傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理；獲得的計算全息圖數(shù)據(jù)，通過PCI總線接口傳輸給主機(jī)，并在其顯示器上顯示，同時主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖傳輸給空間光調(diào)制器SLM，并在SLM高分辨率的顯示芯片上顯示出計算全息圖，激光器發(fā)射相干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向SLM的顯示芯片上，即可在觀察屏幕上觀看到再現(xiàn)物體的實像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，其特征在于，所述USB接口為USB2. O，其最大傳輸速率高達(dá)480Mbps。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，其特征在于，所述PCI接口為32bit，66MHz，傳輸帶寬達(dá)到266MByte/s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片是高解析度的LC0S投影器件。
5. —種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示方法，包括實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置，其特征在于，顯示方法包括如下步驟1) 將所述主機(jī)內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)類型為32位單精度數(shù)的原始物體三維數(shù)據(jù)信息及強(qiáng)度信息，通過USB總線接口傳輸給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；2) 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在以FPGA為核心的運(yùn)算電路單元內(nèi)，對每個物點(diǎn)進(jìn)行計算全息運(yùn)算，算法按照菲涅耳計算全息圖的循環(huán)遞推算法，分別計算每個物點(diǎn)的菲涅耳計算全息圖，疊加在前一個物點(diǎn)的計算全息圖的結(jié)果上，直到計算到最后一個物點(diǎn)的計算全息圖；3) 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過PCI接口將計算全息圖傳輸給主機(jī)，并在主機(jī)顯示器上顯示出來；同時，主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖顯示在空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片LCOS上；4) 激光器發(fā)射相干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向空間光調(diào)制器SLM的顯示芯片上，再現(xiàn)出原始物體的三維圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)計算全息三維動態(tài)顯示裝置及方法，主機(jī)個人計算機(jī)通過高速的USB接口將原始物體的三維信息傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理；獲得的計算全息圖數(shù)據(jù)，通過PCI總線接口傳輸給主機(jī)，并在其顯示器上顯示，同時主機(jī)通過VGA接口將計算全息圖傳輸給空間光調(diào)制器SLM，并在SLM高分辨率的顯示芯片上顯示出計算全息圖，激光器發(fā)射相干光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后射向一個反射鏡，反射鏡將光束射向SLM的顯示芯片上，即可在觀察屏幕上觀看到再現(xiàn)物體的實像。此裝置及方法能夠快速有效地實現(xiàn)計算全息圖的計算，保證再現(xiàn)三維圖像的清晰度和實時性，能夠再現(xiàn)動態(tài)的三維物體圖像。
文檔編號H04N13/00GK101707724SQ20091019917
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者王海生, 簡獻(xiàn)忠, 郭利輝 申請人:上海理工大學(xué)