CN100530001C - 计算计算机生成的视频全息图的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

首先将定义待全息再现的物体的数据安排在多个虚拟截面图层，每图层定义一个二维物数据集，从而可以根据一些或所有上述二维物数据集计算视频全息数据集。第一步是将每个二维物数据集变换为二维波场分布。为距离视频全息图层有限距离的参考图层中的虚拟观测窗计算波场分布。接着，将为截面图层的所有二维物数据集、为虚拟观测窗计算的二维波场分布相加，以定义集合观测窗数据集。而后，将集合观测窗数据集从参考图层变换到视频全息图层，以生成用于计算机生成的视频全息图的视频全息数据集。

Description

计算计算机生成的视频全息图的方法和装置
技术领域
本发明涉及计算计算机生成的全息图(CGH)，特别是实时或近实时全息图，例如由各个可控全息图单元组成、每个单元都显示复值数据的视频全息图的方法和装置。除静态全息图外，实时视频全息图特别引人注目。电子全息技术的目的是实现实时CGH。电子全息显示器实际上是在空间中调制照明光的带有可控像素再现物点的空间光调制器(SLM)。在本说明书中，我们将实时全息图称为视频全息图。对于所属技术领域的技术人员来说，视频全息图还涵盖光寻址SLMs、声光调制器(AOM)或其他不展示分开设置的单元的类似物。
与利用摄影术或以干涉图的形式利用其他合适方法存储的典型的全息图相对比，视频全息图作为三维场景的序列中得到的离散全息图数据计算结果存在。计算过程中，例如通过电子装置，如计算机、图像处理器、图像适配器或其他硬件元件的电存储介质存储中间数据。3D场景数据可以以任何方式产生，例如干涉图或2D数据的3D转换。
背景技术
空间光调制器(SLMs)是用于空间上控制复值数据的装置，也就是光的每个色彩分量的振幅的大小和相位。通过空间或时间的多路复用对色彩编码。SLM可以包括可控全息单元，每一个都由全息数据的离散值集单独寻址并控制。SLMs也可以是连续的，不包括离散单元。为了在以单元为基础的SLM中通过空间复用得到色彩编码，单元中的每个像素都可以包含色彩子像素，每个子像素显示三个或更多原色中的一个。根据使用的视频全息图编码的种类，子像素还可以用于编码各原色。例如，迂回相位编码，与公知的伯克哈特(Burckhardt)编码类似，需要为每个色彩分量安排三个子像素。考虑三个色彩分量，对于一个全息单元色彩(也就是三原色)来说，子像素的数目总计为九个；上述三原色的每一个都有三个子像素，总和为九个。相反，同样公知的李(Lee)编码需要四个子像素；对于全息单元中每种色彩来说，一个二相位编码需要两个子像素。
每个全息单元都由一个全息数据的离散集编码，至少包括给定色彩分量的振幅和相位信息；上述数据可以是0，或者具有标准值，或者可以任意选择。根据驱动SLM的配置，持续更新视频全息图的全息数据。由于整个全息图由数千单元构成，所以有数千全息数据的离散集。
全息数据集包括将单一视频全息图编码为时间序列的一部分的所有必要信息，以便再现三维场景。
专用驱动器利用离散全息数据集提供用于控制SLM的对应子像素的特定控制信号。驱动器和控制信号的提供对于所用的SLM的类型而言是特定的，不是本发明的目的。多种类似于透射式或反射式液晶显示器的SLM、微型光学和微机电系统或持续光学寻址的SLM和声光调制器可以结合本发明使用。
调制光从全息图中发射出来，振幅和相位经适当控制，通过自由空间以光波阵面的形式传播至观察者，以便再现三维场景。通过在视觉空间中产生干涉，利用全息数据集编码SLM将显示器发出的波场再现为所需的三维场景。
本发明通过计算给定波长的振幅和/或相位，为每个全息单元在需要的波调制下提供实时或近实时控制数据。
再现三维场景的普遍问题是目前常规SLM中通用的低像素分辨率和低像素数。目前为了再现20英寸宽的可用SLM，需要大概为1μm的像素间距以便检查。考虑对全息单元中每个三原色分量进行编码的三个子像素，需要的像素多于109个。这就需要昂贵的硬件和高计算速度来计算视频全息图。可达到上述要求的足够快的计算速度的实时显示器和装置通常无法在商业上实现。
为了计算视频全息图，3D场景不一定要在现实中存在。这使得虚拟3D场景的再现可以用于多种应用领域，例如技术、娱乐和广告，其中移动的三维场景由电脑合成并编辑。
计算机生成的视频全息图可以例如用公开号为WO 2004/044659的申请文件中说明的全息显示器再现，在此结合其内容作为参考。观察者通过至少一个大于眼睛瞳孔的虚拟观测窗看向显示器屏幕。观测窗在观察者眼睛附近，并可以利用公知位置探测和追踪装置进行跟踪，以跟随观察者的位置。光源的图像平面是全息图的傅立叶(Fourier)平面。由于观测窗是全息图的傅立叶平面的一部分，所以其位于光源的图像平面上。
因此最好将观测窗限制为尺寸稍大于眼睛瞳孔的尺寸。这就大大减少了对SLM的像素分辨率和像素数的需要，减少了计算负荷。因此，可以减小数据传送速率和需要的计算能力，并可以使用低分辨率的光调制器矩阵。本申请说明的编码方法的一个缺点是其基于在将要再现的物体的每个单点上执行计算亮度的操作。
根据本发明计算的视频全息图可以利用例如大概300万像素的像素阵列再现。
公开号为WO 03/025680的申请公开了一种利用以受限灰阶范围为代表的计算视频全息图的方法。将物体全息图分为部分全息图，利用每一个的再现反复计算最优化的子全息图，从而减小需要的计算量。重复上述迭代的过程，直到可以组成小灰阶范围的子全息图，因而形成小灰阶范围的总的全息图。为了将连续处理转换为可以同时执行的计算步骤，分别独立地最优化每个子全息图的单独再现，直到对于总的全息图获得需要的结果。对每个数据集产生目标波阵面之后，组成子全息图。虽然计算最优化的子全息图时平行处理增加了处理速度，但是所需的计算能力没有减小。
WO 00/34834的申请公开了一种计算三维场景和利用LCD从数字图像数据中实时再现的方法。图像数据利用通过真实或虚拟的三维场景的空间分布对其进行说明。主要步骤包括：将3D场景分为带有场景的各个截面边界的几个平行截面图层(切分)，为每个截面图层计算截面全息图，利用光调制器矩阵连续再现计算出的截面全息图。对于每个截面全息图，将给定的由亮度分布定义的二维图像转变为复函数定义的二维中间图像。利用过采样过采样图像增加三维再现的分辨率。然后，为每个位于距离截面图层一定距离的参考图层中的场景截面计算虚构的衍射图像，通过复基准波叠加衍射图像。这就导致了对参考图层以干涉图的形式表示二维全息图，上述图为驱动器提供离散控制值以编码光调制器矩阵。上述现有技术的解决方法中光调制器矩阵位于参考图层。
根据上述截面图层和参考图层之间的距离将复像素振幅值和球面波的数学表达式相乘，并将场景截面的所有像素(切分)积分，以计算截面图层的衍射图像。上述积分作为卷积积分解释，通过计算因数的傅立叶变换与随后的逆变换的结果求值。
缺点在于每个截面图层的实时连续再现需要非常快的计算装置和能够在每秒钟再现数百个截面全息图的光调制器矩阵。此外，三维场景在参考图层后再现。这就意味着观察者在光调制器矩阵后面或在全息显示器内看到3D场景。
由于场景深度的适当再现牵涉的截面图层多于100个，上述解决方法需要显示器屏幕的极高刷新率。由于低速和再现限制在全息显示器内部的事实，所以利用公知的计算和显示装置的对移动三维场景进行令人满意和正常的实时再现。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速计算机生成的视频全息图的计算的方法，上述视频全息图使得再现三维场景的同时保持空间分辨率和再现质量。本发明可以使给定的视频全息图和转换装置实现交互式实时或近实时再现。本发明另一目的是提供一种能生成计算机生成的大型全息再现的方法；其可以与全息图本身一样大或比全息图大。
通过计算计算机生成视频全息图的方法达到上述目的，其中在三维场景中定义物体的物数据被安排在多个虚拟截面图层中，每一虚拟截面图层定义一个二维物数据集，这样可以根据一些或所有上述二维物数据集计算视频全息数据集；包含以下步骤：
(a)第一变换中，将每个虚拟截面图层的二维物数据集变换为二维波场分布，为位于与视频全息图层相距一有限距离的参考图层中的虚拟观测窗计算波场分布，
(b)为截面图层的所有二维物数据集，将为虚拟观测窗计算的二维波场分布相加，确定集合观测窗数据集；
(c)第二变换中，集合观测窗数据集从参考图层变换到视频全息图层，为计算机生成的视频全息图生成视频全息数据集。
定义三维场景的物数据可以是定义二维场景的数据，但包括额外的、用于将二维图像或视频数据转换为三维数据的深度信息。术语“三维”包括其范围内的“二维”。深度信息可以对所有物数据集都相同。因此，根据输入和用户希望显示什么，生成全息图的装置可以从三维模式转换为二维模式。
术语“图层”应当广义地解释为覆盖任何实质上可定义的、可以说明构成被再现的场景的点的结构。因此其包括任意虚拟平行表面组和可以空间定义上述点的任意算法。但是，虚拟平面截面在计算上是处理起来最有效率的图层的形式。
术语“平面”应当广义地解释为包括非平面的表面。参考图层可以与全息图的傅立叶平面(与照明光源的图像平面相同)重合；但是其具有公差度，与傅立叶平面足够近的观察者可以用眼睛看到合适的再现场景。像素数增加时公差度增加。
一种实施方式中，第一变换为菲涅耳(Fresnel)变换，第二变换为傅立叶变换。术语“变换”应当广义地解释为包括与变换相同或近似的数学和计算机技术。通常的数学意义上的变换只是近似于由麦克斯韦(Maxwellian)波传播方程精确说明的物理过程；例如菲涅耳变换(或公知的作为菲涅耳变换的特殊形式的傅立叶变换)为二阶近似，但优点很多：因为上述变换是与微分相对的代数形式，可以用计算上有效率的方式处理。
为了弥补观测窗中再现的集合场的误差，可以在观测窗的分布和全息图层之间发生迭代过程。
为了减小斑点噪声，提高场景中参考图层的亮度或衍射效率以及亮度清晰度，物数据集可以显示合适的相位分布，例如伪随机相位分布。
与公知技术中的解决方法相反，通过执行根据本发明上述步骤中的前两步，利用衍射公式计算单一集合波场的全息图。由于所有独立波场重叠，上述集合波场包括可达到的精确度内的三维场景的全部光学信息。
本发明的较佳实施例中，将截面图层的所有物数据集都分配相同总数的离散矩阵点。如果矩阵点的数目与全息图的扫描点的数目一致，则最好利用快速算法进行整个计算过程，使分辨率适应各个图层的处理步骤例如插值或过采样变得多余。用于所有图层的矩阵点的数目从全息显示器中SLM的编码像素数得到。
本发明结合公开号为WO2004/044659的申请中公开的视频全息显示器的主要优点，是变换全息图层的集合波场的参考数据集之前，可以限制参考图层中观测窗的面积，使其与SLM光调制器矩阵的面积相比相当小。再现参考图层中的全息图时，观测窗的范围最大化地对应包括用于再现的光源图像的图层中的周期性间隔。这就产生以下效果，即根据本发明的计算机生成视频全息图与其他解决方法相比仅需要实现较低的衍射角度，如果用于参考图层和全息图层的数据集的矩阵点值数相同，更是如此。由于对光调制器矩阵的振幅数的计算，极大地减小了对处理速度的要求。具体地说，由于这个优点，结合公知的追踪当前观察者位置的位置探测和追踪装置，可以极大地缩小观测窗的尺寸。此外，如之前提到的公开号为WO2004/044659的申请，需要在要再现的场景中的每一点上执行计算密集型操作。利用本发明，不再需要对每一物点执行计算密集型操作，而是对整个截面图层执行第一变换(从每个截面图层到观察者眼睛所在的参考面的虚拟观测窗)，而不是图层中的每一个独立物点。由于这是单一操作，所以从虚拟观测窗逆变换到全息图层的第二变换变得更加有效，不过要对所有物点编码信息。
本发明的另一实施例中，截面图层的每个物数据集都以虚拟区域的大小为基础，上述虚拟区域的大小取决于虚拟截面图层到参考图层的距离。从各个观测窗边缘到视频全息图的SLM边缘之间出现的假想表面产生了截面图层范围。由于每个数据集中的矩阵点值数相同，分配给各个矩阵点的区域与参考图层成比例地发生改变。将原物数据分配给截面图层的物数据集也称为切分，其导致场景的离散物点值被分配给各个截面图层中说明矩阵点的二维坐标系统的各个矩阵点。根据与截面图层相关的物点的局部位置，原物信息因此被分配给与其空间位置最接近的坐标系统的矩阵点。因而截面图层中由距离决定的区域产生以下效果，即说明场景截面图层的由区域决定的物点分辨率越大，截面图层离参考图层就越近。这意味着场景的前景被详细地再现时，背景中同样的场景元素以更低的分辨率再现。但是更远的虚拟截面图层可以为场景中的背景再现更大的观察区域。一方面场景的这种再现更自然地表现了场景的前景和背景元素，另一方面帮助最小化所需的计算量。
在本发明一较佳实施例中，转换前可以选择或改变虚拟截面图层中各个物数据集的距离值，以使整个或部分再现在全息图层前面或后面出现。这样，可以仅通过软件设置实现在观察者眼前的空间深度中对原本位置的再现，和合成的全息视频图的深度效果有意识的增大或减小。
根据公开号为WO 2004/044659的申请中公开的现有技术编码时，再现的三维场景以光调制器矩阵控制的波场的形式出现在观察者眼前的自由空间中。用于计算的虚拟截面图层还确定了观测窗前的空间中的再现的位置，并距参考图层有一有限距离。根据光学近场中的主要情况，这使得每个光点、集合波场的全息再现场景都产生光，像球面波一样传播，而将光提供给参考图层中观测窗的物波阵面。因此参考图层中每个物数据集的变换可以通过足够接近菲涅耳变换的近似值表示。鉴于此，将取决于各个虚拟截面图层到参考图层的距离的所有物数据集的所有物点的振幅值乘以菲涅耳相位因数。
菲涅耳相位因数的指数取决于每个虚拟截面图层和参考图层之间的坐标的差的平方以及其他因数。因而需要更多的处理时间和计算能力来执行许多菲涅耳变换。根据本发明一较佳实施例，通过将难度较大的菲涅耳变换分为单独的步骤弥补上述缺点，故可以用球面波因数相乘的形式，借助快速傅立叶变换(FFT)结合进一步处理步骤执行上述步骤。上述方法的优点还有可以使用例如球形和/或全息适配器的电子硬件计算视频全息图。上述硬件包括至少一个专用的图形处理器，其带有公知的用于切分和其他视频处理步骤、例如图像绘制的模块，以及至少一个借助快速傅立叶变换程序执行菲涅耳变换的特定处理器模块。上述带有必要的FFT程序的数字信号处理器(DSP)形式的处理器可以使用公知方法低成本制造。常用的图像处理器的优点是利用所谓阴影算法，使得截面图层中的数据通过例如傅立叶变换的操作，变换到参考图层。
为了简化波场的计算，修改说明原截面图层和参考图层之间的光传播的变换，使其包含快速傅立叶变换(FFT)和说明球面波的两个相位因数的乘法。第一相位因数取决于虚拟截面图层的坐标和原截面图层与参考图层间的距离。第二相位因数取决于参考图层的坐标和虚拟截面图层与参考图层间的距离。根据光系统中的光准直，可以将上述相位因数的一个或两个设置为恒定值。
因而，将截面图层分布变换到参考图层的程序可以分为三步：
1.将每个物点的振幅与第一相位因数相乘。
2.为了将每个物点的复光振幅从原截面图层变换到参考图层物，将这样生成的乘积用于第一快速傅立叶变换。
3.将这样生成的变换乘以第二相位因数。
为了生成用于场景中的集合视频全息图的全息数据集，还可以通过由菲涅耳变换说明的光波传播的变换表示参考数据集到全息图层的变换。为了能够执行以上步骤，根据上述说明的步骤执行变换，但在变换之前，通过复数的相加叠加参考图层中用于所有截面图层的参考数据。对于上述菲涅耳变换，还可以根据光学系统中的光准直将相位因数中的一个或两个设置为恒定值。
本发明一个特别的优点在于用于集合波场的参考数据集通过将所有截面图层的计算参考数据集相加生成。在全息图层变换后，上述集合波场用作视频全息图的基础，这是由于它包括全部三维场景的信息。这使得所有截面图层的二维图像同时再现，因而3D场景也如此。
当有人希望减小视频全息图中因编码过程或技术限制产生的普遍误差时，另一优点便显现出来。可以利用反复的过程减小视频全息图的再现误差。在公知技术中，再现三维场景的物数据必须与原三维物场景相比较。发生包含许多在再现的三维物场景与全息图层之间的变换的复杂迭代过程物，直到达到需要的再现质量。我们的方法的优势为可以得到更简化的反复过程。因为参考数据集包括全部物信息，迭代过程包含全息图层与仅为二维的参考图层之间的变换。
利用目前的图像绘制技术，不用上述校正过程则不可能进行高质量的再现。
最好利用带切分装置的数字信号处理装置计算视频全息图，其将物信息分配给平行的虚拟截面图层的矩阵点，上述物信息包括用于实际或虚拟三维场景中光振幅的空间分布的离散物值，这样对于每个截面图层都定义一个带有断图层场景截面图层的离散矩阵点中的物点的独立物数据集。从上述物数据集计算视频全息图的全息数据集。根据本发明，信号处理装置还包含：
第一变换装置，其用于从每个物数据集中为位于与视频全息图层相距有限距离处的参考图层计算独立的二维分布，以及逐层缓冲经第一变换装置计算得到的变换的物数据集的缓存装置，
加和装置，其用于将变换物数据集相加，以生成参考数据集中的集合波场表达式，以及
第二变换装置，其用于变换距参考图层有限距离并与参考图层平行的全息图层中的参考(集合)数据集，为场景的集合视频全息图生成全息数据集。
数字信号处理装置包含至少一个用于执行菲涅耳变换的独立进行变换的装置，上述变换装置包括：
(a)第一乘法装置，其用于将原数据集的矩阵点值的振幅值与说明球面波的第一相位因数相乘，第一相位因数的指数取决于虚拟截面图层(Lm)中的坐标的平方和到参考图层(RL)之间的距离，或者第一相位因数的指数取决于参考图层(RL)中的坐标的平方和到全息图层(HL)之间的距离。，
(b)快速傅立叶变换装置，其用于将第一乘法装置得到的乘积从虚拟截面图层变换到参考图层或者用于将第一乘法装置得到的乘积从参考图层变换到全息图层，以及
(c)第二乘法装置，其用于将该变换与说明球面波的第二相位因数相乘，第二因数的指数取决于物图层中的坐标的平方和物图层与虚拟截面图层间的距离。
如上所述，根据光系统中的光准直，可以将上述相位因数的一个或两个设为恒定值。
数字信号处理装置可以是多路处理器，其具有多个独立工作的、同步执行的变换程序的子处理器。为了能够同时执行至少一定数目的变换，需要依靠三维场景的内容将计算所需的变换动态分配给可用的变换程序的资源管理器。参考图层中变换的数据集在缓存装置中缓冲。
这样，根据场景内容，数据集可以在不同的时间点激活，如果在某些截面图层中场景移动中没有发生改变甚至可以多次使用。
为了执行快速傅立叶变换，向虚拟截面图层的物数据集分配N个离散物点值，上述数字N是2的n次幂，n为自然数。
附图说明
以下将依据较佳实施例并结合附图，详细说明本发明的功能性原理。
图1表示(不按比例)用于再现三维场景的安排和计算视频全息图所需的参考图层。
图2是表示根据本发明的用于计算视频全息图的信号处理装置的示意图。
图3与图1类似，说明根据本发明的计算的主要步骤。
图4说明变换装置的功能性原理。
图5说明校正计算机生成的全息图的矩阵点值的子步骤。
具体实施方式
利用全息处理器计算视频全息图是以真实或虚拟三维场景中的原物信息为基础，该信息包括RGB或RGB兼容格式中光振幅的空间分布值。上述值可以是公知文件格式并可由全息处理器从数据存储器中调用。物物上述物信息例如在用于三维场景中各离散物点的物点文件格式为BMP的情况下，包括用于各个二维坐标的一组复合彩色物点数据Ro、Go、Bo。数据存储器MEM还提供三维场景的深度信息zo。每点的深度信息zo点与其是否在第一视频图像文件中给出或是否由处理器根据至少一个包含附加信息的第二文件计算不相关。
为了容易地理解复杂的过程，以下说明书忽略三个空间坐标之一(在此为y坐标)。将场景中的物点分配到M个截面图层L1...LM的矩阵点P11...PMN中，产生具有N个矩阵点值的物数据集OS1...OSM。所有的数据集都包括同样数目N的矩阵点值。上述数值N由可以表示N1个复数值的光调制器矩阵的像素数N1决定。如果用快速傅立叶变换算法计算傅立叶变换，N简化为2的幂，也就是N＝2n，其中n为整数且N≤N1。例如对于具有N1＝1280个像素的显示器，每个数据集都包括N＝1024个矩阵点值。但是可以使用其他不需要2n输入值的傅立叶变换算法，因此可以使用整个显示器的分辨率N1。
结合图2所示，图1表示较佳实施例，说明如何通过图2所示的切分工具将场景分为计算用的M个虚拟截面图层L1...LM。切分工具以公知的方式分析存储在数据存储器MEM中的原物体信息的深度信息z，为场景中的每个物点分配一个矩阵点Pmn，并根据矩阵点值输入对应于截面图层Lm的物数据集OSm中。对于复数，0≤m≤M且1≤n≤N，其中N是每图层的矩阵点P的数目和数据集中的矩阵点值的数目。一方面，不考虑该场景是否实际存在，随意定义截面图层L1...LM以确定场景中的离散物数据集。另一方面，同样的截面图层L1...LM目的在于定义关于视频全息图的再现场景3D-S的空间位置。因而图1和图2表示了关于视频全息图的本地定义的场景3D-S所需的再现。为了能够进行计算，必须进一步地定义：每个截面图层Lm与参考图层RL的距离都为Dm，参考图层具有位于观察者眼睛EL/ER附近的观测窗OW。视频全息图位于与参考图层的距离为DH的全息图层HL中。
如图2所示，通过执行以下步骤继续全息图矩阵的计算：
如果场景在那里存在，变换参考图层RL中截面图层L1...LM的物数据集OS1...OSM，将产生每个截面图层Lm的物点复振幅A11..AMN的波场确定作为对参考图层RL中集合波场的贡献。
再现场景时，将有
Figure C20058004471200211
向量的变换物数据集DS1...DSM相加，以形成定义将出现在观测窗OW中的集合波场的参考数据集RS。
参考数据集RS由参考图层RL逆变换，以形成位于距离DH的全息图层HL中的全息数据集HS，以便为编码视频全息图取得矩阵点值H1...HN。
用于视频全息图的N个像素值源于全息数据集的典型复数值获得。视频全息图中，上述值代表场景再现期间用于调制光的振幅值和波相位。
以上说明了如何为观测窗OW中的观察者再现3D-S。为了能够以真实的三维方式感受三维场景，使物看起来好像真的一样，各个观测窗中都需要有对每只眼睛都不同的全息图。
以相同的方式，但改变矩阵点值，计算用于第二观测窗的全息图矩阵。改变由观测者两眼相对场景3D-S的不同位置产生。通过配置的同时进行FFT程序的多通道数字信号处理器，可以同时而又互相完全独立地计算两个全息矩阵。为了减小所需的计算量，可以共同使用内容上差别很小或没有差别的物数据集的计算结果。这可以用于显示图画背景的截面图层。两眼由偏移量很小的方向看到同一场景。
根据本发明的一个具体特性，数字信号处理装置包括物数据集管理器，该物数据集管理器比较相应物数据集的内容，可选择地仅将两个同样的物数据集中的一个分配到两个信号处理器通道中的一个做变换，从而避免多余的处理。
与公知解决方案相反，再现通过从观测窗OW延伸到光调制矩阵LM的虚构连接面A1和A2确定的平截锥体形的空间中的虚拟观察窗观察。3D-S再现可以出现在视频全息层HL的前面、之中或后面，或与该图层交叉。
如果观测窗覆盖眼睛的横向尺寸，则其尺寸足够，在特殊情况下，其甚至可以减小为瞳孔尺寸。假设一个1×1cm2的观测窗位于与全息图层1m的距离上，与具有经典编码方法的光调制矩阵相比，计算机生成视频全息图所需的像素数减小2500到10000倍。
图3表示执行计算所需的变换所选的图层的位置。仅显示第一虚拟截面图层L1和另一图层Lm。但是，始终需要所有波场的贡献以计算参考图层RL中的截面图层L1...LM的波场。为了节约计算量，处理移动的三维场景时，可以缓存并为后来的视频全息图重新使用每个变换数据集DS1...DSM，直到内容发生变换。
图4详细表示如何变换与参考图层RL的距离为Dm的截面图层Lm的物数据集OSm的振幅值Am1...Amn...AmN。为了方便理解该复杂的过程，图中仅表示了一维变换。方程(1)表示菲涅耳(Fresnel)变换的核心。
( 1 ) , e j k 2 D m ( x m - xo ) 2 = e j k 2 D m x m 2 * e - j k D m x m x 0 * e j k 2 D m x 0 2
其中，项
e - j k D m x m x 0
表示从坐标x0的图层中的坐标xm的图层、也就是与参考图层距离为Dm的图层进行傅立叶变换的核心。
如上所述，依靠光系统中的光准直，上述二次相因数中的一个或两个可以为1。
方程(2)
( 2 ) , A mn → A mn * F 1 mn = A mn e j k 2 Dm x mn 2
定义振幅Amn为矩阵点值乘以图层Lm中对应的相位因数F1mn。
最后，方程(3)表示(2)中傅立叶变换的结果和仅取决于参考图层中观测窗OW坐标x0和各个截面图层到参考图层的距离的相位因数相乘。
( 3 ) , A ~ mn = A ~ m ′ n e j k 2 D m x 0 2
上述解决方案可以加速计算过程，以使专用数字信号处理器电路以实时非闪烁再现的方式，计算用于两眼观看的移动场景的视频全息图序列。
为了弥补观测窗OW中再现集合场的误差，本发明的较佳实施例中，可以利用图5所示的迭代过程在观测窗OW的分布与全息图层HL之间进行计算。

Claims (60)

1.计算计算机生成视频全息图的方法，其特征在于将三维空间场景中定义物的物数据安排在多个虚拟截面图层(L1，...，LM)，每虚拟截面图层定义一个二维物数据集(OSm)，从而可以根据一些或所有上述二维物数据集(OS1，...，OSM)计算视频全息数据集(HS)；包含以下步骤：
(a)第一变换(TR1)中，将每个虚拟截面图层的二维物数据集(OSm)变换为二维波场分布(Dm)，为位于与视频全息图层(HL)相距一有限距离(DM)的参考图层(RL)中的虚拟观测窗(OW)计算波场分布(Dm)，
(b)为虚拟截面图层(L1，...，LM)的所有二维物数据集，将为虚拟观测窗(OW)计算的二维波场分布(DS1，...，DSM)相加，确定集合观测窗数据集(RS)；
(c)第二变换中(TR2)，集合观测窗数据集(RS)从参考图层(RL)变换到视频全息图层(HL)，为计算机生成的视频全息图生成视频全息数据集(HS)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将视频全息数据集(HS)的数据分配给视频全息图中等间距的点，上述这些点组成矩阵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于虚拟截面图层(L1，...，LM)、全息图层(HL)、参考图层(RL)和虚拟观测窗(OW)均为平面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于全息图层(HL)、虚拟截面图层和虚拟观测窗互相平行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于观察者的至少一只眼睛位于虚拟观测窗附近，通过虚拟观测窗(OW)看到再现的场景。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于有两个或更多个虚拟观测窗(OW)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将物数据(R1，G1，B1，z1，...，RP，BP，BP，zP)分配给物数据集(OS1，...，OSM)，其全部包含的值的数目(N)和矩阵结构与集合观测窗数据集(RS)和全息数据集(HS)相同，其中所有用于数据集(OS1，...，OSM，RS，HS)的值的数目和结构源于用作编码视频全息图的像素数目。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于上述二维物数据集(OS1，...，OSM)和集合观测窗数据集(RS)的矩阵结构与视频全息数据集(HS)相同。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的方法，其特征在于参考图层中的虚拟观测窗(OW)设置成小于或等于参考图层中周期性间隔的大小，并完全位于一个周期性间隔中。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于参考图层中的虚拟观测窗(OW)设置成小于或等于参考图层中周期性间隔的大小，并完全位于一个周期性间隔中。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于参考图层中的虚拟观测窗(OW)设置成小于或等于参考图层中周期性间隔的大小，并完全位于一个周期性间隔中。
12.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于参考图层与全息图的傅立叶平面重合。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于每个二维物数据集(OSm)都以对应的虚拟截面图层(Lm)的面积为基础，该对应的虚拟截面图层(Lm)的面积取决于该虚拟截面图层(Lm)到参考图层(RL)的距离(Dm)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于通过与连接虚拟观测窗(OW)边缘和视频全息图边缘的假想表面(A1，A2)交叉确定上述每个虚拟截面图层的面积。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于设置虚拟截面图层(L1，...，LM)与虚拟参考图层(RL)之间的距离(D1，...，Dm)，使全部再现场景(3D-S)或其一部分出现在全息图层(HL)的前面和/或后面。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一变换为菲涅耳变换，其包含以下子步骤：
(aa)将虚拟截面图层(Lm)的每个物点的振幅值Amn与说明球面波的第一相位因数(F1mn)相乘，上述因数的指数取决于虚拟截面图层(Lm)的坐标(xm，ym)的平方，和虚拟截面图层(Lm)与参考图层(RL)之间的距离(Dm)，
(ab)借助第一快速傅立叶变换(FFT)，将虚拟截面图层(Lm)中每个物点(Am1，...，AmN)计算的乘积从虚拟截面图层(Lm)变换到参考图层(RL)，
(ac)将计算得到的变换
Figure C2005800447120004C1
与说明球面波的第二相位因数(F2mn)相乘，第二相位因数的指数取决于参考图层(RL)的坐标(x，y)的平方，以及参考图层到虚拟截面图层(Lm)的距离(Dm)。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二变换是菲涅耳变换，其包含以下子步骤：
(ca)将参考数据集(RS)的每个复振幅值
Figure C2005800447120004C2
与说明球面波的第三相位因数(F3n)相乘，上述因数的指数取决于参考图层(RL)的坐标(x0，y0)的平方，和参考图层(RL)与全息图层(HL)之间的距离(DH)，
(cb)借助第二快速傅立叶变换(FFT)，将复振幅值
Figure C2005800447120004C3
计算的乘积从参考图层(RL)变换到全息图层(HL)，
(cc)将计算得到的变换(H’1，...，H’N)与说明球面波的第四相位因数(F4n)相乘，上述因数的指数取决于全息图层(HL)的坐标(x，y)的平方，以及全息图层(HL)和参考图层(RL)间的距离(DH)，为用于编码的全息数据集(HS)取得需要的全息值(H1，...，HN)。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于可以将说明球面波的相位因数(F1mn，F2mn)中的一个或两个设置为恒定值。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于可以将说明球面波的第三和第四相位因数(F3n，F4n)中的一个或两个设置为恒定值。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一和/或第二变换为傅立叶变换。
26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包含以下通过迭代的方式校正计算机生成的视频全息图的点值的子步骤：
(A)将来自原三维场景的观测窗数据集(RS)定义为用于第一变换的目标函数，
(B)将目标函数的原复振幅值逆变换到全息图层(HL)，以得到全息数据集(HS)的矩阵点值(H1，...，HN)，
(C)为光调制器矩阵(LM)推导出全息数据集(HS)参数(Paramn)，
(D)将推导出的参数(Paramn)变换到参考图层(RL)，以在虚拟观测窗(OW)中得到更新的复振幅值
Figure C2005800447120005C2
的分布，
(E)对更新的复振幅值
Figure C2005800447120005C3
的分布和目标函数原始值
Figure C2005800447120005C4
Figure C2005800447120005C5
形成差分(Δ)，
(F)将上述差分(Δ)逆变换为全息图层(HL)中的不同点值分布(ΔH1，...，ΔHN)，
(G)从视频全息数据集(HS)中减去不同点值分布(ΔH1，...，ΔHN)并校正全息数据集，
(H)重复步骤(C)到(G)，
(I)到达逼近精度时，结束上述迭代过程。
27.根据权利要求1、2、3、4、5、7、18、19、20、21、22、23、24、25或26所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
28.根据权利要求6所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
29.根据权利要求8所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
30.根据权利要求9所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
31.根据权利要求10所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
32.根据权利要求11所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
33.根据权利要求12所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
34.根据权利要求13所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
35.根据权利要求14所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
36.根据权利要求15所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
37.根据权利要求16所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
38.根据权利要求17所述的方法，其特征在于对所有物数据集而言，深度信息相同。
39.根据权利要求1所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
40.根据权利要求27所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
41.根据权利要求28所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
42.根据权利要求29所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
43.根据权利要求30所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
44.根据权利要求31所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
45.根据权利要求32所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
46.根据权利要求33所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
47.根据权利要求34所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
48.根据权利要求35所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
49.根据权利要求36所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
50.根据权利要求37所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
51.根据权利要求38所述的方法，其特征在于生成全息图的装置可以根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转换为二维模式。
52.具有数字切分装置的用于计算计算机生成视频全息图的数字信号处理装置，其将三维场景中定义物体的物数据分配给多个虚拟截面图层(L1，...，LM)，每个虚拟截面图层定义一个独立的物数据集(OSm)，从而可以从一些或所有上述物数据集计算视频全息图的视频全息数据集(HS)，包含：
(a)第一变换装置，其用于从每个物数据集(OSm)中为位于与视频全息图层(HL)相距一有限距离(DM)的参考图层(RL)中的虚拟观测窗计算二维波场分布，以及缓冲经第一变换装置计算得到的变换的物数据集的缓存装置，
(b)加法装置(AD)，其用于将所有虚拟截面图层的变换的物数据相加，以生成集合观测窗数据集(RS)的波场表达式，以及
(c)第二变换装置，其用于将观测窗数据集(RS)变换到位于参考图层有限距离并与参考图层(RL)平行的全息图层(HL)，为集合视频全息图生成全息数据集(HS)。
53.根据权利要求52所述的装置，其特征在于包含至少一个执行变换的独立工作的变换装置，上述装置包括：
将原物数据集(OSm)的值的振幅值
Figure C2005800447120008C1
与说明球面波的第一相位因数(F1mn)相乘的第一乘法装置(M1)，第一相位因数的指数取决于虚拟截面图层(Lm)的坐标(xm，ym)的平方，和到参考图层(RL)之间的距离，或者第一相位因数的指数取决于参考图层(RL)的坐标(xm，ym)的平方和到全息图层(HL)之间的距离，
快速傅立叶变换装置(FFT)，其用于将第一乘法装置(M1)得到的乘积从虚拟截面图层(Lm)变换到参考图层(RL)或者用于将第一乘法装置(M1)得到的乘积从参考图层(RL)变换到全息图层(HL)，以及
将上述变换与说明球面波的第二相位因数相乘的第二乘法装置(M2)，第二相位因数的指数取决于物图层中的坐标的平方，以及物图层与虚拟截面图层间的距离。
54.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，对于快速傅立叶变换的执行，所有数据集的离散矩阵点数都是数目(N)，上述数目(N)是2的n次幂，n为自然数。
55.根据权利要求52所述的装置，其特征在于包括多通道数字信号处理器(DSP)，其用于独立并同步地执行频繁重新出现的计算程序。
56.根据权利要求52所述的装置，其特征在于包括多个独立工作的、包含同步执行的变换程序(TR1，TR2)的子处理器，以及根据三维物体的内容将计算所需的变换动态分配给可用的变换程序的资源管理器，以便能够同时执行至少一定数目的变换。
57.根据权利要求52所述的装置，其特征在于该装置是同时为两眼计算全息数据集(HSL，HSR)的多通道处理器。
58.根据权利要求52所述的装置，其特征在于包括物数据集控制装置，其用于将全息计算中对应物数据集(OSm)的内容和不同的原始物数据进行比较，以便在两个信号处理器通道中的一个中仅执行一次类似的变换，并共用其他通道中的变换。
59.根据权利要求52所述的装置，其特征在于可以将说明球状波的一个或所有相位因数(F1mn/F3n，F2mn/F4n)设为恒定值。
60.根据权利要求52所述的装置，其特征在于其适于根据输入和/或用户选择的模式，从三维模式转变为二维模式。
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