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基于层析法的全息三维显示算法研究及成像质量优化

孙鹏  
【摘要】:在数字信息化的现代,摩尔定律推动光机电算各行各业迅猛发展,显示行业在这一时期进入了发展的快车道,全息三维显示就是其中的典型代表之一。全息技术一直以来被认为是三维显示的终极解决方案,干涉记录与衍射再现的原理决定了它能够完整还原所有三维场景信息。如今,相位型显示器件已让全息摆脱传统干板的束缚,并赋予了全息紧凑、实时、可编程等特点,相信在高性能计算机的辅助下,全息显示会在不久的将来成为一种现象级显示技术。本文基于对相位型硅基液晶(LCoS)成像效果的分析,优化全息显示成像质量,消除了各种杂散光对成像的影响。本文在基本循环迭代算法中引入双会聚光相位与数字闪耀光栅,创造性地同时在横向与轴向调整系统重建成像区域,完全消除了零级亮斑、高衍射级次与共轭像对成像的干扰,同时抑制了散斑噪声,减轻了 LCoS成像光强度sinc函数式分布与零级亮斑“十”字形结构对成像的影响,大幅提高成像质量。为高清晰度三维重建提供成像质量保障。基于双会聚光相位,提出双会聚光-格希伯格萨克斯顿(DCL-GS)算法,搭建虚像接收的增强现实(AR)实验系统,实现了具有长深度、大视场、连续深度线索的全息三维重建。DCL-GS算法将分层后的三维场景按层计算成为相应的全息图,通过第二会聚光相位与夫琅禾费衍射计算内核的结合,还原出长深度、具有连续深度线索的三维场景,最大深度可达180cm。针对LCoS衍射效率低、视场角小的问题,通过系统透镜焦距的选择与算法的匹配控制,实现系统视场角大小调控,最大视场角可达40度。在此算法基础之上,提出基于层析法的区域分割显示方法,在高计算速度的前提下实现了复杂三维场景重建。将空分复用的思想与基本层析法相结合,并分别应用于菲涅耳衍射域与夫琅禾费衍射域,提出了菲涅耳衍射区域分割法(PFreD)与夫琅禾费衍射区域分割法(PFraD)。方法通过区域分割、平铺排列的方式避免了传统层析法层与层叠加造成的串扰问题,保证了成像质量。同时方法三维建模简单,控制了参与计算的采样点数量,大幅提升计算速度的同时,实现了多层复杂三维场景重建,为全息实时三维显示提供可能。针对区域分割导致的重建像水平位移问题,提出了卷积法与过采样法两种解决方案,其中过采样法完美地解决了这一问题。比较了 PFreD算法与PFraD算法的异同,分析了各自的适用场景,同时将两种分割方法与传统点云法、层析法进行对比,定性、定量地阐述了两种分割方法在图像质量与计算速度方面的优势。最后分析了目前全息显示的不足,并展望了可能的发展前景,对未来全息显示技术的进一步研究工作提供了方向。


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