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计算机一光学联合全息集成照相术的研究 摘要 全息术作为一种重要的三维显示技术，被认为是最理想、最具前景的三维显 示技术。通过记录和再现物光波前分布，全息技术能够实现物体的真彩色三维显 示。但是，传统的全息记录过程需要用到高相干性的激光光源，而且对环境的防 震要求高，所以一般适合在实验室进行制作。计算机制全息技术( c g h ) 利用计 算机编码代替了传统全息术的激光记录过程，实现了全息图的制作，从而克服了 传统全息术的缺点，并实现了虚拟三维场景数据的全息记录。但是，按照目前的 技术，利用计算全息技术制作大面积的全息图还存在一定的困难。因为，计算全 息图的面积受到了其海量的计算量、出图设备、微缩设备的限制。 1 9 6 7 年，r v p o l e 将传统的体视术集成照相术( i n t e g r a lp h o t o g r a p h y ) 与全息术相结合，实现了非相干照明物体的全息记录，从而大大扩展了全息技术 的应用范围，同时也促进了全息技术走出实验室，走向应用的进程。但是，p o l e 提出的全息集成照相技术显然只能应用于现实存在的物体，对于虚拟的三维场景 并不适用。 为克服计算机制全息技术和传统全息集成照相技术的不足，实现虚拟三维场 景的大幅全息显示，本文通过对计算机图形学原理、全息基本理论、集成照相原 理以及彩色全息合成方法的探讨与研究，提出了一种将计算机技术和全息集成照 相术相结合以实现虚拟三维场景的全息显示的方法。 本方法主要分三个步骤，首先读取虚拟三维场景的三维数据文件，接着利用 虚拟全息编码器对虚拟三维场景进行全息编码，最后输出编码得到的基元体视图 序列，再结合彩虹全息及彩色全息原理实现虚拟三维场景的全息显示。 本文先从理论上论证了本方法的可行性，然后通过实验验证了虚拟场景全息 显示的效果，并在此基础上进一步深化拓展，研究了虚拟三维场景的彩色全息显 示，给出了理论分析与实验结果。主要工作包括： 1 、传统集成照相术原理与计算机图形学原理的分析比较。 2 、三维数据文件的读取。分析各种三维数据文件格式，根据不同文件格式 对应的不同数据结构编写相应的文件读取程序。 3 、准三维图像的全息编码。根据准三维数据文件的格式和几何光学成像原 理，编写准三维图像的虚拟全息编码器程序 4 、虚拟三维场景的全息编码。根据计算机图形学原理，编写虚拟三维场景 的全息编码器程序。 5 、虚拟三维场景的彩虹全息显示。将编码得到的基元体视图序列用高分辨 率出图设备输出，并根据彩虹全息原理制作虚拟三维场景的彩虹全息图。 6 、虚拟三维场景的彩色全息显示。将编码得到的基元体视图序列分色输出， 并结合彩色全息原理制作虚拟三维场景的彩色全息图。 关键词：全息显示，集成照相，计算机图形学，彩虹全息，彩色全息，虚 拟现实 r e s e a r c hf o rh o l o g r a p h i ci n t e g r a lp h o t o g r a p h y b yt h e c o m b i n a t i o no fc o m p u t e ra n d o p t i c s a b s t r a c t a s a i m p o r t a n t k i n d o f t h r e e - d i m e n s i o n a l d i s p l a yt e c h n o l o g y , h o l o g r a p h yh a s b e e n c o n s i d e r e da st h em o s ti d e a la n d p r o m i s i n gm e t h o d b yr e c o r d i n ga n dr e c o n s t r u c t i n g w a v e f r o n to f t h eo b j e c t ，h o l o g r a p h yc f l nr e a l i z e3 dc o l o rd i s p l a yo f t h eo b j e c t i nt h e r e c o r d i n gp r o g r e s so f t r a d i t i o n a lh o l o g r a p h y , h i g l lc o h e r e n tl i g h ts o u r c ei sn e e d e d ，a n d t h ec o n d i t i o no fe n v i r o n m e n ts h o u l db ee x t r e m e l yq u i e t a sar e s u l t ，h o l o g r a m sa r e u s u a l l ym a d ei nl a b o r a t o r y c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a p h y ( c g h ) ，w h i c hs u b s t i t u t e t h ec o m p u t ee n c o d i n gp r o d e s sf o rl a s e rr e c o r d i n gp r o c e s so ft r a d i t i o n a lh o l o g r a p h y , o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lh o l o g r a p h ya n dr e a l i z et h eh o l o g r a p h i c r e c o r d i n go f v i r t u a l3 ds c e n e h o w e v e r , i t ss t i l ld i f f i c u l tt om a k eal a r g es i z eo f c g h b yn o w , b e c a u s et h es i z eo fc g h i sr e s t r i c t e db y t h es i z eo fp r i n td e v i c e ，m i c r o f i l m d e v i c ea n dt h ee n o l t l l o u sa m o u n to f c o m p u t a t i o n i n1 9 6 7 r v p o l ec o m b i n e dt h et r a d i t i o n a ls t e r e o g r a p h i ct e c h n o l o g y i n t e g r a l p h o t o g r a p h yw i t hh o l o g r a p h y , a n dr e a l i z e dh o l o g r a p h i cd i s p l a yo ft h eo b j e c tt h a t i l l u m i n a t e di nw h i t el i g h t t h i st e c h n o l o g ye x t e n d st h ea p p l i c a t i o na r e ao fh o l o g r a p h y g r e a t l y a n ds i m u l t a n e o u sa c c e l e r a t e st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o g r e s so f h o l o g r a p h y h o w e v e r , p o l e sh o l o g r a p h i ci n t e g r a lp h o t o g r a p h yt e c h n o l o g yca no n l yb ea d a p tt o t h ee a r t h yo b j e c t , a n dn o ts u i t a b l ef o rv i r t u a l3 ds c e n e i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fc g ha n dt r a d i t i o n a l h o l o g r a p h i c i n t e g r a lp h o t o g r a p h y , a n dr e a l i z e dt h eh o l o g r a p h i cd i s p l a yo f v i r t u a l3 ds c e n ei nl a r g e s i z e ，w ep r o p o s ean e wm e t h o dt h a tc o m b i n e dt h ec o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g ya n d h o l o g r a p h i ci n t e g r a lp h o t o g r a p h yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o di sb a s eo nt h e f o l l o w i n gt h e o r y ：c o m p u t e rg r a p h i c s ，h o l o g r a p h y , i n t e g r a lp h o t o g r a p h y , p r i n c i p l eo f r a i h b o w h o l o g r a p h y a n d t h e p r i n c i p l e o f c o l o r h o l o g r a p h y t h ed e t a i l e dp r o c e d u r eo f t h e p r o p o s e dm e t h o d i sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , l o a dt h ed a t a o ft h e3 dv i r t u a ls c e n e ，a n ds e c o n d l y , c o d et h e3 dv i r t u a ls c e n eu s i n gv i r t u a l h o l o c o d e r , a tl a s t ，p r i n tt h es t e r e o g r a p h i ci m a g es e r i e sa n dm a k et h eh o l o g r a mo f i i i v i r t u a l3 ds c e n ea c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f r a i n b o wo rc o l o r h o l o g r a p h y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dh a sb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya t f i r s t ，a n dt h e ne x p e r i m e n t sa l s ob e e np e r f o r m e dt os u p p o r tt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d a n dt h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： i t h ep r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a lh o l o g r a p h i ci n t e g r a l p h o t o g r a p h ya n dc o m p u t e r g r a p h i c sh a v e b e e nc o m p a r e d 2 l o a d i n gt h ed a t ao f3 dv i r t u a ls c e n ef i l e t h ed i f f e r e n c eo fd i f f e r e n t3 dd a t af i l e f o r m a t sh a v eb e e na n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r , d i f f e r e n t d a t al o a d i n gp r o g r a m sh a v e b e e ng i v e n 。 3 h o l o g r a p h i ce n c o d i n go fq u a s i3 ds c e n e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fq u a s i3 d s c e n ea n dt h ep r i n c i p l eo fg e o m e t r i co p t i c s ，p r o g r a mo fv i r t u a lh o l o c o d e rt h a t a d a p tt oq u a s i3 ds c e n e h a sb e e n 画v e i l 4 h o l o g r a p h i ce n c o d i n go f v i r t u a l3 ds c e n e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o m p u t e r g r a p h i c s ，p r o g r a mo fv i r t u a lh o l o c o d e rt h a ta d a p tt ov i r t u a l 3 ds c e n eh a sb e e n g i v e n 5 r a i n b o wh o l o g r a p h i cd i s p l a yo fv i s u a l3 ds c e n e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f r a i n b o wh o l o g r a p h y , r a i n b o wh o l o g r a mo fv i r t u a l3 ds c e n eh a sb e e nm a d eu s i n g s t e r e o g r a p h i ci m a g es e r i e sw h i c ho u t p u tb yh i g l lg r a p h i c sp r i n t e r 6 c o l o rh o l o g r a p h i cd i s p l a yo f v i r t u a l3 ds c e n e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o l o r h o l o g r a p h y , c o l o rh o l o g r a mo fv i r t u a l3 ds c e n eh a sb e e nm a d eu s i n gt h r e e m o n o e h r o m ys t e r e o g r a p h i ci m a g es e r i e sw h o s e c o l o ri ss e p a r a t e di nc o m p u t e re n d t h e no u t p u tb yh i g l lg r a p h i c sp r i n t e r k e y w o r d s ：h o l o g r a p h i cd i s p l a y , i n t e g r a l h o l o g r a m ，c o l o r h o l o g r a m , v i r t u a lr e a l i t y 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名：椹名乞尉 日期：却加f 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 签名糍扇新躲己拼嗍矶舰叫 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ：罐釜民 指师：z 彳 第一章绪论 全息显示技术是三维显示技术中的一个重要分类，它通过记录和再现物体的 物光波前分布来实现物体的真三维显示。全息显示技术被认为是最理想、最具前 景的三维显示技术。所以，自从g a b o r 提出全息的概念以来，一直受到人们的广 泛关注，特别是在2 0 世纪6 0 年代激光器出现之后，显示全息技术得到了更加迅 猛的发展。从第一幅同轴全息图的诞生到现在，它的发展经历了从激光再现到白 光再现全息图，从单色到彩色全息图，从相干照明物体到非相干照明物体的全息 图，从光学全息到计算机制全息图的过程。如今利用光学全息技术不但可以实现 非相干照明物体的彩色全息显示，而且可以利用模压复制技术进行批量生产。但 是，光学全息技术只能应用于现实存在的三维物体，而对于虚拟的三维场景并不 适用，这就限制了它的应用范围。计算机制全息技术【1 1 由于其灵活性，只需提供 物体物光波的数学描述，即可以利用计算机编码实现全息图的制作。利用该技术 可以方便地实现虚拟三维场景的全息显示。相对于光学全息计算机制全息技术还 具有衍射效率高、噪声小、对环境要求低等优点，再加上近些年来计算机技术的 快速发展，计算全息技术也得到了飞速发展。但是，按照目前的技术，利用计算 全息技术制作大面积的全息图还存在一定的困难。因为，计算全息图的面积受到 了其海量的计算量、出图设备、微缩设备的限制。所以将光学全息技术和计算机 技术相结合是近年来研究的热点。 现今，随着计算机图形学的发展和成熟，各种绚丽的虚拟三维场景大量进入 了人们的视野，但是人们看到的并不是真正意义上的三维显示，而只是三维场景 在任一二维平面上的投影，不能真正满足人们的需要。然而，要实现上述虚拟三 维场景的大幅全息显示，利用光学全息技术或者利用计算机制全息技术都存在一 定的困难。根据上述背景，本论文提出了一种将光学全息技术、集成照相技术、 计算机图形技术相结合的方法，实现了虚拟三维场景的大幅全息显示。下面首先 对光学全息技术( 主要是彩虹全息技术、彩色全息技术、合成全息技术等) ，全息 集成照相技术，计算机图形技术做简单的介绍。 1 1 白光再现显示全息的发展及应用 白光再现全息在全息显示技术中占有重要的地位，它的出现促进了全息技术 从实验室走向应用的进程。白光再现全息包括，像面全息技术、彩虹全息技术、 彩色彩虹全息技术、合成全息术等。其中本顿( b e n t o n ) 发明的彩虹全息术，掀 起了以白光再现显示为特征的全息三维显示新高潮。 1 1 1 彩虹全息术 彩虹全息术是由本顿( b e n t o n ) 在1 9 6 9 年发明的，利用该技术制作的彩虹 全息图是一种能实现白光再现显示的平面全息图，除了能在普通自炽灯下观察到 明亮的立体像外，还具有处理工艺简单、易于复制等优点。它的基本特点是在记 录系统的适当位置加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以降低像的色模糊。 彩虹全恩图的记录主要有两种方法。一种是本顿提出的二步法【2 1 。它的记录 过程分两步进行，第一步先记录物体的菲涅耳全息图，第二步以菲涅耳全息图的 再现实像为对像，并在菲涅耳全息图和再现实像之间的适当位置引入一狭缝再记 录一次，得到最终的彩虹全息图。另一种方法是由陈选、杨振寰等在1 9 7 8 年提 出的一步法【引。这种方法利用透镜成像同时把物体和狭缝的像记录下来，省去了 二步法中菲涅耳全息图的记录过程，利用一步光路实现了彩虹全息的制作。由于 在一步记录过程中加入了透镜限制了视场，为了扩大视场，又在系统中加入一个 场镜【4 1 。之后又发展了像散彩虹全息术【5 1 ，即在记录系统中利用柱面镜以减小线 全息图的宽度，从而达到增大视场、减小色模糊的目的。 近几年来，这方面的工作进展是在记录系统中去掉狭缝。通过在记录过程中 移动或转动主全息图h 1 ( - - 步法) ，或者移动物体或透镜( 一步法) 【6 1 【7 】。使透 镜焦平面上的光场形成一个s i n c 函数分布。因为s i n c 函数分布使得约8 4 的光 能集中在中央亮纹部分，这样形成的亮带可以代替狭缝的作用，此“狭缝”称为 合成狭缝，由于在记录系统中没有实际的狭缝，因而提高了激光能量的利用率。 还有种无透镜彩虹全息【引，主要用于记录二维物体。另外，1 9 8 5 年还提出了一 种零光程差彩虹全息术【9 1 ，它可以利用低相干性光源记录二步彩虹全息图。 彩虹全息图的一个主要优点是便于复制，有光学复制和模压复制两种方法， 特别是模压复制技术，使得彩虹产品得以广泛应用。模压复制技术是1 9 7 9 年r c a 公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，之后在美、日、英等国家得到迅速 发展，其工艺是利用机械的方法使信息层在一定温度下发生永久形变从而达到复 制图像的目的f l o j 。 2 1 1 2 彩色全息术 彩色全息术的目的是记录和再现一种颜色与原始物体十分接近的三维彩色 图像。它较彩虹全息技术出现的早。在1 9 6 5 年，有文献【】就报导了三维位相物 体的彩色全息术，而在1 9 6 7 年m m a r o m i 2 1 又报导了反射三维物体的彩色全息 术。这类彩色全息技术的主要问题是存在串色干扰，而且不能用白光再现。 七十年代。m t g a l e 和k k n o p 等人把不同基色的参考光以不同角度入 射到全息图上，记录了二维彩色物体的全息图，再现时用狭缝选择再现基色波段 并滤掉串色像的空间频率，实现了白光再现。但是由于全息图本身对各再现基色 波段内不同波长的色散作用，这种方法得到的彩色像和彩虹全息一样具有色模糊 问题。八十年代提出的彩色傅立叶变换全息术，较有效地解决了色串扰问题，并 且提高了信噪比。 由于反射全息波长灵敏度高的特点，所以不但能消除色串扰，而且还可以实 现白光重现，所以理论上反射全息术是制作彩色全息图的最佳方法。然而反射全 息图也存在一些其它问题，由于干涉条纹间距非常窄，为获得高亮度低噪声的像 就必须使用高分辨率的记录材料。另一方面由于记录材料在定影过程中的收缩， 引起干涉条纹间距的立体结构变形，使得再现像的色彩向蓝色移动，同时也使衍 射效率下降。因此，彩色反射全息术要求全色高分辨率抗收缩的记录材料。其制 作工艺复杂，难以批量生产。 利用b e n t o n 发明的彩虹全息术记录彩色全息，不但可以消除普通彩色全息 术面临的色串扰问题，而且可以实现白光再现，因而发展迅猛。常用的彩色彩虹 全息技术主要分为两种，分别是多波长记录法和单波长记录法。多波长记录法需 要一台或则多台激光器提供红、绿、蓝三原色激光，利用三色激光照射被摄物体， 并引入参考光将全息干涉条纹记录在全色记录介质上，白光再现时就会显示出物 体的真实色彩【1 3 】1 1 4 】1 1 5 l 【1 6 1 。单波长记录法采用单波长激光，利用彩虹全息的原理 通过编码实现真彩色。由于只需用到单色波长，记录设备和记录介质相对简单， 节约了成本。更重要的是，单波长记录技术制作的全息图，便于模压复制，进行 批量生产。所以，这种技术受到了众多研究人员的关注。有人利用某些全息记录 介质乳胶层厚度对处理过程的敏感性，使用单一波长激光使一个物体的不同部分 产生不同的厚度，从而在白光下再现时呈现不同色彩；也有的人利用多狭缝假彩 色编码技术，使不同波长的光通过不同空间频率的光栅，在一定条件下沿空间同 一方向传播，相叠加而得到真彩色视觉效果【”i ；更多的人采用对彩色底片分色， 然后用分角度或分区记录的办法实现真彩色1 8 】f 1 9 】【2 0 】【2 l 】【2 2 1 ，其基本思想是：通过 精心设计光路，使得用白光再现全息图时，能在空间某一预定位置产生红、绿、 蓝三个重叠的狭缝实像，人眼通过这一位置可以看到原物的真彩色像。国外在这 方面研究比较多的有美国、日本、英国、德国，出现了一些新技术嘲，比如日本 京都技术大学制作的边缘照明彩色全息图，采用参考光从全息图的边缘照射的技 术，减小了照明空间；德国艺术美术研究所研究彩虹“阴影”全息图的单次曝光 彩色混合技术，它的特点是多个连续光束同时照射到一个二元平面上一一可变角 的漫射屏，因而可有很大范围的波长选择。 1 1 3 合成全息术 合成全息术1 2 4 】是指将一系列用普通摄影术或其他图像处理方法褥到的“物 体”的带有视差和深度信息的二维图像，或者一系列按照时间顺序排列的瞬时图 像。通过全息方法记录在一张全息干板上，再现时实现原物的三维或动态显示的 技术【2 5 1 【2 6 l 。 合成全息术最早是由金氏( m c k i n g ) 等人于1 9 7 0 年提出来的，利用合成 全息的方法能够实现合成立体或合成动态两种效果。合成动态效果要选取一系列 按时间分布的二维图像进行合成，再现时利用视觉暂留效应，当观察者依次浏览 这些图像时，感受到的就是原动作的再现16 1 【2 6 1 【2 7 l ；合成立体则选用按照角度或 位置分布的一系列图像，通常分为纵向多路合成和角度多路合成两种方法。纵向 多路合成提取的是物体的纵向位置视差，按原次序、原间隔排列合成，这种方法 常用于医学领域。用x 射线或b 超按照一定顺序和间隔拍摄人体器官的截面照片， 然后将这些照片合成就能得到人体器官的三维显示图像。角度多路合成提取的是 物体的周视角度视差，即对一物体从不同的角度拍摄一系列二维图像，然后合成 全息图。在观察全息图时，同时有两幅或多幅图像在人的视网膜上合成，使观察 者感觉其看到的是物体两个不同侧面，从而形成立体视觉。 1 1 4 集成照相技术( i n t e g r a ip h o t o g r a p h y ) 与显示全息技术的结合 1 9 6 7 年，r v p o l e 将传统的体视术集成照相术和全息术相结合提出了 “全息编码器全息照相”的方法1 2 引，实现了非相干照明物体的全息显示。 4 该方法首先利用集成照相技术对非相干照明物体进行全息编码，所谓全息编码就 是利用全息编码器即透镜阵列的成像特性，同时记录被摄物体的多角度视差信息 的过程。然后将全息编码得到的信息输出到记录介质上，再将记录的视差信息复 位于原透镜阵列后，并用相干光照明，根据光路可逆原理，在原位置就会合成原 物的三维像，最后引入参考光将合成的三维像记录在全息干板上。通过这个流程 就实现了非相干照明物体的全息显示。之后，m c c r i c k e r d 等人对全息编码过程进 行了改进【2 9 1 ，利用普通相机分次记录物体的系列视差信息，从而省去了透镜阵 列板，降低了成本，并提高了像质，使得全息显示技术得到了进一步的发展和应 用 3 0 l 【3 lj p 2 1 。但是，p o l e 提出的方法需要用到蝇眼透镜，而且蝇眼透镜只能使用 一次，成本昂贵。m c c r i c k e r d 的方法过程复杂，而且不能拍摄动态物体。导致这 些方法都难以实用。为此文献【3 3 】提出了全息集成照相的简化设计，利用线阵小 透镜取代透镜阵列板并与彩虹全息技术相结合，实现了非相干照明物体的白光全 息显示。该种方法一方面克服了p o l e 方法中透镜阵列代价昂贵的缺点，另一方 面也克服了m e c r i c方法过程复杂且不能拍摄动态物体的缺点。同时，该方kerd 法容易与彩虹全息技术相结合，其中线阵透镜阵列不但起到了合成立体像的作 用，也同时起到了彩虹全息中的狭缝的作用，从而较为方便地实现了白光显示的 目的。 1 1 5 计算机技术与显示全息技术的结合 近年来传统的光学三维显示技术不断与其它学科相结合，出现了光、电、机 “一体化”的趋势，将三维显示技术的研究与发展推向了一个新的阶段。特别是 随着计算机技术的飞速发展，许多传统光学三维显示技术的局限性通过计算机技 术可以十分方便的得以解决。使得计算机与光学三维显示技术的联合成为了近些 年的研究热点。其中包括计算机制全息技术1 1 1 1 3 4 】1 3 5 1 1 3 6 】【3 7 ( c o m p u t e rg e n e r a t e d h o l o g r a p h y ) 、计算机制集成照相技术【3 8 1 1 3 9 1 1 4 0 1 1 4 1 l 【4 2 1 ( c o m p u t e rg e n e r a t e di n t e g r a l p h o t o g r a p h y ) 等等。下面分别对其做简单介绍。 计算机制全息技术( c g h ) 是利用数字计算机来综合全息图的技术，它不 需要实际存在的物体，只需把物体物光波的数学描述输入计算机，计算机经编码 处理后就可控制绘图仪输出或阴极射线显像管( c r t ) 显示而制成全息图。它相 对于出传统光学全息技术有许多优点： ( 1 ) 计算机技术和数字图像处理技术的引入，使得我们可以方便地利用各 种数字处理方法，消除像差、噪声以及记录介质感光特性曲线的非线性等因素带 来的不利影响。改善全息图的质量。全息图还可以直接在计算机显示器上进行模 拟再现。 。( 2 ) 由于全息图是以数字形式存储于计算机中，这使得全息图的保存、传 输和复制更容易，甚至可以通过互连网实现全息图的实时传输和异地显示。 ( 3 ) 计算全息术不仅可用于可见光，也可用于x 射线、红外、微波等其它 电磁波段，以及用声波和电子波等进行全息记录和再现。 ( 4 ) 可以实现自然界尚不存在的三维物体的立体显示，在c a d 技术中有 广泛的应用。 ( 5 ) 与三维扫描技术相结合获取实际物体的三维数据，解决了光学全息难 以拍摄实际景物的限制，比如大楼，人物，自发光物体( 例如火焰) 等。 但是，计算机制全息技术有其固有的不足，即计算量非常巨大，计算成本较 高，另外，计算机制全息技术还受到计算机硬件、出图设备、微缩设备的限制。 所以到目前为止，虽然取得了很大的进步，但是制作大面积的计算全息图还是存 在一定的困难。 计算机制集成照相技术( c g i p ) 是利用数字计算机模拟传统集成照相过程 制取基元体视图序列的技术，它也不需要实际存在的物体，只需输入物体的三维 模型数据，计算机就可以通过程序计算并输出二维的基元体视图序列。将输出的 基元体视图序列放置于相应的透镜阵列后，就可以通过该透镜阵列合成原三维物 体，实现场景的立体显示。它与传统的集成照相技术相比有许多优点。 ( 1 ) 利用计算机程序计算取代了光学曝光和后期湿化学处理过程，简化了 制作过程。 ( 2 ) 由于计算机技术和数字图像处理技术的引入，可以方便地制作各种数 字特效。 ( 3 ) 可以实现自然界不真实存在的虚拟三维物体的立体显示。 ， 计算机制集成照相技术在国内起步较晚，关于这方面的报道较少，但是国外 特别是美国和日本对该技术的研究走在前列。其中日本东京大学利用该技术已经 可以获得5 7 m 的巨大立体景深h ，给人以非常震撼的视觉冲击。 6 1 1 6 显示全息的前景 随着计算机技术及相关高新技术的发展，传统的光学全息显示技术与计算机 技术及其它技术的联系将越来越密切，将全息技术、集成照相技术、计算机技术、 液晶显示技术等结合在一起的综合性研究必将成为热点，并展现出诱人的前景。 1 2 人眼的三维视觉特性 三维信息是通过人们的视觉系统感知的，即所有的三维显示技术都要以人眼 的接收为目标。人眼有其复杂的生理结构和机制，人眼的视觉还受人们的心理因 素的影响，因此人眼的三维观察是复杂的生理和心理过程。现代心理学上公认有 1 0 种暗示与人的三维视觉紧密相关，这些暗示分为生理学暗示和心理学暗示两 大类。 生理学暗示包括：眼的调节、眼的辐辏、双眼视差、运动视差四种。 。眼的调节是指：眼睛以视距的变化为条件，通过睫状肌的收缩与舒张，晶状 体发生凸度和曲率的改变，使视网膜上的像得以清晰，这个过程就会给人以深度 暗示。这也是保证双眼视差存在的基本条件。 眼的辐辏是指：眼睛以视距变化为条件，通过眼外肌的协调作用，使眼球发 生内旋程度的改变，使双眼视野在注视远点到近点的距离始终保持重叠，使双眼 视差始终存在，从而保证了在任何注视距离都可以形成立体视觉。 双眼视差是指：当人眼观察三维物体时，由于两眼之间存在6 5 毫米左右的 距离，所以左、右眼以各自的角度观察物体，均不能在双眼视网膜相应点上成像， 而是离开相应点一定距离成像，这种一定程度上的视像横向偏移叫做双眼视差。 运动视差是指：当眼睛的观看位置允许移动时，就可以利用视差效应从各个 方向上观看物体。从而给人以深度暗示。 心理学暗示包括：视网像的大小、线性透视、面积透视、重叠、阴影及影子、 结构梯度。 视网膜像的大小：对很多物体的实际尺寸人类有一定程度的了解。因此，在 视网膜上的像的大小可以告诉人们到物体的距离。 线性透视：观看一列停在铁路上的火车，对深度感的主要心理暗示就是对火 车的透视，即由近至远车厢看起来越来越小。这种效应就是线性透视。 面积透视：在一副图上，如果远处的群山和房屋看起来或多或少有些模糊， 7 就更增加了深度感。这种效应的原由是远出的景物因光线的被空气中的微粒所散 射而显得模糊，因而人们就习惯地把这一事实归因于意识之故。这种效应被称为 面积透视。 重叠：两个物体的重叠关系也给予深度的一种暗示。被遮挡的物体我们认为 是在远处。 阴影及影子：阴影及影子对深度感也是心理学上重要的暗示。这是由于心理 暗示最大光照总是从上面传过来的。 结构梯度；是一种线性透视。当人们注视像砖砌的墙或鹅卵石路面的均匀结 构梯度时，在其表面粗糙度方面的梯度就给人以深度的一种暗示。 研究表明，生理暗示比心理暗示更为重要。真三维显示是指包含上述1 0 种 深度感的显示技术，超出视觉系统感知范围的冗余三维信息毋需表达。 1 3 计算机图形学概述 计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院，最初主要用于计算机辅助设 计，后来逐渐发展成为一门研究如何利用计算机生成一处理及显示图像的科学。 由于计算机的显示屏幕只能绘制二维图像，所以如何将三维物体数据显示于 二维屏幕上而保持其真实感是计算机图形学研究的重要内容。通常计算机通过数 字成像处理原理实现三维物体的显示，其实现过程可以分为如下步骤； ( 1 ) 建立或者获取对像的几何模型，按需要的逼近精度将模型简化为平面 多面体。不少系统为了简化、统一运算过程，还进一步将多面体的各个棱面分解 为三角单元。 ( 2 ) 将单个物体进行组装，施加平移、旋转和比例变换等操作，形成整体 模拟环境。 ( 3 ) 确定观察点位置，进行显示对象的透视变换。 ( 4 ) 确定显示范围，相当于照相时的取景。窗口的有效范围用上下、左右、 前后六个平面规定。将所有准备输出的图元都与窗口的范围进行比较，裁剪出落 在窗口有效边界内的部分。 ( 5 ) 确定图形显示屏幕上的显示范围( 称为视区) ，将用户定义的三维空间 ( 称为世界坐标系) 中的物体映射到显示器的屏幕坐标中。 ( 6 ) 计算各单元三角形的法向矢量，根据光照模型确定可见三角形表面的 8 亮度和色彩。 ( 7 ) 显示所有可见的三角形单元。 上述数字成像处理原理首先被s i l i c o ng r a p h i c s 公司直接应用于其工业产 品i r i s 工作站中。后来其他公司也纷纷仿效，并通过不断的技术改进，使得图 显示更加逼真，交互速度更快。这种技术至今仍在实用中飞速发展。 二维的计算机屏幕为何能够显示出三维效果? 这个问题可以通过对人眼的 三维视觉特性进行分析得己解决。由1 2 节所述，人的三维视觉感受，不但是一 个生理调节过程，还是一个复杂的心理过程。当我们观察被显示在屏幕上的三维 图像时，双眼看到的是三维图像的同一个侧面，所以并不能得到该三维图像的双 眼视差。而当我们改变视角观察时，看到的还是三维物体原来的那个侧面，所以 运动视差也不存在。另外由于三维物体被显示在二维的屏幕上，当我们观察它时 视距没有发生变化，所以也不存在调节和辐揍的生理暗示。也就是说，被显示在 计算机屏幕上的三维图像不能提供任何的关于三维视觉的生理暗示。排除了生理 暗示的作用，就可以确定计算机屏幕能够显示出三维效果的原因必定是三维视觉 的心理暗示作用。事实上也是如此，计算机图形学正是利用人眼的三维心理视觉 特性，通过透视( 包括先线性透视、面积透视) 、遮挡效应、光照阴影、色彩明 暗变化等手段，表现物体的三维显示效果。 i 4 全息集成照相技术概述 p o l e 提出的全息集成照相技术将全息技术和传统体视术集成照相术相 结合而成的技术。它利用集成照相技术环境防震要求低、无需相干照明、易于实 现的优点，弥补了全息环境防震要求高、无法拍摄白光照明物体的缺陷。实现了 非相干照明物体的全息显示。 全息集成照相过程一般分为两步，第一步为“全息编码”的过程，第二步为 相干照明再现，全息记录的过程。所谓“全息编码”过程实际上是一个集成照相 过程。空间物点发出的球面波，经过透镜阵列中各个透镜单元的采样并聚焦后形 成多个会聚的球面波，我们设物点离透镜阵列的距离大大于透镜阵列的焦距，实 际大多数情况都能满足上述条件，所以各个会聚球面波的中心都在透镜阵列的后 焦面上，即为该物点对应的像点。各个透镜单元所成像点的相对位置存在微小差 别，物点的深度信息就被编码在带有微小差别的系列像点中。第二步的相干光照 9 明再现过程就是上述编码的逆过程。各个像点经相干光照明之后发射球面波，各 球面波通过透镜阵列，逆原光路方向合成为原物点的实像点。最后通过引入的参 考光将合成的实像点记录成全息图。从而实现非相干照明物体的全息记录。 全息集成照相技术结合集成照相技术的优点，弥补了全息显示技术的不足。 从而扩展了全息显示技术的应用范围，促进了全息技术从实验室走向应用的进 程。 1 5 计算机一光学联合全息集成照相技术的意义 光学全息集成照相技术将传统的体视术集成照相术与全息技术相结合， 实现了非相干照明物体的全息显示，促进了全息技术的发展。但是很显然，光学 全息集成照相技术只能适用于现实存在的物体，而对虚拟的三维物体并不适用。 所以利用该技术无法实现虚拟三维场景的全息显示。 计算机制全息技术，由于其灵活性不需要现实存在的物体，只需把物体物光 波的数学描述输入计算机，计算机经编码处理后就可控制绘图仪输出或阴极射线 显像管( c r t ) 显示而制成全息图。所以，通过该技术可以实现虚拟三维场景的 全息显示。但是，该技术也存在有计算量巨大、计算成本高、全息图尺寸受到出 图设备和微缩设备的限制等问题，使得制作大面积的计算全息图还存一定的困 难。 针对上述情况，本文提出了将计算机技术和光学全息集成照相技术相结合的 方法，首先利用计算机图形学原理对虚拟三维场景进行全息编码，然后再结合光 学全息集成照相原理实现了虚拟三维场景的大幅全息显示。本方法同时克服了上 述两种技术的困难：弥补了传统全息集成照相技术无法实现虚拟物体全息记录的 不足，解决了计算机制全息技术制作大面积全息图的困难。较为方便地实现了虚 拟三维场景的大幅全息显示。 1 0 第二章计算机一光学联合全息集成照相的基本理论 2 1 全息术基本理论 2 1 1 波前记录 物光波波前信息包括光波的振幅和相位两部分。普通照相过程记录的只是光 波的振幅( 即强度) 信息，而丢失了相位信息，所以普通相片没有立体感。全息 照相技术通过干涉法将空间相位调制转换为空间强度调制，实现了相位信息和振 幅信息的全息记录。光波记录原理如图2 - 1 所示。设传播到记录介质上的波前的 复振幅为： o ( x ，力= o ( x ，y ) e x p 一歹伊( z ，j 明 ( 2 1 ) 式中o ( x ，y ) 为物光波振幅，妒( x ，力为物光波位相。传播到记录介质上的参考 波前为： r ( x ，力= r ( x ，y ) e x p 卜j w ( x ，力】 ( 2 - 2 ) 则全息图的强度分布为【4 钉： l ( x ，y ) - - i r ( x , y ) + d ( x ，) ，) 1 2 = l r ( x ，y ) 1 2 + i d ( x ，y ) 1 2 + r ( x ，y ) o ( x ，j ，) + o + ( x ，y ) r ( x ，) ，) ( 2 3 ) = l r ( x ，) 1 2 + i o ( z ，y ) 1 2 + 2 r ( x ，y ) o ( x ，y ) c o s 矿( x ，y ) w ( x ，y ) 】 d 图2 - 1 全息术波前记录原理 f i g 2 一lp r i n c i p l ed i a g r a mf o rr e c o r d i n gw a v e