合成全息體視圖技術研究進展

　　摘要合成全息體視圖技術是三維顯示領域的研究熱點，被廣泛應用于軍事、經濟等各個行業。本文基于國內外合成全息體視圖技術的發展現狀，綜述了該技術的基本寫入方法、像質提升方法以及性能改善方法。首先介紹了基本寫入方法的發展歷程及研究現狀，歸納了其實現方法，并對現階段幾種主要方法的綜合性能進行了簡要評價。圍繞合成全息體視圖的成像質量與綜合性能兩個方面，總結了近年來改進合成全息體視圖技術的較新進展。最后得出結論并進行了展望。

　　關鍵詞全息;合成全息體視圖;三維顯示;研究現狀

　　1引言

　　合成全息體視圖技術是一種三維立體顯示技術，它結合光學全息原理[1]與人眼的雙目視差效應[2]，用離散的波前近似復現原光場的三維信息。合成全息體視圖可視為多個全息單元構成的二維陣列。全息寫入時，將帶有視差信息的圖像序列用光學全息的方法進行逐個曝光， 在相應的區域內形成干涉條紋，形成全息單元。

　　三維論文范例：三維軟件設計在機械加工中的應用

　　全息再現時，每個全息單元都可視為獨立存在的子全息圖，它們會向空間復現出帶有原圖像信息的物光波前，觀察者在所有全息單元聯合復現的條件下觀察，雙眼便可接收到帶有視差的二維光場信息。人眼的雙目視差效應彌補了二維圖像缺失的相位信息，也就是原光場的深度信息，形成三維顯示效果。正確的寫入方法是保證再現像滿足人眼視覺需求的關鍵。1967年，Pole[3]利用多幅二維圖像制作了反射式全息體視圖，實現了場景的三維顯示，但是由于用來采樣的透鏡陣列工藝欠佳，相鄰透鏡的間隙較大，成像質量嚴重退化。

　　1969年，DeBitetto[4]首次提出了水平視差合成全息體視圖的單步曝光方法，他利用可水平移動的長條形光闌限制光線的傳播，將采樣得到的水平視差圖像序列按順序依次寫入到光闌暴露出的區域(全息單元)中，實現了三維場景的再現。單步法中，相鄰全息單元中的縫隙被大大減小，較好地解決了Pole研究中成像不佳的問題。但是，觀察再現像時，人眼必須位于記錄介質平面上，既緊貼全息圖表面觀察，當遠離該位置觀察時，再現像會出現透視畸變甚至消失。

　　1970年，King等[5]為了在白光下復現單步法的像，提出了合成全息體視圖的兩步轉移曝光方法。在打印出水平視差全息圖后，利用原參考光的共軛光照射主全息圖，獲得三維場景的贗實像，而后對贗實像進行二次翻拍，獲得了可白光再現的轉移全息圖。兩步法將觀察平面限定在二次翻拍時的主全息圖所在平面上，使觀察更加方便，但是這種方法操作復雜，難度較大，不易實現。合成全息體視圖技術的誕生與發展，在傳統光學全息基礎上更進一步，為實現大幅面、廣視角場景的全息三維顯示提供了可行方法。國內外研究學者對該技術進行了大量有效的研究，取得了較為豐碩的成果，并已經應用于軍事、經濟等重要領域。

　　2合成全息體視圖的基本寫入方法

　　單步法與兩步法的出現為后續研究提供了可行思路。近年來，隨著科技手段迎來數字化進程，計算機性能顯著提升，高質量空間光調制器(SpatialLightModulator,SLM)得到不斷創新研發,合成全息體視圖的寫入方法也從光學方案的設計轉變為由采樣圖像生成曝光圖像的算法。為獲得無畸變的高質量再現像，Halle等[6]使用無窮遠相機對三維場景進行拍攝采樣，并模擬兩步轉移曝光方法，對采樣圖像的像素進行分割重組處理，獲得了能夠直接用于曝光的圖像。

　　該方法被多次改進，并始終用于制作高質量全息體視圖。中國海洋大學王金城團隊[7,8]結合現實條件對該方法進行了改進和發展，實現了大幅面全息體視圖的打印。M.Yamaguchi等[9]提出Lippmann法，該方法加載到顯示器上的圖像不是由相機采樣得到，而是利用計算機與圖像處理技術獲得。基于光線追蹤原理，由物點向全息單元中心進行投影，投影直線與顯示器平面的交點即為對應曝光圖像的像素點，進而獲得了與全息單元對應的曝光圖像。

　　H.Bjelkhagen等[10]提出直寫數字全息(Direct-WriteDigitalHolography,DWDH)法,該方法考慮空間中多平面之間像素的精確對應關系，根據光線追蹤原理獲得了能夠直接用于曝光的圖像。2017年，本課題組提出了一種基于有效視差圖像分割與重組(EffectivePerspectiveImages’SegmentationandMosaicking，EPISM)的單步全視差全息體視圖打印方法[11]，該方法根據光的傳播規律和人眼的視錐效應，利用有效視角圖像的分割和重組算法，得到曝光圖像。

　　3合成全息體視圖的像質提升方法

　　3.1分辨率提升

　　合成全息體視圖由全息單元對三維場景進行波前重構，全息單元的尺寸是影響再現像分辨率的重要因素。Hong等[12]通過計算機仿真分析了全息單元尺寸對分辨率的影響機理，分析表明：不能通過無限減小全息單元尺寸的方法提高分辨率，進而提出了全息單元交疊打印的方法，既在打印過程中位移平臺的步長小于全息單元尺寸，實現了再現像的高分辨率顯示。通過這種方法，能夠在不減小全息單元尺寸的條件下，打印出具有更高分辨率再現像的全息圖。

　　3.2畸變消除

　　合成全息體視圖的畸變問題，是指在寫入與再現過程中，圖像與原場景的透視關系有明顯偏差。研究表明：當觀察傳統兩步法制作的全息體視圖再現像時，人眼所在位置的移動會導致圖像發生畸變甚至消失，前文所述的Halle等[6,21]提出的方法正是以解決透視畸變為基礎。為解決大幅面全息體視圖再現時的人眼移動會產生透視畸變的問題，Halle等提出了無窮遠相機法與透視分割法，其本質都是對采樣圖像進行分割重組，人眼觀察的再現像可以認為是多個像素塊的拼接而成。這兩種方法原理簡單，易于實現。

　　在全息單元寫入時，曝光系統中不理想透鏡的應用會導致再現像的徑向畸變，影響視覺感受。Park等[22]對全視差合成全息體視圖進行了數值重構，并將徑向畸變問題考慮在內，主動在曝光圖像中加入一定的畸變因子k。而后用結構相似度與峰值信噪比兩種指標，對無畸變圖像的數值重構結果與帶有畸變因子的數值重構結果進行了像質的對比評價。該方法能夠在實施曝光前預測畸變程度，為圖像預處理消除畸變提供依據。圖5展示了加入畸變因子圖像的前后對比，與兩種指標的評價結果。

　　4合成全息體視圖的性能改善方法

　　4.1光場數據的高效采集

　　光場數據的采集，是實現合成全息體視圖顯示的第一步，以全視差的光場數據采集為例，多用透鏡陣列或運動相機[26，27]實現，這兩種方式簡單實用，可以基本滿足小幅面場景的少量采集需求，但是對于較大幅面場景的大量數據采集不再適合。為了解決這一問題，近年來，視圖合成技術[28]開始被應用于合成全息體視圖的數據采集中，該技術能夠實現三維場景的任意虛擬視點的生成。BarakKatz等[29]使用特定卷積核生成了兩幅圖像對應的垂直邊緣圖像，而后對虛擬視點圖像進行仿射變換，進而實現了虛擬視點圖像的合成。

　　這種方法有兩點不足：一是不適用于復雜場景，二是只能合成已知的兩視點之間的視圖，不能對未采集區域進行預測生成。Gilles等[30]提出了一種“多視角+深度(MultiviewplusDepth，MVD)”的場景數據獲取方法，首先獲取不同視角圖像和相應的深度圖，然后利用MVD數據將原三維場景重建為分層點云，進而成功渲染了新視點圖像。最近，Fachada等[31]有了新進展，其所在研究團隊利用基于深度圖像的渲染(DeepImagesBasedRendering,DIBR)算法[32]，在只輸入4幅RGBD圖像(三通道彩色圖像及其對應的深度圖像)的條件下，獲得了高質量的虛擬視點圖像，大大減少了實際采樣量，并且同步實現了真實場景與計算機三維模型的數據采集，最終打印的全息圖效果良好。

　　5結論及展望

　　合成全息圖技術是近年來國內外三維顯示領域的熱點，大量研究在總結當前該技術存在問題的同時，相繼提出了有效可行的解決方法。本文回顧了合成全息體視圖的發展歷程，簡要介紹了合成全息體視圖技術的基本寫入方法，并對近年來該領域的研究現狀進行了綜述，相關研究成果可以應用于相關領域中。現階段，合成全息體視圖技術仍停留在小物體或計算機三維模型的寫入與再現，仍然難以做到超大幅面場景的全息顯示。

　　限制這一發展的原因，在于針對大幅面場景的規則采樣較為困難。另外，對大型全息記錄介質的顯影、定影、脫水、漂白等處理也較為不便。因此，將新型技術引入合成全息體視圖技術中，研究新的、更加符合實際的數據獲取方法，研制干涉性能強、衍射效率高、工藝處理簡單的真彩色記錄介質，提升其綜合性能將是下一步的主要發展方向。

　　近年來，各種科技的不斷突破，為合成全息體視圖技術的進步提供了新思路。人工智能、深度學習、機器視覺等技術可以為合成全息體視圖的數據獲取提供新的方法來源;新興材料、電子集成技術的深入研究為全息記錄介質及光學元件的研制方式創造了無限遐想，并且有望實現。不久的將來，合成全息體視圖技術將在科學研究與生產生活中得到更為廣泛的應用。

　　參考文獻：

　　[1]GaborD.Anewmicroscopicprinciple[J].Nature.1948,161(4098):777-778.

　　[2]QianN.BinocularDisparityandthePerceptionofDepth[J].Neuron.1997,18(3):359-368.

　　[3]PoleRV.3-DImageryAndHologramsOfObjectsIlluminatedInWhiteLight.AppliedPhysicsLetters.1967;10(1):20-21.

　　[4]DeBitettoDJ.Holographicpanoramicstereogramssynthesizedfromwhitelightrecordings[J].AppliedOptics.1969,8(8):1740-1741.

　　[5]KingMC,NollAM,BerryDH.ANewApproachtoComputer-GeneratedHolography[J].Appliedoptics,1970,9(2):471-475.

　　作者：劉云鵬1，劉新蕾1，王晨卿1，荊濤1，汪熙1，屈強1，蔣曉瑜1，閆興鵬

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