数字信息立体显示的多通道全息记录方法 【技术领域】
本发明涉及一种数字信息立体显示的多通道全息记录方法，属于图像处理领域。
背景技术
随着信息技术的发展，在科学研究和生产实践中运用计算机技术和数字影像技术获取了大量三维数据，有很多的三维数据需要立体显示，如在工业品和工程设计的展示、军事和地质勘探的立体地图、商业广告和艺术品展览等方面。目前工业品和工程设计的展示通常是要制作物理模型，也可以利用虚拟现实技术中的多种立体图像的显示方法，如戴偏振光眼镜等。制作物理模型，制作时间较长、费用较高，若利用虚拟现实技术显示，则都是限制在昂贵的虚拟现实系统中使用。而全息图像以其再现光波和真实光波的相似性，是提供真实感三维图像显示的技术。因此需要有简便快捷三维全息图像的记录和展示方法。在先申请的中国专利：将三维数字信息记录在全息底片上的装置及其记录方法；公开号为CN101101479A；公开日期为2008年1月9日，此专利记载了将三维图像转换成不同视角的二维图像系列，并在数字微反射镜上显示，在全息底片上成像的技术方案。实现了立体显示，并且横向和纵向的图像信息都不丢失、图像大小不受限制、视角大、图像质量好，其装置具有结构简单、制造成本低廉的优点。可以不制作物理模型或不在虚拟现实系统中，就能记录显示三维全息图像。在科学计算数据可视化的立体显示中，可以大大加快数据的处理速度，使产生的海量数据得到有效利用，观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具。但是，此专利记录全息图是单通道记录方法，记录一幅全息图往往需要两至五天的时间，存在时间过长的问题。
【发明内容】
本发明的目的是解决现有全息图单通道记录方法记录时间过长的问题，提供了一种数字信息立体显示的多通道全息记录方法。
本发明方法使用的装置包括D/A-A/D数据采集卡、计算机、视频分配器、二维位移总成装置和e个全息图像制作光学组件单元，每个全息图像制作光学组件单元具有f个光学通道，所述f个光学通道沿直线方向均布，e个全息图像制作光学组件单元之间平行等距设置，e个全息图像制作光学组件单元的光学通道组成e×f光学通道阵列，所述光学通道阵列与一个液晶空间光调制器SLM相对应，
实现本发明方法包括以下步骤：
步骤一、在计算机中将三维图像转换成a×b个不同视角的二维图像阵列，其中a和b为正整数；
步骤二、将二维图像阵列中的每幅二维图像按设定的光学通道阵列格局分割处理成e×f个子图像，每个子图像对应全息底片上的一个显示单元；
形成的子图像阵列[Z11，Z12，…，Z1f；Z21，Z22，…，Z2f；…；Ze1，Ze2，…，Zef]，每个子图像具有M×N个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[D11，D12，…，D1N；D21，D22，…，D2N；…；DM1，DM2，…，DMN]，其中，e、f、M和N为正整数；
步骤三、计算机将所述a×b个不同视角的二维图像阵列运算和合成处理获得e×f个光学通道的通道合成图像Pij，
每个通道合成图像Pij由M×N个子合成图像pxy组成，
计算机通过D/A-A/D数据采集卡、二维位移总成装置控制全息底片做底片平面内二维移动，全息底片每移动一次，每个光学通道通过视频分配器在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像pxy，所述光学通道的输出记录在全息底片上形成一个像素点，通过全息底片的二维移动，使每个光学通道的输出遍历全息底片上的对应显示单元中的所有像素点，
全息底片上的每个显示单元中第x行第y列的像素点的形成过程为：
计算机通过D/A-A/D数据采集卡控制e个全息图像制作光学组件单元的电动快门同时工作，全息图像制作光学组件单元的激光器输出的激光通过电动快门输出，经单元分束镜分束后的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜透射后，由第一全反镜M1反射形成第f个光学通道的入射光，所述单元分束镜的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的入射光，f个光学通道入射光光强相同，
每个光学通道的出射光形成物光束汇聚到全息底片上；所述单元分束镜的分束反射光由第二全反镜M2反射，再依次经过f-1个参考光分束镜透射后，由第三全反镜M3反射形成第f个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光依次经过f-1个参考光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的参考光，f个参考光的光强相同，每个光学通道的物光束与其对应的参考光在全息底片上重合，其中，1≥i≥e，1≥j≥f，1≥x≥M，1≥y≥N，
每个光学通道按照上述方法同时在全息底片上记录形成e×f个通道全息图，所述e×f个通道全息图拼合形成整个全息图。
本发明的优点：本发明提出的用一个液晶空间光调制器，一个二维位移总成记录一幅全息图像地多通道记录方法，比单通道记录方法速度快几倍。
【附图说明】
图1是本发明方法所使用装置的结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是获取二维图像阵列示意图，图4是每个二维图像分割成子图像阵列示意图，图5是每个子图像像素阵列图，图6是通道合成图像的阵列示意图，图7是具体实施例的结构示意图，图8是图7所述具体实施例的二维图像分割成子图像阵列示意图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式方法使用的装置包括D/A-A/D数据采集卡1、计算机2、视频分配器3、二维位移总成装置4和e个全息图像制作光学组件单元5，每个全息图像制作光学组件单元5具有f个光学通道，所述f个光学通道沿直线方向均布，e个全息图像制作光学组件单元5之间平行等距设置，e个全息图像制作光学组件单元5的光学通道组成e×f光学通道阵列，所述光学通道阵列与一个液晶空间光调制器SLM相对应，
实现本发明方法包括以下步骤：
步骤一、在计算机2中将三维图像转换成a×b个不同视角的二维图像阵列，其中a和b为正整数；
步骤二、将二维图像阵列中的每幅二维图像按设定的光学通道阵列格局分割处理成e×f个子图像，每个子图像对应全息底片8上的一个显示单元；
形成的子图像阵列[Z11，Z12，…，Z1f；Z21，Z22，…，Z2f；…；Ze1，Ze2，…，Zef]，每个子图像具有M×N个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[D11，D12，…，D1N；D21，D22，…，D2N；…；DM1，DM2，…，DMN]，其中，e、f、M和N为正整数；
步骤三、计算机2将所述a×b个不同视角的二维图像阵列运算和合成处理获得e×f个光学通道的通道合成图像Pij，
每个通道合成图像Pij由M×N个子合成图像pxy组成，
计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1、二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内二维移动，全息底片8每移动一次，每个光学通道通过视频分配器3在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像pxy，所述光学通道的输出记录在全息底片8上形成一个像素点，通过全息底片8的二维移动，使每个光学通道的输出遍历全息底片8上的对应显示单元中的所有像素点，
全息底片8上的每个显示单元中第x行第y列的像素点的形成过程为：
计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1控制e个全息图像制作光学组件单元5的电动快门7同时工作，全息图像制作光学组件单元5的激光器6输出的激光通过电动快门7输出，经单元分束镜分束后的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜透射后，由第一全反镜M1反射形成第f个光学通道的入射光，所述单元分束镜的分束透射光依次经过f-1个物光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的入射光，f个光学通道入射光光强相同，
每个光学通道的出射光形成物光束汇聚到全息底片8上；所述单元分束镜的分束反射光由第二全反镜M2反射，再依次经过f-1个参考光分束镜透射后，由第三全反镜M3反射形成第f个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光依次经过f-1个参考光分束镜反射后形成第一至第f-1个光学通道的参考光，f个参考光的光强相同，每个光学通道的物光束与其对应的参考光在全息底片8上重合，其中，1≥i≥e，1≥j≥f，1≥x≥M，1≥y≥N。
每个光学通道按照上述方法同时在全息底片8上记录形成e×f个通道全息图，所述e×f个通道全息图拼合形成整个全息图。
本实施方式所述的物光束和参考光在全息底片8的两侧，记录的是反射式全息图。全息底片8全部记录完成后用白光照明即可实现立体成像。
步骤一将三维图像分割成不同视角的二维图像阵列，如图3所示，不同视角的二维图像阵列的设置规则为：水平方向取b个视角的二维图像，竖直方向取a个视角的二维图像，构成a行b列不同视角的二维图像阵列[V11，V12，…，V1b；V21，V22，…，V2b；…；Va1，Va2，…，Vab]。
由于本发明采用了物体不同视角的大量的相关二维图像Vrs，最后合成全息图，所以可以全面、逼真地显示物体各个不同视角的图像，立体感强，表现质量非常好。其中1≥r≥a，1≥s≥b。
步骤二形成的子图像阵列如图4所示，每个二维图像分割子图像都是按照设定的光学通道阵列进行的，即[Z11，Z12，…，Z1f；Z21，Z22，…，Z2f；…；Ze1，Ze2，…，Zef]，每个子图像都具有M×N个像素，如图5所示。
e×f光学通道同时记录，完成后，拼到一起形成整个全息图，每个光学通道记录的方法相同，液晶空间光调制器SLM按所述e×f光学通道阵列格局配置分布合成e×f个通道合成图像Pij，形成合成图像阵列为[P11，P12，…，P1f；P21，P22，…，P2f；…；Pe1，Pe2，…，Pef]。
每个通道合成图像Pij来自所有二维图像中与其坐标相对应的子图像Zij，即第一个光学通道的通道合成图像P11取自所有二维图像的子图像Z11，共计a×b个Z11，第二个光学通道的通道合成图像P12取自所有二维图像的子图像Z12，共计a×b个Z12，依此类推，最后一个光学通道的通道合成图像Pef取自所有二维图像的子图像Zef，共计a×b个Zef。
每个子图像Zij具有M×N个像素，每个子图像Zij具有的像素形成的阵列为[D11，D12，…，D1N；D21，D22，…，D2N；…；DM1，DM2，…，DMN]。在往全息底片8上记录时，逐点记录，每记录一个点时，提取a×b个子图像Zij中每个子图像的一个像素形成通道合成图像Pij，每个光学通道的通道合成图像Pij的排布为：
Pij＝{V11[Zij(Dxy)]，V12[Zij(Dxy)]，V13[Zij(Dxy)]，…，V1b[Zij(Dxy)]；
V21[Zij(Dxy)]，V22[Zij(Dxy)]，V23[Zij(Dxy)]，…，V2b[Zij(Dxy)]；
…；
Va1[Zij(Dxy)]，Va2[Zij(Dxy)]，Va3[Zij(Dxy)]，…，Vab[Zij(Dxy)]}。
参见图6进行具体说明，当i＝1，j＝1时，即第一个光学通道的通道合成图像P11：
P11＝{V11[Z11(Dxy)]，V12[Z11(Dxy)]，V13[Z11(Dxy)]，…，V1b[Z11(Dxy)]；
V21[Z11(Dxy)]，V22[Z11(Dxy)]，V23[Z11(Dxy)]，…，V2b[Z11(Dxy)]；
…；
Va1[Z11(Dxy)]，Va2[Z11(Dxy)]，Va3[Z11(Dxy)]，…，Vab[Z11(Dxy)]}。
每个通道合成图像Pij中的像素取自所有二维图像中与其坐标相对应的子图像Zij，每个通道合成图像Pij中的Vrs[Zij(Dxy)]的像素是通过下述方法获得的：
在二维图像Vrs中的子图像Zij中从左到右、从上到下的像素Dxy，按从右到左、从下到上的顺序规则依次投射获得所述通道合成图像Pij中的一个像素Vrs[Zij(Dxy)]，其中1≥r≥a，1≥s≥b。
参照上述规则，第一个光学通道的通道合成图像P11中有M×N个子合成图像pxy，每在全息底片8上记录一点，显示一幅子合成图像pxy，因此第一个光学通道在全息底片8上记录M×N点。
先记录第一点，即x＝M，y＝N，所有a×b子图像Z11中的像素DMN都被调用提取出来进行排列，被处理合成为子合成图像pMN，表示如下：
pMN＝{V11[Z11(DMN)]，V12[Z11(DMN)]，V13[Z11(DMN)]，…，V1b[Z11(DMN)]；
V21[Z11(DMN)]，V22[Z11(DMN)]，V23[Z11(DMN)]，…，V2b[Z11(DMN)]；
…；
Va1[Z11(DMN)]，Va2[Z11(DMN)]，Va3[Z11(DMN)]，…，Vab[Z11(DMN)]}
这个点被记录在全息底片8上，然后，二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内二维移动，按如上方式记录下一点，逐点记录，一直到最后一点，即x＝1，y＝1，记录最后一点，所有a×b子图像的D11都被调用提取出来进行排列，子合成图像p11表示如下：
p11＝{V11[Z11(D11)]，V12[Z11(D11)]，V13[Z11(D11)]，…，V1b[Z11(D11)]；
V21[Z11(D11)]，V22[Z11(D11)]，V23[Z11(D11)]，…，V2b[Z11(D11)]；
Va1[Z11(D11)]，Va2[Z11(D11)]，Va3[Z11(D11)]，…，Vab[Z11(D11)]}，
第一个光学通道共记录M×N个点，形成第一个通道全息图。
如上，第一个光学通道的通道全息图记录完成，其它光学通道的通道全息图的记录方式与其相同，且同时进行，如最后一个光学通道上通道合成图像Pef取自所有二维图像的子图像Zef，e×f个光学通道记录的通道全息图拼合形成整个全息图。
下面以一个具体实施例说明本发明的方法，参见图7，取e＝1，f＝4，即四个并列的光学通道，在液晶空间光调制器SLM呈现四个通道合成图像为P11、P12、P13和P14。
将三维图像如前所述分割成a×b个不同视角的二维图像阵列，每个二维图像按光学通道的格局分割成四部分子图像，四个子图像分别为Z11、Z12、Z13和Z14，如图8所示，每个二维图像中子图像Z11用于构成通道合成图像P11，每个子图像都具有M×N个像素，每个子图像具有的像素形成的阵列为[D11，D12，…，D1N；D21，D22，…，D2N；…；DM1，DM2，…，DMN]。
先介绍记录第一个光学通道，二维位移总成装置4每移动一次，第一个光学通道通过视频分配器3在液晶空间光调制器SLM上显示一幅子合成图像pxy，共计M×N个子合成图像pxy，在全息底片8上与第一个光学通道对应的显示单元上记录M×N个像素点，通过全息底片8的二维移动，逐点记录，使第一个光学通道的输出遍历全息底片8上的对应显示单元中的所有像素点，记录方法如前所述。完成第一个光学通道的全息图的记录，其它三个光学通道的记录方式相同，且同时进行，第二个光学通道的通道合成图像P12调用所有二维图像的子图像Z12，第三个光学通道的通道合成图像P13调用所有二维图像的子图像Z13，第四个光学通道的通道合成图像P14调用所有二维图像的子图像Z14，四个光学通道记录的通道全息图像合成一个完整的全息图。
步骤三所述的每个光学通道的出射光形成物光束的过程为：
每个光学通道入射光经扩束镜扩束形成扩束光，所述扩束光经第一凸透镜形成平行光入射到液晶空间光调制器SLM上，液晶空间光调制器SLM将所述平行光透射到第二凸透镜，并经所述第二凸透镜形成物光束汇聚到全息底片8上。
具体操作过程为：计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1控制四个全息图像制作光学组件单元5的电动快门7同时工作，全息图像制作光学组件单元5的激光器6输出的激光通过电动快门7输出，经单元分束镜P0分束后的分束透射光依次经过第一物光分束镜P11、第二物光分束镜P12、第三物光分束镜P13透射后，由第一全反镜M1反射形成第四个光学通道的入射光，所述单元分束镜P0的分束透射光依次经过第一物光分束镜P11、第二物光分束镜P12、第三物光分束镜P13反射后形成第一至第四个光学通道的入射光，四个光学通道入射光光强相同，第一个光学通道的入射光经第一扩束镜LK1扩束形成扩束光，所述扩束光经第一光学通道第一凸透镜L11形成平行光入射到液晶空间光调制器SLM上，液晶空间光调制器SLM将所述平行光透射到第一通道第二凸透镜L21，并汇聚到全息底片8，作为第一光学通道物光束；所述单元分束镜P0的分束反射光由第二全反镜M2反射，再由第一参考光分束镜P21反射形成第一个光学通道的参考光，第一个光学通道的物束光与参考光在全息底片8上重合，同时计算机2通过D/A-A/D数据采集卡1、二维位移总成装置4控制全息底片8做底片平面内二维移动，形成一个光学通道的通道全息图。
其余三个光学通道的参考光形成为：第二全反镜M2反射光经第一参考光分束镜P21透射后，再依次透射第二参考光分束镜P22和第三参考光分束镜P23后，由第三全反镜M3反射形成第四个光学通道的参考光，所述第二全反镜M2反射光经第一参考光分束镜P21、第二参考光分束镜P22和第三参考光分束镜P23反射后形成第一至第三光学通道的参考光，所述三光学通道记录全息的工作过程与第一光学通道相同，不再赘述。
四个光学通道在全息底片8记录的通道全息图拼合形成整个全息图。