合成全息体视图技术研究进展

　　摘要合成全息体视图技术是三维显示领域的研究热点，被广泛应用于军事、经济等各个行业。本文基于国内外合成全息体视图技术的发展现状，综述了该技术的基本写入方法、像质提升方法以及性能改善方法。首先介绍了基本写入方法的发展历程及研究现状，归纳了其实现方法，并对现阶段几种主要方法的综合性能进行了简要评价。围绕合成全息体视图的成像质量与综合性能两个方面，总结了近年来改进合成全息体视图技术的较新进展。最后得出结论并进行了展望。

　　关键词全息;合成全息体视图;三维显示;研究现状

　　1引言

　　合成全息体视图技术是一种三维立体显示技术，它结合光学全息原理[1]与人眼的双目视差效应[2]，用离散的波前近似复现原光场的三维信息。合成全息体视图可视为多个全息单元构成的二维阵列。全息写入时，将带有视差信息的图像序列用光学全息的方法进行逐个曝光， 在相应的区域内形成干涉条纹，形成全息单元。

　　三维论文范例：三维软件设计在机械加工中的应用

　　全息再现时，每个全息单元都可视为独立存在的子全息图，它们会向空间复现出带有原图像信息的物光波前，观察者在所有全息单元联合复现的条件下观察，双眼便可接收到带有视差的二维光场信息。人眼的双目视差效应弥补了二维图像缺失的相位信息，也就是原光场的深度信息，形成三维显示效果。正确的写入方法是保证再现像满足人眼视觉需求的关键。1967年，Pole[3]利用多幅二维图像制作了反射式全息体视图，实现了场景的三维显示，但是由于用来采样的透镜阵列工艺欠佳，相邻透镜的间隙较大，成像质量严重退化。

　　1969年，DeBitetto[4]首次提出了水平视差合成全息体视图的单步曝光方法，他利用可水平移动的长条形光阑限制光线的传播，将采样得到的水平视差图像序列按顺序依次写入到光阑暴露出的区域(全息单元)中，实现了三维场景的再现。单步法中，相邻全息单元中的缝隙被大大减小，较好地解决了Pole研究中成像不佳的问题。但是，观察再现像时，人眼必须位于记录介质平面上，既紧贴全息图表面观察，当远离该位置观察时，再现像会出现透视畸变甚至消失。

　　1970年，King等[5]为了在白光下复现单步法的像，提出了合成全息体视图的两步转移曝光方法。在打印出水平视差全息图后，利用原参考光的共轭光照射主全息图，获得三维场景的赝实像，而后对赝实像进行二次翻拍，获得了可白光再现的转移全息图。两步法将观察平面限定在二次翻拍时的主全息图所在平面上，使观察更加方便，但是这种方法操作复杂，难度较大，不易实现。合成全息体视图技术的诞生与发展，在传统光学全息基础上更进一步，为实现大幅面、广视角场景的全息三维显示提供了可行方法。国内外研究学者对该技术进行了大量有效的研究，取得了较为丰硕的成果，并已经应用于军事、经济等重要领域。

　　2合成全息体视图的基本写入方法

　　单步法与两步法的出现为后续研究提供了可行思路。近年来，随着科技手段迎来数字化进程，计算机性能显著提升，高质量空间光调制器(SpatialLightModulator,SLM)得到不断创新研发,合成全息体视图的写入方法也从光学方案的设计转变为由采样图像生成曝光图像的算法。为获得无畸变的高质量再现像，Halle等[6]使用无穷远相机对三维场景进行拍摄采样，并模拟两步转移曝光方法，对采样图像的像素进行分割重组处理，获得了能够直接用于曝光的图像。

　　该方法被多次改进，并始终用于制作高质量全息体视图。中国海洋大学王金城团队[7,8]结合现实条件对该方法进行了改进和发展，实现了大幅面全息体视图的打印。M.Yamaguchi等[9]提出Lippmann法，该方法加载到显示器上的图像不是由相机采样得到，而是利用计算机与图像处理技术获得。基于光线追踪原理，由物点向全息单元中心进行投影，投影直线与显示器平面的交点即为对应曝光图像的像素点，进而获得了与全息单元对应的曝光图像。

　　H.Bjelkhagen等[10]提出直写数字全息(Direct-WriteDigitalHolography,DWDH)法,该方法考虑空间中多平面之间像素的精确对应关系，根据光线追踪原理获得了能够直接用于曝光的图像。2017年，本课题组提出了一种基于有效视差图像分割与重组(EffectivePerspectiveImages’SegmentationandMosaicking，EPISM)的单步全视差全息体视图打印方法[11]，该方法根据光的传播规律和人眼的视锥效应，利用有效视角图像的分割和重组算法，得到曝光图像。

　　3合成全息体视图的像质提升方法

　　3.1分辨率提升

　　合成全息体视图由全息单元对三维场景进行波前重构，全息单元的尺寸是影响再现像分辨率的重要因素。Hong等[12]通过计算机仿真分析了全息单元尺寸对分辨率的影响机理，分析表明：不能通过无限减小全息单元尺寸的方法提高分辨率，进而提出了全息单元交叠打印的方法，既在打印过程中位移平台的步长小于全息单元尺寸，实现了再现像的高分辨率显示。通过这种方法，能够在不减小全息单元尺寸的条件下，打印出具有更高分辨率再现像的全息图。

　　3.2畸变消除

　　合成全息体视图的畸变问题，是指在写入与再现过程中，图像与原场景的透视关系有明显偏差。研究表明：当观察传统两步法制作的全息体视图再现像时，人眼所在位置的移动会导致图像发生畸变甚至消失，前文所述的Halle等[6,21]提出的方法正是以解决透视畸变为基础。为解决大幅面全息体视图再现时的人眼移动会产生透视畸变的问题，Halle等提出了无穷远相机法与透视分割法，其本质都是对采样图像进行分割重组，人眼观察的再现像可以认为是多个像素块的拼接而成。这两种方法原理简单，易于实现。

　　在全息单元写入时，曝光系统中不理想透镜的应用会导致再现像的径向畸变，影响视觉感受。Park等[22]对全视差合成全息体视图进行了数值重构，并将径向畸变问题考虑在内，主动在曝光图像中加入一定的畸变因子k。而后用结构相似度与峰值信噪比两种指标，对无畸变图像的数值重构结果与带有畸变因子的数值重构结果进行了像质的对比评价。该方法能够在实施曝光前预测畸变程度，为图像预处理消除畸变提供依据。图5展示了加入畸变因子图像的前后对比，与两种指标的评价结果。

　　4合成全息体视图的性能改善方法

　　4.1光场数据的高效采集

　　光场数据的采集，是实现合成全息体视图显示的第一步，以全视差的光场数据采集为例，多用透镜阵列或运动相机[26，27]实现，这两种方式简单实用，可以基本满足小幅面场景的少量采集需求，但是对于较大幅面场景的大量数据采集不再适合。为了解决这一问题，近年来，视图合成技术[28]开始被应用于合成全息体视图的数据采集中，该技术能够实现三维场景的任意虚拟视点的生成。BarakKatz等[29]使用特定卷积核生成了两幅图像对应的垂直边缘图像，而后对虚拟视点图像进行仿射变换，进而实现了虚拟视点图像的合成。

　　这种方法有两点不足：一是不适用于复杂场景，二是只能合成已知的两视点之间的视图，不能对未采集区域进行预测生成。Gilles等[30]提出了一种“多视角+深度(MultiviewplusDepth，MVD)”的场景数据获取方法，首先获取不同视角图像和相应的深度图，然后利用MVD数据将原三维场景重建为分层点云，进而成功渲染了新视点图像。最近，Fachada等[31]有了新进展，其所在研究团队利用基于深度图像的渲染(DeepImagesBasedRendering,DIBR)算法[32]，在只输入4幅RGBD图像(三通道彩色图像及其对应的深度图像)的条件下，获得了高质量的虚拟视点图像，大大减少了实际采样量，并且同步实现了真实场景与计算机三维模型的数据采集，最终打印的全息图效果良好。

　　5结论及展望

　　合成全息图技术是近年来国内外三维显示领域的热点，大量研究在总结当前该技术存在问题的同时，相继提出了有效可行的解决方法。本文回顾了合成全息体视图的发展历程，简要介绍了合成全息体视图技术的基本写入方法，并对近年来该领域的研究现状进行了综述，相关研究成果可以应用于相关领域中。现阶段，合成全息体视图技术仍停留在小物体或计算机三维模型的写入与再现，仍然难以做到超大幅面场景的全息显示。

　　限制这一发展的原因，在于针对大幅面场景的规则采样较为困难。另外，对大型全息记录介质的显影、定影、脱水、漂白等处理也较为不便。因此，将新型技术引入合成全息体视图技术中，研究新的、更加符合实际的数据获取方法，研制干涉性能强、衍射效率高、工艺处理简单的真彩色记录介质，提升其综合性能将是下一步的主要发展方向。

　　近年来，各种科技的不断突破，为合成全息体视图技术的进步提供了新思路。人工智能、深度学习、机器视觉等技术可以为合成全息体视图的数据获取提供新的方法来源;新兴材料、电子集成技术的深入研究为全息记录介质及光学元件的研制方式创造了无限遐想，并且有望实现。不久的将来，合成全息体视图技术将在科学研究与生产生活中得到更为广泛的应用。

　　参考文献：

　　[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：刘云鹏1，刘新蕾1，王晨卿1，荆涛1，汪熙1，屈强1，蒋晓瑜1，闫兴鹏

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