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计算全息三维显示的技术研究

作　者: 王鹏
导　师: 张亚萍
学　校: 昆明理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: 计算全息三维显示菲涅尔衍射空间光调制器光电再现
分类号: TN27
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着显示技术的快速发展,传统的二维显示技术已无法满足人们对图像显示的要求,三维立体显示技术逐渐成为一个新的研究热点。全息技术作为一种真三维立体显示技术,其具有裸眼观看,再现像能够提供真彩色和物体景深的优点。计算全息是制作全息图的一种新技术,它通过使用计算机来模拟光学全息记录的物理过程,相比于传统的光学全息和数字全息技术,其具有对环境要求低、灵活性高、可重复性等优点。但是,目前计算全息仍存在着诸多问题阻碍其发展和应用,本文针对现有问题展开讨论,重点研究了三维计算全息的理论与算法、真实三维物体大数据信息情况下的计算全息编码加速方法、基于空间光调制器的计算全息三维显示方法,并通过搭建实验系统,验证了本文提出的新方法的可行性。首先,分析了现有的计算全息编码方法,得到了各种编码方式的适用范围。在此基础上,本文采用了编码方式灵活及简便的博奇编码。为了解决真实三维物体大数据信息情况下计算全息快速编码的问题,利用静态三维相机获取真实三维物体的数据信息,在现有的实验条件下,基于三维计算全息中的点源法,采用组件对象模型技术,将MATLAB与VC++结合实现相关的编程,有效的改善了三维物体大数据量编码计算时间长的问题,并通过对不同大小数据量的三维数据进行实验,证实了该方法具有较高的可靠性和实用性。在此基础上,实现了真实三维物体多视角的全息计算和数值仿真。另外,为了实现真彩色三维物体的计算全息显示,本文分析了真彩色三维物体制作计算全息图的方法,并结合层析法和点源法,实现了真彩色三维物体的全息图计算及数值再现。然后,为了进一步研究计算全息三维显示的方法,利用数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device, DMD)构造了一套全息显示系统,基于三维计算全息中的层析法,结合菲涅尔衍射积分算法中的角谱法,探讨了全息图的计算与DMD参数之间的关系,并利用修正立轴参考光编码的方式,得到了计算全息图。通过对全息图进行数值仿真和光电实验验证均得到了有益的结论：该方法确实能够较好的再现原三维物体。最后,为了实现基于DMD的高质量全息图再现,本文阐述了DMD的灰度调制特性及其衍射特性。从灰度调制理论与菲涅尔衍射理论方面探讨了DMD进行全息显示的机理,并根据DMD的显示原理,提出了“灰度调制”计算全息图的方法,实现了基于DMD的全息图高质量再现,这一结果对DMD用于计算全息显示是有帮助的。论文对计算全息三维显示技术进行了相关研究,内容涵盖理论探讨、数值仿真、实验论证等方面。论文工作可为进一步研究基于空间光调制器的全息三维显示提供一定的参考价值,对其他实时计算全息系统的开发具有一定的借鉴意义。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-31
  1.1 全息术的发展概况  13-18
    1.1.1 全息术的发展历史  13-14
    1.1.2 计算全息概述  14-18
  1.2 国内外三维显示研究现状  18-29
    1.2.1 双目立体显示技术  18-21
    1.2.2 空间立体显示技术  21-26
    1.2.3 三维显示中影像的承载方式  26-29
  1.3 论文的研究意义、研究内容和结构  29-31
    1.3.1 研究意义  29
    1.3.2 论文的主要研究内容  29-30
    1.3.3 论文结构  30-31
第二章计算全息的基本原理  31-43
  2.1 计算全息的基本理论  31-35
    2.1.1 计算全息简介  31-32
    2.1.2 计算全息的理论基础  32-34
    2.1.3 计算全息的分类  34
    2.1.4 计算全息的优点及应用  34-35
  2.2 计算全息的编码方法  35-41
    2.2.1 迂回相位编码方法  35-38
    2.2.2 修正离轴参考光的编码方法  38-39
    2.2.3 二元脉冲密度编码  39-40
    2.2.4 相息图编码技术  40-41
    2.2.5 典型编码方式的比较分析  41
  2.4 本章小结  41-43
第三章三维计算全息算法研究及数值仿真  43-69
  3.1 菲涅尔衍射积分原理  43-49
    3.1.1 傅里叶变换算法  46-48
    3.1.2 卷积算法  48-49
    3.1.3 角谱算法  49
  3.2 三维物体全息图的计算方法及比较  49-55
    3.2.1 点源集合法  50-51
    3.2.2 多视角投影法  51-52
    3.2.3 平面波角谱法  52-53
    3.2.4 层析法  53-55
    3.2.5 几种方法的比较分析  55
  3.3 三维物体的计算全息图快速编码研究  55-61
    3.3.1 基于点源法的虚拟三维物体的全息计算  56-57
    3.3.2 基于静态三维相机获取的实际三维数据的全息计算  57-59
    3.3.3 基于混合编程的全息编码加速方法研究  59-61
  3.4 三维物体多视角的全息图计算及数值再现  61-63
    3.4.1 空间坐标变换  61-62
    3.4.2 三维物体多视角的全息图计算及数值再现  62-63
  3.5 真彩色三维物体的全息图计算及数值再现  63-68
    3.5.1 “调整像素总量”的真彩色三维物体全息计算及数值再现  64-68
  3.6 本章小结  68-69
第四章采用空间光调制器进行仿真研究  69-81
  4.1 数字微镜器件  70-71
    4.1.1 数字微镜器件的结构与性能  70
    4.1.2 数字微镜器件的工作原理  70-71
  4.2 基于DMD的计算全息三维显示  71-75
    4.2.1 用于DMD显示的菲涅尔全息图计算  71-73
    4.2.2 三维物体的全息图计算  73-74
    4.2.3 实验数值仿真  74-75
  4.3 基于DMD的计算全息再现像质增强  75-80
    4.3.1 DMD对全息图的调制及衍射  75-76
    4.3.2 DMD再现全息图像质量的主要影响因素及改善方法  76-77
    4.3.3 实验数值仿真  77-80
  4.4 本章小结  80-81
第五章计算全息三维立体显示实验研究  81-87
  5.1 基于DMD的全息三维显示实验系统  81-83
  5.2 基于DMD的计算全息三维显示光电实验  83-84
  5.3 基于静态三维相机的多视角全息图光电实验  84-85
  5.4 基于DMD的计算全息再现像质增强光电实验  85-86
  5.5 本章小结  86-87
第六章总结和展望  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 展望  88-89
致谢  89-91
参考文献  91-98
附录攻读硕士期间发表论文目录  98

计算全息三维显示的技术研究

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