合成全息图的制作方法

专利名称：合成全息图的制作方法
技术领域：
本发明涉及全息技术领域，尤其涉及一种合成全息图的制作方法。
背景技术：
目前，全息术能够记录和再现物体的全部光学信息，在光学立体显示方面的应用 具有重要研究价值。作为其分支之一的合成全息技术，既利用了体视对图像合成立体感的 思想，又利用了全息术可原物光衍射复现的特点，具有灵活的制作方式、丰富的拍摄题材和 强烈的视觉冲击力，能够以简便的再现形式，实现高质量的立体场景光学显示。九十年代起，如何制作大面积全彩色的数字合成全息图成为世界各国显示全息研 究的热点之一。目前国外已有不少科研机构和公司致力于合成全息图商业化生产及应用， 合成全息图已经作为高质量三维显示手段进入商业市场，其自动拍摄设备也是立体显示领 域的研究热点之一，并已集成化、商品化。然而国外类似设备和相关技术严格保密，而且售 价相当昂贵。一套数字全息图制作设备售价30多万美元，制作一幅1米X 1米的全息图的 费用高达数万美元。目前国内现有的合成全息图的制作方法一般有两种，一是利用公知的菲涅尔全息 图和白光再现反射或彩虹全息图拍摄光路，拍摄公知的二步法白光再现全息图，当全息图 面积较大时(例如大于目前常见的全息干板尺寸25cmX 20cm)，对设备要求非常高，例如高 功率的激光器、大口径的光学透镜等，使得光路过长过大，制作设备笨重而且非常昂贵，在 设备和技术上都难以实现。另外，传统二步合成全息的拍摄方法，将采样得到的图像直接拍 摄于狭缝或矩孔后的全息干板上，再现时，观察者无法看到一幅完整的二维透视图像，而是 多幅、各个角度二维透视图像的重叠，观察者看到的将是完全混乱的图像，导致得到的合成 全息图的质量较差。二是利用现有的点阵光刻机，可以制作面积较大的模压全息图，然而此 种方法最大的缺点在于只能制作简单的图像，例如变化的几何条纹和简单的光栅等等，难 以达到立体的效果，无法实现高质量全息显示，因此主要用于制造大幅面全息包装材料等。 总体上讲，国内在大面积的合成全息显示拍摄技术方面与发达国家相比尚有很大差距。

发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够用于制作大面积高质量的合成全息图的合成全息 图的制作方法。一种合成全息图制作方法包括以下步骤采样，获取三维物体或三维物体部分区 域的M幅不同视角的图像；对上述M幅图像进行如下处理将上述M幅图像编组为第一图像 序列，将第一图像序列中每幅图像拆分为N个纵向图像列，再从第一图像序列中每幅图像 中抽出一个图像列来组成一幅新的图像，由此得到具有N幅图像的第二图像序列；及将上 述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的N个狭长区域上，得到三 维物体或三维物体部分区域的合成全息图。所述合成全息图制作方法中，通过对原始二维图像序列进行信息提取、图像拆分和重组的变换。在合成全息图再现时，观察者的每只眼看到的将不再是混乱的图像交叠，而 是按照一定规律、有序地组合而成的完整二维图像，且符合体视对关系，形成合成立体感， 因此，能够得到高质量的合成全息图。另外，所述合成全息图制作方法得到的合成全息图能 够进行拼接得到更大面积的合成全息图。本发明所述方法对解决大面积大视角全彩色合成 全息图全自动拍摄问题，赶上世界前沿大面积合成显示全息图的商业化生产和商业化应用 的进程，具有重要的实用价值。


图1为本发明第一实施例提供的合成全息图制作方法中的图像处理过程示意图。图2为现有技术提供的一种合成全息图原理图。图3为本发明第一实施例提供的合成全息图制作方法使用的光路图。图4为本发明第一实施例提供的合成全息图制作大面积合成全息图的方法示意 图。图5为本发明第二实施例提供的合成全息图制作方法中的图像处理过程示意图。图6为本发明第三实施例提供的合成全息图制作方法中的图像处理过程示意图。图7为本发明第三实施例提供的合成全息图制作方法中得到彩色合成全息图的 原理图。图8为本发明第三实施例提供的合成全息图制作方法使用的光路图。图9为本发明第三实施例提供的合成全息图制作方法中使用的全息光学元件的 制作光路图。图10为本发明第四实施例提供的合成全息图制作方法使用的光路图。
具体实施例方式下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。本发明第一实施例提供的合成全息图制作方法包括以下步骤步骤1 采样，获取三维物体的M幅不同视角的图像。采样包括对实际三维物体和虚拟三维物体采样两种方式。实际三维物体可采用现 有的导轨式自动控制三维物体采样系统，该系统安装角度可控的数码相机或数码摄像机， 能够按照程序设定拍摄三维物体的各角度透视图像(用普通相机亦可，而后需用扫描仪将 彩色照片输入计算机进行处理)。虚拟三维物体利用计算机三维建模和动画软件生成一个 虚拟三维物体或三维物体动画，按照要求渲染输出虚拟三维物体的各角度透视图像。采样角度范围通常取45度到60度之间。但如果仅为表现其大角度旋转的空间感， 忽略其真实的再现角度，可以将采样角度取得更大。采用图像的张数一般不少于100张。 采样图像的分辨率在小于后续用于读出这些图像的空间光调制器的分辨率时，通常越大越 好，但如果超出空间光调制器的分辨率将没有意义。下面将举例说明对于不同类型三维物 体的可选采样方法，可以理解，对于这些不同类型三维物体的采样方法并不限于以下示例。当对静物进行采样时，可将静物置于转盘上，数码相机放置于转盘正前方，转盘 从- 度转到％度，每转动0.5°拍摄一幅图像，共100幅。图像输入计算机，用图像软件 (如photoshop等)进行提高像质的各项图像处理，如对图像进行剪裁，去掉原来照片上不需要的背景和不良阴影等，以到达最好的艺术效果，得到一组原始二维图像序列。上述数码 相机可通过计算机控制拍摄，以实现拍摄过程自动化。当对人进行采样时，可拍摄人物的头像、半身像和站像，也可以拍摄类似婚纱照的 艺术照片。人物的头像拍摄可以用拍摄者转动头部的简单方法，站像可以让人物站在转盘 上拍摄，转盘最好用电机控制，保持勻速旋转，并可控制旋转角度。拍摄方法大致与对静物 拍摄时相同，需要特别注意的是人像很难保持完全静止，最好采用数码摄像机快速记录下 人物转动的一段动画，然后输入计算机，用数码视频处理软件，如mainactor，按照要求角度 分解为100幅平面图像。当对计算机生成的三维立体模型进行采样时，例如，一辆由计算机辅助设计的新 型概念车。利用常用的计算机三维建模和构图软件，如3DMAX，处理汽车模型数据，加以适当 的光照、材质。然后进行渲染输出，输出该立体模型按所需角度投影的平面图像100幅。步骤2 对上述M幅图像进行图像处理。请参阅图1，在该图像处理中，进行水平方向的变换来实现合成视差。在变换之 前，需要对采样得到的原始图像进行编号，将上一步骤得到的M幅二维图像编组为一个第 一图像序列(X1, X2, ... , Xi, ... X ), 1 ^ i彡M，其中，第一图像序列中共有M幅图像，每一 幅图像记为Xi,并将&表示向量矩阵形式，即& = (xn，xi2，...，xik，...，xiN)。其中，角标 N即是合成全息图拍摄时的狭缝数目，该标识说明图像被按照狭缝的数目拆分为N个纵向 图像列，再由第一图像序列中每幅图像提供一个图像列来组成一幅新的图像，具体变换的 过程是 从Xi = (xn, xi2, ...，xik, ...，xiN)中提取某一图像列、从全部二维图像阵列中提 取M个图像列，组成一幅新图像。经过图像变换后的一幅新二维图像可表示为Yk= (xlk, X2k, ...，Xik, ... ，例如，当k = 1，提取每一图像第1列，依次排列组成新图像矩阵Y1 = (X11 ‘ X2I' . . .，XiI' · · · ，变换需针对所有原始图像进行多次，经过从k = 1到k = N的多 组变换，即可得到一组第二图像序列，包含的图像可表示为(Y1;Y2，... ,Yn)。需要说明的是， 上述图像列中可包括一个或多个像素列，上述M既可等于N也可不等于N。步骤3 将上述图像处理后得到的N幅图像依次记录到全息干板的N个狭长区域 上。此处需要借鉴公知的二步反射合成全息图来进行说明，该方法是目前最常用的合 成全息拍摄方法。公知的二步法首先拍摄菲涅耳合成全息图母版，然后用母版再现出全息 图实像，再拍摄白光再现反射全息图。其合成立体的原理如图2所示图中存在一系列的角 度对应关系，分别是采样时，相机和物体的位置；菲涅耳全息图拍摄时，狭缝和图像的位置； 白光再现时，狭缝的像(观察者眼睛位置)和再现全息像，这三个位置存在角度对应。人眼 位于不同的狭缝时，看到不同角度的二维图像，合成全息立体感的来源于此。按照上述公知的二步合成全息的拍摄方法，将采样得到的图像直接拍摄于狭缝或 矩孔后的全息干板上，再现时，观察者看到的图像是来自多个狭缝或矩孔的、互相重叠交叉 的图像，导致观察者无法看到一幅完整的二维透视图像，而是多幅、各个角度二维透视图像 的重叠，观察者看到的将是完全混乱的图像。请参阅图3，本实施例提供的合成全息图制作方法中，激光器1出射的光线会被反 射镜2反射到分束镜3上，分束镜3将激光器1出射的光线分成两束，一束用于作为参考 光，另一束作为物光。该物光依次经过扩束镜4和准直透镜5照射到数字微反射镜6上，上述图像处理后得到的N幅图像会被依次输入到数字微反射镜6上，再通过成像透镜7、会聚 或散射像的元件16及矩孔挡板9上的矩孔记录到全息干板10上。所述会聚或散射像的元 件16可为透镜或散射屏等。通过控制曝光间隔时间、移动全息干板10、并精确控制移动步 长和矩孔尺寸，最终将在全息干板10的N个狭长区域上分别记录上述N幅图像。本实施例 中，参考光束以45度角左右投射于矩孔上，且保持两束光光程差约为0。所述全息干板10 的移动装置(图未示)可通过计算机控制来移动全息干板10，从而能够实现改变输出图像、 控制快门(图未示)曝光的协调运作，自动完成全息图的激光干涉打印记录。最后，对全息 干板10进行显影、定影处理，得到合成全息图。所述全息干板10的移动装置可为一个步进 马达。本实施例中，所述激光器1采用氦氖激光器，波长632. 8nm。在本实施例的合成全息图制作方法中，通过对原始二维图像序列进行信息提取、 图像拆分和重组的变换。在合成全息图再现时，观察者的每只眼看到的将不再是混乱的图 像交叠，而是按照一定规律、有序地组合而成的完整二维图像，且符合体视对关系，形成合 成立体感，因此，通过采用本实施例提供的合成全息图制作方法，能够得到高质量的合成全 息图。请进一步参阅图4，本实施例提供的合成全息图制作方法还可以用于制作大面积 的合成全息图，例如大于全息干板10的尺寸的合成全息图。在制作大面积的合成全息图 时，可将采样得到的三维物体的每张图像11再分成多个图像单元12，然后将采样得到的多 个三维物体的图像11中位置相同的图像单元12编组为一个图像序列，这样就可以得到多 个图像序列，然后采用上述步骤2和步骤3将每个图像序列记录到一个全息干板10上，即 多个图像序列分别记录到多个全息干板10上。最后，通过拼接这些全息干板10，则可以得 到一个大面积的合成全息图。例如，单元全息图尺寸18cm*9cm，12块单元全息图拼接后总 尺寸为 36cm*54cm。本发明第二实施例提供的合成全息图制作方法与上述第一实施例提供的合成全 息图制作方法基本相同，二者区别在于在本发明第二实施例提供的合成全息图制作方法 中，在对M幅图像进行水平方向变换、重组得到N幅图像(Y1,^，...， )后，再将N幅图像 进行分通道处理，即对应红绿蓝三通道分别输出一组灰度图像，如图5所示，最后再使用图 3的光路图，采用红绿蓝三色激光器将对应通道的灰度图像依次记录到全息干板10上，全 息干板10的每个狭长区域上均采用红绿蓝三色激光器分别记录有一幅灰度图像。通过对N 幅图像进行分通道处理，采用本发明第二实施例提供的合成全息图制作方法能够得到全彩 色合成全息图。本发明第三实施例提供的合成全息图制作方法包括以下步骤步骤1 采样，获取三维物体的M幅不同视角的图像。这里的采样方法与本发明第 一实施例提供的合成全息图制作方法中的采样方法相同。步骤2 对上述M幅图像进行图像处理。该图像处理分两个步骤，首先进行水平方向的变换来实现合成视差，然后进行竖 直方向变换来分颜色通道。此二过程可交换先后顺序，最终得到处理结果相同。请参阅图6，首先进行水平方向的变换来实现合成视差。这里的水平方向的变换与 本发明第一实施例提供的合成全息图制作方法中的步骤2里的水平方向的变换的方法相 同。
然后需对竖直方向图像信息进行分通道处理，目的是实现将三个通道的颜色信 息通过一次曝光就记录下来，而且能再现全彩色。图像颜色通道的划分采取公知的图像 颜色分通道方法，即红绿蓝通道分别输出一幅灰度图像。第一步得到的第二图像序列 (Y1, Y2, ... , Yn)将被输出为三个灰度图像序列，按照对应红、绿、蓝颜色分别表示为(Yy Y2r, · · ·，YNr)、(Ylg，Y2gj · · ·，YNg)、(Ylb, Y2b; ...，Y1J，以其中一幅为例，又各自表示为例如
Y\r ^^y\rvy\r2^y\rr-yirh)、Ylg = C^lg1, >V2，…,，…少IgA )、Ylb = O^I,少叱，…，>W”">W ),其
中J^1等表示一个横向图像行。这一步变换就是取(Ylr，Y2r, ... , Y1J、(Ylg，Y2g, ..., YNg)、 (Ylb，Y2b, . . .，YNb)中每一幅的一个横向图像行，再将每三个横向图像行组成一幅新的灰度 图像，该图像背景为黑色，仅由三个横向细条间隔一定距离排开而组成，该新图像可表示 为Zkl = (ykrl, ykgl，ykbl)，而将(Y1, Y2,..., YN)全部进行变换后，将得到一个灰度图像的二 维阵列G11. . . Zlh,Z21. . . Z2h,.. . ,ZN1. . . ZNh)，其中h的数目和每一横向图像行中包含的像素 数目都取决于合成全息拍摄时每一像素的横向宽度尺寸，类似于公知的二维彩虹全息方法 中狭缝的宽度尺寸。经过以上两次变换，将原来一组由M幅图像组成的原始二维彩色图像序列(X1, X2, ... , Xi, ...XM)拆分组合成为一个灰度图像的二维阵列(zn. .7lh，Z21... Z2h,...， ZN1. . . Zwh)，该阵列纵向信息针对合成视差，横向信息针对颜色通道，共有hXN幅图像。本实施例中对竖直方向图像信息进行分通道处理的目的是为了能够采用一种颜 色的激光就可以同时记录红绿蓝三通道信息。图像变换过程简单易行，在方法上是仅仅拆 分重组变换，然而对于激光干涉打印的合成全息图拍摄方法而言，具有非常重要作用，直接 影响合成全息图的立体感、图像畸变和颜色再现。需要说明的是，上述横向图像行中可包括 一个或多个像素行。步骤3 将上述图像处理后得到的hXN幅图像记录到全息干板10的N个狭长区 域上，让全息干板10上每个狭长区域记录的信息都包括照片X「XM中每个照片的一个图像 列和该图像列的颜色信息。具体的，由图像序列(Ypt，...，^)中每个图像经过竖直方向 变换的分颜色通道处理得到的h幅图像会记录到全息干板10上的一个狭长区域上。为了实现一次记录红绿蓝三个通道后，能够再现彩色图像，首先需要对透射全息 图的衍射角度进行严格的计算。通过设计物光和参考光的记录夹角，可以控制再现时颜色 光的衍射方向。请参阅图7，根据彩虹全息图的原理，通过控制红绿蓝三个通道光线入射到 全息干板10上时的物参角，即物光和参考光的记录夹角，可以在特定方向(一定角度范围 内，如图7中人眼所在位置)观察到原物体的真实颜色三维再现像，即以一种假彩色编码的 方式达到了真彩色再现的效果。为了让人眼在大致与全息干板10垂直的位置观察到三维 物体真实颜色的再现像，红绿蓝三个通道光线入射到全息干板10上时的物参角满足以下 条件
权利要求
1.一种合成全息图制作方法包括以下步骤采样，获取三维物体或三维物体部分区域的M幅不同视角的图像；对上述M幅图像进行如下处理将上述M幅图像编组为第一图像序列，将第一图像序列 中每幅图像拆分为N个纵向图像列，再从第一图像序列中每幅图像中抽出一个图像列来组 成一幅新的图像，由此得到具有N幅图像的第二图像序列；及将上述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的N个狭长区域 上，得到三维物体或三维物体部分区域的合成全息图。
2.如权利要求1所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述三维物体包括实际三 维物体和虚拟三维物体。
3.如权利要求1所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述空间光调制器为数字 微反射镜或液晶显示器。
4.如权利要求1所述的合成全息图制作方法，其特征在于，在对M幅图像进行处理过程 中，还进一步将第二图像序列中的N幅图像进行分通道处理，对应红绿蓝三通道分别输出 一组灰度图像，在将处理后的图像记录到全息干板的N个狭长区域上时，采用红绿蓝三色 激光器将对应通道的灰度图像依次记录到全息干板上。。
5.如权利要求1所述的合成全息图制作方法，其特征在于，在对M幅图像进行处理过 程中，进一步将第二图像序列中每幅图像分割成多个横向图像行，将每个横向图像行的红 绿蓝三通道灰度图像组成一个新的灰度图像，该新的灰度图像背景为黑色，仅由横向图像 行的红绿蓝三通道灰度图像间隔一定距离排开而组成，在将处理后的图像记录到全息干板 的N个狭长区域上时，第二图像序列中每幅图像对应的信息会被记录到全息干板的一个狭 长区域上。
6.如权利要求5所述的合成全息图制作方法，其特征在于，在将处理后的图像记录到 全息干板的N个狭长区域上时，所述新的灰度图中，红绿蓝三通道光线入射到全息干板上 时的物参角满足以下条件
7.如权利要求6所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述红绿蓝三通道光线通 过一个光偏转元件后记录到全息干板上。
8.如权利要求7所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述光偏转元件为一个全 息光学元件，该全息光学元件上具有平行设置的三个光栅，该三个光栅分别用于偏转红绿 蓝三个通道的光线，该三个光栅满足以下条件
9.如权利要求8所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述全息光学元件中的三 个光栅满足条件
10.如权利要求1所述的合成全息图制作方法，其特征在于，所述合成全息图制作方 法还包括将多个三维物体部分区域的合成全息图拼接得到一个完整的三维物体合成全息 图。
全文摘要
一种合成全息图制作方法包括以下步骤采样，获取三维物体或三维物体部分区域的M幅不同视角的图像；对上述M幅图像进行如下处理将上述M幅图像编组为第一图像序列，将第一图像序列中每幅图像拆分为N个纵向图像列，再从第一图像序列中每幅图像中抽出一个图像列来组成一幅新的图像，由此得到具有N幅图像的第二图像序列；及将上述处理后的图像通过空间光调制器依次输出并记录到全息干板的N个狭长区域上，得到三维物体或三维物体部分区域的合成全息图。
文档编号G03H1/12GK102129211SQ20111004718
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者李建兵, 王笑冰 申请人:深圳大学反光材料厂