高分辨真彩色动态全息三维显示关键技术的研究

Display industry is a strategic emerging industry in our national economy. 3D display is a hot research topic in recent years, which has great potential in consumer electronics as well as military and medical applications. Holographic 3D display is an ideal approach for 3D visualization since it can provide all the depth perception cues of the human eye. To realize high-definition full-color dynamic holographic 3D display, the critical issues that need to be addressed include heavy computation load in computer-generated holography (CGH) of complex scence, noise disturbance in color holographic 3D display, and limitation on the field of view due to the limited spatial bandwidth product and resolution of the optoelectronic devices. This project aims to solve the above mentioned problems by conducting studies on (1) theoretic framework and model of partially coherent computer-generated holography; (2) algorithms for real-time generation of CGH based on visual information compression and multi-GPU parallel computation; (3) limiting factors on the resolution of dynamic holographic 3D display and the corresponding solution strategies; (4) visualization methods of full-color dynamic holographic 3D images; (5) design and implementation of a prototype system with world-leading specifications. This project will provide new theories and techniques for the realization of wide field-of-view high-resolution full-color dynamic holographic 3D display, and promote product upgrading of the display industry of our country.

显示产业是国民经济发展的战略型新兴产业，三维显示是近年来国际上的研究热点，在消费电子、军事、医疗等领域具有重要的应用前景。全息三维显示可以提供人眼所能感知的全部深度暗示，是符合人眼观察习惯的理想三维可视化手段。为实现高分辨真彩色动态全息三维显示，需解决以下科学问题：复杂三维场景计算全息图快速生成、彩色全息三维影像的噪声干扰、光电器件空间带宽积及分辨率有限导致的视场角受限等。为此本项目将研究：1.部分相干光计算全息基本理论框架和模型；2.多GPU并行计算环境下基于视觉感知特性的高分辨动态全息图序列的快速算法；3.动态全息三维显示图像分辨率的制约因素及解决方法；4.真彩色三维全息实像的可视化；5.具有国际领先指标的宽视角高分辨真彩色动态全息三维显示系统设计及样机研制。项目的研究成果将为动态全息三维显示的实现提供新的基础理论和技术方法，将推动我国显示产业的产品升级换代，具有重要的理论意义和应用。

本项目主要针对如下关键科学问题开展研究：复杂三维场景计算全息图快速生成、彩色全息三维影像的噪声干扰、光电器件空间带宽积及分辨率有限导致的视场角受限等。本项目已完成了如下研究内容：提出并构建了部分相干光计算全息基本理论框架和模型；提出并实现了多 GPU 并行计算环境下基于视觉感知特性的高分辨动态全息图快速算法群；深入分析了动态全息三维显示图像分辨率的制约因素并提出了可行性的解决方案；提出并完成了真彩色三维全息的可视化和显示方案；研制了高分辨真彩色动态全息三维显示系统和原理样机一套，具体硬件系统由6 组纯位相空间光调制器无缝瓦接同时4个GPU 组成并行高速运算平台，系统能够达到Gbit/s的高速数据传输；三维全息显示系统可提供60 帧/秒的帧频，图像尺寸为500mm×300mm×500mm；三维物体再现像的总像素数达到1.59×109，24位真彩色。在本项目资助下，项目执行期间发表了SCI检索文章44篇（其中3篇IF>10），包括2篇Nature子刊；授权国家发明专利17项；在国际会议上做特邀报告18次；出版专著2部。博士后出站1名，培养博士生14人、毕业7人，培养硕士生24人、毕业24人。培养学生获国家奖学金10人次，获北京市优秀毕业生4人次；1人次获全国光学工程学科优秀博士学位论文提名，3人次获北京理工大学博士优秀研究生论文，1人次获王大珩高校学生光学奖，10人次获北京理工大学硕士优秀论文，该部分研究内容获国家技术发明二等奖。 总之，本项目超额完成了预期目标。