高清实时计算全息三维显示的数据压缩编码技术

For the characteristics of large amount of data in high-definition real-time computer-generated holographic three-dimensional display, this project analyzes the relationship between the human visual system resolution and hologram information. Based on the simplification of three-dimensional objects and hologram compression, data compression coding methods of the high-definition real-time three-dimensional objects are studied. The design of low complexity, highly efficient parallel data compression algorithms is applied to the computer-generated holographic three-dimensional display system, to achieve a monochrome computer-generated holographic three-dimensional display with an object space of 1280×720×100 and a refresh rate of 25 frames per second. The amount of data of the computer-generated holographic three-dimensional display can be effectively reduced by implementation of this project, and the generation speed of CGH can be improved. So that high-definition real-time computer-generated holographic three-dimensional display becomes possible, and the technology of computer-generated holographic three-dimensional display is practical, to meet the national demands for key technologies and application systems of large-scale real three-dimensional display.

本项目针对高清实时计算全息三维显示中数据量大的特点，分析人眼视觉系统分辨率与全息图信息量之间的关系，基于三维物体的简化和全息图的压缩，研究高清实时三维物体的数据压缩编码方法，设计低复杂度、高效并行的数据压缩编码算法，应用于计算全息三维显示系统，实现物体空间为1280×720×100，刷新率为25帧每秒的单色计算全息三维显示。本项目的实施可以有效地降低计算全息三维显示的数据量，提高计算全息图的生成速度，从而使高清实时的计算全息三维显示变为可能，促进计算全息三维显示技术的实用化，满足我国对大尺度真三维显示的关键技术和应用系统的需求。

全息显示能够重建三维场景的全部光场，提供人眼感知的所有深度信息，被认为是未来最有前途的三维显示技术。本项目针对高清实时计算全息三维显示中数据量大的特点，研究了减少描述三维物体所需数据量的方法，消除全息图冗余度、压缩全息图数据量的方法，优选了连续多帧全息图压缩编码方案，编写了全息图快速计算程序，构建了计算全息三维显示演示系统。经过三年的研究，已经全面实现了预期目标，在编码方法、算法和实现上开展了系统性的研究工作，取得了重要的研究成果。主要研究成果归纳为以下四个方面：.1. 三维物体数值描述。根据人眼视觉系统有限的分辨率，使用非均匀采样和稀疏采样减少了描述三维物体所需的数据量并提高了全息图的生成速度。.2. 全息图数据压缩。研究了水平视差全息图，采用空间采样和频率采样压缩了计算全息图；发现全息图中存在分形结构，提出使用分形压缩算法作为帧内预测编码；优选了计算全息三维视频的编码方式和编码参数。.3. 快速并行计算。编写了基于CUDA平台的全息图快速计算程序，将相位恢复算法在GPU上实现；在相同的硬件上分别利用CPU和GPU实现相同的算法，验证了GPU在全息图快速计算中的优越性。.4. 三维场景光学重建。提出了一种用于生成具有准确深度感的全视差计算全息图的算法，采用角谱分层法生成三维场景的计算全息图，利用纯相位型空间光调制器演示了高清实时三维场景的光学重建。