真彩色三维多角色场景计算全息图的快速生成及交互式3D显示研究

Computing holographic three-dimmensional(3D) display is a real 3D display technology with the most potential,and has important application prospect.How to fast the generating speed of hologram and dynamic display the true color 3D scene with good quality image are the key problem.Based on the preliminary study on digital holography and quick diffraction caculation of the spatial curved surface. The hologram fast generation algorithm and interactive dynamic display of 3D scene with multi role will be reaeached in the project.Firstly,in order to get a substantial decrease in caculation time consumption,the method of transform light source is proposed to study the theory of transform curved light to plannar light, then to get the fast caculation algorithm of computer-generated hologram. Secondly, the algorithm to construct colour and monochromatic holographic element is studied based on the conception of virtual holographic element. At the same time,in order to caculate the computer-generated hologram of true color multi role 3D scene, how to get a model of true color 3D scene with multi-role and calculate the diffraction field is another research content. Coding method of color hologram and display without chromatic aberration is also to be studed. Finally,the theory of interactive holographic 3D display is researched to get a interactive display system，and the detection result with digital holographic microscopy computer tomography will be displaying by use the display system。The research has important significance to promote progress of holography technology and application of holographic 3D display.

计算全息三维显示作为一种最具潜力的真三维显示技术，具有重要的应用前景。提高计算全息图的生成速度及实现真彩色三维场景高质量的动态显示是这一技术的核心问题。本项目基于数字全息及空间曲面衍射场快速计算的前期研究积累，开展多角色三维场景计算全息图的快速生成算法及交互式动态显示的研究。首先，提出光源变换法研究曲面光源到平面光源变换的原理，理论上分析并实现计算全息图的快速生成算法，大幅度提高全息图的生成速度；然后基于虚拟全息元件的概念，研究形成单色全息元件及彩色全息元件的计算方法，以此为基础，研究由多个角色构成的真彩色三维场景的建模及衍射场计算方法，生成多角色三维场景的计算全息图；同时研究彩色全息图编码及消色差的3D显示方法，实现彩色3D显示的准确成像。最后，实现交互式全息3D显示系统, 并应用于活体细胞及全息断层测量结果的3D显示。项目的研究对促进全息技术进步及3D显示技术应用具有重要的意义。

项目主要针对三维场景计算全息图的快速生成算法及交互显示系统展开研究。第一，鉴于点源模型和面元模型是目前最为流行的两种对三维物体的分割方法，因此对这两种模型的计算全息图生成算法分别进行了深入研究。对点源模型计算全息图的快速算法进行比较研究，基于成像系统焦深的研究，对波前记录平面方法进行改进，提出优化WRP平面分割方法；在焦深范围内，分析了离焦像的特点，研究并得到了将曲面点光源变换为平面点光源的计算全息图快速生成算法，其计算速度得到了约2个数量级的提高。同时研究使用GPU并行计算提高全息图的生成速度的方法和利用GPU和CPU多线程配合的并行快速算法，通过CPU-GPU混合编程及计算架构与软件实现方式的优化设计，实现计算速度大幅提高。对三角形分割的面元模型进行了研究，改进了现有公式的一些问题，获得了准确的任意三角形频谱的解析解，从而实现了三维物体三角形的分割和计算全息图的快速生成。基于焦深原理，获得了任意三角形的投影频谱，从而大幅提高面元分割的计算全息图生成速度。第二，对相干光成像公式进行研究，获得准确的相干光成像公式，使用改进的公式对离焦像的计算进行了研究；研究结果可较好应用于计算全息图的快速生成（光源变换法）、相干层析成像及相干光衍射成像等方面。第三，对多角色三维场景彩色计算全息图进行研究，获得了彩色计算全息图，并对全息图压缩编码方法进行研究，可实现彩色全息图的高效率压缩编码和快速重建。最后对交互全息显示系统进行了初步的研究，根据手势的识别情况，对全息图进行控制实现不同视点方向的全息显示。基于上述结果，开展了全息三显示应用研究，利用全息检测三维物体的形变，然后生成相息图，全方位观察变形场的结果。项目的研究结果对计算全息的应用提供了理论和方法上的支持，同时对全息三维显示应用和全息视频显示应用起到一定的促进作用。