[发明专利]一种数字基元全息图的压缩存储与快速恢复方法

说明书

技术领域

本发明属于计算全息领域，具体涉及一种数字基元全息图的压缩存储与快速恢复方法。

背景技术

对于波长恒定的光波，其信息包含振幅和相位。振幅信息反应了物体的亮暗，相位信息体现物体的深度，然而普通照相只能记录光波的强度，不能记录光波的位相，因此普通照片只能看到二维图景。1947年匈牙利出生的英国物理学家D.Gabor提出了全息术的设想。全息意为完全的信息，不仅包括光的振幅信息，还包括相位信息。利用干涉原理，将物光波前以干涉条纹形式记录下来，由于物光波前的振幅和相位即全部信息都储存在记录介质上，故被称为“全息图”。光波照明全息图，由于衍射效应能再现出原始物光波，该光波将产生包含物体全部信息的三维图像。这个波前记录和再现的过程就是全息术。全息术包括光学全息和计算全息。光学全息是相干的物波和参考光波在全息记录介质上发生干涉产生干涉条纹，经过显影、定影、漂白等处理生成全息图；再现时，用与参考光相同的光波照射全息图，由于衍射可再现物光波前。计算全息是在计算机上数值模拟物光波和参考光波的干涉过程。计算全息不需要物体的实际存在，只要把物光波的数学描述输入计算机，经过计算机编码后得到数字化全息图，然后通过绘图仪或专用的计算全息缩微系统输出成为可以进行光学再现的全息图，也可以输出到空间光调制器中，进行直接显示。计算全息图不仅可以全面地记录实际光波的振幅和相位，而且能综合出世间不存在的物体波前，因而具有独特的优点和极大的灵活性。

计算全息虽然可以利用计算机技术和数字图像处理技术改善全息图的质量，但是用于三维显示的全息图空间带宽积很大，这给计算机的计算速度、储存容量等带来了巨大的压力，制约着计算全息图的实时计算传输和显示。点源法是经典的计算全息算法，应用点源法计算三维物体全息图时计算速度慢这一问题就异常突出。点源法计算全息算法(Ray-tracing)完全模拟光学全息的物理过程，把三维物体看作空间上的点光源集合，每个点光源分别与参考光在全息面相干生成基元全息图，把所有的基元全息图叠加起来即可生成三维物体的全息图。点源法计算全息能够提供物体完整的三维信息，但是逐个物点计算全息图带来了巨大的运算量，使其计算速度极低。针对这一问题，Mark Lucent等人提出了著名的查表法(M.Lucente，Interactive computation of holograms using a look-up table，J.Electronic Imaging 2(1)，28-35(1993))，将三维空间各个点的全息图，即基元全息图事先计算并存储起来，当计算一个三维物体的全息图时，只需从存储的数据中获取三维物体各物光点相应的基元全息图，然后线性叠加即可得到物体的全息图。查表法避免了复杂的直接运算，但是存储三维空间点集的全息图数据需要占据极大量的存储空间。韩国光云大学的Kim提出了新查表法(S.C.Kim et.al.，Effective generation of digital holograms of three-dimensional objects using a novel look-up table method，Appl.Opt.47(19)，D55-D62(2008))，将三维物体分割为一系列与全息面平行的二维图像平面，计算并存储每一个图像平面中心点的基元全息图，同一图像平面上其他各物点的全息图可以通过平移该基元全息图获得，该算法需要存储的基元全息图的数量与分割成的二维图像平面的数量相等，相比传统的查表法，计算量和存储空间都显著减小，但是若分割的图像平面较多即需要存储的基元全息图数据较多时，还是需要相当大的存储空间。杨哲等在N-LUT的基础上，利用参考光垂直入射时基元全息图的中心对称性提出了线扫描法(Z.Yang et.al.，A new method for producing computer generated holograms，J.Opt.14(9)(2012))，即计算扫描线上的采样点的干涉条纹强度，然后360°扫描全息面，即可获得基元全息图，进一步减少了计算量，只要把扫描线数据存储起来即可得到基元全息图，大大压缩了存储空间，但是该方法实质上得到的是同轴全息图，再现象与共轭像没有分离，因此成像质量受到影响。

根据以上分析，本发明提出了一种新的数字基元全息图压缩存储与快速恢复方法，可以用占据极小存储空间的若干采样点的位置和相位信息，快速恢复基元全息图，该方法应用于三维物体全息图计算时不仅可保持目前已有查表法的快速性，而且能够大大减小查表法所需的存储空间，使再现像与共轭像分离而获得良好的再现效果。

发明内容