專利名稱：一種三維圖像的放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種對圖像進行放大的技術(shù)，具體的，涉及一種對全息3D圖像進行放 大的方法。 利用放大透鏡能夠非常方便地對二維圖像(物體)進行放大，如果對放大透鏡進 行設(shè)計，構(gòu)建滿足一定結(jié)構(gòu)的透鏡組，可以使放大后的二維圖像滿足一定的像差要求，利于 觀察者觀察到無畸變的圖像。但是對于三維圖像，根據(jù)牛頓放大率公式，透鏡的垂軸放大率 與軸向放大率公式分別為其中βχ，β ,為垂軸放大率，β 2為軸向放大率，dz為圖像各個垂直于光軸的截面 到放大透鏡焦點的距離，f為放大透鏡單元的焦距，ζ方向為光軸方向。當三維圖像(物體) 在沿光軸方向尺寸不可視為遠小于垂軸方向上的尺寸時，經(jīng)過透鏡或者透鏡組放大后，三 維圖像的放大率隨圖像上的位置不同而具有差異，某一確定的軸向或者垂軸放大率只對應(yīng) 一個圖像的垂軸截面位置，從而使三維圖像經(jīng)放大后在不同截面上由于不同的放大率作用 而產(chǎn)生變形。例如，對于一個50mmX50mmX50mm的正立方體的放大像一般不再是正立方 體。如果這一正立方體經(jīng)過一個由焦距為IOOmm的單透鏡組成、垂軸放大率為10的光學(xué)系 統(tǒng)，放大后的截面尺寸有的可能為500mm，而有的可能為80mm，各個截面的大小不相同使 放大后的三維圖像在X，y，ζ方向上都發(fā)生了嚴重畸變，無法真實反映原始圖像的情況。隨著圖像技術(shù)的迅速發(fā)展，對3D顯示技術(shù)的需求呈現(xiàn)明顯的增長態(tài)勢，在眾多 的3D顯示技術(shù)之中，全息顯示是其中起步較早的一種，目前計算全息技術(shù)和顯示技術(shù)的結(jié) 合使全息技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊，形成了計算全息3D顯示技術(shù)。該技術(shù)通過計算機構(gòu) 建3D物體的全息圖，然后利用空間光調(diào)制器再現(xiàn)3D全息像。為了獲得高質(zhì)量的再現(xiàn)像， 理論上空間光調(diào)制器的分辨率至少需要達到2000線對/毫米。但是受技術(shù)限制，目前空 間光調(diào)制器的分辨率一般只有100線對/毫米，導(dǎo)致再現(xiàn)像的視場角與大小受其像素數(shù)與 像素尺寸的限制。根據(jù)菲涅爾衍射公式可知，在空間光調(diào)制器大小一定的情況下，重建物 體越大再現(xiàn)像距離就越大。對于大小為7. 68X7. 68mm的空間光調(diào)制器，要想得到直徑為 50mmX50mmX50mm的3D像，再現(xiàn)距離至少為1298mm。由于再現(xiàn)像本身尺寸很小，再現(xiàn)距離 又太遠，使觀察者很難獲得再現(xiàn)3D像的細節(jié)信息，給計算全息3D立體顯示的實際應(yīng)用帶來 了困難。因此，為了能夠在短距離內(nèi)觀察到足夠大的3D像，需要對重建出的3D像進行放大， 并保證放大后的像無畸變，盡可能真實反映原始圖像的情況。
背景技術(shù)：
Pz ~ {
在圖像畸變矯正方面，對于二維圖像，可以用圖像處理方法來完成矯正，主要的矯 正方法集中于圖像和模板的定位、匹配、校準、矯正等方面，這些方法的缺點均在于其定位 的精確性較低和邊緣跟蹤特性較差，與模板進行匹配時均不能充分利用圖像的特征信息， 因而矯正效果不佳，同時速度和精度的矛盾比較突出，如果應(yīng)用到上述三維圖像中，由于3D 圖像的數(shù)據(jù)量遠大于2D圖像，必然大大影響放大圖像的效果和處理速度，從而難以實施。 因而目前針對這種重建出的3D像的放大方法多是利用多空間光調(diào)制器拼接技術(shù)或者是利 用復(fù)雜的放大光學(xué)系統(tǒng)，不僅增加了成本，也增加整個投影系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，需要提供 一種簡便可行，利于降低系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的放大方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種簡便可行，利于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時 確保放大后不失真的對3D圖像進行放大的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，用放大透鏡對空間光 調(diào)制器再現(xiàn)出的全息3D圖像進行放大，能夠消除因三維物體不同截面上透鏡放大率不同 產(chǎn)生的畸變，并且放大率可控，使觀察者可以觀察到大小適宜的無失真3D圖像。根據(jù)本發(fā)明的對全息3D圖像進行放大的方法，首先構(gòu)建一個含有預(yù)畸變的3D物 體，計算出上述物體的全息圖并加載到空間光調(diào)制器上，含有預(yù)畸變的全息3D圖像通過空 間光調(diào)制器呈現(xiàn)于放大透鏡單元的物方，所述預(yù)畸變由x、y和ζ方向的預(yù)畸變補償因子σ χ, y,z確定，其中σ x,y = dz β /f，σ z = dz2 β /f2，dz為被呈現(xiàn)出的3D圖像各個垂直于光軸的截 面到放大透鏡單元焦點的距離，f為放大透鏡單元的焦距，ζ方向為光軸方向，dz<f，β為 均一放大率，定義為再現(xiàn)出的3D圖像的其中一個截面的垂軸放大率；用放大透鏡單元對包 含預(yù)計畸變的全息3D圖像進行放大，在像側(cè)得到放大倍率為β的消除了畸變的3D實像。本發(fā)明還提供一種使用上述放大方法，對由空間光調(diào)制器再現(xiàn)的全息3D像進行 無畸變放大顯示的裝置，包括建模計算單元，進行3D物體建模并計算全息圖，獲得含有預(yù) 畸變的3D物體的全息圖；空間光調(diào)制器，對上述全息圖進行調(diào)制，得到包含有預(yù)畸變的全 息3D圖像呈現(xiàn)于放大透鏡單元的物方側(cè)；放大透鏡單元，將所述包含有預(yù)畸變的全息3D圖 像進行放大，在像方側(cè)形成具有均一放大倍率的無畸變的3D圖像。根據(jù)本發(fā)明的方法，構(gòu)建出一個含有補償用信息即預(yù)畸變的3D物體，計算其全息 圖并加載到空間光調(diào)制器上，使空間光調(diào)制器重現(xiàn)出的全息3D像包含了補償用的信息，補 償各截面放大率不同在放大過程中帶來的影響，使放大后的像能夠盡可能符合原始圖像， 無畸變。這種方法的使用使對全息3D圖像的放大無需依賴高分辨率、大尺寸的空間光調(diào)制 器，也不必設(shè)置復(fù)雜的放大光學(xué)系統(tǒng)來消除畸變，簡便可行，效果好。


圖1為以本發(fā)明方法對全息3D圖像進行放大的示意光路圖；圖2為利用本發(fā)明所述方法對計算全息長方體再現(xiàn)的模擬結(jié)果圖(a)為原始圖像；(b)為直接用透鏡放大得到的含有畸變的圖像；(C)為包含預(yù)畸 變處理的放大后不含畸變的圖像。具體實施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述方法在具體實施中的應(yīng)用做進一步的描述。要解決全息3D圖像放大后出現(xiàn)的失真現(xiàn)象，需要消除3D圖像放大時各個截面上 因放大倍率不同而產(chǎn)生的畸變，而各方向的畸變可分別表示為χ方向的畸變?yōu)?br> ，=
χ'ζ-βχζ\_\βχχ-βχζ
βχζ
βχζ
dj
-1
χ 100%
(i)式⑴中Xz是原始物寬；χζ‘是放大后的物寬；β是希望獲得的均一放大率；β χ 是放大透鏡單元在X方向的實際放大率，它與透鏡單元焦距和所在截面到透鏡單元焦點的 距離dz有關(guān)。顯然對于3D物體的各個截面，屯是不同的，當所述焦距一定，畸變只與屯有關(guān)。以ζ方向為光軸方向，y方向的畸變與χ方向的畸變相等ε = ε χ,。類似的ζ方向的畸變?yōu)?ε =
Z
)2-
χ 100%
⑵根據(jù)本發(fā)明的方法，在3D物體建模的時候?qū)δ繕宋矬w進行預(yù)畸變處理，即對三維 物體的不同截面進行與透鏡反向的不等的放大處理，然后直接計算含有特定畸變的物體的 全息圖，最終使通過放大透鏡單元放大的三維物體像的各個截面具有均一的放大倍率。當焦距f 一定，被放大物體的大小確定，設(shè)物體第一截面(靠近物方焦點的最近 端)的放大率β為均一放大率，χ, y預(yù)畸變補償因子可由下式確定
σ = d β /f
x, y kxI s^ 丨 ι
ζ方向的預(yù)畸變補償因子為 。z = dz2i3/f2
在對再現(xiàn)的3D圖像引入畸變補償因子之后，χ方向的畸變ε ‘ 變?yōu)?br> ε
σΛ-βχζ σΛχζ~βχ
X
βχ2
d—
χ
-1
d 同理，引入畸變補償因子后，y方向和ζ方向的畸變?yōu)棣?br> X 100% = 0
=0，ε=0。
βχ' β
因此y，ζ方向的畸變也得到了校正，獲得的實際垂軸和軸向放大率β/ /變?yōu)?br> , , f d
Py =Px= βd.
dz f
實現(xiàn)全息3D圖像放大顯示的光路如圖1，以計算機構(gòu)建一個3D物體，引入預(yù)畸變補償因子，計算出含有預(yù)畸變補償信息的全息圖加載到空間光調(diào)制器SLM上，空間光調(diào) 制器SLM為反射式(照射到SLM上的光未示出)，將重現(xiàn)出的含有預(yù)畸變的全息3D圖像 object呈現(xiàn)在透鏡單元lens的一倍焦距與二倍焦距之間，然后經(jīng)過透鏡單元，在像方側(cè)得 到經(jīng)過放大的且無畸變的3D圖像Image。在圖1中，1 原始3D圖像的再現(xiàn)距離；f 透鏡單 元的焦距，dz 再現(xiàn)出的3D圖像各個截面到透鏡焦點的距離；1’ 放大后3D像的再現(xiàn)距離； u 放大前像的視場角；U’ 放大后像的視場角，f = 20mm，物方側(cè)的全息3D圖像距離透鏡焦 點的位置取dz = f/4 = 5mm,由此，像方側(cè)的無畸變的放大的全息3D圖像距離像方焦距的 距離d’ z = 4f = 80mm, 3D圖像的均一放大率為4。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，圖1中以放 大透鏡為單透鏡示出光路形式，并不作為特別的限定，放大透鏡也可以是經(jīng)過設(shè)計的一系 列透鏡構(gòu)成的透鏡組。所述均一放大率的選取也不限于最靠近透鏡的截面的垂軸放大率， 再現(xiàn)出的3D像的其他截面對應(yīng)的垂軸放大率均可選取作為均一放大率。圖2所示為利用本發(fā)明所述方法，根據(jù)圖1所示光路中各參數(shù)，計算全息長方體再 現(xiàn)的模擬結(jié)果。仿真出的原始圖像為一個2mmX2mmX10mm的長方體，如圖2(a)所示。該 原始長方體很小，難以觀察。而直接用透鏡進行放大得到的圖像，又含有畸變，前后面的大 小不一致，同時長方體在ζ方向也被拉長了，如圖2(b)所示。加入補償因子后，由透鏡產(chǎn)生 的畸變得到了很好的矯正，矯正后的圖像(8mmX8mmX40mm)如圖2(c)所示。由模擬結(jié)果 可以看出，本發(fā)明所述方法能夠消除使用透鏡單元放大3D像時產(chǎn)生的畸變，最終可以在較 短距離上獲得大尺寸、大視場角的3D像。而且不增加系統(tǒng)成本，易于實現(xiàn)。雖然已經(jīng)詳細示出了本發(fā)明的實施例，但是應(yīng)當明白，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想 到對這些實施例的修改和調(diào)整，而不脫離如所附權(quán)利要求所提出的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種對全息3D圖像進行放大的方法，所述全息3D圖像由計算機建模產(chǎn)生，通過空間光調(diào)制器呈現(xiàn)于放大透鏡單元的物方，再經(jīng)放大透鏡單元完成放大，該方法包括構(gòu)建含有預(yù)畸變的3D物體，計算含有預(yù)畸變的3D物體的全息圖；將所述全息圖加載到空間光調(diào)制器，在放大透鏡單元的物方側(cè)得到包含預(yù)畸變的全息3D圖像；放大透鏡單元對包含預(yù)計畸變的全息3D圖像進行放大，在像側(cè)得到放大倍率為β的消除了畸變的3D實像；所述預(yù)畸變由x、y和z方向的預(yù)畸變補償因子σx，y，z確定，其中σx，y＝dzβ/f，σz＝dz2β/f2，z方向為光軸方向，dz為被呈現(xiàn)出的全息3D圖像各個垂直于光軸的截面到放大透鏡單元焦點的距離，f為放大透鏡單元的焦距，dz＜f，β為均一放大率，所述均一放大率等于呈現(xiàn)在物方側(cè)的全息3D圖像其中一個截面的垂軸放大率。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像放大方法，以被呈現(xiàn)的全息3D圖像最靠近透鏡單元側(cè)的截 面的垂軸放大率作為均一放大率β。
3.一種使用權(quán)利要求1所述的放大方法，對由空間光調(diào)制器再現(xiàn)的全息3D像進行無畸 變放大顯示的裝置，包括建模計算單元，進行3D物體建模并引入畸變因子計算建模出的3D物體的全息圖，獲得 含有預(yù)畸變的3D物體的全息圖；空間光調(diào)制器，對上述全息圖進行調(diào)制，得到包含有預(yù)畸變的全息3D圖像呈現(xiàn)于放大 透鏡單元的物方側(cè)；放大透鏡單元，將所述包含有預(yù)畸變的全息3D圖像進行放大，在像方側(cè)形成具有均一 放大倍率的無畸變的3D圖像。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，所述空間調(diào)制器為反射式空間調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對三維圖像進行無畸變放大的方法，在計算機構(gòu)建出的全息3D圖像中引入預(yù)畸變補償因子，計算出包含預(yù)畸變信息的全息圖加載到空間調(diào)制器上，通過空間調(diào)制器將上述全息圖像再現(xiàn)在放大透鏡單元的物方，經(jīng)透鏡放大單元放大后獲得了無畸變的3D實像。這種放大方法通過在物方引入預(yù)畸變的方式矯正三維放大過程中因各層面放大率差異而導(dǎo)致的畸變，不增加系統(tǒng)成本且易于實施，效果好。
文檔編號G06T3/40GK101968879SQ20101050084
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者劉娟, 李昕, 王涌天, 謝敬輝, 賈甲 申請人:北京理工大學(xué)