[发明专利]LED多角度全息三维数据再现方法

摘要

本发明属于计算全息领域，涉及一种LED多角度全息三维数据再现方法。本发明结合三维扫描仪、云平台、LED光源和光致聚合物等实现三维物体的多角度全息再现。使用三维物体扫描仪可以获得三维物体的三维数据，使用云平台可以计算出三维数据的全息图，进而将全息图刻录在光致聚合物上，通过LED光源投射到光致聚合物即可观看到三维物体的空间再现像。本发明无需搭建再现光路，对已刻录完成的光致聚合物投射LED光源可观看到三维物体的空间再现像，使用云平台对三维数据进行全息计算，可提高全息图的计算速度，通过本发明所提供的数字全息再现方法，可以实现三维物体的空间多角度再现，摆脱复杂光路系统对全息应用范围的限制。

主权项

一种LED多角度全息三维数据再现方法，其特征是，包括下列步骤：步骤1：使用三维扫描仪对要采集的三维物体进行三维扫描，扫描所述的三维物体之前，使用所述的三维扫描仪对所述的三维物体进行光源的预投射，在扫描过程中所述的三维物体应处于静止状态，匀速均匀的移动所述的三维扫描仪，获取所述的三维物体的三维数据；步骤2：使用计算机对步骤1采集的所述的三维数据进行处理，使步骤1采集到的所述的三维物体的表面光滑，对所述的三维数据进行前方、右前方、右方、右后方、后方、左后方、左方、左前方八个方向进行投射；步骤3：使用云平台对步骤2中所述的三维数据的八个方向的投射图进行全息图的计算，对不同视角的公共区域，经过信息融合，生成多个角度的全息图，本发明的多角度合成方法采用了图像处理中的融合技术，所述的全息图的干涉条纹不可避免会出现重合现象，对于存在重合的全息图条纹可以采用细化、插补、去噪等一系列方法进行全息图最优化，去除重叠区域。为了逼真的显示所述的三维物体的全息像，一个360度物体会被进行多次的全息拍摄和合成等运算，此外，在计算过程中，通常需要使用海量的点基元或面基元以及一些光照阴影、渲染材质、遮挡效果等信息，这种级别的计算量对于任何一台个人PC都是难以承受的，云(cloud)计算为解决这一难题提供可靠的帮助，在所述的云平台模式下，建立一个1500点的云平台，可以调动5000个内核的CPU协同工作，实现超级计算机的能力，类似300mm*300mm的计算量，在所述的云平台中可以在10秒钟内完成运算，对计算所得的全息图进行虚拟光源的投射，观察再现的三维物体是否符合要求，虚拟光源投射分析方式可以有效地避免物光和参考光干涉对于光路系统要求过高的缺点，在虚拟计算全息图的过程中，假定在空间相同振动方向上，物光和参考光的光强矢量如公式(1)和公式(2)所示：其中：r₁，r₂：所述的物光和所述的参考光到底片上的点的光程；所述的物光和所述的参考光的光强矢量；ω：所述的物光和所述的参考光的周期；t：时间变量；λ：所述的物光和所述的参考光的波长；所述的物光和所述的参考光的初始相位，在虚拟系统中，这两个值完全相同，所述的物光和所述的参考光的相位差如公式(3)所示：由于所述的三维数据中每个点的坐标信息是已知的，因此可以计算出所述的物光和所述的参考光照射到底片上的任意一束光的光程，并根据光程差获得叠加后的光强I如公式(4)所示：式(4)中：I₁，I₂代表物光和参考光的光强，所述的物光和所述的参考光经过虚拟扩束镜后，扩散为强度均匀分布的光，所述的物光投射到物体的三角面片上，可以根据三角面片的法矢给出反射光的方向，对于扫描出来的三维物体，可以根据预设的材质参数和预设的颜色参数等信息计算出反射光的强弱，对于三维扫描仪获得的三维物体，一般只能获得被测物体的颜色信息，无法获得被测物体的材质信息，根据三维物体的颜色信息的深浅可以间接推导出材质的反射特性，根据物体的颜色信息计算反射光的强弱，经分光镜分光后的物光强度，将根据三维数据表面形貌信息，给出理论模型和经标定矫正后的修正系数，由物体反射后到达全息底片的物光光强I₁如公式(5)所示：$I_1=I_0\×k_f\×\mathrm{\π}\frac{{r_{a1}}^2}{{r_{b1}}^2}\×H_f\cos {\mathrm{\θ}}_1\×\cos {\mathrm{\ψ}}_1\×\cos {\mathrm{\η}}_1---\left(5\right)$式(5)中：I₀：系统初始光强；k_f：分光镜分光系数；r_a1，r_b1：照射到分光镜初始光斑和最终投射到底片上的光斑半径；θ₁，ψ₁，η₁：所述的物光与全息底片的方向矢量夹角；H_f：根据材料参数和表面参数得到的反射系数；参考光的光强I₂如公式(6)所示：$I_2=I_0\×(1-k_f)\×\mathrm{\π}\frac{{r_a}^2}{{r_b}^2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_2\×\cos {\mathrm{\ψ}}_2\×\cos {\mathrm{\η}}_2---\left(6\right)$任意照射到三维物体上并交汇于一点的所述的物光和所述的参考光，可以利用公式(4)计算出叠加后的强度，由于数码记录介质能够表达的亮度有界限，因此光干涉进行叠加后的亮度信息需要进行归一化，使之进入到已有数码记录介质能够展示的范围之内，观察虚拟光源投射出的三维物体各角度全息再现图的是否符合要求，如符合要求，则执行步骤4，不符合要求则返回步骤2重新开始；步骤4：将步骤3中计算完成的全息图刻录到光致聚合物上；步骤5：从不同角度对所述的刻录好的光致聚合物投射所述的LED光源，观察所述的光致聚合物在空间中的三维成像；至此，多角度全息再现过程结束。