一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法

1.本发明涉及光学显示领域，特别是涉及一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法。


背景技术：

2.近年来，三维显示技术蓬勃发展，广泛应用于教育、医疗、影视传媒、广告等各个领域。常见的以双目视差成像方式实现的传统三维显示技术，并不是真正意义上的三维显示，因为其无法完整的再现物光波的信息，且容易造成观察者眼睛的疲劳与不适应。得益于三维全息显示技术可以重建三维场景的完整光学波前的优势，其可以为人眼提供深度信息，真实的再现立体场景。三维全息显示被认为是三维显示的终极解决方案。然而，三维全息显示面临的挑战之一是缺乏三维信息内容。常见的用于三维全息重建的三维内容获取方法存在系统复杂度高、耗时长等问题。因此，有必要研究出一种系统简单，成像速度快的实时三维场景采集与三维全息重建方法。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述提到的问题，提供一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法。
4.一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，所述方法通过由ccd相机、电控变焦透镜、工作站构成的三维图像采集模块和激光器、空间光调制器、工作站构成的三维全息重建模块实现，工作过程如下：
5.s1：待测物体置于电控变焦透镜的焦距变化范围内，ccd相机与电控变焦透镜保持同轴且紧密放置。
6.s2:工作站中的计算机控制电控变焦透镜的驱动电流线性变化，实现成像焦点在轴向上快速移动，驱动电流每增大一步，工作站中的计算机通过程序同步触发ccd相机采集多聚焦图像序列。
7.s3：通过基于tenengrad聚焦评价算子的三维信息提取方法提取多聚焦图像序列的在焦信息得到在焦图像序列，即三维图像。
8.s4：对在焦图像序列使用基于分层的三维全息算法计算得到全息图，将全息图加载到空间光调制器上。激光器发出一准直光束，以一定角度斜入射至空间光调制器重建出三维全息图像。
9.优选地，s1中电控变焦透镜与ccd相机的焦点应处于同一水平线上，目的是保证ccd相机与电控变焦透镜协同工作时，始终可以采集到清晰的图像序列。如果两装置的焦点不处于同一水平线的话，则会造成成像模糊的问题。
10.优选地，s2中电控变焦透镜的核心部件为液体透镜，液体透镜通过控制驱动电流改变液体之间接触面的形状，从而达到改变焦距的目的。由电控变焦透镜与ccd相机组成的
成像系统的聚焦深度与电控变焦透镜的驱动电流存在对应关系，经实验测量，聚焦深度d可表述为：d＝-0.159i+33.912，其中i为驱动电流。
11.s2中电控变焦透镜的景深有限，只有处于景深范围内的物体才能在ccd相机上清晰成像，景深范围外的物体在ccd相机上模糊成像。多聚焦图像序列是在不同聚焦深度条件下拍摄到的图像，所以，每张图像中处于聚焦深度在景深范围内的区域成像清晰，其他区域成像模糊，根据这一关系，可以获得成像清晰区域的深度信息。
12.s3中使用基于聚焦评价算子的三维信息提取方法提取多聚焦图像序列的成像清晰区域得到在焦图像序列。
13.优选地，所述三维信息提取方法使用tenengrad算子作为聚焦评价算子，像素的聚焦程度可表述为：
[0014][0015]
式(1)中，m为多聚焦图像序列中要计算的区域，为tenengrad算子在水平方向的模板，为tenengrad算子在竖直方向的模板。通过遍历多聚焦图像序列的每个像素计算出所有像素的聚焦程度。给定一阈值，若一个像素的聚焦程度大于阈值，则认为该像素为在焦像素，反之，则认为该像素为离焦像素。基于此方法可以获得包含深度信息的在焦图像序列。
[0016]
s4中使用基于分层的三维全息算法将在焦图像序列中的每一张图像作为一层，根据在焦图像序列的聚焦深度关系为每一层设置不同的衍射距离，进行衍射计算得到全息图。
[0017]
优选地，使用s-fft算法进行衍射计算，根据该算法原理，从观察面到衍射面的传播可表述为：
[0018][0019]
其中f{
·
}表示傅里叶变换，u(x0,y0)是观察面的复振幅，h(x,y)是衍射面的复振幅，d为观察面到衍射面的距离，k＝2π/λ为波数。
[0020]
使用s-fft算法计算所有层传播到衍射面的复振幅hi(i＝1,2
…
n)，其中n为总层数。根据基于分层的全息算法原理，全息图的复振幅分布h
total
可表述为：
[0021][0022]
将所有层的复振幅相加，得到全息图的复振幅分布h
total
，提取出其相位分布可以
得到全息图。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
本发明采用电控变焦透镜进行高速焦点移动，实现快速光学轴向扫描。通过ccd相机与电控变焦透镜的协同工作，快速获取真实场景的多聚焦图像序列并提取出在焦图像序列。采用基于分层的全息算法实现了肉眼可见的三维全息显示。优势在于能够使用简单的系统快速完成真实三维场景的采集和三维全息重建的完整过程。该发明将有助于扩展三维全息显示技术在教育、广告、娱乐等领域的应用。
附图说明
[0025]
图1为本发明一实施例中的整套成像装置的结构示意图；
[0026]
图2为基于tenengrad聚焦评价算子的三维信息提取方法原理图；
[0027]
图3为基于分层的三维全息算法原理的流程图；
[0028]
图4为对实施例1中的实验结果图。
具体实施方式
[0029]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0030]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0031]
实施例1
[0032]
图1为本发明整套成像装置的结构示意图。该装置主要包括电控变焦透镜,ccd相机，工作站，激光器，空间光调制器。电控变焦透镜为液体透镜，变焦范围为-667
–
286mm，驱动电流的范围为0
–
250ma。ccd相机(分辨率为2448*2048)与电控变焦透镜保持同轴且紧密放置。由于电控变焦透镜的景深有限，在获取多聚焦图像序列时，只有处于景深范围内的区域才能在ccd相机上清晰成像，景深范围外的区域在ccd相机上模糊成像。利用这一特性，通过改变电控变焦透镜的驱动电流进而改变成像系统的聚焦深度，拍摄多聚焦图像序列。
[0033]
将一被测物体(本实施例选用一长度为14.50cm的马克笔)斜放于置物台上并固定，由于电控变焦透镜的响应时间(～2.5ms)远小于ccd相机的响应时间(》43ms)，需要采用基于labview的自编控制程序实现ccd相机与etl的协同工作，拍摄多聚焦图像序列。每个多聚焦图像的采集时间间隔设置为50ms。驱动电流在0-140ma范围内以10ma的步长逐渐增大，焦点在一定范围内轴向快速移动，ccd相机同步获得15张如图4中的(a)-(c)所示的多聚焦图像。
[0034]
得到多聚焦图像序列后，使用基于tenengrad聚焦评价算子计算出每个像素的聚焦程度。给定一阈值，若一个像素的聚焦程度大于阈值，则认为该像素为在焦像素，反之，则认为该像素为离焦像素。基于此方法便可获取如图4中的(d)-(f)所示在焦图像序列，即三维图像。图像在焦提取过程如图2所示，具体过程为：
[0035]
为计算像素a的聚焦程度，首先需要取出该像素与周围的8个像素组成一个3
×
3的矩阵m，根据公式(1)计算得像素a的聚焦程度为363.91，实验中将阈值设为250，则该像素为在焦像素，将其灰度值设置为255，若为离焦像素，则将其灰度值设置为0。通过遍历多聚焦图像序列中的每个像素，可以提取出多聚焦图像的在焦信息组成在焦图像序列。
[0036]
提取到在焦图像序列后，还需要使用图3中基于分层的全息算法计算在焦图像序列的全息图，具体计算过程为：
[0037]
如图3所示，提取在焦图像序列中的每一张图像的振幅信息，在振幅信息中加入随机相位分布来模拟物体表面的扩散效应。根据在焦图像序列对应的电流为每一层设置不同的衍射距离，实验中，驱动电流为120ma和40ma的图像的衍射距离分别设定为34cm和58cm，相邻层之间的衍射距离间隔设置为3cm。使用s-fft算法对每一层进行衍射计算得到每一层在全息平面上的复振幅，叠加所有层的复振幅后提取其相位分布得到全息图。
[0038]
随后，将全息图加载到空间光调制器上。激光光源为氦氖激光器，该激光器的波长为632纳米。以一定角度斜射入空间光调制器(3840*2160像素，像素尺寸为3.74微米)，重建出三维全息图像。在空间光调制器的出射光方向放置一接收屏用于观察不同深度下的重建图像，使用ccd相机拍摄接收屏上的图像得到图4中的(g)-(i)的实验结果。
[0039]
从图4中的(g)-(i)中可以看出，当衍射距离z为58cm时，记号笔远点清晰，近点模糊。随着衍射距离的逐渐减小，图像的清晰区域从记号笔的远点移动到近点。实验结果证明了本发明的有效性。
[0040]
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，其特征在于：所述方法通过由ccd相机、电控变焦透镜、工作站构成的三维图像采集模块和激光器、空间光调制器、工作站构成的三维全息重建模块实现，包括以下步骤：s1：待测物体置于电控变焦透镜的焦距变化范围内，ccd相机与电控变焦透镜保持同轴且紧密放置；s2:工作站中的计算机控制电控变焦透镜的驱动电流线性变化，实现成像焦点在轴向上快速移动，驱动电流每增大一步，工作站中的计算机通过程序同步触发ccd相机采集多聚焦图像序列；s3：通过基于tenengrad聚焦评价算子的三维信息提取方法提取多聚焦图像序列的在焦信息得到在焦图像序列，即三维图像；s4：对在焦图像序列使用基于分层的三维全息算法计算得到全息图，将全息图加载到空间光调制器上；激光器发出一准直光束，以一定角度斜入射至空间光调制器重建出三维全息图像。2.根据权利要求1所述的一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，其特征在于：s2中的电控变焦透镜为液体透镜，液体透镜通过控制驱动电流改变液体之间接触面的形状，从而达到改变焦距的目的。3.根据权利要求1所述的一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，其特征在于：s3中通过基于tenengrad聚焦评价算子的三维信息提取方法，计算出每张图像中所有像素的聚焦程度，聚焦程度fm为：其中，m为多聚焦图像序列中要计算的区域，为tenengrad算子在水平方向的模板，为tenengrad算子在竖直方向的模板；设定一阈值，若聚焦程度大于阈值，则认为该像素为在焦像素；反之，则认为是离焦像素；电控变焦透镜的焦距与驱动电流对应，得到图像聚焦区域对应的深度。4.根据权利要求1所述的一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，其特征在于：s4中使用基于分层的三维全息算法对在焦图像序列的每一层使用s-fft算法进行衍射计算，根据在焦图像序列对应的电流为每一层设置不同的衍射距离进行衍射计算得到复振幅，叠加每一层的复振幅后提取出相位分布，得到全息图。

技术总结
本发明公开了一种基于超快速光学轴向扫描的实时三维场景采集与三维全息重建方法，S1：待测物体置于电控变焦透镜的焦距变化范围内，CCD相机与电控变焦透镜保持同轴且紧密放置。S2:工作站中的计算机控制电控变焦透镜的驱动电流线性变化，驱动电流每增大一步，工作站中的计算机程序同步触发CCD相机采集不同聚焦深度的图像序列。S3：通过基于Tenengrad聚焦评价算子的三维信息提取方法提取图像序列的在焦信息得到在焦图像序列。S4：对在焦图像序列使用基于分层的三维全息算法计算得到全息图，将全息图加载到空间光调制器上进行三维全息重建。该方法只通过同步控制电控变焦透镜和CCD相机即可得到三维图像，并结合基于分层的全息算法实现三维全息重建。全息算法实现三维全息重建。全息算法实现三维全息重建。


技术研发人员：宋贤林 刘且根 董嘉庆 汪贵军 钟文华 李子龙 刘轩
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/22