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全息术作为一种重要的三维显示技术,被认为是最理想、最具前景的三维显示技术。通过记录和再现物光波前分布,全息技术能够实现物体的真彩色三维显示。但是,传统的全息记录过程需要用到高相干性的激光光源,而且对环境的防震要求高,所以一般适合在实验室进行制作。计算机制全息技术(CGH)利用计算机编码代替了传统全息术的激光记录过程,实现了全息图的制作,从而克服了传统全息术的缺点,并实现了虚拟三维场景数据的全息记录。但是,按照目前的技术,利用计算全息技术制作大面积的全息图还存在一定的困难。因为,计算全息图的面积受到了其海量的计算量、出图设备、微缩设备的限制。
1967年,R.V.Pole将传统的体视术——集成照相术与全息术相结合,实现了非相干照明物体的全息记录,从而大大扩展了全息技术的应用范围,同时也促进了全息技术走出实验室,走向应用的进程。但是,Pole提出的全息集成照相技术显然只能应用于现实存在的物体,对于虚拟的三维场景并不适用。
为克服计算机制全息技术和传统全息集成照相技术的不足,实现虚拟三维场景的大幅全息显示,本文通过对计算机图形学原理、全息基本理论、集成照相原理以及彩色全息合成方法的探讨与研究,提出了一种将计算机技术和全息集成照相术相结合以实现虚拟三维场景的全息显示的方法。
本方法主要分三个步骤,首先读取虚拟三维场景的三维数据文件,接着利用虚拟全息编码器对虚拟三维场景进行全息编码,最后输出编码得到的基元体视图序列,再结合彩虹全息及彩色全息原理实现虚拟三维场景的全息显示。
本文先从理论上论证了本方法的可行性,然后通过实验验证了虚拟场景全息显示的效果,并在此基础上进一步深化拓展,研究了虚拟三维场景的彩色全息显示,给出了理论分析与实验结果。主要工作包括:
1、传统集成照相术原理与计算机图形学原理的分析比较。
2、三维数据文件的读取。分析各种三维数据文件格式,根据不同文件格式对应的不同数据结构编写相应的文件读取程序。
3、准三维图像的全息编码。根据准三维数据文件的格式和几何光学成像原理,编写准三维图像的虚拟全息编码器程序 。
4、虚拟三维场景的全息编码。根据计算机图形学原理,编写虚拟三维场景的全息编码器程序。
5、虚拟三维场景的彩虹全息显示。将编码得到的基元体视图序列用高分辨率出图设备输出,并根据彩虹全息原理制作虚拟三维场景的彩虹全息图。
6、虚拟三维场景的彩色全息显示。将编码得到的基元体视图序列分色输出,并结合彩色全息原理制作虚拟三维场景的彩色全息图。