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1、三位全息影像成像电信增值业务开发小组三维全息影像成像曹仁修2013年5月30日星期四一、 传统全息成像原理和发展历史人类之所以能感受到立体感，是由于人类的双眼观察物体时横向并排，两眼之间有6厘米左右的间隔，且观察角度略有差异，图像经视神经中枢的融合反射及视觉心理反应便产生了三维立体感 根据这个原理，可以将3D显示技术分为两种：一种是利用人眼的视差特性产生立体感；另一种则是在空间显示真实的3D立体影像，如基于全息技术影响成像。全息影像是真正的三维立体影像，用户不需要佩戴带立体眼镜或其他任何的辅助设备，就可以在不同的角度裸眼观看影像。1947年，匈牙利人丹尼斯盖博 在研究电子显微镜的过程中，提出了
2、全息摄影术这样一种全新的成像概念。全息术的成像利用了光的干涉原理，以条文形式记录物体发射的特定光波，并在特殊条件下使其重现，形成逼真的三维图像，这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度外形分布等信息，所以称之为全息术，意为包含了全部信息。但在当时的条件下，全息图像的成像质量很差，只是采用水银灯记录全息信息，但由于水银灯的性能太差，无法分离同轴全息衍射波，因此大量的科学家花费了十年的时间却没有使这一技术有很大进展。由于全息摄影术的发明，丹尼斯盖博在1971年获得了诺贝尔奖1962年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，发明了离轴全息术，带动全息术
3、进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像，然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量，可以清晰的观察到所需的图像，有效克服了全息图成像质量差的问题。1969年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。其基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求 彩虹全息术的发明，带动全息术进入了第三个发展阶段。传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片，完成全息图像信息的记录，由于需要进行显影定影等后期处理，整个制作过程非常繁琐而现代的全息技术材质采用新
4、型光敏介质，如光导热塑料 光折变晶体光致聚合物等，不仅可以省去传统技术中的后期处理步骤，而且信息的容量和衍射率都比传统材料较高然而，采用感光胶片或新型光敏介质，都需要通过光波衍射重现记录的波前信息，肉眼直接观察再现结果，这样难以定量分析图像的精确度，无法形成精确的全息影像。二、 数字全息技术1、 数字全息技术原理20世纪60年代末期，古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念数字全息技术，开创了精确全息技术的时代。到了90年代，随着高分辨率CCD的出现，人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实
5、现了数字化数字全息技术的成像原理是，首先通过CCD等器件接收参考光和物光的干涉条纹场，由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图；然后利用菲涅尔衍射原理在电脑中模拟光学衍射过程，实现全息图的数字再现；最后利用数字图像基本原理再现的全息图进行进一步处理，去除数字干扰，得到清晰的全息图像2、 数字全息技术的特点数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术结合的产物。它通过电子元件记录全息图，省略了图像的后期化学处理，节省了大量时间，实现了对图像的实时处理 同时，其可以进行通过电脑对数字图像进行定量分析，通过计算得到图像的强度和相位分布，并且模拟多个全息图的叠加等操作。三、 三维全息影像产品随着人们
6、逐渐不满足普通的3D立体成像带来的视觉效果，以及更多的数字全息技术和成像介质的研究成果的出现，出现了一批利用数字全息技术的产品，并在各行业得到了广泛应用。1、360全息幻影成像系统360全息成像，是由透明材料制成的四面锥体当观众的视线透过椎体的一个面时，通过表面镜射和反射，能够从椎体内的空间里看到自由飘浮的影像。这套系统由柜体、射灯、分光镜、视频播放器等组成，利用分光镜成像原理，对产品实拍三维建模后将产品影像或三维模型叠加进场景中，不需任何辅助设备即可观看三维画面。这一产品主要用于展示细节丰富的物品，如汽车、珠宝、人物等。2、全息投影全息投影是近期非常流行的技术，它采用全息膜配合投影展示产品，
7、提供了丰富的全息影像，可以在玻璃、亚克力等材质上成像，将装饰性、实用性融为一体，成为现在一种前沿的市场推广手段。2008年美国CNN电视台首次在总统大选的报道中应用了全息投影技术，动用了35部高清摄像机，从各角度同时对主持人进行拍摄，拍摄的图像数据传输到20台电脑中进行合成处理，最终通过高清投影仪实现全息人像的真实再现。全息投影技术是通过在空气或特殊镜片上形成立体影像，是全息摄影术的逆向展示，可以从任何角度观看全息影像的不同侧面。目前市场上可实现的全系投影从技术上分为三种：（1） 空气投影。美国麻省的一名29岁研究生发明了一种空气投影技术，可以在气流墙上投影图像，并且使其具备交互功能。这一技术
8、灵感来源于海市蜃楼原理，将图像投射在大片的水蒸气上，由于组成水蒸气的水分子震动不均衡，可以形成立体感很强的全息图像。（2）激光束投影。日本公司研制了一种利用激光束来投射实体的全息影像投射方法这一方法。主要利用了氧气和氮气在空气中散开时，两者混合成的气体变成灼热的物质，并在空气中通过不断的小爆炸形成全息图像。（3）美国南加利福尼亚大学的研究人员研制了一种360度全息显示屏，将图像投影在高速旋转的镜子上，从而实现全息影像。3、雾幕立体成像系统雾幕立体成像，也被称为雾屏成像，通过镭射光借助空气中的微粒，在空气中成像，使用雾化设备产生人工喷雾墙，利用这层水雾墙代替传统的投影屏，结合空气动力学制造出能产
9、生平面雾气的屏幕，再将投影仪投射喷雾墙上形成全息图像。四、三围全息影像的发展趋势最近几年，三维全息影像技术在展会论坛等场合应用越来越广，在2010年上海世博会的多个国家馆和企业馆内都可以看到这一技术的实际应用世博会上长达128米的清明上河图，通过多台大型投影机的拼接，将原图放大了倍后进100行展示，让参观者惊叹。湖南馆中的魔比思环扣造型、安徽馆中的全息立体投影技术，都淋漓尽致地展现了中国的传统。在日本、印度、泰国等多个场馆内，都有全息影像的应用实例。三维全息影像技术突破了传统的声、光、电局限，具有鲜艳的成像色彩以及高对比度和高清晰度，给人以强烈的空间纵深感和真实感，在不久的将来，应该能够成为超
10、越目前3D技术的更先进的解决方案。随着社会发展，全息影像技术的应用场合越来越多，在立体电影、电视、文物保护、遥感、艺术表现、水下监控探测、机场、银行商场展览等各个方面都获得了广泛应用。近几年计算机软硬件性能的迅速发展和并行处理的速度越来越快，为采用多处理器提高全息图的计算效率提供了有力支持。现在很多全息图采用分布计算合成的方法实现。电脑先分别计算每一部分的全息图，再将各部分全息图合并为更大的全息图像。与光学全息相比，数字全息的显著特点是噪声低、可重复性好以及可以获得虚拟物体全息图。计算全息与其它技术的交叉结合使其具有更大的发展空间，其中最为重要的结合方式是通过计算机产生全息图，再通过全息光电再现系统进行成像。全息投影技术突破了传统声、光、电局限，未来三维全息成像技术的市场发展潜力无可估量。1
