高质量离轴数字菲涅耳全息图的制作方法

26高质量二元离轴数字菲涅耳全息图的制作曾伟明 ** 香港城市大学电子工程学系摘要高分辨率打印机和数字全息设备（DMD）的出现使得真实的离轴全息图能够被打印或投影到屏幕上。由于大多数打印机和DMD只能再现二进制点，全息图中的像素必须被截断为2级。然而，直接二值化全息图会导致其再现像的严重退化。本文报道了一种二元离轴数字菲涅耳全息图的制作方法。用所提出的方法产生的全息图被称为“增强型与现有技术相比，ESBH的重建图像具有更好的视觉质量，并且具有抗噪声污染的能力索引术语：二元离轴全息图，网格交叉下采样，增强采样二元全息图1. 介绍，v全息图是一种复杂的图像，当用相干光束照射时，它将重建具有完整深度和视差信息的可观察的三维物体场景。现代研究还表明，哪里ru;vx0 y0ru;v、（1）是全息图可以用数字计算并存储 数字文件[1]。如果数字全息图可以通过以下方式在物理介质上再现，则将是期望的：商品打印机[2]或数字图像处理设备（DMD）[3]。然而，众所周知，商用打印机和DMD只能写入实值像素，并且通常作为二进制（即，黑白）点。有效坐标上物点之间的欧氏距离你好， 在3D场景中，一个像素在全息图上，λ是光束的波长。假设全息图和物体场景具有相同的水平和垂直范围，包括X 列和Y行的像素。从Eq.（1）可以转换成真正的离轴数字菲涅耳全息图解决这一问题的一个较简单的1，v通过将全息图与倾斜的比使用多路复用多个漫射器[3]，是将复全息图转换为实像，并量化平面波振幅，并丢弃虚部，即，把每个像素的光强值转换成二进制值。上述过程可简要描述如下。到1，v你好，v。（二）首先，考虑具有由强度图像表示的每个物点的亮度的物场景。物点到全息图的垂直距离由深度图表示。复全息图可以根据菲涅耳衍射方程从场景中产生[1]随后，可以用符号阈值化来二值化全息图 1λ、vλ，将1（白色）和0（黑色）值设置为正极性和负极性的像素，分别然而，用符号阈值法直接二值化全息图将导致阴影（即，平滑或均匀）区域接收日期：2014年8月25日;修订日期：2014年9月8日接受日期：2014年9月20日* 通讯作者 电子邮件：eewmtsan@cityu.edu.hk，电话：+852-3442-7763这是一个开放获取的文章，根据知识共享署名（CC-BY-NC）许可证的条款，允许在任何媒体上无限制地使用，分发和复制，前提是正确引用原始作品。版权所有©韩国通信与信息科学研究所（KICS），2014http://www.ictexpress.org阿克22v22w2;27http://www.ictexpress.org高质量二元离轴数字菲涅耳全息图的制作形象虽然全息图可以用迭代方法二值化[4][5]，但计算可能相当密集。为了克服这个问题，Tsang等人[6]提出在生成全息图之前用网格交叉图案的晶格对强度图像进行下采样。重建图像的视觉质量来自下-在线段的交叉点附近被移除。在数学上，新的下采样网格可以表示为Sx，ySc x，x，y。（四）采样图像是有利的，但阴影区域被掩盖由方程式（4）、Scx，y是 一 网格 降采样格具有粗糙的颗粒状图案。在本文中，一种方法来解决的 上述 问题 本文提出一个用该方案产生的离轴全息图，由规则间隔的水平线和垂直线组成，被称为“增强型采样二元全息图”（ESBH）。ESBH重建图像的视觉质量优于现有的ESBH生成的图像Sx，1c0xmodM否则、（五）方法，并能抵抗噪音污染。在本文的其余部分，所提出的方法的细节在第2节。第3节中提供了实验评估，并将在最后总结了论文的主要结论。其中M 是下采样因子。另一个术语Nx，y是一个二维掩码，其中一个掩码中的所有条目 以每个交叉点为将网格下采样点阵的元素设置为零，并且将其余元素全部设置为1。一小段网格采样格 Scx，y示于图2（a）至2. 建议的生成方法示出了新的下采样网格的形成增强型取样全息图是的，是的。图2（b）中示出了掩模Nx，y，为了解释清楚起见，用于通过下采样生成二元离轴菲涅耳全息图的概念在图1中示出，并且概述如下。首先，目标场景由强度图像建模Ix，y 和深度图Dx，y 。强度图像是首先通过如下给出的格x，y下采样：我知道，我知道。（三）新的下采样格，其从等式（1）导出。(4)如图2（c）所示。可以看出，Sx，y包含指没有交叉点的规则间隔的水平线和垂直线。如本文后面部分所示，消除交叉点周围的采样点将减少颗粒效应，从而在二元全息图的再现图像上产生更自然的视觉质量。晶格Sx，y是一个二维图像，采样点设置为单位，非采样点设置为零. 接下来，Eq.（1）被应用于将下采样图像Idx，yx，和深度图Dx，yx，全息图Hx，y。后者乘以一个引用平面波R，产品的实际部分是量化为二进制离轴全息图Hbx，y，符号阈值法在[6]中报道的方法中，采用了该全息图再现像具有良好的视觉质量，并能保持阴影区的光强分布。然而，发现采样线的交叉点处的强度比其余区域相对更强，导致颗粒状和不自然的外观。针对上述问题，本文提出了一种新的下采样方案.本质上，具有样本点的均匀网格下采样晶格图1二元离轴菲涅耳全息图的制作方法图2（a）网格采样格S c x，y28图2（b）掩模Nx，y图2（c）由Sc<x，y<$和Nx，y <$的乘积形成的下采样格S <$x，y3. 实验评价一个512  512的源图像源像平行于全息图，并且以0.3m的轴向距离分开。为了评估[6]中的方法，图3来源图像图图4在聚焦平面处从二进制重建的图像下采样因子为M9施加用[6]中的方法生成的全息图对源图像进行下采样。离轴二元全息图尺寸为1024 1024，正方形像素尺寸为 8μm，然后从下采样的形象光束的波长和角度参考波入射角为633nm和1.2千克，分别在聚焦平面处的重建图像如图4所示。可以看出，虽然图像的质量是有利的，但它覆盖有粗糙的粒状纹理。接下来，对所提出的方法进行评估。等式(4)和（5）被应用以生成下采样网格Sx，y，M 9和M1。与前面的测试一样，对源图像进行下采样，Sx，y和ESBH生成。图5（a）中示出了在聚焦平面处的重建图像。我们观察到，与图4中的结果相比，纹理图案更精细，并且视觉质量增强。为了测试ESBH的抗噪声能力，随机选择25%的像素，并且对每个所选像素的值进行补运算。图5（b）中示出了重建的图像，其示出了即使在如此高的噪声水平下，图像的质量也仅受到轻微的影响。图图5（a）ESBH聚焦平面处的重建图像。高质量二元离轴数字菲涅耳全息图的制作29http://www.ictexpress.org图5（b）来自ESBH的聚焦平面处的已添加有25%噪声的重构图像4. 结论过去的研究已经证明，二元离轴菲涅耳全息图可以通过在全息图的生成和二值化之前使用网格交叉晶格对源图像进行下采样来获得。然而，重建的图像被粗糙的颗粒图案掩盖。本文提出了一种采用改进的网格下采样点阵产生增强型采样二元全息图（ESBH）的方法。实验评价表明，在ESBH的再现图像中的颗粒图案是不太突出的，并且还高度抵抗全息图的噪声污染。该特征在全息投影或显示系统中特别有吸引力，因为它意味着在显示设备中可以容忍大量的死像素。此外，ESBH的一部分可以用来嵌入外部数据或图像信息，这是一种可以很容易地应用于加密和水印的功能。引用[1] T.- C.潘（2006），数位全像术与三维显示：原理与应用，纽约：施普林格.[2] L.C. Ferri（2001）使用激光打印机的数字全息3D信息可视化，Comp. Graph。25：309-321。[3] 安伯斯湖Bigue和Y.范文文，“动态电脑产生之全像图显示于数位摄影装置上”，《绕射光学与微光学》，R。Magnusson编，OSA光学和光子学趋势系列第75卷（美国光学学会，2002年），论文DTuD7。[4] M.P. Chang和O.K. Ersoy（1993）计算机生成全息图合成的迭代隔行误差扩散，应用光学，32（17）：3122-3129。[5] B. B. Chhetri，S. Yang和T. 02 The Dog（2001）逐步二值化的数字振幅全息图与增加的能量的信号窗口，光学工程，40（12）：2718-2725。[6] W. K.张宝文Tsang，T.- C.潘角Zhou（2011）基于网格交叉下采样的二元菲涅耳全息图生成的增强方法，中国。选择Lett.，09（12）：120005。