Компьютерная голография
Компьютерная голография ( CGH ) — это метод, использующий компьютерные алгоритмы для создания голограмм . Он предполагает создание голографических интерференционных картин . Созданная компьютером голограмма может отображаться на динамическом голографическом дисплее или быть напечатана на маске или пленке с помощью литографии. [1] Когда голограмма печатается на маске или пленке, она затем освещается источником когерентного света для отображения голографических изображений.
Термин «компьютерная голография» стал использоваться для обозначения всей технологической цепочки синтетического получения голографических световых волновых фронтов, пригодных для наблюдения. [2] [3] Если голографические данные существующих объектов генерируются оптически, записываются и обрабатываются в цифровом виде, а затем отображаются, это также называется CGH.
По сравнению с классическими голограммами, голограммы, созданные компьютером, имеют то преимущество, что объекты, которые нужно показать, не должны обладать какой-либо физической реальностью и могут быть созданы полностью синтетически.
В конечном счете, компьютерная голография может расширить все функции современных компьютерных изображений. Голографические компьютерные дисплеи могут использоваться для широкого спектра приложений, например, для автоматизированного проектирования (САПР), игр и голографического видео.
Обзор
[ редактировать ]Голография — это метод, первоначально изобретенный венгерским физиком Деннисом Габором (1900–1979) для улучшения разрешающей способности электронных микроскопов. Объект освещается когерентным (обычно монохроматическим) световым лучом; рассеянный свет интерферируется с опорным лучом того же источника, записывая интерференционную картину. CGH, как определено во введении, имеет в целом три задачи:
- Расчет виртуального рассеянного волнового фронта
- Кодирование данных волнового фронта и подготовка их к отображению
- Реконструкция : Модулирование интерференционной картины в когерентный световой луч с помощью технологических средств для передачи его пользователю, наблюдающему за голограммой.
Обратите внимание, что не всегда оправдано проводить строгое различие между этими этапами; однако это помогает структурировать дискуссию таким образом.
Вычисление волнового фронта
[ редактировать ]Компьютерные голограммы имеют важные преимущества перед оптическими голограммами, поскольку нет необходимости в реальном объекте. Благодаря этому прорыву, когда в 1966 году было опубликовано сообщение о первых алгоритмах, ожидалось появление трехмерного изображения. [4]
К сожалению, исследователи вскоре поняли, что существуют заметные нижние и верхние границы с точки зрения скорости вычислений, качества и точности изображения соответственно. Расчеты волнового фронта требуют очень больших вычислительных ресурсов; даже при наличии современных математических методов и высокопроизводительного компьютерного оборудования вычисления в реальном времени являются сложной задачей. Существует множество различных методов расчета интерференционной картины для CGH.В последующие 25 лет было предложено множество методов создания компьютерных голограмм в области голографической информации и вычислительной обработки, а также в методах вычислений и квантования. [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Алгоритмы можно разделить на две основные концепции: голограммы преобразования Фурье и голограммы точечного источника.
Одним из наиболее распространенных методов, которые можно использовать для создания фазовых голограмм, является алгоритм Герхберга-Сакстона (GS) . [12] [13]
Метод преобразования Фурье
[ редактировать ]В первом преобразование Фурье используется для моделирования распространения каждой плоскости глубины объекта на плоскость голограммы. Концепция преобразования Фурье была впервые представлена Байроном Р. Брауном и Адольфом В. Ломанном. [4] с методом обходной фазы, приводящим к клеточно-ориентированным голограммам. Техника кодирования, предложенная Берчем [14] заменили клеточно-ориентированные голограммы точечными и сделали этот вид компьютерных голограмм более привлекательными. В голограмме с преобразованием Фурье восстановление изображения происходит в дальнем поле . Обычно это достигается за счет использования для реконструкции свойств преобразования Фурье положительной линзы . Итак, этот процесс состоит из двух этапов: вычисление светового поля в дальней плоскости наблюдателя, а затем преобразование Фурье этого поля обратно в плоскость линзы. Эти голограммы называются голограммами на основе Фурье. Первые CGH на основе преобразования Фурье могли реконструировать только 2D-изображения. Браун и Ломанн [15] представил метод расчета компьютерных голограмм трехмерных объектов. Расчет распространения света от трехмерных объектов производится по обычному параболическому приближению дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Таким образом, волновой фронт, который должен быть восстановлен с помощью голограммы, представляет собой суперпозицию преобразований Фурье каждой объектной плоскости по глубине, модифицированную квадратичным фазовым коэффициентом.
Голограммы точечного источника
[ редактировать ]
Вторая вычислительная стратегия основана на концепции точечного источника, где объект разбивается на самосветящиеся точки. Для каждого точечного источника рассчитывается элементарная голограмма, а окончательная голограмма синтезируется путем наложения всех элементарных голограмм. Об этой концепции впервые сообщил Уотерс. [16] чье основное предположение исходило от Роджерса [17] который признал, что зонную пластинку Френеля можно рассматривать как частный случай голограммы, предложенной Габором. Но поскольку большинство точек объекта были ненулевыми, вычислительная сложность концепции точечного источника была намного выше, чем в концепции преобразования Фурье. Некоторые исследователи пытались преодолеть этот недостаток, заранее определяя и сохраняя все возможные элементарные голограммы, используя специальные методы хранения данных. [18] из-за огромной мощности, которая необходима в этом случае, другие используют специальное оборудование. [19]
В концепции точечного источника основной проблемой является компромисс между емкостью хранилища данных и скоростью вычислений. В частности, алгоритмы, увеличивающие скорость вычислений, обычно предъявляют гораздо более высокие требования к хранению данных. [18] в то время как алгоритмы, снижающие требования к хранению данных, имеют высокую вычислительную сложность [20] [21] [22] (хотя возможны некоторые оптимизации [23] ).
Другая концепция, которая приводит к созданию CGH с точечным источником, — это метод трассировки лучей . Трассировка лучей — это, пожалуй, самый простой метод визуализации компьютерной голографии. По сути, рассчитывается разница в длине пути между расстоянием, которое должен пройти виртуальный «опорный луч» и виртуальный «объектный луч»; это даст относительную фазу луча рассеянного объекта.
За последние три десятилетия обе концепции добились значительного прогресса в повышении скорости вычислений и качества изображений. Однако некоторые технические ограничения, такие как вычислительная мощность и емкость памяти, по-прежнему обременяют цифровую голографию, что делает приложения реального времени практически невозможными с использованием современного стандартного компьютерного оборудования.
Сгенерированная голография
[ редактировать ]Как только станет известно, как выглядит рассеянный волновой фронт объекта или как его можно вычислить, его необходимо зафиксировать на пространственном модуляторе света (ПМС), злоупотребляя этим термином, охватывая не только ЖК-дисплеи или аналогичные устройства, но также пленки и маски. В принципе, доступны различные типы SLM: чисто фазовые модуляторы (замедляющие освещающую волну), чисто амплитудные модуляторы (блокирующие свет освещения), модуляторы поляризации (влияющие на состояние поляризации света). [24] и SLM, которые имеют возможность комбинированной фазовой/амплитудной модуляции. [25]
Очевидно, что в случае чистой фазовой или амплитудной модуляции потери качества неизбежны. Ранние формы голограмм чистой амплитуды просто печатались в черно-белом цвете, а это означало, что амплитуду нужно было закодировать только с одним битом глубины. [4] Точно так же киноформа — это чистофазовое кодирование, изобретенное в IBM на заре CGH. [26]
Даже если полностью сложная фазово-амплитудная модуляция была бы идеальной, обычно предпочтительнее использовать чисто фазовую или чисто амплитудную модуляцию, поскольку ее гораздо проще реализовать технологически. Тем не менее, для создания сложного светораспределения целесообразна одновременная модуляция амплитуды и фазы. На данный момент реализованы два разных подхода к амплитудно-фазовой модуляции. Один из них основан на фазовой или только амплитудной модуляции и последовательной пространственной фильтрации. [27] другой основан на поляризационных голограммах с переменной ориентацией и величиной локального двулучепреломления. [28] Голограммы с ограничением, например только по фазе или только по амплитуде, могут быть вычислены с помощью таких алгоритмов, как алгоритм Герхберга-Сакстона, или более общих алгоритмов оптимизации, таких как прямой поиск, имитация отжига. [29] или стохастический градиентный спуск с использованием, например, TensorFlow. [30]
Реконструкция
[ редактировать ]Третья (техническая) проблема — модуляция луча и реальная реконструкция волнового фронта. Маски можно печатать, что часто приводит к зернистой структуре рисунка, поскольку большинство принтеров могут печатать только точки (хотя и очень маленькие). Пленки можно проявлять лазерным воздействием. Голографические дисплеи в настоящее время все еще представляют собой проблему (по состоянию на 2008 г. [update]), хотя были построены успешные прототипы. Идеальный дисплей для компьютерных голограмм должен состоять из пикселей размером меньше длины волны света с регулируемой фазой и яркостью. Такие дисплеи получили название оптики с фазированной решеткой . [31] дальнейший прогресс в нанотехнологиях Для их создания необходим .
Приложения
[ редактировать ]В настоящее время несколько компаний и кафедр университетов проводят исследования в области устройств CGH:
- Яркий Q [32] предоставляет программное обеспечение для устройств CGH в реальном времени, позволяющее генерировать изображения с более чем 200 слоями глубины, используя стандартную вычислительную мощность.
- Медиалаборатория Массачусетского технологического института [33] разработала CGH-дисплей «Головидео».
- SeeReal Technologies разработала прототип дисплея CGH
- Комплект Cortical Cafe CGH [34] — это сайт для любителей, посвященный CGH, с инструкциями, исходным кодом и веб-приложением для создания CGH.
В электронной оптике
[ редактировать ] |
Недавно использование компьютерной голографии расширилось за пределы световой оптики и стало применяться для генерации структурированных электронных волновых функций с желаемым профилем амплитуды и фазы. Голограммы, генерируемые компьютером, создаются путем интерференции целевой волны с опорной волной, которая может представлять собой, например, плоскую волну, слегка наклоненную в одном направлении. Используемые голографические дифракционные оптические элементы обычно изготавливаются из тонких мембран из таких материалов, как нитрид кремния.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шахин, Эрдем; Стойкова, Елена; Мякинен, Яни; Готчев, Атанас (20 марта 2020 г.). «Компьютерные голограммы для 3D-изображений: обзор» (PDF) . Обзоры вычислительной техники ACM . 53 (2): 32:1–32:35. дои : 10.1145/3378444 . ISSN 0360-0300 . S2CID 215854874 .
- ^ Ч. Стропальщик; К. Кэмерон; М. Стэнли (август 2005 г.), «Компьютерная голография как универсальная технология отображения», Computer , 38 (8): 46–53, doi : 10.1109/mc.2005.260 , S2CID 7394380
- ^ Яраш, Фахри; Канг, Хунджон; Онурал, Левент (29 сентября 2009 г.). «Система цветного голографического видеоотображения в режиме реального времени с использованием светодиодной подсветки». Прикладная оптика . 48 (34): Н48-53. Бибкод : 2009ApOpt..48H..48Y . дои : 10.1364/AO.48.000H48 . hdl : 11693/22545 . ПМИД 19956301 . S2CID 5890199 .
- ^ Jump up to: а б с Браун, Байрон Р.; Ломанн, Адольф В. (1966). «Сложная пространственная фильтрация с бинарными масками». Прикладная оптика . 5 (6): 967–9. Бибкод : 1966ApOpt...5..967B . дои : 10.1364/AO.5.000967 . ПМИД 20048989 .
- ^ Л. Б. Лесем; Премьер-министр Хирш и Дж. А. Джордан (1968). «Компьютерный синтез голограмм для 3-D отображения» . Коммуникации АКМ . 11 (10): 661–674. дои : 10.1145/364096.364111 . S2CID 18707299 .
- ^ Л. Б. Лесем; Премьер-министр Хирш и Дж. Джордан (1969). «Киноформ: новое устройство реконструкции волнового фронта» (PDF) . Журнал исследований и разработок IBM . 13 (2): 150–155. дои : 10.1147/rd.132.0150 .
- ^ WH Ли (1970). «Выборочная голограмма преобразования Фурье, созданная компьютером». Прил. Опц . 9 (3): 639–643. дои : 10.1364/AO.9.000639 . ПМИД 20076253 . S2CID 15902468 .
- ^ Д. Лесеберг и О. Брюнгдал (1984). «Компьютерные радужные голограммы». Прил. Опц . 23 (14): 2441–2447. Бибкод : 1984ApOpt..23.2441L . дои : 10.1364/AO.23.002441 . ПМИД 18213016 .
- ^ Ф. Выровский; Р. Хаук и О. Брингдал (1987). «Компьютерная голография: повторение голограмм и фазовые манипуляции». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 4 (4): 694–698. Бибкод : 1987JOSAA...4..694W . дои : 10.1364/JOSAA.4.000694 .
- ^ Д. Лесеберг и К. Фрер (1988). «Созданные компьютером голограммы трехмерных объектов, состоящих из наклоненных плоских сегментов». Прил. Опц . 27 (14): 3020–3024. Бибкод : 1988ApOpt..27.3020L . дои : 10.1364/AO.27.003020 . ПМИД 20531880 .
- ^ Кларк, Мэтью (1 сентября 1999 г.). «Двумерные, трехмерные и полутоновые изображения, реконструированные на основе компьютерных голограмм, созданных с использованием метода прямого поиска». Прикладная оптика . 38 (25): 5331–5337. Бибкод : 1999ApOpt..38.5331C . дои : 10.1364/ao.38.005331 . ПМИД 18324035 .
- ^ Меммоло, Паскуале; Миччио, Лиза; Мерола, Франческо; Пачелло, Антонио; Эмбрион, Валерио; Фуско, суббота; Ферраро, Пьетро; Антонио Нетти, Паоло (1 января 2014 г.). «Исследование конкретных решений алгоритма Герхберга – Сакстона» . Оптика и лазеры в технике . 52 : 206–211. Бибкод : 2014OptLE..52..206M . дои : 10.1016/j.optlaseng.2013.06.008 . ISSN 0143-8166 .
- ^ Лю, Шуцзянь; Такаки, Ясухиро (январь 2020 г.). «Оптимизация фазовых компьютерных голограмм на основе метода градиентного спуска» . Прикладные науки . 10 (12): 4283. дои : 10.3390/app10124283 . ISSN 2076-3417 .
- ^ Джей Джей Берч (1967). «Компьютерный алгоритм синтеза пространственных частотных фильтров». Труды IEEE . 55 (4): 599–601. дои : 10.1109/PROC.1967.5620 .
- ^ Б. Р. Браун и А. В. Ломанн (1969). «Двоичные голограммы, созданные компьютером» (PDF) . Журнал исследований и разработок IBM . 13 (2): 160–168. дои : 10.1147/rd.132.0160 . Архивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2012 г. Проверено 17 июня 2009 г.
- ^ Дж. П. Уотерс (1968). «Синтез голографических изображений с использованием теоретических методов» . Прил. Физ. Летт . 9 (11): 405–407. дои : 10.1063/1.1754630 .
- ^ Г.Л. Роджерс (1950). «Дифракционная микроскопия Габора: голограмма как обобщенная зональная пластинка» . Природа . 166 (4214): 237. Бибкод : 1950Natur.166..237R . дои : 10.1038/166237a0 . ПМИД 15439257 .
- ^ Jump up to: а б М. Лусенте (1993). «Интерактивное вычисление голограмм с использованием справочной таблицы». Журнал электронных изображений . 2 : 28–34. Бибкод : 1993JEI.....2...28L . CiteSeerX 10.1.1.51.4513 . дои : 10.1117/12.133376 .
- ^ Т. Ито; К. Ёсида; С. Такахаши; Т. Ябэ; и др. (1996). «Специальный компьютер для голографии ГОРН-2». Вычислить. Физ. Коммун . 93 (1): 13–20. Бибкод : 1996CoPhC..93...13I . дои : 10.1016/0010-4655(95)00125-5 .
- ^ Х. Ян; Э. С. Ким (1996). «Алгоритм, основанный на разложении формы сигнала, для компьютерных голограмм, отображающих только горизонтальный параллакс». Опция Летт . 21 (7): 510–512. Бибкод : 1996OptL...21..510Y . дои : 10.1364/OL.21.000510 . ПМИД 19865455 .
- ^ Х.Л. Хуарес-Перес; А. Оливарес-Перес и Л.Р. Берриэль-Вальдос (1997). «Неизбыточные расчеты для создания голограмм Френеля». Прил. Опц . 36 (29): 7437–7443. дои : 10.1364/AO.36.007437 . ПМИД 18264254 .
- ^ Х. Ёсикава; С. Ивасе и Т. Онеда (2001). «Быстрое вычисление голограмм Френеля с использованием разницы». Оптический обзор . 8 (5): 331–335. Бибкод : 2001OptRv...8..331Y . дои : 10.1007/s10043-001-0331-y .
- ^ А.Д. Штейн; З. Ван; Дж. С. Ли-младший (1992). «Компьютерные голограммы: упрощенный подход к трассировке лучей» . Компьютеры в физике . 6 (4): 389–393. Бибкод : 1992ComPh...6..389S . дои : 10.1063/1.168429 . Архивировано из оригинала 1 февраля 2010 г. Проверено 14 сентября 2010 г.
- ^ М. Накадзима; Х. Комацу; Ю. Мицухаси; Т. Морикава (1976). «Поляризационные голограммы, созданные компьютером: фазовая запись за счет эффекта поляризации в фотодихроичных материалах». Прил. Опц . 15 (4): 1030–1033. Бибкод : 1976ApOpt..15.1030N . дои : 10.1364/ao.15.001030 . ПМИД 20165114 .
- ^ В. Лаутерборн; Т. Курц (2002). Когерентная оптика (2-е изд.). Спрингер. ISBN 978-3-540-43933-2 .
- ^ Л. Б. Лесем; премьер-министр Хирш; Дж. А. Джордан-младший (1969). «Киноформ: новое устройство реконструкции волнового фронта» . Журнал исследований и разработок IBM . 13 (2): 150–155. дои : 10.1147/рд.132.0150 .
- ^ В. Арризон; Г. Мендес; Д. Санчес-де-ла-Льяв (2005). «Точное кодирование произвольных комплексных полей с помощью только амплитудных жидкокристаллических пространственных модуляторов света» . Опция Выражать . 13 (20): 7913–7927. Бибкод : 2005OExpr..13.7913A . дои : 10.1364/opex.13.007913 . ПМИД 19498821 .
- ^ М. Фратц; П. Фишер; Д.М. Гиль (2009). «Полный контроль фазы и амплитуды в компьютерной голографии» . Опция Летт . 34 (23): 3659–3661. Бибкод : 2009OptL...34.3659F . дои : 10.1364/ол.34.003659 . ПМИД 19953153 . S2CID 5726900 .
- ^ Пи Джей Кристофер; А. Кадис; ГСД Гордон; ТД Уилкинсон (2022). «HoloGen: набор инструментов с открытым исходным кодом для высокоскоростного создания голограмм». Компьютерная физика. Коммуникации . 270 (108139): 108139. arXiv : 2008.12214 . Бибкод : 2022CoPhC.27008139C . дои : 10.1016/j.cpc.2021.108139 . ISSN 0010-4655 . S2CID 221340546 .
- ^ GSD Gordon (21 апреля 2020 г.), gsdgordon/hologramGenerationTensorflow , получено 20 января 2024 г.
- ^ Вау Б (1996). «Оптика фазированной решетки» . В Британской Колумбии Крэндалл (ред.). Молекулярные спекуляции о глобальном изобилии . МТИ Пресс . стр. 147–160 . ISBN 978-0-262-03237-7 . Проверено 18 февраля 2007 г.
- ^ «ВивидКью Хоум» . яркий-q.com .
- ^ «Страница головидео Марка Люсенте» . mit.edu .
- ^ «Бесплатное программное обеспечение CorticalCafe для настольных компьютеров» . corticalcafe.com .
- Экберг М., Ларссон М., Хорд С. (1990). «Многоуровневые фазовые голограммы, полученные методом электронно-лучевой литографии». Опция Летт. (ОСА) 15 (10): 568-569. 0146-9592/90/100568-02$2,00/0