基于菲涅耳衍射逼近的3D重構(gòu)計(jì)算研究.pdf

1、3D景物的重構(gòu)技術(shù)是現(xiàn)代成像技術(shù)發(fā)展的方向，具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。傳統(tǒng)的照相機(jī)只能記錄3D景物的光波場(chǎng)振幅(強(qiáng)度)——即只能獲取到景物的2D投影信息。然而，Gabor發(fā)明的全息術(shù)能夠同時(shí)記錄景物光場(chǎng)的振幅和相位，它利用光調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)了3D景物的完美重構(gòu)，是未來(lái)3D成像技術(shù)的終極目標(biāo)。Gabor全息成像原理是建立在光波動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，在自由空間傳播時(shí)，光波場(chǎng)可以用標(biāo)量場(chǎng)表示，進(jìn)一步在近軸逼近下可以用菲涅耳傳播逼近來(lái)描述。
　　3D景物重

2、構(gòu)的計(jì)算研究，也稱計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖(Computer Generated Hologram，CGH)技術(shù)，其將靈活的計(jì)算與光學(xué)結(jié)合起來(lái)，以規(guī)避傳統(tǒng)光全息術(shù)在記錄階段對(duì)環(huán)境要求高、操作復(fù)雜等缺陷。但是，CGH也面臨自身的技術(shù)挑戰(zhàn):菲涅耳傳播是基于光波場(chǎng)傳播的衍射原理，因此它面臨高空間帶寬積帶來(lái)的巨大計(jì)算量的挑戰(zhàn)。而且，衍射場(chǎng)的空間離散化和數(shù)值的量化計(jì)算過(guò)程涉及若干數(shù)字信號(hào)處理問(wèn)題，包括光場(chǎng)的離散表示方法、數(shù)據(jù)的壓縮、噪聲對(duì)成像質(zhì)量的影響等

3、，這些都對(duì)算法的設(shè)計(jì)提出更高的要求。探尋如何提高3D衍射光場(chǎng)計(jì)算效率以及重構(gòu)圖像質(zhì)量是目前CGH的研究熱點(diǎn)。本文的研究工作主要聚焦在以下兩方面，旨在能夠提供更好的CGH算法。
　　首先，針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)云法，研究了菲涅耳衍射場(chǎng)的一些特殊性質(zhì)，對(duì)快速算法N-LUT(Novel Look-Up Table，N-LUT)方法進(jìn)行了優(yōu)化和提高。其次，結(jié)合壓縮感知(Compressive Sensing，CS)技術(shù)給出提高計(jì)算效率的算法:利用層析

4、法計(jì)算3D復(fù)雜物體的菲涅耳全息圖，解決點(diǎn)云法面臨深度層少、樣本點(diǎn)多的繁重計(jì)算問(wèn)題;用CS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全息圖頻域信號(hào)的壓縮采樣。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新情況如下:
　　(1)給出了一種基于N-LUT的全息圖快速計(jì)算算法，其主要思想是結(jié)合了相干菲涅耳衍射的傳播可逆性與Gabor波帶片條紋圖案的空間對(duì)稱性。算法利用傳播可逆性對(duì)源平面與全息面的采樣間隔或物理尺寸進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，能夠在增大源場(chǎng)景采樣間隔時(shí)實(shí)現(xiàn)大尺寸景物全息圖的計(jì)算;

5、同時(shí)，利用空間對(duì)稱性加速計(jì)算虛擬平面處的主要衍射條紋圖案并以查找表方式進(jìn)行存儲(chǔ);最終在保證3D重構(gòu)質(zhì)量的前提下有效地提高了N-LUT方法的計(jì)算效率。
　　(2)利用3D物體CGH信息存在的相似性和冗余性，結(jié)合CS技術(shù)提高計(jì)算效率，同時(shí)緩解了衍射場(chǎng)采樣和傳輸過(guò)程高能量消耗。給出了一種基于3D總變分稀疏模型3D復(fù)雜物體的菲涅耳全息圖頻域壓縮重建方法。該方法構(gòu)建了與菲涅耳衍射相適應(yīng)的CS線性模型框架，引入非相干變密度頻域下采樣模式，該模