CN110488590A - 一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，包括以下步骤：步骤1，对物体成像并采集像面及像面两侧的三个彩色光强图；步骤2，将位于中间位置的彩色光强图作为初始迭代面，其余两幅彩色光强图作为第二与第三迭代面，通过光强传输方程TIE得到初始迭代面在红色、绿色以及蓝色通道下的初始相位；步骤3，通过基于GS的角谱迭代方法得到初始迭代面的恢复相位并得到最佳迭代相位；步骤4，通过角谱传递函数与初始迭代面的复振幅分布来得到其余迭代面的复振幅分布并得到恢复光强分布；步骤5，将恢复光强分布叠加，得到重建彩色光强，在透射相位型SLM上快速循环加载相位图，对入射光进行相位和振幅调制，即可再现一段像面深度，实现3D效果。
Description
技术领域
本发明属于三维物体再现技术领域，具体涉及一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法。
背景技术
目前关于物体三维再现技术的发展局限于全息投影和现实环境的模拟构建，前者因干涉与衍射的记录问题涉及到内存高效分配问题，拼接再现涉及的技术操作问题以及成本问题使其目前不能被广泛应用，真正意义上的全息成像因投影介质不稳定以及激光成像的噪声控制困难等原因难以得到高分辨率的显示。全息影像制作需要比普通摄像处理100倍以上的信息量，对拍摄以及处理和传输平台都提出了很高的要求。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，所以原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。后者不是真正意义上的三维再现。携带物体衍射信息的衍射光波除了与参考光干涉从而记录图像信息外，还可以直接求其相位，结合角谱传递，我们可以得到衍射波传播光路中任意面的图像完整信息，从而可以再现物体三维轮廓。目前波前再现的研究在非干涉检测方法中成效很大，但其利用的是激光成像，涉及到难以处理的噪声问题，实验恢复结果精度低，达不到3D再现的分辨率要求。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法。
本发明提供了一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，通过成像透镜对物体进行白光成像，并在像面放置RGB三色滤波CCD相机来采集像面以及像面的两侧的具有间隔的彩色光强图，并得到像面以及像面的两侧的三个彩色光强图的初始光强分布与振幅；
步骤2，将位于中间位置的像面的彩色光强图作为初始迭代面，将位于初始迭代面两侧的其余两幅彩色光强图分别作为第二迭代面和第三迭代面，将初始迭代面分为红色通道、绿色通道以及蓝色通道后通过光强传输方程TIE进行处理，得到各个彩色通道下的相位分布，将各个彩色通道的相位分布作为基于GS的角谱迭代方法的初始相位；
步骤3，将初始迭代面在各个彩色通道下的初始相位与记录所得的振幅结合，得到初始迭代面的复振幅分布，并通过快速傅里叶变换将复振幅分布转换到频域进行处理，利用对应间距的角谱传递函数得到每个迭代面的初始复振幅分布，通过初始复振幅分布得到每个迭代面的对应相位，当传播到对应的迭代面时，在空域用记录所得的振幅来校正受光场角谱衍射迭代偏差影响的计算振幅，通过结合记录所得的振幅与每个迭代面的对应相位得到每个迭代面的校正复振幅分布，将每个迭代面的初始复振幅分布与校正复振幅分布两者之间空间关联性更好的带入迭代运算中，在三个迭代面间进行循环迭代后得到初始迭代面中在各个彩色通道下的恢复相位，并通过分析光源和RGB三色滤波CCD相机的光波响应曲线确定各个彩色通道下的恢复相位的相位叠加权重，得到重建光强与初始光强分布均方根差值最小的最佳迭代相位；
步骤4，通过最佳迭代相位与记录的光强分布来得到初始迭代面的复振幅分布，并通过角谱传递函数来得到第二迭代面与第三迭代面的复振幅分布，从而得到第二迭代面与第三迭代面在各个彩色通道下的恢复光强分布；
步骤5，将三个彩色光强图在红色通道、绿色通道以及蓝色通道下的恢复光强分布进行叠加，得到重建彩色光强，在透射相位型SLM上快速循环加载相位图，并通过透射相位型SLM对入射光进行相位和振幅调制，即可再现一段像面深度，实现3D效果。
在本发明提供的基于相位恢复的三维物体彩色再现方法中，还可以具有这样的特征：其中，光强传输方程TIE为：
将公式(1)近似求解，得到：
对公式(2)利用傅里叶变换，求解得到：
公式(3)求得的Ψ即为初始相位，
公式(1)与(2)中，为光强轴向微分信号，为梯度运算符，λ为波长，Ib为初始迭代面的光强分布，Ia与Ic分别为第二迭代面与第三迭代面的光强分布，Δz为第二迭代面与第三迭代面的间距，公式(3)中，F为傅里叶正变换，F-1为傅里叶逆变换，k为波数，等于2π/λ。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，因为利用光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同对非相干光记录的彩色像面进行相位恢复，并利用恢复相位和记录的彩色光强实现立体物体的彩色再现，所以，能够提高相位恢复过程中的抗噪性，得到更为精确的恢复相位分布，从而实现较高分辨率的3D再现。
附图说明
图1是本发明的实施例中的一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法的处理流程图；
图2是本发明的实施例中三个彩色光强图整体的初始光强分布图；
图3是本发明的实施例中三个彩色光强图的分通道下的初始光强分布图；
图4是本发明的实施例中的初始迭代面只通过光强传输方程TIE分通道处理后的相位分布图；
图5是本发明的实施例中的初始迭代面通过光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同分通道处理后的相位分布图；
图6是本发明的实施例中的通过光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同处理得到最佳迭代相位的流程图；
图7是本发明的实施例中的三个迭代面中各彩色通道下的重建光强分布图；
图8是本发明的实施例中的三个迭代面中三个彩色通道叠加后的重建光强分布图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例中的一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法的处理流程图。
如图1所示，本实施例的一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，包括以下步骤：
步骤1，通过成像透镜对三维物体上的三个字母M、E、N进行白光成像，并在像面放置RGB三色滤波CCD相机来采集像面以及像面的两侧的具有间隔的彩色光强图，并得到像面以及像面的两侧的三个彩色光强图的初始光强分布与振幅，三个彩色光强图的初始光强分布如图2所示。
步骤2，将位于中间位置的像面的彩色光强图作为初始迭代面，将位于初始迭代面两侧的其余两幅彩色光强图分别作为第二迭代面和第三迭代面，将初始迭代面分为红色通道、绿色通道以及蓝色通道，分通道下的初始光强分布如图3所示，再通过光强传输方程TIE进行处理，得到各个彩色通道下的相位分布，只通过光强传输方程TIE得到的各个彩色通道下的相位分布如图4所示，将各个彩色通道的相位分布作为基于GS的角谱迭代方法的初始相位。
光强传输方程TIE为：
将公式(1)近似求解，得到：
对公式(2)利用傅里叶变换，求解得到：
公式(3)求得的Ψ即为初始相位，
公式(1)与(2)中，为光强轴向微分信号，为梯度运算符，λ为波长，Ib为初始迭代面的光强分布，Ia与Ic分别为第二迭代面与第三迭代面的光强分布，Δz为第二迭代面与第三迭代面的间距，公式(3)中，F为傅里叶正变换，F-1为傅里叶逆变换，k为波数，等于2π/λ。
本实施例中，由图4可知，只通过光强传输方程TIE处理得到的相位并不精确，关于物体的高频信息没有恢复出来，且当记录面间距增大时光强传输方程TIE进行处理的抗噪性将越来越差。
步骤3，将初始迭代面在各个彩色通道下的初始相位与记录所得的振幅结合，得到初始迭代面的复振幅分布，并通过快速傅里叶变换将复振幅分布转换到频域进行处理，利用对应间距的角谱传递函数得到每个迭代面的初始复振幅分布，通过初始复振幅分布得到每个迭代面的对应相位，当传播到对应的迭代面时，在空域用记录所得的振幅来校正受光场角谱衍射迭代偏差影响的计算振幅，通过结合记录所得的振幅与每个迭代面的对应相位得到每个迭代面的校正复振幅分布，将每个迭代面的初始复振幅分布与校正复振幅分布两者之间空间关联性更好的带入迭代运算中，在三个迭代面间进行循环迭代后得到初始迭代面中在各个彩色通道下的恢复相位，并通过分析光源和RGB三色滤波CCD相机的光波响应曲线确定各个彩色通道下的恢复相位的相位叠加权重，得到重建光强与初始光强分布均方根差值最小的最佳迭代相位，通过光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同处理得到的各个彩色通道下的相位分布如图5所示，得到了更为精确的相位分布。
图6是本发明的实施例中的通过光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同处理得到最佳迭代相位的流程图。
如图6所示，光强传输方程TIE处理得到的初始相位P0通过基于GS的角谱迭代方法进行循环迭代的具体流程如下：先由初始迭代面的相位P0与初始迭代面的振幅a1得到初始迭代面复振幅分布fb，利用快速傅里叶变换将初始迭代面复振幅分布fb转换到频域进行处理，利用初始迭代面与第三迭代面之间对应间距的角谱传递函数，得到第三迭代面的初始复振幅分布，并通过该初始复振幅分布得到光场传播到第三迭代面的对应相位P1，通过对应相位P1与第三迭代面记录所得的振幅a2得到第三迭代面的校正复振幅分布fc，并选取初始复振幅分布与校正复振幅分布之间空间关联性更好的进行迭代；
再利用快速傅里叶变换将选取的进行迭代的复振幅分布转换到频域进行处理，利用第三迭代面与第二迭代面之间对应间距的角谱传递函数，得到第二迭代面的初始复振幅分布，并通过该初始复振幅分布得到光场传播到第二迭代面的对应相位P2，通过对应相位P2与第二迭代面记录所得的振幅a3得到第二迭代面的校正复振幅分布fa，并选取初始复振幅分布与校正复振幅分布之间空间关联性更好的进行迭代；
再利用快速傅里叶变换将选取的进行迭代的复振幅分布转换到频域进行处理，利用第二迭代面与初始迭代面之间对应间距的角谱传递函数，得到初始迭代面的初始复振幅分布，并通过该初始复振幅分布得到光场传播到初始迭代面的对应相位q0，通过对应相位q0与初始迭代面记录所得的振幅a1得到初始迭代面的校正复振幅分布fb，并选取初始复振幅分布与校正复振幅分布fb之间空间关联性更好的来进行初始迭代面到第三迭代面的迭代，从而在三个迭代面之间进行循环迭代，在三个迭代面之间进行循环迭代时，均在初始复振幅分布与校正复振幅分布之间选取空间关联性更好的进行迭代，最终在初始迭代面得到空间关联性最佳的恢复相位，再通过分析光源和RGB三色滤波CCD相机的光波响应曲线确定各个彩色通道下的恢复相位的相位叠加权重，得到重建光强与初始光强分布均方根差值最小的最佳迭代相位，
其中，初始迭代面和第三迭代面之间对应的角谱传递函数H＝exp(-iπλdz2(fx 2+fy 2)，
第三迭代面和第二迭代面之间对应的角谱传递函数H*＝exp(iπλ(dz1+dz2)(fx 2+fy 2))，
第二迭代面和初始迭代面之间对应的角谱传递函数H＝exp(iπλdz1(fx 2-fy 2)，
角谱传递函数公式中，dz1为初始迭代面和第二迭代面之间的距离，dz2为初始迭代面和第三迭代面之间的距离，fx 2、fy 2为x、y方向上的空间频率，λ为波长，i为虚数单位，i2＝-1。
步骤4，通过最佳迭代相位与记录的光强分布来得到初始迭代面的复振幅分布，由初始迭代面的复振幅分布即可通过角谱传递函数得知不同传播距离的任意面的复振幅分布，本实施例中，通过角谱传递函数来得到第二迭代面与第三迭代面的复振幅分布，从而得到第二迭代面与第三迭代面在各个彩色通道下的恢复光强分布，三个迭代面在各个彩色通道下的恢复光强分布如图7所示。
步骤5，将三个彩色光强图在红色通道、绿色通道以及蓝色通道下的恢复光强分布进行叠加，得到重建彩色光强，三个迭代面的重建光强分布如图8所示，在透射相位型SLM上快速循环加载相位图，并通过透射相位型SLM对入射光进行相位和振幅调制，即可再现一段像面深度，实现3D效果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，因为利用光强传输方程TIE与基于GS的角谱迭代方法共同对非相干光记录的彩色像面进行相位恢复，并利用恢复相位和记录的彩色光强实现立体物体的彩色再现，所以，能够提高相位恢复过程中的抗噪性，得到更为精确的恢复相位分布，从而实现较高分辨率的3D再现。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过成像透镜对物体进行白光成像，并在像面放置RGB三色滤波CCD相机来采集所述像面以及所述像面的两侧的具有间隔的彩色光强图，并得到所述像面以及所述像面的两侧的三个所述彩色光强图的初始光强分布与振幅；
步骤2，将位于中间位置的所述像面的所述彩色光强图作为初始迭代面，将位于所述初始迭代面两侧的其余两幅所述彩色光强图分别作为第二迭代面和第三迭代面，将所述初始迭代面分为红色通道、绿色通道以及蓝色通道后通过光强传输方程TIE进行处理，得到各个彩色通道下的相位分布，将所述各个彩色通道的所述相位分布作为基于GS的角谱迭代方法的初始相位；
步骤3，将所述初始迭代面在所述各个彩色通道下的所述初始相位与记录所得的所述振幅结合，得到所述初始迭代面的复振幅分布，并通过快速傅里叶变换将所述复振幅分布转换到频域进行处理，利用对应间距的角谱传递函数得到每个迭代面的初始复振幅分布，通过所述初始复振幅分布得到每个迭代面的对应相位，当传播到对应的迭代面时，在空域用记录所得的所述振幅来校正受光场角谱衍射迭代偏差影响的计算振幅，通过结合记录所得的所述振幅与每个迭代面的所述对应相位得到每个迭代面的校正复振幅分布，将每个迭代面的所述初始复振幅分布与所述校正复振幅分布两者之间空间关联性更好的带入迭代运算中，在三个迭代面间进行循环迭代后得到所述初始迭代面中在各个彩色通道下的恢复相位，并通过分析光源和所述RGB三色滤波CCD相机的光波响应曲线确定所述各个彩色通道下的所述恢复相位的相位叠加权重，得到重建光强与所述初始光强分布均方根差值最小的最佳迭代相位；
步骤4，通过所述最佳迭代相位与记录的所述光强分布来得到所述初始迭代面的复振幅分布，并通过角谱传递函数来得到所述第二迭代面与所述第三迭代面的复振幅分布，从而得到所述第二迭代面与所述第三迭代面在各个所述彩色通道下的恢复光强分布；
步骤5，将三个所述彩色光强图在红色通道、绿色通道以及蓝色通道下的所述恢复光强分布进行叠加，得到重建彩色光强，在透射相位型SLM上快速循环加载相位图，并通过所述透射相位型SLM对入射光进行相位和振幅调制，即可再现一段像面深度，实现3D效果。
2.根据权利要求1所述的基于相位恢复的三维物体彩色再现方法，其特征在于：
其中，所述光强传输方程TIE为：
将公式(1)近似求解，得到：
对公式(2)利用傅里叶变换，求解得到：
公式(3)求得的Ψ即为所述初始相位，
公式(1)与(2)中，为光强轴向微分信号，为梯度运算符，λ为波长，Ib为所述初始迭代面的光强分布，Ia与Ic分别为所述第二迭代面与所述第三迭代面的光强分布，Δz为所述第二迭代面与所述第三迭代面的间距，
公式(3)中，F为傅里叶正变换，F-1为傅里叶逆变换，k为波数，等于2π/λ。
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