二维透视照片的三维全息图处理方法

第37卷　第1期厦门大学学报(自然科学版)V o l.37　N o.1　1998年1月Jou rnal of X iam en U n iversity(N atu ral Science)Jan.1998　

二维透视照片的三维全息图处理方法①

陈锦贞　刘　守　赖虹凯　汤作立黄晓菁

(厦门大学物理学系　厦门　361005)(集美大学水产学院　厦门　361021)

摘要　提出一种二维透视照片合成三维全息图的方法.它利用人眼的视差及大脑本能功能,将普通相机对一物体在不同角度拍摄下的数张二维透明片,用激光全息的存贮编码方法进行组合记录,最后采用彩虹全息二步法进行第二次拍摄,可得到一张效果逼真且随观察角度的变化而变化的、具有动感的三维全息图.给出此方法的理论分析和实验结果.

关键词　彩虹全息图,三维成像,视差

中国图书分类号　O439

全息照相术第一次给人眼以满意的空间像,就其技术原理、工艺、成像效果而言,目前看来是三维成像的最有效办法.全息术记录的三维物体大多是实物,它可以逼真地再现出原物的空间像,但对尺寸较大及不能移动的物体,似乎显得颇为困难.于是人们考虑将全息术与普通照相术结合起来,用二维照片来获得三维显示.典型的如360°度合成彩虹全息[1],它是将普通照相记录的一系列带有水平视差的二维底片在同一张全息软片上制成全息图.它的明显缺点是记录360°景物较为麻烦.另一种新老技术结合的办法[1]是用几十个小透镜或照相机对物体进行同步拍摄,底片处理后再用全息照相,其缺点是小透镜分辨率低、像差大、费用昂贵.

本文提出的对二维透视照片的处理技术较以上方法易行、实用.它只需拍摄物体的数张普通二维透明片,经适当编码,用二步彩虹全息术很容易得到一张三维效果明显的白光再现全息图.而且应用模压技术可以对此全息图进行大批量生产,既降低成本又可满足市场需求.本文提出的方法如用来拍摄人物头像制成模压全息图用于商标或标识,它将具有十分有效的防伪功能和重要的经济价值;如用于拍摄一地区具有代表性的建筑物制成有动感的全息标饰,则具有一定的代表性、欣赏价值和经济价值.

1　原理及实验方案

人眼产生深度感的因素是多方面的,其中最重要的是双眼视差,即两眼对同一物体的两个不同方向像的同时印象,它是人眼的一种生理暗示,产生双眼体视效果,从而获得深度感,以往许多成像技术就利用了这种视差.另一方面,当单只眼睛左右移动时,可以从多个方向观看三维物体,它的效应与双眼视差相同.如果移动双眼,将得到更为真实的深度感[2].利用此方法制作的全息图再现的原始像是真正的三维像,它和一个体视对的立体像是不同的.三维像不仅是

①本文1997207225收到

立体的,而且包含视差信息,也就是说,观察者摆动头部可以看到全息再现像的不同侧面,但对一个体视对的立体像,只能看到形成该体视对时的固定侧面,不言而喻,三维像比立体像更接近三维物体本身[3].

我们根据以上对双眼视差的分析来设计实验方案,由于双眼处于水平方向,我们可以舍去垂直方向的视差信息.

第一步,制作拍摄对象的二维正透视片.如图1,我们用普通照相机在水平方向上对物体O 拍若干张照片,拍照时相机与物体距离不变,角度顺序均匀变化.由于只需看到物体的侧面就能产生很好的三维效果,我们没有必要对物体进行360°拍摄,而只要拍60～100°范围就足够了.图1中假设拍2n +1张照片,物体O 相对于第一次相机位置(A 1)或最后一次相机位置(A 2n +1)与第n +1次的相机位置(A n +1)的夹角Η0为30

～50°.一般拍7～20张即可,照片按设定尺寸缩放后再拍成所需的二维正透视片.

　图1　用普通相机拍摄二维底片　F ig .1　M ak ing 2D fil m s w ith

o rdinary cam era

第二步,对透视片编码,拍摄二步彩虹全息的主全息

图H 1.按照白光再现的二步彩虹全息术,H 1是菲涅耳全息

图,这里所不同的是我们要先对2n +1张透视片编码,即在

一张全息底片上分2n +1个单元,按顺序对应记录每张透视

片的一单元菲涅耳全息图,2n +1次曝光后处理而成一张组

合的主全息图H 1.2n +1个单元排列方向与物体正竖直方

向垂直.原则上,第1个单元(或第2n +1个)与第n +1个单

元到透视片连线的夹角ΗH 1与第一步的Η0相等(ΗH 1=Η0),使

我们在左右对称的一定范围内观察到图像(如图2).

第三步,记录彩虹全息图H 2.用记录H 1时的共轭参考光照明H 1,如果2n +1张透视片原先置于同一位置,那么

图2　对透视片编码,记录H 1

F ig .2　Coding transparencies and reco rding H 1它们的实像将同时再现并重叠.以这

重叠组合的像为物,设计一定大小的

H 1缝宽,加入参考光R 2,制成白光再

现的彩虹全息图H 2(如图3).

H 2在白光照明下,物体与狭缝都呈现相应波长的像,物体再现像是

正方向时,狭缝像是水平的.若人眼

处于某一波长缝像位置,左右眼将观

察到物体相应颜色的一对具有水平

视差的再现像,构成双眼体视像.当

观察者头向右移动时,两眼将进一步看到显露物体右侧的再现像,而当观

察者头向左移动时,两眼则看到物体左侧的再现像,这一系列再现像形成了物体不同侧面的体视像,从而产生了逼真的三维效果.

记录H 2时,H 1的缝宽大约为5～6mm .缝宽的选择是基于下述对像模糊的分析.由波长展宽产生的像模糊为[4]

・

43・ 厦门大学学报(自然科学版) 1998年

图3　记录彩虹全息图H 2 F ig .3　R eco rding rainbow ho logram H 2

∆Κ=Z 0

D +∃L

(1)式中∃为缝宽,L 为狭缝像与H 2的距离,D 为眼睛瞳孔的直

径,Z 0为H 1重现像与H 2平面

的距离.由于记录H 2时物是平

面的,Z 0→0,∆Κ可不考虑.由

狭缝衍射引起的像模糊为[4]

∆d =

2Κ(Z 0+L )∃

(2)因为Z 0→0,则　∆d =

2ΚL ∃

(3)这近似为散斑噪声,它必须小于人眼的分辨极限,否则再现像将被噪声所淹没.人眼的最小分辨角为1′,因而必须满足2Κ∃

<1′,所以缝宽∃不能太小.另外考虑到再现像的单色性[5]

∃ΚΚ=∃+D L sin ΗR

(4)ΗR 为参考光角度,缝宽∃又不能太大

.按实验条件计算,∃大约取5～6mm .2　实验记录与结果

实验中,我们拍摄了厦门大学建南大礼堂正面两侧大约70°范围内变化的七张二维正透视片,大小为75mm ×55mm .H 1用A gfa 银盐干板记录,光路布置如图4,波长用632.8nm .彩虹全息图H 2用A r +激光波长457.9nm 记录,光路布置如图5,用光刻胶版记录浮雕式全息图,可作为模压的母版.

　图4　记录H 1的光路布置

　F ig .4　Op tics array fo r reco rding H 1　图5　记录H 2的光路布置　F ig .5　Op tics array fo r reco rding H 2

我们对实验结果建南大礼堂三维全息图从两个不同方向拍摄下的普通照片(如图6),从图中我们可以看到物体的再现像,而全息图中一系列再现像形成物体不同侧面的体视像.利用所提出的方法制作的三维全息图基本达到我们预期的三维显示效果,有一定的噪声,这是二维透视片对比度不够高所致.由于本实验在拍摄相片的过程中相机没有在同一水平面上,而且图像之间的角度变化太大,使得图像变化不够平滑.

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53・第1期 陈锦贞等:二维透视照片的三维全息图处理方法