專利名稱：三維數字全息光子地圖的制作方法
技術領域：
本發明屬于三維地理信息顯示和計算全息技術領域，具體涉及一種能夠顯示三維地形的數字全息光子地圖。
背景技術：
近年來，社會經濟的穩步發展和人民生活水平的日益提高，使得實際應用中對空間地理信息的感知不斷提出新的要求。無論在軍事上的戰場精確打擊和城市反恐，還是在日常生活中的交通擁塞疏導和地理信息導航，全視差、多角度的裸眼真三維地形信息圖都成為人們的迫切需要。目前公知的地圖學，是一種平面二維的制圖學。如常規的紙質和電子地圖，只是地形信息在平面上的表象，缺乏地形的三維表示和空間立體感；而近期飛速發展的三維虛擬電子地圖，利用透視關系，在屏幕上顯示三維地理信息一個視角上的二維投影圖像，缺乏三維直觀性，降低了人眼觀察的舒適度，而且由于投影和透視計算，地物有顯示誤差，同樣不能有效地滿足科技發展對三維地理信息精確顯示的需求。在三維全息地圖方面,美國麻省理工學院媒體實驗室的Mark Lcucente小組提出了基于Hogel技術的空間光場再現方法，由于采用光場復振幅實部作為基本衍射條紋，因此再現過程中存在共軛像的干擾；美國Zebra Imaging公司實現了三維模型的全息地圖，但是其技術細節從未公開。同時，此項技術國內尚未有文獻報道。·基于這種情況，本發明提供了一種三維全息光子地圖，既具備紙質和電子地圖的精確性，又具有適于人眼觀察的三維直觀性和空間立體感。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠再現三維地形的數字全息光子地圖板。關鍵技術在于將地圖地形地貌特征建模為空間三維點集，通過逆向衍射全息技術計算數字全息圖，寫入全息記錄介質，在再現光源照射下重現逼真、立體的三維地形圖。本發明的特征在于，一種用于顯示三維地形的數字全息光子地圖板，包含再現光源；全息圖記錄介質；三維地形信息采集與計算全息圖激光寫入系統；其中三維地形信息采集與計算全息圖激光寫入系統包括地形數據采集系統、全息圖計算裝置、全息寫入系統。再現光源與全息圖計算所采用的光源具有相同波長，既可以是白光光源，也可以是單色光源；全息圖可以是反射型全息圖，也可以是透射型全息圖或者模壓全息圖。所述地形數據采集系統具有采集三維地形信息功能，可以是利用點掃描、線掃描、面陣的圖像傳感器實現三維地形信息獲取的裝置，也可以是從虛擬三維模型中獲得地形信息的軟件系統。所述全息圖計算裝置采用基于數字衍射光柵的全息圖計算方法，根據不同的衍射角度基于迭代傅里葉變換算法獲得不同頻率的基本數字衍射光柵，多條數字衍射光柵疊加組成光子地圖板的一個全息衍射單元。算法迭代運算在全息面和衍射面之間進行，生成的數字衍射光柵取其相位，組成純相位型全息圖。相位型基本衍射光柵衍射效率高,克服了普通光學全息中共軛像難以分離的問題。所述全息圖計算裝置中，光點的衍射功能單元分配采用查找表的方法。即根據光點與光子地圖板的空間位置關系，預先計算三維地形數據的衍射單元分配表，克服了逐個計算光點的衍射單元耗時長的問題，提高了計算效率和干涉條紋的生成速度。另外，在衍射單元分配表的計算中采用低頻優先的原則，即空間光點最優化地使用功能衍射單元的低頻數字光柵。此種優化使數字光柵的低頻部分得到最充分的利用，再現光的光能利用效率得到提高。對三維地圖的每個光點查找衍射分配表，獲得該光點的功能衍射單元和衍射方向分配，根據光點亮度對其進行強度賦值。所述全息圖記錄介質是具有記錄計算全息圖功能的介質材料，可以是鹵化物銀鹽干版和聚合物干版，也可以是空間光調制器。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本發明提供的三維地形信息采集與寫入系統和三維光子地圖板能夠快速將三維地形信息轉化為全息干涉條紋，在再現系統下顯示地形的空間三維信息，同時可以方便在地圖中標繪數據信息，達到全視角、高精度、形象逼真的三維立體地圖顯示效果。


本發明三維全息光子地圖板的附圖有4個。圖I三維全息光子地圖板第一個實施例的結構示意圖。圖2三維全息光子地圖板第二個實施例的結構示意圖。圖3純相位基本數字衍射光柵迭代計算簡圖。圖4數字全息圖計算過程框圖。圖I 圖4中，(I)-再現光源，⑵-全息圖記錄介質，(3)-地形數據采集系統，
(4)-全息圖計算裝置、(5)-全息寫入系統、(6)-激光器。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明“三維全息光子地圖板”做進一步描述。圖I為本發明提供的三維光子地圖板的第一個實施例，由再現光源⑴、全息圖記錄介質(2)、地形數據采集系統(3)和全息圖計算裝置⑷組成。再現光源⑴是白光或者是單色光源，再現光源的選擇由全息圖計算裝置(4)決定，與全息圖計算裝置所采用的光源波長相同。在該例中，全息圖記錄介質(2)選擇液晶空間光調制器，該器件在空間上調制光的強度和相位分布，是一種動態光學元件，具有較高的衍射效率和可刷新性。地形數據采集系統(3)包含多個點掃描、線掃描、或者面陣的圖像傳感器。圖像傳感器采用在三維地形上移動，或者架設在地形上方不同方向的方法拍攝，獲得三維地形一系列從左到右、從上到下的透視圖像。每一幅獲取的圖像對應三維物體的一個視覺角度，每一個角度對應一個圖像傳感器位置。地形數據采集系統(3)或是從地形虛擬三維模型軟件系統中獲得三維地形的多角度二維圖像。運動恢復結構算法SfM在多角度序列圖像中跟蹤三維地形的多個特征點，提取并匹配出所有特征點在二維圖像上的位置，利用矩陣分解的·方法在三維空間中做相似變換，恢復地形的三維結構，獲得地形的三維點陣數據。在三維點陣數據中可根據需要加入相應的地圖信息，如行政邊界、地名、建筑物名稱信息，使其具有數據表示和地理指示功能。全息圖計算裝置(4)根據逆向衍射計算全息算法獲得三維全息圖。傳統的全息圖計算方法是基于干涉的全息圖計算，模擬在光學全息中的干涉環節，計算物光與參考光的干涉條紋作為全息圖。數字全息圖的實際作用是調制再現光產生三維圖像，再現過程是對光線的衍射，并不涉及干涉過程。逆向衍射計算全息技術僅僅考慮全息圖的衍射再現環節，將傳統全息圖中的干涉條紋視為具有特定衍射功能的數字光柵，全息圖的計算過程簡化為由三維場景的點陣信息逆向求取數字衍射光柵的過程。具體實施方法為三維地形的每個點由全息圖中多個不同位置衍射單元中的基本數字光柵衍射光線匯聚而成。根據地形中目標點與全息圖的相對位置關系，計算形成該點的衍射單元和基本衍射光柵，并對該衍射單元中的對應光柵進行強度賦值。對三維地形的所有點逐一掃描后，賦值的衍射單元形成三維數字全息圖。計算的全息圖由計算機直接下載到空間光調制器中，在再現光源照射下重構三維地形。由于空間光調制器具有動態寫入特性，可以實現全息圖的實時更新，實現三維地形數據的動態顯示。
圖2為本發明提供的三維光子地圖板的第二個實施例，其特征為，全息圖記錄介質為鹵化物銀鹽干版或者聚合物干版，其分辨率可以達到1000線/mm以上，因此該記錄介質可以體現三維地圖微小的空間形貌特征，具有極高的分辨率和精度。銀鹽干版或者聚合物干版需要采用激光器(6)逐點寫入的方式，具有不可刷新性。銀鹽干版或者聚合物干版寫入全息圖后，表面加有玻璃構成的透明層，上面印有地圖信息對應的行政邊界、地名、建筑物名稱信息，具有標繪地物和保護全息圖的功能。圖3所示為全息圖計算裝置(4)中純相位基本數字衍射光柵的迭代計算過程。不同頻率的基本數字光柵對光的衍射方向不同低空間頻率的數字光柵對光的衍射角小，高空間頻率的數字光柵對光的衍射角大。每個基本數字衍射光柵將再現光調制到衍射光場的一個方向，多個方向的衍射光線匯聚形成三維地形的一個光點。根據衍射原理，遠場夫瑯禾費衍射中，衍射面與全息面之間滿足傅里葉變換關系，其中，傅里葉變換的時域代表基本數字光柵的條紋分布，頻域代表數字光柵的衍射方向。因此，利用迭代傅里葉變換的方法計算基本數字衍射光柵。實施方法為由隨機函數生成光柵u(x)，傅里葉變換到頻域后，對光柵的衍射方向施加約束，即施加頻率約束給V( Θ );傅里葉逆變換到空域后，加入再現光的幅值約束，即施加空間約束給U(X)，反復迭代至光柵頻譜特性滿足要求。取此時的復振幅U(X)的相位Φ作為純相位基本數字衍射光柵，具有無共軛像和衍射效率高的優點。圖4所示為三維數字全息圖計算過程。為了提高數字全息圖的計算速度，算法采用衍射單元分配查找表方法。實施方法為根據地形三維空間結構中光點與全息面的位置關系，計算衍射形成該點的衍射單元和基本衍射光柵，放入一個表中。計算全息圖的過程中，根據點的位置查找該表獲得衍射單元和基本衍射光柵分配，直接對基本衍射光柵的強度賦值，避免了求解衍射單元和基本衍射光柵過程中的重復運算。三維數字全息圖計算實施過程為地形數據采集系統(3)獲得三維地形的多角度二維圖像，運動恢復結構算法SfM重構地形的三維結構信息。地形三維結構信息離散為空間光點，提取其坐標(x，y，z)和強度Μ。空間光點坐標y作為衍射單元序列的行坐標，利用空間光點坐標X，z查找衍射單元分配表，獲得衍射單元分配及系數，系數與強度M相乘決定分配的衍射單元與光柵的幅值。遍歷三維模型所有光點后，衍射單元序列與附圖3實例計算的純相位基本數字衍射光柵卷積 運算，獲得三維地形的全息圖。
權利要求
1.一種能夠顯示三維地形的數字全息光子地圖，其特征在于，至少含有再現光源(I)、全息圖記錄介質(2)、三維地形信息采集與計算全息圖激光寫入系統，其中三維地形信息采集與計算全息圖激光寫入系統包括地形數據采集系統(3)、全息圖計算裝置(4)、全息圖寫入系統(5)。
2.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于，所述再現光源(I)與全息圖計算裝置(4)所采用的光源具有相同波長。
3.根據權利要求2所述的三維全息光子地圖，其特征在于，所述所采用的光源為白光光源或單色光源。
4.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于，所述全息圖記錄介質⑵是具有高亮度衍射特性的全息記錄介質材料。
5.根據權利要求4所述的數字全息光子地圖，其特征在于，所述具有高亮度衍射特性的全息記錄介質材料，為鹵化物銀鹽干版和聚合物干版，或空間光調制器，全息圖是反射型全息圖、透射型全息圖或者模壓全息圖。
6.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于，所述地形數據采集系統(3)具有采集三維地形信息功能，其是利用點掃描、線掃描、面陣的圖像傳感器實現三維地形信息獲取的裝置，或是從虛擬三維模型中獲得地形信息的軟件系統；所述地形數據采集系統(3)采用運動恢復結構算法SfM重構地形三維數據，獲得地形三維點陣信息。
7.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于，所述全息圖寫入裝置(5)將計算得到的全息圖寫入到全息圖記錄介質(2)中，采用激光曝光方式寫入或采用模壓方式寫入。
8.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于所述的光子地圖具有數據標繪指示功能，該地圖在再現光源(I)照射時，顯示的全息圖不僅包含原始的三維地形信息，還包含地圖的行政邊界、地名、建筑物名稱、尺寸信息和地圖說明。
9.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征在于其中全息圖計算裝置(4)采用逆向衍射計算全息技術，從衍射結果出發，將光學重構的三維地形作為衍射目標圖像，逆向求取需要的衍射條紋，避免了干涉過程復雜的計算方法，該方法計算僅基于發生在全息圖像重構時的衍射，采用逆向方法求解數字光柵，歸一化衍射的光柵不再是嚴格的物理干涉條紋，而是通過更清晰地了解衍射目的或采用合成的方法產生的合成光柵，這種合成光柵是基本數字光柵條紋的疊加，它存在于每一全息衍射單元中，用于合成所需的三維圖像。
10.根據權利要求I或8所述的數字全息光子地圖，其特征在于其中全息圖計算裝置(4)采用純相位基本衍射光柵算法，根據數字光柵的衍射特性，由不同的衍射角度基于迭代傅里葉變換算法獲得不同頻率的基本數字衍射光柵，多條基本數字衍射光柵疊加組成光子地圖板的一個全息衍射單元，迭代運算在全息面和衍射面之間進行，生成的數字衍射光柵取其相位，組成純相位型全息圖，純相位基本衍射光柵衍射效率高，克服了普通光學全息中共軛像難以分離的問題。
11.根據權利要求I或8所述的數字全息光子地圖，其特征在于衍射單元分配中的查找表方法是根據光點與光子地圖板的空間位置關系，預先計算三維地形數據的衍射單元分配表，克服了逐個計算光點的衍射單元耗時長的問題，提高了計算效率和干涉條紋的生成速度；在衍射單元分配表的計算中采用低頻優先的原則，即空間光點最優化地使用功能衍射單元的低頻數字光柵，此種優化使數字光柵的低頻部分得到最充分的利用，再現光的光能利用效率得到提高。
12.根據權利要求I所述的數字全息光子地圖，其特征是數字全息光子地圖計算中采用逆向衍射計算全息技術、運動恢復結構、純相位基本衍射光柵算法以及衍射單元分配的查找表方法。
全文摘要
本發明屬于三維地理信息顯示領域，具體涉及一種顯示三維地形的全息光子地圖。由再現光源、全息圖記錄介質組成。具體通過地形數據采集系統獲取三維地形信息，采用運動恢復結構算法SfM重構地形三維數據。基于逆向衍射計算全息技術和衍射單元查找表算法計算三維地形全息圖。將全息圖寫入記錄介質中，形成光子地圖板。本發明提供的三維光子地圖板能夠顯示地形的空間三維特征，達到全視角、多角度、高精度的三維地圖顯示效果，同時具有數據標繪指示功能，克服了現有的地圖無法精確、直觀表現三維地形信息的不足。
文檔編號G09B29/00GK102938229SQ20121036123
公開日2013年2月20日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者蔣曉瑜, 閆興鵬, 裴闖, 李強, 汪熙, 陳卓, 張桂敏, 謝志宏, 劉中晅 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院