基于频率分解的全息显示方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及全息显示技术领域，尤其涉及基于频率分解的全息显示方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
全息显示是一种利用光的干涉、衍射原理进行的符合人眼视觉特性的理想三维显示方式。
全息显示的具体方式存在多种，比如，传统的光学记录全息术，但是，传统的光学记录全息术只能利用全息干板将物光的复振幅信息以干涉条纹的形式记录下来，对于光学实验环境要求复杂，并且，难以实现动态的大尺寸的三维显示。
可见，传统的光学记录全息术存在着一定的局限性。
近年来，随着计算机软硬件的不断完善和全息图显示设备的迅速发展，计算全息技术已经成为了实现全息三维显示的重要手段。该手段不受记录介质特性的影响，能够构建出复杂甚至非真实存在的物体。
可见，直接采用数字处理方法获得全息图，具有独特的优势。
但是，计算全息再现技术却受限于空间光调制器的像素结构和调制模式等特性，不仅在生成全息图时需要消耗大量时间，还带来了再现像质量的严重下降，无法满足目前人们对三维显示效果的要求。
可见，目前，计算全息再现技术存在着计算速度慢和成像质量较差的技术问题。
发明内容
为了解决计算全息显示成像质量较差和计算速度慢的技术问题，本发明实施例提供基于频率分解的全息显示方法、系统、设备及存储介质。
第一方面，本发明实施例提供一种基于频率分解的全息显示方法，包括：
获取待显示图像；
对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；
分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；
分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；
将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
优选地，所述空间光调制器包括反射式相位型空间光调制器、透射式振幅型空间光调制器，所述全息图包括第一全息图、第二全息图；
所述将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像，具体包括：
将所述第一全息图加载至与所述第一全息图对应的反射式相位型空间光调制器中，将所述第二全息图加载至与所述第二全息图对应的透射式振幅型空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
优选地，所述全息面复振幅分布信息包括第一全息面复振幅分布信息、第二全息面复振幅分布信息；
所述分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图，具体包括:
对所述第一全息面复振幅分布信息采用相息图编码方式进行编码，以得到第一全息图；
对所述第二全息面复振幅分布信息采用振幅型编码方式进行编码，以得到第二全息图。
优选地，所述分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息，具体包括：
根据所述待显示图像的物面采样间距确定二次位相因子；
根据预设空间光调制器像素间距确定频谱面位相因子；
分别根据所述目标频率信息、所述二次位相因子及所述频谱面位相因子确定对应的全息面复振幅分布信息。
优选地，所述根据所述待显示图像的物面采样间距确定二次位相因子，具体包括：
根据所述待显示图像的物面采样间距、第一激光器波长及第一衍射距离确定二次位相因子。
优选地，所述根据所述待显示图像的物面采样间距确定二次位相因子之前，所述基于频率分解的全息显示方法还包括：
对所述待显示图像进行离散化抽样处理，以得到物面采样间距。
优选地，所述对所述待显示图像进行离散化抽样处理，以得到物面采样间距，具体包括：
根据预设空间光调制器像素间距、第二激光器波长、第二衍射距离及全息面分辨率进行离散化抽样处理，以得到所述待显示图像的物面采样间距。
第二方面，本发明实施例提供一种基于频率分解的全息显示系统，包括：
图像输入模块，用于获取待显示图像；
滤波处理模块，用于对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；
复振幅分布确定模块，用于分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；
编码模块，用于分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；
全息显示模块，用于将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明第一方面提供的一种基于频率分解的全息显示方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面提供的一种基于频率分解的全息显示方法的步骤。
本发明实施例提供的基于频率分解的全息显示方法、系统、设备及存储介质，先获取待显示图像；对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。可见，本发明实施例可针对空间光调制器的不同调制特性进行频率分解行为，以最终提高计算全息再现质量，并且，在提升图像质量的同时也可保证在计算时间这一维度上的高效性和实时性，可见，本发明实施例解决了计算全息显示成像质量较差和计算速度慢的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图；
图2为本发明又一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图；
图3为本发明再一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图；
图4为本发明另一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图；
图5为本发明另一实施例提供的一种实验装置的操作流程图；
图6为本发明实施例提供的一种基于频率分解的全息显示系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
S1，获取待显示图像。
S2，对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息。
可以理解的是，计算全息再现技术却受限于空间光调制器的像素结构和调制模式等特性，无法满足目前人们对于三维成像质量的要求。针对此，本发明实施例为了提升三维成像质量，可针对空间光调制器的不同调制特性进行频率分解行为，以最终提高计算全息再现质量；而且，在提升图像质量的同时也可保证在计算时间这一维度上的高效性和实时性。
具体地，可先输入一个待显示图像，对该待显示图像滤波处理，以获得多个频率信息。
比如，预设数目可为2，此处并不限制频率信息的划分个数，但划分出的目标频率信息将与待使用的空间光调制器对应，以针对空间光调制器的不同调制特性进行频率分解行为。
其中，目标频率信息为不同频率范围的频率信息。
S3，分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息。
接着，将为每个目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息，每个目标频率信息将对应地存在着一个全息面复振幅分布信息。
S4，分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图。
比如，可根据不同空间光调制器的调制模式进行编码，以生成多张计算全息图。
S5，将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
接着，可将每个全息图分别加载入不同的与之对应的空间光调制器中，在空间中重建出再现图像。
其中，不同的目标频率信息分别对应的空间光调制器可以是不同类型的空间光调制器。
此外，本发明实施例的执行主体为电子设备。该电子设备中可包括空间光调制器，也可不包括空间光调制器，仅与空间光调制器存在着数据传输，比如，电子设备将全息图分别加载至与全息图对应的空间光调制器中。
其中，空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)是一类基于液晶微显示技术的实时光学信息处理、光互连及光计算等系统的核心器件。在电学信号或其他信号控制下，SLM可以改变空间光分布的振幅、强度、相位、偏振态及波长等性质。按照读出光的读出方式，可分为反射式和透射式；按照输入控制的信号，可分为光寻址 (OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)；按照调制模式的类型，可分为相位型、振幅型和复振幅型。
进一步地，就目前的计算全息再现技术而言，基于空间光调制器的全息显示中，理想图像只能在特定区域中完整再现，高阶衍射像和复杂信息的计算不仅在生成全息图时需要大量时间，而且还带来了再现像质量的严重下降。
就现阶段计算全息提升质量的算法而言，包括有基于单个相位型空间光调制器的迭代优化算法、基于双相位型空间光调制器的复振幅优化算法以及基于双振幅型空间光调制器的复振幅优化算法等。但是，这些手段往往需要大量的优化时间或者像素级别的联合对准复杂实验才能再现理想图像，难以同步实现实时和高质量三维显示。
因此，本发明实施例针对空间光调制器的不同调制特性，提出了基于频率分解提高计算全息再现质量的方式，可以在提升图像质量的同时保证在计算时间这一维度上的高效性和实时性。
进一步地，本发明实施例由于不需要对计算全息图进行迭代求解，可以实现复振幅实时显示，同时，也能够提升再现像的质量。
本发明实施例提供的基于频率分解的全息显示方法，先获取待显示图像；对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。可见，本发明实施例可针对空间光调制器的不同调制特性进行频率分解行为，以最终提高计算全息再现质量，并且，在提升图像质量的同时也可保证在计算时间这一维度上的高效性和实时性，可见，本发明实施例解决了计算全息显示成像质量较差和计算速度慢的技术问题。
图2为本发明又一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图，本发明又一实施例基于上述图1所示的实施例。
本实施例中，所述空间光调制器包括反射式相位型空间光调制器、透射式振幅型空间光调制器，所述全息图包括第一全息图、第二全息图。
可以理解的是，本发明实施例将以2个空间光调制器为例进行场景举例，同理地，也将存在着2个目标频率信息、2个全息面复振幅分布信息及2个全息图等。
所述S5，具体包括：
S51，将所述第一全息图加载至与所述第一全息图对应的反射式相位型空间光调制器中，将所述第二全息图加载至与所述第二全息图对应的透射式振幅型空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
具体地，若以激光器作为参考光源照明空间光调制器的屏幕，可分别根据计算全息图即全息图中各像素点的光强或相位对应的灰度值大小施加相应的电压到空间光调制器的液晶点阵上，以再现三维图像即上述全息图像。
其中，第一全息图对应反射式相位型空间光调制器，第二全息图对应透射式振幅型空间光调制器。
本发明实施例提供的基于频率分解的全息显示方法，可使用反射式相位型空间光调制器、透射式振幅型空间光调制器进行联合再现。
在上述实施例的基础上，优选地，所述全息面复振幅分布信息包括第一全息面复振幅分布信息、第二全息面复振幅分布信息。
所述S4，具体包括:
S41，对所述第一全息面复振幅分布信息采用相息图编码方式进行编码，以得到第一全息图。
S42，对所述第二全息面复振幅分布信息采用振幅型编码方式进行编码，以得到第二全息图。
其中，编码操作是指，在计算全息图的获取流程中针对不同类型的空间光调制器将全息面复振幅变换为透过率函数分布的一类操作行为。
可以理解的是，仍以2个空间光调制器为例进行场景举例。具体地，将存在着2个目标频率信息、2个全息面复振幅分布信息。
第一全息面复振幅分布信息可采用适配于反射式相位型空间光调制器的相息图编码方式，第二全息面复振幅分布信息可采用适配于透射式振幅型空间光调制器的振幅型编码方式。
具体地，编码过程可记为如下编码公式，
其中，Th(u,v)表示第一全息图，Tl(u,v)表示第二全息图；
可见，本发明实施例可针对不同的全息面复振幅采用不同的编码操作。
图3为本发明再一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图，本发明再一实施例基于上述图2所示的实施例。
本实施例中，所述S3，具体包括：
S31，根据所述待显示图像的物面采样间距确定二次位相因子。
具体地，待显示图像的物面采样间距是指针对输入图像的采样尺寸，可记为(Δx,Δy)，此处以x-y轴为例进行表述。
S32，根据预设空间光调制器像素间距确定频谱面位相因子。
其中，预设空间光调制器像素间距是指空间光调制器的像素间距，可记为(Δu,Δv)。
S33，分别根据所述目标频率信息、所述二次位相因子及所述频谱面位相因子确定对应的全息面复振幅分布信息。
在具体实现中，可联合目标频率信息、二次位相因子及频谱面位相因子来确定与目标频率信息对应的全息面复振幅分布信息。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据所述待显示图像的物面采样间距确定二次位相因子，具体包括：
根据所述待显示图像的物面采样间距、第一激光器波长及第一衍射距离确定二次位相因子。
其中，第一激光器波长可记为λ，第一衍射距离可记为z。就第一衍射距离而言，衍射距离可由应用环境或实验条件来确定。
具体地，二次位相因子可如下所示，
其中，exp表示复变函数中以自然常数e为底的指数函数；i为虚数单位；(x,y)表示物面的空间坐标，x为横坐标，y为纵坐标。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据预设空间光调制器像素间距确定频谱面位相因子，具体包括：
根据预设空间光调制器像素间距、第一激光器波长及第一衍射距离确定频谱面位相因子。
具体地，频谱面位相因子可如下所示，
其中，(Δu,Δv)表示预设空间光调制器像素间距；(u，v)表示频谱面空间坐标。
进一步地，就分别根据所述目标频率信息、所述二次位相因子及所述频谱面位相因子确定对应的全息面复振幅分布信息的操作而言，可应用如下所示的复振幅分布确定公式，
其中，Uh(u,v)表示第一全息面复振幅分布信息，Ul(u,v)表示第二全息面复振幅分布信息；Oh(x,y)、Ol(x,y)表示目标频率信息。
具体地，就复振幅分布确定公式而言，若目标频率信息包括着第一频率信息、第二频率信息，不同频率信息与二次位相因子先作乘积，再作傅里叶变换，再将傅里叶变换结果与频谱面位相因子作乘积，以得到不同频率信息的全息面复振幅分布信息。
此外，就复振幅分布确定公式而言，也可通过角谱计算等方式输入不同频率信息来得到不同频率信息的全息面复振幅分布信息，同时，可保证再现图像的尺寸不变。
其中，第一频率信息与第二频率信息的频率范围不同。
其中，第一频率信息可为高频信息，第二频率信息可为低频信息。同理地，第一全息图、第一全息面复振幅分布信息均对应于高频信息，第二全息图、第二全息面复振幅分布信息均对应于低频信息。
图4为本发明另一实施例提供的一种基于频率分解的全息显示方法的流程图，本发明另一实施例基于上述图3所示的实施例。
本实施例中，所述S31之前，所述基于频率分解的全息显示方法还包括：
S301，对所述待显示图像进行离散化抽样处理，以得到物面采样间距。
可以理解的是，为了确定输入图像的采样尺寸，进行离散化抽样处理，使得物面采样间距符合奈奎斯特采样定理和空间光调制器像素特性。
其中，抽样操作是指计算全息术在记录、存储和处理时，由于物理器件有限的信息容量，可对连续函数进行的一类操作行为。
在上述实施例的基础上，优选地，所述对所述待显示图像进行离散化抽样处理，以得到物面采样间距，具体包括：
根据预设空间光调制器像素间距、第二激光器波长、第二衍射距离及全息面分辨率进行离散化抽样处理，以得到所述待显示图像的物面采样间距。
更具体地，可采用如下所示的物面采样间距确定公式，
其中，(Δx,Δy)表示待获得的物面采样间距，(Δu,Δv)表示预设空间光调制器像素间距，λ表示第二激光器波长，z表示第二衍射距离， (M×N)表示全息面分辨率。
其中，第一激光器波长、第二激光器波长仅作使用场景下的名称区分，第一激光器波长可与第二激光器波长相等。其他类似情况，以此类推。
进一步地，预设数目可为2，2个目标频率信息可分别为第一频率信息和第二频率信息。
进一步地，可对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息。
其中，就该滤波处理操作而言，面向图像的滤波操作是基于计算机技术或者光学元件对图像进行的频域或空域的处理操作。
输入通常是图像，输出是从这些图像中提取出来的相关属性，例如边缘、频率、轮廓及指定对象的属性等。滤波方式包括线性滤波器和非线性滤波器。
具体地，就该滤波处理操作而言，可设定滤波函数进行滤波处理行为。
比如，可将待显示图像记为O(x,y)，若以2个空间光调制器为例进行场景举例，可划分出高频信息Oh(x,y)和低频信息Ol(x,y)。
滤波函数如下所示，
其中，Oh(x,y)表示高频信息，Ol(x,y)表示低频信息；
进一步地，预设数目可为2，2个目标频率信息可分别为高频信息和低频信息。
高频信息和低频信息可通过滤波函数的预设阈值来划分，例如，高斯滤波半径的5％。当然，不同的输入图像可对应调整滤波函数及阈值。
可见，本发明实施例可分别计算目标图像的高低频全息面分布，并加载在不同调制类型的空间光调制器中以进行联合复振幅显示，从而突破了传统计算全息显示复振幅难以实时显示的瓶颈，同时能够抑制系统和算法噪声。
图5为本发明另一实施例提供的一种实验装置的操作流程图，如图5所示，该实验装置包括有激光器1、扩束准直器2、偏振片3、分束器4、空间光调制器5、反射镜6、计算机7、接收屏8、分束器9、分束器10、空间光调制器11及计算机12。
可见，存在着分束器三个、空间光调制器两个及计算机两台。
其中，接收屏可换以电荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)。
其中，高频信息对应的第一全息图可记为高频全息图Th(u,v)，低频信息对应的第二全息图可记为低频全息图Tl(u,v)。
具体地，在实验过程中，可使用计算机7控制低频全息图Tl(u,v) 加载入空间光调制器5，计算机12控制高频全息图Th(u,v)加载入空间光调制器11进行联合再现。
其中，空间光调制器5为透射式振幅型，空间光调制器11为反射式相位型。
最终，可将输入图像和再现图像的峰值信噪比和结构相似性进行对比分析，比如包括不同频率图像的衍射及再现计算。
本发明实施例提出的方法与传统方法相比可发现，本发明实施例重建图像的质量均表现出较好的效果。
图6为本发明实施例提供的一种基于频率分解的全息显示系统的结构示意图，如图6所示，该系统包括：图像输入模块301、滤波处理模块302、复振幅分布确定模块303、编码模块304及全息显示模块305；
图像输入模块301，用于获取待显示图像；
滤波处理模块302，用于对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；
复振幅分布确定模块303，用于分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；
编码模块304，用于分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；
全息显示模块305，用于将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
本发明实施例提供的基于频率分解的全息显示系统，先获取待显示图像；对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。可见，本发明实施例可针对空间光调制器的不同调制特性进行频率分解行为，以最终提高计算全息再现质量，并且，在提升图像质量的同时也可保证在计算时间这一维度上的高效性和实时性，可见，本发明实施例解决了计算全息显示成像质量较差和计算速度慢的技术问题。
本发明实施例提供的系统实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)401、通信接口 (Communications Interface)402、存储器(memory)403和总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过总线404完成相互间的通信。通信接口402可以用于电子设备的信息传输。处理器401 可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：
获取待显示图像；
对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；
分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；
分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；
将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
此外，上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：
获取待显示图像；
对所述待显示图像进行滤波处理，以得到预设数目的目标频率信息；
分别根据所述目标频率信息确定对应的全息面复振幅分布信息；
分别对所述全息面复振幅分布信息进行编码，以得到全息图；
将所述全息图分别加载至与所述全息图对应的空间光调制器中进行联合再现，以显示全息图像。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
