Способ дистанционного формирования голографической записи
METHOD OF HOLOGRAPHIC RECORDING REMOTE FORMATION

Изобретение относится к способам удаленной от 3D объекта записи его голографического изображения и может быть использовано в устройствах дополненной реальности, при создании голографических фотоаппаратов и 3D видеокамер, 3D телескопов и микроскопов, устройств с синтезированной апертурой [P. Milgram and A.F. Kishino, Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays. IEICE Transactions on Information and Systems, E77-D(12), pp. 1321-1329, 1994], [Кондратенков, Г.С. Радиовидение. Радиолокационные системы зондирования Земли Текст. / Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов // М.: Радиотехника, 2005. 368 с.].
1
1
1
1
1
Голографические устройства используются для полной 3D объемной записи изображения объекта и обычно состоят (фиг. 1) из когерентного осветителя (1), оптической системы (2, 3), освещающей объект и формирующей опорный пучок r(x,y), который вместе с рассеянным объектом (4) излучением (объектный пучок U(x,y) направляют на расположенный вблизи, в составе оптической схемы записи, фоточувствительный материал или фотоприемную матрицу (ФП), где формируется картина интерференции между объектным и опорным пучками τ(Е), представляющая собой голограмму (Г). [Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения / Ю.Н, Денисюк. - ДАН СССР. - 1962. - Т. 44. - С. 1275]. Период интерференционных полос d на голограмме определяется длинной волны излучения λ, используемого при записи когерентного осветителя, углом схождения Θ между объектным и опорным пучками и определяется из формулы (1), где n - показатель преломления среды, в которой происходит дифракция.
Таким образом, при углах, сравнимых по порядку величины с радианом, что практически всегда выполняется, период голографической решетки d сравним с длинной волны записывающего излучения λ.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
На этапе восстановления 3D изображения объекта полученную голограмму (Г) транспортируют к месту показа изображения и освещают опорным пучком (Фиг. 2). За счет дифракции света восстанавливающего опорного пучка r(x,y) на голограмме (Г) возникает несколько порядков дифракции, один из которых называют минус первым пучком. Он формирует восстановленное голограммой 3D изображение объекта U'(x,y), другими словами - формирует волновой фронт в точности повторяющий волновой фронт, рассеянный объектом на этапе записи голограммы (U'(x,y)=U(x,y)), видный наблюдателю (5), как 3D изображение объекта (4).
Восстановленное голограммой изображение имеет поперечное разрешение h, как и в обычной оптической системе переноса изображения, определяемое так называемым критерием Рэлея и равно диаметру пятна Эйри h [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.: Наука. - 1970]:
При (D/f)=Ω~1, размер точки в восстановленном голограммой изображении сравним с длинной волны λ.
Количество информации N, которое может быть записано на такую голограмму, согласно [Hill В. Some Aspects of a Lage Capasity Holographic Memory // Appl. Opt, 1972, v. 11, №1, pp. 182-196], равно:
2
11
10
где Ω - относительное отверстие отображающей системы, в нашем случае голограммы, L - ее поперечный размер, S - площадь, а λ - длина волны записывающего голограмму излучения. Следовательно, при Ω=1, что характерно для хороших оптических отображающих систем, плотность записи информации на голограмму соответствует примерно одному биту на площади, равной λ. Для изобразительных голограмм реальных портретов человека, размером A3 (297×420 мм) количество записываемой информации в такой голограмме достигает N=5⋅10 бит, или примерно 6⋅10=60 Гигабайт, что соответствует информации, содержащейся в двух кинофильмах стандарта Full HD. Передавать такое количество информации быстро по обычным радиоканалам крайне сложно, а в режиме кино - видео проекции, т.е. 24-25 кадров в секунду практически невозможно. Без специального кодирования это бы заняло весь радиодиапазон. Поэтому для передачи голографической информации на расстояние требуются специальные методы записи голографической информации, осуществляющие ее сжатие без недопустимых потерь.
Известен способ записи голограмм и передачи их на расстояние [Островский Ю.И. Голография и ее применение. - Л.: Наука, 1973, с. 34-37.], заключающийся в освещении когерентным световым пучком объекта голографирования с последующим отражением этого пучка от объекта голографирования с формированием объектного волнового поля, воздействии на светочувствительный материал объектным и опорным волновыми полями и в последующей обработке светочувствительного материала с получением голограммы, представляющей собой дифракционную решетку, при освещении которой восстанавливается объектное волновое поле, являющееся голографическим изображением Фиг. 1. Такую голограмму можно переместить с места записи на место восстановления механическим переносом Фиг. 2, или созданием специального оптического канала с разрешением, равным разрешению голограммы, т.е., согласно формуле (2) с увеличением расстояния f потребуется пропорционально увеличивать и диаметр D такой оптической системы, или создавать непрерывную цепочку объективов, переносящих восстановленное голограммой изображение от самой голограммы до наблюдателя. Однако такой оптический канал связи является только гипотетическим и реальное его создание не представляется возможным, да и использовать его, в отличие от радиоканала сможет лишь один потребитель, расположенный на конце цепочки объективов. При оперативной (например 25 раз в секунду) передаче информации о такой голограмме (60 Гигабайт на кадр) по радиоканату будет занят, практически, весь радиодиапазон.
Недостатком указанного способа является отсутствие практической возможности передачи голографического изображения (голограммы) на расстояние по радиоканалу, как и по любому другому электронному, каналу связи.
В качестве прототипа выбран способ формирования голограмм по патенту США №US 20060187297 A1 «Holographic 3-d television» МПК H04N 5/77 [https://www.google.com/patents/US20060187297]. В указанном патенте предлагается телевизионная система, состоящая из 4х блоков (Фиг. 3), первый из которых - блок захвата трехмерной сцены (Фиг. 4), состоящий из множества фотокамер, второй - блок хранения и передачи захваченной 3D сцены, далее идут блоки вычислительной системы для формирования модели изображения, например, из узлов и ребер (Фиг. 5), эта модель передается на расстояние по каналу связи на голографический дисплей (Фиг 6), на котором формируется 3D изображение (Фиг 7). Работа устройства заключается в многократном фотографировании с разных сторон объекта набором различных фотокамер (захват сцены) и последующего создания компьютерной (виртуальной 3D модели) объекта с помощью трехмерных графических методов. Например, в виде определения и захвата узлов и ребер различных деталей изображения, как правило, в виде связанных треугольников, которые потом наполняются цветом, создавая поверхностную текстуру. Далее эта 3D сцена передается на расстояние по известному каналу связи в виде сформированной виртуальной компьютерной 3D модели объекта. Таким каналом, например, может быть радиоканал. Затем на приемном конце канала по уже созданной на передающем конце канала связи 3D модели объекта, на голографическом дисплее формируется набор изображений (так называемая голограмма), которые в свою очередь воспринимаются наблюдателем как 3D изображение.
3
Недостатком указанного способа является ограничение числа ракурсов видения объекта количеством используемых фото, или видео камер. Синтезированная таким образом голограмма может отображать столько ракурсов изображения объекта, сколько камер участвовало в съемке. Количество информации в одном кадре, поступающее от каждой камеры стандарта Full HD, примерно равно 1920×1080 точек по 2 байта на каждую, т.е. примерно 4 мегабайта на кадр. Следовательно, для создания полной 3D картины голографируемого объекта в видимом диапазоне длин волн, содержащей, согласно (3) 60 Гигабайт, необходимо установить 15 тысяч Full HD камер, что практически невозможно. Кроме того, передавать по радиоканалу изображения с этих 15⋅10 камер также затруднительно, как и информацию о реальной голограмме, рассмотренной выше при обсуждении аналога. Также, в указанном патенте не указан конкретно рекомендуемый алгоритм обработки информации с фотокамер, а только говорится о возможности построении либо стереоизображения, либо более сложного, состоящего из захватываемых камерами узлов и ребер 3D объекта, формирующих, как правило, набор треугольников на поверхности объекта с наполнением цветом каждого из них, образуя, таким образом, текстуру поверхности объекта. Такие ограничения приводят к сильным искажениям и показывемое 3D изображение выглядит нереальным, искусственным, как мы видим во множестве компьютерных игр. Для устранения этих недостатков будут требоваться большие вычислительные ресурсы, значительно больше существующих сегодня в персональных компьютерах. Решению этой задачи посвящено множество разработок создателей различных компьютерных игр, и мы видим как далеки 3D изображения в этих играх, как от реальных изображений, так и от 3D голографических изображений, сформированных классическим способом [Островский Ю.И. Голография и ее применение. - Л.: Наука, 1973, с. 34-37.].
Задачей, решаемой предлагаемым способом, является создание виртуальной 3D модели голографируемого объекта, передаваемой на приемный конец любого электронного канала связи, например радиоканала, 3D модели существенно меньшей по объему передаваемой информации, чем реальная голограмма, сравнимой с информацией стереофотографии, но достаточной, чтобы на приемном конце линии связи была синтезирована виртуальная 3D голограмма, способная восстановить реальное 3D голографическое изображение голографируемого объекта, зрительно не отличающееся от изображения реального объекта, находящегося на передающем конце канала связи, модели, создаваемой одной фотокамерой обычного стандарта разрешения, например Full HD.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа - создание голографического фотоаппарата, позволяющего делать 3D съемку объекта в белом (некогерентном) свете, выбирая необходимое для 3D восприятия количество информации об объемных характеристиках объекта и отдельно выбирая с необходимым фотографическим разрешением информацию о текстуре поверхности объекта и передавать эту информацию на приемный конец электронного канала связи в виде, пригодном для формирования голографической дифракционной решетки, восстанавливающей, при освещении ее материальным пучком, реального 3D изображения объекта, воспринимаемого наблюдателем как реальный объект.
Поставленная задача достигается тем, что согласно изобретению
1. Способ дистанционного формирования голографической записи, заключающийся в освещении 3D объекта, формировании по рассеянному им излучению, и по опорному пучку интерференционной картины, представляющей собой голограмму, отличающуюся тем, что объект голографирования поочередно освещают некогерентным светом и светом со сформированными заранее интерференционными полосами, чей период соответствует инфракрасному диапазону или более длинноволновому диапазону электромагнитного излучения или ультрафиолетовому в зависимости от требований точности передачи топографии объекта, фотографируют объект без полос и со спроецированными на него полосами, создают по искривлению этих полос топографическую карту поверхности голографируемого объекта и затем передают эти два изображения (фотографию и топографическую карту) на расстояние по каналу связи, в том числе и по радиоканалу, с последующим на приемном конце линии связи соединением этих двух изображений в объемное 3D изображение объекта, которое далее используется в качестве объектного изображения при компьютерном вычислении голограммы, состоящей из полос интерференции между сформированным таким образом компьютерным объектным пучком с 3D изображением объекта и компьютерно синтезированным опорным пучком, а в дальнейшем, после записи полученной таким образом голограммы на материальный носитель, последняя при освещении опорным восстанавливающим пучком восстанавливает голографическое изображение.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что топографическую карту поверхности объекта создают лазерным сканером и далее предают на расстояние по каналу связи с последующим соединением фотографии объекта и его топографической карты в объемную 3D картину, которая служит в качестве объектного изображения при компьютерном вычислении голограммы на приемном конце связи.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проецируемые на объект полосы формируют излучением вне видимого диапазона длин волн, например инфракрасным, ультрафиолетовым или радиоизлучением.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проецируемые на объект полосы формируют короткими импульсами излучения, не различимыми глазом, тем самым остающимися невидимыми при фотографировании.
5. Способ по п. 1 отличающийся тем, что фотографирование объекта (без наложения полос) происходит в цвете в цветопередающем формате RGB, а после передачи этой фотографии по каналу связи на приемном конце создают необходимое для полноцветной передачи количество голограмм, в каждой из которых используют только один цвет исходной фотографии, что соответствует трем цветам и трем голограммам с одной и той же топографической картой, а каждую из созданных таким образом голограмм освещают лазером, с соответствующей ей по цветам RGB длиной волны - красной, зеленой и голубой, создавая, таким образом, цветное, объемное (3D) изображение.
6. Способ по пп. 1 или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что фотографирование и создание топографической карты объекта происходит регулярно, создается последовательность 3D изображений, так же регулярно передаваемых на приемный конец линии связи, из которых, в свою очередь, создается последовательность голограмм, представляющих при воспроизведении ими 3D изображений голографическое кино, или голографическое телевидение.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
1
1
1
Фиг. 1 - традиционная схема голографирования объекта, освещенного когерентным светом. 1 - лазер, 2 коллимационная оптическая система, формирующая опорный пучок с помощью зеркала 3 и пучок, освещающий объект голографирования 4. Объектный пучок U и опорный пучок r в плоскости (x,y) формируют интерференционную решетку, которая регистрируется на фотоприемнике (Ф.П.), образуя фотоотклик r(Е), называемый голограммой (Г.)
0
1
1
1
0
0
0
Фиг. 2 - традиционное восстановление голографического объекта U, при освещении голограммы (Г.) когерентным светом. Наблюдатель (2), рассматривая дифрагировавшее на голографическом дисплее (голограмме - Г) излучение видит, согласно [Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения / Ю.Н. Денисюк. - ДАН СССР. - 1962. - Т. 44. - С. 1275], восстановленное изображение U(x,y), являющееся однозначным отображением волны U(x,y), сформированной объектом.
Фиг. 3 - фотографичекие (телевизионные) камеры и 3D сцена (ринг).
Фиг. 4 - 4 блока формирования и передачи изображения 3D сцены. Блок захвата 3D сцены, Блок хранения и передачи 3D сцены, Блок вычислений, Блок отображения 3D сцены (голографический дисплей).
Фиг. 5 - голографический дисплей, показывающий 3D сцену наблюдателю.
Фиг. 6 - виртуальная 3D модель объекта, образованная захватом узлов и ребер объекта.
Фиг. 7 - модель 3D сцены, синтезированой из узлов и ребер объекта.
Фиг. 8 - Блок - схема регистрации фотоизображения текстуры объекта без интерференционных полос и с ними. Блок 1 - устройство регистрации. Блок 2 - устройство формирования интерференционных полос. Блок 3 - устройство обработки и создания изображения текстуры объекта и его маски. Блок 4 - устройство передачи маски и текстуры. Блок 5 - устройство приема маски и текстуры. Блок 6 - устройство вычисления голографической дифракционной решетки (голограммы). Блок 7 - голографический дисплей.
Фиг. 9 - схема фотографирования текстуры объекта. Блок 1 - фотографический аппарат или видеокамера.
Фиг. 10 - цветная (RGB) фотография (текстура) объекта.
Фиг. 11 - блок 2, формирующий и проецирующий структуру заранее сформированных интерференционных полос на объект голографирования, которая, искривляясь поверхностью объекта голографирования, регистрируется Блоком 1.
Фиг. 12 - фотография объекта со спроецированными на него интерференционными полосами.
Фиг. 13 - предварительно обработанная структура интерфереционных полос на поверхности объекта.
Фиг. 14 - массив данных о топографических высотах поверхности объекта.
Фиг. 15 - 3D маска поверхности объекта.
Фиг. 16 - синтезированная по маске и текстуре объекта голограмма.
1
1
1
1
1
0
0
0
Фиг. 17 - голографический дисплей (голограмма), освещаемый материальным пучком r(x,y) и создающий излучение U(x,y), видимое на некотором расстоянии наблюдателю как голографическое изображение U(x,y) объекта.
0
0
0
Фиг. 18 - виртуальная схема голографической записи (Г.) виртуального объекта U(x,y).
Изобретение работает следующим образом.
1
1
В предложенном способе формирования голограмм, согласно изобретению в первом блоке (Фиг. 8, 9, 11) фотографирование производится три раза одной и той же камерой, из одного и того же места (можно последовательной серией фотоснимков) в любом стандарте, например в PNG, причем один раз производится обычное фотографирование объекта (Фиг. 10), а два других раза производится фотографирование того же объекта с заранее спроецированными на него под некоторыми углами (справа и слева), заранее созданными любым способом во втором блоке интерференционными полосами (Фиг 12), по искривлениям которых (Фиг. 13) в третьем блоке строится (Фиг. 14) топографическая 3D модель поверхности голографируемого объекта (маска) в виде файла любого фотографического стандарта, например PNG. Полученное таким образом фотографическое изображение (Фиг 10) и маска (Фиг 14) передается блоком 4, (Фиг 8) на приемный конец канала связи (блок 5), где (блок 6) стандартными программными методами, например оператором Warp в среде MatLab или аналогичными в других программных средах, сначала объединяет их в виртуальную модель 3D голографируемого объекта а затем использует эту модель при формировании виртуального объектного пучка, который вместе с виртуальным опорным пучком создают картину интерференции (Фиг. 16), используемую для формирования в голографическом дисплее (Фиг. 8, блок 7) материальной голографической решетки (Г), (Фиг. 17), которая при ее освещении когерентным материальным световым пучком r(x,y) (Фиг. 17), формирует реальное 3D голографическое изображение объекта, как бы сформированного голограммой, которая была записана обычным образом (Фиг. 18). Для восстановления трех цветов RGB используются голограмма, составленная из трех дифракционных решеток, каждая их которых синтезирована с использованием одного из трех слоев RGB с одной и той же маской. В других цветовых стандартах количество слоев и соответственно количество наложенных решеток может быть больше, например 4.
Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать 3D изображения объектов на большом удалении от объекта голографирования с высококачественным, на уровне передовых фотографических стандартов отображением текстуры объекта и полноценным 3D эффектом голографического изображения, такого, которое было бы записано прямым голографическим методом в инфракрасном, ультрафиолетовом, или СВЧ диапазоне электромагнитного излучения с длинами волн от десятых долей до единиц миллиметров, с оптическим качеством текстуры изображения и инфракрасным, ультрафиолетовым, или СВЧ качеством объемной структуры (топографической поверхности) 3D изображения.