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Jun 08, 2023

Der Staat

Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS-Bild: a, Diagramm eines Punktwolken-CGH-Algorithmus, das typische Achsenkonventionen zeigt. Jeder Punkt des Schiffes

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: a, Diagramm eines Punktwolken-CGH-Algorithmus, das typische Achsenkonventionen zeigt. Jeder Punkt der Punktwolke des Schiffsmodells erzeugt eine Punktverteilungsfunktion auf der Hologrammebene (Farbcode: Farbton entspricht Phase, Helligkeit entspricht Amplitude). Die Überlagerung aller Punktspreizfunktionen ergibt das endgültige Hologramm. b, Diagramm der schichtbasierten CGH, das zeigt, wie ein 3D-Objekt in Schichten segmentiert wird, wobei jedes Szenenelement seiner nächstgelegenen Zwischenwellenfront zugeordnet wird. Hier ist ein beispielhafter Punkt mit seinem PSF-Einflussbereich auf der Anpassungsschicht dargestellt. Alle Schichten werden zu einem Hologramm akkumuliert, beispielsweise mithilfe der numerischen Faltungsausbreitung.mehr sehen

Bildnachweis: von David Blinder, Tobias Birnbaum, Tomoyoshi Ito, Tomoyoshi Shimobaba

Holographie ist eine auf kohärentem Licht basierende Methode, die das optische Feld vollständig beschreiben kann. Es handelt sich um ein zweistufiges Verfahren, bestehend aus einer interferometrischen Aufnahme und einem Rekonstruktionsschritt. Seine Fähigkeit, jedes beliebige Wellenfeld zu erfassen, zu messen und zu reproduzieren, hat es für ein breites Anwendungsspektrum nützlich gemacht. Beispiele sind digitale holographische Mikroskopie, Oberflächencharakterisierung komplexer Objekte, Partikelbild-Velocimetrie und die Visualisierung von 3D-Inhalten. Eine wichtige Herausforderung in diesem Zusammenhang istComputergenerierte Holographie (CGH) , also die Modellierung der numerischen Beugung, die Berechnung, wie sich Licht durch den Raum ausbreitet und mit Materialien interagiert. CGH ist sehr rechenintensiv und erfordert spezielle Algorithmen und Hardware für die genaue und effiziente Berechnung von Hologrammen.

In einem neuen Artikel, der in Light Science & Application veröffentlicht wurde und aus einer Zusammenarbeit zwischen Forschern der Fakultät für Elektronik und Informatik der Vrije Universiteit Brussel und IMEC (Belgien) sowie der Graduate School of Engineering der Universität Chiba (Japan) hervorgegangen ist, stellen sie vor einen umfassenden Überblick über verschiedene Aspekte des Stands der Technik in CGH. Sie präsentieren eine Klassifizierung moderner CGH-Algorithmen, algorithmischer CGH-Beschleunigungstechniken, der neuesten dedizierten Hardwarelösungen und der Bewertung der Wahrnehmungsqualität.

CGH-Algorithmen werden anhand der sie darstellenden Elemente klassifiziert und verglichen.Punktwolkenmethoden Diskretisieren Sie die Objekte in eine endliche Sammlung diskreter Lichtpunkte. 3D-Objekte können auch in eine relativ kleine Anzahl zerlegt werdengeometrische Grundelemente und Basisfunktionenderen Beugungsmuster effizient berechnet werden kann.PolygonmethodenKodieren Sie Dreiecke als Wellenfeldstücke und nutzen Sie dabei die Tatsache, dass die Beugung zwischen Ebenen mithilfe von Faltungen effizient berechnet werden kann.Ebenenbasierte MethodenZerteilen Sie die 3D-Szene in Tiefenschichten und weisen Sie Szenenelemente ihrer nächstgelegenen Schicht zu, wodurch die relative Nähe zu einer virtuellen Ebene die Beugungsausbreitung begrenzt und dadurch die räumliche Lokalität verbessert.RaytracingMethoden nähern sich dem Hologramm durch ein diskretisiertes Lichtfeld an und ermöglichen die Verwendung herkömmlicher Computergrafiksoftware zum Rendern, gefolgt von einer Umwandlung der Strahlen in kleine Wellenfrontsegmente.

Darüber hinaus können die meisten CGH-Algorithmen durch Beschleunigungstechniken beschleunigt werden. Beispiele sind die Verwendung vonspärlich , wobei ein Signal durch eine relativ kleine Anzahl signifikanter Koeffizienten modelliert werden kann, wenn es im richtigen Transformationsraum ausgedrückt wird, z. B. unter Verwendung von Wellenfrontaufzeichnungsebenen, holographischen Stereogrammen und Koeffizientenschrumpfung. Andere Beispiele beinhalten die Verwendung vonNachschlagetabellen,dynamische CGH-Beschleunigungfür holografische Videos undtiefes Lernenbasierte Beschleunigung.

Außerdem,Software-HardwareMitgestaltung notwendig, um die CGH-Berechnung zu optimieren. Die Überprüfung umfasst Optimierungen undCachingin CPUs und GPUs,geringe PräzisionUndniedrige BitbreiteBerechnungen und eine Analyse mehrererFeldprogrammierbare Gate-ArraysUndanwendungsspezifischer integrierter SchaltkreisSysteme für CGH.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt sind die Fähigkeiten und Einschränkungen aktueller holographischer Anzeigetechnologien und wie diese kompensiert werden können. Das beinhaltetVergleich der Eigenschaften räumlicher Lichtmodulatoren,Arten vonKodierung komplexer Amplituden, BildWiederherstellungUndReduzierung von FleckenAlgorithmen.

Abschließend diskutieren die Autorenvisuelle Qualitätsbeurteilung um die Qualität der erzeugten Hologramme zu bewerten und so eine Optimierung der Wahrnehmungsqualität zu ermöglichen. Dabei geht es um beidessubjektive Qualitätsbeurteilung,wo verschiedene verzerrte und wahrheitsgetreue Rekonstruktionen in einer kontrollierten Umgebung vielen menschlichen Beobachtern präsentiert werden, die Punkte vergeben, undobjektive Qualitätsbeurteilung, was die Verwendung mathematischer Funktionen zur Quantifizierung der Genauigkeit numerisch rekonstruierter Wellenfelder erfordert.

Insbesondere in den letzten Jahren wurden bei CGH-Algorithmen enorme Fortschritte sowohl hinsichtlich der visuellen Qualität als auch der Rechenkomplexität erzielt. Trotz dieser Optimierungen bleibt die Berechnung hochauflösender, fotorealistischer digitaler Hologramme mit großem Betrachtungswinkel in Echtzeit eine wichtige Herausforderung, die es zu bewältigen gilt. Dennoch zeigen bestehende Echtzeit-CGH-Implementierungen, dass die Ansteuerung hochwertiger holografischer Displays bereits machbar ist und den aktuellen Display-Hardware-Fähigkeiten in mehrfacher Hinsicht voraus ist.

Die Autoren glauben, dass eine enge Integration von CGH-Algorithmen mit dedizierten Hardwaresystemen wahrscheinlich die größten Rechengewinne bringen und immersives holographisches Fernsehen ermöglichen wird.

Licht: Fortschrittliche Fertigung

10.37188/lam.2022.035

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