・综合评述・合成全息立体图* 徐　平　李清政　高雁军　梅延林(湖北民族学院电气工程与应用物理系,恩施　445000)李　冰(湖北恩施医学专科学校,恩施　445000)提要:本文在概述合成全息立体图制作方法与技术的基础上,综述了近一两年来合成全息立体图在三维显示、医学诊断三维印刷术中的最新进展,展望了合成全息立体图吸引人的应用前景。

关键词:三维显示,合成全息立体图,计算机制全息图,CT图,B-超图,全息三维打印机Synthesized holographic stereogramsX u P ing1　L i Bing2　L i Qingz heng1　Gao Y angj un1　M ei Yanning1(1.Hubei N atio nalities Colleg e,Enshi　445000,2.Enshi M edical Co lleg e,Enshi,Hubei　445000)Abstract:At t he fo und of surv ey fabr icatio n methods and technique of the synthesized ho lo gr aphic st e-reo gr ams,this pa per summa rizes the newly o ne tw o y ear s advances o f the st e-r eog rams in the field of3-D display, medical diag nosis and3-D pr inter,and pr ospect ing the at tractive apply ing futur e of the ster eog rams.Key words:T hr ee-Dimensional display,Synthesized ho lo gr aphic st ereo gr ams,Co mputer-g enerated holog r ams, Computer-aided t omo gr am imag e,B-mo de ultr aso und imag e,Ho lo gr aphic3-D pr inter1.合成全息图概论1.1　概述合成全息术,是指将一系列用普通摄影术得到的物体的二维底片,通过全息方法记录在一张全息干版上,再现时实现原物的准三维显示的技术〔1〕。

众所周知,全息图再现的是原物的真实三维象,即不仅是立体的而且包含有视差信息。

合成全息图虽然在客观上也达到了三维显示的效果,既是立体的而且也包含有一定的视差信息,但与一般意义的全息图是有区别的,它实际上是由一系列体视对组成的立体图;而不是象全息图那样同时记录了一个三维物体的振幅和位相而直接得到原物的三维再现象。

1.2　合成全息图分类、制作方法与技术按制作合成全息图的手段,可将合成全息术分为两大类〔2〕:光学合成全息体视术和计算全息合成体视术;而光学合成全息体视术又可分为:角度多路合成全息图和纵向多路合成全息图。

光学合成全息体视技术首先是由金氏(M.C.King)等人在1970年提出〔3〕,他们是用光学干涉法制作全息体视图的。

角度多路合成全息图,其中360°合成彩虹全息以其大视角、白光再现活动场景获得了极大的成功。

纵向多路合成全息图,是将一系列带有深度信息的、有一定间隔的互相平行的二维底片(比如CT图片),按原次序原间隔排列制成合成全息图。

光学方法合成全息立体图的制作一般分两步进行,第一步,用普通摄影术非相干记录一系列带视差信息的二维平面图片;第二步,相干记录,将这些二维平面图片,用全息术方法合成全息立体图。

计算全息合成体视图是日本学者谷田贝丰彦(Yatagai)在1974年应用计算全息技术来合成全息立体图显示三维图象〔4〕,〔5〕,即不仅用计算机来计算物体的不同透视投影像,也用计算机来合成全息图,从而制成计算全息立体图。

此法也分两步进行,首先,由计算机算出某一物体X湖北民族学院院内科研基金项目1996年6月26日收稿的一系列原始透视图,然后采用计算全息技术制作每个透视图的基元付里叶变换计算全息图,把这些基元全息图按观察时次序排列好,就得到计算全息合成立体图。

1.3　影响合成全息图象质的几个因素这里以360°合成彩虹全息为例,简单介绍影响合成全息图再现象质的四个因素。

(1)衍射的影响由于合成全息的光路中要加狭缝,因此,狭缝的衍射将对全息图的分辨率有影响。

由文献〔1〕的讨论可知,合成全息图的分辨率与狭缝的宽度成正比。

但是,狭缝宽度不能无限扩展,其上限由系统象差和存储信息量的多少来决定,狭缝越宽,单元全息图的数目则越少,少到一定程度,观察再现像时则出现跳跃的画面而影响再现像的质量;狭缝宽度的下限则由夫琅和费衍射原理确定:W min=2.44K Z e D其中,W min为狭缝宽度的下限;K为照明波长;Z e 为眼睛到全息图的距离;D为人眼瞳孔直径。

(2)象的色模糊〔6〕再现时合成全息图被弯曲成一个圆筒,各个单元全息图处于不同的坐标位置,当用白光照明时,产生再现像的色模糊。

(3)象的线模糊〔7〕当再现光源的尺寸扩展而引起再现像的模糊,即象的线模糊,对合成全息,它所引起的象模糊要比单元全息图衍射所引起的象模糊大十多倍。

合成全息图在水平方向和垂直方向所引起的线模糊量是不一样的,一般来说,光源在垂直方向扩展所引起的像模糊比一般彩虹全息图严重的多。

合成全息在亮室再现时,再现像的亮度和它的分辨率同等重要。

像的亮度和照明光源的尺寸成正比,而像的分辨率却随光源尺寸的加大而降低。

因此,要权衡这两个因素来决定光源的最佳尺寸和长宽比。

(4)象的畸变由于制作合成全息图时,拍摄的二维底片只保持了水平视差,在全成光路中又采用了柱面镜和球面镜组成的象散系统,这样就造成了不可能在任何观察距离都能看到无畸变的象。

具体考虑畸变的影响,应分单色光照明〔7〕和白光照明〔8〕两种情形讨论,可以对象的畸变采取一些补偿措施〔9〕。

2　合成全息图的应用2.1　一般物体的三维显示在许多实际需要和特殊场合中,大量存在不能直接使用全息术拍摄真实三维像的情形。

例如,人体内部结构及器官病变(目前只能用x-射线术、核磁共振术或B-超等手段检测)、微生物结构、风景秀丽的旅游点以及一些运动物体等。

而合成全息术正是充分利用现代发达的二维普通摄影术以及医学上的x-射线术、核磁共振术(MIC)、CT术或B-超术,将它们与全息术相结合,具有不受物体尺寸、表面反射率和景深限制的特点,在上述情形,则可以采用合成全息术记录,从而观察到逼真的准三维象。

因此合成全息术可广泛的应用于工业设计、建筑设计、医学诊断、商业广告和美化人们生活等各个领域。

2.2　医学CT图片的三维立体图x-射线断层CT摄影(Coputer-aided to-m ogram)术,是身体轴线方向上的x-射线吸收率分布图。

这些图片包含了视差信息,但都是平面图,没有立体感,难以形成直观印象。

应用合成全息立体图方法,将给医学诊断和教学带来极大的方便,颇具吸收力。

合成CT片全息立体图,可以采用两种方法。

第一种方法是1985年M.Suzu等人采用纵向多路合成全息术实现的〔10〕;第二种方法是N.Ohyama等在1987年采用角度多路合成全息术实现的〔11〕。

在N.Ohy ama等人的工作中,他们每隔2mm拍一张、一共93张人脑盖骨CT图片(当然要考虑到人体一次的承受剂量),每张CT片上有256×256个象素(pix els)。

这些CT图片先要用计算机算出其系列投影图,显示在CRT 上并用照机记记录在电影胶片上,然后,将这些胶片送到合成器〔8〕中,可得到白光再现柱面全息立体图,即多次曝光全息立体图(Multiplex holog ram)。

这些人脑盖骨CT片合成全息立体图,将非常有利于外科手术以及研究脑盖骨收集样品之用。

他们这种方法也存在一些问题,比如,合成全息立体图再现象在沿身体方向的分辨率受到拍摄CT片间隔(2mm)的限制;另一个问题是要用照相机拍摄显示在CRT上的系列投影图,这在实际制作时比较麻烦。

1992年,日本科学家与技术人员在此基础上研制出医学图片全息立体图自动合成器〔12-15〕。

该合成器可处理医学上广泛使用的x-射线片、核磁共振(MIC)片和CT片等,合成为白光再现全息立体图。

在该系统中,使用计算机对各种医学图片进行预处理(进行投影图象计算与记录),并使用液晶空间光调制器作为计算机与合成器的接口,进行非相干光——相干光的转换;整个系统是光、机、电、算相结合的体系。

2.3　人体胎儿B-超图的三维显示1992年,日本学者K.SAT O等人〔16〕实现了孕妇体12—18周胎儿B-超图片合成全息立体图。

他们所采用的方法如下:(1)用B-超获取孕妇体内胎儿的数据用B-超发生器列阵,对人体发现3.5M Hz 的脉冲式超声波;采用电子扫描线阵和凸面探头获取孕妇体的胎儿B-超剖面图的数据(全部探头扫描长度为10cm);将发生器横向移动,得到96幅剖面图。

(2)计算机数字图象处理首先,将上面得到的B-超图象每幅量化为8比特、512×480象素的数字图象;然后计算这些图象的平面投影象,并将这些含有视差的投影象记录在胶片上。

(3)合成立体图将上述系列投影象胶片放入合成立体图的光路上,用氩离子激光照明相干合成;所合成的立体图是由100个窄条基元全息图组成。

还可进一步用两步合成法将其作成彩虹全息图,以便白光再现。

用这种方法,已获得对比度较好的重建象。

进一步改进象质并在医学临床上推广应用的工作正在进行之中。

2.4　全息三维印刷术最近,日本学者M.Yam ag uchi等人〔17〕提出一种全息三维印刷术的新方法,即用光、机、电、算相结合的合成全息立体图技术,产生全息三维象的计算机数据硬拷贝输出,尤其适合三维印刷;而且这种一步合成平面形李普曼全息立体图具有垂直和水平两个方向的视差效应,因此,重建象是无畸变的,这比前面谈到的一般角度多路合成柱面全息立体图仅有水平视差效应更具优越性。

一般的合成全息立体图(柱面形),要产生硬拷贝输出,有下列三条难以满足:(1)三维象精确显示无畸变;(2)印刷过程是全自动;(3)硬拷贝输出应该容易进行。

M.Yamaguchi等人提出该系统的工作原理如下:由计算机控制图象处理器、激光曝光快门、底片移动、自动显影等。

在曝光前,计算机控制图象处理器对三维数据作预处理,然后存储到图象存储器中并在LC(Liquid-cry stal)屏上显示,与此同时,打开激光快门曝光,每曝光一次,全息干版在水平或垂直方向移动一段距离,照此循环进行,直到所有图片全部曝光,然后将全息干版送入自动显影器中。