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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
年
月
基于
O
p
tiX
光线跟踪引擎的光线跟踪全息图生成算法
孙 敏 远
,
,
,
袁 园
,
毕 勇
,
朱 建 英
,
,
张 硕
,
,
张 文 平
中国科学院空天信息创新研究院光学工程研究部
北京
中国科学院大学
北京
中国科学院理化技术研究所应用激光研究中心
北京
摘要
为了实现全息图的快速计算
提出了一种基于
光线跟踪引擎和
图形处理器
的光线 跟
踪全息图生成算法
该算法充分利用了
中的硬件光 线 跟 踪 核 心
可 有 效 提 高 全 息 图 的 计 算 速 度
当 组 成 三
维模型的多边形数量为
万个
物点数量为
万个时
该光线跟踪全息图生成算法 的 计 算 速 度 约 为 基 于
的
点源全息图生成算法的
倍
关键词
全息
计算全息
光线跟踪
图形处理器
光线跟踪引擎
中图分 类号
文献标 志码
doi
Ra
y
-Tracin
g
Holo
g
ram
Generation
Al
g
orithm
Based
on
O
p
tiX
Ra
y
-Tracin
g
En
g
ine
O
p
tical
En
g
ineerin
g
Research
De
p
artment
Aeros
p
ace
In
f
ormation
Research
Institute
Chinese
Academ
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
China
Universit
y
o
f
Chinese
Academ
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Sciences
Bei
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China
A
pp
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Laser
Research
Center
Technical
Institute
o
f
Ph
y
sics
and
Chemistr
y
Chinese
Academ
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIS
codes
引
言
全息三维 显 示 技 术 可 再 现 三 维 场 景 的 全 部 信
息
是未来显示技 术的 重 要发 展 方向
目前 基 于空
间光调制器
的计 算 全息
是 研 究 的 主
流
但计算全息存在计算量大和耗时长的问题
这不
利于全息三维显示技术的应用
计算全息广泛使用点源全息图生成算法
在
该算法中
三维模型被离散为多个发光的物点
分别
计算该物点到达全息平面各个采样点处的光线复振
幅
并将其叠加以 获得 全 息图
为了 提 高点 源 全息
图生成算法的计算 速度
研究 人 员一 方 面提 出 如查
找表法
和波 前 平面 记 录
法
等
快速算 法
另 一 方 面 使 用 现 场 可 编 程 逻 辑 门 阵 列
收稿日 期
:
修回日 期
:
录用日 期
:
基金项 目
:
国家重点研发计划
E-mail
激 光 与 光 电 子 学 进 展
协 处 理 器
和 图 形 处 理 器
等高性能 硬 件 并 通 过 并 行 计 算 的 方 式 来
提高全息图的计算速度
光线跟踪全息图生成算法是点源全息图生成算
法的一种 改 进 算 法
光 线 跟 踪
最 早
由
在
年 提 出
年
等
将光线跟踪应 用于 计 算全 息 中
生成 的 全息 图
去除 了 隐 藏 表 面
渲 染 效 果 较 为 逼 真
年
等
将
方法应用于光 线跟踪 全息图 生
成算法中
极大提 高了 全 息图 的 计算 速 度
光线 跟
踪全息图生 成 算 法 相 比 于 传 统 点 源 全 息 图 生 成 算
法
主要有两点不 同
一是 计 算过 程 中考 虑 了光 线
传播过程中的折射 和反 射 现象
能够 还 原场 景 中三
维模型的遮挡关系 与光 影 信息
生成 的 图形 更 加逼
真
二是点源全息图生成算法的计算复杂度一般与
物体离散点数以及 全息 面 分辨 率 相关
而光 线 跟踪
全息算法的计算复杂度与全息平面分辨单元的数量
以及每个分辨单元所发射的虚拟光线数量有关
当
组成三维模型的离 散点 数 量较 少 时
点源 全 息图 生
成算法的计算速度 较快
当组 成 三维 模 型的 点 数量
增加时
光线跟踪算法的计算量变化较小
因而在复
杂场景下其计算速度有一定的优势
在光线跟踪全 息 图生 成 算法 中
需要 对 全息 图
中虚拟光线与组成三维模型的多边形进行求交计算
且后续还需要进行 光场 复 振幅 计 算
计算 量 十分 巨
大
为了提高全息 图 的计 算 速度
本文 提 出了 一 种
基于
光 线 跟 踪 引 擎 的 光 线 跟 踪 全 息 图 生 成
算法
并在 英 伟 达
含 有 硬 件 光 线 跟 踪 计
算单元
的
系列
上进行了全息
图计算与重建实验
比较 了 点源 全 息图 生 成算 法 在
中央处理器
和 图 形 处 理 器
以 及 光 线
跟踪全息图生成算法在
系列
上的
计算速度
研究结 果 表明
光线 跟 踪全 息 图生 成 算
法的计算速度较快
基本原理
21
光线跟踪全息图生成算法
点源全息图 生 成 算 法 的 计 算 过 程 如 图
所
示
在点源全息图 生 成算 法 中
三维 模 型被 离 散为
若干独立的发光物 点
分别 计 算每 个 发光 物 点发 射
的光线到达全息面上各个采样点处的复振幅并将其
进行叠 加 以 获 得 物 体 的 全 息 图
全 息 平 面 位 于
x
y
z
采样点处的光场复振幅为
U x
y
z
=
N
i
=
A
i
r
i
kr
i
+
φ
i
式中
N
为组成三维模型的物 点的数 量
A
i
为第
i
个物点发射光波的振幅
r
i
为该物点到全息平面采
样 点 的 距 离 且
r
i
x
x
i
y
y
i
z
z
i
其 中
x
i
y
i
z
i
为第
i
个物点的坐标
k
为波数
φ
i
为
该物点发射光的初始相位
对于漫反射体
一般认为
该初始相位在
范围内随机分布
光线跟踪全息图生成算法是点源全息图生成算
法的反向运算
其计算过程如图
所示
从全息
面的每个采 样 点 处 向 三 维 模 型 发 射 若 干 条 虚 拟 光
线
计算虚拟光线与 三维 模 型的 交 点并 根 据模 型 表
面特征基于漫反射
镜面 反 射或 者 透射 生 成新 的 虚
拟光线
计算生成的虚拟光线与三维模型的交点
如
此反复递归
直到虚拟 光 线到 达 光源 处 或者 超 出三
维 模 型 所 在 的 空 间 范 围
全 息 面 采 样 点
x
y
z
处 的 光 场 复 振 幅
U x
y
z
仍
根据
式进行计算
其中交 点处的 振幅
A
i
由光源
的色彩
亮度以及虚 拟 光线 与 模型 交 点处 的 反射 率
和颜色给出
距离
r
i
为与三维模型相交的虚拟光线
的传播距离
图
全息图生成算法示意图
点源法
光线跟踪法
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