ACM TOG：斯坦福团队利用重叠-相加立体图实现近眼全息显示
推广位（非商务）
基于相位空间光调制器的全息显示装置
图片来源：斯坦福大学电子工程系
撰稿 | 栾银森
导读
近日，斯坦福大学电子工程系Gordon Wetzstein团队采用重叠-相加立体图像（Overlap-Add Stereograms，OLAS）将目标物光场数据转化为全息图，实现近眼全息三维显示。
该技术可用于新兴三维显示技术--虚拟现实或增强现实(VR/AR)，在娱乐、教育、通信、培训、行为治疗和视觉技术等领域颇具应用前景。
视频：OLAS原理及部分实验结果展示
背景介绍
在虚拟或增强现实（VR / AR）系统中，用户通过近眼显示器与可穿戴计算机进行人机交互。现阶段Microsoft HoloLens，Magic Leap One，HTC Vive和Oculus Rift等消费类近眼显示设备极大提升了用户文娱体验，但这些设备仍存在重量大、视野小、图像分辨率低、亮度和对比度不够等问题。
全息显示技术是解决该问题的技术之一。
近些年，全息近眼显示器取得较大的进步，该技术通过目标物的光场信息转化为全息图（如图1），并通过立体图（Stereograms）实现全息三维显示。
但是传统全息转化方法依赖波前衍射传播来计算生成全息图，这种方法抗遮挡性较差，生成全息图和视角高度相关。
为克服这些局限性，研究人员提出了基于全息立体图（holographic stereograms, HS）的计算合成全息（computer-generated holography, CGH）方法，将光场信息编码成全息立体图，再进行三维显示。
图1. 全息图与光场数据对比
但是，现有的HS算法难以构造复杂波前，不能完全再现光场中包含的信息。
造成该问题的原因是在HS中通过增大微元（hogel）尺寸提高角度分辨率时需要牺牲空间分辨率，如图2示微元尺寸与空间分辨率及角度分辨率之间的关系。
较大的微元尺寸导致较低的空间分辨率(左图)，而较小的微元尺寸导致较小的角度分辨率(右图)。
造成三者之间的矛盾根本原因是HS算法在进行短时傅里叶逆变换(inverse short-time Fourier transform, ISTFT)时，丢掉了重建光场波前的部分重要信息。
其中黑色短线代表微元，蓝色短线代表单个微元可分辨的角度
据此，本文中作者提出重叠-相加立体图（OLAS）方法，更加精确地转换光场信息，生成全息立体图，实现高性能全息近眼显示。
该方法中角分辨率和空间分辨率之间制约关系不再受微元尺寸影响，相比其他方法，在分辨率、景深、计算效率、视角相关效应等性能参数上具有优势。
创新研究
作者提出一种新的相位-相加立体图（phase-added stereograms，PAS）方法，称为重叠-相加立体图(OLAS)。
与传统HS、PAS、APAS（accurate PAS）不同，该算法进行短时傅里叶变换时，不再利用非叠加微元作为基础元素构造全息图，而是利用滑动窗口（例如Hann窗口）将输入光场每个空间位置的角辐射分布和深度信息转化为局部平面波。
如图3所示，在微元尺寸取13*13和26*26两种情况下，OLAS在全息平面的聚焦光斑图样（类似点扩散函数），总体上优于HS、PAS/APAS，与标准Fresnel波带片的图样差别不大。
以上结果可以说明，相比其他方法，OLAS方法基本不受微元尺寸影响，聚焦光斑尺寸较小，具备复现高质量图像的能力。
图3. HS、PAS/APAS、OLAS在距全息图平面1.3 cm处的相位分布(上行)和目标距离处聚焦光斑图样(下行)与标准Fresnel波带片对比
作者依据OLAS原理搭建了实验样机（如图4），从仿真和实验两个层面验证所提方法的有效性。
通过Unity提取出目标物光场信息，通过OLAS方法将光场转换为全息图，同时复现了HS、PAS和APAS下全息图作为对比基准。
图4. 全息近眼显示系统原型样机
实验结果表明，如图5所示，相比HS和PAS方法，OLAS在近场、远场都可实现较好的聚焦效果，具有较高的空间分辨率。
此外，在非朗伯体目标物方面，OLAS同样可以恢复其光场信息及部分深度信息，体现了较强的鲁棒性。
图5. 左图HS和PAS的仿真与实验结果，
右图OLAS的仿真与实验结果
最后，为进一步验证所提方法效果，作者对比了Fresnel波带片与OLAS效果，从图6局部放大图上看出，后者具有更好的抗遮挡特性（红色方框），具有较高的空间分辨率（黄色方框、蓝色方框），展现出更好的波前重建特性。
此外，不管微元尺寸如何增加，通过重叠-相加实现的像素级移动均可得到理想结果，使得OLAS方法同时具有高空间分辨率和角度分辨率
图6. 立体图显示视差的实验结果
应用与展望
作为一种用于增强现实和虚拟现实的近眼显示技术，全息技术显示了巨大的潜力。
作者开发的高分辨率全息图重建方法，几乎不受微元大小影响，以光场作为输入数据，便于照明、调制处理，适合生成复杂场景，有望成为开发高效全息算法的基础方法。
OLAS方法虽有效提升了图像清晰度，但从物理本质上看仍有可以改进的地方。
首先，相位量化中的非均匀性及剩余非线性均对图像有较大影响，并且受温度影响而产生的相位漂移等因素，将影响显示效果。
此外，计算效率问题也将是作者后期需要考虑改进的问题。
该论文题目是 Holographic near-eye displays based on overlap-add stereograms，发表在 ACM Transactions on Graphics 。
作者为Nitish Padmanaban, Yifan Peng和Gordon Wetzstein。
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