Исследование и разработка методов визуализации объемных изображений

Объемные изображения обладают большей информативностью и в недалеком будущем заменят плоские. Они позволяют интегрально оценивать информацию и принимать быстрые, эффективные решения в экстремальных условиях — высокотехнологичная медицина, управление воздушным движением и т. д. Реалистичные объемные изображения, передаваемые на далекие расстояния через Интернет, позволят выполнять удаленные диагностику и операции, повысят качество удаленного общения. Многие мировые развитые страны приняли национальные программы развития объемного телевидения.

Системы визуализации объемных изображений в настоящее время интенсивно развиваются во всех передовых странах мира с использованием различных современных технологий. До недавнего времени развивались в основном стерео — системы, основанные на «обмане мозга» наблюдателя, но в последнее время они вызывают меньший интерес у потребителей из-за существенных непреодолимых недостатков. Развивающиеся в настоящее время классические голографические системы, использующие дифракцию оптических полей на двумерных динамических голограммах являются наиболее перспективными по качественным показателям, но пока далеки по своим основным параметрам от практической реализации. Существенно дальше продвинулись методы визуализации объемных изображений, основанные на проекционных системах, формирующих объемные изображения поточечно в реальном или иллюзорном объеме пространства. Такие системы в ближайшее время должны достигнуть по количеству воспроизводимых точек качества плоских мониторов. Как правило, они используют формирование оптических изображений в виде ряда плоских планов с их переносом в пространстве и увеличением посредством сложных качественных оптических или голографических объективов без применения дифракции оптических полей.

Одна из актуальных задач при разработке голографических системсинтез динамических голограмм, но она слишком сложна для практической реализации при синтезе голограмм в двумерном виде. В рассматриваемой работе эта задача формулируется применительно к синтезу одномерных динамических голограмм, что резко упрощает ее решение. Синтез таких одномерных голограмм можно применить к имеющим большое практическое значение лазерным проекционным системам визуализации плоских и объемных изображений на базе акустооптических дефлекторов (АОД). Полученные в диссертации результаты позволяют применить перспективный синтез одномерных голограмм совместно с поточечным формированием объемных изображений, что обусловливает актуальность работы.

Цель работы — исследование дифракции когерентных оптических полей на сложных ультразвуковых голограммах и разработка лазерной проекционной системы визуализации объемных и плоских изображений на основе этой технологии с применением АОД. Для достижения этой цели ставятся следующие задачи:

— обзор направлений и методов визуализации объемных изображений, выбор и обоснование наиболее перспективных направлений для дальнейшего их развития в диссертационной работе,.

— разработка математической модели дифракции поля на сложной акустической голограмме, обоснование метода синтеза сложной голограммы в виде суммы гармонических дифракционных решеток для параллельного вывода после дифракции оптического поля в виде строки точек, причем каждая точка в строке имеет свою амплитуду и радиус волнового фронта, обоснование закона изменения начальных фаз гармонических дифракционных решеток для обеспечения максимальной эффективности дифракции,.

— математическое моделирование дифракции когерентного оптического поля на сложных акустических голограммах при большом количестве точек моделирования (до 20 — 40 миллионов точек) в пространстве, как в дальней, так и в ближней зоне дифракции,.

— разработка функциональных и принципиальных схем электронных блоков системы объемной визуализации, построенной попринципу дифракции на сложных акустических голограммах, разработка печатных плат,.

— разработка и отладка программы вывода плоских и объемных изображений и драйвера для системы объемной визуализации,.

— экспериментальные исследования и выбор источников трехмерной информации для кодирования, разработка алгоритмов и программ восстановления трехмерной информации по плоским угловым ракурсам медицинских многоракурсных систем и стерео — систем, разработка алгоритмов и программ кодирования этой информации и информации из пакета 3D Studio Мах в выборки радиосигнала, формирующего ультразвуковые голограммы в апертуре АОД,.

— экспериментальные исследования режимов работы блоков в системе и анализ их влияния на качество изображений,.

— поиск совместных оптимальных режимов работы блоков в системе для получения эффективной дифракции и формы оптических фронтов, на этой основе синтез динамических объемных изображений,.

— исследование качества динамических изображений, его оптимизация, коррекция аппаратуры и программного обеспечения.

В работе используется математический аппарат теории дифракции, линейной алгебры, многомерного быстрого преобразования Фурье, математический аппарат визуализации трехмерных изображений пакета Open GL. Для подтверждения разработанного метода в работе используется математический эксперимент на компьютере и физический эксперимент дифракции когерентных оптических полей на акустических голограммах, возбуждаемых радиосигналом в акустооптическом дефлекторе. Для визуализации объемных изображений используются цилиндрические растры микролинз, голограмма светящейся точки и вращающийся визуализатор.

Основные положения, выносимые на защиту.

Метод синтеза одномерной динамической ультразвуковой голограммы на основе обратного дискретного преобразования Фурье заданного амплитудного и фазового распределения оптического поля, позволяющий параллельно в дальней зоне дифракции формировать строку светящихся точек, причем каждая точка строки имеет свою амплитуду и радиус волнового фронта.

Закон распределения начальных фаз гармонических составляющих сложной голограммы, позволяющий получить максимальную эффективность дифракции — до 90% от дифракции на гармонической дифракционной решетке при сохранении точности воспроизведения оптического поля в дальней зоне дифракции.

Алгоритм математического моделирования распределения когерентных оптических полей в пространстве после дифракции на сложных голограммах с применением быстрого преобразования Фурье и перемножения пространственных спектров как в ближней, так и в дальней зоне для ускорения расчетов и повышения точности.

Алгоритм восстановления координаты глубины точек по стерео — паре изображений на основе целочисленных операций, позволяющий вести обработку в реальном времени.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

Теоретического характера:

Предложен новый метод синтеза одномерной динамической ультразвуковой голограммы, опирающийся на обратное дискретное преобразование Фурье, который позволяет сочетать простоту поточечных методов формирования объемных изображений с голографическими методами, основанными на синтезе пространственного распределения поля после дифракции.

Обоснован не применявшийся ранее закон распределения начальных фаз гармонических составляющих сложной голограммы, позволяющий получить максимальную эффективность дифракции.

Прикладного характера:

Разработано алгоритмическое обеспечение на основе быстрого преобразования Фурье и перемножения пространственных спектров для моделирования распределения оптических полей после дифракции, которое позволило повысить скорость расчетов в несколько раз по сравнению с традиционным численным решением уравнения дифракции.

Предложен алгоритм восстановления координаты глубины точек по стерео — паре изображений на основе целочисленных операций, впервые позволивший восстанавливать глубину залегания в кадре пикселей видеопотока в реальном времени.

Предлагаемый метод синтеза одномерной динамической ультразвуковой голограммы обосновывается исходя из свойств линейно изменяющегося по частоте сигнала.

Достоверность предлагаемого нового метода синтеза одномерной динамической ультразвуковой голограммы и эффективность дифракции при его применении с обоснованным законом распределения начальных фаз гармоник подтверждается как математическим моделированием, так и экспериментами на разработанной аппаратуре.

Точность воспроизведения пространственного распределения оптического поля после дифракции при применении предлагаемого быстрого преобразования Фурье и перемножения пространственных спектров верифицируется моделированием известных распределений оптических полей после дифракции на гармонических дифракционных решетках.

Достоверность предлагаемого алгоритма восстановления координаты глубины точек по стереопаре изображений на основе целочисленных операций подтверждается кодированием реальных стерео — изображений и стерео — фильмов с экспертной оценкой качества восстановленной координаты глубины на объемных изображениях.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в том, что предложен новый метод синтеза одномерных динамических голограмм с максимальной эффективностью дифракции и точностью воспроизведения оптического поля.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе предложенного метода разработана лазерная проекционная система визуализации плоских и объемных изображений на основе АОД, защищенная патентом на полезную модель [3].

Разработанная система позволяет выводить динамические плоские изображения ТВЧ формата повышенного качества и яркости на большие экраны и на любые криволинейные поверхности (шар, цилиндр), поскольку разработанный метод формирует оптическое изображение высокой четкости в пределах большого пространства дальней зоны дифракции по продольной координате.

Разработанная лазерная проекционная система формирует объемные изображения при применении в качестве визуализатора, как растра микролинз с голограммой светящейся точки, так и вращающегося экрана.

Предложенное алгоритмическое обеспечение на основе быстрого преобразования Фурье и перемножения пространственных спектров для моделирования распределения оптических полей после дифракции ускоряет расчеты в 6−8 раз по сравнению с применением алгоритмов численного решения интегрального уравнения дифракции.

Разработанный алгоритм восстановления координаты глубины точек по стереопаре изображений на основе целочисленных операций аппаратно позволяет реализовать восстановление координаты глубины залегания пикселей для стандартных видеопотоков в реальном времени, что до настоящего времени на практике не реализовывалось.

Области внедрения системы визуализации плоских и объемных изображений — это высокотехнологичная медицина, системы управления воздушным движением, рекламный рынок и т. д.

На основе предложенного метода была разработана система захвата, визуализации и архивации плоских и объемных динамических изображений для ангиографических установок. Такая система внедрена в СПб ГУЗ «Городская многопрофильная больница № 2» на установку фирмы Siemens. Она в 2 раза увеличила количество проводимых диагностических исследований и неинвазивных операций с применением высокотехнологичного цифрового рентгена, повысила их эффективность.

Выводы по результатам исследований четвертой главы.

1. Проведены экспериментальные исследования режимов работы блоков в системе и анализ их влияния на качество изображений.

2. Проведен поиск совместных оптимальных режимов работы блоков в системе для получения эффективной дифракции и формы оптических фронтов.

3. По результатам поиска совместных оптимальных режимов работы блоков в системе проведен синтез динамических объемных изображений.

4. Проведено исследование качества динамических изображений, его оптимизация, коррекция аппаратуры и программного обеспечения.

Заключение

.

В результате проделанной работы проведено исследование дифракции когерентных оптических полей на сложных ультразвуковых голограммах и разработана лазерная проекционная система визуализации объемных и плоских изображений на основе этой технологии с применением АОД.

Технические параметры разработанного макетного образца системы:

Тип лазера:

БРББ импульсный лазер в режиме модуляции добротности — с длиной волны 532 нМ, средняя мощность 150 мВт,.

Число пикселей в одном объемном кадре — 600×800×6.

Модулятор света — двухкоординатный акустооптический дефлектор, материал ТеОг, полоса частот возбуждения — 50 — 100 МГц, угол отклонения — 2,5°, мощность сигнала возбуждения — 1 Вт.

Частота смены кадров — 25 Гц.

Развертка чересстрочная, 50 Гц.

Размер изображения: 0,3×0,4×0,1 М.

При этом решены следующие задачи:

— проведен обзор направлений и методов визуализации объемных изображений, выбраны и обоснованы наиболее перспективные направления исследований,.

— разработана математическая модель дифракции поля на сложной акустической голограмме, обоснован метод синтеза сложной голограммы в виде суммы гармонических дифракционных решеток для параллельного вывода после дифракции оптического поля в виде строки с общим количеством от 600 до 1200 точек,.

— проведено математическое моделирование дифракции когерентного оптического поля на сложных акустических голограммах с количеством точек моделирования в пространстве 20 — 40 миллионов, с охватом дальней и ближней зоны дифракции,.

— разработаны функциональные и принципиальные схемы электронных блоков системы объемной визуализации, построенной по принципу дифракции на сложных акустических голограммах, разработаны печатные платы,.

— разработаны и отлажены программа вывода плоских и объемных изображений и драйвер для системы объемной визуализации,.

— проведены экспериментальные исследования и выбраны источники трехмерной информации для кодирования, разработаны алгоритмы и программы восстановления трехмерной информации по плоским угловым ракурсам медицинских многоракурсных систем и стерео — систем, разработаны алгоритмы и программы кодирования этой информации и информации из пакета 3D Studio в выборки радиосигнала, формирующего ультразвуковые голограммы в апертуре АОД,.

— проведены экспериментальные исследования режимов работы блоков в системе и анализ их влияния на качество изображений,.

— проведен поиск совместных оптимальных режимов работы блоков в системе для получения эффективной дифракции и формы оптических фронтов, на этой основе проведен синтез динамических объемных изображений,.

— проведены исследования качества динамических изображений, их оптимизация, откорректирована аппаратура и программное обеспечение.

В результате проделанной работы следующие основные положения выносятся на защиту диссертации:

Метод синтеза одномерной динамической ультразвуковой голограммы на основе обратного дискретного преобразования Фурье заданного амплитудного и фазового распределения оптического поля, позволяющий параллельно в дальней зоне дифракции формировать строку светящихся точек, причем каждая точка строки имеет свою амплитуду и радиус волнового фронта.

Закон распределения начальных фаз гармонических составляющих сложной голограммы, позволяющий получить максимальную эффективность дифракции — до 90% от дифракции на гармонической дифракционной решетке при сохранении точности воспроизведения оптического поля в дальней зоне дифракции.

Алгоритм математического моделирования распределения когерентных оптических полей в пространстве после дифракции на сложных голограммах с применением быстрого преобразования Фурье и перемножения пространственных спектров как в ближней, так и в дальней зоне для ускорения расчетов и повышения точности.

Алгоритм восстановления координаты глубины точек по стереопаре изображений на основе целочисленных операций, позволяющий вести обработку в реальном времени.

Результаты диссертации внедрены в СПб ГУЗ «Городская многопрофильная больница № 2».