一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法【專利摘要】本發(fā)明屬于計(jì)算全息領(lǐng)域，具體涉及一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表是在點(diǎn)源法計(jì)算全息的基礎(chǔ)上，通過對(duì)原始公式的推導(dǎo)，將其中涉及到冗余計(jì)算的相位部分通過數(shù)學(xué)近似變換及三角函數(shù)恒等變換化簡(jiǎn)，生成兩張均含有深度信息的相位查找表。生成過程采用并行計(jì)算，生成速度快，精度高，含有物體(包括三維物體和二維物體)的全部相位信息，且占用內(nèi)存小，重復(fù)利用率高，應(yīng)用范圍廣泛。同時(shí)算法本身進(jìn)行了并行優(yōu)化，在查表尋址以及計(jì)算過程均采用并行計(jì)算，有效提升了計(jì)算全息的速度。【專利說明】一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算全息領(lǐng)域，具體涉及一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]計(jì)算全息雖然能夠綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和全息技術(shù)，可以得到良好的三維顯示效果，但是全息圖的空間帶寬積很大，這給計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、儲(chǔ)存容量等帶來了巨大的壓力，制約著計(jì)算全息圖的實(shí)時(shí)計(jì)算傳輸和顯示。點(diǎn)源法是經(jīng)典的計(jì)算全息算法，應(yīng)用點(diǎn)源法計(jì)算三維物體全息圖時(shí)計(jì)算速度慢這一問題就異常突出。點(diǎn)源法計(jì)算全息算法(Ray-tracing)完全模擬光學(xué)全息的物理過程,把三維物體看作空間上的點(diǎn)光源集合,賦予點(diǎn)光源隨機(jī)的初相位，每個(gè)點(diǎn)光源分別與參考光在全息面相干，再全部疊加起來即可生成三維物體的全息圖。點(diǎn)源法計(jì)算全息能夠提供物體完整的三維信息，但是逐個(gè)物點(diǎn)計(jì)算全息圖帶來了巨大的運(yùn)算量，使其計(jì)算速度極低。針對(duì)這一問題，MarkLucent等人提出了著名的查表法（Look-upTable,LUT)(M.Lucente,Interactivecomputationofhologramsusingalook-uptable，J.ElectronicImaging2(I),28-35(1993))，將三維物空間各物點(diǎn)的全息圖事先計(jì)算并存儲(chǔ)起來，當(dāng)計(jì)算一個(gè)三維物體的全息圖時(shí)，只需從存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中獲取三維物體各物點(diǎn)相應(yīng)的PFP，然后線性疊加即可得到三維物體的全息圖。但這種最初的查表法弊端明顯，首先三維物體每個(gè)亮度和位置不同物點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)全息圖，查找表所占內(nèi)存將達(dá)到TB級(jí)別。因此，這種查表法無法滿足實(shí)際的實(shí)驗(yàn)要求。為了在實(shí)驗(yàn)中能夠滿足實(shí)際應(yīng)用，一系列基于點(diǎn)源法的查找表優(yōu)化算法相繼被提出。2009年，韓國(guó)科學(xué)家Kim等人實(shí)現(xiàn)了一種新的查找表（Novel-Look-upTable，N-LUT)方法，以減少內(nèi)存使用量，但減少之后的查找表仍然是GB級(jí)別的，近期又對(duì)N-LUT方法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后命名為RLE-basedN-LUT法，該方法可以將查找表的內(nèi)存再次降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。新加坡的YuechaoPan等人提出的SplitLook-upTables(S-LUT)查找表法將三維查找表的內(nèi)存降低了很多。[0003]本發(fā)明提出的新查表算法命名為三角函數(shù)查表法（Trigonometriclook-uptable，T-LUT)。通過將原始點(diǎn)源法的公式進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)恒等變化，其中多數(shù)為三角函數(shù)恒等變換，將查找表的內(nèi)存降低到與S-LUT查找表相當(dāng)?shù)某潭取５诓檎冶砩傻乃俣壬?，?huì)更加快速，在生成的數(shù)據(jù)上也會(huì)更加準(zhǔn)確。結(jié)合CUDA架構(gòu)編程，將并行思想加入T-LUT算法，即對(duì)點(diǎn)源法進(jìn)行了并行優(yōu)化。通過一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，T-LUT查表法中查找表所占內(nèi)存是眾多查找表法中最小的，采用T-LUT查表法的計(jì)算全息的計(jì)算速度有很大提升?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0004]本發(fā)明的目的是提供一種快速的計(jì)算三維物體全息的查找表算法--三角函數(shù)查找表法，該方法能夠在不犧牲全息圖再現(xiàn)圖像質(zhì)量的前提下，通過對(duì)點(diǎn)源法原始公式進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)近似、數(shù)學(xué)恒等變化，最終將查找表尋址的三維變量拆分成為二維變量，生成查找表的內(nèi)存大大減少，同時(shí)計(jì)算公式的復(fù)雜度有很大程度的簡(jiǎn)化。[0005]本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比，具有如下特點(diǎn)：[0006]1具備了其他查找表算法減少計(jì)算重復(fù)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效的解決了其他查找表占用內(nèi)存超大的問題。本發(fā)明查找表內(nèi)存明顯降低。[0007]2、三維查找表生成速度快，精度高。[0008]3、算法的實(shí)現(xiàn)是在GPU上采用CUDA并行計(jì)算，生成全息圖速度較快?！緦＠綀D】【附圖說明】[0009]本發(fā)明"一種快速計(jì)算三維物體全息的新查表算法"的附圖有5個(gè)。[0010]圖1為本發(fā)明提供的T-LUT算法推導(dǎo)流程圖。[0011]圖2為本發(fā)明提供的T-LUT算法計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)優(yōu)化過程示意圖。[0012]圖3為本發(fā)明提供的T-LUT算法最終并行優(yōu)化流程圖。[0013]圖4為本發(fā)明提供的T-LUT算法GPU并行生成全息圖再現(xiàn)像同點(diǎn)源法CPU生成全息圖再現(xiàn)像對(duì)比圖。[0014]圖5為本發(fā)明提供的T-LUT算法的GPU并行計(jì)算全息速度同點(diǎn)源法CPU計(jì)算全息速度對(duì)比?！揪唧w實(shí)施方式】[0015]下面結(jié)合附圖和附表對(duì)本發(fā)明"一種快速計(jì)算三維物體全息的新查表算法"做進(jìn)一步描述。[0016]圖1為本發(fā)明提供的T-LUT算法推導(dǎo)流程圖。[0017]點(diǎn)源法初步數(shù)學(xué)表達(dá)式為：【權(quán)利要求】1.一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表算法是在點(diǎn)源法計(jì)算全息的基礎(chǔ)上，對(duì)原始公式的相位部分進(jìn)行提取，再經(jīng)過二項(xiàng)式近似以及多次三角函數(shù)恒等變化等數(shù)學(xué)變換，將公式中涉及的物空間同全息面的相對(duì)位置關(guān)系變量進(jìn)行拆分，大大減小了查找表的內(nèi)存，再經(jīng)過CUDA并行編程，生成一組（兩張）純相位查找表。最終，利用該查找表將點(diǎn)源法原始公式簡(jiǎn)化，通過CUDA并行編程，實(shí)現(xiàn)算法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表為純相位查找表。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速計(jì)算三維物體全息的查找表算法，其特征在于：該查找表采用CUDA編程生成，生成過程采用雙精度并行計(jì)算。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表包含計(jì)算全息圖所需的全部相位信息，表格所占的內(nèi)存很小。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表既適用于二維物體計(jì)算全息也適用于三維物體計(jì)算全息。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表不需要重復(fù)計(jì)算，在查找表允許范圍內(nèi)大小的全息圖，以及不超過查找表計(jì)算范圍的物點(diǎn)采樣數(shù)的計(jì)算全息都可直接使用。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三角函數(shù)查找表的快速計(jì)算全息算法，其特征在于：該查找表算法在顯卡上生成的全息圖，其光學(xué)再現(xiàn)像相比于應(yīng)用原始點(diǎn)源法，在CPU端生成全息圖的再現(xiàn)像，質(zhì)量沒有降低?！疚臋n編號(hào)】G06F1/035GK104360708SQ201410360970【公開日】2015年2月18日申請(qǐng)日期:2014年7月24日優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日【發(fā)明者】蔣曉瑜,叢彬,裴闖,閆興鵬,趙鍇,嚴(yán)志強(qiáng),趙哲申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院