顯著改善了圖像質量和壽命

（中國AI網 2024年12月03日）新興的全息顯示技術為下一代虛擬現實和增強現實系統提供了獨特的功能。然而，目前的全息近眼顯示器只支持一個小可變空間，從而導致了在視場和視窗尺寸之間的直接權衡。

盡管行業已經在探索étendue Expansion光學擴展量擴展，但現有的方法要么在可實現圖像質量方面受到根本限制，要么需要極高速的空間光調制器。

日前，斯坦福大學，英偉達和麻省理工學院的團隊描述了一種顯著改善了圖像質量和壽命的全新擴展方法，并計劃在2024月12月舉行的SIGGRAPH ASIA大會進行介紹。

概括而言，所述該方法將多個相干源與傅里葉平面全息圖頻譜的內容自適應幅度調制相結合。為了給間光調制器生成時間復用相位和振幅模式，團隊設計了一種基于瞳感梯度下降的計算機生成全息算法，并由大基線目標光場監督。

與相關的基線方法相比，所述方法在模擬和實驗全息顯示原型中顯示了顯著改善的圖像質量和壽命。

全息近眼顯示器為虛擬現實和增強現實應用提供了獨特的優勢。例如，全息顯示器可以以輕量級設備形式向用戶呈現具有自然視差的感知逼真3D圖像。

然而，全息顯示器的壽命從根本上受限于底層空間光調制器（SLM）的像素數，這使得當前的全息近眼顯示器無法同時獲得大的視場和視窗。所述限制是全息顯示器成為實用顯示技術的根本障礙。

增加SLM的像素數似乎是一個自然的解決方案。但對于當今的硬件解決方案而言，開發相匹配的大面積純相位SLM根本不可行。為了克服這個問題，一系列的研究人員探索了各種擴展技術，但都有其局限性。

團隊指出，以前的擴展技術有以下缺點：

基于掩模的擴展技術重建低對比度和斑點圖像。

使用多光源可以擴大視窗，但光場重建質量較差。

轉向照明配置可以獲得不錯的圖像質量，但由于需要大量的時間復用幀，這種方法只能使用高速SLM來實現。

斯坦福大學，英偉達和麻省理工學院希望全息顯示器可以有足夠的自由度來同時實現大視場和視窗。

在沒有高分辨率SLM的情況下，這只能通過轉向或多源照明來實現。研究人員通過在SLM之后的傅里葉平面中引入動態的可編程調幅機制來解決主要缺點。通過將傅立葉平面全息圖頻譜的內容自適應調幅與多個相干源相結合，系統在使用更少時間復用幀的同時，在擴展的視窗中實現了最佳的圖像質量。

這種獨特的光學設置能夠擴展轉向/多源配置，從而以內容自適應的方式調制顯示圖像的頻譜。為此，他們利用一種隨機優化方法，將目標光場分解為一組時間復用相位SLM和相應的傅立葉振幅掩模以快速連續顯示。

團隊實現了所提出的三維全息顯示設計，并對算法進行了評估。定制打印的3D支架用于容納多源激光陣列。

他們使用可調光圈和可調焦鏡頭捕獲系統顯示的光場和焦點堆棧，而視差和對焦/散焦在拍攝結果中清晰可見。

如上圖所示，研究人員比較了不同的調制解調器擴展全息顯示配置，包括具有光場監督的傳統設置（第一行），相位掩膜（第二行），多源（第三行），具有隨機傅立葉掩膜的多源（第四行），轉向（第五行），帶濾波器的轉向（第六行），以及團隊所提出的具有內容自適應動態傅立葉調制的多源（第七八行）。

對于每個配置，將呈現中心視圖（第一列），并在接下來的四列中插入兩個焦點切片（后方和前方）和兩個不同的視點（左側和右側）。所有方法都使用相同的大基線目標光場進行監督。

可以看到，斯坦福大學，英偉達和麻省理工學院團隊的方法顯著改善了圖像質量。

當然，團隊坦誠，他們是在臺式顯示器設置演示了相關的結果，所以接下來需要進一步努力使小型化系統。另外，多源激光陣列是使用笨重的分離器實現，而系統的幀率受到幅度顯示的限制。同時，光場全息圖的實時合成是實際全息顯示器所必需的組成，但目前系統尚不支持。最后，他們沒有嘗試校準原型顯示器的神經網絡參數化波傳播模型。

相關論文：Large étendue 3D Holographic Display with Content-adpative Dynamic Fourier Modulation

總的來說，團隊提出的新硬件設計和算法框架提高了全息顯示的傳輸速率，并使光場全息圖合成具有更好的圖像質量。這將有助于幫助全息顯示器成為更實用的技術。