[论文解读] Realistic Defocus Blur for Multiplane Computer-Generated Holography

Koray Kavaklı, Yuta Itoh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2022

Advanced Optical Imaging Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的多平面计算机生成全息（CGH）流水线，实现了近乎准确的非相干类散焦模糊，并消除了相干全息重建中的可见条纹。通过引入双目标优化方案及针对聚焦与散焦区域的独立损失函数，该方法在仅使用纯相位空间光调制器（SLM）和迭代优化的前提下，提升了多深度平面下的对比度与真实感，实验验证基于具备六个深度平面的激光式概念验证显示系统。

ABSTRACT

This paper introduces a new multiplane CGH computation method to reconstruct artefact-free high-quality holograms with natural-looking defocus blur. Our method introduces a new targeting scheme and a new loss function. While the targeting scheme accounts for defocused parts of the scene at each depth plane, the new loss function analyzes focused and defocused parts separately in reconstructed images. Our method support phase-only CGH calculations using various iterative (e.g., Gerchberg-Saxton, Gradient Descent) and non-iterative (e.g., Double Phase) CGH techniques. We achieve our best image quality using a modified gradient descent-based optimization recipe where we introduce a constraint inspired by the double phase method. We validate our method experimentally using our proof-of-concept holographic display, comparing various algorithms, including multi-depth scenes with sparse and dense contents.

研究动机与目标

• 解决多平面CGH中相干与非相干散焦模糊之间的视觉不匹配问题，其中相干照明会导致不自然的条纹与错误的模糊效果。
• 通过减轻相干光源在重建3D场景时引起的对比度损失与伪影生成，提升图像质量。
• 开发一种可推广的全息图生成流水线，兼容多种CGH方法，包括迭代方法（如Gerchberg-Saxton、梯度下降）与非迭代方法（如双相位法）。
• 实现在多个深度平面间具有感知真实感深度线索与焦点变化的高质量、无伪影3D重建。
• 在基于三色激光与纯相位SLM的原理样机全息显示系统上实现方法的实验验证。

提出的方法

• 引入一种新型目标设定方案，包含每个深度平面对应的散焦场景版本，确保重建过程能考虑多平面间的模糊效应。
• 设计一种新型损失函数，分别评估重建图像中聚焦与散焦区域的表现，实现对逼真模糊行为的针对性优化。
• 实施一种混合优化方案，结合双相位法的约束与随机梯度下降（SGD）算法，以提升收敛速度与图像质量。
• 支持使用广泛算法的纯相位CGH，包括Gerchberg-Saxton、SGD与双相位法，确保方法的广泛兼容性与可扩展性。
• 构建一个基于三束激光（473–515–639 nm）、纯相位SLM及定制光学与光学机械组件的原理样机全息显示系统，用于实验验证。
• 通过20 ms曝光时间的单色成像捕获全彩图像，随后在后期处理中进行合成，以保持视觉保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过将聚焦与散焦区域分开处理的损失函数，提升多平面CGH中散焦模糊的真实感？
• RQ2 如何通过包含散焦图像分量的改进目标设定方案，增强多平面全息重建的感知质量？
• RQ3 结合双相位约束与SGD的混合优化方法，在多大程度上可减少相干伪影（如条纹）的同时保持对比度？
• RQ4 所提出的方法是否能仅使用相干光源与纯相位SLM，实现近乎准确的非相干类散焦模糊？
• RQ5 在真实全息显示系统中，该方法在不同场景密度（稀疏与密集内容）及深度配置下的表现如何？

主要发现

• 与最先进的张量全息技术相比，所提方法显著提升了对比度并减少了视觉伪影，后者虽图像质量高但存在对比度损失问题。
• 相干全息中常见的可见条纹在重建图像中被有效抑制，实现了更自然、更接近非相干特性的散焦模糊效果。
• 该方法成功在原理样机显示系统中实现了六深度平面的多平面3D场景重建，展现出感知真实感与无伪影的焦点提示。
• 结合双相位约束与SGD的混合优化方案实现了最高图像质量，优于标准的迭代与非迭代方法。
• 实验结果表明，该方法在相同硬件条件下，相比张量全息技术，能生成更具视觉优势的重建结果，尤其在模糊真实感与对比度方面表现更优。
• 该方法兼容多种CGH技术，包括Gerchberg-Saxton、SGD与双相位法，展现出广泛的适用性与可扩展性。