تسجل الصور المجسمة التقليدية معلومات الموجات الضوئية لجسم ما على مادة حساسة للضوء من خلال تداخل الليزر، ثم تقوم بإعادة إنتاج المعلومات ثلاثية الأبعاد للكائن عن طريق إعادة بناء نمط التداخل. بالمقارنة مع التصوير المجسم التقليدي، لا تعتمد التصوير المجسم الحسابي على تسجيل التداخل البصري للكائن الفعلي. وبدلاً من ذلك، يستخدم أسلوب المحاكاة الرقمية الحاسوبية، ويحسب الصورة الثلاثية الأبعاد الرقمية بناءً على المعلومات ثلاثية الأبعاد للكائن.
يتكون CGH بشكل أساسي من جزأين: الأول هو الحصول على مجال التشتت أو الحيود المعقد باستخدام طرق الحساب الرقمي القائمة على النموذج الرقمي لجسم ما أو مشهد ثلاثي الأبعاد محدد مسبقًا؛ والآخر هو تحويل مجال السعة المعقدة المحسوبة إلى تنسيق ترميز مناسب لأجهزة العرض (مثل مُعدِّلات الضوء المكانية، SLM)، وبالتالي تحقيق إعادة إنتاج ثلاثية الأبعاد للمشهد.
لقد اخترق CGH قيود التسجيل المجسم التقليدي من حيث الوسط المادي وظروف التداخل، مما عزز بشكل كبير مرونة الصور المجسمة وإمكانية التحكم فيها، وأصبح أداة مهمة للعرض المجسم الرقمي والبحث البصري.
ثانيا. مبادئ حساب CGH المجسم
حيود وتداخل موجات الضوء
يكمن جوهر التصوير المجسم الحسابي في محاكاة انتشار الموجات الضوئية لجسم أو مشهد وعمليات حيودها وتداخلها. يمكن وصف موجات الضوء بسعات معقدة، بما في ذلك معلومات السعة والطور. يمكن تحقيق محاكاة الانتشار من خلال نظريات مثل حيود فريسنل وحيود فراونهوفر. إن جوهر CGH في حساب الهولوغرام الخاص به هو حساب توزيع السعة المعقدة من الكائن إلى مستوى الهولوغرام.
حساب السعة المعقدة
لتوليد CGH، يجب الحصول على السعة المعقدة، والتي تتضمن معلومات السعة والطور للضوء. تأتي هذه المعلومات عادة من النموذج ثلاثي الأبعاد للجسم، أو يتم الحصول عليها عن طريق حساب انتشار مجال الضوء على سطح الإسقاط. يتضمن الحساب الأساسي الخطوات التالية:
حساب توزيع مجال الضوء على سطح الجسم؛
باستخدام نظرية الحيود، احسب المجال المنتشر من سطح الجسم إلى سطح المراقبة؛
قم بتحويل مجال السعة المعقد إلى خريطة شدة الضوء أو خريطة تعديل مناسبة للعرض.
ثالثا. طرق الحساب الرئيسية
طريقة حيود تقريب فريسنل
من خلال تطبيق مبدأ حيود فريسنل، يمكن إجراء حسابات تقريبية لانتشار مجالات الضوء على الأسطح المستوية أو المنحنية. التعقيد الحسابي معتدل، مما يجعله مناسبًا لتوليد الصور المجسمة على مسافات قصيرة نسبيًا وبمقاييس متوسطة الحجم.
طريقة حيود فريسنل
حيود فريسنل هو نموذج تقريبي للحيود في المجال البعيد، وهو مناسب لحساب الصور المجسمة ذات الانتشار لمسافات طويلة. عملية الحساب الخاصة بها تعادل تحويل فورييه، وغالبًا ما يتم تسريعها بواسطة خوارزمية تحويل فورييه السريع (FFT).
طريقة تراكب مصدر الضوء النقطي
يتحلل الجسم ثلاثي الأبعاد إلى العديد من مصادر الضوء النقطية، ويتم حساب واجهات الموجات لكل مصدر ضوء نقطي معروض على السطح المجسم. يتم تركيب واجهات الموجات لجميع النقاط للحصول على خريطة السعة المعقدة النهائية. هذه الطريقة مناسبة للكائنات المعقدة ولكنها تحتوي على حمل حسابي كبير. يمكن تسريعها من خلال طرق الحوسبة المتوازية مثل GPU.
طريقة الحساب التكراري
لمعالجة القيود المادية للمغير (مثل تعديل الطور أو تعديل السعة)، يتم استخدام الخوارزميات التكرارية مثل Gerchberg-Saxton لتحسين جودة التشفير المجسم، وتقليل الضوضاء والتحف، وتحسين جودة الصورة المعاد بناؤها.
رابعا. تكنولوجيا تنفيذ CGH
مُعدِّل الضوء المكاني (SLM)
SLM هو الجهاز الرئيسي لتحويل معلومات CGH الرقمية إلى موجات ضوئية معدلة فعلية. ويشمل أجهزة مثل الكريستال السائل على السيليكون (LCOS) وأجهزة المرآة الدقيقة الرقمية (DMD)، والتي يمكنها تحقيق تعديل الطور أو السعة لتشكيل واجهات موجية مُعاد بناؤها.
دعم أجهزة الكمبيوتر
يتضمن توليد CGH قدرًا هائلاً من العمليات الحسابية. ومن خلال الاستفادة من وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء، وFPGAs وغيرها من الأجهزة للحوسبة المتوازية، يمكن تحسين سرعة الحوسبة بشكل كبير، مما يتيح إجراء عمليات حسابية في الوقت الفعلي أو في الوقت الفعلي تقريبًا.
عرض وتسجيل المتوسطة
في نظام CGH، يتم عرض الصور المجسمة من خلال SLM أو تسجيلها على الوسائط البصرية من خلال التعريض بالليزر لتحقيق إعادة إنتاج الصورة. الوسائط المختلفة لها تأثيرات مختلفة على الدقة ومجال الرؤية وجودة إعادة البناء.
V. التحديات التقنية الرئيسية لشركة CGH
السرعة الحسابية والأداء في الوقت الحقيقي
تتضمن الحوسبة الثلاثية الأبعاد للمشاهد عالية الدقة والمعقدة كمية هائلة من البيانات. تمثل كيفية تحسين بنية الخوارزمية والاستفادة من تسريع الأجهزة تحديًا كبيرًا.
تقليل الضوضاء إعادة التكوين
تتسبب موجات التداخل عالية الترتيب المتولدة أثناء إعادة البناء المجسم في حدوث آثار، ومن الضروري تصميم نظام ترميز محسّن وتطبيق خوارزميات التصفية لتقليل الضوضاء.
عرض قيود الجهاز
إن الدقة المكانية الحالية وعمق بت التعديل ومعدل تحديث SLMs تحد من الجودة والتأثيرات الديناميكية للصور المجسمة.
سادسا. مجالات تطبيق CGH
عرض ثلاثي الأبعاد والواقع الافتراضي
باستخدام تقنية CGH لإنشاء صور واقعية ثلاثية الأبعاد، دون الحاجة إلى ارتداء نظارات خاصة، فإنها تتمتع بمزايا المنظر الطبيعي والواقعية المكانية القوية، ويتم تطبيقها في مجالات مثل الواقع الافتراضي/الواقع المعزز، وعروض المعارض، والتصوير الطبي.
تخزين البيانات الضوئية عالية الكثافة
يمكن لـ CGH تحقيق تشفير معلومات عالي الكثافة في مساحة ثلاثية الأبعاد، وعندما يتم دمجها مع مواد تخزين متعددة الطبقات، يمكنها زيادة سعة التخزين وكفاءة الوصول.
الفحص والقياس البصري
في مجالات مثل قياس التداخل، وفحص الطبوغرافيا، وتحليل الإجهاد، توفر تقنية CGH طرق قياس بصرية دقيقة للغاية.
الاتصالات البصرية
يمكن تطبيق CGH على تشكيل الشعاع التكيفي، ونقل الألياف متعدد الأوضاع والمصفوفات الضوئية المرحلية، مما يتيح اتصالات بصرية عالية السرعة وعالية السعة.
أمن المعلومات والتشفير
باستخدام CGH للتشفير البصري المعقد للمعلومات، يمكن تحسين أداء الأمان ومكافحة التزييف للمعلومات.
سابعا. اتجاهات التنمية المستقبلية
عرض ثلاثي الأبعاد ديناميكي في الوقت الحقيقي
من خلال الجمع بين الحوسبة عالية الأداء وتقنية SLM المتقدمة، يتم تحقيق عرض فوري للصور الديناميكية والتفاعلية ثلاثية الأبعاد.
الانصهار المتعدد الوسائط
يمكن أن يؤدي الجمع بين CGH وكاميرات العمق وخوارزميات الذكاء الاصطناعي إلى تحسين جودة الصور الثلاثية الأبعاد ومستوى ذكائها.
دقة عالية للغاية وزاوية رؤية واسعة
تعزيز تطوير مواد جديدة وتقنيات التصنيع النانوية الدقيقة، وإنشاء أجهزة عرض ذات دقة أعلى وزوايا مشاهدة أوسع لتلبية متطلبات التطبيقات الأكثر تعقيدًا.
حوسبة الفوتون والتصوير المجسم الكمي
استكشف تكامل منصات الحوسبة الضوئية مع البصريات الكمومية لتحقيق تقنيات معالجة المعلومات ثلاثية الأبعاد الجديدة.
خاتمة
إن CGH الحاسوبية المجسمة، باعتبارها فرعًا مهمًا من الابتكار البصري الرقمي، تدمج تقنيات من تخصصات متعددة مثل البصريات وعلوم الكمبيوتر وعلوم المواد. لديها إمكانات كبيرة لتحقيق عرض صور ثلاثي الأبعاد عالي الجودة وقياس بصري عالي الدقة. ومع التحسينات المستمرة في أداء الأجهزة وتحسين الخوارزميات، سيصبح دور تكنولوجيا CGH في البحث العلمي والتطبيقات الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية بارزًا بشكل متزايد، مما يدفع تطوير الجيل القادم من تكنولوجيا المعلومات الضوئية. في المستقبل، من خلال الجمع بين الذكاء الاصطناعي والأجهزة البصرية الجديدة للابتكار، ستقود التصوير المجسم الحسابي بلا شك الاتجاه الثوري للجيل القادم من التجارب البصرية.
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لنقدم لك تجربة تصفح أفضل، وتحليل حركة مرور الموقع، وتخصيص المحتوى. باستخدام هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.سياسة الخصوصية
