计算全息与图像加密：研究背景与意义

视觉是人们获取外部信息的主要渠道，相对于其他感官方式，比如听觉或触觉，视觉获取信息所占的比例要远远大于它们，所以对视觉的研究有其重要的现实依据。人们通过视觉感知到外界的某个物体，仅仅是因为物体自身发出的光或者反射外界的光进入人们眼睛的结果。携带着物信息的光波进入人眼被视网膜上的神经系统所感知，再经过大脑的分析，就能在脑中呈现出与原物相同的三维视图。这其实意味着，看见一个物体，并不能说明此物一定存在，仅仅说明有携带这个物信息的光进入眼睛而已。人们在照片、电影电视等信息载体中看到的人物、景物、建筑等，并不是事物的真实存在，而是因为它们所反射出的光的结构和真实的景物是相似的，但是这些信息却是有所缺失的，和真实看到的场景相差很大，原因就在于信息载体传递的信息缺少深度信息。就目前的信息采集设备而言，准确获得场景的深度信息还存在很大困难。

随着现代传感器、通信、存储和计算机技术的快速发展，许多领域的人接收到非常庞大的数据，例如虚拟现实、矿井监视、医学成像、3D地图、游戏、电影与电视等。已有的数据已经大大地超出当前2D显示的能力，对三维显示的需求与日俱增，因此多种显示技术应运而生。目前，三维立体显示多为基于人眼的双眼视差立体成像。所谓双眼视差立体成像，即当双眼观看同一三维立体物体时是从不同的角度注视的，从而双眼观察到的图像会稍有差异，即左眼观看物体左侧面多一些，右眼观看物体右侧面多一些，但两眼大部分的视野是重叠的，故分别在两侧视网膜上形成一个彼此对称、略有差别的像。此像信息经中枢处理后，就产生了物体的立体感。双眼视差信息是深度感最重要的心理暗示之一。目前，这一技术被广泛地应用在三维立体显示中，现在由二维图像产生的三维显示技术多是采用这一基本原理的结果。

如今已经商业化的三维显示技术主要有：红绿滤光眼镜立体显示，这是一种最简单的三维立体显示，通过佩戴一副左右分别为红绿（蓝）镜片的眼镜，观看特殊制作的红绿视频内容，就可观看到立体场景。这种显示技术有严重的亮度损失和部分颜色信息损失，而且长时间观看会产生视觉疲劳、头痛等症状，此外，这种显示需要佩戴眼镜极不方便。偏振式立体三维显示的基本原理是用具有不同偏振的两束光分别搭载两套画面同时投影至同一屏幕上，观看者佩戴一副与光束相对应的偏振滤波片制成的眼镜，使双眼分别看到不同偏振的光，即可观看到三维立体图像。这种显示方法可制成宽视域和大景深的三维显示，还可将其应用于具有彩色效果的三维显示，目前在立体电视及立体电影中得到了广泛的应用。采用光栅技术的三维显示的基本原理是将屏幕划分成一条条垂直向上的栅条，这些栅条交错显示左眼和右眼的画面，并在屏幕和观众之间设置一层遮挡物，使左右眼分别看到不同的播放内容，从而实现三维显示，这种立体显示无须佩戴专用的眼镜，可应用于大屏幕及景深较大的显示，但是受观看视角的限制，需要在特定的位置观看。微透镜（Microlens Arrays）立体成像，根据昆虫的复眼成像原理，用微透镜阵列记录同一物体在不同视点位置产生的图像，再经过进一步处理即可实现三维显示，该显示无须佩戴眼镜而且视角较大。(www.xing528.com)

要制造一个完美的三维立体显示只考虑一种心理和生理暗示是远远不够的，必须综合考虑多种心理和生理暗示的影响。然而，以上所介绍的三维立体显示方法仅能提供三维立体显示所需的部分心理和生理暗示，因此它们不可能提供真正的三维立体显示。全息显示技术能够提供人类视觉系统所需的全部生物物理刺激和生物心理刺激，包括眼睛调节、眼睛汇聚、运动视差和双眼视差、线性透视、阴影与遮挡、空间透视等3D感知。故，全息显示不会产生错匹配，无左右图像的色度串扰，具有水平与垂直视差，不会产生视觉疲劳，具有极强的观看舒服性。因此能够显示几乎接近于真实世界的3D物体和自然场景，还能提供所有视点和距离上的3D视觉，是最理想的能够自由观看的3D显示技术。在光全息中，物体的全部三维信息被编码在物光束与参考光束的干涉条纹即全息图中，干涉条纹被储存在曝光后的介质中，如卤化银乳胶、光致变色材料、热塑性材料等。这种全息图的生成与储存方式对于三维全息显示而言极不方便。随着计算机科学技术的高速发展，一门新的学科计算机产生全息图即计算全息应运而生。从计算全息的诞生到现在，人们已对计算机产生全息图的方法进行诸多有益的尝试，并取得了较为丰硕的编码成果，然而目前的编码方法在成像质量、计算速度、复杂度、普适性等方面远不能满足真三维立体显示的要求。此外，在显示器件方面，目前虽已出现可以替代传统储存介质的各种空间光调制器，如声光空间光调制器、数字微镜空间光调制器、液晶空间光调制器、硅基液晶空间光调制器等，但它们用于全息显示的调制原理尚需进一步研究，它们的像素尺寸还需要不断减小直至满足全息显示的要求。美国TI公司生产的DMD芯片因具有光利用率高、响应速度快、工作温度范围大等优点而被广泛使用。硅基液晶空间光调制器（LCOS-SLM）因其可编程性、衍射效率高、可调制相位等特点，是目前全息显示领域的重要显示器件之一。但是它们的显示原理研究尚不完善，仍有许多问题需要进一步探讨。