[發明專利]一種基于深度前饋神經網絡的數字全息圖生成系統及方法

在審

• 申請號: 202010983019.8
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112085841A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 劉靜;馬超群;蔣曉瑜;李劉鵬;蘇立玉;黃開宇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/50;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開一種基于深度前饋神經網絡的數字全息圖生成系統及方法，所述方法包括：1)構建前饋神經網絡，包含輸入層、隱含層和輸出層；2)構建四層全連接神經網絡，包含一個輸入層、兩個隱含層和一個輸出層，使用相應數據進行訓練，得到訓練完畢的全連接神經網絡；3)以步驟1)構建前饋神經網絡的輸出作為步驟2)所得全連接神經網絡的輸入，對兩個網絡進行拼接，形成深度前饋神經網絡；使用深度前饋神經網絡生成點云物體的數字全息圖。本發明提供的方法與點源法相比，能夠以更快的速度實現數字全息圖的生成，無需額外的內存占用，同時可以保持點源法生成全息圖的成像質量和泛化能力。

技術領域

本發明涉及數字全息技術領域，特別涉及一種基于深度前饋神經網絡的數字全息圖生成系統及方法。

背景技術

全息技術是一種能夠記錄和再現物體三維信息的顯示技術。物體反射光波的振幅代表物體的亮度信息，相位體現物體的深度信息，全息圖同時記錄了物光波的振幅和相位信息，因此可以實現物體的三維顯示。傳統的全息術通過全息記錄介質保存物光波和參考光波發生干涉后形成的干涉條紋，生成全息圖；再使用參考光照射全息圖，通過光的衍射使得物光波再現，重構三維物體。

傳統全息術復雜的光路系統和繁瑣的全息記錄材料處理工藝限制了它的發展和應用。1967年美國科學家古德曼(J.W.Goodman)首次提出了數字全息圖。數字全息是傳統全息術和計算機技術結合的產物，它用計算機準確地模擬物光波和參考光波的干涉過程，生成全息圖；然后通過繪圖儀或專用的計算機縮微系統模擬物光波的衍射過程，進行光學再現。計算全息不僅可以全面的記錄真實物光波的振幅和相位，還可以對虛擬的三維物體進行全息圖的生成，其全息圖生成和三維物體再現過程簡單、方便，具有極大的靈活性，因而在工業領域得到了廣泛的應用，例如激光處理、數字顯微鏡和3D顯示等。

計算全息可以有效利用計算機技術和數字圖像處理技術來改善全息圖的質量，同時可以得到良好的三維顯示效果，但是實際應用中的全息圖空間帶寬積往往很大，現有計算機的計算速度、存儲容量等無法滿足全息圖的實時生成和顯示，嚴重制約了計算全息的發展。

點源法，也叫光線追跡法，是經典的計算全息算法，它完全模擬了光學全息的物理過程，將三維物體視為空間中的點光源集合，每個點光源會與參考光在全息面相干生成基元全息圖，疊加所有的基元全息圖便可得到三維物體的全息圖。點源法計算全息能夠提供物體完整的三維信息，但是每計算全息圖上的一個像素位就要遍歷所有的物光點，且計算過程涉及指數運算、平方根運算等復雜的非線性運算，算法的運算量會隨著物光點數目的增多急劇增加，使得全息圖的生成速度極低。針對這一問題，Mark Lucent等人提出了查表法(M.Lucente,Interactive computation of holograms using a look-up table,J.Electronic Imaging2(1),28-35(1993))，將三維空間區域的所有物光點的基元全息圖預先計算并存儲起來，當計算一個物體的全息圖時，通過相應的索引從存儲的數據中調用三維物體各個物光點的基元全息圖，然后線性疊加即可得到物體的全息圖。查表法通過提前離線計算的方式避免了在線生成全息圖過程中復雜的非線性運算，但是存儲三維空間物光點的基元全息圖需要占據很大的存儲空間，對實際應用產生了極大的限制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于深度前饋神經網絡的數字全息圖生成系統及方法，以大大降低點源法生成全息圖的計算時間，解決現有技術存在的問題。本發明通過自定義前饋網絡將點源法中的距離計算過程網絡化，并訓練全連接神經網絡逼近點源法計算過程涉及的非線性函數，然后使用網絡拼接的方式形成深度前饋神經網絡。利用得到的深度前饋神經網絡可以實現不同點云物體數字全息圖的快速生成。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于深度前饋神經網絡的數字全息圖生成方法，包括：

1)構建前饋神經網絡，包含輸入層、隱含層和輸出層；