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基于光线跟踪的动态全息三维显示技术研究的任务书
任务书
一、背景
随着人类对数字图像、视频等虚拟信息的需求越来越高，全息三维显示技术成为展示数字虚拟信息的重要手段之一。全息三维显示技术是指将真实的三维物体或虚拟三维模型通过光学方式呈现在空中，使观察者可以自由视角观察物体的全方位信息，体验真实的三维视觉效果。目前，常用的全息三维显示技术主要包括透射全息和反射全息两种方式，但这些技术都存在各自的局限性，如透射全息需要较长的照明时间、反射全息需要复杂的设备等。因此，需要开发出更加高效、简便、可实现实时动态显示的全息技术。
基于光线跟踪的动态全息三维显示技术就是一种可行的解决方案。它通过跟踪光线的路径，计算出物体表面的反射光线，并采用计算机图像处理技术生成三维立体图像，将图像通过半透明介质反射出来，形成全息图像，从而实现动态三维显示的效果。该技术具有实时性好、可视角度宽、互动性强等优点，因而被广泛应用于医疗、教育、娱乐等领域，但其核心算法和技术仍需进一步研究和探索。
二、研究目标
本次研究的目标是基于光线跟踪的动态全息三维显示技术，主要包括以下几个方面：
1.开发光线跟踪算法
光线跟踪算法是实现全息三维显示技术的核心亮点，因此需要对光线跟踪算法进行深入研究和开发。具体来说，需要设计出一种高效、准确、稳定的光线跟踪算法，能够支持实时动态显示、观察角度任意旋转和实时交互等操作，提高整个系统的性能和用户体验。
2.搭建硬件平台
全息三维显示技术需要依托于专门的硬件平台才能实现。因此，需要对硬件平台进行搭建，包括激光器、空气中的光电介质、压敏型屏幕和专用计算机等设备的配置和连接。并上述硬件平台要求具备高度的集成性、快速响应性和较大的存储容量等特点。
3.构建全息三维显示系统
在光线跟踪算法和硬件平台的基础上，需要构建全息三维显示系统，实现对各种形态的物体的动态三维展示。该系统主要包括信号输入、信号处理和信号输出三个环节，即先将物体数据信号输入到电脑程序中进行处理，再通过计算机图像处理技术生成三维立体图像，将图像通过硬件平台反射出来，形成全息图像。
4.性能评估
最后需要对全息三维显示技术的性能和效果进行评估。经过充分的实验和测试，对硬件平台的响应速度、图像精度、实时性等进行测试，对光线跟踪算法的速度、稳定性、算法复杂度进行测试，以确定该技术的性能，为进一步优化和改善提供依据。
三、研究内容及研究方法
1.光线跟踪算法的研究
采用图像处理领域常用的光线跟踪算法，分析算法的优缺点，针对全息三维显示的特点，设计出一种高效、稳定、适用的算法。主要研究内容包括光线的生成、反射和折射、颜色计算、间接光照等方面。实现算法在计算机上的应用，验证算法的准确性和可行性。
2.硬件平台的搭建
通过市场调研，了解现有的全息三维显示硬件设备，设计出符合研究项目需要的硬件平台，并完成硬件设备的配置和连接。
3.全息三维显示系统的构建
根据研究成果和硬件平台，设计并构建全息三维显示系统，开发相关软件，验证系统的稳定性和实时性，实现对物体的动态三维展示。
4.性能评估
对硬件平台的响应速度、图像精度、实时性等进行测试，对光线跟踪算法的速度、稳定性、算法复杂度进行测试，以确定该技术的性能。
四、预期成果
1.成功建立基于光线跟踪的动态全息三维显示系统，实现对物体的动态三维展示。
2.设计出一种高效、稳定、适用的光线跟踪算法，用于全息三维显示系统。
3.完成硬件平台配置和连接，为全息三维显示系统的开发提供基础支持。
4.对于硬件平台响应速度、图像精度、实时性以及光线跟踪算法的速度、稳定性、算法复杂度进行测试，为进一步优化和改善提供依据。
五、研究时间表
本次研究工作总时长为12个月，具体时间表如下：
任务|时间
---|---
光线跟踪算法的研究|1-3个月
硬件平台的搭建|4-6个月
全息三维显示系统的构建|7-10个月
性能评估|11-12个月
六、参考文献
1.S.Hecht,Optics,4thed.(PearsonEducation,Inc.,2017).
2.E.F.GrabczykandR.Grottel,“Dynamicraytracingof3Dgraphics(applicationtopre-andpost-designsimulationofarchitecturallightingsystems),”Comput.AidedDes.22,49–58(1990).
3.M.Levoy,“Lightfieldsandcomputationalimaging,”IEEEComputer39(8),46–55(2006).
4.Z.Bai,H.Li,andJ.Huang,“Real-timeholographicdisplayusingmulti-coreGP