基于FPGA的高分辨率视频全息投影算法实现

摘要

全息投影技术在光学图像处理、高速光互连、光逻辑运算、光学镊子等诸多领域内得到广泛的应用。在显示技术领域内，基于液晶的纯相位空间光调制器已具备通过改变入射光的相位来调制图像的能力。相比较于光强调制方式，相位调制技术能降低误差的影响，同时能将入射光有效用于图像显示，具有很高的光利用率。
　　针对纯相位空间光调制器，本文根据基于遗传算法的并行结构相位恢复算法(PGSGA)来实现视频流的全息投影。虽然PGSGA算法的迭代收敛速度高于GS算法，但是其资源消耗也高于GS算法。通过Matlab仿真软件，深入分析了并行线数量与迭代收敛速度的关系以及误差的影响，木论文确定了较合理的并行结构为4条并行线。
　　论文之后详细阐述了基于DE3开发平台的PGSGA相位恢复系统的程序设计和实现过程。算法主体部分全部采用硬件编程语言实现以加快运算速度，包括根据CORDIC算法来计算三角函数和开方运算、利用FFT来完成图像像域到频域的变换、利用DDR2来实现高速数据缓存等，另外利用USB2.0高速接口与空间光调制器系统进行数据传输、利用CMOS传感器实时采集视频图像数据、利用嵌入式NIOSⅡ完成接口的控制。
　　实验结果表明512×512分辨率视频的全息投影帧率为4帧每秒，相位恢复算法的RMS小于15，反演图像的平均误差小于13；512×512分辨率专业应用案例图的相位恢复算法的RMS为小于20，反演图像的平均误差小于17；1024×1024分辨率视频的全息投影帧率为1帧每秒，相位恢复算法的RMS误差小于15，反演图像的平均误差小于13。1024×1024分辨率的专业应用案例图的相位恢复算法的RMS小于19，平均误差小于16。整体测试表明相位恢复指标和误差分布满足系统要求，实时帧率有待提高。