在數(shù)字影像飛速發(fā)展的今天，如何讓普通的二維圖像“躍然于眼前”，呈現(xiàn)出逼真的三維立體觀看效果，是全息顯示領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

近日，在莊松林院士指導(dǎo)下，上海理工大學(xué)張大偉教授領(lǐng)銜的超精密光學(xué)制造團隊提出了一種全新的端到端卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，可直接將二維圖片轉(zhuǎn)換為全彩三維全息圖像。相關(guān)研究成果以“二維圖像到彩色三維全息的端到端卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法”（Conversion of 2D picture to color 3D holography using end-to-end convolutional neural network）為題，發(fā)表在光學(xué)期刊《智慧光學(xué)》（PhotoniX）上。

長期以來，計算機生成全息圖（CGH）的計算過程需要三維模型或深度信息作為輸入，這不僅增加了數(shù)據(jù)獲取的難度，也使實時計算成為瓶頸。針對這一問題，團隊提出的端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法徹底跳過了深度估計步驟，直接學(xué)習(xí)從二維圖像到三維全息波前的映射關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用大規(guī)模合成數(shù)據(jù)集，經(jīng)過優(yōu)化后能夠以毫秒級速度生成高質(zhì)量的全彩色相位全息圖，從而實現(xiàn)二維到三維的直接跨維度轉(zhuǎn)換。實驗結(jié)果表明，該方法重建的三維圖像具有清晰的層次感和自然的聚焦效果，重建質(zhì)量與傳統(tǒng)深度估計+全息生成的兩步法相當(dāng)，但速度提升了一個數(shù)量級。在實驗平臺上，研究團隊利用空間光調(diào)制器（SLM）成功實現(xiàn)了多類二維圖片的三維全彩全息再現(xiàn)，包括合成圖像、自然圖像以及實拍照片，均展現(xiàn)出穩(wěn)定的立體重建效果。

該研究突破了二維圖像生成三維全息的傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，為全息顯示的全彩、實時化、低成本化提供了新的解決方案。未來，這一技術(shù)有望應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、裸眼3D顯示等前沿領(lǐng)域，推動元宇宙和沉浸式顯示的發(fā)展。

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基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的從2D到3D全彩全息顯示系統(tǒng)示意圖

上海理工大學(xué)常琛亮教授與碩士生趙陳洲為論文的第一作者，張大偉教授為論文的通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。

論文鏈接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00186-3