传统的照相技术基于几何光学成像原理，把物体的光波强度记录在二维平面上。物光波中相位信息的损失，使记录的物体不具备三维特性。全息技术能够记录物体光波的强度和相位信息，进而还原三维世界中的物体信息。光学全息技术的波前记录是基于干涉方法来记录物体的波前信息，波前信息包括物体光波的振幅信息和相位信息，但是记录干板只对光的强度产生反应，因此，为了记录波前信息中的相位信息，还需要进行一定的调制转换过程，让光的强度信息也能体现相位相关的信息，从而通过干板实现记录。干涉方法通过引入参考光，实现空间中相位的调制。

与光学全息不同的是，计算全息无需严苛稳定的记录环境，而是在计算机内进行光波传播的模拟与运算，因而具备丰富的可记录物体种类，甚至可以记录现实生活中并不存在的虚拟物体，十分灵活。制作计算全息图的具体计算步骤如下：

1、获取物光信息。对于现实中存在的物体，可以通过摄像机、扫描仪等获取信息后输入计算机，对于不存在的虚拟物体，可以通过函数形式直接输入，也可以通过计算机图形学方法绘制。

2、离散化数据。通过对连续的物体进行抽样，得到计算机便于处理的离散样点分布。

3、模拟光波传播过程。在计算机内模拟干涉场与衍射场的计算，得到全息面上的复振幅分布。

4、编码。由于现有的显示设备无法直接处理复值函数，因此需要对复振幅信息进行一定的编码，得到全息的透过率函数。

5、成图。将上一步得到的透过率函数经由图像输出设备绘制出全息图。

6、再现。重建时可以在计算机中进行数值重建，也可以搭建光路并把全息图输出到空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）上得到重建像。

在计算全息图重建物光波时，空间光调制器是重要的显示硬件，通过编程主动控制空间光调制器的各个单元，可以在时间维度和空间维度上一定程度的调制输入的光波，实现动态的全息显示。空间光调制器由多个独立的单元构成，在接收光信号或电信号控制时，各个单元之间不会相互影响，通过声光效应、电光效应、磁光效应等各种物理效应，单元中的光学特性被不同程度的改变，从而实现对光波的调制。图1为全息示意图。

综上，数字化的操作为全息技术注入活力，相较于刻蚀在干板上的光学全息图，计算全息图便于处理与存储，方便传输。另外，除了直接用于记录和重现三维物体，计算全息技术还可以用来制作诸如全息透镜的多种全息元件；在光学信息处理和全息干涉计量方面，计算全息技术也常用来制作各种复杂的空间滤波器和产生特定波面等。

同时，光学图像的信息是连续分布的，但是数字计算机所处理的是离散的形式。所以在利用计算机生成全息图时，抽样是一个必不可少的步骤。直观上，抽样越密集，越能够准确表示原始信息，但是这也对存储、处理等操作提出了更高的要求。所以，一方面为了不丢失信息，能够由抽样值恢复为连续函数，另一方面，考虑到控制抽样点数，以减轻数据处理过程的负担，在对物函数设置抽样间距时需要满足抽样定理。

光学图像是一种空间信号，空间信号的信息容量一般是由空间带宽积（Space-Bandwidth Product, SBP）进行描述。光学图像在通过光学系统进行传递时受到的限制，一方面来源于孔径光阑的遮挡，一方面是视场光阑的限制。前者会挡住信息中超出截止频率的高频部分，后者会限制空间中物体的成像范围，由此可以得到SBP等于频带宽度与空间宽度的乘积。空间带宽积越高，意味着通过光学系统获得的信息量就越大。由于SBP具有传递不变性，当图像发生空间中的平移、放缩等变换时，为了不让信息在变换过程后丢失，应该注意使其空间带宽积不被改变，所以，在计算全息中，可以利用空间带宽积来确定所需抽样点总数。编码过程是将待全息物体的光波在记录平面上的分布进行变换，得到全息透过率函数分布的过程。这里介绍三种典型的编码方式：修正离轴参考光编码、迂回位相编码和相息图编码。

近年来，科研人员对体数据的计算全息图生成方法展开研究，本文介绍三种以体数据为待全息记录的物体，结合传统的体数据可视化技术，生成计算全息图的方法，分别是：基于多边形面片、基于最大密度投影和基于近似体绘制的方法。基于多边形面片的方法是一种结合面绘制技术的CGH生成方法，该方法分为两个阶段：体数据的模型转换阶段和基于多边形模型生成CGH阶段。

首先基于移动立方体算法把体数据转换成多边形面片模型，得到的模型可以使用建模软件进一步调整，例如使用3dsMax与其他模型组合到一个场景中。之后基于光线追踪技术，从视点投射光线，确定每条光线与多边形模型三角形面片的首次碰撞交点。由于经过了模型转换，这一方法实际上是对体数据的间接使用，并且这一额外的模型转换过程比较耗时，根据以前的实验数据，在使用医疗图像软件OsiriX进行模型转换的情况下，骨骼体数据经模型转换阶段得到含686776个面片和345517个顶点的骨骼面片模型，该模型转换阶段的时间长达20.2秒。

最大密度投影技术（Max Intensity projection, MIP）是直接使用体数据的一种可视化技术。在传统的MIP方法中，沿视线方向获得每条光线上值最大的采样点，即在三维空间中获取高强度信号投影到二维屏幕上形成影像，常用于医疗诊断高密度物体的状态，如内脏、血管。这种基于最大密度投影的计算全息图生成方法在物体信息的获取上具有局限性，由于从相反方向投影时每条光线上的最大值不变，则相反方向上得到的重建像相同，获取信息单一的问题使得该方法的应用场景比较有限。

本文总结了全息技术基础，体数据可视化基本理论和体数据的传统计算全息图生成方法。分别对光学全息和计算全息技术进行了介绍，并重点对计算全息相关技术进行说明。详细介绍了计算全息中应用到的抽样定理和空间带宽积理论，对于计算全息图生成中的编码方式也进行了一定的介绍。在介绍体数据可视化基本理论时，具体介绍了体数据的特点以及体数据可视化过程中常用的面绘制技术与体绘制技术，并进行了技术特点的对比。在介绍体数据的传统计算全息图生成方法时，重点介绍了基于多边形面片、最大密度投影、近似体绘制的方法，经过分析发现：基于多边形面片的方法和基于近似体绘制的方法在总的生成时间上存在效率问题，而基于最大密度投影的方法在显示内容上存在局限性问题。

图1  全息示意图