系统误差对集成成像质量降质特性影响机理及补偿方法研究

摘要

集成成像显示技术是真三维显示领域的前沿研究方向，被认为是真三维显示领域最有前途的显示技术之一。集成成像是多器件和多模块耦合匹配的复杂三维光学成像系统，在工程研制中难以避免的系统误差将引起集成成像质量的退化，但目前针对这些系统误差作用的集成成像质量退化机理和图像质量补偿方法研究的不够深入或者没有涉及，因此，非常有必要深入研究系统误差引起的集成成像质量降质的作用机理和图像质量补偿方法，以实现高质量真三维显示的目标。
　　针对系统误差对集成成像质量降质影响的机理和图像质量补偿方法，本论文开展了如下研究工作：
　　(1)依据集成成像的原理，基于几何光学理论，运用光线追迹方法，推导了系统误差作用集成成像质量退化的理论模型。依据该模型，通过计算机仿真实验，定量分析了系统误差对重构图像质量降质的影响程度。最后，给出了满足人眼观看需求的系统所能容忍的误差极限，分析了系统参数与系统误差极限的制约关系，可为集成成像系统的优化设计提供理论依据。
　　(2)为了客观真实全面的表征集成成像系统的三维性能，基于波动光学理论，考虑记录微透镜和显示微透镜的衍射效应、图像传感器和显示设备的像素离散化效应，建立了集成成像系统三维点扩散特性理论模型；并针对实际工程应用中难以避免的各种系统误差，修正了该模型。然后，依据上述模型，通过理论计算，分析了不同系统误差对系统的三维点扩散特性的影响。最后，结合人眼视觉分辨率极限，给出了观察者在一定位置观察时，系统所能容忍的误差极限。在给定的实验条件下，该系统的局部误差极限为0.16mm，全局误差极限为0.02mm，旋转角度装配误差极限为0.5度，倾斜角度装配误差极限为0.5度，离焦装配误差极限为0.5mm，显示设备像素尺寸极限为0.05mm。
　　(3)针对集成成像系统中的局部误差、全局误差、旋转角度装配误差、倾斜角度装配误差和离焦装配误差引起的图像质量降质的补偿问题，以齐次光场模型为基础，分别推导了用于补偿上述系统误差引起的图像质量降质的齐次光场模型。该模型依据获取的微单元图像（elemental image, EI），生成与存在系统误差的显示系统匹配的微单元图像阵列(elemental image array, EIA)，补偿了系统误差引起的图像质量降质问题。
　　(4)针对集成成像系统中显示设备像素尺寸与图像传感器像素尺寸不匹配引起的图像降质的补偿问题，提出了亚像素编码方法。该方法通过在普通显示设备前放置亚像素编码模板，改变显示设备上显示的图像和亚像素编码模板编码模式，利用时间复用技术和人眼的视觉暂留效应，达到了同时在普通显示设备上的一个像素内显示获取到的EI中的多个像素的目的，补偿了像素尺寸不匹配造成的图像质量降质。当显示设备的像素尺寸是图像传感器的像素尺寸的n′n倍时，集成成像系统的分辨率理论上可以提高n倍。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外发展现状

1.3本文的研究内容

第二章 集成成像系统性能参数及误差来源分析

2.1集成成像的原理

2.2集成成像系统的分类

2.3集成成像系统性能指标

2.4集成成像系统误差来源分析

2.5本章小结

第三章 系统误差作用集成成像质量退化模型研究

3.1集成成像系统的成像过程描述

3.2对称系统误差作用集成成像质量退化模型

3.3非对称系统误差作用集成成像质量退化模型

3.4实验结果及结论

3.5本章小结

第四章 集成成像系统的三维点扩散特性研究

4.1引言

4.2单透镜的三维点扩散函数

4.3集成成像系统的三维点扩散理论模型

4.4存在对称系统误差系统的三维点扩散理论模型

4.5 非对称系统的三维点扩散理论模型

4.6 集成成像系统的三维点扩散斑的空间分布

4.7本章小节

第五章 集成成像图像质量补偿方法研究

5.1齐次光场转换模型

5.2基于齐次光场模型的集成成像图像质量补偿方法

5.3基于亚像素编码方法的集成成成像图像质量补偿方法

5.4本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1工作总结

6.2下一步工作展望

参考文献

致谢

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