集成成像三维显示光场转换与重构方法研究

摘要

集成成像三维显示技术是一种新型的立体显示技术，可用来显示具有全视差、连续视点的三维立体图像，显示过程中不需要辅助观看设备以及相干光源，因此，集成成像技术具有广泛的应用前景。本文系统总结了国内外对集成成像技术的研究现状，随后围绕集成成像三维显示技术展开研究，主要工作如下：
　　为实现集成成像光场转换与重构，首先分析了集成成像系统参数与总体性能之间的关系；重点研究了三维图像显示过程中出现的多平面结构、图像交织现象、重构像点轴向位移误差等降质因素的产生机理，表征了轴向位移误差和微透镜焦距f与显示面板距微透镜阵列距离g的比值之间的关系。
　　基于系统端到端性能表征思想，综合考虑微透镜阵列对光场信号在光场坐标空间中的转换作用、光学衍射效应以及采样效应，通过引入光场参数化方法，建立了三维集成成像系统的光场模型。以光场模型为基础，定量分析了微透镜阵列与记录设备像素的采样效应，确定了三维集成成像系统中光场信号的采样带宽，探讨了三维集成成像系统最大空间分辨率与微透镜阵列间距以及像素间距之间的关系。为后续集成成像光场转换与重构提供理论支持。
　　针对集成成像高分辨率三维可视化需求，在分析了现有计算集成成像重构方法（基于深度面的计算重构方法和基于视角的计算重构方法）的基础上，提出了一种基于光场的高分辨率自由视点计算重构方法。该方法按照视点位置和观看矢量，将微单元图像阵列映射到重构平面，有效利用了微单元图像阵列中的信息。并将该方法与传统的计算重构方法进行了仿真实验对比，分析了重构图像与虚拟针孔阵列之间的距离和单个微单元图像分辨率对重构图像质量的影响。仿真结果表明，本文提出的光场计算重构方法与传统的背投式计算重构方法相比，运算时间更短，且重构图像与原始图像更加接近，重构图像质量更好；与基于视角的传统计算重构方法相比，重构图像的分辨率有了很大的提升。
　　针对集成成像系统中记录端与显示端参数不匹配和深度反转的问题，提出了齐次光场转换模型，定义了齐次光场坐标空间，分别推导了平移和旋转变换矩阵，通过光线的坐标矢量转换，实现了从原始微单元图像阵列中合成新的可交互控制观看参数的微单元图像阵列，并且光场转换过程中不需要有关三维场景的先验知识。实验结果表明，本文提出的齐次光场转换模型，可实现对重构三维图像的深度位置、横向平移和绕轴旋转等观看参数的控制，且合成的微单元图像阵列参数与显示系统参数相匹配，重构三维图像中不存在深度反转的问题。