基于视觉感知的集成成像三维显示的研究

摘要

集成成像技术是一种经典的裸眼三维(3D)光场成像技术，最近几十年来，随着高分辨率显示设备的进步和高质量低成本的有效的微透镜阵列制造技术的出现，重新复苏并实现了快速发展。集成成像可用于显示具有全视差和连续视点的三维图像，并且在显示过程中不需要辅助观察设备和相干光源。因此，集成成像技术被认为是具有开发前景的成像技术。 成像技术是面向视觉、直观地呈现信息的重要技术，在信息科学和技术中占有极其重要的地位。现代显示技术致力于对客观世界更真实的重现，其中对人类视觉的理解对于这个技术至关重要，因为最终的目标是提供观察者所需的感性体验。 人类视觉系统是高度演化的系统，目前还没有任何传感器可以与之媲美。人的视觉感知不仅能够感知客观世界的色彩信息，还能同时感知客观世界的深度信息，即3D空间信息。现代显示技术如果要达到客观世界更真实的重现的目的就必须建立在对视觉感知更深度的理解的基础上，使得显示装置在更逼真地重构信息的同时给观察者更好的视觉上的适应性和舒适度。本论文聚焦基于视觉感知的集成成像技术的研究是从一个重要的视角来对这项技术进行探究，通过分析人类视觉感知模型特别是3D显示，结合集成成像三维显示技术的主要参数，分析了集成成像三维显示的3D视觉机制和显示效果，以期能为观看者提供更好的视觉体验。 本文工作内容与创新点如下: (1)构建由34×19个直径9mm透镜构成的微透镜阵列和4K高分辨率显示屏和扩散屏的集成成像系统;为3D显示研究构建了一个实际的实验平台。进一步，基于光场成像的理论，对系统的主要参数进行描述。采用光场参数化方法，建立相应的光场模型、给出系统的参数和编码方法。 (2)利用本系统宽视场(高角分辨率)的参数表示的特点，研究了视觉感知和显示角分辨率的关系。在编程的多视图采集阶段使用3ds MAX软件模拟三维场景和摄像机，任何通过matlab对采集到的离散视图进行光场编码;得到元图像;在光学重构阶段，将编码的元图像送入构建的系统作为实验装置。从人眼感知角度分析了角分辨率与元图像数目之间的关系，以及整个透镜阵列系统之间参数的相关制约。同时，在编程中创新使用Windows批处理命令采集视图，节约了采集阶段的人力和时间。 (3)根据集成成像技术的特点，进一步研究了本系统的深度重构能力，并与人的深度感知相联系，结合实验结果给出系统的限制和进一步改进的思路。