集成成像三維顯示系統顯示性能的研究進展

趙 星 ，王 芳，楊 勇，方志良，袁小聰

(南開大學 現代光學研究所 光學信息技術科學教育部重點實驗室，天津300071)

1 引 言

與傳統二維顯示圖像技術相比，三維立體顯示技術能在一定程度上真實地再現客觀世界的景象，給人以身臨其境的感覺，因此，在娛樂、醫療科學、機器人學、制造業等領域有著重要應用，已成為當前世界上顯示技術領域的研究熱點之一［1-3］。根據基本原理的不同，三維立體顯示技術可分為兩大類［4］。其一為基于雙目視差的三維顯示技術，該技術原理較為簡單，但是需要配戴相應的偏光眼鏡，存在的單用戶性、圖像分辨率低、視覺疲勞等問題，使其發展受到了限制。其二為非雙目視差的三維顯示技術，包括全息立體顯示、體顯示和集成成像立體顯示。由于全息立體顯示需要相干光照明，其應用受到限制［5］。體顯示需要高速旋轉顯示屏，裝置較為復雜。因此，具有連續觀察點、全視差彩色圖像、裸眼觀看、裝置結構簡單等優點的集成成像三維顯示技術吸引了諸多研究者的關注［6］。

本文綜述了集成成像三維顯示技術的特點，從分辨率、景深、觀看視場角三個特性參數出發，對集成成像三維顯示系統的性能改善做了論述。通過不同方法的歸類總結，對提高分辨率、景深、視場角的研究工作做了系統分析。

2 集成成像三維顯示系統簡介

傳統集成成像系統由獲取階段和顯示階段兩部分組成，如圖1 所示［7］。在獲取階段，通過透鏡陣列將物體的三維信息以元素圖像陣列的形式記錄在CCD 相機上。再現時，使用顯示設備( 如液晶顯示器) 顯示元素圖像陣列，人們便可通過再現透鏡陣列觀看到物體的三維立體圖像。大量研究表明:三維顯示的分辨率、景深和觀看視場角這三個特性參數決定了集成成像三維顯示系統的性能，而這些特性參數又與系統結構及器件特性有著密切的關系。透鏡陣列的特性，如子透鏡的孔徑，陣列的間距和個數，以及獲取和顯示設備的分辨率特性都對集成成像再現圖像的分辨率有直接影響。對于景深，由透鏡的成像原理可知，只有在滿足物像關系的中心深度平面( Central Depth Plane，CDP) 附近的再現圖像具有較高的分辨率，圖像較清晰，隨著偏離CDP 程度的增大，圖像質量會明顯下降，所以三維立體圖像的再現深度受到了限制。集成成像技術的顯著特點之一是觀察點不固定，觀看者在一定的連續區域內都可以看到三維圖像，但是系統子透鏡的孔徑和焦距及元素圖像之間的串擾限制了觀看視場角的大小，進而限制了觀看區域的范圍。可見，要提高再現圖像的分辨率，增大三維顯示的景深，提高可觀看視場角，以提升集成成像三維顯示系統的性能，克服各個參數的限制因素是關鍵。

圖1 傳統集成成像技術原理Fig.1 Principle diagram of the conventional integral imaging technology

3 集成成像三維顯示系統分辨率的提高

集成成像三維顯示系統的分辨率主要受透鏡陣列中子透鏡個數、子透鏡孔徑及顯示設備分辨率的影響。因此，通過時空復用或利用光學器件等效增加子透鏡的個數，用附加器件增加作用于再現像的光線數量，即等效增大子透鏡的孔徑，以及采用基于幾何光學數字仿真的計算集成成像再現( Computational Integral Imaging Reconstruction，CIIR) 技術突破顯示設備分辨率的限制，均可提高系統的分辨率。

Lars Erdmann 等人較早地提出了使用時間復用的方法來提高系統的分辨率［8］。他們將透鏡陣列固定在二維掃描導軌上，通過導軌移動得到一系列元素圖像，經過針孔陣列記錄下光強信息后，再經過中繼透鏡記錄在CCD 上。再現時，計算機控制元素圖像及透鏡陣列同步變換，實現了分辨率的提高。但是使用針孔陣列降低了再現像的亮度，影響了顯示觀看的質量。

隨后，Bahram Javidi 團隊的研究人員為了克服尼奎斯特定理對分辨率的限制，提出了使用非靜態的光學系統，即( Moving Array Lenslet Technique，MALT) 技術在獲取和顯示階段沿水平和豎直方向同步移動獲取透鏡陣列和顯示透鏡陣列，如圖2 所示［9-11］。利用人眼的視覺暫留效應，在其響應時間內快速移動透鏡陣列，記錄和顯示盡可能多的元素圖像，從而提高再現圖像的分辨率。在早期的研究中，他們在移動過程中將獲取透鏡陣列和顯示透鏡陣列傾斜放置，以在水平方向和豎直方向同時提高分辨率。該方法對實驗裝置及條件有較高的要求，不僅需要透鏡陣列移動的速度足夠快，還需要獲取和顯示階段兩組透鏡陣列完全同步移動，否則不能再現出正確的三維圖像。為此，該研究組在后續的研究中對以上裝置進行了改進，采用計算集成成像技術來顯示三維立體圖像［12］。與先前方法的不同之處在于，該方法只在獲取階段移動透鏡陣列，獲得較多的元素圖像后通過計算機再現三維圖像，從而避免了獲取和顯示階段透鏡陣列異步移動造成的三維圖像質量的下降。

圖2 移動透鏡陣列效應光學裝置Fig.2 Optical setup for the effect of moving lenslet arrays

移動透鏡陣列快速的機械運動將伴隨著震動、阻力、噪音等不良現象的發生，從而降低了系統的穩定性。為此，可以使用兩套傳統的集成成像顯示設備各自顯示相應的元素圖像并得到兩個再現像，通過分束器將兩個再現圖像合成為一個高分辨率的三維再現圖像［13］。而Yunhee Kim 等人還提出用兩個液晶顯示器分別顯示針孔陣列和相應的元素圖像，通過計算機同時控制兩個液晶顯示器的像素點開關狀態，實現透鏡陣列等效平移的方法［14］。該方法不僅避免了機械運動帶來的不利影響，而且可以方便地控制透鏡陣列和元素圖像之間的切換，使之完全同步。此外，時空復用提高分辨率的方法也可在三維顯微成像和視差障柵三維顯示等其他應用上發揮作用［15-16］。

圖3 附加透鏡陣列增加點光源示意圖Fig. 3 Schematic diagram of generating an excess of point light sources by additional lens array

Jae-Hyeung Park 等人通過研究集成成像顯示原理發現，一個子透鏡及其相應的一個點光源和顯示設備上的對應區域共同作用于再現圖像的一個像素點，如圖3( a) 所示。因此增加點光源的個數，即等效增加子透鏡的個數，也可增大再現圖像的分辨率。為此，采用如圖3( b) 所示的光學系統［17］，在傳統的透鏡陣列和準直透鏡之間附加一個透鏡陣列，將光源發出的光線重新匯聚分配，從而增加了點光源的個數，提高了分辨率。該方法容易實現，且減少了透鏡陣列的加工難度以及小孔徑透鏡引起的衍射效應。

從集成成像顯示原理可知，增大子透鏡孔徑，可增加作用于再現像的光線，提高信噪比和顯示分辨率。但子透鏡孔徑的增大對大面積透鏡陣列的加工提出了更高的要求。為此，Hongen Liao 等人在傳統的集成成像顯示系統前端放置棱鏡片，使從透鏡陣列出射的光線經過棱鏡作用后發生偏折。棱鏡片以光軸為中心旋轉時，從棱鏡出射的偏折光線會以不加棱鏡片時出射的中心光線為中心旋轉。在棱鏡片高速旋轉過程中，從同一子透鏡出射的光線增多，從而提高了系統的分辨率［18］。

光學集成成像再現技術( Optical Integral Imaging Reconstruction，OIIR) 因顯示設備物理特性的限制導致了再現圖像質量的明顯下降，因此基于幾何光學數字仿真的CIIR 技術得到了廣泛應用。Eun-Soo Kim 研究組提出了一些基于CIIR 技術提高集成成像系統分辨率的方法，例如采用中間視點再現技術( Intermediate-view Reconstruction Technique，IVRT) ，根據已有的相鄰元素圖像計算生成盡可能多的元素圖像，在一定程度上降低了分辨率對透鏡陣列個數的依賴性［19］;通過對元素圖像進行相關運算，使構成元素圖像的全部像素點都參與再現圖像的合成，從而提高了分辨率［20］;采用曲面計算集成成像再現技術( Curved Computational Integral Imaging Reconstruction，CCIIR) ，即在光學獲取階段，將一個大孔徑透鏡置于傳統透鏡陣列前面以提高采樣率，再運用CIIR技術再現，得到高分辨率的再現圖像［21］; 通過模糊度量檢測及處理CIIR 技術得到高質量的再現圖像［22］; 使用精確像素映射( Smart Pixel Mapping，SPM) 算法處理元素圖像，提高CIIR 技術對遠距離物體的清晰再現能力［23-24］。

4 集成成像三維顯示系統景深的增大

集成成像顯示系統遵循透鏡成像原理，物距和透鏡焦距決定了像距的大小，即集成成像中心深度平面CDP 的位置。由于CDP 都有其相應的景深范圍，因此，可以通過改變物距，即顯示設備與再現透鏡陣列之間的距離，改變CDP 的位置，并產生多個CDP，從而增大系統的立體顯示深度。

Byoungho Lee 等人較早地提出了動態改變顯示器和透鏡陣列間距增大景深的方法［25］。通過計算機控制透鏡陣列沿軸向動態移動，實現其與顯示器間距的動態變化，伴隨元素圖像的同步變換，產生實像和虛像的交替再現。當透鏡移動速度足夠快時，利用人眼的視覺暫留效應可以看到實虛像同時再現，從而增大系統的景深。為了避免透鏡陣列移動造成的干擾，Ju-Seog Jang 等人通過理論推導分析了顯示器和透鏡陣列間距與透鏡焦距f間的相對關系對系統景深的影響［26］。二者相等時，從透鏡出射的光線平行，發散角小，且可同時實現實虛像的再現，因此景深較大。

圖4 SLA 結構圖Fig.4 Structure of the SLA

采用上述方法的集成成像系統，透鏡陣列的高速移動不僅難度大，而且會造成系統穩定性下降，為此可從改變透鏡陣列結構入手來緩解這一問題。比較典型的兩種透鏡陣列結構分別是階梯透鏡陣列( Stepped Lens Array，SLA) 和合成透鏡陣列( Composite Lens Array，CLA) 。前者如圖4所示，將子透鏡交替排列在與顯示設備間距不同的兩個平面內，此時系統具有兩個不同的CDP，可以同時產生實像和虛像，增大了系統的景深［27］。但是由于僅有整個透鏡陣列的一半參與每個CDP 的成像過程，因此需要在兩個子透鏡平面內快速切換以產生完整的再現圖像。CLA 是采用不同焦距和孔徑的子透鏡組成的陣列［28］。透鏡陣列中有M個不同焦距和孔徑的子透鏡，就會產生M個不同景深范圍的CDP，將其連接起來就可以產生較大的系統景深，如圖5 所示。

圖5 CLA 增大景深原理Fig.5 Principle diagram of enlarging deph of focus in the CLA

盡管改變透鏡陣列結構可以有效提高系統的景深，但是不同焦距、孔徑及排列方式的透鏡陣列加工難度大，且成本比較高，所以除了改變透鏡結構以外，還可以通過改變系統結構來增大景深。Byoungho Lee 等人較早從光線光學和波動光學兩方面證明了雙設備集成成像系統可以獲取和顯示兩個CDP，從而增大了系統的景深［29］。他們提出了如圖6［30-31］所示的偏振選擇反射鏡或者反射鏡障柵陣列系統，使經過偏振片或不同角度傾斜的障柵陣列的光線光程差不同，從而產生不同的CDP，增大景深。

圖6 偏振選擇反射鏡系統結構Fig. 6 Structure of polarization-selective mirror pair system

之后，Byoungho Lee 團隊對系統結構進行了改進。采用3 個平行放置的液晶顯示平板，分別顯示3 組不同的元素圖像［32］，如圖7 所示。由于每個液晶顯示平板與透鏡陣列的距離不同，因此可以產生3 個不同的CDP。通過控制每個液晶顯示平板的光透過率就可以選擇相應的圖像再現。為了克服液晶顯示平板增多，顯示偏振器件降低圖像亮度的問題，他們還提出使用聚合物分散液晶薄膜( Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC)來代替液晶顯示平板［33-35］。

圖7 多層顯示集成成像系統Fig.7 Multilayered display integral imaging system

除了上述通過增加顯示設備個數產生多個CDP 增大景深的方法以外，還可應用偏振片和雙折射晶體對光線的偏折和分光特性形成多個CDP［36-37］; 在透鏡前面放置特殊模板進行振幅或相位調制來改變透鏡成像特性［38-40］; 在遠心中繼系統的光闌處添加折射率可變的液體透鏡改變CDP［41-42］; 利用透鏡陣列對傳統集成再現像進行二次成像等方法增大景深［43］。

此外，從幾何光線追跡的角度對集成成像顯示原理進行研究后，Raúl Martínez-Cuenca 等人提出降低透鏡陣列的填充因子，可在不降低分辨率的前提下增大系統的景深［44］。而Jae-Hyeung Park 等人則對系統裝置進行了改進，利用透鏡陣列形成的多個點光源照射元素圖像陣列，同時形成實像和虛像，從而增大了系統的景深［43］。

5 集成成像三維顯示系統觀看視場角的增大

集成成像系統的觀看視場角主要受透鏡陣列的視場角和元素圖像尺寸的限制。通過遮擋元素圖像實現奇偶列元素圖像交替顯示，或者改變透鏡及系統結構，增大元素圖像的有效面積，同時避免相鄰元素圖像間的串擾都可以增大系統的觀看視場角。

Byoungho Lee 及其團隊首先提出了使用擋板遮擋相鄰子透鏡減小串擾的方法，如圖8( a) 所示［46-49］。在傳統集成成像系統再現透鏡陣列前面放置奇偶列交替遮擋的擋板，使奇數列和偶數列的透鏡陣列輪流顯示與之相對應的元素圖像，可以分別再現得到不完整的立體像，利用人眼的視覺暫留效應，將擋板的快速移動和元素圖像的切換完全同步，即可得到觀看視場角增大一倍的完整再現圖像。在此基礎上，采用滑動擋板使任一時刻僅有一列透鏡參與圖像的再現，其余部分均被遮擋，還可以進一步增大視場角，如圖8( b)所示。為了避免移動擋板造成的阻力和噪聲干擾，人們提出采用偏振快門屏和正交偏振片組成的正交偏振開關代替移動的擋板［50-52］。其中正交偏振片對光線偏振的選擇透過效應可以使透鏡奇偶列交替顯示偏振快門屏上同步變換的元素圖像。

圖8 透鏡遮擋增大視場角原理Fig. 8 Schematic diagram of viewing-angle-enhanced integral imaging by lens mask

除了上述通過擋板遮擋增大元素圖像有效面積的方法外，沿垂軸方向同步移動獲取透鏡陣列和獲取設備、顯示設備和再現透鏡陣列也可以有效增大元素圖像的尺寸［53-54］。而Ju-Seog Jang 等人提出的降低透鏡陣列填充因子，同時使用MALT 技術提高系統的分辨率［55］的方法，在分辨率損失較少的情況下，等效增大了元素圖像的有效面積，實現了觀看視場角的增大。

傳統集成成像系統均采用平面顯示設備和平面透鏡陣列，使得離光軸中心較遠的元素圖像因尺寸較小無法記錄大視角時物體的三維有效信息，導致看不到完整的再現像而限制了系統的觀看視場角范圍。但是若使用兩個甚至更多顯示設備分別顯示不同視角的物體信息，再經過分束器合成，就可以看到不同視角的完整再現圖像，實現系統觀看視場角的增大［56］。此外，Yunhee Kim等人改變傳統的器件結構，利用曲面透鏡陣列進行顯示，同時隨觀看視角的增大，逐步增大與之對應的元素圖像尺寸，令所有元素圖像都含有完整的物體信息，如圖9 所示［57］，從而增大了可觀看視場角。但由于該系統中元素圖像仍然由平面顯示設備顯示，致使大視場角觀看時曲面透鏡與平面顯示設備之間的距離易于偏離集成再現條件，限制了視場角的增大程度。因此研究組利用投影集成成像顯示系統，采用曲面顯示設備和曲面透鏡陣列來大幅度增大系統的觀看視場角，并實現水平和豎直方向觀看視場角的同時增大［58］。基于同樣的原理，在投影集成成像顯示系統中設置一個如圖10 所示的圓弧形散射屏陣列［59］，也可使系統的觀看視場角增大2θ。而Joo-Bong Hyun等人用一個大孔徑的透鏡置于透鏡陣列前端，產生相同的曲面效應，達到增大觀看視場角的目的［60-61］，避免了曲面顯示屏和曲面透鏡陣列等特殊器件在制作技術和成本上所面臨的困難。

圖9 曲面透鏡陣列成像系統Fig.9 System of curved lens array integral imaging

圖10 散射屏結構Fig.10 Structure of an embossed screen

增大觀看視場角，需要避免相鄰元素圖像間在集成再現過程中的串擾。早期曾有人提出將全息技術與集成成像技術結合起來，利用體全息術記錄和再現物體的三維信息。此時即使元素圖像有重疊，但是由于相位共軛光沿不同方向傳播，因此不會產生串擾圖像［62］。另外，也可以在顯示設備與透鏡陣列之間添加兩個空間光調制器，如圖11 所示［63-64］，利用空間光調制器對光線的調節作用，改變從元素圖像出射的光線方向，使需要的光線通過相應的子透鏡，并阻擋串擾的光線，同時又增加了形成再現圖像的光線數，從而增大了系統的視場角。

圖11 空間光調制器增大集成成像視場角結構Fig. 11 Structure of viewing-angle-enhanced integral imaging by spatial light modulator

增大系統觀看視場角的另一類有效方法是增大透鏡陣列的視場角。顯然，在孔徑一定的情況下，焦距較小的透鏡陣列能夠產生較大的視場角，因此具有較短焦距的負折射率平面凹透鏡成為提高系統觀看視場角的選擇之一［65］。一種相對簡單的增大透鏡陣列等效視場角的方法是在顯示設備與透鏡陣列之間填充大折射率的介質，如圖12所示［66］。不同于傳統系統的空氣介質，大折射率的介質可以改變光線的偏折方向，使系統的觀看視場角增大一倍。

圖12 使用折射率介質增大視場角原理圖Fig.12 Schematic diagram of using refractive index medium to enhance viewing angle

以上都是從改進集成成像系統本身這個角度提出的增大觀看視場角的方法，而從觀察者的角度出發，不同的觀察位置對應不同的元素圖像信息，根據觀察者的觀察位置信息逆向計算出相應的元素圖像，即可在不同的位置觀看到不同的完整再現圖像，實現具有大觀看視場角的多人觀看系統［67-68］。同理，利用不同方向偏折的障柵陣列也可實現在不同位置的多人觀看效果［69］。

6 我國集成成像三維顯示技術的研究現狀

關于體三維、雙目視差、全息三維技術方面的研究，國內諸如北京理工大學、浙江大學、四川大學等單位已取得較多成果，部分已經可以滿足實用要求［70-75］。近兩年來，集成成像三維顯示技術也逐漸引起了國內相關研究單位的關注，并開始了較為系統的研究，如四川大學王瓊華課題組已開展了計算集成成像技術和顯示系統的研究［6-76］，本文作者所在的南開大學袁小聰課題組在集成成像的基礎理論以及顯示系統性能改善方面也開展了深入的研究。

本課題組在國家973 計劃項目的資助下，采用柱鏡光柵正交相疊的方式構建了微透鏡陣列［5］，利用此大面積透鏡陣列實現了基于投影和平板顯示器件的三維顯示。在關于系統光學性能的研究中，提出了基于人眼視覺的集成成像三維顯示分辨率的比較方法，通過定義相對分辨率參數，對系統實際應用條件下的視覺效果進行了表征。在景深方面，利用元素圖像中的同名點間距對系統再現景深的能力進行了表征［77］。另外，提出并采用波前編碼技術以及小發散角的投影技術使系統的景深增大了6 倍。在觀看視場角方面，采用填充介質的方法使系統的觀看視場角比傳統方法增大了50%。此外，課題組對于集成成像系統中三維信息獲取和顯示的一些問題也進行了研究和探索，例如，針對集成成像顯示系統中出現的串擾和信息丟失現象，可以根據人眼及系統的相關特性，在單個元素圖像周圍設置舒適度預留區域［78］;針對獲取和顯示階段不匹配的集成成像系統，通過獲取階段最佳紀錄距離的確定［79］、元素圖像的校正［80］以及再現像串擾的消除［81］，使系統的再現效果得到了改善。

近年來，隨著三維顯示技術的飛速發展，三維顯示系統的性能評價已受到國內外包括顯示技術、3D 媒體制作、眼科學、心理學等相關領域的普遍關注，“綠色3D”已成為未來的發展趨勢。對此，在國內TCL、長虹、海信等企業已開展針對現有3D 顯示技術的相關研究和標準制定工作的同時，西安電子科技大學、東南大學、南開大學等科研院所也圍繞集成成像技術這一具有潛力的三維顯示技術，積極開展了三維顯示系統性能評價方面的研究，并取得了初步成果［77-82］。

7 結束語

集成成像三維顯示技術由于其獨特的優點成為當今三維顯示研究領域的一個熱點話題，其在娛樂、醫療、制造等領域均有著潛在的應用前景。不過，受硬件設備及集成成像系統本身的限制，其性能也受到了制約。近年來，許多研究者通過對集成成像三維顯示技術理論的探索和研究，提出了多種提高系統性能的方法，使得再現三維立體圖像的質量有了明顯的改善。同時，隨著科學技術的不斷進步，一些硬件限制問題也會逐步得到解決，集成成像三維顯示技術將進一步走向實用化。

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