集成成像3D拍攝與顯示方法

王瓊?cè)A，鄧 歡

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都610065）

1 引 言

三維（3D）顯示是指采用光學(xué)和計算機等多種技術(shù)手段來模擬實現(xiàn)人眼的立體視覺特性，將空間物體以3D 信息再現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出具有縱深感的立體圖像的一種顯示方式［1］。與傳統(tǒng)的二維（2D）顯示相比，3D 顯示能夠帶給觀看者更強的視覺沖擊和現(xiàn)場感受，能夠把人的感官甚至于思想完全帶入到所觀看的場景中去，不僅能讓觀看者獲得前所未有的視覺盛宴，還可以體驗一種不一樣的生活方式。在眾多的3D 顯示技術(shù)中，集成成像因其對光源沒有特殊要求（不需要相干光源），信息量相對較少，超薄屏幕（可壁掛），片源獲取相對容易，成本低廉等優(yōu)點，已成為3D 顯示領(lǐng)域的研究熱點之一［1－3］。

集成成像包括記錄和再現(xiàn)兩個過程。記錄過程利用微透鏡陣列記錄3D 場景在不同角度的3D 信息，由于構(gòu)成微透鏡陣列的每個透鏡元從不同方向記錄3D 場景的小部分信息，每個透鏡元都具有獨特的成像功能，在每個透鏡元的后焦平面上對應(yīng)生成了一幅不同方位視角的微小圖像，稱為圖像元，所有的圖像元組成了微圖像陣列。在這一過程中，3D 場景中的任意一點都被許多透鏡元記錄下來，該點的3D 信息就被擴散記錄于微圖像陣列中。再現(xiàn)過程中，利用普通2D 顯示器顯示微圖像陣列，再使用與記錄時參數(shù)相同的微透鏡陣列與之精密耦合，根據(jù)光路可逆原理，微透鏡陣列又把所有圖像元像素發(fā)出的光線聚集還原，在微透鏡陣列的前后方重建出與記錄時的3D場景完全相同的3D 圖像。由于CCD 等記錄器件和LCD 等顯示器件的發(fā)展成熟，集成成像記錄端的膠片可由CCD 代替，再現(xiàn)端的膠片可由LCD 等顯示器代替，由此構(gòu)成集拍攝和顯示3D圖像及3D 視頻于一體的集成成像系統(tǒng)，其對應(yīng)的兩個過程又分別稱為集成成像3D 拍攝和集成成像3D 顯示。本文將介紹集成成像的幾種拍攝和顯示方法。

2 集成成像3D 拍攝方法

在長達(dá)100多年有關(guān)集成成像技術(shù)的研究過程中，人們累積了多種3D 拍攝方法，如全光學(xué)3D 拍攝法、直接3D 拍攝法、掃描式3D 拍攝法、攝像機陣列3D 拍攝法和計算機生成法等，下面一并進(jìn)行介紹。

2.1 全光學(xué)3D 拍攝法

G.Lippmann在1908年首次提出的集成攝影術(shù)就是采用的全光學(xué)3D 拍攝法［1］，它使用真實的光學(xué)元件來完成。在微透鏡陣列的后焦平面上涂上一層感光乳劑，然后用漫射光照射3D 場景，被3D 場景反射的光線到達(dá)微透鏡陣列上，再被微透鏡陣列折射到感光乳劑上，這樣感光乳劑就記錄下了一幅微圖像陣列。全光學(xué)3D 拍攝法是最原始最粗糙的集成成像3D 拍攝法，存在深度反轉(zhuǎn)問題。而后1931年H.E.Ives提出的兩步記錄法能解決深度反轉(zhuǎn)問題，但是多次使用微透鏡陣列和感光乳劑，使得記錄的微圖像陣列模糊不清［4］。

2.2 直接3D 拍攝法

1997年，日本的F.Okano等人采用直接拍攝法實現(xiàn)實時的集成成像3D 拍攝，如圖1所示為該實時3D拍攝系統(tǒng)的原理示意圖［5］。3D 場景發(fā)出的光線通過微透鏡陣列的每個透鏡元折射，然后被攝像機直接拍攝下來，形成了微圖像陣列。每個圖像元各自中心旋轉(zhuǎn)180°之后，被傳送到集成成像3D顯示器上顯示，該3D顯示器由普通的二維顯示器和一個針孔陣列組成，針孔陣列可以用來代替微透鏡陣列，由于圖像元經(jīng)過了180°旋轉(zhuǎn)，解決了深度反轉(zhuǎn)問題。但該方法重建的3D 圖像只能是虛像，即凹進(jìn)顯示屏幕里面，沒有凸出顯示屏幕之外的實像，其3D顯示效果不佳。

圖1 直接拍攝法的原理示意圖Fig.1 Direct 3Dpickup method

后來M.Martinez－Corral等人提出，在微透鏡陣列與攝像機中間加入一個成像物鏡，便可進(jìn)行深度可調(diào)的集成成像3D 拍攝。由于附加的成像物鏡將會帶來一次深度反轉(zhuǎn)，加之集成成像本身的深度反轉(zhuǎn)，兩次深度反轉(zhuǎn)之后將是深度正確的3D 圖像，則不需進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)或兩步記錄來解決深度反轉(zhuǎn)問題，且通過適當(dāng)調(diào)節(jié)成像物鏡的位置，可以同時實現(xiàn)實像和虛像的3D 顯示［6］。J.Arai等人改進(jìn)了傳統(tǒng)的直接拍攝法，將漸變折射率微透鏡陣列直接與圖像傳感器相貼合，避免了相機鏡頭的使用所帶來的圖像畸變等問題［7］。但上述方法需要附加相應(yīng)的光學(xué)器件，如成像物鏡、漸變折射率微透鏡陣列等，將引入圖像畸變等問題，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。J.H.Kim 等人將直接拍攝法獲得的微圖像陣列進(jìn)行實時的計算機處理，通過控制中心深度平面的位置提高了圖像質(zhì)量［8］。

2.3 掃描式3D 拍攝法

一種較簡單的集成成像3D 拍攝方法是采用平臺式 的掃描3D 拍 攝 法［9－10］，其3D 拍 攝 原 理 示意圖和實驗裝置如圖2所示，掃描攝像機被安置在一個掃描平臺上，通過平臺的平行移動來拍攝不同角度的3D 信息。該方法由于需要一段時間的掃描，因此要求3D 場景在掃描過程中是絕對靜止的，靜止時間依賴于掃描頻率，一般來說大概幾分鐘時間。對于大節(jié)距的透鏡元，圖像元分辨率為20×20個像素以上時，才能較為清楚地重建出3D 圖像，而掃描式3D 拍攝法使用的攝像機較難獲得高分辨率的微圖像陣列。

圖2 掃描式3D 拍攝法示意圖Fig.2 Scanning pickup method

2.4 攝像機陣列3D 拍攝法

組成微透鏡陣列的每個透鏡元都可以用攝像機來代替，因此可以用等間距排列的攝像機陣列來代替微透鏡陣列，如圖3所示為攝像機陣列3D拍攝法示意圖［11］。由于透鏡元成像和攝像機成像存在上、下、左、右翻轉(zhuǎn)的關(guān)系，那么采用攝像機陣列拍攝獲取的微圖像陣列就相當(dāng)于微透鏡陣列拍攝的微圖像陣列中每個圖像元進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后的效果，因此攝像機陣列3D 拍攝法獲取的微圖像陣列沒有深度反轉(zhuǎn)問題。而每個攝像機只需要獲取一個圖像元，因此圖像元的分辨率很高，可以組合成高質(zhì)量的微圖像陣列。但是該方法所需的攝像機個數(shù)較多，等于所需的圖像元個數(shù)，各攝像機間需要進(jìn)行匹配、矯正等復(fù)雜操作，不適合大場景的集成成像3D 拍攝。

圖3 攝像機陣列3D 拍攝法示意圖Fig.3 3Dpickup method using camera array

圖4 稀疏攝像機陣列3D 拍攝法示意圖Fig.4 3Dpickup method using sparse camera array

稀疏攝像機陣列法可以大幅度地減小拍攝時的攝像機個數(shù)，使得大場景的集成成像3D 視頻拍攝成為可能。如圖4所示稀疏攝像機陣列拍攝3D 場景不同角度的立體信息，獲得視差圖像陣列，然后在計算機中通過建立的像素映射模型將視差圖像陣列轉(zhuǎn)換為微圖像陣列，就可獲得集成成像3D 顯示所需的微圖像陣列［12－13］。

2.5 計算機生成法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始用計算機程序代替實際微透鏡陣列或攝像機來進(jìn)行3D拍攝。M.Halle等人在1998年提出多視點渲染算法，該算法在計算機中設(shè)置虛擬的相機陣列來代替微透鏡陣列的各個透鏡元對3D 模型進(jìn)行渲染，獲得的微圖像陣列可用于實際的集成成像3D 顯示［14］。但由于虛擬相機陣列包含的相機數(shù)量往往較多，計算機中需依次完成各個虛擬相機的渲染流程，導(dǎo)致計算過程十分耗時，無法實現(xiàn)微圖像陣列的實時渲染。S.W.Min等人基于方向性投影原理分別提出了點回溯算法［15］與視矢量渲染算法［16］，兩種算法的虛擬相機渲染次數(shù)均等于圖像元的像素個數(shù)，由于減少了虛擬相機的渲染次數(shù)，故生成微圖像陣列的計算效率有所提高。點回溯算法僅適用于集成成像的聚焦顯示模式，而視矢量渲染算法雖然適用于集成成像的所有顯示模式，但該算法的計算效率受圖像元像素個數(shù)的限制，且不適用于大數(shù)據(jù)量3D模型的實時渲染。

為了進(jìn)一步提高計算機集成成像技術(shù)生成微圖像陣列的效率，科研工作者們開始嘗試采用GPU 并行處理數(shù)據(jù)技術(shù)來加速微圖像陣列的生成過程。K.C.Kwon等人在2012年提出基于圖像空間的并行計算算法［17］，其優(yōu)勢在于該算法大大降低了3D 模型數(shù)據(jù)量對生成微圖像陣列過程的影響。由于微圖像陣列的渲染效率幾乎僅與其像素個數(shù)有關(guān)，而該算法采用GPU 并行計算來完成微圖像陣列中各個像素的計算，故其計算效率可滿足大數(shù)據(jù)量3D模型的實時渲染。S.H.Jiao等人在2013年提出多光線集成渲染算法［18］，該算法通過GPU 的幾何著色器將組成3D 模型的所有3D頂點數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，使得所有的3D頂點均可通過一個透視投影幾何關(guān)系映射至單張紋理中，大大降低了GPU 與CPU 間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，從而有效地提高了微圖像陣列的生成效率。

集成成像的計算機生成法雖然只能用于計算機模型和動畫的3D 拍攝，但其成本較低、拍攝速度快，已基本能實現(xiàn)較大場景的實時3D 拍攝，是目前常用的集成成像3D 拍攝方法。

3 集成成像3D 顯示方法

集成成像的3D 顯示過程包括基于視點的3D 顯示和基于深度平面的3D 顯示兩種，下面簡略分析這兩種集成成像3D 顯示方法。

3.1 基于視點的3D 顯示

雖然集成成像3D 顯示在一定的觀看視區(qū)內(nèi)具有連續(xù)的視點，但由于采用了離散化像素結(jié)構(gòu)的感光器件進(jìn)行集成成像3D 拍攝和3D 顯示，因此，集成成像3D 顯示在觀看視區(qū)內(nèi)具有準(zhǔn)連續(xù)的視點。如圖5（a）所示為基于視點的集成成像3D 顯示原理圖，觀看者在準(zhǔn)連續(xù)視點內(nèi)的不同位置上都可以清晰地觀看到3D 圖像，從而獲得明顯的立體感［19］。由于人眼通過每個透鏡元只能在對應(yīng)圖像元上看到一個像素信息，因此人眼每只眼睛看到的像素個數(shù)，即3D 分辨率，等于微透鏡陣列中的透鏡元個數(shù)。如圖5（b）所示為基于視點的集成成像3D 顯示獲得的6個不同視點上的圖像。除了傳統(tǒng)的集成成像3D 顯示外，還有360°視 角 的3D 顯 示 系 統(tǒng)［20］以 及 平 鋪 式3D 顯示［21］等。該基于視點的集成成像3D 顯示方法能為觀看者提供直觀的3D 感受，可用于娛樂、廣播傳媒、虛擬現(xiàn)實［22－23］、醫(yī)學(xué)［24－25］等方面。

圖5 基于視點的集成成像3D 顯示Fig.5 Integral imaging 3Ddisplay based on viewing point

3.2 基于深度平面的3D 顯示

圖6 基于深度平面的集成成像3D 顯示Fig.6 Integral imaging 3Ddisplay based on the depth plan

基于深度平面的集成成像3D顯示的原理如圖6（a）所示，顯示器上像素發(fā)出的光線經(jīng)過微透鏡陣列折射后，在空間中會聚成像，重建出3D圖像，但所有的光線并不會終止，而是繼續(xù)向前傳播，并到達(dá)接收屏上，因此該接收屏可在不同深度平面上接收到重建的3D圖像。當(dāng)接收屏位于重建3D圖像的深度平面上時，將接收到清晰的圖像，否則接收到的則是模糊的圖像。在計算機中還可以設(shè)置虛擬的負(fù)深度，從而接收到3D 虛像。如圖6（b）所示為負(fù)深度和正深度平面上分別接收到的重建的3D 虛像和3D 實像，當(dāng)接收屏位于－90mm 處時，字符“3D”成清晰像，而字符“II”則成模糊像，反之亦然。該方法可用于遮擋物體的3D 重現(xiàn)［26－27］、微生物識別［28］和深度重建［29］等方面。

4 結(jié) 論

各國的科研工作者在集成成像技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究并提出很多有效的解決方法，本文對集成成像3D 拍攝和顯示的部分技術(shù)進(jìn)行了介紹。稀疏相機陣列法減小了相機個數(shù)、能適用于真實大場景的3D 拍攝，而計算機生成法拍攝速度快、成本低、可進(jìn)行計算機模型的實時視頻拍攝，將是集成成像3D 拍攝的主流技術(shù)。隨著計算機技術(shù)、微透鏡陣列制備工藝、記錄和顯示設(shè)備等的快速發(fā)展，集成成像將是未來3D 顯示技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，并在3D 電視、3D 印刷、深度測量、建筑、娛樂、軍事、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。期待集成成像3D 顯示走進(jìn)千家萬戶，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

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