集成成像三維顯示系統(tǒng)概述

王俊夫，張文閣，蔣曉瑜，王藝霏

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100084）

Lippmann最早提出的集成攝像術(shù)就是利用針孔陣列和感光膠片實(shí)現(xiàn)記錄和再現(xiàn)過程的全光學(xué)集成成像技術(shù)。目前，為了增強(qiáng)觀看效果、提高重構(gòu)速度，普遍使用微透鏡陣列和數(shù)碼相機(jī)來實(shí)現(xiàn)全光學(xué)集成成像技術(shù)。在集成成像記錄過程和再現(xiàn)過程中，根據(jù)方法實(shí)現(xiàn)方式不同將該技術(shù)分為四種類型：全光學(xué)集成成像技術(shù)、計(jì)算集成成像技術(shù)、計(jì)算生成集成成像技術(shù)和計(jì)算重構(gòu)集成成像技術(shù)。不同之處在于利用膠片和數(shù)碼相機(jī)的記錄過程是通過光學(xué)系統(tǒng)記錄實(shí)際光場信息，而計(jì)算機(jī)模擬記錄利用虛擬的光場實(shí)現(xiàn)。

1 全光學(xué)集成成像技術(shù)

全光學(xué)集成成像技術(shù)是利用光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)記錄和再現(xiàn)過程的集成成像技術(shù)[1]。該技術(shù)記錄和再現(xiàn)兩個(gè)過程均是利用全光學(xué)的方式，拍攝記錄或者重構(gòu)再現(xiàn)實(shí)際光線，如圖1所示。

圖1 全光學(xué)集成成像記錄和再現(xiàn)過程

2 計(jì)算生成集成成像技術(shù)

計(jì)算生成成成像技術(shù)是利用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行記錄和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字再現(xiàn)的集成成像技術(shù)。在記錄過程中，與全光學(xué)集成成像系統(tǒng)相同，計(jì)算生成集成成像系統(tǒng)利用微透鏡陣列或針孔陣列對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行拍攝，記錄在數(shù)碼相機(jī)或感光膠片上。通過記錄設(shè)備得到一組場景中三維物體的視角圖像，針對(duì)每個(gè)視角圖像對(duì)應(yīng)的視點(diǎn)進(jìn)行映射計(jì)算，并合成得到微單元圖像陣列。在數(shù)字再現(xiàn)過程中，與全光學(xué)集成成像重構(gòu)實(shí)際光場再現(xiàn)空間三維物體圖像不同，計(jì)算生成集成成像利用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬光學(xué)系統(tǒng)，利用微單元圖像陣列重構(gòu)視差信息或重建物體深度平面。

計(jì)算生成成像技術(shù)包括基于多視點(diǎn)的重構(gòu)方法[2，3]和基于深度平面的重構(gòu)方法[4-6]。基于多視點(diǎn)的重構(gòu)方法通過追跡物體原始光路，利用每一個(gè)微單元圖像上的某一視角對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)共同重構(gòu)該視點(diǎn)的視角圖像。每一個(gè)虛擬微透鏡對(duì)應(yīng)的微單元圖像只提供一個(gè)像素點(diǎn)，重構(gòu)視角圖像數(shù)目與微單元圖像的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。基于多視點(diǎn)的重構(gòu)方法能夠高質(zhì)量的再現(xiàn)物體某一視角圖像，該方法對(duì)于體型較小物體的顯微作用尤為明顯，該方法常用于圖像效果增強(qiáng)、目標(biāo)識(shí)別等方面。基于深度平面的重構(gòu)方法選取不同的深度平面切片，調(diào)整重構(gòu)平面來再現(xiàn)處于不同深度平面的物體圖像。深度平面重構(gòu)方法通過對(duì)深度平面的調(diào)整設(shè)置，使得再現(xiàn)三維物體在處于深度平面上的部分對(duì)焦清晰，其余重構(gòu)部分變得模糊，符合人眼觀看三維物體的視覺習(xí)慣，該方法常用于三維物體的深度提取。

集成成像的再現(xiàn)過程是觀察者直觀看到三維物體重構(gòu)效果的過程，光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際光路校準(zhǔn)上會(huì)出現(xiàn)不可避免的誤差，例如微透鏡的加工精度、微透鏡之間的間隔精度和微透鏡陣列與二維顯示器間的光路對(duì)準(zhǔn)等。二維顯示器的分辨率同樣影響著再現(xiàn)三維物體圖像的效果，利用二維器幕重構(gòu)多三維圖像必然會(huì)降低視角圖像的分辨率。并且相比光學(xué)系統(tǒng)，計(jì)算生成集成成像可以避免再現(xiàn)過程產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，其再現(xiàn)圖像比光學(xué)再現(xiàn)圖像更易于量化，質(zhì)量也更好。但是計(jì)算生成集成成像的再現(xiàn)過程是顯示在二維顯示器上，每次智只能重構(gòu)顯示處于一個(gè)深度平面一個(gè)視點(diǎn)的視角圖像，缺乏光學(xué)再現(xiàn)的立體感。

3 計(jì)算機(jī)重構(gòu)集成成像技術(shù)

計(jì)算重構(gòu)成成像技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字記錄和光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行記錄的集成成像技術(shù)[1]。該技術(shù)利用虛擬的相機(jī)陣列對(duì)三維物體經(jīng)行模擬拍攝，從而得到帶有深度信息的視角圖片。利用光路追跡的方法映射每個(gè)視角圖片到對(duì)應(yīng)的微單元圖像上的像素點(diǎn)，從而得到為單元圖像陣列。這種方法能夠避免在記錄過程中相機(jī)等記錄設(shè)備的抖動(dòng)和對(duì)焦等帶來的誤差，從而使集成成像的記錄過程變得準(zhǔn)確和快捷。計(jì)算重構(gòu)成成像技術(shù)的再現(xiàn)過程與全光學(xué)集成成像的再現(xiàn)過程相同，但由于記錄過程中合成得到準(zhǔn)確、高清的微單元圖像陣列，使得在成像效果質(zhì)量方面，計(jì)算重構(gòu)方法的三維重構(gòu)物體圖像的質(zhì)量要高很多。目前，該技術(shù)多應(yīng)用于集成成像領(lǐng)域中的三3D電影制作、三維廣告、體感游戲等方面。

4 計(jì)算集成成像技術(shù)

計(jì)算集成成像技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字記錄和數(shù)字再過程的集成成像技術(shù)，所以該方法也叫做全數(shù)字集成成像技術(shù)。計(jì)算集成成像技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立虛擬場景物體，并用虛擬光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體深度信息進(jìn)行記錄。再現(xiàn)過程同樣是利用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬的方法重構(gòu)三維物體圖像。再現(xiàn)過程可以直接計(jì)算出微單元圖像陣列，得到無贗像問題的重構(gòu)圖像，也能夠直接得到物體某一視角某一深度的平面切片圖像，便于觀察者對(duì)三維物體重構(gòu)圖像多方面的了解。計(jì)算集成成像技術(shù)利用全數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)集成成像過程，避免了光學(xué)儀器帶來的誤差，提高了重構(gòu)圖像的精確的和可信度。利用計(jì)算機(jī)圖像處理等技術(shù)可以直接對(duì)微單元圖像陣列進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。

5 結(jié)束語

集成成像技術(shù)各種類不同之處在于利用膠片和數(shù)碼相機(jī)的記錄過程是通過光學(xué)系統(tǒng)記錄實(shí)際光場信息，而計(jì)算機(jī)模擬記錄利用虛擬的光場實(shí)現(xiàn)。在集成成像記錄過程和再現(xiàn)過程中，根據(jù)方法實(shí)現(xiàn)方式不同將該技術(shù)分為四種類型。隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，集成成像技術(shù)的記錄過程由感光膠片轉(zhuǎn)變成數(shù)碼相機(jī)陣列，利用計(jì)算機(jī)模擬光場對(duì)虛擬物體經(jīng)行拍攝的方式也在不斷地發(fā)展中。