集成成像三維顯示技術原理概述

王俊夫 張文閣 蔣曉瑜 王藝霏

摘 要 文章概述了集成成像顯示系統的原理，包括記錄和再現過程。對傳統集成攝像術和目前集成成像技術的原理進行分析。闡述了帶有視差信息的記錄過程和光場重構的再現過程，通過集成成像三維顯示技術原理的概述，能夠更好地了解其應用范圍，對該技術的發展前景有著十分重要的作用。

關鍵詞 三維顯示；集成成像；視角圖像

中圖分類號 TB8 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）222-0060-02

集成成像技術能夠提供觀察者真三維立體的視覺效果。16世紀，濾光鏡的使用讓人們觀看到帶有視差信息的三維立體視覺效果。18世紀初出現的“立體鏡”能使觀察者左右眼看到單獨的視差圖像。19世紀初Wheatstone發明了反光式立體鏡，并發表了雙目視覺（binocular Vision）的演講。1851年，英國科學家Brewster發明了可記錄三維信息的透鏡式立體鏡。1980年Lippmann 提出了“集成照相術”[ 1 ]，實現了對三維物體拍攝記錄的集成成像的構想。

1 集成成像顯示技術原理

集成成像顯示系統一般根據不同的硬件結構、參數和軟件算法實現不同的三維成像效果。該技術是一種利用微透鏡陣列來記錄和再現三維圖像的真三維立體顯示技術，該技術包括記錄和再現兩個過程。在早期Lippmann提出的集成攝像術中，記錄過程和再現過程是利用針孔陣列和感光膠片對實際場景中的三維物體進行拍攝和重構[2]，如圖1所示。

1.1 集成攝像術原理

每一個針孔對應的膠片區域能夠記錄對應視點傳播過來的光束，在膠片上形成一組大小相同等間隔的二維微單元圖像陣列，從而記錄了物體在不同角度的光源信息。微單元圖像的個數和排列方式與針孔整列相同。再現過程是記錄過程的逆過程，其針孔陣列的參數設置與記錄過程的針孔陣列相同。設置一個自然光源來增加重構物體圖像的效果，光源發射的光透過微單元透鏡陣列后，攜帶這對應視角的物體視差信息，沿著對應視角的方向為該視點的視角圖片提供信息，從而重構三維物體。

但是集成攝像術存在幾點不足：第一點，由于針孔陣列上的小孔透光率很低，記錄過程和再現過程中的物體光源信息利用率不高、丟失嚴重，從而導致重構圖像的亮度比較暗。第二點，傳統拍攝記錄過程中，感光膠卷的使用、保存不方便，顯影過程比較緩慢，并要求暗室等復雜條件，從而降低了集成成像技術重構顯示的效率。

1.2 集成攝像術原理

隨著制造業的發展，微透鏡陣列逐漸替代了針孔陣列。并且電子工業的興起使得記錄設備更新換代，電子感光元件推動了電耦合器件（charge coupled device，CCD）代替感光膠片的進程，再現過程中的感光膠片也被液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）取代。電子記錄和再現設備雖然能夠快速高效的處理視差圖像，但是卻帶來了被記錄的視角圖片和微單元圖片像素點由連續變為離散的問題，從而對集成成像顯示系統的視點個數和三維分辨率等參數造成影響。

現實場景中的物體自發光或反射的光線中包含該物體的顏色、光強和光線方向等信息。在記錄過程中，這些光線透過微透鏡陣列后被記錄在對應微單元圖像上，每一條光線將攜帶的視差信息映射到該微單元圖像陣列的像素點上，記錄設備是相機陣列的電子感光介質。當感光介質中每一個視角圖像上的所有像素點都記錄下了對應視點物體圖像信息，再經過不同集成成像算法的處理，就合成了帶有物體深度信息的微單元圖像陣列，其原理光路示意圖如圖2（a）。

在再現過程中，系統重構的光場信息與記錄過程中的相同。將合成后的微單元圖像陣列加載到LCD等二維顯示器上。根據光路可逆原理，每個單元圖像上的像素發出光線經過透鏡陣列還原光路并匯聚成一個個焦點，三維物體圖像就在中心平面的一定深度范圍內被重構出來，其原理光路示意圖如圖2（b）。

在集成成像顯示系統中，三維物體通常被重構在一個特殊的深度平面，在這個平面上微單元圖像陣列發現出的光束經過透鏡陣列會交匯于一個個焦點，從而達到清晰成像的效果，該平面被稱為中心深度平面（central depth plane，CDP）。

根據透鏡成像原理的，可以到微透鏡焦距、微透鏡陣列與顯示器之間距離和微透鏡陣列到中心深度平面距離的關系如公式1所示：

其中f為微透鏡焦距，g為微透鏡陣列與顯示器之間距離，l微透鏡陣列到中心深度平面距離。由于顯示系統的光束交匯于中心深度平面，三維物體圖像的重構平面在該深度平面時成像最清晰，成像位置距離中心深度平面越遠，成像效果越模糊。

2 集成成像顯示模式

不同的集成成像顯示模式導致中心深度平面處于不同的位置，根據其位置的不同將顯示模式分為3種：實模式顯示、需模式顯示和聚焦模式顯[ 3 ]示，如圖3。

在實模式顯示中，中心深度平面顯示在集成成像系統外部、微透鏡陣列前方。此時二維顯示器與微透鏡陣列的間距大于微透鏡的焦距，即gf>。此時觀察值能夠觀看到位于顯示系統前方的三維重構物體實像。在虛模式顯示中，中心深度平面顯示在集成成像系統內部、微透鏡陣列后方。此時二維顯示器與微透鏡陣列的間距小于微透鏡的焦距，即gf<。此時觀察值能夠觀看到位于顯示系統內部的三維重構物體虛像。在聚焦模式顯示中，中心深度平面顯示在無窮遠處。此時二維顯示器與微透鏡陣列的間距小等于微透鏡的焦距，即gf=。此時觀察值能夠觀看到位于顯示系統內部和外部的三維重構物體圖像同時再現，產生的圖像效果質量由于實像和虛像相互干擾變得較低[4-5]。

3 結論

本章概述了集成成像顯示系統的原理，包括記錄和再現過程。記錄過程是通過相機陣列拍攝三維目標，獲得帶有不同視角信息的目標微單元圖像；再現過程是利用光路可逆原理對目標進行光線追跡并映射到微單元圖像陣列中，將合成后的圖片加載到二維顯示器上，置于微透鏡陣列的焦平面處，通過還原光路重構空間場景的三維立體圖像。在集成成像三維顯示技術在人們日常生活中有著很大的應用前進和適用范圍，這對該技術的發展有著深遠的推動作用。

參考文獻

[1]Lippmann M G. La Photographie Integrals[J]. Compt Rend， 1908， 146.

[2]Martinez-Cuenca R， Saavedra G， Martinez-Corral M， et al. Progress in 3-D Multiperspective Display by Integral Imaging[J]. Proceedings of the IEEE，2009， 97（6）：1067-1077.

[3]Hong J， Kim Y， Choi H J， et al. Three-dimensional display technologies of recent interest：principles， status， and issues [Invited][J]. Applied Optics， 2011， 50（34）：87-115.

[4]姚凱凱.集成成像三維顯示微單元圖像陣列快速生成方法[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[5]王梓.集成成像3D顯示技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2017.