集成成像3D拍攝與顯示方法探析

李瑞鶴

（西安電子科技大學，陜西 西安 710000）

0 引言

1908年，G·Lippmann首次提出集成成像技術，自此，該技術因全視差、連續視點、無視疲勞等多重優勢而廣受關注。集成成像又被稱為“真3D顯示”，其借助微透鏡陣列記錄3D場景，并借助同參數微透鏡陣列將圖像重現，因而重現的圖像與原場景色彩一致、深度相同。常規集成成像仍存在分辨率低、視場角窄、深度范圍不佳等問題，這些缺陷成為限制該技術產業化、規模化的主要阻礙。因此，有必要深度研究集成成像3D拍攝與顯示方法，探索持續優化集成成像的顯示方案，以促進其在各領域的深度應用。

1 集成成像3D拍攝技術

為了適應不同應用場合，3D拍攝方法也有所差別，或利用單相機記錄物體平面圖像，再利用光、聲等飛行時間獲取物體深度信息；或利用雙目視差原理，以立體攝像系統進行拍攝，獲取具有視差的雙眼視圖，如同感IMAX系統實現3D電影的拍攝；或利用光波振幅、相位信息的記錄獲取3D圖像數據，以實現全息現實；或利用微透鏡陣列拍攝空間物體，直接獲取3D圖像，此即集成成像3D拍攝技術。集成成像3D拍攝方法很多，下文重點就較為典型的兩種方法進行闡述。

1.1 直接3D拍攝

1997年，日本F·Okano等首次以直接拍攝獲得了實時集成成像3D圖像，3D場景所發射的光纖利用微透鏡陣列的各透鏡元進行折射，再利用攝像機直接攝制下來，形成微圖像陣列，各圖像元經中心旋轉180°后被送至集成成像顯示器，經二維顯示器與針孔陣列解決深度反轉問題。值得注意的是，該方法所重構的三維圖像為虛像，其凹進顯示屏中，因而顯示效果不甚理想。隨后，M·Martinez-Corral等學者在微透鏡陣列、攝像機之間設置了一個成像物鏡，如此一來，物鏡所帶來的深度反轉與集成成像本身的深度反轉相結合，最終得到了深度正確的3D圖像，有效簡化了傳統拍攝方法深度反轉的繁冗步驟，同時獲取了實虛兩種3D圖像。為了進一步優化直接3D拍攝法相機鏡頭所引發的圖像畸變問題，J·Arai等學者將漸變折射率微透鏡陣列與圖像傳感器相貼近，然而，該過程需要附加漸變折射率微透鏡陣列等器件，既繁瑣又難免引入圖像畸變問題。因此，J·Kim等引入了計算機處理系統，通過對中心深度平面位置進行控制，有效提升了3D圖像的質量[1]。

1.2 攝像機陣列3D拍攝

該法是以攝像機來取代組成微透鏡陣列的各透鏡元，由此構成一個等間距排列的攝像機陣列，由于透鏡元、攝像機成像均存在上下、左右翻轉性，因此，利用攝像機陣列所獲得的微圖像陣列相當于傳統微透鏡陣列圖像元180°旋轉后的結果，因而解決了傳統拍攝方法深度反轉的問題，加上各攝像機僅需獲取一個圖像元，因而極大地提升了圖像分辨率。然而，該方法也有缺陷，即所需攝像機量大，加上攝像機間的配置、修正等復雜操作，因而在大場景集成成像拍攝中并不適用。為了解決攝像機數量問題，有學者采用稀疏攝像機陣列法進行大場景3D拍攝，獲取場景各角度立體信息，最終得到視差圖像陣列，并通過構建的像素影射模型將其轉換為微圖像陣列，繼而實現3D拍攝[2]。

2 高分辨率集成成像3D顯示方法

集成成像3D顯示方法很多，下文重點就現階段研究熱點高分辨率集成成像3D顯示方法進行探討。集成成像3D顯示的性能參數是評價顯示效果的基本指標，主要包括觀看分辨率、觀看視角、深度范圍3種，其中，觀看分辨率是3D顯示最關鍵的性能指標，該參數直接關系著觀者的感受。該指標影響因素眾多，如顯示屏分辨率、微透鏡陣列焦距、中心深度平面與微透鏡陣列之間的距離、元透鏡口徑等，在實虛像模式下，中心深度平面的成像分辨率直接決定了觀看分辨率。通常而言，集成成像借二維顯示器的有限像素對光線、方向兩大類要素信息進行同步顯示，難免會導致空間分辨率下降，這是制約分辨率提升的最主要原因。較為典型地提升集成成像分辨率的方法是利用時分/空分復用法加以實現，包括增加采樣率、提高顯示屏像素密度兩種方法[3]。

2.1 增加采樣率

從某種角度來看，集成成像觀看過程猶如采樣，受采樣定理的限制，人眼從各單元透鏡采樣一個或多個像素拼接成所看到的3D圖像，因而單元透鏡數、節距等直接影響采樣率乃至觀看分辨率。為了克服采樣定理的局限性，J·S·Jang等學者引入移動微透鏡陣列技術，使拍攝、顯示的微透鏡陣列在雙目視覺暫留時間內迅速同步振動，并從不同位置對3D場景拍攝多組單元像陣列，顯示用的微透鏡陣列亦同步振動，在差異位置重構不同方向的光線，最終達到增加采樣率與觀看分辨率之效。然而，該法對機械振動要求極高，并不具備很強的實用性；隨后，Y·Kim提出移動針孔陣列法，其借助液晶面板生成自動控制的針孔陣列，并利用顯示畫面的改變實現針孔陣列的移動，配合對應的單元像陣列即可重構兩個3D圖像，這兩個圖像所包含的像素在空間分布位置上互為補充，因而一旦兩個模式在肉眼反映范圍內迅速切換，即可觀看到具有高分辨率的3D圖像。

2.2 提高顯示屏像素密度

顯示屏像素量直接反映了集成成像顯示系統所能呈現的信息量，因此，提升像素密度可達到高分辨率顯示之效。通常而言，可利用多臺投影儀空分復用地投影高像素數量的圖像，或以單臺投影儀時分復用地掃描投影多幅圖像，而這對掃描速度提出了較高的要求，即其必須高于肉眼的閃爍融合頻率。這兩種方法雖可提升像素密度，但也會導致系統復雜性大增。因此，也有學者提出以差異化焦距透鏡陣列分別進行顯示，配合單元像有效區域的擴大，以提升視覺分辨率，其原理如圖1所示，其中，圖1（a）為傳統集成成像單元像有效區域，圖1（b）為擴大單元像有效區域方法的原理圖，通過將EIA1單元像有效區域進行裁剪，作為新單元像顯示于EIA2中，即可使顯示區域面積大幅增加，使有效區域占用率提升至100%，極大地提升圖像分辨率[4]。

圖1 原理

3 結語

集成成像3D顯示技術被視為3D顯示技術最具前景的發展趨向，加上計算機、微透鏡陣列制備工藝、記錄及顯示設備等的高速發展與逐步完善，集成成像3D拍攝與顯示技術將在3D電視、印刷、深度測量、軍事、醫學、建筑等各項領域加速滲透，并將持續深入地改變人們的生活。然而，受原理、器件等因素的局限，集成成像3D拍攝與顯示技術的分辨率、視場角、深度范圍仍不甚理想，因此，還需進一步深化研究，探索頭部跟蹤技術、導光板、角錐回射器陣列、虛擬現實及增強現實等技術的引入，以尋求更優越的集成成像顯示方案。