集成成像三維顯示技術(shù)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(tǒng)的原理，包括記錄和再現(xiàn)過(guò)程。對(duì)傳統(tǒng)集成攝像術(shù)和目前集成成像技術(shù)的原理進(jìn)行分析。闡述了帶有視差信息的記錄過(guò)程和光場(chǎng)重構(gòu)的再現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)集成成像三維顯示技術(shù)原理的概述，能夠更好地了解其應(yīng)用范圍，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展前景有著十分重要的作用。

關(guān)鍵詞 三維顯示；集成成像；視角圖像

中圖分類(lèi)號(hào) TB8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）222-0060-02

集成成像技術(shù)能夠提供觀察者真三維立體的視覺(jué)效果。16世紀(jì)，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(jué)效果。18世紀(jì)初出現(xiàn)的“立體鏡”能使觀察者左右眼看到單獨(dú)的視差圖像。19世紀(jì)初Wheatstone發(fā)明了反光式立體鏡，并發(fā)表了雙目視覺(jué)（binocular Vision）的演講。1851年，英國(guó)科學(xué)家Brewster發(fā)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(shù)”[ 1 ]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維物體拍攝記錄的集成成像的構(gòu)想。

1 集成成像顯示技術(shù)原理

集成成像顯示系統(tǒng)一般根據(jù)不同的硬件結(jié)構(gòu)、參數(shù)和軟件算法實(shí)現(xiàn)不同的三維成像效果。該技術(shù)是一種利用微透鏡陣列來(lái)記錄和再現(xiàn)三維圖像的真三維立體顯示技術(shù)，該技術(shù)包括記錄和再現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程。在早期Lippmann提出的集成攝像術(shù)中，記錄過(guò)程和再現(xiàn)過(guò)程是利用針孔陣列和感光膠片對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中的三維物體進(jìn)行拍攝和重構(gòu)[2]，如圖1所示。

1.1 集成攝像術(shù)原理

每一個(gè)針孔對(duì)應(yīng)的膠片區(qū)域能夠記錄對(duì)應(yīng)視點(diǎn)傳播過(guò)來(lái)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(gè)數(shù)和排列方式與針孔整列相同。再現(xiàn)過(guò)程是記錄過(guò)程的逆過(guò)程，其針孔陣列的參數(shù)設(shè)置與記錄過(guò)程的針孔陣列相同。設(shè)置一個(gè)自然光源來(lái)增加重構(gòu)物體圖像的效果，光源發(fā)射的光透過(guò)微單元透鏡陣列后，攜帶這對(duì)應(yīng)視角的物體視差信息，沿著對(duì)應(yīng)視角的方向?yàn)樵撘朁c(diǎn)的視角圖片提供信息，從而重構(gòu)三維物體。

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

1.2 集成攝像術(shù)原理

隨著制造業(yè)的發(fā)展，微透鏡陣列逐漸替代了針孔陣列。并且電子工業(yè)的興起使得記錄設(shè)備更新?lián)Q代，電子感光元件推動(dòng)了電耦合器件（charge coupled device，CCD）代替感光膠片的進(jìn)程，再現(xiàn)過(guò)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(xiàn)設(shè)備雖然能夠快速高效的處理視差圖像，但是卻帶來(lái)了被記錄的視角圖片和微單元圖片像素點(diǎn)由連續(xù)變?yōu)殡x散的問(wèn)題，從而對(duì)集成成像顯示系統(tǒng)的視點(diǎn)個(gè)數(shù)和三維分辨率等參數(shù)造成影響。

現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的物體自發(fā)光或反射的光線中包含該物體的顏色、光強(qiáng)和光線方向等信息。在記錄過(guò)程中，這些光線透過(guò)微透鏡陣列后被記錄在對(duì)應(yīng)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(diǎn)上，記錄設(shè)備是相機(jī)陣列的電子感光介質(zhì)。當(dāng)感光介質(zhì)中每一個(gè)視角圖像上的所有像素點(diǎn)都記錄下了對(duì)應(yīng)視點(diǎn)物體圖像信息，再經(jīng)過(guò)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(xiàn)過(guò)程中，系統(tǒng)重構(gòu)的光場(chǎng)信息與記錄過(guò)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(jù)光路可逆原理，每個(gè)單元圖像上的像素發(fā)出光線經(jīng)過(guò)透鏡陣列還原光路并匯聚成一個(gè)個(gè)焦點(diǎn)，三維物體圖像就在中心平面的一定深度范圍內(nèi)被重構(gòu)出來(lái)，其原理光路示意圖如圖2（b）。

在集成成像顯示系統(tǒng)中，三維物體通常被重構(gòu)在一個(gè)特殊的深度平面，在這個(gè)平面上微單元圖像陣列發(fā)現(xiàn)出的光束經(jīng)過(guò)透鏡陣列會(huì)交匯于一個(gè)個(gè)焦點(diǎn)，從而達(dá)到清晰成像的效果，該平面被稱(chēng)為中心深度平面（central depth plane，CDP）。

根據(jù)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(guān)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(tǒng)的光束交匯于中心深度平面，三維物體圖像的重構(gòu)平面在該深度平面時(shí)成像最清晰，成像位置距離中心深度平面越遠(yuǎn)，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(dǎo)致中心深度平面處于不同的位置，根據(jù)其位置的不同將顯示模式分為3種：實(shí)模式顯示、需模式顯示和聚焦模式顯[ 3 ]示，如圖3。

在實(shí)模式顯示中，中心深度平面顯示在集成成像系統(tǒng)外部、微透鏡陣列前方。此時(shí)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(shí)觀察值能夠觀看到位于顯示系統(tǒng)前方的三維重構(gòu)物體實(shí)像。在虛模式顯示中，中心深度平面顯示在集成成像系統(tǒng)內(nèi)部、微透鏡陣列后方。此時(shí)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(shí)觀察值能夠觀看到位于顯示系統(tǒng)內(nèi)部的三維重構(gòu)物體虛像。在聚焦模式顯示中，中心深度平面顯示在無(wú)窮遠(yuǎn)處。此時(shí)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(shí)觀察值能夠觀看到位于顯示系統(tǒng)內(nèi)部和外部的三維重構(gòu)物體圖像同時(shí)再現(xiàn)，產(chǎn)生的圖像效果質(zhì)量由于實(shí)像和虛像相互干擾變得較低[4-5]。

3 結(jié)論

本章概述了集成成像顯示系統(tǒng)的原理，包括記錄和再現(xiàn)過(guò)程。記錄過(guò)程是通過(guò)相機(jī)陣列拍攝三維目標(biāo)，獲得帶有不同視角信息的目標(biāo)微單元圖像；再現(xiàn)過(guò)程是利用光路可逆原理對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(guò)還原光路重構(gòu)空間場(chǎng)景的三維立體圖像。在集成成像三維顯示技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄艽蟮膽?yīng)用前進(jìn)和適用范圍，這對(duì)該技術(shù)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)，2014.

[5]王梓.集成成像3D顯示技術(shù)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.