三維集成成像技術的優點以及應用研究

張文閣 王俊夫 蔣曉瑜 王藝霏

[摘 要] 傳統的視覺圖像只能以平面顯示作為傳遞二維信息的展示方式，難以滿足人們的需求。集成成像是一種利用計算機圖形、圖像處理等顯示技術的三維立體顯示技術。隨著算法的不斷優化以及顯示器件等設備精度不斷提高，集成成像技術在工程測量、生物科學、醫療保障、三維藝術、商業廣告、保安防偽以及存儲技術等多方面已顯示出獨特的優勢。文章重點研究三維集成成像技術的優點以及應用。

[關鍵詞] 視覺圖像；三維立體顯示技術；集成成像

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 07. 062

[中圖分類號] TN957.52 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）07- 0151- 02

0 引 言

隨著顯示領域技術的不斷發展，裸眼顯示技術成為三維立體顯示領域中的研究熱點。基于集成成像的三維顯示技術能夠讓觀察者在不佩戴Virtual Reality （VR） 眼鏡等助視設備設備的條件下，觀看到連續無跳變的真三維立體場景。并且它不僅能夠記錄和再現靜態的三維物體，還支持對動態物體進行實時的記錄和顯示。本文在對集成成像顯示原理的基礎上，對它的技術的優勢以及應用進行了研究和闡述。

1 集成成像原理

基于集成成像的三維顯示技術包括記錄和再現兩個過程，如圖1所示。

記錄過程是通過相機陣列對三維目標進行拍攝，從不同的觀看視角獲得目標的視差信息，并記錄在膠片或電子記錄介質上，從而得到目標的元素圖像。在這一過程中，一定視角范圍內的目標場景的任意一點三維立體圖像信息，就被以二維平面圖像的形式記錄到相機陣列上；再現過程是使用顯示設備和微透鏡陣列，讓觀察者能夠在屏幕一側觀看到物體的三維立體圖像。該過程根據光路可逆原理，將合成后的的二維圖片顯示在LCD顯示屏上，置于微透鏡陣列的焦平面處，單元圖像陣列中的像素點從對應的透鏡投射出來，從而將光路還原，重構空間場景的三維立體圖像[1]。

2 集成成像的優點

集成成像技術是一種動態全息光子沙盤顯示實驗系統，具有形式多樣、內容豐富、實時性強的特點。按照目前三維目標圖像的重構顯示方法[2]劃分三維立體光場顯示技術：體視法（Stereoscopic）、體素法（3D pixels）、全息顯示技術（Holographic display）以及集成成像（Integral photog-raphy）。體視法用二維屏幕給雙眼提供不同視角的二維視差圖像，應產生三維立體圖像；體素法是將多視角的圖像顯示在特制的三維立體屏幕上產生三維立體顯示效果；全息顯示技術利用光的干涉原理，用感光膠片來記錄物體相位和振幅信息，用相干光源射全息圖就能再現三維立體的圖像；集成成像技術是利用光路可逆原理，用微透鏡陣列或針孔陣列對三維場景進行記錄和再現，其優點在于：

（1）相比體視法，觀看者不需要佩戴VR眼鏡和3D頭盔等助視設備就可以舒適地觀看到三維立體的圖像。這樣同樣可以避免了當觀看人員較多時，助視設備不夠的情況；

（2）利用光路可逆的原理，基于集成成像的顯示系統構建不需要相干光源和暗室等條件，直接使用相機或攝像機等記錄設備對目標進行記錄，并可以運用計算機技術合成單元圖像陣列并顯示在電子屏幕上，這樣就能觀看到三維立體的目標或場景。所以相比全息顯示技術，它記錄和再現的過程比較簡單、實現起來比較容易；

（3）在成像過程中，目標物體和記錄設備、顯示設備和三維成像都是點對點的像素信息映射，使得觀察者能夠在不同視點觀察到無跳變的三維立體圖像。觀察者在移動中可以觀看到集成成像顯示系統重構的連續、順暢的目標場景；

（4）在系統觀看視角內支持多名觀察者在多個視角同時流暢、連續地觀看。集成成像顯示技術在一定的視場角內具有多個視點，視點的個數與顯示系統的透鏡個數或者單元圖像的像素點個數有關。并且只要在系統允許的視場角范圍內，觀察者就能看到完整的三維重構物體場景；

（5）支持動態目標的捕捉、記錄和再現，重構出實時的動態三維立體圖像。集成成像技術可以基于電子的記錄和再現系統對目標場景進行重構。基于攝像機陣列的集成成像可以實時的對實際的目標場景進行記錄，并利用計算機技術和實時通信技術將信息傳遞到顯示系統上，這樣觀察者就能身臨其境的觀看到現實生活中的物體場景；

（6）集成成像技術是基于二維顯示器對場景進行重構顯示。當前使用廣泛的手機和電腦等顯示設備大多都是二維顯示器以二維屏幕重構三維立體視覺，集成成像容易利用目前的二維圖像的理論算法和顯示設備對數據進行處理和再現，降低成本[3]。

3 集成成像的應用

集成成像技術從開始至今已經發展了一百多年。法國物理學家加布里埃爾·李普曼在1908年3月提出了集成照相術這一方法，利用微透鏡陣列對三維立體目標物體進行拍攝記錄，實現了三維集成成像的構想。早期由于材料問題和技術工藝的限制，集成成像的微透鏡陣 列多由針孔陣列替代，這樣使得再現圖像亮度較暗。隨著技術的不斷進步，直到1948這個問題首次被俄國科學家解決，利用精度較高的微透鏡陣列搭建了集成攝像術系統。隨著顯示技術等領域的發展，人們對三維立體可視化的技術需求更加多元化，集成成像的技術應用更加顯著，三維動態光子顯示技術也成為了人們研究的前沿。基于集成成像顯示系統在各個領域中有著廣泛的應用：

（1）目標方位指示更加準確。在三維地理環境的測繪導航方面，基于三維動態光子顯示技術的激光雷達能夠提供大范圍、高精度、高分辨率的三維地形圖像數據，為徑規劃提供精確、直觀的三維地理位置信息；軍事上，基于集成成像技術的導彈制導系統在激光制導過程中，指揮員能夠更加精準直觀的計算比較三維地形信息匹配度，判別和識破目標的偽裝手段，從而打擊并摧毀目標。

（2）人物、環境仿真加真實。為了模擬真實的多元化環境，通過集成成像技術來構建真三維、多視角的虛擬模擬環境。為人們提供實時的三維視頻通信，讓通信雙方仿佛面對面交流；軍事上，通過基于集成成像的三維動態光子顯示技術使指戰員身臨其境，模擬顯示作戰對手、仿真作戰環境，鍛煉并提高其對真實戰場中可能遇到各種情況的反應能力和作戰任務能力。

（3）無人機系統更加智能。對于復雜環境偵察監視和地區探測后的信息分析提供更好的幫助，基于集成成像技術的無人機能夠獲取并實時傳輸處 于復雜環境中目標地形和目標人物的的三維特征信息，使觀察人員能更準確的判斷地形環境和天氣條件等客觀情況，結合立體視覺和激 光掃描技術進行目標識別和分類，為觀察人員的對復雜環境的態勢分析提供有效幫助[4-5]。

（4）醫療工作更加高效。打破傳統二維的CT掃描，集成成像技術應用于三維模型的建立和顯示使醫護人員更直觀、準確的觀察和 判斷傷病人員的患處信息，從而使患者得到及時準確的治療。基于集成成像技術的螺旋CT三維立體顯示技術構建個人立體模型，用于量化匯總和定期檢查個人的身體基本狀況。

（5）裝備設計更加便捷。在裝備制造和維修領域，集成成像系統結合 激光掃描技術能夠對重構顯示的產品表面的性能參數和設計缺陷進行實時分析、檢測與監控，從而加快設備研發生產過程。基于集成成像的三維動態光子顯示系統可以針對不同的零部件進行三維構建顯示，并模擬零部件的運轉情況，避免了傳統模型制造中試沖和修改型面等復雜的過程。

4 結 語

集成成像技術已經在多方面已顯示出獨特的優勢，但目前它仍存在顯示三維圖像分辨率低、深度范圍小和視場角狹窄等問題需要解決。可以通過對記錄和再現系統的構建，分析系統特性參數參數，對三維立體圖像的分辨率、視場角、深度范圍這三個特性進行研究，提出一種效率更高、性能更好的算法，從而得到觀看效果更好的真三維立體圖像。相信隨著顯示器件和技術的不斷發展， 集成成像將廣泛地走進市場， 它具有更加廣闊的發展空間。

主要參考文獻

[1]夏軍， 曲笛， 周學超，等.集成成像立體顯示技術研究進展[J]. 真空電子技術，2011（5）：16-21.

[2]秦開懷， 羅建利.自由立體顯示技術及其發展[J]. 中國圖象圖形學報， 2009，14（10）：1934-1941.

[3]王芳寧， 閆安英， 凌緒玉.集成成像技術的發展與應用[J]. 西南民族大學學報：自然科學版，2011（z1）：150-153.

[4]趙星，王芳， 楊勇，等.集成成像三維顯示系統顯示性能的研究進展[J]. 中國光學，2012，5（3）：209-221.

[5]鄭華東，于瀛潔， 程維明.三維立體顯示技術研究新進展[J]. 光學技術， 2008，34（3）：426-430.