集成成像技術中計算重構方法比較

王藝霏 蔣曉瑜 王俊夫

[摘 要] 未來戰爭的趨勢之一是高度透明的信息戰，集成成像技術對于未來戰場有著廣闊的發展前景。集成成像技術的重構階段可分為光學重構和計算重構。計算重構是利用計算機進行模擬，能夠克服光學成像系統中由于器件限制造成的許多問題，并能夠利用數字處理技術提高圖像質量。文章基于集成成像原理，重點研究計算重構的原理，比較了兩種計算重構方法的性能。

[關鍵詞] 集成成像；計算重構；深度平面；視點

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 066

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）15- 0165- 02

0 引 言

在日常生活中，人們通過眼睛從外部環境獲取三維立體信息。傳統的二維顯示技術是一種平面顯示技術，限制了人們的立體觀感。因此，為填補二維顯示技術的空白，三維顯示技術應運而生并迅猛發展。根據不同的工作原理，三維顯示技術分為兩類[1]：一是基于雙目視差的，二是非雙目視差的。第一種三維顯示技術的圖像分辨率較低，且有的需要輔助設備；第二種三維顯示技術包括體顯示、集成成像和全息技術[2]。集成成像技術是從1908年Lipmann教授提出的集成攝影術（Integral Photography，IP）的概念發展而來的[3]。由于該技術相較其他幾個技術而言，實驗環境和實驗裝置相對簡單，能夠使人們無須佩戴任何輔助設備就能觀察到全視差的彩色三維立體圖像。因此，集成成像技術成為了許多課題組關注的領域。

集成成像技術在重構階段有兩種重構方法：光學重構和計算機重構。光學重構存在著固有的系統問題，比如透鏡陣列的尺寸限制會帶來衍射效應，從而產生串擾現象，以及光學器件擺放位置的不精確會造成誤差等等。而計算重構則能避免這些問題，利用計算機將光學集成成像系統進行模擬，通過數字圖像處理技術提高圖像的質量，從而解決光學系統的問題，使最終重構圖像的立體顯示效果得到優化。

1 集成成像原理

集成成像技術是一種真三維顯示技術，它包含記錄和重構兩個過程，如圖1所示。

在記錄過程中，三維物體表面反射或者發出的光線透過透鏡陣列后，被后方的記錄設備記錄了下來，形成了與透鏡陣列中相同透鏡個數的單元圖像，這些圖像包含著位于不同位置的視點的立體信息；在顯示過程中，在參數、結構均不變的透鏡陣列前放置上一過程使用的記錄設備，依據光路可逆原理，在用散射光從記錄設備的后方向前照射后，光線在經過透鏡陣列后進行會聚，從而再現了原來的三維物體的像。早期的記錄設備和顯示設備都是感光膠片，后來隨著硬件設備的更新換代，記錄設備由感光膠片替換成CCD，顯示設備由感光膠片替換成LCD[4]。

2 計算重構方法比較

計算重構方法有兩類：一是基于深度平面的計算重構方法，二是基于視點的計算重構方法[5]，如圖2、圖3所示。

2.1 基于深度平面的計算重構方法

基于深度平面的計算重構方法是利用不同像素點重構出的不同深度平面來調整和重構出三維立體圖像的。在重構過程中，由于光路可逆，單元圖像陣列上的同一物點對應的像素發出的光線經過透鏡陣列后在該物點所在的深度平面上會聚。如圖2所示，在單元圖像陣列中有兩個物點A和B，分辨位于不同的深度平面，單元圖像陣列上對應物點A的像素發出的光線在重構平面1上會聚，對應物點B的則是會聚在重構平面2上，這兩個點分別在重構平面2和重構平面1上發散為一群點。由此可以得出，重構圖像會根據深度位置的改變而改變。

基于深度平面的計算重構方法可用于三維物體的識別，比如微生物識別、光子計數條件下的物體識別等。在該方法中，由于重構的三維圖像只有在其中一個深度平面上是聚焦、清晰的，位于其他深度平面的部分是散焦、模糊的，因此可以選取適當的深度平面重構出被遮擋的物體，進而實現被遮擋物體的識別與跟蹤。但是該方法也存在一定的問題，比如人們只能獲取到正視圖，無法獲取其他方向的視圖，對于觀看者的來說觀感較低。

2.2 基于視點的計算重構方法

基于視點的計算重構方法，是根據不同位置和方向的視點來確定重構的三維圖像，視點決定了三維物體上的點透過透鏡陣列投影到單元圖像中相應的像素位置，所以不同的視點重構出不同的三維圖像，原理如圖3所示。計算重構圖像時，從某一視點出發，在單元圖像陣列中進行周期性采樣，即在每個單元圖像中提取單個像素點，并將其合成一幅重構圖像。

相較于上一種計算重構方法而言，基于視點的計算重構方法可以獲得不同觀看方向的重構圖像，更符合人眼的視覺習慣。這種方法也存在著一定的缺陷，一是距離越遠的物體在不同視角圖中的位置變化越大，這和人們本身在現實世界中的視覺效果是相反的；二是由于在每個透鏡下只能觀察到一個像素，透鏡個數決定著像素個數，因此這對于重構圖像分辨率的提高有了一定的困難。

3 結 語

集成成像技術作為一種新型的三維顯示技術，可用來顯示全視差的彩色三維立體圖像，顯示過程中不需要佩戴任何輔助設備。集成成像技術成熟的關鍵是具備高分辨率的三維可視化能力，而計算重構能夠利用技術優勢將重構圖像進行優化，為光學重構打下良好的基礎。計算重構出的圖像為數字格式，可以為深度提取、三維目標識別和三維圖像處理等提供數據支持。因此，集成成像技術具有較大的發展潛力和廣泛的應用前景。

主要參考文獻

[1]Park J H， Hong K， Lee B. Recent Progress in Three-Dimensional Information Processing Based on Integral Imaging[J].Applied Optics，2009，48（34）：77-94.

[2]Kim J，J H Jung，B Lee. Real-time Pickup and Display Integral Imaging System without Pseudoscopic Problem[C]//Proceedings of SPIE8643，Advance in Display Technolog iesⅢ，864303，2013.

[3]M G Lippmann. La Photographie Integrals[J].Competes Rendus Academie des Sciences，1908，146：446-451.

[4]黎達，趙星，楊勇，等.三維集成成像中無串擾顯示系統的設計與實現[J].光電子：激光，2012（1）：35-40.

[5]H Arimoto，B Javidi. Integral Three-Dimensional Imaging with Digital Reconstruction [J].Optics Letters，2001，26（3）：157-159.