集成成像三維顯示系統概述

王俊夫，張文閣，蔣曉瑜，王藝霏

（陸軍裝甲兵學院，北京 100084）

Lippmann最早提出的集成攝像術就是利用針孔陣列和感光膠片實現記錄和再現過程的全光學集成成像技術。目前，為了增強觀看效果、提高重構速度，普遍使用微透鏡陣列和數碼相機來實現全光學集成成像技術。在集成成像記錄過程和再現過程中，根據方法實現方式不同將該技術分為四種類型：全光學集成成像技術、計算集成成像技術、計算生成集成成像技術和計算重構集成成像技術。不同之處在于利用膠片和數碼相機的記錄過程是通過光學系統記錄實際光場信息，而計算機模擬記錄利用虛擬的光場實現。

1 全光學集成成像技術

全光學集成成像技術是利用光學系統實現記錄和再現過程的集成成像技術[1]。該技術記錄和再現兩個過程均是利用全光學的方式，拍攝記錄或者重構再現實際光線，如圖1所示。

圖1 全光學集成成像記錄和再現過程

2 計算生成集成成像技術

計算生成成成像技術是利用光學系統進行記錄和計算機系統實現數字再現的集成成像技術。在記錄過程中，與全光學集成成像系統相同，計算生成集成成像系統利用微透鏡陣列或針孔陣列對實際物體進行拍攝，記錄在數碼相機或感光膠片上。通過記錄設備得到一組場景中三維物體的視角圖像，針對每個視角圖像對應的視點進行映射計算，并合成得到微單元圖像陣列。在數字再現過程中，與全光學集成成像重構實際光場再現空間三維物體圖像不同，計算生成集成成像利用計算機數字模擬光學系統，利用微單元圖像陣列重構視差信息或重建物體深度平面。

計算生成成像技術包括基于多視點的重構方法[2，3]和基于深度平面的重構方法[4-6]。基于多視點的重構方法通過追跡物體原始光路，利用每一個微單元圖像上的某一視角對應的像素點共同重構該視點的視角圖像。每一個虛擬微透鏡對應的微單元圖像只提供一個像素點，重構視角圖像數目與微單元圖像的像素點個數相同。基于多視點的重構方法能夠高質量的再現物體某一視角圖像，該方法對于體型較小物體的顯微作用尤為明顯，該方法常用于圖像效果增強、目標識別等方面。基于深度平面的重構方法選取不同的深度平面切片，調整重構平面來再現處于不同深度平面的物體圖像。深度平面重構方法通過對深度平面的調整設置，使得再現三維物體在處于深度平面上的部分對焦清晰，其余重構部分變得模糊，符合人眼觀看三維物體的視覺習慣，該方法常用于三維物體的深度提取。

集成成像的再現過程是觀察者直觀看到三維物體重構效果的過程，光學系統在實際光路校準上會出現不可避免的誤差，例如微透鏡的加工精度、微透鏡之間的間隔精度和微透鏡陣列與二維顯示器間的光路對準等。二維顯示器的分辨率同樣影響著再現三維物體圖像的效果，利用二維器幕重構多三維圖像必然會降低視角圖像的分辨率。并且相比光學系統，計算生成集成成像可以避免再現過程產生的衍射現象，其再現圖像比光學再現圖像更易于量化，質量也更好。但是計算生成集成成像的再現過程是顯示在二維顯示器上，每次智只能重構顯示處于一個深度平面一個視點的視角圖像，缺乏光學再現的立體感。

3 計算機重構集成成像技術

計算重構成成像技術是利用計算機系統實現數字記錄和光學系統進行記錄的集成成像技術[1]。該技術利用虛擬的相機陣列對三維物體經行模擬拍攝，從而得到帶有深度信息的視角圖片。利用光路追跡的方法映射每個視角圖片到對應的微單元圖像上的像素點，從而得到為單元圖像陣列。這種方法能夠避免在記錄過程中相機等記錄設備的抖動和對焦等帶來的誤差，從而使集成成像的記錄過程變得準確和快捷。計算重構成成像技術的再現過程與全光學集成成像的再現過程相同，但由于記錄過程中合成得到準確、高清的微單元圖像陣列，使得在成像效果質量方面，計算重構方法的三維重構物體圖像的質量要高很多。目前，該技術多應用于集成成像領域中的三3D電影制作、三維廣告、體感游戲等方面。

4 計算集成成像技術

計算集成成像技術是通過計算機系統實現數字記錄和數字再過程的集成成像技術，所以該方法也叫做全數字集成成像技術。計算集成成像技術利用計算機系統建立虛擬場景物體，并用虛擬光學系統對物體深度信息進行記錄。再現過程同樣是利用計算機數字模擬的方法重構三維物體圖像。再現過程可以直接計算出微單元圖像陣列，得到無贗像問題的重構圖像，也能夠直接得到物體某一視角某一深度的平面切片圖像，便于觀察者對三維物體重構圖像多方面的了解。計算集成成像技術利用全數字方法實現集成成像過程，避免了光學儀器帶來的誤差，提高了重構圖像的精確的和可信度。利用計算機圖像處理等技術可以直接對微單元圖像陣列進行質量優化，從而進一步提高圖像質量。

5 結束語

集成成像技術各種類不同之處在于利用膠片和數碼相機的記錄過程是通過光學系統記錄實際光場信息，而計算機模擬記錄利用虛擬的光場實現。在集成成像記錄過程和再現過程中，根據方法實現方式不同將該技術分為四種類型。隨著電子行業的飛速發展，集成成像技術的記錄過程由感光膠片轉變成數碼相機陣列，利用計算機模擬光場對虛擬物體經行拍攝的方式也在不斷地發展中。