便携式光场三维成像研究

摘 要：传统的二维甚至封闭的虚拟现实设备已不足以满足人们对视觉体验的追求，为了体验更加真实的三维显示效果，人们对光场三维做了大量研究。文中简要比较了实现三维的经典技术，并基于光场相机以及仿生的原理，提出了一种全新的三维光场重建技术的构想。同时针对光场显示的不同实现方法，讨论了光场三维的应用与前景。

关键词：三维显示；光场相机；仿生；光场重建

1 研究现状

随着光电显示等一系列技术的快速发展，传统二维显示已不能满足人们的需求，而三维立体显示技术可以给观察者身临其境的感受，其全新的用户体验受到欢迎。为了能够更加真实的还原三维世界，国内外进行了大量研究，目前成熟的显示技术分为两种，一是光场显示[1]技术，Balogh[2]等于2006年推出HoloVizio三维显示系统，之后又将光场[3]采集装置引入其中，实现从光场采集到三维显示的解决方案。浙江大学刘旭[4，5]团队研发到目前为止世界最大的光场三维显示系统。北京理工大学陈飔[6]团队设计出了周视悬浮立体显示系统。美国加州大学的Jones等[7]使用72台投影机和凸面散射屏构建了三维显示系统。二是全息技术，刘永春等[8]设计出基于全息定向散射屏的三维成像显示系统。

2 分析与创新

以上已有的三维重建方式存在数据量大；计算难度高；设备昂贵复杂，不易操作；成本高等缺点。本文基于上述问题提出研究的便携式光场三维成像技术，这一技术将解决传统的光场三维显示技术中通过水平光场采集光线，利用平面投影技术显示图像造成的图像不清晰、图形易产生变形等問题。

在前人研究成果的基础上，根据人眼视网膜成像的特点，提出模仿昆虫的复眼式结构[9]，将多个微型拍摄模块按照特定的排列顺序集成在一个非平面框架上的特征点上。通过计算，使得每一个单独拍摄模块分别记录某一角度的光场信息，从而解决传感器平面采样造成的数据量大等问题。即利用非平面拍摄模块阵列对光线进行采集，然后通过光纤传感耦合系统对采集到的图像进行球面三维投影。这种装置使用半球状排列着180个显微透镜，使其具有160度的视野，能够同时聚焦物体的不同深度。如图1所示。

3 总结与展望

随着近几年光场重构与显示技术的研究，三维显示技术已日渐成熟，但是目前的成果仅限于实验室，由于其存在的难以克服的缺点，与人们期待的实用化目标还有不小的距离。设备要向便携式，易操作方向进行，提升设备的数据处理能力和速度，建立完善的质量衡量体系。随着未来物联网与可穿戴设备的发展，便携式光场设备必将得到更广阔的发展。

参考文献

[1]Jones A， Mcdowall I， Yamada H， et al. Rendering for an interactive 360° light field display[J]. Acm Transactions on Graphics， 2007， 26（3）：40.

[2]Agocs T， Balogh T， Forgacs T， et al. A Large Scale Interactive Holographic Display[C]// IEEE Virtual Reality Conference. IEEE， 2006：311-311.

[3]Gershun A. The light field[J]. Journal of Mathematics and Physics， 1939， 18（1）： 51-151

[4]Zhong Q， Peng Y， Li H， et al. Multiview and light-field reconstruction algorithms for 360° multiple-projector-type 3D display[J]. Applied Optics， 2013， 52（19）： 4419-4425

[5]Peng Y， Li H， Zhong Q， et al. Large-sized light field three- dimensional display using multi-projectors and directional diffuser[J].Optical Engineering， 2013， 52（1）： Article No. 017402

[6]陈飔，朱秋东，李剑，等.周视悬浮立体显示系统的光学系统设计[J].光学技术， 2013， 39（5）：444-449.

[7]Jones A， Nagano K， Liu J， et al. Interpolating vertical parallax for an autostereoscopic three-dimensional projector array[J]. Journal of Electronic Imaging， 2014， 23（1）： Article No. 011005.

[8]刘永春， 龚华军， 耿征，等. 基于全息定向散射屏的光场三维成像系统研究[J]. 激光与光电子学进展， 2015， 52（10）：163-171.

[9]史立芳， 叶玉堂， 邓启凌，等. 制备人工复眼结构的方法[J]. 红外与激光工程， 2013， 42（9）：2462-2466.

作者简介

王亚洲（1996-），男，汉族，郑州大学物理工程学院2014级学生。