集成成像三维显示系统概述

王俊夫，张文阁，蒋晓瑜，王艺霏

（陆军装甲兵学院，北京 100084）

Lippmann最早提出的集成摄像术就是利用针孔阵列和感光胶片实现记录和再现过程的全光学集成成像技术。目前，为了增强观看效果、提高重构速度，普遍使用微透镜阵列和数码相机来实现全光学集成成像技术。在集成成像记录过程和再现过程中，根据方法实现方式不同将该技术分为四种类型：全光学集成成像技术、计算集成成像技术、计算生成集成成像技术和计算重构集成成像技术。不同之处在于利用胶片和数码相机的记录过程是通过光学系统记录实际光场信息，而计算机模拟记录利用虚拟的光场实现。

1 全光学集成成像技术

全光学集成成像技术是利用光学系统实现记录和再现过程的集成成像技术[1]。该技术记录和再现两个过程均是利用全光学的方式，拍摄记录或者重构再现实际光线，如图1所示。

图1 全光学集成成像记录和再现过程

2 计算生成集成成像技术

计算生成成成像技术是利用光学系统进行记录和计算机系统实现数字再现的集成成像技术。在记录过程中，与全光学集成成像系统相同，计算生成集成成像系统利用微透镜阵列或针孔阵列对实际物体进行拍摄，记录在数码相机或感光胶片上。通过记录设备得到一组场景中三维物体的视角图像，针对每个视角图像对应的视点进行映射计算，并合成得到微单元图像阵列。在数字再现过程中，与全光学集成成像重构实际光场再现空间三维物体图像不同，计算生成集成成像利用计算机数字模拟光学系统，利用微单元图像阵列重构视差信息或重建物体深度平面。

计算生成成像技术包括基于多视点的重构方法[2，3]和基于深度平面的重构方法[4-6]。基于多视点的重构方法通过追迹物体原始光路，利用每一个微单元图像上的某一视角对应的像素点共同重构该视点的视角图像。每一个虚拟微透镜对应的微单元图像只提供一个像素点，重构视角图像数目与微单元图像的像素点个数相同。基于多视点的重构方法能够高质量的再现物体某一视角图像，该方法对于体型较小物体的显微作用尤为明显，该方法常用于图像效果增强、目标识别等方面。基于深度平面的重构方法选取不同的深度平面切片，调整重构平面来再现处于不同深度平面的物体图像。深度平面重构方法通过对深度平面的调整设置，使得再现三维物体在处于深度平面上的部分对焦清晰，其余重构部分变得模糊，符合人眼观看三维物体的视觉习惯，该方法常用于三维物体的深度提取。

集成成像的再现过程是观察者直观看到三维物体重构效果的过程，光学系统在实际光路校准上会出现不可避免的误差，例如微透镜的加工精度、微透镜之间的间隔精度和微透镜阵列与二维显示器间的光路对准等。二维显示器的分辨率同样影响着再现三维物体图像的效果，利用二维器幕重构多三维图像必然会降低视角图像的分辨率。并且相比光学系统，计算生成集成成像可以避免再现过程产生的衍射现象，其再现图像比光学再现图像更易于量化，质量也更好。但是计算生成集成成像的再现过程是显示在二维显示器上，每次智只能重构显示处于一个深度平面一个视点的视角图像，缺乏光学再现的立体感。

3 计算机重构集成成像技术

计算重构成成像技术是利用计算机系统实现数字记录和光学系统进行记录的集成成像技术[1]。该技术利用虚拟的相机阵列对三维物体经行模拟拍摄，从而得到带有深度信息的视角图片。利用光路追迹的方法映射每个视角图片到对应的微单元图像上的像素点，从而得到为单元图像阵列。这种方法能够避免在记录过程中相机等记录设备的抖动和对焦等带来的误差，从而使集成成像的记录过程变得准确和快捷。计算重构成成像技术的再现过程与全光学集成成像的再现过程相同，但由于记录过程中合成得到准确、高清的微单元图像阵列，使得在成像效果质量方面，计算重构方法的三维重构物体图像的质量要高很多。目前，该技术多应用于集成成像领域中的三3D电影制作、三维广告、体感游戏等方面。

4 计算集成成像技术

计算集成成像技术是通过计算机系统实现数字记录和数字再过程的集成成像技术，所以该方法也叫做全数字集成成像技术。计算集成成像技术利用计算机系统建立虚拟场景物体，并用虚拟光学系统对物体深度信息进行记录。再现过程同样是利用计算机数字模拟的方法重构三维物体图像。再现过程可以直接计算出微单元图像阵列，得到无赝像问题的重构图像，也能够直接得到物体某一视角某一深度的平面切片图像，便于观察者对三维物体重构图像多方面的了解。计算集成成像技术利用全数字方法实现集成成像过程，避免了光学仪器带来的误差，提高了重构图像的精确的和可信度。利用计算机图像处理等技术可以直接对微单元图像阵列进行质量优化，从而进一步提高图像质量。

5 结束语

集成成像技术各种类不同之处在于利用胶片和数码相机的记录过程是通过光学系统记录实际光场信息，而计算机模拟记录利用虚拟的光场实现。在集成成像记录过程和再现过程中，根据方法实现方式不同将该技术分为四种类型。随着电子行业的飞速发展，集成成像技术的记录过程由感光胶片转变成数码相机阵列，利用计算机模拟光场对虚拟物体经行拍摄的方式也在不断地发展中。