大场景高分辨率三维集成全息成像关键技术研究

Integral Holography (IH) is a novel three-dimensional (3D) imaging and display technology which combines Integral Imaging (InI) and Computer-generated holography (CGH). It takes advantage of the passive information capture system of InI, while remains its property of “True 3D” display, which improves the practicability of holography. In this proposal, high-resolution 3D integral holographic imaging of large scene will be studied. First, according to the characteristics of a 3D continuous light field with large information amount and diversified Space-Bandwidth-Product (SBP) feature, we analyze the comprehensive performance characterization of end-to-end imaging process of integral holography from two aspects of ideal theoretical system performance and practical degradation factors caused by devices, respectively. The 3D information transmission performance model and the 3D imaging degradation model of integral holographic system will be established. Then, base on the two theoretical models, we propose the method of space-spatial frequency information transformation to increase the system information transfer ratio, and the method of the integral holographic based 3D super-resolution algorithm to improve the 3D image quality. Finally, an irregular-arrangement-camera-array based digital integral holographic system is built to achieve a more flexible and convenient way for acquiring the 3D holographic information from the real scene. The research results will give theoretical and technical supports for system optimization, 3D holographic light-field processing, high-resolution CGH and practical system development of integral holography.

集成全息技术是结合了集成成像与计算全息的新型三维成像与显示技术，其在保留了全息真三维显示优势的基础上，通过非相干被动式的采集方式大大降低了全息技术对成像条件和环境的苛刻要求。本项目拟研究面向大场景、高分辨率集成全息成像应用中的若干关键问题：首先，针对三维连续光场信息量大、空间带宽积表征多样化等特点，立足于集成全息成像链路“端到端”综合性能表征的思路，通过分析理想集成全息系统的性能和实际系统硬件的降质因素，分别建立集成全息成像的三维信息传递性能表征模型和三维成像降质退化模型；其次，根据所构建的理论模型研究三维信息的高效转换方法，以及三维超分辨率全息成像算法；最后，探索基于不规则相机阵列采集的集成全息成像机制并搭建实验原理样机 。研究成果将为集成全息系统优化设计、全息光场数据处理、大尺寸高分辨率全息图的制作提供理论和技术支持，推动三维全息成像与显示技术的实用化发展。

本项目针对面向大场景的三维集成全息成像需求，从提升理想成像传递性能、提高实际系统成像质量、增加三维信息采集方式灵活性这三个方面出发，研究了大场景高分辨率集成全息成像的关键技术。 针对理想集成全息成像本身采集信息利用率低的问题，结合三维光场信息量大且空间带宽积表征多样化的特点，立足于对系统端到端各模块联合性能评估的思想，研究了表征三维信息量在成像链路中的传递性能模型；并根据理论模型提出了通过二次映射成像模型来调制采样率在空域/空间频域分布，增大成像链路的信息传递率的方法。针对实际集成全息系统中的硬件限制问题，分析由各器件联合响应所引起的非线性光学降质因素，建立了三维集成全息成像降质退化理论链路模型以及仿真实现成像系统物理效应与输入光场数据耦合作用的集成全息采集系统虚拟样机；提出了基于分层聚类的二维视点合成的多视角成像方法，在保证合成视点的质量的同时，自由控制合成视点位置数量等参数，能够有效解决集成全息成像系统视点信息采集效率较低的问题； 提出了一种基于ESRGAN的三维高分辨率集成成像与集成全息的重构方法，该方法在采集稀疏视点图像矩阵的条件下，通过结合虚拟视点合成与增强的超分辨率生成对抗网络ESRGAN算法，分别补偿了稀疏采集在空域和空间频域的信息损失，实现了三维高分辨率数字衍射光场的再现。该方法在提高基于多视角采集的集成成像与集成全息成像质量的同时，能够有效降低系统成本和设备复杂度。本项目研究成果可为集成全息成像系统优化设计、全息光场数据处理提供理论和技术支持，推动集成全息成像技术的实用化发展。