远场集成成像三维显示光场转换与可视参数控制理论与方法研究

True three-dimensional（3D）display of far field (wide viewing zone and large depth) natural scene has been a development goal of an Integral Imaging(II) display technology. In this proposal, focusing on far field II 3D display modality, full-chain light field transformation and 3D display characterization concept are used to theoretically analyze the effects of main physical factors of full-chain components（including the light field elemental image array pickup mode, light field match transformation, and multi-scale II 3D light field display）and their coupled mechanisms on 3D II display quality. Then, far field II light field match transformation model and real time algorithm design, viewable parameters coupled model and cooperative control method, full chain II display quality characterization and cooperative promotion are studied deeply, respectively. Considering the above constructed theoretical models and algorithms, an II experimental prototype with light field control is built based on the available elemental image array capture and display experimental setup in our Lab. Further, the light field image data and corresponding specifications are measured and evaluated, respectively for different chain components. Finally, full chain II light field conversion model and algorithm, viewable parameters couple model, and integral display quality characterization model and cooperative promotion methods are validated, respectively. Research results will provide theoretical supports for II content editing, light field imaging processing, an II display monitor design, and the development of true 3D TV.

远场（宽视域大深度）自然场景的真三维显示是集成成像显示技术的追求目标。本项目针对远场集成成像三维显示模式，立足于全链路集成成像光场转换与显示表征思路，理论分析全链路各环节（光场图像阵列典型采集模式、光场匹配转换与生成、多尺度三维光场显示）制约集成成像三维显示综合质量的物理因素及耦合作用机理；攻关解决全链路集成成像光场匹配转换模型和实时算法设计、光场显示可视参数耦合控制模型、全链路集成成像三维显示光场质量综合表征与协同提升方法等关键科学与技术问题；以理论模型、算法为基础，结合本实验室搭建的图像阵列采集和集成成像三维显示装置，构建光场可控集成成像三维显示实验样机，获取各环节光场图像数据和可视参数指标，完成对全链路光场匹配转换、可视参数耦合控制和图像质量综合表征等模型的验证。研究成果将为集成成像三维显示图像内容制作、光场图像处理、集成成像三维显示器研制和真三维电视产业发展提供理论与技术支撑。

远场（宽视域大深度）自然场景的真三维显示是集成成像显示技术的追求目标。本项目针对远场集成成像三维显示模式，立足于全链路集成成像光场转换与显示表征思路，理论分析了全链路各环节（光场图像阵列典型采集模式、光场匹配转换与生成、多尺度三维光场显示）制约集成成像三维显示综合质量的物理因素及耦合作用机理，攻关解决了全链路集成成像光场匹配转换模型和实时算法设计、光场显示可视参数耦合控制模型，提出了远场集成成像景深控制算法、自动对焦算法和高分辨率自由视点重建算法。基于几何光学理论，综合考虑微透镜衍射效应、成像畸变、探测器采样效应、显示像素离散化效应、显示参数不匹配和人眼视觉特性，建立了全链路集成成像三维显示质量表征模型，基于仿真结果定量分析了集成成像系统关键参数对三维显示质量的影响，该模型可以优化集成成像系统设计。针对远场集成成像再现显示分辨率低，景深有限，观测视场小等问题，提出了基于时变压缩编码的高分辨率集成成像方法、基于负折射率材料的集成成像深度翻转消除方法、基于超表面透镜阵列的集成成像分辨率提升技术、基于同心透镜阵列的集成成像三维显示视角提升技术和基于亚像素编码方法的三维显示质量补偿方法，大幅度提升了远场集成成像三维显示质量。以理论模型、算法为基础，结合本实验室搭建的图像阵列采集和集成成像三维显示装置，开展基于稀疏视点的高清相机阵列采集系统和重建算法研究、光场相机采集与数据重建系统研究和大视场同心多尺度相机阵列采集与重建系统研究，获取各环节光场图像数据和可视参数指标，完成对全链路光场匹配转换、可视参数耦合控制和图像质量综合表征等模型的验证。研究成果可以为集成成像三维显示图像内容制作、光场图像处理、集成成像三维显示器研制和真三维电视产业发展提供理论与技术支撑。