大场景集成成像三维显示系统建模与光场转换研究

Three-dimensional integrated imaging display technology is currently a research focus in three-dimensional displays. However, the technology suffers from the problems of low resolution, small field of view, depth of field and narrow issues, and these problems limit its applications that need to display 3D objects in large scenes such as 3D TVs, the three-dimensional projection display, virtual and augmented reality applications. To solve this problem, this project intends to replace the lenslet array with a camera array as the pick-up in an integrated imaging system, the introduction of the light field parametric representation is used to characterize the information of three-dimensional large scenes, then its optical field properties and characterization is to be analyzed, considering the structure of the system parameters and effects of each module, a light field performance model of three-dimensional integrated imaging display systems is to be established for provide theoretical support to optimizing design of three-dimensional integral imaging systems for displaying large scenes. On this basis, for the mismatch of the parameters of the pick-up system with the parameters of the display system, light field transformation methods are to be researched to achieve the light field transformation and viewing parameter control. And the light field transformation methods are to be verified by the computer software simulations and optical experimental methods, the sampling effect that the camera array recording the light field information of the large scene is to be analyzed, and then by the introduction of anti-aliasing filtering, the light field transformation model is to be corrected and optimized, with important theory significances to achieve three-dimensional integral imaging display systems for large scenes.

集成成像三维显示技术是目前三维显示领域的研究热点。然而，该技术目前存在分辨率低、视场角小、景深窄等问题，无法满足诸如三维电视、立体投影显示、虚拟与增强现实等应用对大场景三维物体进行立体显示的需求。针对这一问题，本项目拟采用相机阵列代替微透镜阵列作为集成成像系统记录端，引入光场参数化表示方法对三维大场景信息进行表征，分析其光场特性，并基于端到端系统表征思想，综合分析系统各模块结构参数与效应，建立三维大场景-集成成像三维显示系统光场性能模型，为优化设计大场景集成成像三维显示系统提供理论支持；在此基础上，针对系统记录端与显示端参数不匹配的问题，重点研究光场转换方法，实现记录端到显示端的光场转换以及观看参数控制；并通过计算机软件模拟与光学实验相结合的方法对光场转换模型进行验证，分析相机阵列对大场景光场的采样效应，引入抗混叠滤波进行修正与优化，为实现大场景集成成像三维显示系统提供理论基础与解决思路。

现有集成成像技术存在分辨率低、视场角小、景深窄等问题，不适用于大场景三维成像，本项目针对大场景集成成像三维显示应用展开研究。首先，研究了光场参数化表征方法，选择了“空间位置+角度”的方法对大场景光场进行参数化表征，初步建立了集成成像光场性能模型，分析了系统中各种效应对光场信号传递过程的影响。然后，为克服现有系统中微透镜阵列的采样效应，通过引入压缩感知理论来突破奈奎斯特采样理论的限制，提出了一种基于压缩感知理论的大场景集成成像记录方法，设计了由动态掩膜和成像透镜组成的光学计算机，实现了对三维大场景光场的压缩采样，记录的数据可通过压缩感知重构算法近似完全地恢复场景光场，计算机仿真和光学实验结果表明了该方法的可行性和有效性。与现有基于微透镜阵列的集成成像系统相比，所提方法消除了微透镜阵列的采样效应和衍射效应，并具有更大的视场角，更适用于大场景集成成像应用，有着重要的理论意义和广泛的应用前景。在此基础上，针对目前集成成像系统记录端和显示端参数必须严格匹配的问题，本项目设计了一种基于压缩采样的通用集成成像光场记录装置，设计了各个模块组成结构，并获得了发明专利授权。所提装置记录三维大场景的光场数据，并且可通过算法恢复场景光场，进一步可以生成适用于不同参数显示端的微单元图像阵列。所提装置结构简单，便于直接扩展现有的二维成像设备，在实际应用中具有重要意义。最后，本项目针对微小物体的三维成像展开研究，在不破坏显微镜成像光路的基础上，设计新的光路系统和成像器件，增加了光漫透射元件和中继系统，进而提出一种新的高放大倍率的集成成像显微系统，实现对生物微小组织的三维精细结构成像。实验结果证明所提系统实现了对生物组织样本的三维精细结构成像，放大倍率近1000倍，远大于现有集成成像显微系统的放大倍率。该系统可使集成成像显微成像更好的应用于医学及生物学基础研究，具有重要的理论意义和应用前景。