三維集成成像技術(shù)的優(yōu)點以及應用研究

張文閣 王俊夫 蔣曉瑜 王藝霏

[摘 要] 傳統(tǒng)的視覺圖像只能以平面顯示作為傳遞二維信息的展示方式，難以滿足人們的需求。集成成像是一種利用計算機圖形、圖像處理等顯示技術(shù)的三維立體顯示技術(shù)。隨著算法的不斷優(yōu)化以及顯示器件等設(shè)備精度不斷提高，集成成像技術(shù)在工程測量、生物科學、醫(yī)療保障、三維藝術(shù)、商業(yè)廣告、保安防偽以及存儲技術(shù)等多方面已顯示出獨特的優(yōu)勢。文章重點研究三維集成成像技術(shù)的優(yōu)點以及應用。

[關(guān)鍵詞] 視覺圖像；三維立體顯示技術(shù)；集成成像

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 07. 062

[中圖分類號] TN957.52 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）07- 0151- 02

0 引 言

隨著顯示領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，裸眼顯示技術(shù)成為三維立體顯示領(lǐng)域中的研究熱點。基于集成成像的三維顯示技術(shù)能夠讓觀察者在不佩戴Virtual Reality （VR） 眼鏡等助視設(shè)備設(shè)備的條件下，觀看到連續(xù)無跳變的真三維立體場景。并且它不僅能夠記錄和再現(xiàn)靜態(tài)的三維物體，還支持對動態(tài)物體進行實時的記錄和顯示。本文在對集成成像顯示原理的基礎(chǔ)上，對它的技術(shù)的優(yōu)勢以及應用進行了研究和闡述。

1 集成成像原理

基于集成成像的三維顯示技術(shù)包括記錄和再現(xiàn)兩個過程，如圖1所示。

記錄過程是通過相機陣列對三維目標進行拍攝，從不同的觀看視角獲得目標的視差信息，并記錄在膠片或電子記錄介質(zhì)上，從而得到目標的元素圖像。在這一過程中，一定視角范圍內(nèi)的目標場景的任意一點三維立體圖像信息，就被以二維平面圖像的形式記錄到相機陣列上；再現(xiàn)過程是使用顯示設(shè)備和微透鏡陣列，讓觀察者能夠在屏幕一側(cè)觀看到物體的三維立體圖像。該過程根據(jù)光路可逆原理，將合成后的的二維圖片顯示在LCD顯示屏上，置于微透鏡陣列的焦平面處，單元圖像陣列中的像素點從對應的透鏡投射出來，從而將光路還原，重構(gòu)空間場景的三維立體圖像[1]。

2 集成成像的優(yōu)點

集成成像技術(shù)是一種動態(tài)全息光子沙盤顯示實驗系統(tǒng)，具有形式多樣、內(nèi)容豐富、實時性強的特點。按照目前三維目標圖像的重構(gòu)顯示方法[2]劃分三維立體光場顯示技術(shù)：體視法（Stereoscopic）、體素法（3D pixels）、全息顯示技術(shù)（Holographic display）以及集成成像（Integral photog-raphy）。體視法用二維屏幕給雙眼提供不同視角的二維視差圖像，應產(chǎn)生三維立體圖像；體素法是將多視角的圖像顯示在特制的三維立體屏幕上產(chǎn)生三維立體顯示效果；全息顯示技術(shù)利用光的干涉原理，用感光膠片來記錄物體相位和振幅信息，用相干光源射全息圖就能再現(xiàn)三維立體的圖像；集成成像技術(shù)是利用光路可逆原理，用微透鏡陣列或針孔陣列對三維場景進行記錄和再現(xiàn)，其優(yōu)點在于：

（1）相比體視法，觀看者不需要佩戴VR眼鏡和3D頭盔等助視設(shè)備就可以舒適地觀看到三維立體的圖像。這樣同樣可以避免了當觀看人員較多時，助視設(shè)備不夠的情況；

（2）利用光路可逆的原理，基于集成成像的顯示系統(tǒng)構(gòu)建不需要相干光源和暗室等條件，直接使用相機或攝像機等記錄設(shè)備對目標進行記錄，并可以運用計算機技術(shù)合成單元圖像陣列并顯示在電子屏幕上，這樣就能觀看到三維立體的目標或場景。所以相比全息顯示技術(shù)，它記錄和再現(xiàn)的過程比較簡單、實現(xiàn)起來比較容易；

（3）在成像過程中，目標物體和記錄設(shè)備、顯示設(shè)備和三維成像都是點對點的像素信息映射，使得觀察者能夠在不同視點觀察到無跳變的三維立體圖像。觀察者在移動中可以觀看到集成成像顯示系統(tǒng)重構(gòu)的連續(xù)、順暢的目標場景；

（4）在系統(tǒng)觀看視角內(nèi)支持多名觀察者在多個視角同時流暢、連續(xù)地觀看。集成成像顯示技術(shù)在一定的視場角內(nèi)具有多個視點，視點的個數(shù)與顯示系統(tǒng)的透鏡個數(shù)或者單元圖像的像素點個數(shù)有關(guān)。并且只要在系統(tǒng)允許的視場角范圍內(nèi)，觀察者就能看到完整的三維重構(gòu)物體場景；

（5）支持動態(tài)目標的捕捉、記錄和再現(xiàn)，重構(gòu)出實時的動態(tài)三維立體圖像。集成成像技術(shù)可以基于電子的記錄和再現(xiàn)系統(tǒng)對目標場景進行重構(gòu)。基于攝像機陣列的集成成像可以實時的對實際的目標場景進行記錄，并利用計算機技術(shù)和實時通信技術(shù)將信息傳遞到顯示系統(tǒng)上，這樣觀察者就能身臨其境的觀看到現(xiàn)實生活中的物體場景；

（6）集成成像技術(shù)是基于二維顯示器對場景進行重構(gòu)顯示。當前使用廣泛的手機和電腦等顯示設(shè)備大多都是二維顯示器以二維屏幕重構(gòu)三維立體視覺，集成成像容易利用目前的二維圖像的理論算法和顯示設(shè)備對數(shù)據(jù)進行處理和再現(xiàn)，降低成本[3]。

3 集成成像的應用

集成成像技術(shù)從開始至今已經(jīng)發(fā)展了一百多年。法國物理學家加布里埃爾·李普曼在1908年3月提出了集成照相術(shù)這一方法，利用微透鏡陣列對三維立體目標物體進行拍攝記錄，實現(xiàn)了三維集成成像的構(gòu)想。早期由于材料問題和技術(shù)工藝的限制，集成成像的微透鏡陣 列多由針孔陣列替代，這樣使得再現(xiàn)圖像亮度較暗。隨著技術(shù)的不斷進步，直到1948這個問題首次被俄國科學家解決，利用精度較高的微透鏡陣列搭建了集成攝像術(shù)系統(tǒng)。隨著顯示技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，人們對三維立體可視化的技術(shù)需求更加多元化，集成成像的技術(shù)應用更加顯著，三維動態(tài)光子顯示技術(shù)也成為了人們研究的前沿?；诩沙上耧@示系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中有著廣泛的應用：

（1）目標方位指示更加準確。在三維地理環(huán)境的測繪導航方面，基于三維動態(tài)光子顯示技術(shù)的激光雷達能夠提供大范圍、高精度、高分辨率的三維地形圖像數(shù)據(jù)，為徑規(guī)劃提供精確、直觀的三維地理位置信息；軍事上，基于集成成像技術(shù)的導彈制導系統(tǒng)在激光制導過程中，指揮員能夠更加精準直觀的計算比較三維地形信息匹配度，判別和識破目標的偽裝手段，從而打擊并摧毀目標。

（2）人物、環(huán)境仿真加真實。為了模擬真實的多元化環(huán)境，通過集成成像技術(shù)來構(gòu)建真三維、多視角的虛擬模擬環(huán)境。為人們提供實時的三維視頻通信，讓通信雙方仿佛面對面交流；軍事上，通過基于集成成像的三維動態(tài)光子顯示技術(shù)使指戰(zhàn)員身臨其境，模擬顯示作戰(zhàn)對手、仿真作戰(zhàn)環(huán)境，鍛煉并提高其對真實戰(zhàn)場中可能遇到各種情況的反應能力和作戰(zhàn)任務能力。

（3）無人機系統(tǒng)更加智能。對于復雜環(huán)境偵察監(jiān)視和地區(qū)探測后的信息分析提供更好的幫助，基于集成成像技術(shù)的無人機能夠獲取并實時傳輸處 于復雜環(huán)境中目標地形和目標人物的的三維特征信息，使觀察人員能更準確的判斷地形環(huán)境和天氣條件等客觀情況，結(jié)合立體視覺和激 光掃描技術(shù)進行目標識別和分類，為觀察人員的對復雜環(huán)境的態(tài)勢分析提供有效幫助[4-5]。

（4）醫(yī)療工作更加高效。打破傳統(tǒng)二維的CT掃描，集成成像技術(shù)應用于三維模型的建立和顯示使醫(yī)護人員更直觀、準確的觀察和 判斷傷病人員的患處信息，從而使患者得到及時準確的治療。基于集成成像技術(shù)的螺旋CT三維立體顯示技術(shù)構(gòu)建個人立體模型，用于量化匯總和定期檢查個人的身體基本狀況。

（5）裝備設(shè)計更加便捷。在裝備制造和維修領(lǐng)域，集成成像系統(tǒng)結(jié)合 激光掃描技術(shù)能夠?qū)χ貥?gòu)顯示的產(chǎn)品表面的性能參數(shù)和設(shè)計缺陷進行實時分析、檢測與監(jiān)控，從而加快設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)過程?；诩沙上竦娜S動態(tài)光子顯示系統(tǒng)可以針對不同的零部件進行三維構(gòu)建顯示，并模擬零部件的運轉(zhuǎn)情況，避免了傳統(tǒng)模型制造中試沖和修改型面等復雜的過程。

4 結(jié) 語

集成成像技術(shù)已經(jīng)在多方面已顯示出獨特的優(yōu)勢，但目前它仍存在顯示三維圖像分辨率低、深度范圍小和視場角狹窄等問題需要解決?？梢酝ㄟ^對記錄和再現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，分析系統(tǒng)特性參數(shù)參數(shù)，對三維立體圖像的分辨率、視場角、深度范圍這三個特性進行研究，提出一種效率更高、性能更好的算法，從而得到觀看效果更好的真三維立體圖像。相信隨著顯示器件和技術(shù)的不斷發(fā)展， 集成成像將廣泛地走進市場， 它具有更加廣闊的發(fā)展空間。

主要參考文獻

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