集成成像三维显示系统显示性能的研究进展

集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。     

基于光孔阵列的集成成像三维显示方法

集成成像较小的再现深度一直都限制着集成成像的发展和应用,针对此问题提出了一种增大集成成像再现深度的方法。该方法在微透镜阵列与显示屏之间附加一个光孔阵列,利用光孔阵列限制显示屏上像素发出光线的发散角,从而有效地增大集成成像的再现深度。对集成成像的再现原理进行了深入分析,讨论了光孔直径与集成成像再现深度的关系。采用ASAP光学模拟软件对所提方法和传统方法进行了模拟对比实验,实验结果显示当光孔直径占透镜元节距的64%时,所提方法的再现深度是传统集成成像再现深度的1.5倍,实验结果验证了理论推导的正确性。     

基于人眼视觉的直视型微光成像系统MRC模型

首次将最小可分辨对比度(MRC)的概念引入到了直视型微光成像系统。在人眼视觉的基础上,从信号检测的角度出发,推导出了直视型微光成像系统的MRC模型。该模型综合考虑了空间因素和时间因素对成像系统的影响,给出了系统在不同目标照度、不同对比度情况下探测图像时的极限灵敏阈。模拟结果表明,由此得到的直视型微光成像系统的极限分辨率与实际系统给出的分辨率基本一致,是一种能更全面地评价微光成像系统性能的模型。     

基于光场重构的空间三维显示技术

真实空间三维显示可以通过精确再现三维物体的空间光场分布来实现.依据三维景物空间光场分布特性,提出并介绍基于光场重构的真实空间三维场景显示的基本原理与方法.实验表明,利用光场重构原理,可以运用现有的光学空间光调制器构造出比全息再现更为优越的真实三维显示.     

集成成像同名像点三维形貌获取方法

为了实现被动式三维形貌获取技术, 首先利用光线追迹方法从理论上对集成成像阵列式多角度图像获取技术进行了深入分析;对于元素图像阵列中同名像点的间距和三维物点位置之间的关联性进行了理论分析;在此基础上提出了集成成像同名像点三维形貌获取方法。实验结果显示, 本文提出的集成成像同名像点三维形貌获取技术能够获取三维物体的三维形貌和任意三维点的空间坐标。定量实验结果显示获取结果相对误差小于5%, 证实了本文提出的基于集成成像同名像点三维形貌获取技术能够实现三维信息的光学获取。     

三维立体显示技术研究新进展

在分析传统基于二维平面图像的三维立体显示技术的原理及特点的基础上,重点阐述了数字全息三维显示技术的应用研究现状,介绍了三种典型的数字全息显示技术:基于数字合成全息的三维显示技术、基于空间光调制器的数字全息三维显示技术以及基于集成数字全息技术的三维显示技术,并对三维显示技术研究及其应用中存在的关键技术问题进行了分析和讨论。     

集成成像大纵深物体的三维形貌获取技术

为了满足现代工业所需的大纵深物体的三维形貌获取需求,解决传统结构光三维形貌获取技术纵深较小的问题, 借助集成成像这种阵列式多视点获取技术,构建了基于集成成像的大纵深物体的三维形貌获取技术。从集成成像原理出发,分析了集成成像三维物点和同名像点之间的关系,得到集成成像光学获取系统参数和三维物体纵深极限之间的关系。在此基础上,利用相机和电动平移台构建了扫描式相机集成成像三维形貌获取系统,并对纵深从600 mm到3 600 mm相对独立的2个物体构建的大纵深三维物体进行了形貌获取。光学实验结果显示,该集成成像大纵深物体三维形貌获取技术能够单次获取纵深为3 600 mm的三维物体的三维形貌,为大纵深物体的三维形貌获取提供了技术支持。     

人眼视觉的传递特性及模型

介绍了国内外对人眼视觉特性及其调制传递函数的研究 ,对几种典型的人眼视觉模型进行了分析。较之以往采用的具有低通特性的指数型和高斯型 ,及具有带通特性的Barten模型和复合模型更符合人眼视觉传递特性。在此基础上将两种带通模型和国内外一些典型的试验数据进行了比较研究 ,得出 :Barten模型参数简单 ,计算方便 ,但实用的范围较复合模型小。复合模型综合考虑了人眼瞳孔、显示器亮度、视场角、量子效率、积分时间等因素的影响 ,是一种更全面的反映人眼传递特性的视觉模型     

基于主动散斑投射的水下双目视觉三维成像

基于主动散斑投射的双目立体视觉成像技术仅需一次投影拍摄即可实现三维重建,适合于动态成像,但在水下应用时,存在小孔模型失效、极线约束匹配条件不满足,以及投射散斑左右图像因受水下环境吸收、散射影响产生退化等问题。本文重新建立了基于主动投射散斑图案的水下双目视觉成像模型,分析了散斑图案对水下双目对应点匹配精度的影响,搭建了主动散斑水下双目视觉动态三维成像系统实验装置。实验结果表明,基于主动散斑投射的水下双目立体视觉技术具有较好的动态3D成像效果,动态误差在该双目立体视觉实验装置本身结构和系统参数决定的静态误差之内。     

增大全息光学元件集成成像显示离屏距离的方法

为了提升全息光学元件集成成像3D显示的离屏距离,提出了一种采用计算全息波前设计,对集成成像显示时的每个像素发散角进行精细的调控,来实现增大3D显示的离屏距离的方法。通过对设计波前进行计算机仿真得到了66.0 mm的连续3D景深,基于空间光调制器的光学重建实验实现了140.0 mm的集成成像离屏距离和75.0 mm的连续景深3D显示。该方法可以为基于全息光学元件的集成成像3D显示提供一种很好的离屏、3D分辨率增强和景深增强解决方案。     

Continuous imaging space in three-dimensional integral imaging

We report an integral imaging method with continuous imaging space. This method simultaneously reconstructs real and virtual images in the virtual mode, with a minimum gap that separates the entire imaging space into real and virtual space. Experimental results show that the gap is reduced to 45% of that in a conventional integral imaging system with the same parameters.     

Real-time sensing and three-dimensional display of far outdoor scenes based on asymmetric integral imaging

A new asymmetric integral imaging (AII) system for real-time pickup and three-dimensional (3-D) display of far outdoor scenes based on dynamic-pixel-mapping (DPM) is proposed. DPM is a digital process to transform the elemental images captured with a lens array into the perspective-variant object images (POIs) whose structures are matched with those of display lenses, where the orders of pixels in each POI are reversely mapped, and then capture a set of virtual elemental images (EIs) at the specific depth planes from the back-propagated POIs. This DPM enables an asymmetrical use of pickup and display lens arrays, allowing the long-ranged pickup of far outdoor scenes and their resolution-enhanced 3-D reconstruction. Experiments with a pair of pickup and display lens arrays whose pitches and focal lengths are given by 7.5 mm, 30 mm and 1.2 mm, 8 mm, respectively, show that the effective pickup-range and resolution of the proposed system have been increased up to 6 m and 1600×1600 pixels, respectively, from 0.064 m and 480×480 pixels of the conventional systems employing the same pickup and display lens arrays. In addition, experiments with an implemented test bed confirms that the proposed system can provide real-time 3-D images in 25 frames per second.     

Orthoscopic integral imaging display by use of the computational method based on lenslet model

In this paper, we propose a computational depth conversion method based on the lenslet model to display the orthoscopic 3D images in 3D integral imaging display. The proposed method permits the synthesis of elemental images for the orthoscopic 3D images at any arbitrary position without any restrictions and requires no additional procedure during the depth conversion process. Due to the lenslet model involved in the depth conversion procedure, the proposed method can broaden the flexibility of 3D image reconstruction in the integral imaging display system. We carry out the preliminary experiments to prove the feasibility of the proposed method. The experimental results reveal that the proposed method is an effective depth conversion method that allows the reconstruction of the orthoscopic 3D images at any arbitrary position.     

动态全息三维显示研究最新进展

全息三维显示是真三维显示技术, 其原理是利用光学干涉记录和衍射再现将物体或场景的三维信息全部重建出来, 所以观看全息三维图像与观看真实物体或场景的效果一样. 近期全息研究领域有一些突破性的成果被报道, 将推动全息显示的应用不断走向成熟. 本文将重点介绍基于光学材料和空间光调制器为全息图承载载体的动态全息三维显示最新发展状况. 虽然动态全息三维显示研究仍然存在挑战, 但最近研究中已经利用光学材料实现了实时动态全息三维视频显示, 这为未来实现大尺寸、高分辨率、彩色全息真三维视频显示提供了可能.     

One-dimensional integral imaging based on parallax barrier

One-dimensional integral imaging (1DII) which only has horizontal disparity is a practical solution of high resolution in the vertical direction, low-cost, easy-viewable three-dimensional (3D) display. A 1DII based on a parallax barrier is proposed in this paper. The 1DII consists of a parallax barrier and a display panel. The operation principle and parameter calculation of the 1DII are described in detail. Two prototypes of the proposed 1DII and conventional 1DII based on a lenticular lens array are developed. The proposed 1DII improves the quality of the 3D image and provides larger viewing angle than that based on a lenticular lens array, and it is simpler and has lower cost than that based on a lenticular lens array.     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

Effect of thickness of parallax barrier on viewing angle of one-dimensional integral imaging display

A parameter design of a parallax barrier is one of the most important keys to design a one-dimensional integral imaging (1DII) display using parallax barrier. The relationship between the thickness of the parallax barrier and the viewing angle of the 1DII display is studied, and the maximal value of the thickness is also obtained. When the thickness of the parallax barrier is greater than the maximal value, the viewing angle of the 1DII display is decreased with increasing the thickness of the parallax barrier. A prototype of the 1DII display using parallax barrier is developed, and the experimental results agree well with the theory.