1、三维集成成像技术的优点以及应用研究 摘 要 传统的视觉图像只能以平面显示作为 ?鞯荻 ?维信息的展示方式，难以满足人们的需求。集成成像是一种利用计算机图形、图像处理等显示技术的三维立体显示技术。随着算法的不断优化以及显示器件等设备精度不断提高，集成成像技术在工程测量、生物科学、医疗保障、三维艺术、商业广告、保安防伪以及存储技术等多方面已显示出独特的优势。文章重点研究三维集成成像技术的优点以及应用。 下载 关键词 视觉图像；三维立体显示技术；集成成像 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 07. 062 中图分类号 TN957.52 文
2、献标识码 A 文章编号 1673 - 0194（ 2018）07- 0151- 02 0 引 言 随着显示领域技术的不断发展，裸眼显示技术成为三维立体显示领域中的研究热点。基于集成成像的三维显示技术能够让观察者在不佩戴 Virtual Reality （ VR） 眼镜等助视设备设备的条件下，观看到连续无跳变的真三维立体场景。并且它不仅能够记录和再现静态的三维物体，还支持对动态物体进行实时的记 录和显示。本文在对集成成像显示原理的基础上，对它的技术的优势以及应用进行了研究和阐述。 1 集成成像原理 基于集成成像的三维显示技术包括记录和再现两个过程，如图 1 所示。 记录过程是通过相机阵列对三维目
3、标进行拍摄，从不同的观看视角获得目标的视差信息，并记录在胶片或电子记录介质上，从而得到目标的元素图像。在这一过程中，一定视角范围内的目标场景的任意一点三维立体图像信息，就被以二维平面图像的形式记录到相机阵列上；再现过程是使用显示设备和微透镜阵列，让观察者能够在屏幕一侧观看到物体的三 维立体图像。该过程根据光路可逆原理，将合成后的的二维图片显示在 LCD显示屏上，置于微透镜阵列的焦平面处，单元图像阵列中的像素点从对应的透镜投射出来，从而将光路还原，重构空间场景的三维立体图像。 2 集成成像的优点 集成成像技术是一种动态全息光子沙盘显示实验系统，具有形式多样、内容丰富、实时性强的特点。按照目前三维
4、目标图像的重构显示方法划分三维立体光场显示技术：体视法（ Stereoscopic）、体素法（ 3D pixels）、全息显示技术（ Holographic display）以及集成成 像（ Integral photog-raphy）。体视法用二维屏幕给双眼提供不同视角的二维视差图像，应产生三维立体图像；体素法是将多视角的图像显示在特制的三维立体屏幕上产生三维立体显示效果；全息显示技术利用光的干涉原理，用感光胶片来记录物体相位和振幅信息，用相干光源射全息图就能再现三维立体的图像；集成成像技术是利用光路可逆原理，用微透镜阵列或针孔阵列对三维场景进行记录和再现，其优点在于： （ 1）相比体视法，
5、观看者不需要佩戴 VR 眼镜和 3D 头盔等助视设备就可以舒适地观看到三维立体的图像。这样同样可以避 免了当观看人员较多时，助视设备不够的情况； （ 2）利用光路可逆的原理，基于集成成像的显示系统构建不需要相干光源和暗室等条件，直接使用相机或摄像机等记录设备对目标进行记录，并可以运用计算机技术合成单元图像阵列并显示在电子屏幕上，这样就能观看到三维立体的目标或场景。所以相比全息显示技术，它记录和再现的过程比较简单、实现起来比较容易； （ 3）在成像过程中，目标物体和记录设备、显示设备和三维成像都是点对点的像素信息映射，使得观察者能够在不同视点观察到无跳变的三维立体图像。观察者在移动中可以观看到
6、集成成像显示系统重构的连续、顺畅的目标场景； （ 4）在系统观看视角内支持多名观察者在多个视角同时流畅、连续地观看。集成成像显示技术在一定的视场角内具有多个视点，视点的个数与显示系统的透镜个数或者单元图像的像素点个数有关。并且只要在系统允许的视场角范围内，观察者就能看到完整的三维重构物体场景； （ 5）支持动态目标的捕捉、记录和再现，重构出实时的动态三维立体图像。集成成像技术可以基于电子的记录和再现系统对目标场景进行重构。基于摄像机阵列的集成成像可以实时的对实际的目标场景进行记录，并利用计算 机技术和实时通信技术将信息传递到显示系统上，这样观察者就能身临其境的观看到现实生活中的物体场景； （
7、6）集成成像技术是基于二维显示器对场景进行重构显示。当前使用广泛的手机和电脑等显示设备大多都是二维显示器以二维屏幕重构三维立体视觉，集成成像容易利用目前的二维图像的理论算法和显示设备对数据进行处理和再现，降低成本。 3 集成成像的应用 集成成像技术从开始至今已经发展了一百多年。法国物理学家加布里埃尔 ?李普曼在 1908年 3月提出了集成照相术这一方法，利用微透镜阵列对三维立体目标物体 进行拍摄记录，实现了三维集成成像的构想。早期由于材料问题和技术工艺的限制，集成成像的微透镜阵 列多由针孔阵列替代，这样使得再现图像亮度较暗。随着技术的不断进步，直到 1948 这个问题首次被俄国科学家解决，利用
8、精度较高的微透镜阵列搭建了集成摄像术系统。随着显示技术等领域的发展，人们对三维立体可视化的技术需求更加多元化，集成成像的技术应用更加显著，三维动态光子显示技术也成为了人们研究的前沿。基于集成成像显示系统在各个领域中有着广泛的应用： （ 1）目标方位指示更加准确。在三维地理环境的测绘导航方面，基于三维动态光子显示技术的激光雷达能够提供大范围、高精度、高分辨率的三维地形图像数据，为径规划提供精确、直观的三维地理位置信息；军事上，基于集成成像技术的导弹制导系统在激光制导过程中，指挥员能够更加精准直观的计算比较三维地形信息匹配度，判别和识破目标的伪装手段，从而打击并摧毁目标。 （ 2）人物、环境仿真加
9、真 ?。为了模拟真实的多元化环境，通过集成成像技术来构建真三维、多视角的虚拟模拟环境。为人们提供实时的三维视频通信，让通信双方仿佛面对面交流；军事上，通过基于集成成像的三维动态光子显示技术使指战员身临其境， 模拟显示作战对手、仿真作战环境，锻炼并提高其对真实战场中可能遇到各种情况的反应能力和作战任务能力。 （ 3）无人机系统更加智能。对于复杂环境侦察监视和地区探测后的信息分析提供更好的帮助，基于集成成像技术的无人机能够获取并实时传输处 于复杂环境中目标地形和目标人物的的三维特征信息，使观察人员能更准确的判断地形环境和天气条件等客观情况，结合立体视觉和激 光扫描技术进行目标识别和分类，为观察人员
10、的对复杂环境的态势分析提供有效帮助4-5。 （ 4）医疗工作更加高效。打破传统二维的 CT 扫描，集成成 像技术应用于三维模型的建立和显示使医护人员更直观、准确的观察和 判断伤病人员的患处信息，从而使患者得到及时准确的治疗。基于集成成像技术的螺旋CT 三维立体显示技术构建个人立体模型，用于量化汇总和定期检查个人的身体基本状况。 （ 5）装备设计更加便捷。在装备制造和维修领域，集成成像系统结合 激光扫描技术能够对重构显示的产品表面的性能参数和设计缺陷进行实时分析、检测与监控，从而加快设备研发生产过程。基于集成成像的三维动态光子显示系统可以针对不同的零部件进行三维构建显示，并模拟零部件的运转情况，
11、避免了传统模 型制造中试冲和修改型面等复杂的过程。 4 结 语 集成成像技术已经在多方面已显示出独特的优势，但目前它仍存在显示三维图像分辨率低、深度范围小和视场角狭窄等问题需要解决。可以通过对记录和再现系统的构建，分析系统特性参数参数，对三维立体图像的分辨率、视场角、深度范围这三个特性进行研究，提出一种效率更高、性能更好的算法，从而得到观看效果更好的真三维立体图像。相信随着显示器件和技术的不断发展， 集成成像将广泛地走进市场， 它具有更加广阔的发展空间。 主要参考文献 夏军， 曲笛 ， 周学超，等 .集成成像立体显示技术研究进展 J. 真空电子技术， 2011（ 5）： 16-21. 秦开怀， 罗建利 .自由立体显示技术及其发展 J. 中国图象图形学报， 2009， 14（ 10）： 1934-1941. 王芳宁， 闫安英， 凌绪玉 .集成成像技术的发展与应用 J. 西南民族大学学报：自然科学版， 2011（ z1）： 150-153. 赵星，王芳， 杨勇，等 .集成成像三维显示系统显示性能的研究进展J. 中国光学， 2012， 5（ 3）： 209-221. 郑华东， 于瀛洁， 程维明 .三维立体显示技术研究新进展 J. 光学技术， 2008， 34（ 3）： 426-430.
