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三维光场显示性能提升的关键技术研究

刘博阳  
【摘要】:我们身处在一个三维的世界之中,当我们通过双眼观察周围的景物时,不仅会接收到物体表面发出的颜色和光强信息,还可以获取物体的空间深度信息,帮助我们对物体的大小、远近、位置关系进行判断。然而,传统的平面显示设备只能显示三维场景中某个侧面的二维(2D)投影图像,丢失了三维场景的深度信息,严重影响了人们对三维空间信息的获取、处理和表达。裸眼三维(3D)显示技术可以为观看者再现具有空间深度信息的立体图像,而且观看者无需佩戴任何助视设备。因此,裸眼3D显示技术被认为是未来显示领域的主要发展方向,并受到了各国研究人员和企业的广泛关注。在众多裸眼3D显示技术中,光场显示技术可以真实还原物体的光场分布,实现逼真、自然的3D显示效果,是公认的最具前景的3D显示技术之一。然而,现阶段的光场显示技术仍然存在观看视角小、串扰度高、图像分辨率不足等问题,制约了其在各领域的发展和应用。为了实现高质量的三维光场显示效果,本文针对光场显示性能提升的关键技术展开了研究。论文的主要研究内容和创新点如下:(1)基于体像素视区拼接的大视角光场显示技术为了解决光场显示系统观看视角受限的问题,本文提出了一种基于体像素视区拼接的大视角光场显示方法。该方法利用多向准直光源代替传统光场显示系统中的散射光源,并配合透镜阵列可以实现密集体像素的构建和多视区拼接,从而突破观看视角和图像分辨率的固有矛盾关系,在保证图像分辨率的情况下显著提升光场显示的观看视角。基于提出的显示方法,设计了一种时分复用型大视角光场显示系统。该系统以LCD面板为显示源,利用三组方向性时序准直光源配合LCD光场编码图像的同步刷新,在透镜阵列的成像作用下,以时分复用的方式实现了三组体像素视区的精确拼接,最终为观看者呈现出具有120度大视角的清晰3D显示效果。(2)时分复用大视角光场显示系统的串扰分析及抑制方法为了解决时分复用光场显示系统中的串扰问题,本文首先介绍并分析了该系统中存在的两种不同类型的串扰:结构串扰和光学串扰。针对结构串扰,提出了一种基于阶梯型LCD子像素排布的串扰抑制方法,使结构串扰的平均值由20.3%下降到0%。针对光学串扰,设计了复合非球面透镜实现了均匀的出射光分布,使光学串扰的最大值由17.3%下降到0.26%。仿真和实验结果证明,基于本文提出的两种串扰抑制方法,清晰3D图像的深度范围到了显著提升。(3)集成成像光场显示系统分辨率提升技术传统的集成成像系统中由于透镜畸变像差的存在,人眼通过每个透镜只能观看到基元图像中的一个像素,导致再现3D图像的分辨率严重不足。针对该问题,本文提出了一种基于全息功能屏的集成成像显示方法,可以有效抑制透镜的畸变像差,使人眼透过每个透镜可以观看到基元图像中的多个像素,显著提升3D图像分辨率。另外,通过设置全息功能屏的扩散角度,可以在视觉上消除透镜间隙的影响,实现均匀、平滑的显示效果。针对改进后的集成成像系统,还提出了一种基于多光线拟合的基元图像编码方法,可以实现高精度的光场重构。仿真和实验结果证明,所提出的集成成像显示方法可以在40°的视角范围内为观看者呈现清晰的、均匀的全视差3D再现图像。


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