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集成成像系统中立体场景的采集、重构与显示技术研究

李鹤楠  
【摘要】:集成成像系统中立体场景的采集、重构与显示技术研究视觉是人类获取外界信息的重要途径,真实的客观世界是三维立体的,然而长久以来传统的二维图像一直缺少深度信息,这不能满足人类想要还原立体世界的视觉体验要求,因此三维显示技术在近些年来一直得到广泛关注。在立体显示技术中,集成成像由于无需佩戴辅助观看设备、可在非相干光源下工作且具有全彩色视差、连续观看视角、不产生视觉疲劳等优点,而被认为是最有前途的三维显示技术之一。自1908年被Lippmann提出以来,集成成像立体显示系统有了一定程度的发展,但由于理论算法和硬件设备的限制,集成成像技术在场景采集、计算重构、光学显示等方面仍然有待改善。在立体场景采集方面,集成成像技术采用的相机阵列仍然存在硬件成本过高的问题;在计算重构方面,传统的集成成像计算重构方法在远离重构视点处存在一定程度的图像失真;在光学显示方面,集成成像传统显示系统存在光线串扰严重、颗粒感强等问题。因此,在深入分析相关理论之后,本文针对立体场景采集处理、集成成像计算重构视图失真矫正、集成成像显示系统的观看视觉质量提升等关键问题展开了深入的研究,分析了当前算法和显示系统的不足之处,提出了改进的解决方案,并且通过理论分析和实验数据证明所提方法的可行性和有效性。本文的主要研究内容和创新性工作如下:1、基于尺度不变特征变换和离散视点图像的集成成像立体场景采集方法。为了获得高质量的立体场景显示内容,集成成像系统中一般采用相机阵列进行采集,传统的相机阵列采集方法使用与显示透镜数量相同的相机来进行立体场景采集,但这样会造成高昂的硬件成本,为了能够采集高质量立体场景的同时又节约成本,提出了基于离散视点图像和尺度不变特征变换的立体场景采集方法。该方法采用小规模相机阵列采集离散视点图像和小规模立体元图像阵列,之后将小规模立体元图像阵列转换成低分辨率子图像阵列。由于离散视点图像中包含足够生成立体显示内容的有效像素,但其缺乏准确的视点信息,而低分辨率子图像阵列包含正确的视点信息,但其分辨率很低,且由于低分辨率子图像与离散视点图像有很大的相似性,因此采用尺度不变特征变换将二者进行匹配,根据匹配结果将离散视点图像变换为高分辨率子图像阵列,最后通过映射关系将高分辨率子图像阵列转换成满足显示参数要求的大规模立体元图像阵列。本部分内容进行了计算机虚拟仿真和真实相机采集与光学平台显示实验,证明了所提方法的有效性和可行性,可以作为集成成像采集系统的设计理论依据。与计算机虚拟采集法相比,本方法可以有效采集真实场景;与基于透镜阵列和记录介质采集法相比,本方法能够灵活采集各种尺寸的真实场景,并且采集到的立体元图像分辨率更高;与传统的相机阵列采集法相比,本方法能有效降低采集成本,大大降低采集操作的繁杂性,使立体元图像阵列的生成更加简便高效。2、基于尺度不变特征变换和块匹配的集成成像计算重构方法。针对由立体元图像阵列直接生成的三维视图图像存在局部图像失真的问题,提出了基于尺度不变特征变换和块匹配的计算集成成像三维视图重构方法。该方法主要用从立体场景直接拍摄得到的视图图像的正确区域或者通过块匹配方法匹配到的相对较好图像区域来替换原视图图像中的失真区域。其实,由于设备的限制和一些人为因素,初始得到的匹配区域并不能满足替换要求,因此采用尺度不变特征变换描述符和透视变换来得到满足替换要求的正确区域。本部分内容针对所提方法给出了相应的虚拟采集和真实采集两种方式的实验结果,并通过图像质量评价验证了该方法具有改善三维视图图像视觉质量的作用。与传统集成成像计算重构方法相比,该方法生成的视图图像具有更高的分辨率;与近年提出的基于光线追迹和自动对焦的集成成像计算重构方法相比,该方法不仅减轻了计算负担而且解决了重构场景边缘失真的问题。3、基于离散胶合透镜阵列和全息扩散片的集成成像显示方法。针对基于连续单透镜阵列的传统集成成像视觉显示分辨率不高、串扰严重、颗粒感强等问题,提出了基于离散胶合透镜阵列结合全息扩散片的显示方法。该方法将集成成像传统显示方法中连续单透镜阵列替换成离散胶合透镜阵列与全息扩散片。本部分内容对单透镜和胶合透镜的结构与成像质量进行了设计分析与比较,对全息扩散片的扩散作用进行了理论分析,并且结合倒装芯片工艺超高密度小间距发光二极管(light-emitting diode,LED)显示载体设计了两种显示系统,其实验结果表明该方法的显示效果与传统集成成像显示相比有明显提升,证明了本方法的可行性与有效性。与基于连续单透镜阵列的传统集成成像显示方法相比,本方法能够有效减少串扰对立体显示图像的影响,降低显示颗粒感,提高观视质量。此外,由于传统的连续单透镜阵列在制作时需要制造与显示平台大小相等的模具,而离散胶合透镜阵列只要加工单元透镜再进行组装即可,因此对于大尺寸的集成成像显示系统,采用离散胶合透镜阵列更加节约成本且制作工艺简单。为了进一步提高显示效果,本章所提方法在实验中采用了胶合透镜,与难以加工的非球面透镜相比,胶合透镜的设计和制作更加容易且实验效果良好。


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