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高分辨率可交互扫描光场显示关键技术研究

苏忱  
【摘要】:在过往的由摩尔定律支配的半个多世纪里,小型化高性能集成电路带动着光机电算等各行业的发展,显示行业在此大背景下,具有划时代意义的显示元件层出不穷,在二维显示行业朝着大尺寸高像素的方向不断推进的同时,三维显示行业也获得了前所未有的关注。新的高性能器件将早期关于不同类型的三维显示的构建设想一一实现,光场显示就是最有代表性的一个。光场显示通过重构高密度的定向光线实现三维显示,与通过记录强度与相位信息的全息三维显示相比有着更多优势——比如可以通过与投影技术和计算机图形学技术相结合,以较为轻巧的方式实现高质量的动态彩色三维显示。本文从光场的定义出发,通过对完整七维全光函数的简化,得到便于计算机处理计算的自由空间光场表述。提出基于高速投影机和旋转定向散射屏的扫描光场显示方法,并详细介绍这种水平光场显示方法的光学原理,包括扫描光场映射关系推导、屏幕光学特性分析以及显示空间分析。为显示系统的实际搭建以及性能分析与提升提供理论基础。在基本光学原理和映射算法基础上,搭建了基于高速投影机和旋转定向散射屏的扫描光场显示系统,并详细阐述了系统硬件和软件平台的搭建过程。我们搭建了基于数字微镜阵列(DMD)的彩色高速投影样机,制备了具有偏折与定向散射特性的透射式屏幕,确立了数据处理与传输的流程,搭建了数据处理与传输系统各模块——计算机显卡模块、图像解码电路模块、同步信号发生模块。基于光场映射原理与并行计算,实现投影图像序列的快速绘制,制定投影图像编解码协议,实现投影图像的高效传输与快速分发,并最终实现三片DMD显示图像的高速渲染与同步更新。在此显示系统的基础上,分别对扫描光场显示性能提升以及人机交互设计进行研究。分析了扫描光场显示的空间分辨能力,提出“光场点扩散函数”,并通过系统仿真以及实拍图像分析得到影响显示场景空间分辨能力的硬件参数。搭建基于高速投影机阵列的扫描光场显示系统,实现显示场景分辨率的提升。提出基于三维模板的半色调方法,实现显示场景色彩表现能力的提升。提出光场获取-光场显示方法,使用彩色-深度相机拍摄真实场景,实现动态点云场景的实时绘制。提出全景视点检测以及视点轨迹线拟合方法,实现可供多人观看的全光场显示。提出手势交互方法,实现观察者和悬浮虚拟场景的自然交互。一系列显示性能提升方法和人机交互设计使得显示场景更加生动,极大地拓宽了扫描光场显示系统的应用前景。最后展望了光场三维显示的发展前景,对未来三维显示技术的进一步研究工作提供了方向。


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