三维集成成像特性理论表征研究

三维集成成像(Integral Imaging, II)技术是一种采用双微透镜阵列实现场景视差图像记录和立体图像显示的新型三维图像技术。本项目拟针对典型三维集成成像系统，立足于系统端到端性能表征思想，理论分析系统模块引入的空间滤波特性、深度特性、噪声特性、空间采样效应、空间几何扭曲对三维集成图像质量的作用机理，结合人眼视觉感知特性，构建三维集成图像的感知对比度阈值曲面模型及空间扭曲分析模型。利用微透镜阵列的光学模型和景像渲染技术，构建基于成像物理效应的三维集成成像虚拟样机，获取微单元图像和三维集成图像仿真数据；并通过已构建的三维集成成像实验样机获取实测微单元图像和三维集成图像数据，从仿真和实验两方面验证和修正上述三维集成成像特性理论模型。研究成果可为集成微镜阵列裸眼三维立体显示技术的发展、集成图像处理算法的开发提供理论与图像数据支持，对促进我国立体信息显示产业的发展具有重要的理论意义。

集成成像三维显示技术是一种新型的立体显示技术，以其全视差、连续视点无需要辅助观看设备等优点称为目前的研究热点。针对典型集成成像系统，理论分析系统各模块引入的调制传递函数、深度特性、采样效应、空间几何扭曲对集成成像质量的作用，从系统端到端降质特性模型构建、集成图像计算重构与图像显示质量提升及在微生物三维图像识别应用等方面开展了深入的研究工作：. 基于系统端到端的思想，结合观测者对三维图像的视觉感知特性，构建了三维集成图像感知对比度阈值曲面性能模型，该模型可以体现集成成像深度、空间分辨率和感知对比度制约关系，可作为集成成像系统优化设计准则。利用调制传递函数描述了欠采样导致的三维图像频谱混淆，实现了视觉采样效应对系统端到端散焦调制传递函数的修正，定量表征了探测器阵列像素结构尺寸、微透镜阵列占空比和采样步长对集成图像视觉分辨率特性的贡献。用靶标边缘展宽定量描述了CCD采样效应对集成成像降质的影响。针对微透镜阵列几何会聚和单透镜会聚位置不匹配现象，利用波动光学理论分析了重构图像轴向压缩失真机理，表征了轴向位移误差和微透镜焦距与显示面板距微透镜阵列距离的比值之间的关系。针对集成成像系统工程设计与装配误差，利用几何光学定量分析了集成成像显示过程中显示面板与显示透镜间的旋转角度转配误差和倾斜角度装配误差与系统参数间的关系，研究了三维集成成像空间扭曲问题，建立了用以定量评价三维图像空间扭曲程度的球体模型。. 三维集成成像显示系统目前还存在很多瓶颈问题，比如显示分辨率低、视角小、难以满足实时性等。针对传统重构图像分辨率低的问题，首先提出了基于非零像素点衍生插值的重构方法以及基于全光函数的高分辨率自由视点重构算法，有效提高了计算重构图像的分辨率；使用基于非均匀棱镜阵列的集成成像显示系统，将集成成像显示视角提高了两倍；为了满足集成成像实时显示的需要，提出了基于双相机的微单元图像生成方法以及基于粒子的微单元图像高效并行生成方法，目前帧频可以基本满足视频要求；利用齐次光场转换模型，初步实现了观察者对集成成像观看参数的自由交互控制。. 集成成像的应用领域很广，本项目在集成成像用于生物微小目标识别方面进行了探索。针对现有系统中的不足，搭建了集成成像显微装置并实现了对生物微小组织三维信息的获取，并完成了对生物微小组织的识别。