多视点投影全息成像特性理论与实验表征研究

Multiple-viewpoint-projection holographic imaging is a new three-dimensional holographic imaging method that combine muliple viewpoint image array recording and computational holography theory.This project aims to establish an end-to-end perceived image contrast threshold model and spatial distortion model for multiple-viewpoint-projection holographic imaging system based on system theoretical analysis of physical imaging effect and their coupled action mechanism in full imaging chains(including parallax elemental image recording, 2D holography Computer Generation, 3D holographic image reconstruction). Then, Physical effects rendering based multiple-viewpoint-projection holographic imaging virtual prototype is built by ulitilizing virtual cameral array model, imaging effects model, and computational holography theory. Finally, on the basis of cameral array capturing experimental setup, virtual viewpoint image synthetic algorithm is explored to form multiple-viewpoint-holographic imaging principle prototype. Further, virtual elemental image array, 2D computational holography and 3D holographic image are obtained, respectively, and can be used to verify and modify characterization model of multiple-veiwpoint projection holographic imaging property. Research results will provide theoretical and experimental supports for optimum design of multiple-viewpoint projection holographic imaging system, the development of holographic image quality promoting algorithms,and practical application of 3D holographic display, which be of great significance for the rapid progress of real 3D holographic display technology in China.

多视点投影全息成像是一种融合多视点图像阵列记录和计算全息理论的三维全息成像新方法。本项目拟针对典型多视点投影全息成像系统，理论分析成像链路环节（视差基元图像记录、二维全息图计算生成、三维全息图像光电再现）引入的成像物理效应及耦合作用机理，构建系统端到端的多视点投影全息成像视觉感知对比度和空间扭曲表征模型。以虚拟相机阵列模型和计算全息理论为基础，构建基于成像物理效应渲染的多视点投影全息成像虚拟样机；以本实验室搭建的相机阵列采集系统为基础，探索视点拓展算法，形成视点可控的多视点投影全息成像实验样机，获取视差基元图像阵列、二维计算全息图和三维全息重构图像数据，实现对多视点投影全息成像特性表征模型的验证与修正。研究成果将为多视点投影全息成像系统优化设计、全息成像质量提升算法开发、全息三维显示实用化提供理论与实验支持，对促进我国全息立体显示技术的发展具有重要意义。

多视点投影全息成像（Multiple-Viewpoint-Projection Holography: MVPH）作为一种新型三维全息图像技术，已成为全息立体显示领域的前沿方向和新热点。其在便携式数字全息摄影、全息立体显示、虚拟与增强现实和医学图像三维可视化等领域具有广阔的应用前景。本项目针对高质量全息采集、立足于系统端到端性能表征思想，以傅立叶光学成像理论为基础，重点表征了采样特性、噪声特性和空间几何扭曲对三维全息图像质量的作用，构建了多视点投影全息成像视觉感知对比度阈值曲面性能模型。以全息成像链路环节的主要物理效应模型为基础，建立了三维目标－视差基元图像阵列－二维计算全息图－三维重构全息图像转换的虚拟样机；依据多视点投影全息成像机理，基于固定视点图像阵列的视点拓展合成算法，构建了视点可控的投影全息成像实验样机；针对集成成像与全息相结合而产生的集成全息技术，仿真实现集成成像单元图像获取、多视点投影图像生成、全息图计算生成和重建的全过程。研究表明现有集成全息技术对光波场采样稀疏、得到全息图尺寸小、再现像分辨率低且出现视角串扰。推导了多视点投影图像和傅里叶全息图之间的相关性，说明投影图像正是傅里叶全息图经过切割后的子全息图再现像的强度图像，推导了投影角度和对应子全息图选取位置之间的关系。最后，提出了通过相位恢复算法和子全息图重叠约束条件，从集成成像合成的多视点投影强度图像中重建傅里叶衍射场的计算全息方法，称之为傅里叶叠层集成全息。数值重建和光电再现实验都证明了该方法能够克服传统集成-全息的缺陷，获得高分辨率的三维全息再现像。获取视差基元图像阵列、二维计算全息图和三维全息重构图像的仿真数据和实测数据，验证和修正了多视点投影全息图像视觉感知对比度阈值曲面性能模型和空间扭曲表征模型，为多视点投影全息成像系统优化设计、全息图像处理算法、新型全息真三维显示器研制提供理论和实验数据支持。