基于微透鏡陣列的集成成像和光場(chǎng)成像研究.pdf

1、近年來(lái)，三維成像與顯示技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于具有完整的視差，連續(xù)的視點(diǎn)、無(wú)需任何觀察眼鏡和特殊光照，基于微透鏡陣列的集成成像脫穎而出，逐漸發(fā)展成為最具潛力和前景的自動(dòng)立體顯示技術(shù)。本論文圍繞基于微透鏡陣列的集成成像和光場(chǎng)成像開(kāi)展研究工作。通過(guò)分析和利用透鏡陣列采集的圖像陣列的視差信息，提出并實(shí)現(xiàn)了深度提取線性插值增強(qiáng)方法，無(wú)網(wǎng)格噪音的深度切片重建方法和多視點(diǎn)重建方法。除此之外，還實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)照相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的精確模擬，為光場(chǎng)照相機(jī)的

2、性能研究奠定基礎(chǔ)。
　　 本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 1、提出了深度提取精密度和深度提取正確度兩個(gè)評(píng)估量，量化地證明了線性插值對(duì)集成成像互相關(guān)視差匹配深度提取方法的增強(qiáng)作用。集成成像的應(yīng)用常常受到單元圖像低分辨率的限制。無(wú)需額外的光學(xué)元件和硬件移動(dòng)，采用線性插值將單元圖像像素個(gè)數(shù)增加一倍，深度提取精密度提升了20％，深度提取正確度提升了15％。集成成像還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的重建和深度的提取。這是其他深度提取

3、技術(shù)所不具備的特點(diǎn)。利用增強(qiáng)方法提取的深度信息輔助三維場(chǎng)景的重建，使重建圖像更為清晰?；诩沙上竦纳疃忍崛】蓱?yīng)用于三維場(chǎng)景的背景去除。
　　 2、提出了一種無(wú)網(wǎng)格噪音的計(jì)算集成成像重建方法。網(wǎng)格噪音是由于單元圖像之間的非均勻疊加造成的。重建圖像光強(qiáng)歸一化是通過(guò)計(jì)算所有逆向投影的單元圖像的光強(qiáng)加權(quán)平均值實(shí)現(xiàn)的。在傳統(tǒng)的計(jì)算集成成像重建方法中，由于權(quán)重形式的缺陷，造成了較為嚴(yán)重的網(wǎng)格噪音和冗長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。在本論文的研究工作中，采用

4、了高斯函數(shù)形式的權(quán)重。即單元圖像邊緣部分重疊次數(shù)較多的部分具較小的權(quán)重，從而在任意重建深度，使造成網(wǎng)格噪音的單元圖像非均勻疊加得到較好的補(bǔ)償。而且高斯函數(shù)形式的權(quán)重可以縮短傳統(tǒng)計(jì)算集成成像重建方法中冗長(zhǎng)的權(quán)重計(jì)算，使計(jì)算效率提升4％左右。利用這種方法實(shí)現(xiàn)的重建圖像質(zhì)量增強(qiáng)利于實(shí)現(xiàn)基于集成成像的三維可視化和識(shí)別。
　　 3、根據(jù)針孔陣列模型和光線光學(xué)理論，仿照人眼觀察集成成像顯示系統(tǒng)的原理，提出并實(shí)現(xiàn)了搜索式的多視點(diǎn)計(jì)算集成成像重

5、建方法。該方法中，通過(guò)推導(dǎo)不同單元圖像中對(duì)應(yīng)像素的空間幾何關(guān)系，依次從相鄰單元圖像中，把中心單元圖像缺失的圖像信息提取出來(lái)并拼接在一起。即使單元透鏡個(gè)數(shù)較少時(shí)，也能獲得完整圖像信息的視點(diǎn)圖像，視圖分辨率不受單元透鏡個(gè)數(shù)的限制。
　　 4、研究了光場(chǎng)照相機(jī)記錄三維場(chǎng)景信息的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
　　 研究表明光場(chǎng)照相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的兩個(gè)特征量——光斑中心位置和直徑對(duì)光場(chǎng)照相機(jī)的重建圖像質(zhì)量和三維信息的精度產(chǎn)生影響。本

6、文實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)照相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的精確模擬。提出了精確模擬需要滿足的判據(jù)條件。該條件確保了模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1、提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有高斯權(quán)重的計(jì)算集成成像重建方法。實(shí)現(xiàn)了任意重建深度下，無(wú)網(wǎng)格噪音的三維場(chǎng)景深度切片重建。而且，簡(jiǎn)潔的高斯權(quán)重形式是計(jì)算效率提升了4％左右。
　　 2、提出并實(shí)現(xiàn)了集成成像深度提取的線性插值增強(qiáng)方法。通過(guò)定義兩個(gè)評(píng)估量從結(jié)果的整體分布和整