基于计算机技术的集成成像立体显示研究

基于计算机技术的集成成像立体显示研
究
摘要：近十几年来，随着大尺寸与高分辨率平面显示设备的出现，人们的观看体验得到了
显著的提升。

但平面显示设备只能输出二维信息，无法观察到真实的三维场景信息。

因
此，对三维显示的研究显得尤为重要。

本文的研究内容为计算机生成集成成像。

不同于传统的采集过程，本文的采集过程在虚拟软件中进行，通过模拟真实的相机阵列对三维场景进行元图像的采集，将采集得到的元图像通过新的编码方式合成元图像阵列，从而提升显示效果。

关键词：计算机技术，三维显示，集成成像，高分辨率编码
1.引言
平面显示技术正在向追求大尺寸和高清晰度的方向发展。

3D显示被视为显示技术的最终形式，因为它可以显示原始对象的各个方面，就好像它们真实存在于我们眼前。

相对于其它 3D 显示技术而言，集成成像 3D 显示技术具有以下优点：（1）观看者无需佩戴任何辅助设备；（2）图像采集和重建过程中对环境条件不存在特殊要求；（3）在一定的视场角范围内可供多人同时观看到具有连续视差的 3D 图像；（4）对于显示静态的 3D 对象与动态的 3D 视频同样适用。

集成成像 3D 显示技术源于诺贝尔奖获得者 Lippmann 在 1908 年首次提出的集成摄影术（integralphotography）[2]。

由于当时制造透镜阵列材料工艺和科技水平等因素的限制，该技术并没有得到进一步的有效发展和研究。

随着近些年计算机图像技术和显示技术的飞速发展，集成成像技术受到了越来越多的国内外学者和研究人员的关注，许多重要的理论和实验成果也相继被报道，集成成像技术得到了广泛的发展。

2.采集平台
在计算机生成集成成像采集阶段中，使用软件 CINEMA 4D(C4D)进行
元图像的采集，C4D 是一款以其快速的渲染速度和高级的渲染模块而著称的 3D
绘图软件，在大量电影中采用了 C4D 制作人物场景，例如在影片《毁灭战士》、《阿凡达》中，使用 C4D 制作了部分 3D 虚拟场景。

C4D 在动画制作、广告设
计和游戏建模等方面也有着出色的表现。

C4D 中包括创建三维模型，架设虚拟相
机阵列，对场景进行渲染等功能。

3.采集元图像
创建好相机阵列与场景模型后，使用相机阵列批量拍摄场景模型，
获得元图像。

在采集元图像之前，需要根据对应的图像编码原理对元图像的分辨
率大小进行参数设置。

本文采用高分辨率编码方法，将元图像的分辨率设置为与
显示端中显示屏分辨率相同的参数 3840（H）×2160（V）。

将离轴相机阵列中
的所有相机批量加入到渲染队列中，对场景模型从不同角度进行渲染，得到元图
像信息。

4.采用高分辨率元图像编码生成元图像阵列
高分辨率元图像编码原理如图 1所示。

图 1中有M×N个元图像，
每个元图像的像素大小为X×Y。

为了使得元图像阵列中子图像在显示端与透镜阵
列中的每个透镜位置相匹配，将透镜阵列左上角起始的第一个透镜中内接正方形
的左上角位置的顶点作为像素提取起始坐标。

其中每张元图像以相同坐标(X1,Y1)作为起始点从每张元图像中提取位于(X1,Y1)的像素，依次按照顺序排列组合从
而形成第[1,1]个子图像，则第[2,1]张子图像由每张元图像中位于坐标(X1+p,Y1)的像素依次排列而成,其中 p、q 为相邻透镜内接正方形左上角顶点的横向与纵
向间距。

依次规律，则第[J2,K2]个子图像由每张元图像中位于坐标(X1+(J2-
1)×p,Y1+(K2-1)×q)处的像素依次排列拼接而成，最终形成由J2×K2个子图像
组成的元图像阵列。

其中子图像像素大小为M2×N2，透镜阵列数量为J1×K1，
显示屏分辨率为R×S，由此可得，M1=M2，N1=N2，J1=J2，K1=K2，X=R，Y=S。

即
采集所得元图像数量大小与元图像阵列中子图像像素大小相等，采集所得元图像
分辨率大小与显示屏幕分辨率大小相等[3]。

在子图像拼接成元图像阵列过程中，相邻子图像的间距应等于对应显示透镜阵列内接正方形左上角顶点之间的间距
（横向间距为 p,纵向间距为 q）。

因此，相交于传统的元图像编码，高分辨率
元图像编码中子图像与透镜阵列中每个透镜一一匹配，避免了元图像阵列中像素
的浪费，且所得元图像阵列中细节更加清晰，显示图像分辨率得到了提升。

图1
高分辨率元图像编码原理
4.总结
本文提出了一种基于离轴采集的高分辨元图像编码显示方法。

使用
离轴相机阵列采集方法获取元图像，这种采集方法拍摄公共区域大，不存在冗余
的记录信息。

在软件 C4D 中利用虚拟相机阵列进行离轴式采集，提高了采集效率。

然后，采用了高分辨率元图像编码方式对元图像进行编码生成元图像阵列，
像素映射过程为点对点映射，更加精确。

与传统的元图像编码方式相比，高分辨
元图像编码所生成的元图像阵列有着更好的显示清晰度和在不同观察角度下明显
的图像变化。

同时显示端的透镜阵列采用了蜂窝排列方式，相比于传统的矩阵排
列方式提高了填充率和采样率。

参考文献：
[1] 王琼华. 3D 显示技术与器件[M]. 北京：科学出版社, 2011
[2] Lippmann G. Epreuves reversibles donnant la sensation du
relief. Journal of Physics, 1908, 7(4): 821~825
[3]武伟, 王世刚, 赵岩, et al. 基于窗截取的立体元图像阵列快速生成[J]. 光学
学报, 2018, v.38；No.436(07):68-76。