集成成像技术中计算重构方法比较

王艺霏 蒋晓瑜 王俊夫

[摘 要] 未来战争的趋势之一是高度透明的信息战，集成成像技术对于未来战场有着广阔的发展前景。集成成像技术的重构阶段可分为光学重构和计算重构。计算重构是利用计算机进行模拟，能够克服光学成像系统中由于器件限制造成的许多问题，并能够利用数字处理技术提高图像质量。文章基于集成成像原理，重点研究计算重构的原理，比较了两种计算重构方法的性能。

[关键词] 集成成像；计算重构；深度平面；视点

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 066

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）15- 0165- 02

0 引 言

在日常生活中，人们通过眼睛从外部环境获取三维立体信息。传统的二维显示技术是一种平面显示技术，限制了人们的立体观感。因此，为填补二维显示技术的空白，三维显示技术应运而生并迅猛发展。根据不同的工作原理，三维显示技术分为两类[1]：一是基于双目视差的，二是非双目视差的。第一种三维显示技术的图像分辨率较低，且有的需要辅助设备；第二种三维显示技术包括体显示、集成成像和全息技术[2]。集成成像技术是从1908年Lipmann教授提出的集成摄影术（Integral Photography，IP）的概念发展而来的[3]。由于该技术相较其他几个技术而言，实验环境和实验装置相对简单，能够使人们无须佩戴任何辅助设备就能观察到全视差的彩色三维立体图像。因此，集成成像技术成为了许多课题组关注的领域。

集成成像技术在重构阶段有两种重构方法：光学重构和计算机重构。光学重构存在着固有的系统问题，比如透镜阵列的尺寸限制会带来衍射效应，从而产生串扰现象，以及光学器件摆放位置的不精确会造成误差等等。而计算重构则能避免这些问题，利用计算机将光学集成成像系统进行模拟，通过数字图像处理技术提高图像的质量，从而解决光学系统的问题，使最终重构图像的立体显示效果得到优化。

1 集成成像原理

集成成像技术是一种真三维显示技术，它包含记录和重构两个过程，如图1所示。

在记录过程中，三维物体表面反射或者发出的光线透过透镜阵列后，被后方的记录设备记录了下来，形成了与透镜阵列中相同透镜个数的单元图像，这些图像包含着位于不同位置的视点的立体信息；在显示过程中，在参数、结构均不变的透镜阵列前放置上一过程使用的记录设备，依据光路可逆原理，在用散射光从记录设备的后方向前照射后，光线在经过透镜阵列后进行会聚，从而再现了原来的三维物体的像。早期的记录设备和显示设备都是感光胶片，后来随着硬件设备的更新换代，记录设备由感光胶片替换成CCD，显示设备由感光胶片替换成LCD[4]。

2 计算重构方法比较

计算重构方法有两类：一是基于深度平面的计算重构方法，二是基于视点的计算重构方法[5]，如图2、图3所示。

2.1 基于深度平面的计算重构方法

基于深度平面的计算重构方法是利用不同像素点重构出的不同深度平面来调整和重构出三维立体图像的。在重构过程中，由于光路可逆，单元图像阵列上的同一物点对应的像素发出的光线经过透镜阵列后在该物点所在的深度平面上会聚。如图2所示，在单元图像阵列中有两个物点A和B，分辨位于不同的深度平面，单元图像阵列上对应物点A的像素发出的光线在重构平面1上会聚，对应物点B的则是会聚在重构平面2上，这两个点分别在重构平面2和重构平面1上发散为一群点。由此可以得出，重构图像会根据深度位置的改变而改变。

基于深度平面的计算重构方法可用于三维物体的识别，比如微生物识别、光子计数条件下的物体识别等。在该方法中，由于重构的三维图像只有在其中一个深度平面上是聚焦、清晰的，位于其他深度平面的部分是散焦、模糊的，因此可以选取适当的深度平面重构出被遮挡的物体，进而实现被遮挡物体的识别与跟踪。但是该方法也存在一定的问题，比如人们只能获取到正视图，无法获取其他方向的视图，对于观看者的来说观感较低。

2.2 基于视点的计算重构方法

基于视点的计算重构方法，是根据不同位置和方向的视点来确定重构的三维图像，视点决定了三维物体上的点透过透镜阵列投影到单元图像中相应的像素位置，所以不同的视点重构出不同的三维图像，原理如图3所示。计算重构图像时，从某一视点出发，在单元图像阵列中進行周期性采样，即在每个单元图像中提取单个像素点，并将其合成一幅重构图像。

相较于上一种计算重构方法而言，基于视点的计算重构方法可以获得不同观看方向的重构图像，更符合人眼的视觉习惯。这种方法也存在着一定的缺陷，一是距离越远的物体在不同视角图中的位置变化越大，这和人们本身在现实世界中的视觉效果是相反的；二是由于在每个透镜下只能观察到一个像素，透镜个数决定着像素个数，因此这对于重构图像分辨率的提高有了一定的困难。

3 结 语

集成成像技术作为一种新型的三维显示技术，可用来显示全视差的彩色三维立体图像，显示过程中不需要佩戴任何辅助设备。集成成像技术成熟的关键是具备高分辨率的三维可视化能力，而计算重构能够利用技术优势将重构图像进行优化，为光学重构打下良好的基础。计算重构出的图像为数字格式，可以为深度提取、三维目标识别和三维图像处理等提供数据支持。因此，集成成像技术具有较大的发展潜力和广泛的应用前景。

主要参考文献

[1]Park J H， Hong K， Lee B. Recent Progress in Three-Dimensional Information Processing Based on Integral Imaging[J].Applied Optics，2009，48（34）：77-94.

[2]Kim J，J H Jung，B Lee. Real-time Pickup and Display Integral Imaging System without Pseudoscopic Problem[C]//Proceedings of SPIE8643，Advance in Display Technolog iesⅢ，864303，2013.

[3]M G Lippmann. La Photographie Integrals[J].Competes Rendus Academie des Sciences，1908，146：446-451.

[4]黎达，赵星，杨勇，等.三维集成成像中无串扰显示系统的设计与实现[J].光电子：激光，2012（1）：35-40.

[5]H Arimoto，B Javidi. Integral Three-Dimensional Imaging with Digital Reconstruction [J].Optics Letters，2001，26（3）：157-159.