王瓊?cè)A，鄧 歡

（四川大學 電子信息學院，四川 成都610065）

1 引 言

三維（3D）顯示是指采用光學和計算機等多種技術(shù)手段來模擬實現(xiàn)人眼的立體視覺特性，將空間物體以3D 信息再現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出具有縱深感的立體圖像的一種顯示方式［1］。與傳統(tǒng)的二維（2D）顯示相比，3D 顯示能夠帶給觀看者更強的視覺沖擊和現(xiàn)場感受，能夠把人的感官甚至于思想完全帶入到所觀看的場景中去，不僅能讓觀看者獲得前所未有的視覺盛宴，還可以體驗一種不一樣的生活方式。在眾多的3D 顯示技術(shù)中，集成成像因其對光源沒有特殊要求（不需要相干光源），信息量相對較少，超薄屏幕（可壁掛），片源獲取相對容易，成本低廉等優(yōu)點，已成為3D 顯示領(lǐng)域的研究熱點之一［1－3］。

集成成像包括記錄和再現(xiàn)兩個過程。記錄過程利用微透鏡陣列記錄3D 場景在不同角度的3D 信息，由于構(gòu)成微透鏡陣列的每個透鏡元從不同方向記錄3D 場景的小部分信息，每個透鏡元都具有獨特的成像功能，在每個透鏡元的后焦平面上對應生成了一幅不同方位視角的微小圖像，稱為圖像元，所有的圖像元組成了微圖像陣列。在這一過程中，3D 場景中的任意一點都被許多透鏡元記錄下來，該點的3D 信息就被擴散記錄于微圖像陣列中。再現(xiàn)過程中，利用普通2D 顯示器顯示微圖像陣列，再使用與記錄時參數(shù)相同的微透鏡陣列與之精密耦合，根據(jù)光路可逆原理，微透鏡陣列又把所有圖像元像素發(fā)出的光線聚集還原，在微透鏡陣列的前后方重建出與記錄時的3D場景完全相同的3D 圖像。由于CCD 等記錄器件和LCD 等顯示器件的發(fā)展成熟，集成成像記錄端的膠片可由CCD 代替，再現(xiàn)端的膠片可由LCD 等顯示器代替，由此構(gòu)成集拍攝和顯示3D圖像及3D 視頻于一體的集成成像系統(tǒng)，其對應的兩個過程又分別稱為集成成像3D 拍攝和集成成像3D 顯示。本文將介紹集成成像的幾種拍攝和顯示方法。

2 集成成像3D 拍攝方法

在長達100多年有關(guān)集成成像技術(shù)的研究過程中，人們累積了多種3D 拍攝方法，如全光學3D 拍攝法、直接3D 拍攝法、掃描式3D 拍攝法、攝像機陣列3D 拍攝法和計算機生成法等，下面一并進行介紹。

2.1 全光學3D 拍攝法

G.Lippmann在1908年首次提出的集成攝影術(shù)就是采用的全光學3D 拍攝法［1］，它使用真實的光學元件來完成。在微透鏡陣列的后焦平面上涂上一層感光乳劑，然后用漫射光照射3D 場景，被3D 場景反射的光線到達微透鏡陣列上，再被微透鏡陣列折射到感光乳劑上，這樣感光乳劑就記錄下了一幅微圖像陣列。全光學3D 拍攝法是最原始最粗糙的集成成像3D 拍攝法，存在深度反轉(zhuǎn)問題。而后1931年H.E.Ives提出的兩步記錄法能解決深度反轉(zhuǎn)問題，但是多次使用微透鏡陣列和感光乳劑，使得記錄的微圖像陣列模糊不清［4］。

2.2 直接3D 拍攝法

1997年，日本的F.Okano等人采用直接拍攝法實現(xiàn)實時的集成成像3D 拍攝，如圖1所示為該實時3D拍攝系統(tǒng)的原理示意圖［5］。3D 場景發(fā)出的光線通過微透鏡陣列的每個透鏡元折射，然后被攝像機直接拍攝下來，形成了微圖像陣列。每個圖像元各自中心旋轉(zhuǎn)180°之后，被傳送到集成成像3D顯示器上顯示，該3D顯示器由普通的二維顯示器和一個針孔陣列組成，針孔陣列可以用來代替微透鏡陣列，由于圖像元經(jīng)過了180°旋轉(zhuǎn)，解決了深度反轉(zhuǎn)問題。但該方法重建的3D 圖像只能是虛像，即凹進顯示屏幕里面，沒有凸出顯示屏幕之外的實像，其3D顯示效果不佳。

圖1 直接拍攝法的原理示意圖Fig.1 Direct 3Dpickup method

后來M.Martinez－Corral等人提出，在微透鏡陣列與攝像機中間加入一個成像物鏡，便可進行深度可調(diào)的集成成像3D 拍攝。由于附加的成像物鏡將會帶來一次深度反轉(zhuǎn)，加之集成成像本身的深度反轉(zhuǎn)，兩次深度反轉(zhuǎn)之后將是深度正確的3D 圖像，則不需進行180°旋轉(zhuǎn)或兩步記錄來解決深度反轉(zhuǎn)問題，且通過適當調(diào)節(jié)成像物鏡的位置，可以同時實現(xiàn)實像和虛像的3D 顯示［6］。J.Arai等人改進了傳統(tǒng)的直接拍攝法，將漸變折射率微透鏡陣列直接與圖像傳感器相貼合，避免了相機鏡頭的使用所帶來的圖像畸變等問題［7］。但上述方法需要附加相應的光學器件，如成像物鏡、漸變折射率微透鏡陣列等，將引入圖像畸變等問題，也增加了系統(tǒng)的復雜度。J.H.Kim 等人將直接拍攝法獲得的微圖像陣列進行實時的計算機處理，通過控制中心深度平面的位置提高了圖像質(zhì)量［8］。

2.3 掃描式3D 拍攝法

一種較簡單的集成成像3D 拍攝方法是采用平臺式 的掃描3D 拍 攝 法［9－10］，其3D 拍 攝 原 理 示意圖和實驗裝置如圖2所示，掃描攝像機被安置在一個掃描平臺上，通過平臺的平行移動來拍攝不同角度的3D 信息。該方法由于需要一段時間的掃描，因此要求3D 場景在掃描過程中是絕對靜止的，靜止時間依賴于掃描頻率，一般來說大概幾分鐘時間。對于大節(jié)距的透鏡元，圖像元分辨率為20×20個像素以上時，才能較為清楚地重建出3D 圖像，而掃描式3D 拍攝法使用的攝像機較難獲得高分辨率的微圖像陣列。

圖2 掃描式3D 拍攝法示意圖Fig.2 Scanning pickup method

2.4 攝像機陣列3D 拍攝法

組成微透鏡陣列的每個透鏡元都可以用攝像機來代替，因此可以用等間距排列的攝像機陣列來代替微透鏡陣列，如圖3所示為攝像機陣列3D拍攝法示意圖［11］。由于透鏡元成像和攝像機成像存在上、下、左、右翻轉(zhuǎn)的關(guān)系，那么采用攝像機陣列拍攝獲取的微圖像陣列就相當于微透鏡陣列拍攝的微圖像陣列中每個圖像元進行180°旋轉(zhuǎn)后的效果，因此攝像機陣列3D 拍攝法獲取的微圖像陣列沒有深度反轉(zhuǎn)問題。而每個攝像機只需要獲取一個圖像元，因此圖像元的分辨率很高，可以組合成高質(zhì)量的微圖像陣列。但是該方法所需的攝像機個數(shù)較多，等于所需的圖像元個數(shù)，各攝像機間需要進行匹配、矯正等復雜操作，不適合大場景的集成成像3D 拍攝。

圖3 攝像機陣列3D 拍攝法示意圖Fig.3 3Dpickup method using camera array

圖4 稀疏攝像機陣列3D 拍攝法示意圖Fig.4 3Dpickup method using sparse camera array

稀疏攝像機陣列法可以大幅度地減小拍攝時的攝像機個數(shù)，使得大場景的集成成像3D 視頻拍攝成為可能。如圖4所示稀疏攝像機陣列拍攝3D 場景不同角度的立體信息，獲得視差圖像陣列，然后在計算機中通過建立的像素映射模型將視差圖像陣列轉(zhuǎn)換為微圖像陣列，就可獲得集成成像3D 顯示所需的微圖像陣列［12－13］。

2.5 計算機生成法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始用計算機程序代替實際微透鏡陣列或攝像機來進行3D拍攝。M.Halle等人在1998年提出多視點渲染算法，該算法在計算機中設置虛擬的相機陣列來代替微透鏡陣列的各個透鏡元對3D 模型進行渲染，獲得的微圖像陣列可用于實際的集成成像3D 顯示［14］。但由于虛擬相機陣列包含的相機數(shù)量往往較多，計算機中需依次完成各個虛擬相機的渲染流程，導致計算過程十分耗時，無法實現(xiàn)微圖像陣列的實時渲染。S.W.Min等人基于方向性投影原理分別提出了點回溯算法［15］與視矢量渲染算法［16］，兩種算法的虛擬相機渲染次數(shù)均等于圖像元的像素個數(shù)，由于減少了虛擬相機的渲染次數(shù)，故生成微圖像陣列的計算效率有所提高。點回溯算法僅適用于集成成像的聚焦顯示模式，而視矢量渲染算法雖然適用于集成成像的所有顯示模式，但該算法的計算效率受圖像元像素個數(shù)的限制，且不適用于大數(shù)據(jù)量3D模型的實時渲染。

為了進一步提高計算機集成成像技術(shù)生成微圖像陣列的效率，科研工作者們開始嘗試采用GPU 并行處理數(shù)據(jù)技術(shù)來加速微圖像陣列的生成過程。K.C.Kwon等人在2012年提出基于圖像空間的并行計算算法［17］，其優(yōu)勢在于該算法大大降低了3D 模型數(shù)據(jù)量對生成微圖像陣列過程的影響。由于微圖像陣列的渲染效率幾乎僅與其像素個數(shù)有關(guān)，而該算法采用GPU 并行計算來完成微圖像陣列中各個像素的計算，故其計算效率可滿足大數(shù)據(jù)量3D模型的實時渲染。S.H.Jiao等人在2013年提出多光線集成渲染算法［18］，該算法通過GPU 的幾何著色器將組成3D 模型的所有3D頂點數(shù)據(jù)進行復制，使得所有的3D頂點均可通過一個透視投影幾何關(guān)系映射至單張紋理中，大大降低了GPU 與CPU 間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，從而有效地提高了微圖像陣列的生成效率。

集成成像的計算機生成法雖然只能用于計算機模型和動畫的3D 拍攝，但其成本較低、拍攝速度快，已基本能實現(xiàn)較大場景的實時3D 拍攝，是目前常用的集成成像3D 拍攝方法。

3 集成成像3D 顯示方法

集成成像的3D 顯示過程包括基于視點的3D 顯示和基于深度平面的3D 顯示兩種，下面簡略分析這兩種集成成像3D 顯示方法。

3.1 基于視點的3D 顯示

雖然集成成像3D 顯示在一定的觀看視區(qū)內(nèi)具有連續(xù)的視點，但由于采用了離散化像素結(jié)構(gòu)的感光器件進行集成成像3D 拍攝和3D 顯示，因此，集成成像3D 顯示在觀看視區(qū)內(nèi)具有準連續(xù)的視點。如圖5（a）所示為基于視點的集成成像3D 顯示原理圖，觀看者在準連續(xù)視點內(nèi)的不同位置上都可以清晰地觀看到3D 圖像，從而獲得明顯的立體感［19］。由于人眼通過每個透鏡元只能在對應圖像元上看到一個像素信息，因此人眼每只眼睛看到的像素個數(shù)，即3D 分辨率，等于微透鏡陣列中的透鏡元個數(shù)。如圖5（b）所示為基于視點的集成成像3D 顯示獲得的6個不同視點上的圖像。除了傳統(tǒng)的集成成像3D 顯示外，還有360°視 角 的3D 顯 示 系 統(tǒng)［20］以 及 平 鋪 式3D 顯示［21］等。該基于視點的集成成像3D 顯示方法能為觀看者提供直觀的3D 感受，可用于娛樂、廣播傳媒、虛擬現(xiàn)實［22－23］、醫(yī)學［24－25］等方面。

圖5 基于視點的集成成像3D 顯示Fig.5 Integral imaging 3Ddisplay based on viewing point

3.2 基于深度平面的3D 顯示

圖6 基于深度平面的集成成像3D 顯示Fig.6 Integral imaging 3Ddisplay based on the depth plan

基于深度平面的集成成像3D顯示的原理如圖6（a）所示，顯示器上像素發(fā)出的光線經(jīng)過微透鏡陣列折射后，在空間中會聚成像，重建出3D圖像，但所有的光線并不會終止，而是繼續(xù)向前傳播，并到達接收屏上，因此該接收屏可在不同深度平面上接收到重建的3D圖像。當接收屏位于重建3D圖像的深度平面上時，將接收到清晰的圖像，否則接收到的則是模糊的圖像。在計算機中還可以設置虛擬的負深度，從而接收到3D 虛像。如圖6（b）所示為負深度和正深度平面上分別接收到的重建的3D 虛像和3D 實像，當接收屏位于－90mm 處時，字符“3D”成清晰像，而字符“II”則成模糊像，反之亦然。該方法可用于遮擋物體的3D 重現(xiàn)［26－27］、微生物識別［28］和深度重建［29］等方面。

4 結(jié) 論

各國的科研工作者在集成成像技術(shù)方面進行了深入的研究并提出很多有效的解決方法，本文對集成成像3D 拍攝和顯示的部分技術(shù)進行了介紹。稀疏相機陣列法減小了相機個數(shù)、能適用于真實大場景的3D 拍攝，而計算機生成法拍攝速度快、成本低、可進行計算機模型的實時視頻拍攝，將是集成成像3D 拍攝的主流技術(shù)。隨著計算機技術(shù)、微透鏡陣列制備工藝、記錄和顯示設備等的快速發(fā)展，集成成像將是未來3D 顯示技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，并在3D 電視、3D 印刷、深度測量、建筑、娛樂、軍事、醫(yī)學診斷等領(lǐng)域具有很廣泛的應用前景。期待集成成像3D 顯示走進千家萬戶，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

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