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1、三维全景图像生成技术伍春洪，。杨扬，”游福成( 北京科技人学信息T 榉学院1 0 0 0 8 3 ：。J 匕京印制学院1 0 2 6 0 0 )c w u i e s u s t b e c l u e n摘要：三维全景图像技术( I n t e g r a lI m a g i n g ) 是一种用微透镜阵列来记录和显示的全真三维显示技术近年 来，随着理论研究、光学系统的技术革新和微透镜制造工艺的进展，该技术正成为目前最有希望实现下一代 三维电视的方法，吸引着国际上三维技术领域的重多关注本文介绍三维全景图像( I n t e g r a II m a g e ) 生成的 基本原理和研究进展T
2、 h r e e - d i m e n s i o n a lI n t e g r a lI m a g i n g。W uC h u n H o n g ，1 Y a n gv，一 。a n gY o u FuChengUuniversityo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e 【i i n gB e ( r i n g n s t i l u l eo f G r a p h i cC o m m u n i c a t i o nA b s t r a c t ：I n t e g r a li m a g i n gi sat e
3、 c h n i q u ec a p a b l eo fr e c o r d i n ga n dd i s p l a y i n g3 Di m a g e sw i t hc o n t i n u o u sp a r a l l a xi n f u l ln a t u r a lc o l o rt h r o u g hm i c r o l e n sa r r a y A sar e s u l to ft h e o r e t i c a ls t u d i e s ，t e c h n i c a li n n o v a t i o n so ft h eo
4、 p t i c a ls y s t e m sa n dp r o g r e s si nm i c r o l e n sm a n u f a c t u r i n gi nr e c e n ty e a r s ，i ti sb e c o m i n gt h em o s tp r o s p e c t i v et e c h n i q u ei n d e v e l o p i n gn e x tg e n e r a t i o nt h r e e d i m e n s i o n a lT Va n dh e n c ea t t r a c t i n
5、 gm u c h T h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n d d e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a li m a g i n gt e c h n i q u e 引言： 目前人们广泛使用的显示系统都是基卡两维的图像 显示，它们能够呈现的都只足对真实窄问场景从某一特定 角度的仿射投影信息。越来越多的视觉图像心用领域要求 能够冉现自然的三维窄问场景。由三维址示所增加的深度 信息给观看者带来的整体视觉效果人人改善J ，图像的臼 然性和真实性。开发三维图像系统由此也成为科学
6、界和娱 乐- 丁业界K 期追求的目标。 迄今为止，在娱乐和商业界最常见的三维呈现技术多数仍采用基于立体观察的方法( s t e r e o s c o p i c ) 【”。= f J ；原理 在十使用各种通道分别将左眼和右眼的图像呈现给左右 两眼。常常采用的通道有颜色( a n a g l y p hd i s p l a y ) ，偏证J 1 ( p o l a r i z a t i o nm e t h o d ) 及I 乜了开关( t i m ed i v i s i o n ) 等。这类方 法由十实现较容易，目前订：娱乐和商业系统中仍有着较广 泛的应用。然而，采用各种通道小口，避免
7、的存红双眼竞争 或强度下降所f j I 起的眼睛疲劳，要求观察者长期佩带特殊 的眼镜或同定足眼睛的位置奉身也刁i 舒适。这些都人人限 制J ，基十妒体观察的三维呈现方法在娱乐和通信领域内 的进一步应用。和妒体视察法相比，一i 要求观察者佩戴特殊眼镜的 三维显示技术更容易被脱看者接收。从而有着受为广泛的 应用前景。我们熟悉的激光伞息技术就足j E 中一种。臼：激 光伞息图中，三维信息足通过对光的波前十涉的形式记录 下) l 的。观察者小需要佩带特殊的眼镜即可清晰的看到原 来的场景。激光全息技术在T 业测量、防伪等方面均取得J ，l 分广泛的应用，在杂忠封面、产品包装以及信用卡I ：经 常町见作为
8、防伪商标的激光伞息图。由于激光伞息幽的记 录过程要求采用相十光源，记录往往要求往暗室条件下操 作，同时还要求设备具有高度稳定性。这凿都人人限制J ， 它的胞用范罔。目前，激光伞息技术被限制于记录静止的 物体，日娃示的颜色f 分有限。除激光伞息图外，迩有一 螳其他小要求观察者佩戴特殊眼镜、l 厂体娃爪方法。如某些 艘台展爪的由复杂光学设备I 叮产生实行：的光学的t 体窄 问，某些虚拟现实系统中采用的头部追踪的二维幽像系统等等，它们均只舀：某一特定的领域自者一定的J 畦用。微透镜阵列来记录和姓尔的伞真三维显示技术。由于这一 技术是通过重建原来的物空间场景的光学模型来 耳现二三 维，观看者的眼睛可以
9、臼由的看到特定的深度的相胞的窄问位置，I 大l l 町4 i 存d ：髓体视或多日视( m u l t i v i e w ) 中I ：1 光的 汇聚于和调整问题。观众得到的感觉好像足在通过一个窗 U 观看真实景物，当你走近它时，物体向外扩展，反之亦 然。I I 具自：( 1 ) 记录和姓爪的足点到点的趁体窄问信息， 产生的图像包含会真色彩以及连续的视差信息。( 2 ) 其记 录和砬刁j 过程简单，尤须相十光源，不仅町以适用于静态 三维场景，还町以心用于三维视频通讯领域动态捕获和娃 刀：。( 3 ) 无须观众佩戴特殊的眼镜，町多人I 司时观看。( 4 ) 以_ 二维的形式存在，较容易用现存的_
10、 二维图像数据处理理 论和传输技术来边行处理。以I ：特点使得这一技术在三维电视和町视化方面有着广泛的心用前景1 2 J 。奉义从I I 的 摹奉原理着于闸述其产生方法以及研究进展。1 三维全景图像生成的基本原理和经典三 维全景图像技术存在的问题 三维伞景图像( 1 1 ) 技术的主要原理祚十通过微透镜阵 列来记录和彬J 三维场景。t ：l 前的再种I I 技术都源于L i p p m a n n1 9 0 8 年的下作。图l 展现r 自I 关I l 的记录和以 现过程【1 1 。这犟，一张由微透镜阼列组成的薄片被用米记 录三维物体审问场景，记录胶”被放冒白：微透镜阵列的焦 F 面l ：。由卡
11、每个微透镜都从1 i I n J 的方向记录一部分物体字问，窄问任意一点的视差信息被和散“：整个记录、I 血I ： 被记录胶片所记录下米，图l a 。 曲：I I 中每个微透镜之下对心生成的一幅幅小图被称为了图( s u b i m a g e ) ，又叫元素图像( E l e m e n t a li m a g e ) ，自 多少个微透镜就有多少个相心的了幽。窄问任意一点的视 差信息都被这许许多多的了图扩散记录十整个记录胶片。 当将记录胶片放在一张具有I 叫样参数的微透镜阵列薄J L 后时，相心的疑，J j 微透镜阵列把许许多多了幽透射反射出 来的光线聚集还原。原米的三维光学场景即町j 嘻
12、现来， 图l b 。由十该技术足通过重矬原物窄问的光学模型再现三 维，包含伞真色彩以及连续的说差信息，观众得到通过窗三维伞景图像( I n t e g r a I l m a g e ，简称I I ) 技术足一种用u 观看真实景物的感觉。( a ) 记录过程图1l I 记录和再现过程原理图在将L i p p m a n n 提 | 的I I 技术直接应用十记录时存在 一些问题。首先，1 1 f 现的二维场景相对手原来的场景存在窄间I ：深度的反转( p s e u d o s c o p i c ) 。如图l 所尔，图像记录 场景的方向为从右向左( A 点在后，B 点袖：前) ，I 叮场景 再
13、现时的观看方向为从左向右( A 点在前，B 点在后) 。( b ) 再现过程为丫克服这一窄问反转的问题，l v e s 随后0 l 入了一个两次 记录过程1 3 1 ，参见图2 。通过两次记录过程使原来的场景 在正确的窄问位置f ：再现 “来。但是，由十散射光，感光 乳剂及微透镜丁艺等的影响，两次记录导致图像质量硅著 的下降。图2 通过两次I I 记录过程在正确的空间位置上重现原来的三维场景基本I I 技术存在的第一二个问题是元素图像之间的互 相干扰。在由微透镜记录的l I 中，每个微透镜自J e 特定的 记录范1 爿。确：小加限定的情况下，相邻微透镜下的记录区 域会有相互重叠的地方，图3 a
14、 。图中图像点Q 町以足由物 窄问点a 通过第m 个微透镜记录而形成，也叮能足物窄间 点b 和点c 分别通过第m 1 个微透镜和第m + 1 个微透镜 记录I f l 】彤成的。在这种情况下来白1 i I 一点的光线将无法J 下 确的分离，从而0 l 起十扰和混淆舀iI 耳现时董建的场景会出现重影。解决的方法是通过限制光学系统的孔径来限制 入射光线的方向。通过恰当的限制孔径，使得每个微透镜 对心的记录区域分离开) I 。图3 b 中经孔径限制后，每个微 透镜对心的记录区域相互分离，第m 个微透镜下的Q 点 只能由第m 个微透镜记录彤成。来自b 、c 两点的光线都 无法到达0 点，从而避免由十小
15、嗣元素幽像之问的互相十扰( a ) 不同元素图像之间的互相干扰( b ) 限制光学孔径以避免干扰图3I I 中不同元素图像之间的互相干扰n 记录过程中的另一个问题足由微透镜阵列结构0 f 起的散射现象。一方面，随者所采用的微透镜J t 寸的减小， 在窄问横向的分辨率得到改善。枉另一方面，小的微透 镜尺寸带来散射和色差这些问题。其中散射问题4 物体远 离记录的微透镜阵列时I 。分突出，使得三维伞景幽像仅红 记录邻近其记录F 面附近时( c l o s ei m a g e ) 取得较好的效果。当物体远离记录l ，面时( r e m o t ei m a g e ) ，i l 记录质量将 会犬人下
16、降。自l i p p m a n nf1 9 0 8 年提 1 jI l 的构想以来，小少科学 家分别对I I 成像系统的设计、优化参数的选取以及和分辨 率问题进行讨论并为理解和推进这一领域的发展做；| ；J ，贞献 i 3 - ) l 。然嘶，受到理论研究和微透镜制造T 艺的限制， 尤其是两次记录过程所带来的图像质量的下降的影响，幕 于I l 的光学成像系统枉早期并没有受到人们的广泛关注。2 现代实用的三维全景图像成像系统 1 9 8 8 年，英困的D a v i e s 和M c C o r m i c k 设计J ，一种由 两极光学传输网络的构成的I I 成像系统【6 】。随后，O k a n o 等也提；| 由多模光纤组成的集成G R I N R O D 光学传输阵列 用米实现相类似的功能f 7 I 。这些I T 作克服J ，经典I J 技术中 存在的问题，有效的提高J ，图像成像质量，使得I I 技术的 实际应用成为可能。随着理论研究和微透镜制造T
