Pick-up system for three-dimensional integral imaging with camera array

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系,利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析,得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系.提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法,并设计了相机阵列记录系统.计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6 cm,相机间隔25 mm.对提出的方法进行了实验验证,结果表明,提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息,三维显示特性基本达到了设计指标,相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析,验证了提出方法及系统设计的可行性.提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列.     

基于同名点间距变换的三维显示参数匹配

传统集成成像系统以重构场景为记录场景的镜像,而当用相机阵列代替透镜阵列获取元素图像时,两种阵列参数的不匹配会破坏上述镜像关系.为了得到相机阵列获取的元素图像经透镜阵列重构后的物像关系,本文提出用同名点间距计算集成成像重构像距的方法.该方法通过获取端场景物距、相机焦距等参数,得到同名点间距,并等效至重构端透镜阵列系统来实现光学参数的匹配.理论计算表明,同名点间距不同,得到的重构像距也不同.对与透镜阵列参数匹配的同名点间距进行变换处理,即可精确再现不同重构像距的景物.最后,通过实验验证了本文所提方法的有效性.     

基于相机阵列获取元素图像的集成成像抗串扰参数设计

为了得到理想的抗串扰三维图像,研究了用相机阵列记录三维场景时,如何排列所获取的元素图像并使其与重构的微透镜阵列匹配的问题.通过分析集成成像原理,讨论了元素图像间距、微透镜阵列间距、焦距等几个重要参数之间的关系,证明了对于固定的微透镜阵列,元素图像间距是场景重构时的重要因素,并结合分析给出了最佳设计参数.系统分析了元素图...     

基于最佳记录距离的三维集成成像光学获取技术

针对三维集成成像与显示技术中光学阵列式物体三维信息获取的要求,提出了一种确定最佳记录距离的新方法来减少相邻成像单元间的干扰和三维再现过程中的串扰现象.通过分析大小不同的物体在不同记录距离处的物点成像率和像点利用率,确定了合理的记录距离.分析结果表明,对于特定的集成成像系统,该新方法确定的最佳记录距离处的物点成像率和像点...     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

基于小发散角的投影式集成成像三维显示再现深度的拓展

针对集成成像裸眼三维显示技术受三维再现像再现深度的限制而无法实现大规模应用的问题,提出了一种基于小发散角的投影式集成成像三维再现深度的拓展方法.该方法利用投影式集成成像显示系统和一个辅助透镜来控制元素图像阵列中各像素点的发散角度,利用小发散角度实现了再现深度的拓展.与传统的多中心平面拓展技术相比,该方法具有系统结果简单,扩展效率高,对显示器件要求较低的优点.光学实验结果显示,当元素图像阵列中各像素点的发散角为1.79°时,集成成像三维再现深度是原来的6.4倍,比传统的多中心平面扩展技术实现的4倍再现深度提升了60％,为提高集成成像三维再现像的品质提供了一种有效的解决方法.     

多级投影式集成成像三维显示视场角拓展

针对集成成像三维再现像的视场角较窄,实用化受限的问题,提出了一种拓展集成成像视场角的新方法,并基于多级投影技术构建了具有大视场角的三维集成成像系统。该系统利用多个投影仪并联投射不同级次的元素图像阵列并进行三维重构来获得大视场角的集成成像再现像。与传统的集成成像视场角拓展技术相比,所提方法具有系统结构简单、无需场镜等辅助光学器件;系统中没有机械运动,不会产生振动和噪声;以及可用于大尺寸集成成像显示系统的优点。光学实验结果表明,提出的多级投影式集成成像显示系统的再现像视场角为±35°,是传统的集成成像系统获得的视场角的2.92倍,明显拓展了视场角。     

基于集成成像技术的零件孔径位置检测

针对利用霍夫圆检测方法很难定位大尺寸零件上所有孔径位置的问题,本文提出了一种将集成成像技术与霍夫圆检测算法相结合的非接触式测量方法.首先,根据经典成像理论提出了一套集成成像信息获取算法.其次,利用二维平移台和CCD相机搭建了相机阵列实验装置.系统工作时,相机采集的元素图像阵列,可以通过霍夫圆检测和坐标获取算法来实现零件孔径位置的定位.基于上述理论进行了验证实验,结果显示,零件孔径位置的检测误差在0.3mm以内.该方法为集成成像技术应用于高精密位置检测提供了有效的理论支持.     

一种快速计算机集成成像

为了提高计算机集成成像技术的记录速度,提出了一种快速计算机集成成像技术。该技术基于无深度反转的一次记录原理,在一次记录过程中,忽略距离微透镜阵列近的物点,而记录距离微透镜阵列远的物点,从而获得无深度反转的微图像阵列。实验中采用Direct3D软件对3Dsmax软件创建的场景进行无深度反转的一次记录,快速地生成微图像阵列,并用光学再现的方式对其进行再现。实验结果证明,该方法的记录时间达到了0.56 s,实现了快速记录,并且真实地、无深度反转地重建出了立体图像。     

基于成像模拟法的镜面体表面三维测量

针对计算机视觉对表面光滑且连续的镜面体三维外形测量中存在的难题,提出一种基于成像模拟法的测量方法。分析镜面反射的几何光学原理,根据镜面体表面光线反射的特性,使用相机和液晶显示器组成测量装置对镜面物体进行测量。使用平面镜对相机和显示器进行参数标定,并使用时间相移法对显示器上的像素点进行编码,从相机拍摄的镜面物体反射的条纹图像出发,采用光线逆跟踪方法,使用参数曲面反向模拟镜面物体的反光过程,通过调整曲面参数使得模拟的反射光线和显示器交点与实际位置距离误差最小,即可获得镜面体表面的三维数据。通过试验验证了该方法的有效性,具有较高的测量精度。     

基于微透镜阵列的三维数字成像

基于微透镜阵列多视角成像特点, 利用几何光学原理,提出一种对物体进行三维数字成像的重构算法.利用这种算法,对CCD相机捕获到的基元图像阵列进行重构.与传统的利用光学系统对物体进行重构的方法相比,该算法不再受到重构过程中遇到的杂光以及衍射效应等因素的影响,具有实时性好、清晰度高的优点.搭建了基于微透镜阵列的三维数字成像系统实验平台,利用此算法对实验中获得的骰子基元图像阵列进行重构,成功地重构出原始物体的三维立体图像,在理论上和实验上证明了这种重构算法的有效性和可行性,并对实验中影响成像质量的因素进行了分析.     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

基于短基线双目内窥镜成像系统的3D视频标定与校正

为了解决短基线双目内窥成像系统获得的视频图像在裸眼3D显示设备中观看到的视频纵深感和立体感较弱的问题,通过分析双目内窥镜的参数以及立体视频中图像对的视差,提出了基于短基线双目内窥成像系统的立体视频校正和视差调整方法。首先,对采用的双目结构内窥系统进行相机标定,获取各相机参数和相机间的位置参数;其次,利用获得的参数进行相机视频校正,再针对裸眼3D显示设备对视频源的参数要求进行图像对的视差调整,最终获得符合裸眼3D立体显示设备要求并适合人眼观看的双目内窥系统实时显示立体视频。通过实验验证了方法的可行性,实际搭建了一套基线距离为8 mm的短基线双目内窥成像系统,原始视差范围(0,64)像素,经视差调整后达到（-30, 30）像素,双路并行视频处理25 帧/s并实时显示。与实验室设计的裸眼3D立体显示系统匹配,可实现具有明显立体感的医用内窥镜实时裸眼3D成像。     

结合成像几何特征的立体元图像阵列编码

为了解决集成成像系统中立体元图像阵列存储和传输的问题,本文提出了一种结合成像几何特征的立体元图像阵列编解码算法。首先,根据立体元图像阵列采集过程中的相关物理参数确定不同立体元图像中同名像点的偏移量,对立体元图像阵列中每行相邻立体元图像进行分组并确定编码顺序。然后,确定待编码立体元图像的预测图并计算待编码立体元图像与其预测图的残差。最后,对残差进行HEVC编码。实验结果表明,与传统的HEVC帧内预测编码算法,以及与将立体元图像阵列中的所有立体元图像组成一个视频序列进行HEVC编码的算法相比,在相同比特率的情况下,本算法解码图像的质量提高了10~25dB,说明本文提出的算法具有更高效的编码性能。