提高集成成像与集成全息系统成像质量方法的研究

摘要

在过去二十年里，许多新兴的3D成像和3D显示技术被广泛的研究和应用。本文主要研究的集成成像和集成全息技术就是其中的两种新型的真三维显示技术。虽然集成成像和集成全息技术具有很多优势，但其成像质量仍然受限于成像系统和显示系统的各种设备参数。为了提高集成成像系统和集成全息系统的成像质量，本文展开了以下工作：
　　集成成像部分：
　　1）提出了基于微扫与二维超分辨率算法提高集成成像重构质量的方法。首先，通过微扫技术采集一系列相互之间具有亚像素位移的元素图像阵列，然后再采用二维超分辨率算法将这些低分辨率的元素图像阵列生成一组高分辨率的元素图像阵列，用于集成成像系统再现阶段的计算重构或光电显示。这种时分复用的方法能够有效的恢复元素图像中由于衍射光斑、像素采样等所引起的图像降质部分，从而提高集成成像系统的3D再现像质量。
　　2）提出了一种基于集成成像的三维超分辨率重构算法。这种算法能够直接利用一系列低分辨率的元素图像重构出高分辨率的3D图像。在传统的集成成像中，3D场景中的每个深度被多个透镜以一定的理想投影视差成像在传感器平面上。然而，这种视差被传感器的像素结构所采样，使得不同视角间视差的亚像素信息丢失。这里，这种亚像素视差信息被本文所提出的基于集成成像的三维超分辨率重构算法所恢复，从而提高了重构3D图像的分辨率。另外，这种三维超分辨率重构算法被应用在红外成像系统中，以生成高分辨率的3D红外场景。
　　集成全息部分：
　　1）分析了集成傅里叶全息系统各个成像阶段的空间带宽积，以表征该系统的信息传递性能。在此基础上，提出了一种基于微扫技术的集成全息系统。通过对透镜阵列进行微扫提高系统对3D场景在空间频域上的采样率，从而增加生成傅里叶全息图所包含的信息量，最终消除重构图像中由空间频域欠采样而引起的空域重叠现象。
　　2）首先，基于对集成傅里叶全息系统信息传递性能的分析，提出了通过合成虚拟视点的元素图像和虚拟的正交投影视图作为系统对3D场景在空域、空间频域的虚拟采样率，从而分别消除重构图像中空间频域的混叠现象和空域的重叠现象的方法。另外，在集成全息系统中，由于重构3D图像的质量还受到记录透镜阵列中透镜位置的误差影响，因此我们还分析了由透镜阵列的排列误差而引起的重构图像中的空间扭曲效应。并且，提出了采用生成虚拟视点的方法来矫正系统的采样分布，从而消除空间扭曲效应的方法。最后，提出了通过智能深度反转模型（SPOC）来调制系统空域、空间频域之间的采样转换，从而在不增加过多冗余信息的基础上，使系统的信息传递量与物体的空间带宽积相匹配、提高重构3D图像的成像质量、增加系统的灵活性。