用波前平面提高全息体视图成像分辨率

针对全息体视图成像分辨率较低的问题,提出了用波前平面提高成像分辨率的方法。定量分析了空间采样、角采样和衍射效应对全息体视图成像极限分辨率的影响;以人眼在距离全息图600 mm处观察的极限分辨能力为标准,给出了全息体视图的成像极限分辨率与三维场景深度及全息单元(Hogel)尺寸之间的关系;得出了在波长取632.8 nm时,全息体视图能够高分辨率再现的三维场景的极限深度为12.80 mm,最佳Hogel尺寸为90μm,并且依据极限深度设置了波前平面。选择2个三维场景进行了验证实验:数字模拟再现了结构较为复杂的坦克模型,可以准确表现出模型的各个深度上的精细结构;用基于空间光调制器的全息三维显示系统对茶壶模型进行了光学再现,再现图像很好地提供了深度和光泽等三维感知因素。     

有效视差图像分割与重组的单步全息体视图打印方法

简要介绍了有效视差图像分割与重组(EPISM)的单步全息体视图打印方法的基本原理,分析了EPISM方法对不同场景深度再现质量变化的影响。研究了基于EPISM方法的全息体视图视觉跳变问题产生的原因,分析了全息体视图的曲率失真问题,验证了曲率失真对全息体视图再现质量的影响。通过减小全息单元尺寸进行了实验验证,有效提高了较短深度三维场景的再现质量。     

计算全息三维显示的信息量及其简化

全息信息简化是基于波前再现的全息三维显示技术重要的课题。对全息三维显示的信息量与再现像的视差角与视场角的关系进行了分析,指出全息三维显示的巨大信息量是为了提供足够的视差和视场,以达到人眼立体视觉效果。在牺牲垂直视差并保证足够的水平视差角和视场角的条件下,利用光栅对全息图进行取样,计算了光栅取样全息图对信息压缩的极限,分析了简化后全息图再现像的特点和存在的问题,对于信息压缩后的光栅取样全息图的再现进行了设计。     

有效视角图像切片嵌合法全息体视图的数值重构

全息体视图打印技术是当下广泛应用的一种全息技术。近年来本课题组提出了一种新的对视角图像进行预处理并进行全息体视图打印的方法,称为有效视角图像切片嵌合(EPISM)法,该方法可以通过一步记录实现传统两步法的全息打印效果,具有很高的研究价值。为了在光学实验之前对EPISM法全息体视图的打印结果进行预测,提出一种EPISM法全息体视图的数值重构算法,采用该算法对EPISM法处理过的合成视角图像进行数值重构,可以在光学打印之前预先得到不同观察角度和观察位置所看到的再现图像。将数值重构图像与原始采样图像以及光学实验再现像进行比较,结果表明:该算法可以较好地对EPISM法全息体视图打印的光学实验结果进行模拟。     

全息打印技术研究进展

全息打印技术可以实现场景的真三维显示,根据干涉纹样的不同来源及不同记录方式,可将其归类为合成全息体视图打印、计算全息图打印与全息波前打印。合成全息体视图打印无法准确记录三维场景的深度信息,因而全息图再现时存在会聚-调节矛盾;计算全息图打印能够准确记录与再现场景的深度信息,继而解决会聚-调节矛盾,然而仅能得到薄的透射型全息图,因而无法实现白光再现;全息波前打印既可以解决会聚-调节矛盾,又可以得到厚的反射型全息图,实现具有良好观察效果的白光再现。首先介绍了各类全息打印技术的基本原理,着重分析了各自的研究现状,然后讨论了它们的优缺点,以说明各类全息打印技术的特性。     

基于立体图像对的体视显示新算法研究与实现

研究了由带有视差的图像对恢复摄像机矩阵和空间物体的三维几何形状这一多视图三维重构问题,结合Hartley和Rorther等人提出的基于无穷远平面诱导的单应进行射影重构算法,提出了根据图像间的对应关系确定插补图像像素的位置和灰度的新算法,通过这种新算法输出符合双眼特性的体视图像,试验证明插补后体视图像效果较好,速度快。     

一种全息体视图虚实场景融合显示的图像编码方法

为了较好地实现全息体视图虚实场景融合的立体显示,分析了虚实场景之间存在的遮挡关系,提出一种基于实例分割与深度值判定的图像编码方法。理论分析表明,场景间的遮挡来源于特定视角下物点的不同深度信息,相机采样时只能保留近处物点的强度信息。求解采样图像的深度图,利用深度值判定的方法可以实现场景的有效融合。为进一步降低深度值求解不精确的影响,利用Mask R-CNN实例分割算法对真实场景的采样图像进行分层处理,并赋予各层伪深度值,再采用深度值判定方法实现虚实场景之间有遮挡关系的融合编码。采用基于有效视角图像分割与重组(EPISM)的方法进行全息打印光学实验,结果表明,所提出的图像编码方法可以有效实现虚实场景融合的立体显示。     

无狭缝计算全息图的白光再现

利用彩虹全息是实现白光全息的常用方法,由于记录过程中引入狭缝使得再现像的视场非常狭小,且只有水平视差。在计算全息中模拟无狭缝记录,通过博奇编码获得菲涅耳全息图,以视频信号输入液晶板(LCD)显示,在白色发光二极管(LED)照明下获得同时具有水平和垂直视差的彩色全息再现像,大小为15 mm×15 mm。调整物面采样间距和滤波小孔孔径以减小色模糊、提高再现光的空间相干性,获得的白光再现像与彩虹全息图的再现像相比,前者虽然牺牲了一定的像质,但垂直视场角远大于后者,且整个系统简单紧凑、操作方便,再现像视场范围大,利于观察和接收,另外宽光谱光源和空间光调制器的使用为实现实时三维彩色全息打下了基础。     

基于立体匹配技术的数字全息三维形貌重构

针对数字全息对物体三维形貌的重构与测量,提出了一种将数字全息术与立体匹配术相结合的三维测量方法。首先利用离轴菲涅耳数字全息系统,采集三维物体的单幅离轴菲涅耳全息图;然后将获取的数字全息图分为两个部分,分别进行数值再现,可以得到两个再现像,两个再现像存在视差。最后利用立体匹配算法获取两幅视图再现像的视差,根据几何关系获取物体的深度信息,重构物体的三维形貌。实验中,分别对不连续物体和连续物体进行三维形貌的重构,得到了准确的三维物体深度信息。数值模拟和初步实验结果表明该方法有效可行。     

计算全息三维实时显示的研究进展

计算全息三维实时显示是目前国际光学领域的研究热点之一。综述了计算全息三维显示技术研究的现状。从计算全息三维显示的原理出发,简介了全息图计算的复杂度、再现像尺寸与视场角等参数的关系以及影响再现图像质量的主要因素。分析了各种获得高质量、大图像和宽视场角的全息三维实时显示技术方案,指出了其中存在的关键问题,并对全息三维实时显示的未来进行了展望。     

多深度层场景光场渲染的无重影条件

为避免光场渲染的结果因采样率不足而发生重影,提出了多深度层复杂场景的无重影光场渲染条件,证明了可由场景几何及摄像机角分辨率确定,不发生重影的最大摄像机间隔及最优深度,并在此基础上推导了两者间的关系。计算了不同摄像机间隔下的合成视图与标准视图间的峰值信噪比(PSNR),并以此衡量渲染质量。实验数据及人眼对重影发生与否的主观判定结论与本文的理论分析基本一致。     

基于体全息的三维显示方法

全息三维显示具有呈现包含真实物体所有特征的三维场景的能力,这对信息的数据量和分辨率提出了极高的要求。体全息术可以为高分辨率三维显示提供大容量数据存储和基于三维布拉格光栅的实现方式。提出体全息三维显示方法,通过计算全息算法得到三维物体的全视差相息图,由相位型空间光调制器对物光波进行波前编码,利用体全息光栅的角度选择特性在光致聚合物的同一全息图基元中复用多幅全息图。在参考光照射下,可以重建出多角度的三维场景,扩充了三维显示的空间带宽积。     

基于减采样技术的快速高分辨数字全息重建算法

为了缓和传统数字全息重建算法在分辨率和计算量之间的相互制约关系,基于欠采样数字解调理论,通过对恢复后的物波场先进行空域或频域减采样,滤除物波中的冗余信息,然后通过补零算法提高有用信息的重建分辨率,从而实现高分辨数字全息的快速重建。分别给出了减采样菲涅尔重建（FR）算法和减采样角谱重建（AS）算法的最大允许采样间隔,推导...     

具有平滑运动视差的三维显示技术

为了实现自然的三维显示,需要按照真实物体呈现方式同时具有双目视差和平滑的运动视差。增加视点数量并提供平滑运动视差通常需要大量的空间信息,依靠大量的数据信息最终可以实现模拟真实场景效果的目的。全息立体图可用于显示三维离散图像或一组三维的空间数据,具有良好的观测效果。给出了三种实现平滑运动视差的三维显示方法,显示效果等同于全息立体图。基于液晶显示屏生成的数字蒙版与高精度柱镜阵列,实验实现了56°角内1200个视点连续的三维显示。在50.7cm×28.5cm的显示屏幕上实现超过40cm的景深。利用尺寸为1.3m×1.8m的全息功能屏幕、视频服务器、相机投影机阵列,可以实现高连续性三维场景再现,深度超过1m。利用分辨率为3840pixel×2160pixel的50inch(1inch=2.54cm)液晶显示面板生成的数字断层图像实现了具有连贯运动视差的三维显示。     

零视差点重组在三维图像数字水印中的应用

在基于深度图像渲染（DIBR）水印方案中,利用深度图像和中央彩色图像通过像素平移渲染出左眼视图和右眼视图,嵌入到中央图像的水印信息会受到严重破坏,无法在左眼视图和右眼视图中正确提取水印信息。本文提出一种DIBR中零视差点的三维图像数字水印方法,利用深度值确定视差值,标定视差为零的点,重新组合成新的载体图像,进行水印嵌入。由于视差为零的像素点在生成左右眼视图时没有发生水平移动,所以此方法克服了DIBR过程中的像素平移带来的攻击。实验证明此方法能得到和二维水印一致的效果并且对于高斯噪声和JPEG压缩都具有良好的鲁棒性。      

数字全息再现像的细节显示和视觉畸变矫正

在分析数字全息系统的最小分辨距离和再现像平面上的采样间隔的基础上，提出了一种在用菲涅耳变换法再现数字全息图时，能清楚显示再现像细节的简单方法，这种方法能有效地提高再现场的显示分辨率。通过给由CCD记录的数字全息图补零，可使再现像平面上采样间隔减小，使再现像具有更多的像素，得到保留了更多记录信息的高质量再现像。用同样的方法，也可以矫正由于CCD靶面尺寸在水平和竖直方向上的不一致造成再现像的视觉畸变。实验结果表明此方法有很好的效果。     

基于精确模型和逆投影的超大视场红外图像畸变校正

针对超大视场红外图像畸变大、与人眼视觉差异明显的问题,提出了一种基于精确模型和逆投影的超大视场红外图像畸变校正算法以改善其视觉效果.该算法首先利用精确模型对超大视场红外相机成像中的物、像关系进行描述;然后,针对红外图像像素采样率不高的缺点,利用较为精确的三次卷积插值法对图像进行插值来补全成像信息;最后,根据校正图像上的待赋值像点的坐标,结合校正模型和超大视场红外相机精确模型,计算该像点逆投影到插值图像时的对应坐标,并以最近邻像点像素值作为校正后图像像点的赋值.车载道路场景下的超大视场红外图像畸变校正实验结果显示,所提出的算法图像校正结果边界清晰、无锯齿效应,对场景中的直线平均还原偏差小于0.35 pixels,表明该算法对超大视场红外图像畸变校正具有较好的适用性.     

基于三维透视变换的圆柱面QR码识别方法

传统的QR码识别算法只适用于打印在平面上的条码,提出了一种有效识别打印在饮料瓶等圆柱面上的QR码。通过对图像轮廓进行角点检测确定回字定位图形,在此基础上筛选条码关键轮廓并对其进行霍夫变换提取圆柱面上的透视椭圆信息,同时结合透视椭圆的参数和三维透视变换,有效构建了圆柱面条码像素从二维图像平面直接映射到三维图像空间的变换矩阵,重构打印在平面或圆柱面上的QR码目标。实验结果表明,该算法对平面或圆柱面QR条码的识别有较高的准确率。     

高衍射效率光致聚合物薄膜中全息记录研究

为了研究新的全息记录介质,本文我们介绍一种基于TMPTA单体的光致聚合物材料。我们已经在该聚合物薄膜样品中成功记录三维实物信息及数字静态视差图像存储等,证明具有良好的全息记录与重建的性能。实验结果表明:该材料在记录角度为26°时,不加电压等任何外部条件下的衍射效率接近90%,并且制作简便、容易保存,作为全息记录介质能够有效地重建出高分辨率,高衍射效率的全息再现像。由于该聚合物的高衍射效率并且不需要外加电压等特性,该材料更加适合用于全息图和大数据的永久存储,并且它在大尺寸静态三维全息图显示、三维图像存储、数据储存、全息防伪、全息打印等领域具有较强的优势和潜在的应用前景。     

基于双目视觉的三维场景图像表面重建算法

在三维场景图像中,像素色度不均匀会影响图像的视觉表现效果,维持像素色度的均匀分布是提升图像视觉表现效果的有效方法。为满足实际应用需求,大幅提升三维场景图像的视觉表现效果,提出一种基于双目视觉的三维场景图像表面重建算法。首先,确定视觉相机的内参、外参标记结果,通过极线校正双目图像的处理方式,完成基于双目视觉的三维场景图像标定;然后,求解像素代价聚合条件,根据像素节点的三维视差推导图像表面的重建表达式,完成基于双目视觉的三维场景图像表面重建算法的设计。实验结果表明,双目视觉技术作用下,三维场景图像的像素色度呈现出较为均匀的分布状态,符合提升图像视觉表现效果的实际应用需求。