摘 要 文章概述了集成成像显示系统的原理，包括记录和再现过程。对传统集成摄像术和目前集成成像技术的原理进行分析。阐述了带有视差信息的记录过程和光场重构的再现过程，通过集成成像三维显示技术原理的概述，能够更好地了解其应用范围，对该技术的发展前景有着十分重要的作用。
关键词 三维显示；集成成像；視角图像
中图分类号 TB8 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）222-0060-02
集成成像技术能够提供观察者真三维立体的视觉效果。16世纪，滤光镜的使用让人们观看到带有视差信息的三维立体视觉效果。18世纪初出现的“立体镜”能使观察者左右眼看到单独的视差图像。19世纪初Wheatstone发明了反光式立体镜，并发表了双目视觉（binocular Vision）的演讲。1851年，英国科学家Brewster发明了可记录三维信息的透镜式立体镜。1980年Lippmann 提出了“集成照相术”[ 1 ]，实现了对三维物体拍摄记录的集成成像的构想。
1 集成成像显示技术原理
集成成像显示系统一般根据不同的硬件结构、参数和软件算法实现不同的三维成像效果。该技术是一种利用微透镜阵列来记录和再现三维图像的真三维立体显示技术，该技术包括记录和再现两个过程。在早期Lippmann提出的集成摄像术中，记录过程和再现过程是利用针孔阵列和感光胶片对实际场景中的三维物体进行拍摄和重构[2]，如图1所示。
1.1 集成摄像术原理
每一个针孔对应的胶片区域能够记录对应视点传播过来的光束，在胶片上形成一组大小相同等间隔的二维微单元图像阵列，从而记录了物体在不同角度的光源信息。微单元图像的个数和排列方式与针孔整列相同。再现过程是记录过程的逆过程，其针孔阵列的参数设置与记录过程的针孔阵列相同。设置一个自然光源来增加重构物体图像的效果，光源发射的光透过微单元透镜阵列后，携带这对应视角的物体视差信息，沿着对应视角的方向为该视点的视角图片提供信息，从而重构三维物体。
但是集成摄像术存在几点不足：第一点，由于针孔阵列上的小孔透光率很低，记录过程和再现过程中的物体光源信息利用率不高、丢失严重，从而导致重构图像的亮度比较暗。第二点，传统拍摄记录过程中，感光胶卷的使用、保存不方便，显影过程比较缓慢，并要求暗室等复杂条件，从而降低了集成成像技术重构显示的效率。
1.2 集成摄像术原理
随着制造业的发展，微透镜阵列逐渐替代了针孔阵列。并且电子工业的兴起使得记录设备更新换代，电子感光元件推动了电耦合器件（charge coupled device，CCD）代替感光胶片的进程，再现过程中的感光胶片也被液晶显示器（liquid crystal display，LCD）取代。电子记录和再现设备虽然能够快速高效的处理视差图像，但是却带来了被记录的视角图片和微单元图片像素点由连续变为离散的问题，从而对集成成像显示系统的视点个数和三维分辨率等参数造成影响。
现实场景中的物体自发光或反射的光线中包含该物体的颜色、光强和光线方向等信息。在记录过程中，这些光线透过微透镜阵列后被记录在对应微单元图像上，每一条光线将携带的视差信息映射到该微单元图像阵列的像素点上，记录设备是相机阵列的电子感光介质。当感光介质中每一个视角图像上的所有像素点都记录下了对应视点物体图像信息，再经过不同集成成像算法的处理，就合成了带有物体深度信息的微单元图像阵列，其原理光路示意图如图2（a）。
在再现过程中，系统重构的光场信息与记录过程中的相同。将合成后的微单元图像阵列加载到LCD等二维显示器上。根据光路可逆原理，每个单元图像上的像素发出光线经过透镜阵列还原光路并汇聚成一个个焦点，三维物体图像就在中心平面的一定深度范围内被重构出来，其原理光路示意图如图2（b）。
在集成成像显示系统中，三维物体通常被重构在一个特殊的深度平面，在这个平面上微单元图像阵列发现出的光束经过透镜阵列会交汇于一个个焦点，从而达到清晰成像的效果，该平面被称为中心深度平面（central depth plane，CDP）。
根据透镜成像原理的，可以到微透镜焦距、微透镜阵列与显示器之间距离和微透镜阵列到中心深度平面距离的关系如公式1所示：
其中f为微透镜焦距，g为微透镜阵列与显示器之间距离，l微透镜阵列到中心深度平面距离。由于显示系统的光束交汇于中心深度平面，三维物体图像的重构平面在该深度平面时成像最清晰，成像位置距离中心深度平面越远，成像效果越模糊。
2 集成成像显示模式
不同的集成成像显示模式导致中心深度平面处于不同的位置，根据其位置的不同将显示模式分为3种：实模式显示、需模式显示和聚焦模式显[ 3 ]示，如图3。
在实模式显示中，中心深度平面显示在集成成像系统外部、微透镜阵列前方。此时二维显示器与微透镜阵列的间距大于微透镜的焦距，即gf>。此时观察值能够观看到位于显示系统前方的三维重构物体实像。在虚模式显示中，中心深度平面显示在集成成像系统内部、微透镜阵列后方。此时二维显示器与微透镜阵列的间距小于微透镜的焦距，即gf<。此时观察值能够观看到位于显示系统内部的三维重构物体虚像。在聚焦模式显示中，中心深度平面显示在无穷远处。此时二维显示器与微透镜阵列的间距小等于微透镜的焦距，即gf=。此时观察值能够观看到位于显示系统内部和外部的三维重构物体图像同时再现，产生的图像效果质量由于实像和虚像相互干扰变得较低[4-5]。
3 结论
本章概述了集成成像显示系统的原理，包括记录和再现过程。记录过程是通过相机阵列拍摄三维目标，获得带有不同视角信息的目标微单元图像；再现过程是利用光路可逆原理对目标进行光线追迹并映射到微单元图像阵列中，将合成后的图片加载到二维显示器上，置于微透镜阵列的焦平面处，通过还原光路重构空间场景的三维立体图像。在集成成像三维显示技术在人们日常生活中有着很大的应用前进和适用范围，这对该技术的发展有着深远的推动作用。
参考文献
[1]Lippmann M G. La Photographie Integrals[J]. Compt Rend， 1908， 146.
[2]Martinez-Cuenca R， Saavedra G， Martinez-Corral M， et al. Progress in 3-D Multiperspective Display by Integral Imaging[J]. Proceedings of the IEEE，2009， 97（6）：1067-1077.
[3]Hong J， Kim Y， Choi H J， et al. Three-dimensional display technologies of recent interest：principles， status， and issues [Invited][J]. Applied Optics， 2011， 50（34）：87-115.
[4]姚凯凯.集成成像三维显示微单元图像阵列快速生成方法[D].西安：西安电子科技大学，2014.
[5]王梓.集成成像3D显示技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2017.
