【摘要】：人類周圍的真實世界是三維的,我們在生活和工作等場景需要借助三維信息對事物進行充分地理解和精確地判斷。然而,傳統(tǒng)的平面顯示器只能向觀看者展示二維平面信息,丟失了深度信息,無法滿足各行業(yè)對三維數(shù)據(jù)和深度信息可視化的要求。三維立體顯示技術(shù)能為觀眾展示包含真實場景深度信息的三維圖像,近年來該技術(shù)受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。自由立體三維顯示技術(shù)包括多視點3D顯示和光場顯示技術(shù),觀眾無需佩戴輔助眼鏡就能夠觀看到3D圖像。其中光場顯示技術(shù)能夠逼真地模擬原三維場景的光場信息,被認為是自由立體三維顯示技術(shù)的主要發(fā)展方向。但是現(xiàn)階段的光場顯示技術(shù)仍然存在一些問題需要解決,例如景深范圍小和觀看視角窄。本文針對上述問題,對大景深、大視角光場顯示的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:(1)集成成像光場顯示景深模型研究及提升方法研究要點1:集成成像的景深受采集過程和再現(xiàn)過程的共同影響,當被拍攝的物體處于聚焦平面之外時,其在記錄單元所成的像是彌散斑的形式,本文通過分析透鏡的光學特性、人眼能接受的彌散斑尺寸和人眼的正確透視距離推導集成成像采集過程中的景深模型。研究要點2:目前主流的分析再現(xiàn)景深模型的方法是在波動光學的基礎(chǔ)上建立的,但是集成成像系統(tǒng)中透鏡的孔徑約為可見光波長的104倍,衍射效應(yīng)的影響幾乎可以忽略不計。本文研究并分析了錯切現(xiàn)象,并基于該現(xiàn)象分析了再現(xiàn)景深的模型。平面顯示器上的每一個子圖像通過相對應(yīng)的透鏡之后會在像平面形成一個圖像單元,我們通過顯示系統(tǒng)獲取到的3D圖像是由這些圖像單元組成的。當透鏡的成像平面和重構(gòu)平面的位置不統(tǒng)一時,透鏡成像的特性和光線相交形成3D圖像的過程會出現(xiàn)矛盾,這些單元圖像便無法拼接成完整的3D圖像,影響圖像質(zhì)量,降低景深范圍。本文通過分析這個矛盾推導再現(xiàn)景深模型。研究要點3:提出了一種基于時分復用技術(shù)的集成成像顯示方法,該方法可以消除錯切現(xiàn)象,提升系統(tǒng)的景深。該方法由高亮背光、小孔陣列和液晶實現(xiàn),小孔陣列相對于透鏡陣列的優(yōu)勢在于其沒有參考平面,對應(yīng)不同深度場景的采集圖像陣列在通過小孔陣列之后將在物體原來所處位置重建成3D圖像。因此,通過快速刷新在液晶上顯示的對應(yīng)不同深度的采集圖像陣列,再借助人眼的視覺暫留效應(yīng),觀看者就能同時觀看到多個深度平面的圖像,系統(tǒng)景深便能得以提升。(2)基于集成成像和全息功能屏的光場顯示技術(shù)研究要點4:在集成成像技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種大視角光場顯示系統(tǒng),其由LCD面板、透鏡陣列和全息功能屏組成。該光場顯示系統(tǒng)采用了大節(jié)距的復合透鏡,能有效地提升觀看視角。這里設(shè)計的復合透鏡能抑制像差,提升圖像質(zhì)量。這里提出的全息功能屏能夠調(diào)制從透鏡陣列出射的光線,平滑光場信息,使圖像連續(xù)。研究要點5:針對大視角光場顯示系統(tǒng),本文提出了一種基于離軸相機采集三維數(shù)據(jù)和合成圖像生成的方法。離軸拍攝方式符合人類觀看真實物體的方式,拍攝的公共區(qū)域更大,不會記錄冗余的信息。合成圖像編碼算法中的像素映射關(guān)系是點對點過程,因此視點信息排布更加地精確。(3)基于非球面透鏡和全息功能屏的大尺寸光場顯示技術(shù)研究要點6:研究并設(shè)計了一個由LED面板、非球面透鏡和全息功能屏的大尺寸、大視角光場顯示系統(tǒng)。為了提升觀看視角,本文設(shè)計了大節(jié)距的透鏡陣列結(jié)構(gòu),同時為了抑制由于大視場角而帶來的像差影響,本文設(shè)計并優(yōu)化了非球面透鏡,相較于球面透鏡,這種結(jié)構(gòu)的成像性能更加地優(yōu)良。為了提升水平方向上的視點數(shù)目,使3D圖像連續(xù)平滑,本文通過傾斜排布的非球面透鏡結(jié)構(gòu)調(diào)用了豎直方向上的像素來構(gòu)建水平方向上的視點。結(jié)合全息功能屏調(diào)制光線的作用,實現(xiàn)了一個高質(zhì)量的大尺寸、大視角光場顯示系統(tǒng)。
【圖文】：

在二維顯示器上顯示的圖像，需要通過我們大腦的能力去形成３Ｄ感逡逑知，雖然人類視覺系統(tǒng)的心理感知能力很強，但是如果缺少深度信息，感知到的逡逑場景也有可能會出現(xiàn)偏差，如圖１－１所示。逡逑在計算機輔助設(shè)計、科學研宄、醫(yī)療成像和軍事演練等領(lǐng)域，三維數(shù)據(jù)的可逡逑視化對于計劃的執(zhí)行、病癥診斷和地形分析至關(guān)重要。顯示技術(shù)能有效地帶動上逡逑下游產(chǎn)業(yè)，促進國民經(jīng)濟發(fā)展，一直是各國科學技術(shù)發(fā)展的重要方向，標志著一逡逑個國家的科技水平。３Ｄ顯示技術(shù)能夠為觀眾展示場景的深度信息，滿足人類視逡逑覺系統(tǒng)的需求，在各行業(yè)有大量的需求，，因此可以預見３Ｄ顯示技術(shù)將成為下一逡逑代顯示技術(shù)的重要發(fā)展方向。逡逑ｒ１＼逡逑令逡逑圖１－１視覺感知出現(xiàn)錯誤的場景圖逡逑１逡逑

觀看者為了看清楚處于不同深度的物體，會改變晶狀體的焦距讓眼睛聚焦在逡逑該物體上。觀看者依據(jù)焦距的變化判斷三維物體的深度關(guān)系。逡逑輻輳：如圖１－２邋（ｂ）所示，人類在觀看某一物體時，會轉(zhuǎn)動眼球使雙眼注視逡逑的方向匯聚到這個物體上。雙眼注視方向的夾角會隨著物體的遠近而改變，物體逡逑越近，眼球轉(zhuǎn)動幅度越大，雙眼注視方向形成的夾角越大；物體越遠，眼球轉(zhuǎn)動逡逑幅度越小，雙眼注視方向形成的夾角越小。觀看者可以依據(jù)這個夾角的變化來判逡逑斷三維物體的深度關(guān)系。逡逑運動視差：如圖１－２邋（ｃ）所示，人類在不同角度觀看三維物體，所獲取到的逡逑圖像是有差異的，這個差異形成了運動視差。當觀看者移動時，近處的物體比遠逡逑處的物體移動得更快，所以觀看者可以依據(jù)物體移動的快慢來判斷它們的深度關(guān)逡逑系。逡逑雙目視差：如圖１－２邋（ｄ）所示，人類的雙眼存在一定的間距，在觀看某一物逡逑體時
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TN27

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 許金凱;丁戧;于化東;王志超;;非球面透鏡表面特性理論分析[J];長春理工大學學報(自然科學版);2012年04期

2 張松;;非球面透鏡加工及模具制造技術(shù)[J];記錄媒體技術(shù);2007年06期

3 ;非球面透鏡[J];光機電信息;2003年11期

4 錢煜,潘君驊;一種薄非球面透鏡的加工與檢測[J];光學技術(shù);2001年06期

5 潘怡玲;非球面透鏡的磨制與檢測[J];機械;2001年S1期

6 吳桂英;用于小型傳感器的非球面透鏡的最佳化設(shè)計[J];光機電信息;1998年11期

7 一川;非球面透鏡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J];照相機;1999年08期

8 ;復制光學技術(shù)綜述[J];國外激光;1994年10期

9 P. L. Ruben;陳伯平;;柯達公司批量生產(chǎn)非球面元件的設(shè)計和使用[J];應(yīng)用光學;1987年05期

10 ;非球面透鏡模具的加工和測量系統(tǒng)[J];模具技術(shù);1987年04期

相關(guān)會議論文 前3條

1 郝沛明;袁立銀;李可新;肖光輝;;雙非球面透鏡的設(shè)計與研制[A];提高全民科學素質(zhì)、建設(shè)創(chuàng)新型國家——2006中國科協(xié)年會論文集（下冊）[C];2006年

2 王健;許喬;李潔;陳賢華;張德勇;;非球面透鏡數(shù)控拋光技術(shù)[A];中國工程物理研究院科技年報（2002）[C];2002年

3 周文光;尤若寧;;一種醫(yī)用眼鏡式放大鏡的設(shè)計[A];中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會第十五次全國學術(shù)年會論文匯編[C];2015年

相關(guān)重要報紙文章 前2條

1 趙欣;用DV拍攝照片不再是妄想……[N];中國計算機報;2004年

2 劉暉;拍出來的樂趣[N];計算機世界;2003年

相關(guān)博士學位論文 前7條

1 楊神武;大景深、大視角3D光場顯示關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京郵電大學;2019年

2 饒志敏;輪式工具拋光硫化鋅非球面關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

3 陳冰;紅外材料非球面透鏡的超精密磨削加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

4 陶波;熱壓玻璃透鏡里的殘余應(yīng)力研究[D];中國科學技術(shù)大學;2013年

5 楊莉;用于熒光共聚焦內(nèi)窺鏡的微型顯微物鏡研究[D];華中科技大學;2016年

6 曹兆樓;廣義非球面透鏡的設(shè)計、制作及應(yīng)用研究[D];中國科學技術(shù)大學;2014年

7 冷長林;基于激光多普勒技術(shù)的微機電系統(tǒng)運動檢測[D];天津大學;2007年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 田爽;熔鑄爐轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速與非球面成型規(guī)律研究[D];長春理工大學;2018年

2 盧勁豐;光學面形誤差的可變補償檢測技術(shù)[D];國防科學技術(shù)大學;2016年

3 董光耀;銑磨非球面透鏡的金剛石工具制備及加工技術(shù)研究[D];華僑大學;2017年

4 張朋;塑料非球面透鏡注射壓縮模具設(shè)計及成型試驗研究[D];大連理工大學;2015年

5 方珍珍;大功率半導體激光器非球面透鏡組準直整形技術(shù)研究[D];電子科技大學;2017年

6 高姣林;基于Zemax的消球差非球面透鏡的優(yōu)化設(shè)計研究[D];蘭州理工大學;2017年

7 黃永程;非球面透鏡注塑壓縮成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D];昆明理工大學;2016年

8 何源;非球面凹凸玻璃透鏡模壓成形過程的有限元分析[D];湘潭大學;2017年

9 柳文杰;電流變拋光光學玻璃的研究[D];吉林大學;2007年

10 張晨鐘;波差法光學自動設(shè)計[D];長春理工大學;2002年

本文編號：2690461