基于微透镜阵列的三维数字成像

　　1　引　言

　　近年来,集成成像法作为一种三维立体成像技术,受到了越来越广泛的关注[1-6]。集成成像技术与以往的编码孔径成像等方法[7]不同,是用2D微透镜阵列获得多方位视角的单元图像实现3D成像的技术,可广泛用于三维电视和虚拟现实,也可以用于三维图像识别和光学神经网络。为了获得实时的三维显示,传统上是通过光学办法对三维物体图像进行重构。但是这种光学重构的方法存在着很多的不足,主要原因在于进行光学重构时,整个光路不可避免地会受到杂散光的影响。此外,整个重构光学系统还要受到系统装调、光学设备性能的影响,这些都大大降低了重构得到的三维物体图像的分辨率。针对光学系统进行重构的种种不足,本文提出了一种基于微透镜阵列的三维数字成像方法。该方法不受光学元件的限制,避免了透镜单元衍射及系统装调的影响,可获得比直接光学重构法更清晰的图像。

　　2　三维数字成像原理分析

　　提出的方法使用几何光学的光线追迹理论[8-15],分析、模拟集成成像的整个光学重构过程来实现对基原图像的三维数字重构。通常将光线通过微透镜阵列后的每个单元图像称之为基原图像,系列基原图像通过CCD相机等图像传感器进行采集。提出的方法充分利用了原始物体的信息来重构三维物体图像。如图1所示,骰子表面的每个点在微透镜阵列后的像面上成像,随后被CCD摄像机记录,这就是从三维物体到基原图像的形成过程。换言之,骰子的整个表面对基原图像上所有的像素都产生贡献,然而那些位于骰子内部的体元不会对原始像起任何作用。

　　图2是三维数字成像原理的示意图。图中所示的三维数字成像方法是一种重构算法,它通过使用计算机合成的针孔阵列形成原始像的逆绘图程序。重构程序从基原像面的每个基原图像中选取像素点,并在重构像面上点(x, y, z)处显示出相关的像素。参考几何光学的理论,这些二维基原图像通过针孔阵列后投影在重构面上。因为每个基原图像保存了物体不同的三维信息,所以这些基原图像投影后可以合成三维图像。因此,此种方法在计算上可行。图2中,基原像面和重构像面到图中虚线所示的虚拟针孔阵列距离分别为f和z。根据几何光学关系,每个基原图像通过针孔阵列后在重构像面上形成放大或缩小的倒像,其比例因子为M=z/f。当M>1时,一系列连续的倒置像在重构面上彼此重叠。重构像面处的光强与基原图像到重构像面的距离的平方成反比。通过虚拟针孔阵列后所有基原图像的倒像在重构像面z处彼此线性重叠。

　　图3是三维数字成像计算过程示意图。平面XY表示基原像面,光线沿Z方向进行传播。位于点P(x,y,z)处的第i+1个基原图像,通过虚拟针孔后在重构像面上的投影点坐标为P′(x, y, z)。实际情况下,基原图像上任意点的颜色都是由红、绿、蓝3个颜色分量大小决定。因此,可以在电脑中提取基原像面上每一点的三基色值,并相应地在重构像面上对每一点的颜色进行合成。