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高密度小间距LED集成成像显示系统关键技术分析

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：余敏余建福邵文威余丰

[导读] 摘要：真三维视频获取与大屏幕显示是影像行业当前的研究重点，也是未来发展的最终目标。

        浙江启明电子有限公司浙江温州 325000
        摘要：真三维视频获取与大屏幕显示是影像行业当前的研究重点，也是未来发展的最终目标。当前的集成成像技术可以显现出真实、立体的的场景，也是立体影像基于此不断深入研究的内容。如何基于立体原图像，实现大屏幕成像成为现阶段的研究关键。本文基于高密度小间距成像系统进行研究，对使用到的关键性技术进行分析，意在推动未来立体影像发展。
        关键词：集成成像；三维显示系统；关键技术
        引言
        视觉是人类捕获信息的重要感官，图像则是承载视觉具体形象的载体。随着技术不断发展，人们对于视觉图像有了更高的需求。立体图像的出现给予人们视觉不同的体验，但是当前的设备显示的立体图像从本质意义上说，并不是完全给人立体视觉体验。对此，还需要在此基础上进行研究，真三维才是未来显像技术发展的最终目标。
        一、真三维集成成像的价值
        真三维技术包含了显示、集成成像等技术在内，是一种更完善的成像显示技术。显示技术利用光的原理，经过光干涉影像在胶片上形成图像。在经过衍射显现出立体图像，对于成像有严格的要求。因为无法满足要求，当前使用的频率也不高。集成成像通过数字图像处理方法，利用光线对影像的光学模型进行重新构建，为观看者呈现出彩色立体的图像，静动展示都可以实现。该技术满足人们对于显现的实际需求，也因此具有良好的商业价值，是未来具有可行性，值得深入研究的技术。
        二、集成成像三维显示原理
        （一）光场三维显示技术
        光场三维技术是集成成像显示系统中的关键技术，可以重新构建光场信息。成像的原理是通过光线，利用光线对水平、垂直方向的信息进行构建，重建后的光场信息由透镜阵列将图像投射回空间，完成重构的过程[1]。而人们的视觉接收重建三维物体发射的光线，视觉感知到三维图像。通常光场三维显示利用光学器件与常规显示设备就有效实现。
        在几何光学中，光线是光的载体，在空间中任意方向都会存在发射光线，当光线汇聚多了以后也被称为光场。
        （二）光场信息记录
        光场三维成像利用二维的光场进行采样，通过物体散发光线，对其光线进行采样，对不同角度的光线整合后获得完整的光场记录。整个过程就是利用光学器件的解码作用，帮助物体恢复光场信息。基于人的双目视差重建光场，根据物体散发的光线制定坐标，将光线信息记录下来。视点数量较少，无法重建光场，需要通过推算获得成像点。视点数量满足重建光场时，利用光学解码实现三维显像。集成成像三维可以不受纵深方向的影响，从不同视角对物体进行观看有效解决聚焦辐辏产生的冲突。
        三、高密度小间距LED集成成像显示系统关键技术
        基于对集成成像进行分析，根据其成像原理，借助大尺寸的显示设备构建高密度成像系统，对其使用的技术进行阐述。
        （一）高密度小间距LED显示屏
        当前市场上的显示设备有LED、LCD、投影仪等二维显示设备。

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在三维显示中，集成成像的大小取决于屏幕与透镜阵列的实际尺寸，图像与显示设备的分辨率为正比。想要将集成成像在大屏幕上进行展示，就需要满足显示设备的实际需求。屏幕尺寸在得到保证的同时，其分辨率也要符合成像的实际需求。常规屏幕采用拼接的方式，是需要投影仪在其拼接过程中，放大投射距离。LED显示屏是当前市场上应用的主流设备，有着色彩度鲜明、视觉通透等特点。但是基于其显示屏的集成成像显示系统尚未研究出成果，导致这一现象的原因是LED的屏幕像素点距离使得分辨率较低，而成像需要的分辨率质量较高，LED无法满足其实际需求。高密度小间距LED则以红、绿、蓝三种发光芯片组成高分辨率的像素点间距，突破了原有LED屏幕的技术壁垒。
        （二）透镜阵列光学参数匹配
        有了高分辨率的LED屏幕，基于此进行光学参数优化匹配，有效提升系统成像的效果。针对于成像效果采用六边形的透镜阵列，有效提升填充率，防止出现串扰现象；六边形透镜阵列可以有效提升原有阵列的采样率，在同等面积的条件下提升成像的分辨率。将LED屏幕与光学参数共同作为集成成像显示系统的单元，基于成像进行任意组合，实现各种显示的实际需求。不受到外界的影响，实现室内外任意场景的重建工作。
        （三）LED屏与透镜阵列的模块设计
        基于高密度小间距LED集成成像的构成，利用计算机传输网络信号给显示屏，透镜阵列根据显示屏显示的光线进行构建，形成立体图像。这种设计方法是通过LED屏最小模组与光学参数进行构建，形成基于LED的最小显示单元。参与到参数构建环节中的内容有透镜元的数量、焦距、排列等，这些参数与最终成像的分辨率之间有着密切的联系。减少直径可以提升分辨率，增大焦距则能增加图像景深。
        （四）LED屏与透镜阵列的参数匹配
        立体显示的最终效果与透镜阵列光学参数有着密不可分的联系，如果显示器本身的分辨率非常高，那么成像的像素数量将是无穷大。但是实际情况是透镜元空经过小，导致像素数量受到限制。想要还原三维信息，需要与透镜阵列进行匹配，充分利用光线去还原光场信息；当显示屏的分辨率不变时，透镜元的各项参数决定了最终立体图像成像的分辨率；如果透镜元各项参数不变，显示屏的分辨率也会对视点造成影响[2]。各项参数并不是独立的，需要根据实际情况做出调整，找到最适合的参数。
        （五）透镜阵列的制作与试验
        透镜分为折射与衍射两种，前者为光线光学，后者为波动光学。为了更好的满足操作需求，使用当前的制作新工艺，制作孔径较大的透镜阵列，制作的时候根据不同的材料密度、性能等，可以形成不同折射率的透镜阵列。针对于图像列阵选取不同的图形进行实验，通过对最后的成像效果进行对比，能发现六边形的成像效果明显是最好的。这是因为六边形的透镜元以蜂窝式的结构增强了透镜模板的成像空间，提升了成像过程中的采样效率，实现高分辨率的集成成像。
        结论
        综上所述，通过对集成成像的原理、技术等进行分析，构建LED高密度的成像系统。有效解决常规LED屏幕存在的受限问题，高密度小间距的LED构成的图像效果更加显著。分析后可以知晓六边形的透镜阵列对于集成成像具有良好的成像效果，该技术的设计对于未来实现大屏幕集成成像奠定了基础。
        参考文献：
        [1]尹景隆. 高密度小间距LED显示控制系统设计[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.
        [2]武伟. 高密度小间距LED集成成像显示系统关键技术研究[D].吉林大学,2018.