全息三维显示能够重建真实场景的光场, 提供全部的深度感, 成为真三维显示的最佳解决方案之一。计算全息三维显示只需要知道物光波的数学描述, 可以灵活地控制波前, 显示出虚拟的三维物体。但是, 巨大的数据量和计算量阻碍了计算全息三维显示的实用化。文中提出了计算全息三维显示中多个环节的数据压缩编码技术, 包括三维物体的稀疏采样、全息三维视频压缩编码的优选和参数优化、全息图分形压缩算法, 有效地压缩了数据量, 并利用GPU的并行运算能力实现了全息图的快速计算。

为了解决观看视角与光学效率的相互制约关系, 设计了一种基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示器, 建立了3D成像模型, 通过几何光学推导观看视角以及光学效率的计算公式; 详细阐述了如何通过改变透光孔的孔径宽度来调节观看视角以及光学效率; 研制了基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示样机, 通过液晶显示屏实现电控可变孔径针孔阵列, 通过实验验证了可以通过增大或者减小透光孔的孔径宽度来增大3D图像的亮度或者观看视角。

提出了一种基于多视角采样校正的大尺度多投影光场三维显示系统, 系统采用了360台投影仪环绕投影在直径3 m、高1.8 m的柱形各向异性散射屏上, 并在柱形屏内部精确重构出物体的三维光场。该系统能在360°范围内显示可供多人多角度同时观看的具有平滑运动视差的大尺度三维场景, 其中动态场景的绘制帧率达30 frame/s及以上, 具有流畅的动态效果。设计了一种宽场柱面屏幕投影镜头来扩展投影仪画幅, 并设计了一种基于相机多角度采样的光场自动校正方法, 用于校正宽场镜头引入的非线性畸变以及系统装配引入的误差, 实现了对360台投影仪光场的拼接融合。

为了解决传统密码系统由于对称特性导致的安全性低的问题, 提出了一种新的基于柱面衍射和彩色空间转换的单通道彩色图像加密方法。在加密过程中, 首先将彩色图像变换为YCbCr4:2:0格式的单通道图像, 然后经过两次柱面衍射和相位截断操作对图像进行加密。在解密过程中, 将密钥与密文结合, 经过两次柱面逆衍射后重建出彩色原图。由于柱面衍射过程是一个非对称的过程, 此算法可以克服基于平面衍射的加密系统的对称特性, 将其应用到基于相位截断的加密系统中可以进一步有效提高加密系统的安全性。仿真结果表明, 该算法能够有效地对彩色图像进行单通道加密, 不仅可以高质量地恢复原始彩色图像, 而且加密系统具有较高的安全性。

在LED集成成像裸眼三维显示中, LED大屏幕的单个像素点的发散角很大, 使用平凸及双凸透镜, 图像的重构光线发散且相邻透镜单元间的像素串扰大, 导致立体场景再现的过程中图像不清晰, 影响重构三维图像的质量。根据光线追迹原理, 分析了LED集成成像的成像过程, 研究不同形状透镜阵列与LED集成成像相邻透镜单元间像素点间串扰的关系, 仅使用单个凹凸透镜有效地控制了重构光线的发散问题, 使通过透镜的重构光线更加汇聚准直, 光线平行出射, 有效地减小了相邻透镜间的像素串扰, 提高了成像质量。通过比较字母模型成像的仿真结果, 凹凸透镜非常适用于LED集成成像, 成像的效果优于其他形状透镜。

为了提高计算全息图的生成速度和再现像的重建质量, 文中基于角谱传播的精确衍射计算过程, 提出了一种面向层结构的角谱传播计算全息算法。该算法将三维场景分层, 并将每层场景通过角谱衍射运算得到子全息图。通过子全息图在干涉面的叠加, 最终生成整个三维场景的全息图。由于角谱运算没有旁轴近似, 因此对于不同类型的三维数据, 利用该算法计算得到的全息图均可重建得到精确的再现像。此外, 该算法的计算复杂度不取决于三维场景的复杂度, 只取决于分层层数, 因此运算速度较传统点元法可提高两三个数量级。该算法为三维场景的动态显示提供了一种有效的解决方案。