集成成像三维显示作为“真”三维立体显示技术的一种,可以突破传统二维显示的缺陷重建三维物体影像,当真三维显示的分辨率、深度、视角、以及动态刷新率等技术指标达到一定水平时,可以使观看者犹如沉浸在真实空间中,在军事民用领域具有广泛的应用前景,然而,目前的集成成像三维显示水平与实际应用需求还有较大差距。为了实现高质量集成成像三维显示系统的研制,本文围绕全链路集成成像三维显示质量综合表征和集成成像视频采集与转换生成技术展开研究,建立了全链路集成成像三维显示质量综合表征模型;针对基于对称式微透镜阵列、稀疏相机阵列和光场相机的集成成像三维显示系统,研究了不同光场采集模式下的高质量光场图像采集与转换生成方法,具体开展的研究工作如下:(1)研究了立体视觉感知特性和集成成像性能指标。人眼视觉系统是三维显示图像的接收者,从人眼光学模型和立体视觉特性两方面介绍了人眼视觉感知理论,仿真模拟了Arizona人眼模型,确定三维显示分辨率的要求;讨论分析了三维体像素、系统可观测深度和视场角共同组成的集成成像三维显示指标评价体系,可为全链路集成成像三维显示质量综合表征模型的建立提供理论基础。(2)研究了集成成像全链路(采集过程,光场转换和显示过程)信息传递原理。基于波动光学理论,推导了集成成像系统的三维点扩散模型,分析了重构空间中三维图像的光强分布特性;基于几何光学理论,综合考虑微透镜衍射效应、成像畸变、探测器采样效应、显示像素离散化效应、显示参数不匹配和人眼视觉特性,建立了全链路集成成像三维显示质量表征模型,基于仿真结果定量分析了集成成像系统关键参数对三维显示质量的影响,该模型可以优化集成成像系统设计。(3)针对基于对称式微透镜阵列的集成成像三维显示系统分辨率较低的问题,分别利用时间复用压缩编码和随机相位编码技术将压缩感知理论应用到集成成像微单元图像采集过程中,提出了基于时变压缩编码的高分辨率集成成像方法和基于随机相位编码的集成成像质量提升方法,利用低分辨率探测器阵列采集,结合最优化重建算法获得高分辨率单元图像阵列,突破了传统集成成像采集模式和图像探测器分辨率的限制,能够有效提升集成成像三维显示质量。(4)围绕真实三维场景的光场数据采集和转换生成问题,设计搭建稀疏相机阵列集成成像采集系统,从稀疏相机阵列标定与校正、基于双目视差的深度获取、虚拟视点单元图像生成和匹配显示端参数的集成成像光场转换生成四个层面开展研究,提出了一种联合预设深度虚拟视点图像阵列生成和预设视点光线追迹的微单元图像阵列生成方法,实现了匹配任意显示端参数的微单元图像阵列转换生成。(5)针对光场相机采集模式,设计研制了聚焦型光场相机原理样机并拍摄获得光场图像,采用基于深度评估的三维点云光场图像重建算法和高分辨率自动对焦光场图像重建算法对采集的光场图像进行三维重建分析。光场图像的计算重建避免了显示设备像差采样效应、装配误差等引起的图像质量退化,其结果可以作为三维显示质量的客观评价依据。