基於非負矩陣分解的光場顯示方法

《基於非負矩陣分解的光場顯示方法》是依託北京大學，由馮潔擔任負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於非負矩陣分解的光場顯示方法
• 項目負責人：馮潔
• 項目類別：青年科學基金項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

光場是直接對空間中光線的分布和傳播進行建模，避免了傳統幾何建模的複雜性，在虛擬現實、計算攝影學等領域中都具有其優勢。對光場進行表達和採集的方法已相對成熟，但光場顯示技術尚不完善。針對這一問題，本項目將對光場顯示的理論和套用進行相關研究，在現有技術基礎上提出一種新的更易於實際套用的小型光場顯示系統。.該系統中將採用多層液晶顯示屏來實現裸眼光場自動立體顯示。其中在每層液晶屏上顯示的圖像根據目標光場通過基於非負矩陣分解的算法進行最佳化，從而使多層圖像疊加調製後形成進入人眼的子光場。為了提高顯示解析度、擴大光場可視範圍，我們將利用光場的頻域特性，減少光場圖像最佳化的計算量。同時通過時分復用策略將較大可視範圍的最佳化問題轉化為多個小範圍最佳化問題，從而降低複雜度，提高算法可並行性。我們還將進一步利用多GPU並行計算框架對該光場顯示方法進行硬體加速，以實現光場的實時繪製。

結題摘要

現有虛擬現實立體顯示系統通常採用基於雙目視差的立體顯示設備，但由於解析度、視差、運動跟蹤等多種因素，這類設備易引起人眼視疲勞、頭暈等現象。而基於光場的立體顯示是直接對空間中光線的分布和傳播進行建模，更接近人眼對真實世界的觀察機制，利於避免人眼視疲勞等問題，同時也避免了三維幾何建模的複雜性，因此在虛擬現實、計算攝影學等領域中都具有其優勢。對光場進行採集的方法已相對成熟，但光場顯示技術尚不完善。針對這一問題，本項目對光場顯示的理論和套用進行了相關研究，在現有技術的基礎之上提出一種易於實際套用的小型三維光場顯示系統，在硬體原型系統和軟體模擬實驗上都取得了一定進展。該系統採用雙層液晶屏來實現光場的顯示，每層液晶屏上顯示的圖像根據給定的目標光場，採用一種基於非負矩陣分解的方法進行最佳化計算。通過兩層圖像的疊加，調製後的光線進入觀察者的眼睛，可以形成具有立體感和動態聚焦效果的光場。這種光場顯示系統顯示的目標光場子集與觀察者的視點位置相關。為了解決視點位置受限、光場可視範圍小的問題，本項目中重點針對光場可視範圍擴展的相關問題進行了研究。直接擴大光場可視範圍時，參與計算的光線數量增加會使計算量大幅提高，並導致最佳化算法收斂困難、模擬質量下降。本項目中利用了光場的稀疏性特性，採用藍噪聲隨機採樣的方法從所有目標視點中選取少量關鍵視點參與光場的最佳化計算，從而大幅度減少光場計算的時間複雜度，獲得更穩定的疊代過程和收斂結果。關鍵視點的藍噪聲分布特性有助於減少稀疏光場繪製中的瑕疵，在非關鍵視點位置上也同樣可以得到較好的顯示效果。因此，在保持顯示質量的前提下，本項目的方法可以在使用相同計算力的情況下對可視範圍進行一定程度的擴展。而可視範圍的擴展也使光場顯示過程中能更好地繪製出具有正確透視關係的場景。