浙江大学刘旭、吴仍茂团队：多视点图像生成新方法——“深”域清晰，全背光兼容 | 专题亮点

导

读

基于柱透镜阵列的光场三维显示系统凭借大视角、结构简单等优势，被认为是最具潜力的三维显示技术之一，在文娱、医疗及教育等领域展现出广阔的应用前景。该系统通过背光模块、液晶面板（LCD）与柱透镜阵列的协同作用，实现对三维场景的光场重构。其中，加载于 LCD上、用于调制光场强度及颜色信息的图像即为多视点图像。浙江大学刘旭、吴仍茂团队基于视点照度分布，提出了一种适用于各类背光结构且能显著提升大深度区域显示质量的多视点图像生成方法，并通过仿真验证了其有效性。该文被选为《光学学报》“显示光学”专题（第46卷第9期）亮点文章。

文章来源：《光学学报》2026年第09期亮点文章 | 刘章涵, 吴仍茂, 高超, 李海峰, 刘旭. 基于视点照度分布的光场显示多视点图像生成方法（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(9): 0911011.

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研究背景

传统方法在生成多视点图像时，假设图像上的每一个子像素对应一个特定视点，通过在各视点处对三维场景进行采样，并将获取的光场信息填充至对应的子像素，即可完成对颜色与强度信息的编码。然而，这种“点对点”的映射机制在抑制视点串扰及优化大深度区域显示效果时，往往面临自由度不足的困境。此外，随着光场显示系统愈发倾向于采用发散角较小的准直背光以替代传统的大角度散射背光，传统方法也难以兼顾因背光发光特性改变而引起的视点空间分布变化。

针对上述局限，浙江大学刘旭、吴仍茂团队通过引入视点照度分布，提出了一种强普适性的多视点图像生成方法。该方法不仅适用于包括准直背光与大角度散射背光在内的多种背光结构，还能根据观看者所在的位置对显示效果进行针对性优化，显著改善了大深度区域的三维显示效果。

为了生成多视点图像，文章首先提出一种基于视点照度分布的显示效果仿真方法。该方法结合背光模块的实际发光特性与光场显示系统参数，首先通过光线追迹获取各子像素所形成的视点照度分布。随后，假设观看者的眼睛所在位置为x₀，将各视点在x₀处的照度定义为观看者接收到的来自各子像素的光场信息强度，如图1(a)所示。利用柱透镜阵列的周期性，即可得到观看者接收到来自LCD上每一个子像素的光场信息强度矩阵，如图1(b)所示。最后，将该强度矩阵与多视点图像P 逐个子像素对应相乘，即可得到观看者所在位置处的显示效果仿真结果，即观看者在该位置处接收到的实际光场图像，如图1(c)所示。

图1 基于视点照度分布的显示效果仿真方法。(a) 获取各视点在x₀处的照度值；(b) x₀处接收到的强度矩阵；(c)仿真结果的计算方法

上述过程将背光模块的实际发光特性纳入了仿真模型，这使得基于该过程的多视点图像生成方法能够适用于各类背光结构。此外，通过引入针对预设目标位置的迭代优化机制，所提方法能够显著改善系统的三维显示效果，其生成流程如图2所示。首先，给定初始多视点图像P ，计算各预设目标位置的强度矩阵，仿真得到对应的实际光场图像。随后，通过计算实际光场与目标光场之间的均方误差构建损失函数。若损失函数未满足停止条件，则依据推导的梯度公式对P 进行迭代更新。重复上述迭代优化过程，直至满足停止条件，最终输出生成的多视点图像P *。

图2 本文提出的多视点图像生成方法流程图

为验证文章提出的仿真方法的有效性，研究人员选取三个不同场景，分别使用该方法和商业渲染软件获得仿真结果，并计算二者的结构相似度（SSIM），结果如图3所示。可以看到，两种方法得到的仿真结果高度一致，在三个场景中，SSIM均接近或超过0.9。这不仅验证了该仿真方法的有效性，也为后续基于该仿真过程的多视点图像生成方法奠定了基础。

图3 不同场景下两种方法得到的仿真结果对比

利用图2所示的多视点图像生成方法，针对7个目标位置生成的图像显示效果如图4第一行所示。与传统方法生成的图像相比（图4第三行），该方法能够同时改善多个目标位置的三维显示效果，与原始场景的SSIM均有所提升；尤其在方框所示的大深度区域，该方法有效解决了传统方法存在的严重串扰问题，显著提升了显示质量。

图4 两种方法生成的多视点图像在各目标位置的显示效果对比

目前仅通过仿真验证了提出的多视点图像生成方法的有效性，后续研究团队将搭建显示样机，通过实验进一步验证该方法在实际光场显示系统中的效果。此外，团队也将进一步提升算法的计算效率，使该方法能够结合人眼追踪技术，将实时获取的双眼位置作为动态目标位置，实现多视点图像的动态更新。

作者简介

吴仍茂，浙江大学研究员，美国光学学会会士（Optica Fellow）、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、国家自然科学基金优青项目获得者。主要从事自由曲面光束调控、新型成像和显示技术的研究工作，在包括Optica、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research 等期刊发表SCI论文70余篇。先后获美国光学学会Kevin P. Thompson光学设计创新奖、浙江省技术发明二等奖、中国光学学会科技创新奖技术发明二等奖、阿里达摩院青橙奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖等。目前担任Optics Express、Advanced Imaging、《光学精密工程》及《激光与光电子进展》等国内外学术期刊编委。

刘章涵，浙江大学光电科学与工程学院硕士生，研究方向为光场三维显示。

科学编辑 | 刘章涵、吴仍茂

编辑 | 杨晨