基于视差图像的360°曲面拼接光场显示及复用加速编码算法研究

本研究针对传统平面光场编码算法在曲面投影中效率低下的问题，提出基于视差图像的曲面拼接复用加速（CSRA）编码算法及校准方法，实现了270°水平视差裸眼3D显示。通过光路复用加速技术，编码速度提升270倍，PSNR/SSIM验证了重建质量，为实时动态光场应用奠定基础。

　　

在追求极致沉浸式体验的3D显示领域，如何突破平面显示的物理限制一直是研究者们的攻坚方向。传统投影光场技术虽能实现裸眼3D效果，但存在视角狭窄、曲面适配性差两大痛点。更棘手的是，基于3D模型的传统编码算法需要逐光线渲染，耗时长达数小时，严重制约实时应用。当Jones团队2014年首次在曲面上实现投影光场时，业界惊叹之余也发现其依赖复杂的光线追踪计算；而2016年Yoshida的环形投影系统虽扩展了视角，却仍未解决编码效率的瓶颈。这些局限使得360°全景光场显示始终停留在实验室阶段。

中国国家自然科学基金支持的研究团队另辟蹊径，将视差图像与曲面几何特性相结合。研究人员创新性地开发出曲面拼接复用加速（Curved surface Stitching Reuse Acceleration, CSRA）算法，该技术通过三个关键突破实现飞跃：首先利用360°曲面的中心对称性，只需完整计算单台投影仪的光路映射关系，其余通过坐标偏移增量生成，使编码速度较传统方法提升57倍；继而引入光路复用技术，通过预存基础映射模板实现270倍加速；最后设计的分区透视变换校准算法，采用标准网格校正拼接误差，使多投影仪画面过渡平滑度提升80%。

水平方向光场编码算法
通过建立圆柱坐标系下的光线向量模型，将视差图像采样光线与重建光线的水平夹角匹配度作为映射准则。相较于传统需计算10⁸量级光线的方案，CSRA算法仅需处理1/270的基础光路数据，其余通过旋转变换矩阵快速生成。

曲面拼接光场校准算法
在投影重叠区部署20×20校准网格，采用基于SIFT特征的分块透视变换。测试显示该方法将拼接区域的PSNR值从28.6dB提升至35.2dB，SSIM指数达到0.91，有效消除因机械公差导致的光场畸变。

系统实现与验证
搭建的环形投影系统包含12台4K激光投影仪，配合柱透镜复合扩散屏形成直径3m的显示圆柱。在恐龙骨架等测试场景中，系统成功实现270°水平视差，观看者移动时可观察到连续透视变化。量化测试表明，CSRA算法在保持重建质量（PSNR>32dB）前提下，将单帧编码时间从3.2小时压缩至42秒。

这项发表于《Optics and Lasers in Engineering》的研究具有双重里程碑意义：在理论上，首次证明视差图像可直接用于曲面光场编码，突破模型依赖；在应用层面，270倍的加速比使实时动态光场显示成为可能。正如研究者Haiyang Yu在结论中指出，该技术为大型沉浸式展览、虚拟手术训练等需要全景3D的场景提供了可行性方案。未来通过优化GPU并行计算，有望进一步将编码时间缩短至毫秒级，真正打开光场显示商业化的大门。