基于非负矩阵分解的光场显示方法

Light field theory directly models the distribution and propagation of lights in the space. It avoids the complexity of traditional geometric modeling, and hence has its advantages in virtual reality, computational photography and other applications. The methods for light field representation and capturing have been relatively mature, but the light field displaying technology is not yet perfect. Aiming to solve the displaying problems, in this project we will study on the light field displaying theory and applications, and propose a novel and more practical lightweight displaying system on the basis of existing technology...In our displaying system, a multi-layered LCD will be used for autostereoscopic display of given light fields. The images displayed on each layer of LCD are optimized according to the target light field by an algorithm based on non-negative matrix factorization (NMF). The overlapped images modulate the lights enter the observer's eyes to form the desired light field...In order to achieve high displaying resolution and wide observing range, we will utilize the features of the frequency domain of the light field to reduce the computational complexity of the image optimization. And the optimization problem for a wide observing range can also be turned in to optimization problems for a series of small ranges, which are much easier to solve. Then the optimized sub-light-fields of the subdivided observing ranges can be displayed by time division multiplexing. We will also explore the parallelizability of the displaying method, and accelerate it by a multi-GPU-architecture.

光场是直接对空间中光线的分布和传播进行建模，避免了传统几何建模的复杂性，在虚拟现实、计算摄影学等领域中都具有其优势。对光场进行表达和采集的方法已相对成熟，但光场显示技术尚不完善。针对这一问题，本项目将对光场显示的理论和应用进行相关研究，在现有技术基础上提出一种新的更易于实际应用的小型光场显示系统。.该系统中将采用多层液晶显示屏来实现裸眼光场自动立体显示。其中在每层液晶屏上显示的图像根据目标光场通过基于非负矩阵分解的算法进行优化，从而使多层图像叠加调制后形成进入人眼的子光场。为了提高显示分辨率、扩大光场可视范围，我们将利用光场的频域特性，减少光场图像优化的计算量。同时通过时分复用策略将较大可视范围的优化问题转化为多个小范围优化问题，从而降低复杂度，提高算法可并行性。我们还将进一步利用多GPU并行计算框架对该光场显示方法进行硬件加速，以实现光场的实时绘制。

现有虚拟现实立体显示系统通常采用基于双目视差的立体显示设备，但由于分辨率、视差、运动跟踪等多种因素，这类设备易引起人眼视疲劳、头晕等现象。而基于光场的立体显示是直接对空间中光线的分布和传播进行建模，更接近人眼对真实世界的观察机制，利于避免人眼视疲劳等问题，同时也避免了三维几何建模的复杂性，因此在虚拟现实、计算摄影学等领域中都具有其优势。.对光场进行采集的方法已相对成熟，但光场显示技术尚不完善。针对这一问题，本项目对光场显示的理论和应用进行了相关研究，在现有技术的基础之上提出一种易于实际应用的小型三维光场显示系统，在硬件原型系统和软件模拟实验上都取得了一定进展。该系统采用双层液晶屏来实现光场的显示，每层液晶屏上显示的图像根据给定的目标光场，采用一种基于非负矩阵分解的方法进行优化计算。通过两层图像的叠加，调制后的光线进入观察者的眼睛，可以形成具有立体感和动态聚焦效果的光场。.这种光场显示系统显示的目标光场子集与观察者的视点位置相关。为了解决视点位置受限、光场可视范围小的问题，本项目中重点针对光场可视范围扩展的相关问题进行了研究。直接扩大光场可视范围时，参与计算的光线数量增加会使计算量大幅提高，并导致优化算法收敛困难、模拟质量下降。本项目中利用了光场的稀疏性特性，采用蓝噪声随机采样的方法从所有目标视点中选取少量关键视点参与光场的优化计算，从而大幅度减少光场计算的时间复杂度，获得更稳定的迭代过程和收敛结果。关键视点的蓝噪声分布特性有助于减少稀疏光场绘制中的瑕疵，在非关键视点位置上也同样可以得到较好的显示效果。因此，在保持显示质量的前提下，本项目的方法可以在使用相同计算力的情况下对可视范围进行一定程度的扩展。而可视范围的扩展也使光场显示过程中能更好地绘制出具有正确透视关系的场景。

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