自由立体显示技术是三维显示技术中最具商业潜力的方向之一。但一方面,由于生成用于自由立体显示的多视点图所需的渲染计算量较大,生成速率较低,所以自由立体显示技术的发展受到限制;另一方面,当自由立体显示器中常用的光栅等周期性光学元件与液晶显示器的发光单元等周期性结构互相重叠时,显示系统整体会产生摩尔纹,影响显示效果。针对这两个问题,本文使用光线跟踪技术对三维内容生成进行了加速,并对摩尔纹进行了仿真。为了加速多视点图的生成,本文引入感兴趣区域的概念,显著减少了每一帧中所需重新渲染的像素数量,大幅提高了内容生成速率。经实验验证,本算法使得多视点图的生成帧率提高了 2～9倍,且能够在3820x2160分辨率下满足实时交互的需求。本文还引入了反向光线跟踪技术对光学系统中的摩尔纹进行仿真,避免了复杂的分析计算过程及不必要的设计验证成本。实验证明,该算法取得了较好的仿真效果,不仅视觉上具有较高还原度,指标上,仿真图与实拍图的结构相似性也达到了 0.9以上。本论文使用的技术路线、主要的研究内容和创新性成果概括如下:1.实现了基于光线跟踪技术的多视点图生成系统。该系统采用基于CUDA的并行光线跟踪技术,能充分利用GPU的并行运算能力,高效渲染三维场景,并可以通过外接设备与显示系统进行实时交互。此外,该系统可以对显示参数进行灵活设置,适配不同参数的自由立体显示设备。在此基础上,为了进一步加速多视点图的生成,本文提出了一种基于光线跟踪技术和感兴趣区域的多视点图生成加速算法。该算法针对变化场景,检测内容中变动的部分,并仅针对该部分进行重新渲染。该算法可以避免大量非必要的计算,大幅提高多视点图的生成帧率。最终实现了 4K分辨率下输出帧率超过40fps的高质量实时可交互三维显示系统。2.提出一种基于光线跟踪技术的3D显示器中摩尔纹仿真算法,对场景、光学元件的构建和仿真方案进行了细致描述,引入实拍图像对发光单元进行建模,构建了基于物理的渲染系统,完成了较为高质量的三维显示器中摩尔纹的仿真算法。实验证明,仿真结果与实拍结果的结构相似性可达0.9以上。该算法为光学系统的设计验证提供了有效助力。本文丰富了多视点图渲染加速的相关算法,为三维显示器的摩尔纹消除提供了可视化工具。为实时可交互的高质量三维显示系统的设计与应用提供了新的解决方案。