在人们日常观察世界的过程中,不仅会接收到物体发出的光强与色彩信息,还会获取到光线的方向信息,从而判断物体的尺寸、相对位置关系以及深度距离。传统的二维(2D)平面显示已经远远无法满足当今社会对于三维(3D)数据与深度信息的需求。符合人眼认知习惯的三维光显示能够真实的模拟客观世界的场景,增强表达内容的真实性,在目前各个行业领域都有着急切的需求。近年来自由立体三维显示技术迅猛发展,全息显示、体三维显示、平面三维显示等都可以不借助任何头戴式辅助设备为观看者提供立体视觉。然而这些显示技术在分辨率、观看视角、视点数目以及显示质量与尺寸等方面仍存在明显的不足。针对上述问题,本文对高分辨率、密集视点三维显示的关键技术进行研究。论文的主要研究内容和创新点如下:(1)基于液晶显示屏(LCD)的光栅立体显示视点数目提高技术研究要点1:本文创新地设计了双交错狭缝光栅立体显示系统。两层交错狭缝光栅共同调制水平与竖直方向上的像素,该系统可以有效的均衡水平与竖直方向的分辨率。利用几何分析可以得出光栅参数的计算公式。这种双层狭缝的光栅结构对提高视点数目有着重要的意义。研究要点2:传统的柱透镜光栅立体显示的视点数目与光栅截距成正比,提高视点密度必然会增大光栅的截距。然而增大光栅截距会降低显示质量。为此本文提出了利用小截距柱透镜光栅实现密集视点的立体显示方法。利用精确设计的柱透镜光栅(其截距为子像素宽度5.333倍)与新型的像素排布方式可以实现32视点的立体效果。(2)具有平滑运动视差的超多视点3D显示研究要点3:本文设计了部分子像素蒙版用于控制像素排布、选择立体图像对,在满足观看者双目视差的同时为其提供平滑的运动视差。最终在显示系统正面56度的观看区域内实现了 500视点(真实拍摄图片)与1200视点(计算机模型获取)的立体显示,显示景深超过40厘米,光强的波动范围小于0.9%。研究要点4:为了达到多名观众同时观看3D效果的目的,本文提出了一种基于柱透镜光栅的数字断层立体显示方法。数字断层的内容需要精确设计,每一个视点图像都是重复单元图像的周期延展,显示深度与视点图像的结构相关。该系统可以为观看者提供60度的观看范围与大量的连续视点。(3)超高分辨率3D显示研究要点5:本文设计的密集视点正面投影3D显示系统将投影机阵列作为信息的输入源,漫反射屏与柱透镜光栅组成显示屏幕。该系统中单视点的分辨率与投影机的有效分辨率相同,视点数目等于投影机数目。通过调整投影机的摆放方式,可以突破投影机物理尺寸的限制,有效提高视点密度,达到密集视点立体显示的目的,从而增大显示带宽与显示景深。研究要点6:本文设计的基于LCD与全息功能屏的光场显示系统是以液晶显示面板作为显示单元,透镜阵列与全息功能屏作为光学处理器件。该显示方案可以通过引入多组2D显示设备的方式达到提高总体3D显示分辨率的目的。(4)基于集成成像的无视差翻转3D显示研究要点7:本文利用微透镜阵列配合具有3840×2160分辨率的50英寸液晶显示面板设计了一套具有平滑运动视差、超多视点、超大观看视角的3D显示系统。在具体实现3D场景编码的过程中,首先选择深度结构图像确定场景形状,然后选择子图像作为3D内容表面的纹理,最后通过改变子图像排布周期的方式完成编码。多组深度结构信息与子图像纹理可以用来构建复杂的3D内容。