近年来,三维显示技术不断发展。自由立体显示技术作为三维显示领域的新兴技术,因其能够使观众在自由立体显示器前观看到逼真的三维影像,获得真实场景般的视觉体验,并且可供观看的范围广,引起了专家学者的广泛关注和国家大量的投入,拥有非常广阔的发展前景。由于自由立体显示器观看角度大,仅依靠单个参考相机生成虚拟视点,会生成很多难以填补的信息空洞。在当前的研究中,如何实时生成大视角高分辨率的3D内容成为一个热点。对此,本文在基于双向深度图像渲染基础上对自由立体内容的生成方法进行了研究,为解决虚拟视点绘制中出现的空洞和伪影等问题,提出了修复和优化方法,包括对深度图像的多层次滤波处理,最后采用GPU并行处理进行算法加速。本文的主要研究内容和创新性工作如下:(1)为填补双向DIBR生成视点图后存在的小空洞,改进了反向映射过程。在反向映射前,对前向映射后的深度图重复进行多层次的均值滤波,滤波窗口由大到小,进而填补了虚拟视点深度图中的小空洞。再利用填补好的深度图,重投影到参考图像。最后利用插值的方式,得到空洞处对应虚拟视点坐标位置上的像素值。(2)提出了基于深度图的图像修复算法。在DIBR过程中产生的较大空洞一般属于背景区域。修复空洞时,前景像素会造成干扰,因此本文中利用深度图像,将前景和背景分开,分别填充背景和前景剩余的空洞信息,使图像质量具有明显的提升,图片峰值信噪比能达到35dB,与传统的双视点DIBR相比平均约高3.5dB。(3)用GPU加速改进算法,并对算法的实时性进行评价和比较。算法的实时性是本课题的一个重要关注点,本文在设计算法时,尽量降低时间复杂度,采用较为高效的算法程序。实验结果表明,渲染一幅1920×1080的图像,耗时在40ms以下,与只用CPU计算相比,速率提升了约26倍,基本达到实时渲染的水平。最后,在Unity3D渲染平台上设计了一款可交互的赛车游戏,并在自由立体显示器上运行,实现了操作者与游戏模型间的交互。