显示技术是支持和推动医疗、文化、工业及军事发展的重要基础和动力。传统的二维显示技术及现有的如立体显示、光场显示等三维显示技术无法提供三维场景的全部深度信息,人眼观察会产生视觉疲劳等问题。全息三维显示包含三维物体的全部物理信息,因此可以再现全部深度暗示并满足人眼自然观察习惯,是最具有发展潜力的三维显示技术。传统的光学全息只能记录和再现静态的三维场景且要求存在真实的光波进行物理上的光学干涉。而计算全息结合传统光学全息、高速计算和先进光电器件可实现真实或虚拟场景的动态全息三维显示。计算全息利用数字化的三维建模及光波衍射干涉计算来生成全息图的信息分布,它决定了全息三维显示的再现像质量和动态效果,是全息三维显示中的重要研究内容。由于复杂三维场景存在巨大的信息量,计算全息图的高速生成以及三维场景的真实渲染方法是当今全息三维显示技术的研究热点。本文研究动态全息三维显示中计算全息面元方法的物理模型及全息图生成的加速算法和光照渲染方法。研究目的为:在动态全息三维显示的计算全息方法研究中提高全息图计算速度,真实渲染三维场景。研究工作及取得成果包括:1.简述全息三维显示系统国内外发展状况,对全息三维显示的数理基础进行深入研究和分析,介绍标量衍射理论及全息术基本原理,分析光波衍射的数值求解方法及特点。2.修正计算全息传统面元法核心理论:详细求解计算全息传统面元法,求解原始三角形由空域旋转带来的频谱旋转,修正前人工作中积分变换以及相应雅克比行列式求解,消除傍轴近似要求。3.提出一种针对计算全息传统面元法的环境光照补偿方法:结合计算机图形学研究朗伯表面的光照数学描述,分析计算全息传统面元法中由二维线性内插过程中补零操作带来的能量丢失,利用随机信号的均一功率谱密度特性结合傍轴近似条件下新旧频谱定义域间有限几何关系补偿频谱旋转带来的能量丢失,分离全息图计算与加工过程。通过光学实验验证上述方法并正确添加三维场景环境光照及高等光照。4.提出计算全息仿射传统面元法:定义特殊的计算全息三维模型及唯一的基元三角形,根据多视几何中的三维仿射变换理论建立任意三角形与基元三角形的一步空域变换关系,利用上述关系推导求解计算全息仿射传统面元法中任意三角形频谱与基元三角形频谱的变换关系,并利用矩阵分析理论中的伪逆矩阵求解三维仿射变换核心参量,提高计算全息面元法计算速度。通过光学方法验证计算全息仿射传统面元方法的正确性,深入讨论其加速特性条件。5.提出计算全息仿射解析面元法:定义唯一基元三角形并解析表达其基元频谱,根据仿射变换理论解析求解任意三角形在全息图平面频谱域中各处的频谱值,提出一种分割任意三角形并通过全矩阵计算增加随机位相的方法实现相息图再现,提高了计算全息面元法计算速度,通过光学实验验证计算全息仿射解析面元方法的正确性。