视觉是人类感知客观世界,获取外界信息最主要的途径,显示技术作为视觉信息直观呈现的重要技术,致力于对客观世界最真实的还原,对满足人类的视觉需求具有重要的意义。人类视觉系统由双目组成,一直以三维的方式感知客观世界,其不仅能够感知客观世界的色彩信息,还能同时感知客观世界不同角度的信息。然而当前主流显示技术主要以二维图像的形式进行信息的获取、记录和显示,只能够记录客观世界单一视角的信息,无法满足人类对客观世界完全认知的需求。使用三维的方式进行信息的获取、记录和显示是显示技术发展的必然趋势。具有“高动态、大视角、真彩色、高分辨率”等显示特性的真三维显示技术能够从深度、色彩、亮度、对比度等多个维度对客观世界进行真实的还原,是显示技术未来发展的方向。基于视觉感知的裸眼三维计算显示技术是对真三维显示技术实现的重要探究,该项研究工作以当前的裸眼三维显示技术为基础,通过引入人类的视觉感知模型和计算显示技术,结合光学系统结构设计,从空间分辨率、角分辨率、时间分辨率、对比度以及色彩等多个维度,从3D显示体系结构设计和3D内容处理两个层面,研究显示效果提升的裸眼三维显示技术。该显示技术旨在为观看者提供更加生动、准确、高沉浸感的视觉体验。具体的,论文的主要研究内容和创新成果如下:(1)基于正面多投影的大景深、均匀光场分布3D显示受限于有限的角分辨率,自由立体显示装置通常表现出一定的景深,显示的三维场景深度超出景深限制的部分会呈现出离焦模糊,降低显示清晰度,影响观看者的3D视觉体验。因此,为了提升显示系统的景深及显示系统的3D视觉体验,需研究角分辨率提升的裸眼三维显示系统。本文中创新性地提出了基于正面多投影的大景深、均匀光场分布3D显示实现方法,针对多投影自由立体显示,提出了基于像差优化的3D投影屏幕设计方案。为实现密集视点的3D显示,提高显示的角分辨率,利用自由立体显示的周期性视区分布特性,设计周期性排布的多投影机排布方式。为提高构建视点光场的均匀性,对显示系统构建的空间光场进行建模,通过优化排布策略实现了均匀分布视点光场的构建。为实现多投影机的同步控制,提出了多视点内容同步渲染控制方法。据此,本论文设计并实现了由基于柱透镜光栅的3D投影屏及30个投影机组成的大景深、均匀光场分布3D显示系统。该显示系统的显示尺寸为85英寸(1800mm×1200mm),空间分辨率为1200×720,可显示的景深范围为[-590 mm,590 mm],视场角为48°,在最佳观看平面处构建的视点光场强度分布的抖动小于7.65%。(2)大视角、高分辨率的光场显示光场显示技术通过多投影光源配合具有方向控光作用的光学器件实现对客观世界空间光场的构建,可以为观看者提供多角度的透视信息,符合人眼观看客观世界的物理规律,为观看者提供了良好的视觉体验。为此本论文研究光场的表达和构建方法,以此为基础提出了研究角分辨率、空间分辨率提升的大视角、高分辨率光场显示。a)基于高速投影的360度光场显示为了扩大光场显示的视角,本论文中提出一种基于高速投影的360度光场显示实现方法,该方法通过利用具有超高刷新频率的投影设备配合具有方向偏折及定向散射作用的旋转3D投影屏幕,通过时分复用的方式实现构建360度可视的空间光场的目的。3D投影屏幕由具有方向偏折作用的微棱镜阵列和具有方向扩散作用的全息功能屏贴合制备而成。光场显示装置构建光场的空间分辨率取决于投影机分辨率,360度的可视角度符合人眼观看客观世界的物理规律,提升了 3D显示的视觉效果。论文最终构建的360度光场显示装置的显示区域的直径为400 mm,空间分辨率为768×768,视点数目为300。b)基于双层液晶偏振调制的高分辨率光场显示为缓解集成成像光场中存在的空间分辨率和角分辨率相互制约的现象,本论文中创新性地提出了一种基于双层液晶偏振调制的高分辨率光场显示实现方法。通过设计基于像素偏移的双层液晶偏振调制超分辨率显示装置,实现了超出单层LCD物理分辨率限制的超分辨率显示。以之作为显示单元,配合透镜阵列以及全息功能屏实现了高分辨率的光场显示。通过提高显示信息的总量,该高分辨率光场显示实现了同时具有高角分辨率和高空间分辨率的光场构建。论文搭建的基于双层液晶偏振调制的高分辨率光场显示装置的显示尺寸为15.6英寸,视点数目为128X 128,可视角度为40°×40°,构建的空间光场的空间分辨率为433×236。(3)基于色调映射的多投影3D光场显示对比度优化方法多投影3D显示中,3D投影屏幕通常具有一定的反射散射和透射散射特性,从而导致多投影内容的串扰而降低了显示的对比度。为此,本论文创新性地提出了基于色调映射的多投影3D显示对比度优化方法。方法首先对多投影3D显示的发光模型进行建模,而后引入人类视觉感知中的亮度对比度差异感知模型,通过利用基于色调映射操作的多视点内容调整操作,实现了显示光场和目标光场之间感知对比度差异最小。从而提高了构建光场的区域对比度,提高了 3D显示的质量。(4)深度感知保留的三维显示深度调整方法裸眼3D显示中存在由于显示深度超出显示装置景深限制而导致的离焦模糊现象,传统的深度调整方法通常以牺牲3D显示的深度来提高显示的清晰度。针对该问题,本论文创新性地提出了深度感知保留的三维显示深度调整方法。方法通过引入基于康士维错觉的深度调整方法实现对深度不连续处对比度保留的深度调整。通过构建基于对比度差异感知模型和深度差异感知模型的3D显示质量衡量目标函数,并且对其进行做优化求解,实现了 3D显示清晰度提升和感知深度下降的平衡,从而实现了深度感知保留的三维显示深度调整。