人类对外部信息的感知，70% 以上是通过视觉获得的，因此提供精准而有效的视觉内容是显示技术发展的根本驱动力。客观世界是三维的，人类视觉系统可以感知外部环境完备的深度信息，从而精准判断出空间方位来对周围事物进行充分的理解和合理的判断。平面显示技术只能提供二维（Two Dimensional，2D）平面信息，无法激励人类视觉系统感知深度信息，这与人类视觉系统认知客观世界的方式是不符的。
裸眼三维（Three Dimensional，3D）显示技术是 3D 显示技术的重要发展方向，可为观众呈现具有不同侧面信息与深度信息的 3D 显示内容，并且观察者无须佩戴助视设备。因此，裸眼 3D 显示技术受到了国内外学者和企业的广泛关注，是目前 3D 显示研究的热点。然而，裸眼 3D 显示技术依然面临着很多挑战，其中最为关键的一个问题便是分辨率低。这个问题严重影响裸眼 3D 显示质量，是裸眼 3D 显示技术进一步发展和应用的瓶颈。裸眼 3D 显示分辨率低体现在角分辨率不足和空间分辨率低两个方面。角分辨率是单位角度内的视点数目，表征 3D 信息显示的连续性。角分辨率不足会使 3D 影像运动视差不连续，同时也会引起辐辏和调节的矛盾，使观察者产生眩晕感。空间分辨率是视点光线汇聚形成的二次光源数量，表征 3D 影像的精细程度。空间分辨率低会降低 3D 数据可视化的精确度和有效性。
为实现高质量裸眼 3D 显示效果，针对裸眼 3D 显示分辨率低这个关键问题，笔者进行了分辨率提升方法的研究。本书的创新点和主要研究内容如下。
（1）基于像素水平化调制的高角分辨率光场显示方法
集成成像所再现的全视差 3D 影像具有运动视差连续平滑、立体感突出等优点。本书基于集成成像全视差光场构建方法，提出高角分辨率水平光场构建方法。在平面显示分辨率资源有限的前提下，设计微针孔单元阵
列和非连续柱透镜阵列，以特定的水平方向角水平化调制所有平面像素发出的光线，在大视角范围内构建水平方向密集排列的视点，实现高视点角分辨率的水平光场 3D 显示。
微针孔单元阵列是基于小孔遮光原理对基元图像中以行为单位的像素发出的光线进行调制，具有控光精准度高、无像差、可制备幅面大和成本低的优点。非连续柱透镜阵列具有与微针孔单元阵列相同的像素水平化调
制能力，并且可明显提升光能利用率。该方法的显示原型系统可实现角分辨率为 2.3 视点 / 度、视角为 42.8°的高质量光场显示效果。
（2）基于视点分布优化的高质量裸眼 3D 显示方法
利用平面像素构建的 3D 视点光线是极其有限的，这个客观事实是造成裸眼 3D 显示分辨率低的根本原因。本书设计了定向准直背光光源和双凸非球面透镜阵列，实现了具有定向视区的视点光线重构。在此基础上，
以时空复用的方式对定向视区进行拼接，组成具有横向视角 360°、纵向视角 36°、垂直方向定向投射角 45°的柱状分布视区。该视区形态对于坐在或站在屏幕周围的观察者及其适用，有效提高了恢复出的 3D 视点光线的利用率，实现了 3D 显示分辨率的提升。
（3）抑制串扰的高分辨率光场显示方法
使用小节距微针孔单元阵列形成具有超高角分辨率的水平光场，可使单眼同时观察到多个视点，激励视觉系统形成单眼调节，消除传统裸眼 3D显示存在的辐辏和调节矛盾的问题。然而，由于邻行像素发出的散射光线可形成杂散光串扰，小节距微针孔单元阵列实现像素水平化调制会面临视点间串扰严重的问题，并且像素的尺寸越小，杂散光串扰越严重；角分辨率越高，视点串扰对显示质量的恶化会越严重。
为了解决这个问题，本书设计了垂直方向准直背光光源来替换传统裸眼 3D 显示使用的散射背光光源，对邻行像素杂散光串扰进行有效抑制，实现了低串扰的高角分辨率光场显示。同时，因为所使用微针孔单元阵列节距小，所再现的 3D 影像具有高空间分辨率。显示原型系统再现的 3D 影像在串扰率低于 7% 的前提下，具有 39.2 视点 / 度的角分辨率和1280×1080 像素的空间分辨率。
为增大显示视角，本书提出了实时入瞳光场再现方法。基于人眼的空间位置，实时采集并再现瞳孔视锥角范围内的光场信息，实现大视角显示的同时，保证高角分辨率的水平光场构建。实时入瞳光场再现方法可实现视差序列图像素与其相对应基元图像阵列（Elemental Image Array，EIA）像素间的正确映射，保证再现的 3D 影像具有正确的遮挡关系和空间立体感。该方法使显示原型系统实现了 70°大视角的光场显示效果。
（4）基于时空复用透镜拼接的高分辨率、大视角集成成像方法
集成成像可以再现原始景物的全视差光场，为观察者提供自然、真实的立体感，但是其空间分辨率低的问题制约了 3D 数据可视化的清晰度，降低了信息的有效性和传达的精准度。此外，集成成像也有视角窄的问题，这两个问题极大地限制了集成成像的应用和发展。
本书提出了时空复用透镜拼接方法，在提升集成成像视角的同时，使集成成像的空间分辨率提升为原来的若干倍。本书设计了方向性时间序列背光光源来实现透镜的时空复用拼接。方向性时间序列背光光源可以以时间顺序提供具有特定方向角的准直背光光束。通过对系统光学参数的预设计，可使具有不同方向角的准直背光光束通过透镜阵列中相邻透镜后汇聚，这样透镜阵列的等效节距变为固有节距的若干倍，实现对视角的有效增大。
同时，准直背光光束在不同时刻具有不同的方向角，在透镜阵列之前以时空复用的方式形成密集的点光源，当背光光源的刷新率足够大时，由于人眼的视觉暂留效应，点光源的数目是透镜阵列中透镜数目的若干倍，实现了 3D 影像空间分辨率成倍的提升。显示原型系统再现的 3D 影像具有 50°的视角、7056 个视点，并且其空间分辨率是传统集成成像空间分辨率的4 倍。
（5）基于深度学习的 3D 成像质量提升方法
对于裸眼 3D 显示系统，器件制作误差和系统装配偏差等外部因素会导致光线重构误差问题，使 3D 成像出现外部串扰，造成显示质量的恶化，如畸变、分辨率减小、景深缩减、遮挡关系错误等。为了抑制外部串扰，提升显示质量，本书根据控光器件的控光原理，基于深度学习拟合控光器件的高阶非线性光解码函数，对具有外部串扰的 3D 成像过程进行数学建模，实现对 3D 成像的标定。根据标定结果，基于光线追迹算法，根据光矢量场的采集与重构模型，解算出正确的重构光线，来修正在光线记录阶段相机阵列中相机的空间位置，进而获得正确的空间信息，完成对基元图像阵列中像素的校正，以抑制外部串扰，提升 3D 成像质量。
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