高清、全色、三维是下一代显示的三大基本要素,这已逐渐成为显示领域内的共识。其中,三维显示技术带给人们更真实的空间立体感与临场感。为了满足人们对三维显示效果日益增长的需求,契合人眼视觉特性的三维显示技术已成为当前的研究热点。目前,各类三维显示技术还存在着诸如观看视疲劳、视差图像串扰、分辨率不足、颜色重现失真等问题,严重制约着新型三维显示技术的市场化应用与进一步发展。本文研究了三维显示中的人眼视觉特性,分析了三维显示与人眼立体视觉机制的联系,并以光场理论分析了三维显示技术中深度信息的处理过程。基于产学研合作,分析自由立体显示中串扰、色模糊等问题,提出图像重编码的解决方案,并开展自由立体显示在科普推广、科研进展宣传中的应用。本文提出集成成像显微技术方案并搭建了集成成像显微装置,基于插值、窗口适应与频域性质优化了集成成像的立体匹配算法,实验分析并获得了光镊应用背景下的视场深度地图。分析了六基色激光三维显示的色空间性质,研究并提出了基于相机响应谱以及分块色域拓展的颜色管理方案。本论文的主要研究工作概述如下：1.详细阐述了与显示技术相关的人眼基本视觉功能与立体视觉机制,介绍并归纳了人眼视觉特性尤其是其中立体视觉机制与三维显示中各信息分量的关系,分析了各类三维显示技术对激发不同人眼立体视觉机制的侧重。通过引入光场理论,分析了各类三维显示与深度成像技术中深度信息的记录、重建形式,归纳了各类技术之间的理论关系,并阐述了集成成像显示重建机制在频域上的性质。2.开展了自由立体显示技术在科普宣传中的应用,产学研合作研究其中的实用技术与图像生成方法。基于人眼视觉特性分析小尺寸与大尺寸自由立体显示器的可行方案与适用范围,研究契合人眼立体视觉机制与显示器要求的图像生成方法,使用自由立体显示器播放并进行科普推广。从立体视觉机制的冲突出发,归纳了各类产生视疲劳的因素,分别阐述了图像源与显示器件的视角串扰引起的视疲劳。实验分析了大尺寸柱透镜式自由立体显示器表面莫尔条纹引起的边缘模糊,分析了显示器因自重、发热、老化引起形变时,屏幕不同区域的串扰程度；给出了解决形变引起的串扰以及视疲劳的技术方案,即利用一次标定实验来得到屏幕各区域的串扰率,以此为加权,进行图像重编码。3.研究了集成成像应用于光镊的深度信息提取的原理、技术与可行方案。详细阐述了光场显微技术的技术原理与深度重建方法,分析了光场显微技术、扫描共焦显微技术、荧光超分辨显微技术等在应用于光镊时的限制,提出集成成像显微的技术方案,并分析其系统参数与性能的关系。阐述了可用于集成成像的立体匹配算法原理,并基于单元像插值、窗口适应与频域性质进行优化,提出了算法深度与实际深度对应的标定方法。搭建了基于集成成像的显微深度成像装置,实验中获得了光镊应用条件下的含有深度信息的单元像阵列,采用经优化的集成成像立体匹配算法进行图像数据分析,构建了光镊应用实验中的视场深度地图。4.对六基色激光三维显示中的颜色精确重现进行了研究。从人眼色觉出发,阐述了实现六基色激光三维显示的技术方案,分析了其颜色重现方面的限制。提出了针对六基色激光光源波长的优化选择以及针对双相机系统波长响应函数的优化,另一方面针对六基色激光三维显示的特点,提出了基于现有图像片源的分两组进行的色域拓展方法,并分析其拓展后颜色与真实目标颜色之间的色差。本论文的主要创新点包括：1.提出了基于人眼视觉特性的三维显示研究,在产学研合作的基础上,解决了因表面形变引起的自由立体显示器中串扰与色模糊问题,提出了基于图像重编码的视疲劳抑制方案,并将自由立体显示应用于科普知识、科研进展等的宣传中。2.针对光镊中深度信息提取的应用,提出了集成成像显微的技术方案,优化了相应的立体匹配算法,并利用自主搭建的基于集成成像的显微深度成像装置,对光镊相关的微小样品生成包含深度信息的单元像阵列,优化立体匹配算法从中提取出深度,生成视场深度地图。3.提出了基于人眼色觉特性的六基色激光三维显示的可行颜色管理方案,优化了六基色激光三维显示中的光源波长与双相机系统响应函数,提出了适用于六基色激光三维显示的基于现有图像源的色域拓展方法,并用于颜色管理,对其颜色重现的色差性质进行研究。