三维立体显示技术能给用户带来身临其境的沉浸式立体感受,因此始终是显示领域的研究热点。自由立体显示技术通过同时显示同一三维场景的多视点图像,支持多个用户从不同角度裸眼观看三维图像,感受立体显示带来的震撼视觉体验。柱镜光栅自由立体显示技术则以其低廉的成本和出众的立体显示效果从众多自由立体显示技术中脱颖而出,成为研究人员们关注的焦点。本文在实验室现有的自由立体显示系统平台上,重点研究基于自由立体显示器的三维视频重建和显示算法,取得的创新性成果包括：(1)提出了一种后向基于深度图像的虚拟视点绘制(后向DIBR)算法。采用深度图边界预处理算法确定出场景中深度值不连续的前后景物体交界处,标记出交界处深度不可信的过渡像素点,在虚拟视点绘制过程中,通过跳过这些不可信点可以消除虚假轮廓现象；先将纹理简单的参考视点深度图投影至虚拟视点位置得到虚拟视点深度图,在每个虚拟像素点位置利用深度缓冲区解决可见性问题；再将虚拟视点深度图反向映射至参考视点位置,通过反距离加权采样算法解决了重采样问题,同时提高了虚拟视点图像质量。(2)提出了一种虚拟相机阵列模型参数的设计方法。针对平板自由立体显示技术,通过理论分析,确定出ShiftSensor相机模型是最佳的立体相机模型；理论推导了在立体效果不发生失真的情况下,虚拟相机阵列各个参数之间应该满足的关系；给出了最优虚拟相机阵列内参矩阵和外参矩阵的确定步骤；给出了具有最小失真的真实三维空间到虚拟三维空间的映射关系。提出的设计方法理论推导严谨,立体显示效果真实,用户交互性好。(3)提出了一种联合时空域遮挡信息的空洞修复算法。先通过静态背景提取算法获取视频序列中的静态场景信息,再利用后向DIBR算法将静态场景渲染至虚拟视点位置,用于恢复空洞区域的纹理信息,极大地减小了运动前景物体四周空洞的面积；对于残留的空洞区域,采用方向性的基于样本块采样的空洞修复算法,按照从背景到前景的修复顺序,从当前图像帧内部选取和目标块纹理最相似的背景纹理块修复空洞区域。提出的空洞修复算法充分利用了输入视频序列时空域上的有效遮挡信息,修复后空洞区域的纹理真实可信,而且具有提高修复空洞区域纹理时域稳定性的优点。(4)针对柱镜光栅自由立体显示技术,提出了一种视点内插子像素映射立体显示算法。首先,根据柱镜光栅立体显示器的参数计算出每个子像素位置取值对应的视点编号；其次,利用线性插值算法对多视点图像数据源进行下采样模拟低通滤波过程,然后再上采样至立体显示器的分辨率；接着根据子像素取值对应的视点编号N确定出其深度值,并将深度值转换为相邻虚拟视点之间的视差值；最后,根据视差值从和视点N相邻的两个整数视点图像中找出对应像素位置中的对应子像素分量,利用反距离加权算法得到最终三维图像中当前子像素位置的分量值。采用本文算法合成的三维图像失真现象较少,纹理清晰细腻,视区切换平滑连续。