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现实世界是三维世界，人眼观察物体时看到的图像具有位差，两幅图像之间的偏差称为视差（disparity/parallax）。正是这种视差使人们能区别物体的远近，并获得立体感。根据视差值的不同，视差又可分为正视差（positive parallax）、负视差（negative parallax）和零视差（zero parallax）。当人们在观察时，正视差使人产生物体深入屏幕的感觉，负视差使人产生物体悬浮于屏幕外的感觉，零视差是正视差和负视差的分界，物体刚好被投射到屏幕上，即人们常说的零平面。夏天夜晚的星星距离人们很远，人们观看星星的视线几乎是平行的，这时视差接近于零，人眼难以区分星星的距离，因此人们觉得星星仿佛在一个平面上，没有立体感。
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人的大脑是一个极其复杂的神经系统，它可以将映入双眼的两幅具有视差的图像经视神经中枢的融合反射和视觉心理反应产生三维立体感。利用这个原理，可以将两幅具有视差的左右图像通过显示器显示，将其分别送给左眼和右眼，从而获得立体感。
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头盔显示器是虚拟现实应用中的3D VR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接收来自主机的3D VR图形信号。使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器即可进行VR输出效果的观察，同时观察者可进行空间上的自由移动，沉浸感较强，如下图所示。
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头盔是最早的虚拟现实显示器，其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼在获取这种带有差异的信息后可以在脑海中产生立体感。
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由于头盔显示器的屏幕距离眼睛很近，因此为了使眼睛聚焦到如此近的距离且不易产生疲劳，需要使用专门的镜片，并且此镜片必须能够放大图像，向双眼提供尽可能宽的视野。
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头盔显示系统主要由显示器和光学透镜两部分组成。目前显示器有很多，如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、VRD类和硅VLSI显示器等。
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立体眼镜采用了当今最先进的时分法，通过立体眼镜与显示器同步的信号实现。当显示器输出左眼图像时，左眼镜片为透光状态，而右眼为不透光状态，而在显示器输出右眼图像时，右眼镜片透光而左眼镜片不透光，这样两只眼睛就看到了不同的画面，达到了欺骗眼睛的目的。
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这样频繁地切换以使双眼分别获得有细微差别的图像，经过大脑计算从而生成一幅立体图像。立体眼镜在设计上采用了精良的光学部件，与被动式眼镜相比，可实现每只眼睛的双倍分辨率以及更宽的视角。
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偏振光眼镜在3D影院中被广泛使用，其镜片颜色有茶色、灰色和墨绿色。光波中有自然光和偏振光两种。自然光的电磁波是向四面八方振动的，即出现光线的漫反射。而偏振镜片中间的胶膜内含有无数细小的杆状晶体，均朝一个方向顺序均匀地排列，故通过偏振眼镜后的光线只能朝一个方向振动。从波动光学看，自然光是以线为中心向各个方向振动的，将横向振动的光滤出后，剩下的就是偏振光，再将垂直方向的光波滤出后，得到的就是偏振光滤光镜（偏振镜），它的作用就是滤除部分的光。这种滤光作用不改变光的成分，只减少光的量，因此这种作业只对非金属有减少反光的作用，如下图所示。
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洞穴式立体显示系统使用投影系统投射多个投影面，形成房间式的空间结构，使得观察者周围具有多个图像画面显示，以增强沉浸感。
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洞穴式立体显示系统简称CAVE系统。CAVE系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，该系统可提供一个房间大小的4面、5面或者6面的立方体投影显示空间，供多人参与。所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助音响技术和相应的虚拟现实交互设备获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和六自由度交互感受。由于投影面几乎能够覆盖所有视野，因此CAVE系统能提供给使用者一种前所未有的、震撼的、身临其境的沉浸感受。CAVE系统的空间结构如下图所示。
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为了解决更多观众共享立体图像的问题，人们提出了采用大屏幕投影显示器组成的墙式立体显示系统。此系统类似于放映电影的背投式显示设备。由于屏幕大、可容纳的人数多，因此适用于教学和成果演示，目前常用的有单通道立体投影系统和多通道立体投影系统。
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单通道被动式立体成像原理使用了两台投影机，一台投射左眼图像，另外一台投射右眼图像，将左右眼图像同时投射到屏幕上。投影机镜头前安装了偏振光片，使投射的光线变成偏振光，而观众佩戴的立体眼镜的镜片也是偏振光片，并且左眼的偏振片与投射左眼图像的投影机的偏振光片的偏振方向是相同的，右眼的偏振片与投射右眼图像的投影机的偏振光片的偏振方向是相同的。这样左眼图像只能透过左眼镜片，右眼图像只能透过右眼镜片，从而使观众看到立体的图像。
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多通道环幕立体投影是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放等。
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采用弧形环状的投影屏幕作为投射载体，利用多台投影机投射出无缝、统一、逼真、立体的完美影像，配合环绕立体音响系统打造出沉浸式的、身临其境般的虚拟显示环境，也可称之为环幕投影或弧幕投影。
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按环形幕半径的大小可分为120°、135°、180°、240°、270°、360°等弧度环幕，也可定制不规则环形幕。一般分为双通道、三通道、七通道等，其中双通道和三通道是最常用的。
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双通道和三通道立体虚拟仿真环幕投影大屏幕是虚拟三维投影显示系统中的一种沉浸式虚拟仿真显示环境，该系统采用边缘融合技术把多台投影机投射出的图像形成立体数字图像实时输出并显示在一个超大幅面的平面投影幕墙上，使观看者和参与者获得一种身临其境的虚拟仿真视觉感受。环幕投影显示屏幕的巨大弧度和显示特征导致了它的实现技术更为复杂性，需要多种核心技术作为整个系统的支撑，如数字几何矫正技术、多通道视景同步控制技术、边缘融合技术，从而形成一个具有极高分辨率、无任何变形失真的数字三维立体影像，如下图所示。
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裸眼立体显示的原理一般是通过光栅或透镜将显示器显示的图像进行分光，从而使人眼接收到不同的图像，这样便实现了立体显示。狭缝光栅显示器通过在显示面板前方放置一个参数合适的狭缝对显示的内容进行遮挡，在经过一定距离后，到达人眼的光线便可被分开，双眼接收到两幅含有视差的图像。
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柱状透镜式采用了相同的原理，只是实现的方式由狭缝变成了透镜，透镜通过对光的折射作用将不同的显示内容折射到空间中的不同地方，到达人眼时显示的内容被分开，人眼接收到两幅含有视差的图像，这样便产生了立体效果。
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因此，裸眼立体显示仍基于立体视觉原理，只是通过改进立体显示器，以特定光学遮挡和光路传播控制的方式，实现将含有视差的图像分别传送到左右眼，进而观看到立体影像。
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