立体成像技术广泛应用于增强现实、虚拟现实和混合现实，其中的虚拟空间动态几何畸变是影响视觉舒适度的重要因素。为了更合理地量化立体成像中的虚拟空间几何畸变，本文对立体影像获取、显示，以及人眼感知过程进行了分析，模拟了其中可能产生的各类几何畸变。同时，基于虚拟空间中物体的点云数据，以先分块再聚合的思想对畸变前后的点云进行对比分析，建立了静态几何畸变量化模型。再基于静态模型与物体运动属性的融合，得到动态几何畸变量化模型。为了验证所提方法的有效性，基于6组点云设计了10种不同程度的几何畸变。结果表明，所提方法在量化虚拟空间几何畸变时有最优的指标表现，皮尔逊线性相关系数达到0.93，可以准确地反映受测者所感知到的虚拟空间几何畸变。研究内容有望为立体显示几何畸变优化与视觉舒适度提升等研究提供理论参考。

经典的边缘提取算法在实际应用中由于成像质量不高而被限制，基于鬼成像的边缘提取技术可对待测物实现高信噪比的边缘成像。基于此，提出一种基于Scharr算子的计算鬼成像边缘提取技术。Scharr算子具有低的计算复杂度和较小的计算量，可以更有效处理图像，将Scharr算子作用于散斑生成一组全新的散斑函数，对于Scharr算子模板作用于散斑移动中存在的边缘提取结果在某方向信息缺失的问题进行改进，对算子模板正负进行转换，生成新的算子模板，将新生成的算子模板运用于移动散斑使其生成新的照明散斑，从而实现对边缘提取结果各方向信息的补全。并根据计算鬼成像基本方法在理论上和实验上对未知图像的边缘进行提取，仿真与实验结果表明，所提方法可以获得完整清晰的待测物边缘。

相移法广泛应用于条纹投影轮廓术，可以实现静态物体的高精度三维测量。然而物体运动会改变相邻条纹间的相移量，进而引入周期性的运动误差。针对上述问题，提出一种基于彩色条纹投影的运动物体三维测量方法。该方法将余弦条纹和正弦条纹分别编码至彩色图像的红色通道和蓝色通道，然后利用相移算法从两个颜色通道中提取两个具有反向运动误差的相位图，最后通过计算平均相位图补偿周期性运动误差，并进一步分析了颜色串扰对该方法的影响。仿真和真实试验结果均表明，所提方法能够有效地抑制运动误差，实现准确的运动物体三维测量，而且受颜色串扰影响较小。

车载平视显示（HUD）系统是一种汽车辅助驾驶技术，它可以将车辆信息以可视化方式投影到驾驶员的前方视野。为了使驾驶员在行驶过程中在远、中、近不同的距离下都能通过HUD获取信息，采用双自由曲面离轴三反射系统，设计了一款虚像距离为10 m、7.5 m、3.5 m，对应的视场角为15°×5°、12°×3°、6°×1°的AR-HUD光路。该光路中，在虚像距离为3.5 m处的像面仅显示车速、油量等基本驾驶信息，为固定像面；在虚像距离为7.5 m和10 m处的像面显示辅助驾驶虚拟信息，其中10 m处的像面可以和实景相融合，且这两个像面会根据当前车辆与前方障碍物的距离切换，有效缓解驾驶员的视觉疲劳。三个距离中心眼点处的光斑均落于艾里斑之内，调制传递函数均接近衍射极限，网格畸变值均小于5%，动态畸变值均小于5′。

三维物体的空间结构复杂，光波场很难用具体的函数准确描述，三维显示非常困难。提出一种硅基微机电系统（MEMS）二维扫描平台与超表面元件集成的三维显示技术，利用视觉暂留特性，建立快速三维显示扫描片上结构，理论上实现了物像信息的三维图像的重构。利用层析法实现物体的三维显示，采用Gerchberg-Saxton（GS）算法获得单层二维图像单元相位值，建立基于几何相位原理的二维超表面结构，获得了二维全息平面像。依据空间、时间序列构建了由离散的多层超表面二维全息像形成的物体三维显示。结果表明：所获得的二维全息像峰值信噪比大于20 dB；所设计的片上二维扫描平台在0.1 s内能够完成9幅二维全息像的叠加，三维显示的帧率达11 frame/s。研究成果为快速调制的三维显示提供了微型化的系统级解决方案和理论模型。

针对传统鬼成像在识别手写数字时所存在的重构图像质量差的问题，结合生成对抗网络生成数据快的优势，提出一种新的鬼成像质量优化方法，以提升低采样率下鬼像的重构质量。通过桶探测器收集由系列散斑照射到待测手写数字图像上的光强，获得总光强值，并将其输入适用于鬼成像原理的深度卷积生成对抗网络，进行训练，分别与传统鬼成像方法和u-net网络进行对比分析，验证了所提方法的有效性和合理性。实验结果表明，所提方法得到的重构图像质量明显优于对比方法的图像质量，且在0.0625、0.25采样率下重构图像的峰值信噪比和结构相似度较u-net网络分别提升了18.9%/51.9%、38.29%/42.35%。

为克服传统质量导向相位展开方法无法正确展开多孤立物体的局限性，提出一种基于区域分割的立体质量导向相位展开方法。该方法将包裹相位分割为多个区域，并为每个孤立区域通过立体匹配算法确立左右相机多视图相位展开初始点，通过质量导向相位展开算法实现多视图孤立物体相位展开。进一步提出了基于区域双目立体展开相位匹配的单频条纹结构光三维（3D）测量，实现了单个频率包裹相位下的多孤立物体3D重建。实验结果表明，所提方法可以实现多孤立物体运动状态的3D重建，在四步相移和单幅条纹图条件下重建标准球的直径平均绝对值偏差分别为0.0135 mm和0.0347 mm。

在轨组装、维修等航天应用需要大尺寸高精度的在轨测量手段，而视觉测量具有极大的应用潜力。针对目前在轨多相机视觉测量系统缺少人工参考物辅助相机定向的问题，提出一种利用恒星和基准长度尺使多相机视觉测量系统实现外方位参数标定的方法。首先提出一种基于相对外方位参数的恒星和基准长度尺成像模型，解决无人工目标点时多相机空间位置和姿态的解算问题；然后提出一种基于先验误差估计的加权联合平差算法，将三类不同数据融合，实现多相机外方位参数高精度标定。实测实验表明，利用所提标定方法，恒星和基准长度尺端点像面误差的标准差分别为0.48 μm（1/7像素）和0.21 μm（1/16像素）。另外，在2.5 m×1.4 m的测量范围内，所提方法的空间X、Y和Z坐标误差的标准差分别为0.15 mm、0.04 mm和0.05 mm。所提方法能为视觉测量在轨应用中面临的系统参数标定问题提供方法和参考数据。

提出一种基于双层半色调图像联合编码的光场显示装置。该装置由准直背光、双层菲林片、滤光片、非球面柱透镜阵列和垂直扩散膜组成。菲林片用于显示半色调光场编码图像，滤光片用于实现红绿蓝三色通道，非球面柱透镜阵列和垂直扩散膜用于调控光线的出射方向。为了实现超多视点和高灰阶的光场显示，利用双层菲林光场编码提升视点数目，利用半色调图像联合优化方法合成双层菲林结构上的光场编码图像，扩展灰阶范围。在验证实验中，实现了超多视点、高灰阶、彩色的三维光场显示效果，视点数量达到165个，灰阶达到256×256×256。

衍射场作为叠层衍射成像技术（ptychography）的重要约束，其信息的丰富度和准确性将直接影响重构质量。提出一种基于极大似然噪声估计的高动态范围（ML-HDR）叠层衍射成像方法，即在探测器线性响应假设下，构建复合高斯噪声模型，根据极大似然估计求解最优权重函数，由多张低动态范围衍射场合成高信噪比衍射场。对比了单次曝光、传统HDR和ML-HDR三种方法的重构质量。仿真和实验结果表明：相比单次曝光，ML-HDR能将动态范围拓宽8位，重构分辨率提升至2.83倍；相比传统HDR，ML-HDR能提高重构图像的均匀性和对比度，且无需额外标定硬件参数。