运动模糊图像点扩散函数（PSF）的精确估算是模糊图像复原的关键。为了提高PSF参数估计的准确性，消除频谱图中央亮线对模糊角度估计的干扰，提出一种运用窗函数来提高PSF参数估计精度的方法。对运动模糊图像进行二维离散傅里叶变换和对数运算，计算图像的功率频谱图，对频谱图像添加窗函数Hanning，对处理后的图像进行中值滤波平滑处理和二值变换处理，再结合形态学算法和Canny算子边缘检测对频谱图进行优化，最后通过Radon变换，得到模糊方向。根据模糊方向结果，在模糊角度方向上对运动模糊图像的频谱图进行Radon变换，分析负峰值之间的距离，得到暗条纹间距，根据暗条纹间距与模糊长度之间的关系，求出模糊长度，从而完成两个点扩散函数参数的估算。结果显示，与现有算法相比，所提算法提高了参数估计的精度，复原时产生的振铃和伪影现象减少，充分利用图像信息的同时操作简便。

针对空间相机轻量化、小型化要求，采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑，系统存在色差和球差，引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差，而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题，设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统，对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化，构建出空间不变的点扩散函数模型，为后续图像复原建立复原函数模型，实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm，焦距为185 mm，视场为5°，F数为4，遮拦比为0.35，系统总长为67.8 mm。

提出一种基于计算成像理论的端到端衍射元件设计方法，通过全局性优化方案将光学设计和图像复原作为整体，从而降低前端光学系统的成像质量要求，并利用图像复原算法去除残余像差以简化系统。所提设计方法涵盖光场传播、探测器去噪和图像后处理等关键环节的模型建立与联合优化。该设计方案可用于景深延展的轻薄型衍射元件的设计，且所适用的大景深的简单光学系统具有较高的成像质量。

水下结构状态视觉检测过程中，观测相机镜头易受到水体中枯叶、藻类等悬浮杂质遮挡，导致水下结构表观影像信息丢失，影响检测效果。针对该问题，利用水下视频序列中的帧内空间信息与帧间运动信息，提出一种悬浮杂质遮挡消除方法。根据相邻帧间的光流场分布信息，提出位移补偿策略，消除相机移动导致的帧间背景偏移；结合悬浮杂质成像特性，建立动态视觉感知模型，在对齐后的相邻帧基础上，实现不同形态悬浮杂质的准确检测；构建一种混合引导修复模型，确立帧间最优互补信息，还原悬浮杂质遮挡区域。在构建的真实与合成数据集上的测试结果表明，本文方法能够准确检测并消除悬浮杂质的遮挡，处理后的图像质量在多项指标上均得到明显提升。

针对水下图像存在的雾化、模糊和颜色失真问题，提出一种基于全变分和颜色平衡的水下图像复原方法。以完整水下光学成像模型为基础，分别结合四叉树细分法与光在水中传播特性估计背景光，利用水下中值暗通道先验估计透射率，并采用共轭梯度和迭代最小二乘法估计模糊核。为提高计算效率，引入交替方向乘子法对变分能量方程进行逆求解得到去雾、去模糊的图像。在此基础上，在YCbCr空间采用颜色平衡算法对颜色通道进行补偿以校正色彩失真。与6种流行的水下图像增强和复原方法进行比较，实验结果表明，所提方法可以有效地去除雾化和模糊、校正色偏、恢复出清晰、色彩真实的水下图像。

高光谱图像（HSI）在采集过程中易受到环境或者采集设备的干扰，遥感数据信息会受到大幅的损失，因此高光谱图像去噪是图像预处理的基本问题。设计去噪算法，将HSI划分为局部等分块，采用低秩矩阵约束表征局部特征，并在其基础上利用截断核范数最小化方法来分离出稀疏噪声，全局利用空间-光谱全变分正则化实现分离密度噪声和维持空间-光谱平滑性的目的，两者结合能高效去除高斯噪声、椒盐噪声等的混合噪声。对所提优化算法与其他4种近几年发表的去噪算法进行对比，平均结构相似度提高0.13，平均峰值信噪比提高1.10 dB，运用到不同强度的单一类型噪声中，平均结构相似度也能提高0.10。在实际图像的放大对比中，所提优化算法也有着明显的噪点去除效果。实验结果证明，所提方法对高光谱图像在局部特征表述上更加贴近，结合全局正则化方法后获得更明显的去噪效果，能够对高密度噪声和稀疏噪声有清除作用。

数字图像相关法作为一种直接有效的非接触、全场光学测量方法，已广泛地应用于各个领域材料和结构的二维/三维位移和应变测量。结合先进的散斑制备技术，在显微镜下进行原位加载实验，可实现微尺度数字图像相关位移和应变测量。微尺度下试样加载过程中将不可避免地出现离面位移，由于光学显微镜景深限制，微小的离面位移将导致散斑图像失焦模糊，从而为变形测量带来相应的误差。为减小这种失焦模糊带来的误差，采用盲去卷积方法对散斑图像去模糊，并针对噪声问题采用高斯滤波的方法对散斑图像进行去噪，定量分析了图像复原对数字图像相关测量精度的影响，并对indium tin oxide（ITO）薄膜进行了拉伸实验。实验结果表明，图像复原后测量的弹性模量误差减小了13.91%，应变测量结果的精度与稳定性更高。

针对不同场景下获得的水下图像存在色偏、细节模糊和对比度低等问题，提出一种基于四叉树分级搜索和透射率优化的水下图像复原方法。首先，建立双透射率水下成像模型，将透射率定义为直接分量透射率和后向散射分量透射率；然后，利用红通道补偿算法对原图像进行预处理，并利用四叉树分级搜索、改进暗通道先验和无退化像素点方法分别估计背景光强度、后向散射分量透射率和直接分量透射率；最后，通过逆求解成像模型，并采用满足瑞利分布的直方图拉伸获得复原图像。实验结果表明，与其他水下图像复原方法相比，所提方法对在强干扰环境下采集的水下图像有着更强的颜色失真校正以及模糊信息增强的能力。