在光声层析成像（photoacoustic tomography，PAT）时，不均匀光通量分布、组织复杂的光学和声学特性以及超声探测器的非理想特性等因素会导致重建图像质量下降。本文考虑不均匀光通量、非定常声速、超声探测器的空间脉冲响应和电脉冲响应、有限角度扫描和稀疏采样等因素的影响，建立了前向成像模型。通过交替优化求解成像模型的逆问题，实现光吸收能量分布图和声速分布图的同时重建。仿真、仿体和在体实验结果表明，与反投影法、时间反演法和短滞后空间相干法相比，该方法重建图像的结构相似度和峰值信噪比可分别提高约83%、56%、22%和80%、68%、58%。由上述结果可知，对非理想成像场景采用该方法重建的图像质量有显著提高。

垂轨环扫传感器能兼顾实现超大幅宽（千公里级）与高分辨率（米级）成像，其影像数据量远超传统卫星（单景影像达几百GB）。为了探究该成像方式下影像有理函数模型的适用性和精度，基于垂轨环扫传感器成像原理构建其严格成像模型。针对垂轨环扫影像特性，提出一种结合数字高程模型的地形相关控制点布设方案。采用星下点坐标确定初始迭代区间的方法解决大幅宽条件下反投影计算失效的问题，从而实现任意幅宽影像整景范围内物方坐标到像方坐标的求解。最后，通过生成不同幅宽的模拟影像及姿轨数据完成有理函数模型的建立，探究有理函数模型对严格成型模型的拟合精度。实验表明：3 000 km幅宽时，一景实验影像在大地坐标系下地形无关、地形相关方案得到的有理函数模型的拟合误差分别为3 004.25，1 939.04 pixel；地心直角坐标系下的拟合误差为27.50，24.96 pixel。影像大幅宽时，主要受地球曲率影响，大地坐标系解算的RPC误差极大；在地心直角坐标系下解算的RPC具有更高的拟合精度，但二者均无法实现对严格成像模型的高精度拟合。对垂轨环扫卫星影像有理函数模型拟合精度的初步探究为卫星入轨交付后的影像处理奠定了技术基础。

双目视觉系统水下应用时，空气中的测量模型和标定方法失效，导致水下三维重建难以实现。提出一种水下双目立体视觉成像模型，并据此开展标定方法研究。用光线四维参数化表示方法描述水下相机成像过程，建立水下双目立体视觉成像模型；在保留光线信息的基础上，根据共面约束标定出分界面法向量与空气介质厚度的初始值，并构建最优目标函数进行非线性优化，以获取高精度的标定参数。进行了系统参数标定仿真分析、系统标定实验和水下标准球棒测量实验，结果表明：系统参数标定仿真分析的平均误差为0.078 pixel，系统标定实验的平均误差小于0.12 pixel，水下标准球棒测量误差的标准差优于1.2 mm。水下实物三维重建实验进一步表明，该系统具有较好的水下三维重建效果。

为满足水下机器人水下目标识别、精细作业的需要，研制了一种融合3D点云和二维RGB图像为一体的RGB-D水下相机工程样机。针对水下环境的特殊性，考虑水下多层折射效应，建立水下相机成像及双目立体成像模型。将水下图像转换为空气中的图像来消除折射对重建精度的影响，进行对应点像素匹配，重建3D点云。采用基于颜色校正和暗原色先验的水下图像增强算法对左、右水下图像进行图像增强处理。最后，构建对准叠加模型将3D点云和二维彩色数据叠加融合，获得水下RGB-D图像数据。实验表明：研制的水下RGB-D工程样机具有较好的三维测量精度，3 m远处的系统重建误差为2.6 mm，颜色再现真实，3D点云数据与RGB二维图像对准精准。这对于水下目标识别和水下机器人精细作业具有重要意义。