光谱成像技术能够同时获取被测物体的二维空间及一维光谱信息，在科学检测与研究中发挥着重要作用。传统的高光谱成像系统存在着光学系统复杂、含有精密运动器件、曝光时间长等问题，这些问题极大地限制了其在许多场景的应用。介绍了一种基于旋转衍射机理的快照式高光谱成像系统，通过单次曝光成像和图像重建即可得到待测目标的高光谱信息。提出了一系列的系统设计优化方法以提升系统的成像性能和实用性，通过折衍射混合系统缩短光学系统后截距，通过引入前置光学系统探测远距离目标。实验结果表明，所提出的优化设计方法能够有效提高系统感光能力，提升重建图像的质量。

针对低光度条件下长曝光图像与短曝光图像的融合问题, 提出了一种基于块匹配的图像融合方法, 将低光度图像对融合成为一张更好的图像.首先提出基于金字塔多尺度模型的双向鬼影检测算法, 该算法降低了噪声和欠曝对鬼影检测的影响, 用于准确检测低光度场景中图像对之间由于物体运动造成的不一致区域; 随后利用块匹配算法重建鬼影区域; 最后运用改善边缘特性的泊松融合算法提取两次曝光图像中的信息生成结果图像.实验结果表明, 该方法有效地保留了短曝光图像的边缘锐度, 并保持了长曝光图像的色彩、亮度和细节.

为了解决遥感图像中存在雾气引起图像可见度下降的问题, 提出一种基于颜色线先验和暗通道先验的遥感图像去雾算法。针对颜色线先验对部分场景不适用的情况, 提出一种基于最小二乘的透过率优化方法, 通过计算先验可信度权重来加权融合颜色线先验和暗通道先验估计的透过率图, 以获得更为准确的透过率分布。为了避免halo效应, 在优化方程中加入梯度正则化约束。实验结果表明, 本方法对透过率估计准确, 重建结果清晰度提升明显。另外, 该方法改善了客观评价指标, 其灰度平均梯度(GMG)和信息熵(IE)平均值最高, 取得了最佳的重建效果。

针对现有软件实现超分辨算法通常过于复杂、运算开销大、模型复杂度高的问题, 本文从成像过程中图像退化的物理原理出发, 提出一套基于小递归卷积神经网络的单帧图像超分辨模型.将物理模型的约束融入到模型中, 与现有的基于统计学习的图像超分辨算法相比, 本文提出的模型的模型复杂度和计算量几乎可以忽略不计, 同时内部的参数也有着更加明确的物理意义, 并且引入了外部数据辅助对相应的模型参数进行学习.使用运行速度、峰值信噪比的数值方法对结果进行评价, 结果表明: 本文提出的算法消耗时间只有传统反向投影算法的75%, 而精度比反向投影算法提高了0.2 dB, 比双线性插值提高了1.2 dB.本文提出的算法可以取得比迭代反投影算法更快、重建精度更高的超分辨重建效果.

提出了一种利用刚性连接于光学系统的微机械陀螺仪的光学图像拼接加速算法.该方法基于相机投影模型和坐标变换关系建立相机运动与像素坐标移动的关系; 根据陀螺仪数据计算拍摄前后两幅待拼接图像期间相机的旋转角度, 确定两幅待拼接图中特征点搜索窗口大小; 然后基于SURF特征提取算法, 提取待拼接两幅图片中的特征点, 在搜索窗口内寻找匹配特征点对, 避免了全局搜索从而减小计算量, 加快匹配速度.实验搭建了硬件平台以验证算法可行性, 与传统全局搜索匹配相比, 运行时间减少了31%.

为解决稳像过程中局部运动分量导致的全局运动估计不准确问题, 提出了一种实时电子稳像方法.该方法提出基于最小生成树的特征点迭代筛选算法, 采用相邻帧图像特征点最小生成树的相似度衡量特征点匹配精度, 剔除错误匹配的特征点和局部运动前景上的特征点, 避免了局部运动分量的影响. 采用自适应加权法修正相邻帧之间的仿射变换矩阵, 解决由于运动前景遮挡造成的背景特征点数量稀少进而导致的稳像晃动问题. 针对相机跟拍与随机抖动分量混合问题, 提出基于运动矢量队列的双卡尔曼滤波器, 自适应地修正卡尔曼滤波器的测量噪声协方差, 动态调整滤波平滑性能, 有效处理同时包含相机跟拍运动与随机抖动分量的视频, 保留相机跟拍分量.实验表明, 该方法对于视频图像中包含局部前景运动和相机跟拍运动的情况, 对比其他3种方法, 仍可以保持良好的稳像效果; 在Intel Core i5 3.30 GHz CPU下, 对于640×360分辨率的彩色图像序列可达到40FPS的稳像帧率, 并且运算过程中无需利用下一帧图像信息, 具有实时稳像的优点.

针对敏捷成像中的多条带拼接成像模型，对条带图像的拼接重叠度进行仿真分析。建立多条带拼接成像的任务模型和几何退化模型，提出重叠区域宽度阈值的判别准则。针对星下点条带，分析不同场景类型遥感图像的重叠区域宽度阈值，探究了地面分辨率变化对重叠区域宽度阈值的影响。针对敏捷条带，分析了俯仰、横滚等敏捷特性对于重叠阈值的影响。仿真结果表明，在0.46 m地面分辨率下，6类场景类型重叠宽度阈值均在28 pixels以上，其中军港机场、海岛阈值较大，超过31 pixels。阈值统计符合正态分布的3σ原则，证明了阈值求解方式的可信度。星下点成像时地面分辨率变化对像面重叠像素阈值无太大影响，但对地面实际重叠宽度阈值影响较大。而敏捷条带成像时，卫星的俯仰和横滚将会增大条带的重叠宽度阈值，几何变形对阈值的影响超过星下点时地面分辨率的变化。通过对条带拼接重叠度的仿真分析，为敏捷卫星的高分辨率光学成像任务规划提供了有意义的参考。

对含光源等过亮区域场景的自动对焦较为常见, 这些区域导致了图像像素的饱和, 然而所提出的现有的评价函数适用于一般场景, 无法适用于像夜景光源的场景。针对这一问题, 通过分析饱和像素在离焦过程中的特性, 提出了一种去除饱和像素的图像清晰度评价方法, 且其可以用于评估包含光源或者过亮区域场景的图像质量。通过对大津法进行修改得到对焦窗口二值图, 并利用形态学膨胀手段扩展饱和像素区域, 以防止其在离焦过程中产生弥散, 得到去除饱和像素区域的模板, 将其作用于梯度信息矩阵, 计算得到去除饱和像素影响的平均梯度值作为自动对焦评价函数。通过多组离焦序列图测试了所提出的评价函数, 并与其他4种常用的评价函数进行比较, 结果表明, 此自动对焦评价函数适用于含有光源等过亮区域场景的拍摄, 具有良好的无偏性、单峰性、稳定性且覆盖范围较广。