通过测量矩阵获取Gram矩阵，梳理了Gram矩阵与系统点扩散函数的关系，进而基于点扩散函数提出最强旁瓣峰值大小、叠加旁瓣峰值大小、空间距离和频谱余弦相似度4个特征参量。在此基础上，构建了一种单像素压缩成像高质量图像重建的特征函数，建立了可重建的目标稀疏度与特征函数的关系，并通过数值模拟和实验验证了所提特征函数的有效性，该工作对于单像素成像系统测量矩阵的优化设计具有重要借鉴意义。

针对无法实现先验的边缘检测场景，并解决边缘提取效率过低的问题，提出一种更高效的基于傅里叶单像素成像的亚像素级边缘检测方法。该方法结合快速傅里叶单像素成像，减少图像算法的相移步数，在原有四步相移的基础上分别实现了三步相移与两步相移边缘检测。该算法上的改进能够在同等采样数下扩大参与边缘提取的频谱宽度，从而提升边缘提取效率。数值仿真结果表明，与四步相移亚像素级边缘检测相比，无噪声条件下两步相移在 655~13100次左右的采样数区间内峰值信噪比增长幅度高出 2.27dB，噪声条件下低于 0.054噪声浮动比率时两步相移方法可以获得比四步相移更高的边缘提取质量。该方法可以一定程度上提升边缘提取效率，同时促进单像素成像领域与图像处理方向的技术交叉和应用化发展。

半导体芯片等微纳器件制造过程中，对其形貌进行表征有助于制造工艺评估和缺陷检测。为了获得待测样品完整的信息，通常需要使用明场显微镜、暗场显微镜等进行多种成像模式的联合表征。但目前实现多模式成像常须更改实验装置或使用不同的成像系统，导致获取的多模式图像的视场不同，不利于将多模式成像结果综合起来对待测样品进行全面分析。针对以上问题，提出基于单像素成像原理的多模式显微成像技术。该技术将宽场照明显微镜中的光源替换成结构照明光源，然后将相机每个像素点作为单像素探测器，并利用单像素重建算法得到艾里斑图像。艾里斑图像中不同位置的值代表不同物点发出的不同级次的衍射信号。通过从艾里斑图像中提取不同位置的值，按照相机像素坐标排列，可以重建不同模式的图像。与传统的多模式显微成像方法相比，所提基于单像素成像原理的多模式显微成像技术采用同一套装置和相同的实验数据，重建的多模式图像的视场相同。所提方法为显微成像技术的发展提供了一种全新的思路，有望在微纳器件的离线形貌表征中得到应用。

提出一种基于离散W变换的差分调制计算鬼成像方法。使用正负两组离散W变换基图案对光源进行差分调制，根据桶探测器测量的光强值获取目标对象的频谱，通过矩阵形式的逆离散W变换重构目标图像。仿真和实验结果表明，该方法可以从压缩测量中获得图像，通过差分测量可以消除背景噪声，获得良好的图像质量，并且可以通过逆变换实现快速重建。与其他方法相比，该方法在成像质量上更具优势。

太赫兹成像技术在安全检查、医学成像等领域展现出了巨大的应用潜力。相比传统的机械扫描成像和焦平面阵列成像，单像素成像具有系统简单、成像速度快及成本低等优势。其可结合空间光调制技术，运用关联算法重构出目标的二维太赫兹空间信息。从太赫兹单像素成像的基本概念和发展历程出发，着重分析了单像素成像中编码掩模的原理、材料、发展应用及可能面临的挑战。

现代工业零部件的加工已经实现了无需二维标注图纸，由计算机辅助设计3D模型直接输入数控系统加工。加工工艺的进步给工件测量和质量评价方法带来了新挑战，通过获取零部件的高精度稠密三维点云的“靠模”质量评价方法得到了重视，特别是对于结构复杂的零部件。然而，高精度复杂结构的零部件三维测量遇到两个难题：1）金属零部件加工后表面光洁度很高，主动投射的条纹光束会引起金属表面的强烈反光致盲或者复杂结构引起的投射光多次反光混叠；2）复合材料的半透明会引起投射光的次表面散射。这些因素都会导致测量失效。现有结构光主动视觉三维重构技术无法解决上述难题。针对复杂型面免喷涂三维重构问题，建立基于单像素成像方法的复杂光照分离模型，实现直接光与复杂光照分离。为了解决单像素成像方法效率低、速度慢、难以满足工业现场测量需求的问题，提出一种基于局部区域延拓的并行单像素成像方法。实验结果表明，并行单像素成像方法能够很好地实现工业测量现场多次反光与次表面散射光干扰条件下的三维重构。