实际应用中,经常使用普通相机透过单层或多层平行透明介质对某种介质内的目标进行成像(如水下成像),本文把此称为多平面折射成像,从而完成对目标的观察、定位、测量乃至三维重建等工作。相机透过折射介质成像时,由于光线的折射,引入难以消除的图像畸变,不再满足传统的针孔相机成像模型假设,此时,如果仍然使用传统针孔相机模型求解相应问题,将引入比较大的系统误差。因此,研究多平面折射成像理论及其应用具有重要的理论意义和实际价值。本文从一个新颖的角度将单平面折射成像、两平面折射成像和多平面折射成像统一起来,构建了统一的多平面折射成像相机模型。基于该模型,对多平面折射成像中存在的若干关键问题进行了研究,包括如何快速计算反向投影和正向投影、分析整个成像系统入射光线视点的变化规律、标定多平面折射情况下的相机内参、分析多平面折射情况下的对极约束以及解决多平面折射情况下的三角测量问题等。本文主要研究内容及贡献如下:1.构建了简洁易用的多平面折射成像相机模型并提出了快速计算正向投影的方法首先,引进了相机像平面旋转的概念,使旋转后的相机图像平面与折射面平行;其次,平板折射成像中,把平板的折射等效为相机视点的平移,而在单平面折射成像中,当相机中心在折射面上时,把单平面折射等效为相机焦距的变化,当相机中心不在折射面上时,把相机中心到折射面之间的空气看作由空气构成的平板,从而推导出单平面折射成像的一般相机模型;然后,根据光线穿过多层平板的特性,把单平面折射成像相机模型推广到多平面折射成像中,得到了焦距和视点随像素位置变化的相机成像模型;最后,根据所提出的相机模型,推导出了简洁的反向投影和正向投影的方程,提出并证明了快速计算正向投影的方法。2.提出了多平面折射成像相机内参标定方法基于多平面折射成像相机模型,首先,提出了一种基于平板折射相机模型的平板折射相机标定方法,该方法可以高精度地恢复摄像机的焦距、主点以及镜头畸变参数等信息;其次,设计了通用的多平面折射情况下的相机内参标定方法,该方法不仅可以高精度地恢复相机的内参,同时可得到相机中心到第一个折射面之间的距离;最后,根据所提出的多平面折射成像相机标定方法,设计了相机透过红外滤光片时的相机内参标定方法,在不去掉红外滤光片的情况下,高精度地恢复相机的内参。3.推导出了平板折射成像中的广义投影矩阵和基本矩阵并提出了多平面折射成像的动态对极约束首先,推导出了空间直线在平板折射成像系统中的投影矩阵,空间直线经过平板的折射将投影为一条四次曲线;然后,推导出了平板折射成像中广义基本矩阵;最后,由于所推导的平板折射成像的基本矩阵是高维矩阵,多平面折射成像基本矩阵推导将更加复杂,维度也将更高,在实际中难以应用,因此本文提出了动态对极约束和动态基本矩阵,用来验证多平面折射成像中两视图的匹配点对是否正确匹配。4.提出了多平面折射成像三角测量法基于多平面折射成像相机模型,提出了通用的解决多平面折射成像中的三角测量问题的框架,基于该框架可以使用传统的三角测量法解决多平面折射情况下的三角测量问题,通过平板折射实验和水下成像实验对本文提出的方法理论进行了验证。