自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统利用波前传感器测量波前畸变,通过控制器计算控制信号,波前校正器根据控制信号产生校正面形对波前畸变进行补偿。自适应光学技术在天文成像,眼科成像等领域均获得了广泛的应用。天文成像AO系统中,在大气冻结湍流假设下,大气冻结湍流在大气横向风驱动下运动。系统中的时间延迟导致波前校正器生成的校正面形与实际的被校正畸变存在时域的不匹配,造成校正滞后误差。视网膜成像AO系统成像期间,眼球并不能被完全固定,成像期间的下意识眼球运动将导致成像结果间的相对运动变形以及成像结果中的运动伪影。本文将围绕基于运动估计的自适应光学系统的预测控制和图像配准技术展开。针对天文成像AO系统中的校正滞后误差,提出了大气横向风估计预测控制技术。针对视网膜自适应光学相干层析(Adaptive Optics Optical Coherence Tomography,AO-OCT)系统中的下意识眼球运动伪影,提出了AO-OCT视网膜图像运动伪影校正技术。主要研究内容分为五个部分:第一部分,设计了Shack-Hartmann波前传感器(Shack-Hartmann Wavefront Sensor,SHWFS)测量复原波面的大气横向风估计算法。分析了大气横向风估计偏差与波面复原阶数之间的关系,得到了最佳的复原阶数范围。提出了两种大气横向风估计算法:块匹配算法和光流法。从大气横向风估计偏差和方差的角度比较了两种方法。两种方法的风速估计百分比误差均保持在30%以内,风向的估计误差均保持在6~°以内。两种方法的大气横向风估计方差都随着斜率测量噪声方差的增大而增大,性能接近。光流法具有更小的估计偏差优于块匹配算法。利用旋转相位屏大气湍流模拟装置对SHWFS斜率测量复原波面的横向风估计方法进行了验证,结果表明两种大气横向风速度下估计的百分比误差均在10%以内。第二部分,设计了SHWFS斜率测量的大气横向风估计算法。利用克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)分析了从SHWFS斜率测量进行大气横向风估计的基本性能极限。分析了大气横向风估计的Fisher信息,发现当大气湍流相干长度不小于3/4个SHWFS子孔径尺寸时,无偏CRLB与大气湍流相干长度成负相关。无偏CRLB与斜率测量噪声的标准差成正比。然后分析了基于梯度的大气横向风估计的偏差,确定性偏差来源于线性近似的余项忽略和梯度近似误差。最后得出了基于梯度的大气横向风估计的有偏CRLB,该性能边界可以更准确地预测估计的性能。利用旋转相位屏大气湍流模拟装置对SHWFS斜率测量的横向风估计方法进行了验证,结果表明两种大气横向风速度下估计的百分比误差均在15%以内。第三部分,设计了大气横向风估计预测控制算法用于校正AO系统校正滞后误差。该方法包括大气横向风估计和预测校正两部分。大气横向风估计从SHWFS的斜率测量中得到。波前预测利用估计得到的大气湍流横向风参数在傅里叶域实现。对预测方法的SHWFS边缘子孔径误差进行了分析和处理。横向风参数已知的条件下,预测校正几乎能完全补偿滞后误差导致的性能损失。分析了预测校正技术对大气横向风估计误差的鲁棒性,获得了对风速和风向估计误差的理论容忍范围。在大气横向风估计的风速和风向误差同时存在时,预测校正能在较大的横向风估计误差范围内提升AO系统校正能力。分析了不同大气湍流条件下,大气横向风估计预测控制的校正性能。第四部分,介绍了AO-OCT视网膜图像的三维配准技术。AO-OCT系统成像期间的下意识眼球运动造成成像结果间的相对变形与运动。AO-OCT视网膜图像的三维配准算法主要包括预配准和精配准两个部分。预配准通过采样和相位相关计算,缩小了精配准的搜索空间,提高了匹配效率。精配准基于预配准的结果,在子三维图像内进行匹配计算,提高了计算速度和配准精度。对精配准结果的异常值滤除和插值计算,进一步减少了错误匹配。实验的AO-OCT视网膜图像配准结果表明,配准后图像相较于未配准图像的锐度比和结构相似度(Structural Similarity Index,SSIM)均有显著提高。第五部分,设计了AO-OCT视网膜图像的运动伪影校正算法。利用AO-OCT三维配准算法对下意识眼球运动量进行测量,然后对三维图像内眼球运动变形进行估计,最后实现AO-OCT视网膜图像运动伪影的校正。介绍了三种方法来测量AO-OCT图像的眼球运动伪影和评估校正效果。经过横向运动伪影校正后,enface投影的视锥细胞图像的变形得到校正,视锥细胞图像样条的变形降低。经过axial方向的运动伪影校正后,视网膜层的边界更加平滑,视网膜锥体外节齿顶线(Cone Outer Segment Tips,COST)分割深度的标准差得到了降低。图像经过三个维度的运动伪影校正,在axial方向,line方向和scan方向的功率谱密度中均观察到在三维图像采样频率以及谐波频率处峰值的降低。本文围绕基于运动估计的AO系统的预测控制和图像配准技术展开。主要解决了天文成像AO系统中的校正滞后误差和视网膜成像AO-OCT系统中的眼球运动伪影问题。本文的工作仍然需要完善,例如进行实际大气湍流的横向风测量实验和预测校正实验。