随着计算机视觉技术不断的发展,该技术被广泛应用在海底探测、机器人定位、和三维重建方向。随着陆地上的可用资源逐步减少,对海洋资源的开发和利用已经被人类提上未来发展的日程。目前水下探测主流还是使用普通相机,但是普通相机获取足够量图像信息时,需要较大的视距,由于海水悬浮有大量的杂质,给图像加入了大量的干扰(噪声、模糊),后期去除这些干扰变得尤为困难。鱼眼镜头是一种具有超大广角的镜头,它的光学特性比较特殊,理论上拥有180°~270°的大视野,在获得相同信息量的情况下鱼眼相机所需要的视距是普通相机的1/40,由此拍摄得到的图片因为视距较小可以很大程度降低水下杂质的干扰。本文就鱼眼相机的成像过程、成像模型和在水下多介质的成像模型做了主要研究,研究内容如下:首先,因为目前的摄像机设备均不适合在在水下进行拍摄,进入水中工作时必须使用密封玻璃罩等辅助设备,引入外部媒介的同时也引入了除水、空气之外玻璃罩的折射,这使得传统成像模型不再成立。本文以摄像机的基本成像为基础,考虑摄像机在空气中成像和在水中成像的不同,建立水下理想平行光轴成像模型和水下自由光轴成像模型。其次,由于引入了多种介质,使得光线在进入摄像机前已经发生多次折射,这种光路的改变,让传统的摄像机标定方法无法进行摄像机内外参数的求取。结合以上问题,本文将整个标定过程拆分成两部分:摄像机到玻璃罩内侧与玻璃罩到水中物体。摄像机到玻璃罩内侧可以等效为空气中成像,我们采用张正友的棋盘格标定定法求得摄像机的内参和外参。然后利用水下自由光轴成像模型,取水中已知世界坐标系的参考点,通过水下成像模型求取其像点坐标,通过比较实际中参考点的像点和模型求取的像点关系来建立评价函数,经优化函数优化得到最终的标定结果。最后,研究鱼眼镜头的水下双目视觉定位系统。首先根据三角几何学方法,利用三角函数关系,进而推导出折射平面上的入射点与成像点间的对应公式;基于向量几何学方法,利用四元数求解向量的折射,给出了空间点定位推导方法。鱼眼镜头水下光学折射成像模型的建立,为水下环境探索、定位、测量提供了参考方案。