随着摄影测量与计算机视觉的快速发展，以及人类对于海洋探索的兴趣日益增长,高质量水下相机系统已被广泛应用于深海探测中。为保护摄像机免受水及极高压强的侵害，需将摄像机固定于抗压仓中透过玻璃防水罩进行成像观测，光线传播进入相机时因为介质的变化(水-玻璃-空气)导致图像畸变，产生不可忽略的系统误差;为了增加玻璃窗的抗压性能，采用球形防水罩而非平面防水罩，引起了不同的折射模型，因此需要研究基于球面折射模型的摄像机成像几何，并研究标定算法以适用于深海机器视觉的应用。近年来，由于海底温室气体的泄漏加剧了全球变暖，自动化的气体排放监测已成为海洋科学的重要课题。气体泄漏形成的气泡流可被高速相机拍摄，通过图像处理及机器视觉算法可提取气泡的几何信息并估计总体排放量，目前基于双目立体视觉的气体排放自动监测算法还存在多个问题未能得到很好的处理，如相机系统的标定、立体像对同名气泡匹配、连续帧气泡追踪等。因此，深入研究这些问题对提升深海温室气体排放流量估计精度有着重要意义。
　　本文研究工作主要包括两个方面：（1）首先研究了当摄像机投影中心与球形防水罩中心偏离时的球面折射几何与相机成像模型，提出了折射中心概念、折射中心共线约束，接着理论推导了8点法折射中心估计算法，最后提出了基于单视图与基于多视图的球形防水罩摄像机系统校准与标定方法。（2）针对基于双目立体视觉的深海温室气体排放监测算法中的多个关键问题，首先研究了气体排放监测装置的双目立体视觉系统的校准与标定，然后采用了时间域中值滤波去除气泡图像中的背景，接着采用了对极几何约束进行同名气泡匹配，采用卡尔慢滤波建立气泡的运动模型并实现连续帧的气泡追踪，最后采用椭球空间交会算法计算气泡体积。通过模拟实验与真实实验验证了本文研究方法的正确性及有效性。