水下立体视觉成像技术在水下近距离探测作业中具有十分重要的应用。近年来,水下立体成像系统表现出多样化的特点和需求,如,当进行深海生物形态学研究和水下考古发现时,需要对水下目标进行原位观测成像,获取其三维特征信息,强调的是对水下目标的高精度三维测量（毫米级）;当进行海底地形地貌和水下大型结构观测时,要求三维成像视觉系统在满足一定精度前提下具有尽可能大的视场,强调的是三维成像系统的观测视场问题。本文基于水下双目立体视觉成像原理,分别面向水下目标原位测量和水下场景大视场三维成像进行了深入研究。针对水下目标原位测量的应用需要,采用主动激光线扫描双目立体视觉测量技术,利用线激光投射光条作为左右相机像素匹配线索,提高左右相机图像对应点匹配精度。针对水下场景大视场三维成像应用需求,采用鱼眼镜头作为双目立体视觉系统左右相机的成像物镜,以扩大双目立体视觉系统的视场范围。然而,受水下作业环境和成像系统自身性能的影响,两者在水下应用时存在诸多问题。为此,本文围绕水下主动激光线扫描双目立体视觉测量系统、水下鱼眼镜头大视场双目立体视觉系统,对这两种水下双目立体视觉成像系统的关键技术进行研究。具体研究工作如下:（1）基于双目立体视觉测量原理,针对水下物像关系不满足小孔成像模型的问题,建立了水下相机多层平面折射成像模型。在此基础上,重新建立了水下双目立体视觉成像模型,提出了系统参数标定方法;（2）理论研究了水下光学成像特性,并对引起水下图像质量退化的原因进行了分析。针对水下图像存在对比度低、细节特征模糊的问题,基于CLAHE方法和暗通道先验算法,完成对影响水下图像质量的水下均匀光成分估计方法的改进,实现对水下图像的增强处理,为后续双目立体视觉三维重建奠定了基础;（3）采用线激光光条作为左右相机像素匹配线索,提出基于共面约束的像素匹配算法,提高左、右两个相机像素的匹配精度。在静态扫描精度实验中,被测球棒两靶球球心距多次扫描测量结果的标准差达到2.3mm,表明系统具备较高的测量精度;（4）对于被测目标与激光线扫描系统之间的相对晃动导致三维重建失败问题,分析了系统在水下成像时存在动态测量误差的原因,提出一种基于标志点的误差补偿算法,通过相对位姿关系的求取,完成对被测目标物的动态测量误差补偿。在动态扫描补偿实验验证中,被测靶球直径多次扫描测量结果的标准差为0.5mm,验证了所提误差补偿方法的可行性;（5）采用鱼眼镜头作为左右相机成像物镜的大视场双目立体成像系统中,对于水下鱼眼透镜成像的严重图像畸变,提出基于多频外差技术实现对鱼眼镜头相机成像映射关系的标定,结合标定的系统参数,完成了对水下鱼眼镜头相机图像的校正。实验表明,校正后的水下鱼眼镜头相机图像平均重投影误差为0.26像素,验证了所提标定方法的有效性;（6）建立了一种图像转化模型,将校正后的水下鱼眼镜头相机图像转换为在空气中拍摄的等效图像,转化后的图像结合现有的立体匹配方法,实现对水下大范围场景的三维重建。在水下大场景三维重建实验中,多个陶瓷盘构成的目标物三维成像效果良好,结果表明,研制的成像系统具备水下大场景三维成像观测能力。综上所述,本文以适用于水下目标原位测量和水下场景大视场观测的双目立体视觉成像为研究对象,开展了相关关键技术研究,为水下三维成像的研究和应用提供技术支撑。