随着生物识别技术和智慧医疗的发展，皮下静脉分析在身份识别和临床医疗辅助注射中的应用受到学者们的广泛关注。利用静脉中血红蛋白的红外吸收特性，红外成像技术十分适合于皮下静脉血管的成像过程。然而，由于红外静脉图像中血管对比度不高、分叉区域模糊、静脉匹配不对称等问题，静脉分割及静脉三维结构重建依然是静脉分析领域中亟待解决的问题。本文基于反射式近红外成像技术，提出了一种基于多特征聚类的静脉血管分割算法和一种基于混合约束和层次优化的静脉血管匹配算法，实现了快速、鲁棒的静脉血管分割、参数分析、双目匹配和三维重建。为了能够直观地显示血管的深度和位置信息，本文基于格雷码结构光方法重建皮肤的三维表面，实现静脉与皮肤三维结构的融合显示。同时，将重建的血管反投影至皮肤表面，实现血管的增强显影。本文完成的主要内容包括：(1)提出了一种局部自适应的多特征聚类的静脉血管分割方法，解决了近红外图像在分叉及血管末梢分割不理想的问题。该方法首先通过小波变换和海森矩阵实现静脉血管的增强、特征图提取和粗分割；随后，利用血管方向图修补血管，实现血管拓扑结构和血管方向的优化；最后，利用模板匹配在轮廓空间提取血管特征后，采用K-Means聚类实现血管的精确分割，并对半径、中心线等血管参数进行优化。(2)提出了一种基于极线约束和单应性的血管匹配及三维重建方法，解决了静脉分割结构残缺，左右视图血管结构不对称引起的匹配失效问题。该方法首先通过极线约束和SURF特征匹配分别计算得到匹配候选点集和双目图像间的单应矩阵；随后，通过双向血管点点匹配HPPM、单应矩阵优化和血管段匹配实现血管中心线的双目匹配；最后，基于三角测量原理和系统标定参数实现对血管结构的三维重建。(3)研制了一套皮下静脉三维重建及快速显影系统样机。利用相机的光谱响应特性和光源控制电路实现了近红外成像和可见光成像两种工作模式的分时复用，通过多线程设计优化了系统的运行速度。系统最终实现了血管的实时分割和参数分析、血管和皮肤的三维重建及血管反投影等功能。