计算图像光流场是计算机运动视觉的基础研究内容，是进行运动分析与理解的重要工具，在运动检测、运动估计、运动跟踪、运动识别等应用中都有重要作用。虽已发展了三十年，但新的要求、新的问题促使了新一代光流计算技术的发展，新理论、新技术、新方法在该研究领域不断涌现，使得该领域的研究再次成为热点。本论文以提高光流场质量为核心任务，选择了其中的几个前沿和热点问题，即反馈控制的光流计算、大位移光流计算、图割光流计算、遮挡判断与处理，从优化角度展开了一些创新性研究，涉及优化、控制、图像处理、人工智能等多个学科。本文的主要工作如下：(1)综述了光流场估计算法的研究现状及面临的主要问题，简单介绍了连续光流计算算法的分类及其原理、光流场的表示方法、用于光流计算的测试图像库、基准光流场、评价指标等光流场质量评价体系，为后续光流场质量的评价提供依据。(2)介绍了全局微分估计法和局部微分估计法的技术细节，引入反馈控制的思想，提出了一种最优控制的局部光流计算法，阐述了光流计算的最优控制过程，涉及控制环节、控制参数、目标函数、优化算法，并做了相应的实验，是提高现有光流计算精度的一种全新尝试。(3)综述了大位移光流计算的研究现状，阐述了传统HS估计法对大位移光流计算的机理性误差及补偿原理，介绍了Harris算子的原理和角点匹配方法，提出了一种基于Harris角点匹配的新的补偿式大位移全局光流计算法，并实验验证了它的有效性。(4)阐述了图割优化算法的基本理论，列举了三种具体的图割优化算法，以及在光流计算中的应用，并通过实验演示了计算效果。图割光流计算过程的实质是依赖离散能量函数的最优化过程，具有运动边界保护性好、可估计大位移光流的优点，同时也具有平滑过渡性较差的缺点。(5)比较了图割能量函数中几种空间项函数的平滑性能，理论和实验证明了空间项的扰动能消减outlier点的发生。另外，提出了一种基于正反帧序的遮挡判别式，以及新的图割能量函数和网络流图结构，通过控制局部的空间项而控制光流场的局部平滑，实现了遮挡的判断和处理。