基于图像的目标识别技术已经广泛应用于国防与国民经济建设的诸多领域，提取反映目标本质属性和具有较强适应性的特征，一直是研究的核心内容。在平移、旋转、尺度等变换下保持不变的常规特征已不能满足新的目标识别的需要，近年来兴起的3D不变性研究正成为计算机视觉中一个非常活跃的研究领域。3D不变特征是指那些在一定范围内不随视点和姿态等的变化而改变的特征，可以有效克服透视变形对成像目标带来的歧义理解，在目标识别中有着突出的发展潜力和应用价值。 基于射影几何理论，论文围绕3D不变特征的提取和应用进行了如下的研究工作：(1)系统总结了射影几何中的若干基础概念，包括：透视成像的相机模型、射影对应、交比不变量、基于不同几何变换下的不变量的简单对比、对极几何中的基础矩阵、对极点、对极线等。(2)扩展了2D射影变换矩阵的求解方法，将单纯利用点集对应的计算模式扩展到利用直线集、点线组合等多种类型来建立两个射影平面的对应关系；总结了平面上基于点、直线元素可求解的多种3D不变量；提出了双视图下由点、直线元素的多种对应关系求解2D射影变换来构造“虚元素”的方法，结合“实元素”和“虚元素”可以提取更多的空间3D不变量。(3)深入分析了2D对称性目标透视成像的几何特点，将共点四线交比用于目标轮廓上的关键点的特性描述中；利用调和共轭关系，提出了一种针对左右对称型目标的对称点检测和对称轴提取的算法；利用交比关系构造了目标的形心不变量，提出了一种针对旋转对称型目标的旋转对称单元判定、旋转中心提取的算法；进一步利用3D不变量和2D射影变换，实现了一定条件下的对称性目标的形状恢复技术。(4)详细论述了消失元素(消失点、消失直线、消失平面等)所体现的垂直、平行等特殊几何约束关系；对单视图，提出了一种利用消失点列的3D不变量解释平面直线关系的方法；对双视图，提出了利用自共轭三角形和对极几何约束，提取任意直线的消失点的算法，并在此基础了提出了一种利用消失元素的3D不变量解释直线间、直线与平面间、平面间等多种空间几何关系的方法。 将所提出的方法用于仿真图像和真实图像，取得了满意的实验结果。