内窥镜在工业探伤、医学诊断和微创手术等方面有着极其广泛的应用。内窥镜是一种特殊的成像系统,目的是通过图像获取人体或机器内部场景的真实有效信息。目前大部分内窥镜至少存在以下两方面的问题,可能导致获取的图像信息出现失真,为应用带来不便:一是使用广角镜头,使得在有限的探头直径下增大观察视角,但广角镜头的使用会导致图像视场畸变;二是获取的二维图像,不能有效反映场景的三维结构。本论文针对这两方面问题开展研究,以求提高内窥镜的成像性能,使得内窥镜更加方便有效地应用。为了校正广角镜头内窥镜的图像视场畸变,已有的方法需通过大量的特征点或特征线确定畸变模型,而获取精确的畸变模型操作复杂且困难。本文提出了一种基于相移条纹图相位分析的广角镜头畸变校正方法。先用大尺寸液晶平板显示器显示四幅相移量为π/2的余弦条纹图作为校正模板,接着,用广角镜头相机拍摄该校正模板,获得四幅畸变条纹图,使用四步相移算法解调径向畸变条纹图的相位分布。根据经广角镜头成像的图像中心区域几乎无畸变的特性,利用图像中心无畸变的相位值进行数值拟合得到径向无畸变条纹图的相位分布,作为求解径向畸变相位的基准。因此,径向畸变相位分布可以根据径向畸变条纹图的相位分布与径向无畸变条纹图相位分布相减得到,再将畸变相位分布转换成实际的畸变量分布。提出的方法不需要通过大量的特征点或特征线确定畸变模型,可以直接计算畸变图像中每个像素点的畸变量。实验结果表明,该方法简单、有效、自动化程度高,并且每个广角镜头相机只需校正一次,就可实现对任意场景图像的校正,有望获得广泛应用。内窥镜下物体的三维图像重构一直受到人们的关注。已有的立体内窥镜包括双摄像头内窥镜(也称双目立体视觉内窥镜)、结构光投影内窥镜等,这些内窥镜的探头直径一般比常规内窥镜大,导致使用不便,无法获得大规模应用。基于光度立体视觉的单目摄影三维图像重建技术只需一个摄像头,与常用工业内窥镜结构相似,不会导致内窥镜镜身直径的增大。因此,本文开展了基于光度立体视觉的单目三维图像重建技术的研究。实验中,预先采用一个黑球来标定照明光源入射光的方向向量。三维图像重建时,先根据标定好的入射光的方向向量和图像的亮度值求解目标物体表面法向量;再把物体的表面法向量转化为随物体表面高度变化的梯度,最后根据梯度计算物体表面三维高度。首先利用普通镜头实现了光度立体三维图像重建,并研究了照明光源的数量对重建效果的影响。最后进行了广角镜头近场下的光度立体三维图像重建,实验结果证明了利用单个摄像头在广角镜头近场下进行三维图像重建的可行性,有望在立体内窥镜中获得应用。