随着数字技术的发展，数字成像设备得到了广泛应用与普及，从而在近年来引发了国内外对该领域的研究热潮。从技术理论与实用角度来看，该领域的研究具有较高的理论价值及广阔应用的前景。成像质量是数字成像设备研究所关注的首要问题。由于成像过程中受到多方面因素的影响，输出图像很难达到与人眼实际观测相一致的效果，因此如何提升成像品质成为了该领域的核心问题。数字相机的曝光、聚焦、白平衡是成像过程中三个重要的控制环节，其性能直接影响了输出图像的成像品质，因此成为现代数字相机中的三项关键性技术。目前，国内外研究人员对该技术进行了多年的研究，在某些方面已取得了一定的进展。然而，随着应用环境的多元化，该技术仍有许多方面亟待改进。因此，研究如何进一步改善相机的曝光、聚焦、白平衡等技术性能具有重要的理论价值与实际意义。本文具体工作如下：从人眼生理结构出发，分析人眼视觉系统的感光与控制机理，并阐述了人眼具有的众多视觉特性。其次，通过对数字相机成像系统的深入研究，挖掘影响成像质量的重要因素，分析了相机曝光、聚焦以及色彩平衡等关键技术的作用效果。通过对比人眼视觉系统与相机成像系统，寻找改善相机关键技术性能的有效途径，为后续研究奠定了理论基础。针对无人值守型相机在亮度动态范围较大场景以及小目标场景中出现的曝光不足或曝光过度问题，结合人眼视觉系统的感光特点，提出了一种基于人眼视觉特性的彩色数字相机自动曝光方法。该方法主要包含两个方面：一，利用图像清晰度、色彩饱和度、亮度等三方面因素综合建立曝光评价函数，与以往仅用亮度作为评价手段相比，提高了曝光评价的准确度与鲁棒性能；二，建立关于曝光评价值与曝光增益的调节曲线，减小了曝光调节所需帧数，提高了自动曝光效率。研究相机自动聚焦原理，改进了一种聚焦评价算法。考虑到像素间色彩相关性的影响，在Brenner图像清晰度评价函数的基础上引入了色差评价因子，解决了因不同色彩空间转换所带来的评价失效问题；并利用非线性增益系数提高了评价算法的抗扰性能。同时，针对运动小目标场景，提出了一种利用光流运动分析的自动聚焦方法。该方法能够在大景深复杂背景的干扰下，准确估计出感兴趣目标，并针对感兴趣目标进行聚焦调整，从而保障了相机自动聚焦功能的准确性与稳定性。根据Retinex理论，改进了一种自动白平衡方法。该方法利用图像分块方式，将场景内大范围单一色彩区域与表征内容信息的细节纹理区域相分离，从而减小了单色区域对图像整体色温评价值的影响，提高了白平衡算法的鲁棒性与适用性。同时，鉴于图像色彩主观评价的局限性，提出了一种图像色彩平衡的客观评价方法。在CIE色品坐标内，利用像素点自身色彩属性与在色品坐标内的相对位置关系，建立了一种图像色彩重心模型，最终根据该模型建立了色彩平衡评价函数。该方法作为成像后期的一种评价手段，能够准确、客观地评价图像的色彩平衡水平，其评价结果与人眼视觉感官保持一致，为图像的后期处理提供了参考标准。