单像素成像（Single-pixel imaging,SPI）是利用一种通过光电探测器来检测一组由目标场景调制的结构化照明图案的反射总光强度来重构目标场景的一种计算成像技术,为可见光波段成像、高光谱成像和太赫兹成像提供了一种成本低、高信噪比的选择。然而,耗时的成像步骤阻碍了单像素成像技术的发展。重构图像的像素分辨率越大,所需要的照明图案数量就越多。使用同样的投影装置,需要越多的照明图案投射到目标物体上,就需要花费越多的时间。照明图案数量的数量不可避免地影响着SPI技术的成像效率。另外,SPI技术由于其成本低、探测波长范围宽,被应用于许多众多领域。然而,当被成像的场景存在镜面反射时,它也面临着挑战。为了提高单像素成像技术的成像效率以及在工程中的实用性,本文对现有的成像方法进行了分析总结和理论研究,分别提出了两种解决方案。为了提高SPI技术成像效率,提出了一种高效的基于离散哈特莱变换的单像素成像算法。另外,本文还设计了一个直接的多角度无特征匹配的单像素成像系统来解决SPI技术在高反射率的目标场景的成像。论文的主要工作包括以下两个内容:（1）为了提高成像效率,提出了一种基于离散Hartley变换的单像素一步成像方法。该方法不需要大量条纹图,只需要实数计算。在相同采样率下,该方法所需要的条纹数仅为四步相移傅里叶方法的一半。该方法虽然是一步法,但也利用了差分测量的思想,并增加了上采样处理策略,同时提高了恢复图像的信噪比。仿真结果表明,当采样率为30%时,恢复目标场景图像的PSNR和SSIM均超过20d B和80%。重构一幅256×256像素的图像只需要20164个照明图案。在将灰度条纹照明图案散焦成二进制图案后,只需几毫秒就可以将这些图案投射到目标上。对比两步相移傅里叶谱法的实验结果可以看出,在剧烈噪声干扰下,该方法的实验结果明显优于两步相移傅里叶方法。（2）为了解决SPI技术在高反射率的目标场景成像问题,提出了一种不需要特征匹配的多角度方法。该方法不受探测器位置的影响,每个位置的重建结果在像素级自动匹配。在仿真中,以原始图像为参考,该方法得到的图像结构相似性指数值比单角度图像的结构相似性指数值高10%。该方法得到的峰值信噪比值为10.99,高于单角度重建结果最大值的10.73。该方法得到的图像信噪比值为4.424,高于单角度重建结果最大值的1.577。为了对该方法进行评价,以金属钥匙和具有镜面反射的飞机发动机叶片模型为目标场景,从4个不同的成像角度进行重建,得到像素级匹配的结果。最终的重建图像采用主成分分析算法或四阶偏微分方程和主成分分析算法得到。与单角度图像相比,该方法获得的图像与参考图像的相关系数从最小值0.3139提高到0.7050,功率比从4.52%提高到73.63%。