水下光学成像、水下立体匹配和水下环境三维（3D）重建都需要水下视觉系统作为基础,标定技术是水下高精度三维测量中最关键,最复杂的一环。传统的标定方法至少需要三个不同视角下的图像,存在标定限制条件苛刻、标定时间过长等问题,当前基于空气中消失点的直接标定方法只需要一幅图像,通过提取图像中的几何特征,根据消失点与标定矩阵之间的几何约束条件即可完成标定。由于该方法仅需采集一幅图像,因此对单幅图像的拍摄质量要求较高,需要标定前对水下图像进行去除水波纹影响的预处理;其次,应用在空气中的消失点直接标定方法未考虑水下成像模型,导致标定参数结果误差过大,不适用于水下应用场景。针对基于消失点标定方法所需单幅图像拍摄质量要求较高的问题,本文提出一种基于波纹特性和环境特性融合的水波纹消除方法,对采集的单幅图像进行增强预处理。首先将图像基于sym2小波进行二级分解,分离出基于波纹和环境特性的图像频段;其次对基于波纹特性的图像频段采用基于马尔科夫随机场检测水波纹,接着基于期望最大化方法去除水波纹;然后采用基于方程最大化对水波纹区域进行检验判断,通过迭代上述检测和去除方法直到满足消除阈值为止;对基于环境特性的图像频段采用基于水下成像模型估计曝光度,再基于双边滤波法进行去噪,然后基于高斯模型评估曝光度,接着对灰度线性变换进行频段增强,最后对增强后的波纹和环境图像频段进行小波逆变换。该方法减弱了水波纹产生的伪影影响,提高了水下图像高频分段的质量,能显示更完整的水下细节,相对于水下暗通道先验增强方法,采用本文方法增强后的图像均方误差值降低了18.04%,基于对比度变化图像质量测量数值提高了 17.03%。经实验结果表明,该方法增强了低质量水纹图像的对比度和亮度,解决了水下图像在水波纹影响下细节特征信息少的问题。针对光在空气-玻璃-水三种介质中发生折射,引起的图像畸变会影响水下单目相机标定的精度和速度问题,传统标定技术需引入高阶畸变系数和多张位姿图片,导致标定时间过长。为此,本文提出一种基于两组相互正交平行线对应消失点优化的快速水下标定方法。首先对水下单幅图像进行基于玻璃-水的单层光折射模型的畸变校正;其次采用Hough变换提取相互垂直的平行线,求解对应消失点的初始图像坐标,接着基于距离最优化构建两组相互正交平行线对应的精确消失点,基于上述消失点求取相机的水下焦距fw,最后基于空气-水下的等效焦距模型求取水下图像在空气中的等效图像,进而获取相机外部参数（旋转矩阵和变换矩阵）。该方法仅需采集一幅图像;算法实施时仅需2组相互正交平行线。该方法标定时间约为2S,相比较经典的三正交消失点和Matlab自带的标定工具箱,速度分别提升231.61%和387.80%。采用该标定方法对实际标定物进行三维重建,尺寸误差小于2.5%。经实验结果表明,该水下标定方法在保证标定精度同时,能有效提高标定速度。解决了水下标定速度慢、标定限制条件苛刻的问题。在基于消失点优化的水下相机标定技术研究的基础上,设计了一套基于消失点优化的水下图像标定系统,通过拍摄单幅图像进行水下相机标定。具体功能包括:（1）利用基于波纹特性和环境特性融合与迭代复原的方法对水下单幅图像增强,输出高质量预处理图像。（2）利用基于两组平行线对应的消失点优化的方法进行水下相机标定,输出相机的内、外部参数;（3）利用标定误差校正水下畸变因子。本文的工作可为进一步研究自主水下航行器目标操纵、海洋环境监测、水下文物打捞、水下增强现实、标记识别等探索水下场景提供理论和实验依据。