为了满足高动态范围高灵敏度的全局曝光模式下成像系统的需求, 基于CIS-2521科学级CMOS图像传感器设计了一个相机系统, 通过分析CIS-2521芯片像素读出结构特点, 通过芯片内部模拟相关双采样与FPGA片内数字域相关双采样完成相关四采样算法, 列向噪声去除效果明显。通过设计曲线拟合双增益通道图像数据合成输出, 保证了系统成像有较高输出动态范围。相机常温下输出图像峰值信噪比达62.9 dB,采用半导体制冷后输出图像峰值信噪比74.3 dB。根据EMVA1288标准实测相机动态范围达到78.2 dB, 设计的相机系统实现了每秒50帧2 560×2 160像素,16 bit深度高清晰度高动态范围图像的实时全局曝光成像输出, 能够满足低照度条件下的高帧频高动态范围成像的需求。

为了提高大靶面交汇测量系统的测量准确度，分析了交汇测量原理，推导出脱靶量坐标公式.根据脱靶量公式分析其各项参量，利用几何关系建立像元坐标与偏移角度之间的映射模型.根据映射模型，利用光栅尺设计了一种针对线阵相机的标定方法，该方法不考虑相机参量，将整个光学系统看作一个整体，基于整体参量直接对像元坐标和它所对应的偏移角进行标定.实验结果表明，标定后的交汇测量系统在1.4 m处的平均测量误差为0.4 mm，最大测量误差优于0.6 mm.该方法简单高效，可提高系统标定的速度，且标定误差满足系统交汇测量准确度的要求.

由于现存的大多数基于检测的跟踪器都没有解决尺度变化问题, 本文在传统的基于检测的目标跟踪框架下设计了一种尺度估计策略, 并给出了基于核相关滤波器的自适应尺度目标跟踪算法。该算法利用核函数对正则化最小二乘分类器求解获得核相关滤波器, 通过对核相关滤波器的在线学习完成目标位置和尺度的检测, 并在线更新核相关滤波器。为了验证本文算法的有效性, 选取了10组场景复杂的视频序列进行测试,并与其它5种优秀跟踪方法进行了对比。结果表明,本文提出的方法比上述5种优秀跟踪方法中的最优者的平均距离精度提高了6.9%, 且在目标发生尺度变化、光照变化、部分遮挡、姿态变化、旋转、快速运动等复杂场景下有较强的鲁棒性。

为了满足全局曝光模式下对高动态范围CMOS相机需求，基于CIS-2521 sCMOS器件设计出一个相机系统，通过研究CIS-2521芯片像素读出结构特点和全局曝光模式下驱动时序特点，选用FPGA搭载DDR3作为处理架构，在FPGA内部完成了成像参数控制，sCMOS驱动时序，图像数据采集，图像预处理等SOPC片上一体化设计，并对各个模块功能进行了介绍。设计的相机系统进行成像测试，实现了连续输出50帧/s,2 560×2 160像素,14 bit有效深度的高清晰度高动态范围图像，基本满足科学级成像条件的需求。

针对基于数字微镜器件(DMD)的高动态成像系统在光学设计过程中由二次倾斜造成的畸变，建立了一套基于区域的系统畸变自校正模型。首先，根据像素级区域调光高动态系统中光路设计的特点，分析了畸变产生的原因。考虑不同种类畸变模型产生的原因及特点，结合系统自身的优势，建立了一种基于区域的畸变校正函数模型。为了解决在校正过程中某一点存在多次赋值或者未赋值的情况，采用逆推校正的方法逆向求解畸变参数，进行畸变校正。最后,利用数字微镜器件(DMD)自身投影标定模板的方法,实现了系统畸变的自校正设计。实验结果表明: 校正后的系统像元误差为0.87 pixel。与传统的畸变校正模型相比，该模型可以有效解决系统中的倾斜畸变、径向畸变以及偏心畸变，且畸变校正过程不依赖外部环境，校正过程快、可靠性高，满足了DMD高动态系统像素级调光的要求。

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66 dB,成像系统总的动态范围达到126 dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.