利用二维图像重建物体三维结构是计算机视觉领域的一个重要分支，在多个领域得到了越来越广泛的应用，传统的三维重构技术多是利用两幅或多幅二维图像，来恢复物体的三维结构。本文基于极成像系统，对单幅图像的三维重构方法展开研究，重点对极成像系统的基本理论、三维重构方法、实验平台搭建等关键技术进行了深入研究。　　作为三维重构的理论基础依据，本文详细地分析了极成像系统的成像原理。基于极成像系统的径向切面图，着重讨论了极成像系统的性能特点，对摄像机虚拟视点的轨迹进行了研究；针对不同参数配置的极成像系统，推导出了系统中二目区和三目区的位置；对摄像机成像的分辨率特别是切向分辨进行了分析讨论。借助仿真软件对三维极成像系统进行仿真，并得到仿真的极图像。　　在三维重构阶段，本文对重构方法中的重点步骤进行了详细的介绍和分析，并基于仿真极图像给出了每一步的处理结果。在利用极图像对物体进行三维重构时，首先，使用双线性插值方法对极图像进行水平堆叠处理；其次，对不同视点对应的图像进行立体匹配，对比SIFT特征匹配和区域匹配两种匹配算法，后者更有利于得到稠密的匹配点对，特别是对于纹理不够丰富的拍摄目标，选择基于区域匹配方法的效果更佳；另外，依据极成像系统的成像原理，推导空间点的深度计算公式，从而利用匹配点对的位置计算空间点的深度信息，结合该点在水平堆叠图中的行坐标，即可得到空间点的三维坐标，对所有的匹配点对计算三维坐标得到三维点云；最后，采用泊松重建方法对三维点云进行表面重建，得到目标的三维模型。　　最后搭建了实验平台采集极图像，并对实拍极图像进行三维重构，从而验证基于极成像系统的三维重构的可行性。在实验平台搭建过程中，针对一些关键问题进行分析讨论，比如摄像机光轴与内反射镜中轴的对准方法、极成像系统对摄像机的性能要求等。同时对实拍极图像的切向分辨率进行分析，验证了关于切向分辨率的理论研究。为了评估系统的重构准确度，对已知几何形状的目标采集极图像并对其进行三维重构，并将三维重构得到的点云进行曲面拟合，对比拟合曲面与目标真实表面得到重构误差，实验表明，误差在可接受范围内。最后扩展极成像系统应用于重构目标侧面完整的几何形状。