成像技术(相机)是人们基于视觉器官感知和记录实际物体信息的最重要手段之一。自从1839年法国达盖尔发明第一个实用的银版模拟照相机,到20世纪七十年代数码相机的诞生,相机已经成为人们日常生活、科研、军事、安全监控等领域不可或缺的设备之一。为了提高暗光环境下的成像质量、降低成像系统体积,学者们提出了单像素成像技术。所谓单像素成像(Single-pixel imaging,SPI)就是根据设计的测量矩阵和空间光调制器生成一系列散斑图并对目标物体进行M次测量,利用单像素探测器探测得到M个测量值;最终利用测量矩阵和M个测量值重构目标物体图像。单像素成像中单像素探测器处的光通量高,探测效率高,适合夜间、暗光环境成像;体积更小,造价更低;可以将压缩采样理论与成像技术结合,同时实现压缩和成像,减少采样资源浪费及传输数据量,具有广阔的应用前景。单像素成像的研究不仅具有较高的学术理论研究意义,还具有较高的实际应用价值。成像质量高、采样资源少、计算复杂度低和安全性高是单像素成像的研究目标,也是其走向实际应用必须解决的关键问题。针对这些关键问题,本文以成像质量为切入点,基于高斯白噪声特性、小波系数关系和图像稀疏性等先验知识,采用测量值信噪比分析法、高低分辨率计算复杂度比较法、重要小波系数计算法和测量矩阵混沌生成法,分别从噪声抑制、降低重构复杂度、减少采样资源浪费、优化安全单像素成像方法的成像质量和传输数据量等方面展开了相关研究。在研究过程中,本文提出了一些新的方法,并通过仿真实验结果验证了这些方法的有效性。本文的主要工作和研究内容可以总结如下:1.提出了非对称互补测量压缩单像素成像方法。首先定义了单像素成像系统的前向、后向噪声;利用测量值信噪比公式和高斯白噪声,分析了前向噪声和后向噪声环境下提高测量值信噪比的方法,提出非对称测量矩阵以抑制噪声。通过仿真实验验证了非对称单像素成像方法在抑制前向和后向噪声中的成像质量优势,并分析了不同条件下的最优非对称率选择。2.提出了基于聚合采样和连续差值的自适应单像素成像方法。根据不同分辨率系数对噪声的鲁棒性,设计重要系数比例因子自适应分配重要小波系数比例,提高参数设置的合理性。根据高、低分辨率小波系数关系,利用聚合采样方法直接采样重要小波系数,降低了重构分辨率和重构复杂度。为了减少成像系统光通量和测量值信息浪费,利用连续差值通用型互补测量矩阵替代现有方法的0/1稀疏测量矩阵,以精确重构重要小波系数信息。不同成像环境下的仿真实验结果验证了该方法可以有效降低重构复杂度,参数设置更加合理。3.引入小波系数中的层间和层内共享机制、同事关系,提出了基于共享机制和同事关系的自适应单像素成像方法,充分利用已采样的父系数预测和采样重要小波系数,降低采样资源浪费。仿真实验验证了不同成像条件下该方法均能获得较好的成像质量,相同成像质量下采样率更低。4.提出基于指导系数的自适应单像素成像方法。充分利用小波树父子关系和共享机制,根据已采样的子系数和父系数定位未采样重要父系数,并将其作为指导系数指导重要系数的预测与采样,提高重要系数定位精度;将重要指导系数及其定位的重要子系数与传统重要系数进行复合重构,提高重构质量。仿真实验验证了该方法能够提高重要系数定位精度和成像质量,减少采样资源浪费。5.提出基于二维Logisitc映射的安全单像素成像方法。利用二维Logisitc映射及其密钥和非对称率生成非对称测量矩阵并对测量值加密,保证该方法能够抵抗选择明文攻击;相对于现有安全单像素成像方法,该方法可以达到相同的安全性,且非对称测量矩阵可以更好的抑制噪声,成像质量更高;将Logisitc映射的密钥、非对称率和测量值加密参数通过私密通道传输,降低传输数据量。仿真实验证明了该方法在成像质量、安全性、传输数据量和计算复杂度方面的优势。