深海是地球上最大的未知区域,蕴藏着人类社会未来发展所需的各种战略物资和能源。实现海底地形地貌的高精度三维重建,可以为目标识别、地质勘查、矿藏估计、环境监测和潜水器路径规划等水下作业提供可靠依据。本文基于线结构光法三维重建的原理,针对海底热点科研区域(冷泉区、热液区和矿产区等),设计了由线激光器和摄像机组成的视觉传感器,融合“蛟龙号”载人潜水器的导航定位数据与姿态信息,搭建深海三维重建系统。具体研究内容有:(1)本文针对拍摄的水下图像特征,研讨了基本的图像处理算法,选择高斯滤波对图像降噪,使用腐蚀膨胀算法减少水中悬浮物的影响,通过伽马矫正来增强图像特征,达到图像预处理的目的。(2)结构光条纹中心线提取的准确度决定了三维重建的精度,本文通过改进的Steger算法,实现了亚像素级的中心线快速提取,通过程序检测表明提取准确度达到98%以上。(3)相机标定是三维重建系统能否反映真实目标特征的关键,本文根据射影几何特性,使用直接标定法计算图像坐标,并与视觉传感器的位移相结合,实现像素坐标向真实世界坐标的转化,通过实验验证,直接标定法的准确度达到97%以上。(4)为了保证整个区域地形地貌重建的连续性和恢复的准确性,将视觉传感器获得的图像坐标与载人潜水器的航位信息相融合,统一在固定的世界坐标系下,并根据载人潜水器的姿态信息,对标定面和重建坐标进行矫正,使获得的点云坐标能够跟随潜水器航迹,实现海底区域的准确三维重建。根据设计的三维重建系统,搭建了水下模拟实验平台,经过实验和程序验证,重建目标的准确度达到了95%以上,并分析了误差存在的原因。考虑深海高压环境,设计了激光器的钛合金封装,并选择合适的水下耐压摄像机,组成满足搭载要求的视觉传感器。最后,设计了系统运行流程,为实现真正应用打下基础。