三维成像设备由于系统复杂、体积庞大等原因，需要在特定的环境与条件下才能使用。因此基于新原理、新器件的便携化三维成像技术是三维成像的一个发展趋势。由于微透镜阵列具有能够多通道成像的特点，目标透过微透镜阵列后将会以图片形式记录下来，通过对这些信息的计算成像处理，不仅能够提取还原出所记录空间场景的三维信息，还能够减少在还原过程中引入噪声。将微透镜阵列应用到三维成像中，能实现采集设备的便携化、轻量化。因此，基于微透镜阵列的计算成像具有重要的研究意义。目前，国内基于微透镜阵列的计算成像研究还处于初步阶段，针对其原理与应用的研究还未完善。本文针对光场相机成像和计算集成成像两种典型的微透镜计算成像方法进行相关研究，主要内容和成果包括以下几个方面：一，对四维光场理论进行深入研究，分别分析了斯坦福型光场相机和聚焦型光场相机的成像过程与原理。利用光场理论对常规成像系统的聚焦原理进行分析，并在此基础上对两种类型的光场相机成像与重聚焦原理进行剖析。结合光场相机的结构特点，分别构建了两种类型光场相机的成像与重聚焦功能算法。为后续的光场相机相关研究奠定了基础。二，结合几何光学原理，对计算集成成像的重建方法进行相关研究。分别针对基于视点的集成成像重建方法与基于深度的集成成像重建方法进行分析。并且进行相关实验，构建了两种计算集成成像重建算法，为计算集成成像的进一步工作开展做技术支撑。三，结合多基线立体测距方法，利用多幅不同视角的计算集成成像子图对空间物体进行测距。分析了计算集成成像测距原理，构建了相关的测距算法，通过仿真验证了计算集成成像测距的可行性。四，提出了基于计算集成成像目标提取方法，实现了复杂场景中多个目标物体的提取。研究了利用计算集成成像进行目标提取的主要原理与过程，并且通过仿真实验，验证了该方法的有效性与实用性。该方法将计算集成成像应用与目标提取中，为复杂场景多目标提取提供了一种新的解决办法。