针对红外三维目标跟踪过程中目标姿态变化导致跟踪器失效的问题,提出了一种基于非均匀采样的多模型方法.首先用若干个原型视图表征三维目标,将这些原型视图对应的原型形状作为目标的多模型形状表示,并建立了这些原型形状之间的转移概率矩阵.在粒子滤波框架下,以对数极坐标变换下的原型视图中目标的灰度分布特征作为参考目标模型.通过对形状转移概率采样,实现了样本形状的转移与传播.此方法提高了跟踪器对于姿态变化的鲁棒性,同时具有非均匀采样特性的对数极坐标变换可以抑制图像尺度、旋转造成的畸变,并起到压缩周边的计算量的作用.仿真结果表明,这种算法对三维目标有较好的跟踪效果.