传统的激光雷达测距机信号处理能力的评估需要激光器、光学系统和探测器等设备的配合，为简化该评估方法，研制了一种机载脉冲激光雷达回波模拟设备。通过分析脉冲激光雷达回波特性，建立了回波数学模型，指出了衡量测距性能的关键参数。以模型为理论依据，以距离、信噪比等参数为输入，采用软件算法生成波形数据并存储于PC机，通过硬件电路将波形数据处理输出，形成模拟激光回波。实验证明，该设备可模拟目标最远40 km，信噪比最小为2的回波，其中,目标距离模拟误差在0.95‰内，信噪比平均模拟误差为13.3％，该设备工作稳定可靠，满足使用要求，极大地简化了激光雷达测距机信号处理能力的性能测试。

快速自动对焦是机器视觉和数字视频系统中的关键技术。根据光学离焦成像模型，提出了一种基于微分图像自相关的快速自动对焦方法。首先利用拉普拉斯算子对离焦图像进行无方向二阶微分并求微分图像的自相关，然后从自相关图的环形槽鉴别出光学系统点扩展函数的半径，即离焦图像的弥散斑半径，最后依据离焦图像弥散斑半径与离焦量的几何光学关系推导出光学系统正确的对焦位置。实验结果显示该方法适用了任何目标，能够以较高的精度估计出弥散斑半径，并推导出离焦量，从而实现快速自动对焦。这种算法仅需要2幅离焦图像，相对于传统的基于图像清晰度评价函数的对焦方法，减少了计算量，提高了速度，降低了系统复杂度。

为实现大空间复杂工件的准确测量, 精确校准立体视觉系统变得越来越重要。提出了一种利用光学参考棒, 基于单位四元数法的灵活、有效的立体视觉测量系统现场校准技术。该方法以光学参考棒为校准靶标, 以参考棒上的三个共线的距离已知的红外LED作为特征点, 通过在测量范围内不同位置对光学参考棒上特征点成像, 灵活、有效地实现两摄像机之间的外参校准。参数校准过程中, 自动地控制光强, 优化曝光时间, 从而使得不同位置处光点图像的强度一致, 并且可以获得高的信噪比, 提高校准精度。实验结果表明该方法具有相当高的在线校准精度, 在实际应用中能获得很好的效果, 最大测量误差为0.15 mm, 最大标准差为0.11 mm。

提出了一种基于测量与校准功能合一的光学测棒的立体视觉坐标测量系统。采用光学测棒作为成像目标, 通过任意放置的两台摄像机获取测棒上的发光特征点的图像实现被测物体三维坐标的测量, 同时利用测量数据定期对两台摄像机外部方位参数进行校准。深入研究了两台摄像机内部参数和外部方位参数校准过程中的校准件和校准算法的设计, 以及系统测量建模等关键技术, 提出了相应的解决方案, 减小了摄像机内外参数校准及测量模型对测量结果的影响, 提高系统的测量精度。实验结果表明,该系统的最大测量误差为0.11 mm。

为实现大空间复杂工件的准确测量,精确标定立体视觉系统变得越来越重要。为了克服传统立体摄像机标定过程繁复、户外实现困难的弱点,提出了一种基于光学参考棒的灵活、有效的立体视觉测量系统标定技术。参考棒水平和深度方向各有三个距离已知的红外LED作为特征点。通过在测量范围内的不同位置和方位移动光学参考棒,两像机同时捕获参考棒上特征点的图像。基于匹配的特征像点以及对极线约束,利用线性算法和Levenberg-Marquardt(LM)迭代算法快速地标定立体视觉测量系统。两像机之间平移量的比例因子由参考棒上特征点间的已知距离确定。参量标定过程中,自动地控制光强,优化曝光时间,使不同位置处光点图像的强度均一致,可以获得高的信噪比,提高标定精度。实验结果表明,该方法灵活、有效,在线标定能达到很高的精度,将现场标定过程应用到实际的大空间三维测量系统中,测量最大误差为0.18 mm。

提出了一种利用虚拟立体校准模板的有效相机校准技术。通过红外发光二极管按照预定路径在三坐标测量机上移动,构成精确的虚拟立体校准模板。校准过程中考虑了径向畸变和切向畸变。采用二次高斯曲面拟合,精确地提取像点的质心坐标。校准过程包括线性参数估计和基于最大似然估计的非线性校正。首先采用线性方法对部分参数进行初始估计,然后再通过基于最大似然估计的非线性最小化获得所有的参数值。该方法可精确获取图像点坐标和空间点坐标,能够实现快速、有效收敛。实验结果表明,该校准技术能够满足视觉测量系统的要求,也可以满足视觉测量系统对相机参数的特殊要求。