针对大尺寸、长距离、非接触条件下的目标定位技术需求，提出了一种基于视觉测量的目标定位技术。许多视觉测量方法寻求在PnP算法改进上得到更高精度，而没有考虑到特征点数目增加对测量精度造成的影响，基于此，通过引入测量基线的概念设计出一种精度可定量提高的合作式靶标。首先通过测量模型的建立和精度分析，利用误差传播理论得出了n点式靶标测量精度的函数解析式，进一步详细分析与验证了各影响项所带来的影响，并讨论了合作靶标特征点排布形式对精度的影响情况，在此基础上进行了靶标布局以及结构参数的优化以进一步提高测量精度。实验结果表明，以所设计的16点环阵式靶标为例，其重投影误差较同尺寸P4P靶标减少了约50.3%，立体靶标则进一步将重投影误差降低了39.2%。该技术不仅可用于特殊环境下的目标定位识别，更适用于复杂系统中的单元状态监测。

针对位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题, 提出一种基于点特征的单目视觉位姿测量算法。首先, 根据共面4个特征点之间的位置关系, 分别对平行和相交两种情况进行分析; 其次, 根据特征点的空间坐标、图像坐标和空间位置关系, 推导出世界坐标系中3个坐标轴上的向量变换到摄像机坐标系中的单位向量, 进而求解出物体相对于摄像机的初始位姿; 最后,用LM算法对初始位姿进行优化, 得到最终位姿。实验结果表明: 文中算法的合成误差为0.54 mm; 现有的EPnP算法、两点一线算法和P3P算法的合成误差分别为1.28、1.52和4.26 mm; 文中算法的合成误差分别减小了57.8%、64.4%和87.3%, 优于现有的EPnP算法、两点一线算法和P3P算法。

提出了一种在辨识一组典型特征点误差关系的基础上, 建立间接测量值与直接测量值之间的最有利函数关系, 并根据误差传播理论综合其他特征点的误差影响, 最终获得完整的方位、俯仰和倾斜角误差数学模型的PnP问题误差分步分析新方法。以P4P问题研究为例, 推导得到了单目视觉测量中相关参数和变量的误差函数解析式, 揭示了影响姿态测量精度的误差规律。经P4P姿态解算仿真, 验证了误差数学模型的正确性, 以及基于误差传播理论的误差分步方法的有效性。分析误差数学模型可以看出: 在单目视觉测量参数确定的条件下, 方位角测量误差与方位角值无关, 与相机高度和合作标志尺寸的比值成正比, 在较大范围内俯仰和倾斜角变化对方位角测量误差影响小; 俯仰/倾斜角的测量误差与俯仰/倾斜角值有关, 与相机高度和合作标志尺寸比值的平方成正比; 方位角测量误差小于俯仰/倾斜角测量误差。给出的分析方法和误差解析数学模型对单目视觉测量系统设计有指导作用。

近年来,EPnP算法作为一种相机位姿估计的解析算法,因其较低的计算复杂度而得到广泛的关注,但该算法对图像噪声的稳健性不强。提出了一种基于EPnP算法的迭代算法,即IEPnP算法。IEPnP算法保留了EPnP算法的主要思想,构造了4个虚拟控制点,利用弱透视投影模型获得相机的初始位姿,计算出虚拟控制点在相机坐标系下的坐标,然后通过高斯-牛顿法对虚拟控制点在相机坐标系下的坐标进行优化求解,最终通过解决绝对定向问题来获得对相机位姿的估计。IEPnP算法简化了EPnP算法的计算过程。在不同的图像噪声水平下进行仿真实验,结果表明,相比于EPnP算法,IEPnP算法不仅保持了较高的计算效率,而且对图像噪声具有更强的稳健性。

针对平面目标姿态测量问题,提出了一种基于棋盘靶标的单目视觉测量方法,设计安装简单,在保证测量精度的同时简化了测量过程。首先,基于棋盘靶标对摄像机进行标定;然后,利用单应性条件得到外参矩阵,并利用Givens矩阵对外参矩阵进行分解,求得姿态角;最后,在靶标任意安装的情况下,基于旋转矩阵约束条件研究了安装偏差的自标定方法。实验结果表明:距离3 m时,在静态测量时垂直光轴方向姿态角的测量精度可达0.02°,其他两个姿态角的测量精度可达0.05°;动态测量时垂直光轴方向姿态角的测量精度可达0.1°,其他两个姿态角的测量精度可达0.5°。

利用计算机视觉进行位姿测量的方法广泛应用于机器人系统、运动体控制系统和精密检测系统。研究和设计了一种基于固定靶标的单目视觉定位系统和方法, 用最少硬件资源实现精密定位。首先, 利用图像匹配的方法检测出平面靶标在图像中的坐标, 图像匹配采用SIFT算法和映射匹配方法, 之后利用固定靶标的特性求取中心点。实验利用多幅图像样本验证了图像匹配的准确性和鲁棒性。然后, 针对呈矩形分布的PnP问题, 提出了一种新的求解方法, 以靶标控制点的图像坐标和空间坐标作为输入, 得到了移动物体与摄像机的三维相对位姿。实验利用五维精密位移台移动目标物体并拍摄多副图像, 结果表明位姿测量系统在800 mm范围内达到mm级精度, 可以满足应用需求。

针对大尺寸物体形貌测量应用, 设计一种视觉形貌测量新方法。该方法是将两套没有公共视场的单目视觉传感器组合起来联合交汇, 分别用于位姿测量和单目多位置交汇测量。位姿测量通过求解PnP问题为单目多位置交汇测量提供位姿信息。单目多位置交汇测量利用位姿测量提供的辅助信息通过光束平差解算出待测物的形貌。分析了系统原理, 给出位姿测量PnP算法实现过程, 介绍了非公共视场相机的标定方法原理, 分析了单目多位置交汇测量的原理并给出实现方法。最后进行了测量方法的验证实验, 实验结果表明, 在3 m×3 m的工作范围内系统测量精度为5 mm, 证明该方法可以用于大尺寸物体形貌测量, 且结构简单轻便, 具有很强的灵活性。

设计了一种新型多光谱多光轴**装备通用化的光轴平行性检校系统。采用高精度平移平行光管的方法, 使平行光管出射的平行光束分别进入**平台各个光电系统, 由平行光管产生无限远白光、微光、红外目标, 对待检测多光轴**系统进行光轴平行性检测。利用WMPS单发射站测角模型, 结合摄影测量PNP问题, 建立高精度空间坐标定位系统, 对平行光管在移动过程中进行精准位置姿态测量, 并根据测量结果进行高精度姿态恢复, 保证平行光管平移精度。该系统能够适用于多种不同类型光电**装备, 实现自动化检测, 并给出了数字化光轴误差量, 具有良好的通用性和可扩展性。