为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度, 基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法, 克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析, 列出视觉测量系统的误差溯源链, 解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪, 运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换, 获取大范围高精度的空间点阵, 构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数, 并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解, 进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4 m×3 m×2 m的双目立体视觉系统, 通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量, 在测量距离3 m处, 152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003 mm, 误差标准差为0.08 mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。

标定是结构光三维立体视觉测量系统中的关键一步，标定的准确性对测量系统至关重要。基于镜头的畸变规律，提出了一种新型的系统标定方法，即以光轴为中心分隔同心圆环，形成多个子标定区域，通过反向投影标定法一一进行标定。此法充分考虑到了大视场和透镜光学单元畸变不一的影响，提高了局部和全局标定精度。实验结果表明，在扩大视场约为1050 mm×750 mm时，分为两区域的投影仪标定精度提高了72.8%，系统测量精度达到28.9 μm，展示了对畸变更好的处理效果。该方法不依赖任何特殊的标定设备，操作简单，准确易行，可同时满足大视场和高精度的测量要求，并增强了系统实时性。

基于立体视觉的大尺度三维几何尺寸测量技术是对外形不规则的大型物体进行几何量测量的有效方法。与传统的视觉测量技术不同，大尺度视觉测量的精度随测量距离的增加而迅速下降，同时大尺度空间下照明条件难以控制，也使得测量变得不稳定。因此如何在大测量尺度的前提下提高测量精度成为这一领域的研究难点。从立体视觉测量系统的原理出发，分析了影响系统精度的各种因素，将相位一致性变换与极线约束条件引入结构光光条中心提取之中，显著提高了图像分析的精度。研制了测量系统的样机并给出了实验结果，现场测试表明该系统可以有效地保证大尺度条件下的测量精度。

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。