根据单目视觉高精度位姿测量中合作目标形状和图案设计的基本原则,分析了在透视投影情况下方形和圆形合作目标特征点的提取精度,指出在特征点提取时方形合作目标角点具有透视不变性、圆形合作目标圆心存在固有偏移误差的特点,并得出减小单个圆形目标尺寸容易造成抗污染能力差而方形目标抗污染能力强的结论。针对光阴影干扰测量精度的问题,提出将方形合作目标外边缘作为测量基准、内边缘斜率作为修正因子的角点提取算法。基于单目视觉位姿测量系统内部和外部参数,给出了合作目标几何尺寸设计和加工精度要求的计算方法。最后,通过合作目标设计实例和实验,验证了方形合作目标能满足复杂光干扰环境下高精度位姿测量需求。

在数字散斑相关测量方法中, 可靠的变形初值估计是获得亚像素精度的关键。利用标志点匹配技术, 提出了一种新的变形参数初值估计法。该方法在散斑上粘贴反射系数极高的圆形标志点, 为消除散斑背景对标志点提取的影响, 提出一种改进的尺度不变特征转换算法, 将极值点检测约束在显著的边缘区域, 从而大大减少冗余特征点的提取, 最后通过单应性变换得到全场变形, 进而使得感兴趣区域中各像素点快速完成初值估计。制作散斑板子进行实验验证, 结果表明, 该方法得到的变形初值, 只需要3~4次迭代就能够使亚像素迭代收敛, 并获得准确、可靠的测量结果。

为了实现对孔类零件特别是深孔零件的孔深测量及底面的表面形貌测量，设计了一种激光三角法内孔测距传感器。对该传感器所使用的机械光学设计、系统成像特性及基于Zemax的像差分析与评价等进行了研究。首先，利用聚焦透镜将激光器发出的光线聚焦到待测面上，使光斑足够小。接着，利用梯形棱镜的全反射特性将所需散射光线限制在一个狭小的范围内。最后，利用成像透镜将光线聚焦在CCD靶面上，根据CCD上光斑的位置和待测孔深的几何关系，求出内孔的深度和底面的表面形貌。实验结果表明，系统在0~1.6 mm范围内测量精度为1 μm，该设计可以很好的解决测量内孔时物理空间受限的问题，同时结合三角测量原理，使该系统能够满足工业生产线上的结构简单、稳定性好、调试和维护方便、精度高以及速度快等要求。

根据误差的来源将光斑质心亚像素定位误差归类为随机误差和系统误差,提出一种简单有效的实验方法对光斑质心定位误差进行定量测试。利用高精度一维电动平移台、POINT GREY Flea2-14S3 CCD 相机和LED 光源构建了测试系统,对测试结果进行研究和讨论,发现了测试系统LED 光斑质心定位系统误差的周期性变化规律,计算得到了基于Flea2-14S3 CCD 相机的光斑质心定位随机误差为0.018 pixels,系统误差为0.06 pixels,总体误差为0.063 pixels(约1/15 pixels),能够应用于以光斑质心检测为手段的测量系统中。实验表明,该测试系统可以作为估算光斑质心定位误差大小的一种有效的手段。