对棱镜分光式单目立体视觉系统进行了深度方程的推导，修正了棱镜位姿偏移引入的成像误差，分析了位姿引起的成像视场变化。该系统由一个相机与两个具有相同参数的双棱镜组成，相机单次拍摄可获取两幅具有视差的子图像，这可视为两个具有一定夹角的虚拟相机同时成像。采用虚拟点模型与光线追踪法推导深度方程，建立视差与深度方程参数之间的关系，进一步研究了系统中物距与夹角对图像深度信息与视差的影响。棱镜组的人为放置，不可避免地引入位姿误差，进而影响每个成像通道中的成像视场。基于棱镜的旋转与偏移，建立了修正的虚拟点模型，并深入研究了棱镜组位姿对系统成像与视场产生的影响；最后通过实验验证了理论与推导的有效性与准确性。

为提高光度立体视觉技术处理各向同性非朗伯反射的能力，提出一种基于深度学习的逆向反射模型，通过提取与方位角差相关的图像特征，弥补共位光源逆向反射模型的理论不足，实现表面法向量高精度估计。该模型由三阶段子网络组成，分别是方位角差子网络、逆向反射模型子网络与法向量估计子网络，其中：第一阶段子网络与第二阶段子网络共同实现像素值到法向量以及入射光线方向点积的高精度映射；第三阶段子网络充分利用前两个子网络提取的特征，实现表面法向量高精度估计。仿真实验表明，所提方法对100种典型各向同性非朗伯反射均具有较好的处理能力；基于标准数据集的真实实验证明，所提方法能够取得平均5.90°的法向量估计精度，充分证明所提方法的有效性。

提出一种基于多层感知机的金属表面光度-结构光测量数据融合算法。设计了融合面结构光与光度立体视觉两种测量原理的复合传感器，分别获得同一相机坐标系下的缺失点云及完整法向量多模态数据。为有效融合两种数据，设计了基于位置编码的多层感知机网络，以点云为形状约束，以法向量为纹理约束，实现金属表面完整的高精度三维重建。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明：该方法有效避免了法向量积分累计误差的问题，在获取完整点云的同时，测量精度相较于结构光测量系统提升了50.4%。

基于主动散斑投射的双目立体视觉成像技术仅需一次投影拍摄即可实现三维重建，适合于动态成像，但在水下应用时，存在小孔模型失效、极线约束匹配条件不满足，以及投射散斑左右图像因受水下环境吸收、散射影响产生退化等问题。本文重新建立了基于主动投射散斑图案的水下双目视觉成像模型，分析了散斑图案对水下双目对应点匹配精度的影响，搭建了主动散斑水下双目视觉动态三维成像系统实验装置。实验结果表明，基于主动散斑投射的水下双目立体视觉技术具有较好的动态3D成像效果，动态误差在该双目立体视觉实验装置本身结构和系统参数决定的静态误差之内。

为提高隧道环境下列车的定位精度，提出了一种基于可见光通信与双目立体视觉的列车自主定位方法。首先，列车根据安装在隧道壁上发光二极管（LED）光源的光信号实时接收LED光源对应的唯一标识符（UID）。然后，运用灰度重心法和最小二乘法，列车获取LED光源图像中光斑中心的像素坐标。接着，利用双目立体视觉原理，得到列车初始定位结果。最后，采用维纳滤波器和惯性测量单元（IMU）补偿列车运行引起的定位误差，得到列车实时定位结果。结合成都地铁1号线的线路数据和设备信息来验证列车自主定位方法的可行性和有效性，研究结果表明：该方法最大静态定位误差为29.93 cm；当列车在不同速度下运行时，最大定位误差为36.11 cm，满足列车控制系统的定位要求。

双目立体视觉模仿人类视觉系统对环境进行三维感知，通过对校正后的左右图像进行立体匹配获取两幅图像的视差，再根据三角测量原理计算出场景的深度，在近几十年中一直是计算机视觉领域的研究热点，取得了一系列的进展。传统的立体匹配方法采用手工设计的特征进行立体匹配，研究表明，这类方法对弱纹理或重复纹理区域以及遮挡区域表现不佳。近年来，基于深度学习的立体匹配方法取得了显著的进展，表现出了强大的应用潜力。本综述对这一不断发展的领域进行全面的调研，讨论不同方法之间的优点和局限性，介绍市面上的双目产品，并展望该领域的研究与应用前景。

散斑投影轮廓术通过投影单幅随机散斑图案编码场景的深度信息，利用散斑匹配技术建立立体图像间的全局对应关系，从而实现单帧3D重建。但由于被测物体表面的复杂反射特性和双相机间存在的视角差异，投影单幅散斑图案无法为整个测量空间中每个像素编码全局唯一的特征，由此带来的误匹配问题导致测量精度较低，难以满足一些工业场景的高精度测量需求。提出一种基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计方法，所研制的三维结构光传感器集成了3个小型化散斑投影模组，投影一组空间位置不同的散斑图案，对被测场景的深度信息进行高效时空编码。提出一种由粗到精的时空散斑相关算法，以提升测量精度，重建复杂物体的精细轮廓。通过精度分析、三维模型扫描、小目标金属零件检测、复杂场景测量等实验证明，所提三维结构光传感器实现了远距离、大视场的高精度三维测量，可潜在应用于零件分拣、机器人码垛等工业场景。

接触网几何参数是我国高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）的基本检测内容，是保证电气化铁路安全运营的重要参数。基于多目立体视觉技术研究设计了一种接触网几何参数测量系统，并测量拉出值、接触线高度等几何参数。研究开发了一种高速同步频闪照明技术，该技术使测量系统的功耗显著降低，图像质量和抗阳光干扰能力显著提升。建立了用于接触网几何参数测量的线阵相机立体视觉测量模型，并提出了一种可靠的线阵相机立体视觉匹配方法。采用激光二维传感器进行车体振动补偿并建立了车辆振动补偿模型。研制了接触网几何参数测量系统样机并开展了现场测试。测试结果表明：拉出值和接触线高度的测量精度优于10 mm，所提方法为6C系统提供了一种可靠的接触网几何参数测量手段。