现代工业零部件的加工已经实现了无需二维标注图纸，由计算机辅助设计3D模型直接输入数控系统加工。加工工艺的进步给工件测量和质量评价方法带来了新挑战，通过获取零部件的高精度稠密三维点云的“靠模”质量评价方法得到了重视，特别是对于结构复杂的零部件。然而，高精度复杂结构的零部件三维测量遇到两个难题：1）金属零部件加工后表面光洁度很高，主动投射的条纹光束会引起金属表面的强烈反光致盲或者复杂结构引起的投射光多次反光混叠；2）复合材料的半透明会引起投射光的次表面散射。这些因素都会导致测量失效。现有结构光主动视觉三维重构技术无法解决上述难题。针对复杂型面免喷涂三维重构问题，建立基于单像素成像方法的复杂光照分离模型，实现直接光与复杂光照分离。为了解决单像素成像方法效率低、速度慢、难以满足工业现场测量需求的问题，提出一种基于局部区域延拓的并行单像素成像方法。实验结果表明，并行单像素成像方法能够很好地实现工业测量现场多次反光与次表面散射光干扰条件下的三维重构。

采用管道机器人定期检测输送管线的状态对于确保管道安全可靠运行意义重大。受限于机器人的结构尺寸和功耗，常用精度较低的微小型三维测量传感器为机器人提供环境及导航信息。针对低精度三维传感器得到的点云数据质量不佳、难以可靠分辨障碍物的问题，提出了一种基于时间序列及邻域分析的点云处理方法。利用障碍物点云与噪声点云在时间序列分布和空间分布方面的特性有效去除噪声，并通过拟合管道内壁实现管道内障碍物检测。测试结果表明，所提方法的检测精度提升了约30个百分点，检测时间小于1 s，满足管道机器人的应用需求。

针对复杂铸件尺寸大, 结构复杂, 槽、腔多, 测量时需兼顾测量效率和槽腔可测性的特点, 提出了一种大视场双目光栅测量子系统和小视场光栅测量子系统相结合的立体视觉测量方法。 该方法使用前者测量复杂铸件的外部可测部分; 使用后者测量复杂铸件的槽腔等被遮挡部分。建立了两个测量子系统的数据拼接模型, 给出了数据拼接模型参数的定标方法。最后, 通过实验验证了该方法的可行性。实验结果表明: 该系统测量数据拼接的均方根误差(RMSE)为0.22 mm, 满足复杂铸件测量的精度要求。相比传统测量方法, 该方法兼顾了测量复杂铸件速度快和可以灵活测量槽腔等被遮挡部分的特点, 对工程应用具有实际指导意义。

基于双目结构的投影栅相位法利用相位值建立左右图像对应点匹配关系，但传统相位立体匹配方法匹配速度较慢，因此本文提出了一种基于极线校正的相位立体匹配方法来提高相位立体匹配速度。首先，通过极线校正算法将双目立体视觉几何结构转换成极线标准几何结构，即左图中任意一点在右图的极线是与该点纵坐标相同的水平直线。然后，在对左右相位图进行极线校正的基础上，给出了改进的相位立体匹配方法步骤。最后，通过对实物进行三维重建，分析比较了传统相位立体匹配方法与改进方法的性能。实验结果表明，与传统方法相比，改进的方法将匹配时间缩短了63%，能够满足工业应用对测量速度的要求。

为了实现强反射表面三维形貌的光学非接触测量，提出一种改进的投影栅相位法。分析了强反射表面的反射光特点及其对相位解算的影响，指出了反射光亮度范围与相机动态范围的不一致是导致传统投影栅相位法测量失效的主要原因；提出了亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术，使相机亮度测量范围与强反射表面的反射光亮度范围相一致，并分析了此方法的可行性和适应范围。最后，给出了改进投影栅相位法的条纹投射与图像采集步骤。实验结果表明，改进的投影栅相位法克服了强反射表面引起的条纹图像饱和或过暗问题，能够成功测量出99.6%以上的三维点云，有效解决了测量点云缺失问题，能够实现强反射表面三维形貌光学非接触测量。

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求，设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理，并对系统进行建模，推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统，利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次，根据靶标上特征点及其像点间的位置关系，以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1 m处，测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70 mm，球面直径测量误差均值为0.51 mm；测量距离10 m处，测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85 mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。

在投影栅相位法的单目和双目三维测量结构的基础上,提出了一种单双目结合的三维测量方法。采用双目测量系统的架构,对两相机的公共区域使用双目的方法进行复现,同时分别将两个相机与投影仪组成两个单目测量系统,通过标定的统一可以将两者的世界坐标系统一到一个共同的基准上,利用单目的测量结果对双目测量的缺失区域进行填补。在对石膏头像的测量中,利用该方法避免了双目测量中在鼻梁附近出现的数据丢失。在保证双目复现区域精度的基础上,该方法有效地改进了测量结果的完整性。