提出一种分段式位姿测量方法和系统的实现方案。利用柱面镜线阵相机的成像方程为远段图像测量子系统构建线性三维坐标测量模型,并利用最小化物方空间误差方法标定各线阵相机的外部参数。针对近段图像测量子系统的单目位姿测量问题,提出一种基于线性初始解的迭代位姿优化方法。实验结果表明,在5~35 m的视距变化范围内,系统可实现小于0.5%的相对位置测量精度和低于40 mm的方均根误差;在5 m以内的视距范围内,可实现小于1°的姿态测量误差,能够满足大视距位姿测量的任务需求。

基于激光位移传感器旋转，以回转轴线为基准，提出和验证了一种测量深孔零件直线度的方法。实验结果表明，在选用的激光位移传感器精度为±2 μm的情况下，该方法实现了圆孔直线度的在机测量，与三坐标测量机给出的相对真值对比，误差低于12%。该测量模型仅需机床主轴及其进给部件，易于实施。

针对现有的钢球表面质量视觉检测仪缺陷球漏检问题，本文提出照明系统优化方案。该方案通过建立LED漫反射穹顶光源的数学模型，分析影响钢球表面照度均匀性的因素，分别针对光源遮挡屏形状、导轨透光率，运用Lighttools 光学仿真软件模拟了其对照度均匀性的影响。根据分析结果，更新检测仪原有的照明系统，将检测仪投入工业现场进行实际分拣测试。实验结果表明，改进的照明系统将设备的钢球缺陷球漏检率降低至0.02%，提升了检测精度，光源的优化设计符合理论推导和仿真预期结果。

在大型精密工件的制造现场，内孔直径在机测量任务极为普遍，而已有测量方法存在诸多不便。介绍了一种单激光旋转测量法，在两条虚轴-回转轴线和激光中心线的位置关系不确定的条件下，研究回转轴线上固定点和被测点的距离极限值同传感器的数值极限值之间的关系，提出了一种适用任意曲面极限被测点的搜索模型。依据该模型，搜索内孔直径方向上的端点，并基于比较测量法，实现圆孔等规则内孔的几何尺寸测量。实验验证了该方法的有效性。该测量模型仅需一个可旋转的主轴，无需编码器等其他辅助测量部件，易于在加工现场实施内孔直径的测量，对推进大型工件上内孔的加工测量一体化进程具有实用意义。

针对批量微小型二维工件在视觉检测中角点的定位，提出一种渐近式分步提取方法。该方法以图像单像素轮廓上固有的几何关系为先验信息，首先在轮廓序列中锁定本次待测角点的存在区域，然后根据角点特征灵活设置响应函数检测角点，并对其精确定位及时排除伪角点，之后重新锁定区域。这一过程循环渐近，直至将所有角点检测出。实验结果表明，对同一工件不同位姿多次采像检测，角点间距的标准差在0.5 pixel 以内，重复性高。与Harris 角点检测、CSS 角点检测算法比较，对视场内杂质背景的抗干扰性强，定位准确、快速。该角点定位方法在微小型二维工件的大批量高速检测中，具有明显优势。

为测量机床主轴回转轴线与同向导轨间的平行度，研制了一种基于激光位移传感器的机床测头，并结合逼近式孔心定位法提出一种新的平行度检测方法。该方法以回转轴线不变为前提，借助一标准环规，让环规的同一截面位于主轴轴线的不同点，利用两次精确定位所获得的坐标值，计算导轨和机床回转轴线的平行度。利用该检测方法，可消除实物芯轴类测量方法所涉及的一些缺陷，可在主轴高速旋转时完成测量。实验证明，该方法能够完成机床主轴轴线与同向导轨平行度的测量，有望作为一种新的检测手段对机床进行校验。

详细讨论了石英管对平行WR-430波导谐振腔内部电场强度的影响。在没有石英管时，电场强度在每个狭缝附近发生突变，其峰值沿着一个波导逐渐减小，而沿着另外一个波导逐渐增大。存在石英管时，内部电场变弱且沿着石英管内表面无规则振荡，而且电场沿着两个波导之间的中心轴线波动。当石英管壁厚度和离上下波导的距离分别为5和2 mm时，谐振腔内部的平均电场强度达到最大，而且电场强区面积较大。当上述两者分别超过5和2 mm时，内部电场的最大值会随着石英管壁厚度和距离逐渐减弱。低气压和大气压空气等离子体在谐振腔内部被激发，其形态比较接近各自的仿真的电场强度分布。

工业现场清洁过的微型工件表面仍会有少量灰尘、发屑等附着物存在，在微型工件的视觉检测系统中会因其改变提取的目标轮廓而影响检测结果。为此，以灰尘与工件存在较小差异的任意位置和形状的一类附着物为考察对象，以区域生长提取的目标轮廓为先验背景，研究附着物定位与剔除算法。首先，获取沾染附着物的工件图像，采用基于区域的分割算法做处理，以建立工件轮廓的先验知识；其次，从曲率角度定位附着物轮廓角点，以此剔除附着物轮廓；最后，根据先验知识自动修复断开的外轮廓。实验结果显示，加入附着物去除与修复算法后测量精度没有降低，测量结果误差 6 μm 以内，图像边缘的定位准确度能够给予保证。表明所研究的附着物定位与剔除方法使检测系统在允许微小附着物存在并且不影响测量精度的情况下，实现了目标轮廓的正确判别，提高了视觉检测系统的可靠性。

对于提高大型工件轴孔加工的精度和效率，孔心的精确定位至关重要。提出了一种基于激光位移传感器的非接触式回转逼近孔心定位方法。将传感器固定于机床的执行切削的旋转主轴上，并将主轴旋转中心置于理想圆心附近。在机床旋转的同时，分别沿与主轴轴线正交且相互垂直的两个方向上移动主轴，直到测量变化量达到最小(理论上可以为零)，此时可以认为轴孔中心达到重合。利用逼近式孔心定位方法，可以快速精确定位与机床关联的圆心的相对坐标，从而指导后续加工。由于采用非接触测量方法，保障了测量的安全性。实验结果表明，此方法能够提高孔心的定位精度和效率。

为了提高影像测量系统的测量精度，研究了基于微位移错位的多幅图像超分辨重建技术。考虑制作成本和制作难度，提出了一种不苛求精确微位移的超分辨率重建技术。首先，获取随机微位移图像序列；然后，利用被测对象中易于实现高精度提取的特征点或采用模板衬底中的特征点计算出图像序列间的准确位移关系；最后，根据本文提出的数学模型重建出高分辨率图像并用于影像测量。实验结果显示，在图像分辨率提升至原始图像4倍时，对于不同大小的微位移，测量精度提升了29%~64%，表明该方法能够有效地重建出包含被测信息的高分辨率图像，进而提升影像测量系统的精度。