快速、精确地对粒子进行三维定位在生命科学、材料科学、工业检测等领域具有重要的应用价值。传统的粒子定位方法由于运算量繁重, 难以满足快速、精确的需求。文章提出了一种新的基于相位掩模的粒子三维定位方法。采用Fienup优化算法设计位于4f系统频谱面上的相位掩膜, 针对不同深度的点光源获得一系列点扩散函数; 结合粒子位置和所成图像进行神经网络训练, 可在8 μm轴向范围内经单次测量实现目标粒子在三维空间中的高精度定位。两组模拟设计的数值结果表明所提方法能够快速高效地完成稀疏粒子的三维定位, 在细胞粒子成像定位等方面具有重要的应用价值。

随着物联网的快速发展，智能设备需要高精度、实时的定位服务。为了解决现有可见光定位技术中存在的只能实现二维定位、系统复杂、定位精度低、定位时间长的问题，本文提出了一种基于两个发光二极管（LED）和图像传感器的可见光三维定位系统。首先结合针孔成像模型和畸变模型建立了仿真模型。然后提出了一种基于二分及双指针的条纹搜索算法来快速确定LED在图像上的位置。最后利用LED在图像上所成像的几何特征实现三维定位。经计算，系统在100cm×100cm×300cm的空间内，仿真实验的平均定位误差为0.79cm；实物实验的平均定位误差为5.61cm，平均定位时间为64.13ms。此外，与线性法的条纹搜索方法相比，提出的条纹搜索算法的时间性能提升了70.06%。因此，该定位系统能提供良好的三维定位服务。

为进一步提高室内可见光三维定位的精度, 提出了一种基于最小三角形算法的室内可见光三维定位方法。该方法采用视距链路模型, 由定位终端接收携带发光二极管位置信息的光强信号, 利用最小三角形算法和接收信号强度指示方法来计算接收机在室内的三维位置信息, 再引入加权质心算法降低光路受遮挡所造成的影响。仿真结果表明: 在室内5 m×5 m×3 m的定位区域内, 提出的定位方法平均定位误差约为4.35 cm, 平均高度误差约为1.65 cm, 定位精度优于传统的室内可见光三维定位方法。

针对室内可见光定位(VLP)一般需要多个发光二极管(LED)信标的问题, 提出一种基于单个LED信标和单个互补金属氧化物(CMOS)传感器的高鲁棒性三维VLP系统。使用额外标记且可调制的LED信标作为VLP系统的发射器, CMOS传感器作为接收器, 采集到的图像被视为一个带有几何特征的椭圆。对采集到的图像进行特征提取与椭圆光斑解调以识别预定信息, 结合单目测距和到达角(AOA)算法求解出待定位点的位置坐标。通过实验评估了VLP系统的性能, 在1.8 m× 1.8 m× 2 m的区域内平均定位精度为9.7 cm, 置信度为80%时可实现13.1 cm的定位误差。

大视角、高分辨率、低畸变光学成像系统是全视角高精度三维测量仪中最为关键的核心器件。现有三维测量仪实际使用过程中不可避免会产生各种误差,因此科学合理地评估和降低全视角高精度三维测量仪的测量误差具有十分重要的科学及工程应用意义。通过多角度、全方面分析定量研究了相机内方位元素标定误差对几何定位误差的影响,以及相机光学系统MTF分析、点扩散函数分析、波像差分析和公差分析对匹配误差产生的影响。研究结果表明,在各种影响三维测量仪光学成像系统测量误差的因素当中,相机的传递函数是影响系统三维定位误差最主要的因素,当系统MTFN值大于0.4 lp/mm、系统几何畸变小于1个像素,PSF能量集中在以3 μm为半径的圆环内(小于1个像素),且PSF峰值达到了0.9时,三维测量仪的定位误差可达到秒级精度。

为了提高室内定位精度, 实现三维定位, 提出一种基于蚁群算法的的可见光通信室内高精度三维定位系统。本系统采用了码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)调制技术,解决了室内可见光通信多信号源之间的符号间干扰.系统中与发光二极管(Light Emitting Diode, LED)光信号源地理位置相关的ID信息码经过直接扩频调制后加载至发光二极管驱动电路, 以光信号的形式在室内传播.光信号经过放大、滤波、采样处理后, 根据码分多址调制技术中扩频码的正交性恢复出ID信息及光强衰减信息.经过计算获得来自不同发光二极管的信号光强衰减因子, 利用蚁群算法的全局搜索性确定最优定位点.引入误差修复因子, 利用蚁群算法的并行搜索性对光强衰减因子偏差进行修正.仿真结果表明, 信噪比为30 dB, 20 dB, 10 dB的条件下, 算法的定位精度分别为2 cm, 4 cm, 8 cm.当计算的精度高于45 cm时, 蚁群算法定位解的搜索效率明显高于遍历法.在10 dB的信噪比条件下, 对光强衰减因子进行修正后100%的测试点都实现了5 cm 定位精度.实验结果表明, 20 dB信噪比条件下, 92.59%的测试点的定位误差小于8 cm, 96.29%的测试点定位误差小于10 cm, 最大定位误差为11.30 cm.经过误差修复后, 96.2%的测试点实现了3 cm的定位精度, 61.6%的测试点实现了2 cm的定位精度.本算法在实现了高精度定位, 减少了获得最优定位解的计算量.

易开盖刻痕深度是决定罐头包装质量的关键参数。为了满足在工业现场自动测量刻痕深度的准确度和稳定性要求，提出了一种基于光切法的机器视觉系统，具有三维精密定位功能和图像测量功能。针对易开盖刻痕光切图像特点，实验分析了在x-y 平面上不同测量位置与光带斜率之间的几何关系，提出一种平面定位算法来自动检测和矫正光带投射位置；采用6 种调焦函数对光切图像进行处理，以单峰型和无偏性为评价标准，提出一种以灰度变化率之和函数为粗调焦函数，Laplacian 函数为细调焦函数的调焦算法，来调整被测刻痕在z 方向上的正确成像位置，实验结果表明该算法具有良好的单峰性、无偏性和灵敏度。

研制了一种在大视场范围内可靠性高、功耗低的便携式目标定位仪器。研究了该系统采用的光、机、电、定位数学模型、标定方案以及在目标定位过程中根据像点识别对应通道的算法等。首先, 根据大视场的要求设计了透镜阵列曲面分布的结构, 加工了安放透镜的球壳基底, 并将它们成像在同一个图像传感器上。采用折射透镜进一步优化了光路系统, 从而改善了成像质量。编写了相应的驱动程序完成了图像的采集和数据高速传输, 然后, 建立了所设计复眼系统的定位数学模型,并对复眼成像系统进行了标定。最后, 根据像点匹配通道算法, 实现了目标的三维定位, 并在此基础上进行了简单的三维零件轮廓测量。实验结果表明: 系统对横向66°、纵向43°视场角的目标实际三维测量精度误差在2%左右, 表明本仪器能完成大视场范围内的目标三维定位任务。