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。

枸杞槟榔的放料工序目前仍需工人手动完成，生产效率低且存在食品卫生问题。为了解决这个问题，设计了一种基于结构光3D视觉的槟榔姿态识别与定位系统。首先，由数字投影仪向槟榔投影蓝光正弦条纹，相机采集变形条纹图像后，通过计算机进行三维重建，获得高精度槟榔点云；然后，融合2D图像和3D点云信息，采用所提特征线法估计槟榔的姿态参数；最后，定位槟榔空腔中心并将其作为放料点，根据手眼标定将放料点坐标转换到机械臂基坐标系下，使机械臂自动放料。利用500个槟榔进行姿态识别与定位实验，并统计处理时间和分类准确率。实验结果表明，1个槟榔的处理时间为0.39~0.59 s。整体的识别准确率为95.6%。对放料点的定位误差在0.25 mm之内，低于放料要求的0.3 mm。所提方法能有效解决形状复杂且自由放置目标的姿态识别与定位问题，具有较高的定位精度以及良好的稳定性，满足实际生产要求。

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。

节点定位技术是无线传感器网络应用的关键。针对传统质心定位算法定位精度低的问题，提出了一种基于接收信号强度指示的三维质心迭代定位算法。算法根据测距技术简化未知节点的定位参考节点，通过节点间的空间几何关系得到距离偏移系数，利用系数的最优解对质心坐标进行修正，并多次迭代更新系数以更新定位结果，直到达到迭代准则为止。仿真实验结果表明，相比于传统的质心定位算法，本文算法可提高定位精度20%~28%，能有效减少无线传感器网络三维定位的定位误差。

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。

物理点的三维定位是计算机视觉实现特征提取、模式识别、测绘、运动分析的基础, 为了减少遮挡的影响及增大视场面积, 可以通过多视图实现点的三维定位, 但目前使用专门仪器设备及专门软件实现, 定位的点数、二次开发功能都有一定限制。本论文提出一种基于直接线性变换(Direct Linear Transformation, DLT)的物体上点的世界坐标系下的三维定位方法, 适用于单台相机移动获取的多视图实现的静态结构体点的定位, 也适合于多台相机同时拍摄获取的机器上点的三维动态定位。采用DLT方法进行各相机(或不同位置下的相机)进行标定获取内外参数, 即布置6个以上不共面且坐标已知的控制点, 根据空间三维坐标与图像二维坐标的线性变换关系列出方程组, 通过最小二乘法对相机内外参数进行线性估计; 再利用这些内外参数实现点的三维定位, 即依据空间几何线-线交会原理利用最小二乘法求解实现空间点的世界坐标测量。论文论证了本方法的原理, 提出了方法的步骤, 并以水田平地机为试验平台, 测量平地铲上待测点的世界坐标来验证。试验结果表明: 该方法测得的坐标在X,Y,Z方向的平均绝对误差为4.19 mm, 3.97 mm, 3.69 mm, 空间相对距离误差为0.81%, 满足一般测量精度要求。进一步提高精度可以考虑在标定步骤中校正相机失真。基于一台或多台相机得到的多视图, 该方法能够实现任意多个物理点的世界坐标测量, 测量结果不受相机位置影响。

突破了衍射极限的超分辨光学显微成像通常被用于观测亚细胞的结构特性及其相互作用,对于研究基因组和攻克重大疾病具有重要意义。首先分别介绍了4种典型的超分辨显微成像技术的工作原理,然后阐述了多色荧光成像和三维成像等观测手段的研究进展,最后综述了近年来国内外超分辨光学成像在细胞活动观测、细菌细胞研究和细胞骨架观测中的应用现状。文中指出,影响成像质量的主要因素包括荧光蛋白较差的光稳定性、低的光活化速率以及弱的荧光强度等。随着上述问题的解决,超分辨光学成像将在厚样品三维成像、多色荧光成像和活细胞快速成像等方面得到广泛应用,最终推动生命科学、材料科学的发展。

将非相似成像理论引入到立体视觉理论中, 探索了一种非相似立体视觉机制, 建立了空间目标三维定位模型和深度精度模型。根据流行的非相似等距投影理论, 对非相似立体视觉三维定位方程进行了数理推导, 并实验验证了所建模型的有效性。结果表明: 利用三维定位模型可以准确地获取大空域场景中不同深度的多个目标位置信息, 定位误差随着目标深度的增大而缓慢变大, 在30 m深度处的定位误差达到1.32 m, 误差变化规律与深度精度模型结果吻合良好, 且误差值远小于相似立体视觉模型的定位误差。所建模型的优势是无需对非相似畸变图像进行校正, 便可较好地得到空间目标的三维坐标, 研究工作对于拓展非相似成像理论在大空域态势感知、目标侦察等领域的应用具有重要意义。