正交分光测量系统在动态位姿测量场景中有重要应用，待测目标的特征点坐标快速、有效匹配是系统实现动态测量的关键，传统坐标匹配方法存在速度慢、动态误差大等问题。提出一种基于射影不变量的多点坐标匹配方法，依据正交分光测量系统的成像特性，将射影变换中的交比不变量和顺序性作为坐标匹配的约束条件，设计了一种共线多点的合作靶标，完成图像坐标和物点的匹配，讨论并解决了测量过程中可能出现的坐标重叠情况。实验结果显示：所提方法单帧的坐标匹配时间最多为3 ms；随着被测目标运动速度的增加，与位姿解算方法optimal solution to perspective-n-point problem（OPnP）结合的旋转矩阵误差不超过6°，平移向量误差不超过2%。

线结构光视觉测量系统参数标定是三维测量应用的首要步骤,其中光平面特征点的稳定获取最为关键。针对平面标靶的特点和基于交比不变定理获取特征点方法的不足,提出一种高效的基于相机投影矩阵和单应矩阵的标定法。首先,通过平面标靶特征点与其世界坐标对应关系计算出单应矩阵,然后根据相机投影矩阵和单应矩阵一次计算出光平面和标靶的交线上所有特征点。实验结果表明,本文方法可以利用所有的特征点,稳定性好,易实现,能达到需要的精度。

一维(1D)标定具有抗遮挡和制作成本低等优点,是摄像机标定中的重要方法之一。首先,以1D单应矩阵为基础,给出了绕固定点运动1D标定方法的几何解释;其次,在小孔成像模型下,证明了摄影几何中的交比不变性与1D单应矩阵的等价性。相比于共线4点的交比不变性,1D单应矩阵约束更具有一般性。最后,针对基于平面运动的1D标定,由1D单应矩阵计算运动前后1D标定物延长线的交点,提出了一种简便的方法,将平面运动转化为绕固定点运动,并通过仿真和真实实验验证了算法的正确性。实验结果表明:与已有方法相比,本文算法的标定精度得到了显著提高。

为了满足加工中心在机检测的实时性需求, 实现高效率、低成本、高精度地标定线结构光传感器, 提出了一种基于同心圆平面靶标标定线结构光平面参数的新方法。该方法将三点透视模型和交比不变原理相结合, 在线结构光传感器的视觉范围内通过移动同心圆平面靶标, 计算得到光平面上多组标定点的三维坐标, 进而使用最小二乘算法确定光平面方程, 通过标定和检测实验分析并验证了该方法的有效性。该方法具有标定算法简单且操作灵活方便等优点, 适合加工检测等领域的现场标定。

为了提高Camshift跟踪方法在复杂环境下的跟踪性能, 应用被跟踪目标内部各特征像素间的交比不变原理, 提出了一种改进的Camshift跟踪方法。该方法通过分析被跟踪的目标模型, 计算出其内部各特征像素间的坐标关系; 将内部数据间的交比不变量作为所提出的跟踪方法的约束条件, 对跟踪错误的像素点进行校正, 并将跟踪过程中连续两帧图像的内部特征像素间的距离比作为跟踪效果的评判标准。用改进的Camshift跟踪方法分别对标准测试视频内的视频信息和实际拍摄的视频信息进行了测试。结果显示, 该方法在两种复杂环境实验条件下, 跟踪目标的距离偏差都能保持在15 pixel以内, 对单帧图像平均处理时间在20 ms以内。试验结果表明, 该方法对复杂环境下的目标具有良好的跟踪效果, 跟踪性能稳定, 跟踪效率高, 可以满足跟踪系统实时性的要求。

现有的线结构光传感器标定方法中，结构光平面上标定点的计算精度将会直接影响到传感器最终的标定精度。提出了一种基于共面靶标的线结构光传感器标定新方法，该方法无需计算光平面上的标定点，也无需反复计算摄像机的外参数。多次移动共面靶标计算不同方向激光条纹直线的消隐点，并对其拟合直线得到光平面的消隐线，完成光平面法向的标定。根据交比不变原理计算共面靶标上标定点间的距离，并以其为约束来标定剩余参数。考虑到误差传递的影响，定义了优化目标函数，以已求得参数为初值进行非线性优化。对比实验表明了该方法具有较高的标定精度，测量误差均方根为0.0306mm，且标定过程简单，计算复杂度低，适合现场标定。

为实现大尺寸轧钢几何尺寸、形状误差、表面缺陷的实时检测, 采用4个激光器和4个CCD摄像机搭建了多线结构光视觉传感器测量系统。针对多视觉传感器全局校准的关键问题, 设计了特殊形状的靶标, 提出了新的全局标定方法。利用交比不变原理获取光平面上多个标定点, 同步实现视觉传感器的局部标定和全局校准。详细阐述了标定的基本原理和系统构建过程, 分析了标定中存在的误差, 并提出了减小误差的方法。实验验证系统重复测量精度在0.04mm以内, 测量相对误差小于0.9%。

提出了一种基于双重虚拟圆来标定光平面的新方法。该方法利用棋盘的角点在图像坐标系下构建双重虚拟圆，虚拟圆与激光光条直线建立了相对的位置关系，根据交比不变原理计算出光条上的特征点在摄像机坐标系下的坐标。在摄像机视场范围内多次变换棋盘位置，构造出的虚拟圆也相应变换，由此计算得到更多的特征点，利用最小二乘法拟合光平面方程。实验表明，该方法求得的精度要明显优于实际的圆形靶标标定的精度，光平面标定的均方根误差为0.04 mm，且棋盘靶标更易于制作，标定计算简单可靠，适合现场标定。

管道作为工业生产重要的传输手段其内表面腐蚀程度和瑕疵的精确检测对于保证安全生产具有重要意义。针对管道内表面圆结构光视觉检测,提出了一种基于共面参照物获取圆结构光视觉传感器标定特征点的新方法。该方法设计了圆结构光平面靶标,基于交比不变原理,以摄像机三维坐标系为中介,将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到全局世界坐标系中,得到位于圆结构光曲面上的非共线标定特征点的三维世界坐标。该方法降低了标定设备的成本,简化了结构光视觉传感器的标定过程。标定实验精度达到0.340 mm,标定结果表明,该方法切实可行。

针对基于交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用误差分析理论和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。给出了满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm的测量精度情况下,各标定参数所需要的精度要求,以及标定样本提取的精度要求。通过实测实验结果,验证了误差分析的有效性。该误差分析为提高结构光系统的测量精度提供了理论依据。