针对大空间单目视觉系统中摄像机内参数校准精度对整体测量精度影响较大这一问题, 本文提出一种基于变异机制粒子群优化(MMPSO)算法的摄像机内参数虚拟三维校准方法。该方法基于分阶段最优化思路, 通过建立摄像机成像模型对摄像机外参数及部分内参数进行初始值估计, 再通过MMPSO算法对内参数进行优化校准确定最终的结果。实验中为了提供精确的校准控制点, 搭建了校准硬件平台, 将红外发光二极管固定于三坐标测量机测头上并跟随测头移动, 构造一个大空间虚拟三维校准板。实验结果表明: 主要的10个内参数均达到测量精度要求的数量级, 验证了该方法的有效性。通过单目视觉坐标测量系统对两种校准方法所得结果进行等距测量实验, 基于Janne Heikkila的三维校准法的总体标准差为0.112 mm, 基于MMPSO算法的虚拟三维校准法的总体标准差为0.084 mm。通过对比实测数据标准差, 可以证明本文提出的校准方法稳定性更好, 精度更高。该方法能够满足大空间单目视觉坐标测量系统对摄像机内参数精度的要求, 对视觉坐标测量技术领域中的摄像机校准等非线性优化问题具有一定指导作用。

提出了一种以优化点云数据中平面的平面度和平面面积为目标的内参数标定方法, 针对不同情况选用区域生长算法或改进随机采样一致性(RANSAC)算法进行平面提取, 并通过提出的单纯形和人工蜂群混合优化算法(NMS-ABC)进行参数解算, 实现了DIY系统的内参数标定.利用内参数已知的仿真数据实验验证了NMS-ABC混合算法用于内参数快速求解的有效性, 利用不同场景获取的多组实测点云数据进行了标定实验, 结果表明: 标定后的平面内点百分比和整体平面度均有所提高, 并且当平面数不少于3时标定结果更稳定可靠; 进行了点位精度测试, 经内参数标定后DIY扫描仪的点位测量精度得到提高且在不同水平角度分辨率条件下优于3 mm@4 m; 人为增大安置误差, 通过对比标定前后的点云及平面提取结果, 进一步直观验证了本文所提标定方法的正确性和有效性.

为了保证双目相机标定精度的同时，提高算法速度。利用田字形模板中的两对正交消隐点，拍摄两幅图像，实现快速标定。首先，提出了消隐点寻优的方法来提取每幅图像中误差最小的两对正交消隐点，线性计算相机主点和归一化焦距，作为内参数的初值。再根据同一幅图像消隐点共线和所有直线畸变后也为直线的原则，构建约束函数，利用优化的差分进化算法进行全局寻优，完成相机畸变校正。最后，根据优化后消隐点坐标求得左右相机的旋转矩阵，并结合左右相机的角点世界坐标，利用刚性变换求得平移向量。双目标定的平均重构误差为0.598 pixel，跟传统方法标定误差相当。该标定算法重构误差与传统算法在一个级别，能满足标定中稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

针对相机内参数已标定和未标定情况下的相机位姿求解, 提出了基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计算法。推导了关于相机焦距和位姿参数的线性方程, 通过4条以上共面直线实现了相机位姿参数的线性解算; 对参数线性解进行迭代加权最小二乘优化, 得到更高精度的参数估计值和直线权值; 最后, 利用直线权值和欧式变换的保距性实现相机焦距的解算, 得到了相机焦距和位姿参数的估计值。仿真实验表明: 提出的算法在相机已标定, 直线数为20, 像点噪声方差为5 pixel的情况下, 角度误差小于0.2°, 相对平移向量误差小于0.5%, 耗时大约为1 ms。真实数据实验表明, 提出的算法可以获得与棋盘标定结果相近的精度。与现有算法相比, 提出的算法抗噪性更好, 精度更高, 能够实现基于单幅图像的未标定相机的位姿估计。

为了研究摄像机内参数误差对姿态测量精度的影响，将焦距、成像中心、畸变系数等参数作为蒙特卡罗方法的输入量，以姿态测量成功率度量了各个输入量对姿态测量精度的影响程度，并仿真统计了同一输入误差值在多个像面区域内产生的姿态测量误差值。仿真结果表明，随着特征点像点偏离像面中心，焦距误差对姿态测量结果的影响逐渐增大;成像中心误差对姿态测量结果的影响在整个像面区域内变化不明显;姿态测量误差随着像面区域畸变的增大而增大。因此，在姿态测量系统中，提高焦距与畸变系数的精度能有效改善像面边缘区域的姿态测量精度，而整个像面区域的姿态测量精度会随着成像中心误差的减小而提高。

针对摄像机内参数的自标定问题，提出一种对中心折反射摄像机与针孔摄像机均适用的统一纯旋转自标定方法。应用统一球形成像模型对该两类摄像机进行描述；证明当摄像机坐标系做纯旋转运动时，空间静止点对应的球面投影点之间的距离保持不变；根据该性质构造具有统一形式的内参数约束方程组；提出最优化目标函数并利用数值优化算法进行求解。相比现有的自标定方法，该方法对上述两类摄像机均适用，而且无需进行复杂的矩阵数值运算。仿真与实验结果表明，该方法对图像噪声与微小平移具有较好的稳健性，并且具有操作简单以及标定精度高等优点。

针对等距投影鱼眼成像模型，本文提出通过标定场方法对月球车避障像机进行自标定光束法平差，对月球车双目视觉避障像机的内参数、相对外参数进行标定。采用标定得到的参数，对摄影测量标志进行三维坐标恢复，得到标志在避障像机坐标系下的三维坐标。将该三维坐标与已知的三维坐标进行比较，利用比较的偏差结果评定避障像机的标定精度。实验结果表明，该方法完全满足避障像机标定精度要求。