变形测量是大型工程建设与运维的基础性、常规性任务，是实验力学、结构健康监测学科最重要的内容之一，现有测量方法难以精准高效经济地实现大型工程结构大尺度高精度测量需求，迫切需要建立新的测量方法和技术。近年来，以摄像机/照相机为传感器的摄像测量理论手段具有非接触性、精度高、成本低等优势，被逐步应用于各种工程结构测量中。本文结合本团队的相机网络测量方法与系统，综述了单相机、多相机摄像测量系统，介绍了多相机系统的图像采集、相机标定、特征提取与跟踪、变形计算等关键算法，论述了摄像测量技术在长期监测和快速检测领域的相关应用，以及系统稳定性的主要影响因素，最后对大型工程结构静动态变形摄像测量方法与技术的成果和问题进行了总结，并展望了其未来发展趋势。

针对摄像测量应用中被测物自身结构复杂或者现场环境复杂出现前景遮挡使得目标丢失导致测量失败的问题，将合成孔径成像与图像处理技术相结合，提出了一种基于阵列式合成孔径成像的遮挡目标位置测量方法。总体思路为通过合成算法得到去遮挡图像，之后识别图像中的被测物，最后进行重建得到待测信息。考虑到标记点法被广泛应用于摄像测量中的位置观测，将其作为研究对象，从合成孔径成像过程中分析典型标志灰度分布，总结现有识别方法在遮挡条件下的适用性，提出了一种适用于合成图像特殊灰度分布规律的标记点以及对应的识别方法并验证了可行性和精度。之后，应用所提方法开展了静态测量和动态测量实验。结果表明，所提基于阵列式合成孔径成像的遮挡目标位置测量方法可以解决复杂结构测量和复杂环境测量时存在的前景遮挡导致标记点丢失和信息识别缺失的问题，为摄像测量在相关应用中提升精度提供了新的手段。

为减小摄影测量中温度对测量精度的影响, 基于物理实验, 对相机自热引起的像点漂移影响机理进行研究, 提出一种针对相机自热致像点漂移补偿方法。通过摄像测量技术对不动标志点进行长期连续监测, 发现测量系统温度变化确实会引起像点漂移测量误差, 其中水平漂移测量误差可达1.11Pixel, 竖向漂移测量误差可达2.22Pixel。基于试验场标定法对相机进行连续标定, 定量分析相机温度变化与内参数值的关系, 并采用统计模型对相机内参与温度进行参数拟合, 建立温度误差补偿模型, 实现内参误差补偿。实验数据表明, 利用模型补偿后的像点漂移误差水平方向降低约0.4Pixel, 竖直方向降低约0.9Pixel, 像点漂移量显著降低, 测量精度提高。此研究提出的温度补偿模型可针对性地采取一系列相应的温度误差规避措施, 将测量误差控制在允许范围内, 为高精度摄影测量工程应用和实践提供相应的方法与理论基础。

基于视觉的监测系统在野外进行长期工作时,安装了监测系统的平台自身会发生6-自由度(6-DOF)的微小晃动,从而给测量结果带来较大的误差。提出了一种线性求解相机微小位姿变化的方法:通过构造垂直双相机模型,引入垂直固连约束关系,可线性解算出相机6-DOF的微小变化。仿真验证表明:当相机发生三个欧拉角不超过30',三个平移向量不超过10 mm的微小位姿变化时,与典型的基于单目透视n点(PnP)的位姿估计算法相比,所提算法在解算精度、鲁棒性以及运行效率上都具有较大优势;室外实验表明:所提方法与单目PnP算法对比能更优地补偿观测平台自身微小运动引起的测量误差,在6个控制点下测量44 m处目标点的沉降量,利用所提方法修正平台位姿变化后绝对测量误差的平均值降至0.2 mm,验证了所提方法的有效性和实用性。

为了解决靶场姿态测量系统中远距离单站测量易出现不稳定解或解不收敛的难题,从而为靶场常规中远距离光学单站姿态处理提供可行方案,在某参与计算特征点物距可获取的前提下,提出了一种物距辅助的单站姿态信息获取方法;首先提出物面连续离散化等效计算像长的方法,在此基础上,以像长为匹配元素建立单站透视姿态测量模型,然后以炮管为例对算法进行试验验证,最后对关键影响因素进行误差分析。结果表明:偏航角、俯仰角相对真值的均方根误差分别为0.97°、0.90°;所提方法可拓展至飞机类非轴对称回转体目标单站飞行姿态的处理。

针对许多透镜成像畸变模型在求取像机参数时忽略透镜畸变中心位置的影响，将图像主点位置视为透镜畸变中心位置的问题，为提高标定精度，将畸变中心位置引入透镜畸变模型并作为增加的待标定像机参数。为弥补由于增加待求参数带来的标定过程运算量大、效率低等问题，采用随机并行梯度下降算法进行优化迭代以达到提高参数在线标定能力的目的。数值仿真和实物实验均表明,多参数随机并行梯度下降标定算法具有精度高、鲁棒性与快速收敛性等优点。

基于数字散斑相关计算和转动轴表面匹配方法，提出一种利用双相机直接测量转轴动态扭矩的新方法。分别在轴两端使用两个工业相机采集无扭矩时的轴面图像序列，作为参考图像。同步采集扭矩作用下转轴轴面应变图像，对应变图像进行匹配方法，搜索其对应的参考图像，分别对两路应变图像和参考图像进行整像素相关计算、梯度法的亚像素位移计算，得到轴两端扭转角位移，最终计算出轴扭矩。为验证所提方法测量精度，运用Ansys有限元分析软件对轴上扭转位移进行计算，并与所提方法比较，两者结果误差为1.39%，具有较高一致性；进行了不同转速、扭矩下的台架实验，并与标准传感器测量结果比较，两者误差在1.4%~5.3%之间。实验结果表明，数字工业摄像的扭矩测量系统有较高精度，系统结构简单，克服了传统方法安装复杂、信号易受干扰等缺点，适用于转轴动态扭矩测量。

提出了一种基于空间控制点的全自动标定方法，该方法只需知道控制点的空间坐标及其图像，通过自动提点、自动匹配以及高精度解算三个过程完成全自动标定。针对已知光心位置和已知光轴指向两种情况，对摄像机标定进行了理论推导，提出了焦距一致判据的自动匹配算法；针对不存在先验信息的情况，以计算残差和重投影残差为判据，根据最近邻原则提出了残差最小自动匹配算法。仿真和实验验证了提出的自动匹配算法和全自动标定模型的快速、正确性和高精度。

在大视场摄像机标定中，常常会出现由于场景过于单一而很难达到自标定所需要的场景约束和运动约束条件、立体标定所需要的强立体条件或者平面靶板标定所需要的绝对共面条件，如指向高空区域的摄像机标定任务就很难满足上述要求，因而大视场摄像机标定需要较为弹性的标定算法。提出一种基于无穷单应的大视场摄像机标定方法，该方法最少只需要4个非共线控制点和摄像机粗略的位置即可求解无穷单应，并且提出一种坐标变换方法以保证线性求解和优化无穷单应时的稳定性。从无穷单应中分解得到摄像机参数初始值，通过Levenberg-Marquardt(LM)优化算法最终实现摄像机的标定。在优化过程中，通过假设图像中心为主点和采用一阶径向畸变模型，相对增加了优化过程中的剩余自由度，能够实现4个像点为观测值的参数优化。相比于强立体或共面的条件，此方法所需条件很容易满足。仿真和实际实验验证了此方法的正确性和高精度，以及重复测量实验的灵活易实施。

针对单目运动像机无法确定点状运动物体三维位置的难题, 提出了一种求解点状运动物体三维位置的方法, 利用直线在其法平面上的投影为点这个特性, 将各时刻像机光心与物体位置的连线(以下称观察视线)投影到以运动物体轨迹为法线的平面上, 通过迭代使其投影线交于一点, 交点对应的直线就是物体的运动轨迹, 仅需要取大于等于5个时刻的数据就可以确定物体的运动轨迹。假设物体作匀速直线运动, 根据各时刻像机内外参数以及运动物体的成像列出线性方程组, 得到物体运动轨迹的初值；将各时刻的观察视线投影到物体运动轨迹初值的法平面上, 得到一系列投影视线的交点, 并通过RANSAC方法剔除交点的野值;寻找这些RANSAC后的内点的最小外接圆, 其圆心就是待求解的物体运动轨迹在法平面上的投影；通过几次迭代计算, 就可以得到精度较高的定位结果。仿真和实验表明, 该方法不仅对沿直线运动的物体有较好的定位精度, 而且将一些复杂运动看作分段直线运动进行求解, 也能够取得较好的结果。