三维数字图像相关技术在获取工件表面信息方面有重要应用，针对单相机系统在全场测量中的局限性及多相机系统在全场测量中的复杂性，本文提出一种双平面镜辅助的双相机视觉测量方法，并应用在三维重建中。即：分析像素点到三维点的实际映射关系，基于公垂线中点法进行目标点三维重构，确定棋盘格标定板角点的三维坐标；分析角点在镜面的虚实对应关系，标定镜面位置方程，得到反射变换矩阵；通过反射变换矩阵完成物面的虚实转换，最终实现三维全场测量。为验证该方法的可行性和可靠性，分别进行了静态实验和动态实验。结果表明：在游戏币静态实验中，其正反轮廓的三维重建效果良好；在五棱铝柱热变形动态实验中，铝柱外侧表面高度变化均值与Ansys软件的仿真结果基本一致，且优于在镜面上喷涂散斑的重建方法，具有较高的精度。

针对单相机难以用于全场变形测量以及多相机在全场变形测量中复杂性等问题，提出一种利用双平面镜辅助的双相机系统来实现全场变形测量的新方法。该方法基于相机标定的坐标变换方法，即通过双平面镜实现从真实相机坐标系到虚拟相机坐标系之间的转换，进而实现从实物到虚像之间的转换。将该方法用于空心六角铝棒的热变形测量中，并与ANSYS软件的仿真结果进行比较，结果表明，该方法不但可以实现对被测件的三维重建，而且可以实现全场的变形测量，相对误差仅为0.51%，满足精度要求、效果良好。

本文提出了一种利用透射偏折术测量球面透镜结构参数的方法。该方法以本文推导的附加姿态参量的球面表达式构建透镜表面模型，同时结合系统标定数据在计算机中建立理想的光线追迹模型，最后利用非线性最优化算法计算得到透镜结构参数。在实验过程中，透镜出射光线的偏折量是两表面的累加和，难以确定单面的影响，因此采用双相机从不同位置观测待测透镜。文中详细介绍了测量原理以及算法，数值模拟结果验证了本方法的正确性。最后将双凸透镜结构参数的测量结果与标称值进行对比，对比结果进一步证明了所提方法的可行性。本方法具有测量参数齐全、无需精细装调过程、装置简单等优点，为透镜全参数同时测量提供了实现途径。

针对双相机成像系统所获取的颗粒离焦图像，搭建了基于Faster-RCNN和VGG16卷积神经网络（CNN）的颗粒粒径与位置同步预测模型。在75~95 mm（约9~10倍的成像系统景深）深度范围内，拍摄直径为50~350 μm的9种不同圆点用于所提模型的训练，并将所提模型与基于离焦测距（DFD）理论模型的处理方法进行了比较分析。测量结果表明，与基于DFD理论模型的处理方法相比，CNN模型的颗粒深度测量范围有所提高，直径测量误差有所降低，但深度测量误差有所增大。进一步采用双相机系统拍摄在循环样品池内流动的粒径为120 μm的标准颗粒，应用所提CNN模型对相应图片进行处理，粒径预测结果的相对误差范围为-8%~8%。

针对直线顶管掘进机在掘进导向中所面临的响应速度慢、成本高的问题，提出了一种基于双相机靶标的实时位姿测量方法。利用对向安装的两个工业相机及两块感光成像屏组成测量标靶，并辅以一道已知空间方位信息的指示激光。所提方法利用光斑图像分析处理、标定网格检索以及欧拉角解算技术，可完成掘进机相对计划线在工程坐标系下水平/垂直偏差的测量，进而实现导向。实验结果表明，所提双相机标靶的方位角重复性测量精度优于0.03°、绝对测量误差小于0.05°、水平/垂直偏差测量误差小于3 mm，完全满足直线顶管掘进机实时精确导向需求。

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。