随着科学技术的快速发展,航空、航天、军工及民用领域对大型装备在线三维测量提出了更高的要求。为了满足这些要求,在过去的几年中用于三维坐标在线测量的技术和设备得到长足发展。视觉坐标测量技术作为一种建立在计算机视觉技术及坐标测量技术研究基础上的新兴三维空间坐标测量技术,从一个全新的坐标测量思路上适应了现代化生产对测量技术在测量精度和测量范围等方面的新的更高要求。课题“大型装备在线三维视觉测量系统关键技术研究”是研究一种基于测量与校准功能合一的光学测棒的大尺寸立体视觉坐标测量系统方案,以满足大尺寸装备在线三维坐标现场测量的需求。该方案在测量数据采集过程中定期地进行校准参数计算,判别数据是否超差,若发现问题及时报警,使测量系统一直处于“受控”状态。对于此系统,需要重点解决摄像机内参数精确校准、双摄像机外部方位参数现场校准和立体视觉测量建模等关键技术问题。基于立体视觉测量系统的坐标测量原理,利用光学测棒上特征点间的已知位置约束关系,以及由它们所成的两幅图像得到的空间坐标,提出了基于四元数的Levenberg-Marquardt迭代的姿态估计修正算法,确定测棒坐标系与空间坐标系之间的转换关系;利用测尖触点(光学测头与被测工件接触点)与特征点间已知的位置约束关系计算被测点的空间坐标;利用测尖到测棒坐标系原点距离不变的约束实现测尖坐标的现场校准。针对非理想状态下的立体视觉测量模型,提出一种基于公垂线约束的投影距离最小的立体视觉建模方法。该方法不仅可以保证所求空间点到两条反投射线之间的距离最短,而且能够使得所求的空间点在两像平面上的投影像点与图像观测值之间的距离最小,减小空间点到两摄像机距离不等的影响,实验表明该方法优于其它的建模方法。对于保证系统测量精度的重要环节之一的摄像机内参数校准,论文提出了基于虚拟校准模板的校准控制点到对应反投射线距离最小的摄像机内参数校准方法,它包括线性和非线性估计。该校准方法不仅克服了大型立体校准模板加工和校准都比较困难、平面模板自身精度低的缺点,而且由于采用与光学测棒上相同的光学特征点作为校准特征点,保证了与测量过程中特征点的一致性,提高了测量精度。由于对校准控制点到对应反投射线距离进行了优化,从而保证了空间距离误差的最小,提高了校准精度。此外,线性和非线性估计相结合的校准过程保证了像机参数能够快速、有效地收敛到全局最优解。针对大尺寸立体视觉测量系统必须实现两摄像机外部方位参数的现场校准这一难点,本文基于所研制的特殊结构的光学测棒,提出了两点式双摄像机外部方位参数现场校准技术。通过光学测棒在被测范围内沿宽度和深度方向的多次成像,基于匹配特征像点的对极线约束以及特征点之间的已知距离快速地实现立体视觉测量系统外部方位参数的校准。实验结果表明,本文的方法兼有高精度和高灵活性,具有相当高的使用价值,适用于立体视觉测量系统实际应用场合的现场校准。测量系统总体测试实验证明系统原理正确,算法可靠,具有较高的精度,能够满足一定精度要求的大型装备三维几何量测量要求,具有很好的实用性。