物体位置和姿态的在线测量是实现精密工程测量领域中大型装备装配、目标跟踪等任务的关键环节。单相机视觉测量系统作为视觉测量系统的一部分,因其结构简单、测量范围广、精度较高等特点,成为近年来国内外研究的热点。本文的研究对象是单相片视觉测量系统,研究工作主要围绕利用单张相片解算被测目标位置及姿态参数的关键技术展开,主要包括测量模型建模、光笔标定、基于点特征的单相片位姿参数解算等技术。论文设计并开发了一套单相片视觉测量系统,具有稳定性好、通用性强、精度较高等特点。论文的主要工作和创新点如下:1.构建了基于罗德里格矩阵的最小二乘迭代求解相机外方位元素的系统测量模型。根据基于4个非共线控制点的单像空间后方交会原理求解相机外方位元素初值,基于罗德里格矩阵的最小二乘迭代求解外方位元素,利用坐标转换建立系统测量模型。2.提出一种简便高效的光笔现场标定方法。根据测量原理对光笔的结构、制作材料、标志点的种类、尺寸及数目进行分析,设计了一款符合实际应用的新型光笔。本文标定方法仅需要系统本身的相机、三脚架、两根长度已知的基准尺和一个标定球,可实现光笔标志点及测头在光笔设计坐标系下三维坐标的同时标定。首先利用两根基准尺标定光笔标志点坐标,再依据光笔随标定球转动时球心位置不变原理,建立光笔测头标定数学模型,利用最小二乘原理标定光笔测头坐标。3.改进了基于光笔的单相片坐标测量技术。利用单像空间后方交会原理建立光笔与相机坐标系间的转换模型,根据最小二乘迭代原理精确求解模型转换参数;使用回光反射标志点配合闪光灯获取高质量像点坐标,有效增大了摄影距离。为验证坐标测量精度,以可视性、摄影距离等为约束条件建立一个适用于多传感器的室内三维控制网。并通过实验验证了该方法的正确性。4.优化了基于点特征的单相片位姿测量技术。通过分解旋转矩阵的形式线性求解相机分别与参考目标、工作目标的旋转平移参数,以相机坐标系为桥梁,直接建立位姿解算的线性公式;针对纹理信息缺失的目标,本文利用在目标表面布设适量的回光反射标志点代替LED平面靶标进行位姿测量,无需标定平面靶标与目标的位置。5.开发了一套单相片视觉测量系统。本系统既能实现坐标测量,又能进行位姿测量。并以直径2.4m天线为实验对象进行位姿测量实验,6m距离内,系统位置测量外符合精度优于0.1mm,角度测量外符合精度优于20″。