得益于计算机与图像处理技术的快速发展，现今视觉测量技术在航空航天、工业生产、医学等领域发挥着不可估量的作用。相比于单目视觉，双目视觉在测量精度上拥有着绝对的优势。本文以实际应用作为研究任务，分别针对合作与非合作目标的相对位姿估计问题进行了深入研究。首先，在基于双目视觉的合作目标相对位姿估计研究中，设计了一套以棋盘格为靶标特征的特征匹配方案，该方案用于匹配特征点的空间坐标与像素坐标。将棋盘格的黑白矩形顶点作为Harris角点提取得到，并采用直线检测，相对位置排序、亚像素计算，角点跟踪等方法快速、稳定地完成了特征匹配工作。设计一种无需左右相机特征点匹配的相对姿态双目视觉位姿测量方法。该方法基于传统PnP位姿估计的方法进行扩展，能够利用左右相机中已知目标特征点信息计算相对位姿，无需特征之间的对应关系。进一步研究了手眼标定问题，通过标定台的多组已知运动信息作为标定数据，应用基于RANSAC的最小二乘方法提高标定结果对噪声的稳定性，同时通过SVD分解改善手眼相对姿态求解过程中对应旋转矩阵特性。在标定台(三轴转台)上进行实验，通过对100组实验结果进行了误差分析，验证提出方法的可行性、精度与实时性。最后，对一种应用于实际空间交汇对接的非合作目标靶标特征进行了提取，对非合作目标特征的选择进行了分析，提出一种能够快速实现的椭圆检测方案，并综合运用了轮廓提取，边缘检测，椭圆拟合等图像处理技术，稳定、精确地提取到了目标的两个椭圆特征，并介绍了一种基于该椭圆特征的双目视觉相对位姿估计算法。