● 摘要
机器视觉在现代加工制造及实际作业生产中起着越来越重要的作用，能够恢复被测物体表面三维信息，实现三维测量、表面缺陷检测、辅助加工和质量控制等。但是，该领域中非常规环境下的物体表面三维测量仍具挑战性，这是由于环境条件对于测量设备和测量技术有所限制，同时这些环境与航空航天、工业检测、军事等诸多领域息息相关，因此位于非常规环境下的被测物体三维测量至关重要。
论文研究受限空间、水下环境等两种非常规环境中的三维测量关键技术，研究适用于该两种非常规环境中的测量方法和技术途径，解决适应于该两类非常规环境中被测物体三维形貌测量问题，实现受限空间小尺寸物体、以及水下常规尺寸物体的三维测量。本文主要内容有：
1、对于受限空间，设计针对受限空间的三维视觉测量应用的柔性主动双目视觉测量系统，建立立体视觉技术、结构光视觉技术与光纤传像技术相结合的三维测量方式，对测量系统中传感器的结构参数进行了精度分析和结构设计，使其能够伸入受限空间作业，工作距离在10~40mm。
2、建立了柔性主动双目视觉测量系统的测量模型，提出一种适用于小视场标定的复合型靶标，该靶标在有限的空间里提供了足够数量的特征点，能够很好满足微小视场摄像机的标定需要。对于单摄像机镜像双目测量结构，建立了镜像式双目测量的实体单摄像机三维测量数学模型，提出了基于该模型的一体化标定方法，通过仿真实验和真实实验验证了方法的可行性。
3、设计实现了适用于受限空间三维测量的柔性主动双目视觉测量系统样机。建立了基于电子内窥镜的小视场单镜像双目传感器，实现了空间圆直径优化测量实验。对柔性主动双目视觉测量系统样机利用一体化标定法进行了标定实验和标定结果精度评价，并进行小尺寸物体三维信息重构实验，采用光纤传像束的视觉传感器三维测量分辨率达到0.1mm，测量不确定度为±0.5mm，验证了样机以及测量技术的可行性和有效性。
4、对于水下测量应用，建立基于投影仪结构光视觉技术的三维测量结构，测量工作距离为1.5~2m。研究投影仪防水设备对其光线传播的影响，提出一种光线追踪法，还原投影仪发出光线经过防水玻璃窗口时产生的折射效应，灵活使用滤光片和一对重叠放置的靶标对投影仪的内部参数以及和摄像机之间的结构参数进行标定。设计了一种多尺度点阵测量靶标，适应不同浑浊度和测量要求。采用基于投影仪的水下结构光三维测量系统，进行了标定实验和不同浑浊度下水中被测物体表面三维信息重构实验，验证了提出标定方法和多尺度靶标的有效性。
论文对受限空间和水下环境三维测量关键技术的研究内容，为该领域三维测量提供了有效的技术手段，扩展了视觉测量技术在更多领域中的应用。