光学三维形貌测量在工业产品检测、逆向工程、文物保护、生物医学建模、虚拟现实等众多领域的需求日益增加。传统的接触式三维测量技术已经不能满足要求,物体的三维特征点坐标、三维几何尺寸和三维表面形貌的高精度、高效获取成为测量领域的研究热点和前沿课题。本文针对目前光学三维形貌测量研究中在测量精度和效率、测量范围以及评价标准等方面仍然存在的若干不足,采用理论分析和实验研究相结合的方法,综合机械工程、光学、电子学、近景工业摄影测量、计算机视觉和数字图像处理等多个学科对光学三维形貌测量关键技术进行系统、深入研究。主要研究内容和研究成果如下:1.阐述了各类光学三维形貌测量技术的原理和特点,对基于近景工业摄影测量的光学三维形貌测量技术的研究现状和发展趋势进行了系统分析。研究了近景工业摄影测量和机器视觉中的坐标系转换、共线方程、共面方程、极线几何约束及基础矩阵、三维重建方法等。针对近景工业摄影测量中传统光束平差算法耗时长的问题,提出一种快速光束平差算法,将步长分解为摄站位姿参数步长、三维点坐标参数步长两部分,利用雅克比矩阵的稀疏性,提高平差效率。上述内容为本文的研究工作提供基本的理论依据。2.为了提高近景工业摄影测量中的摄像机标定精度,设计了高精度的大尺寸棋盘格作为标定靶标,分析了采用单应性矩阵和非线性优化的标定算法,并给出一种迭代式的畸变矫正方法。考虑镜头自动对焦对摄像机内参数的影响,提出一种分层式摄像机标定方法。依据拍摄距离远近对摄像机分层标定,获得多组摄像机的内参数。基于光栅尺的验证实验表明,分层式标定方法能够显著提升光学三维测量的精度。3.为了解决多面体、回转体以及大型面结构特征物体的光学三维形貌测量中出现的多基线、大倾角的摄站定向问题,提出了两种定向算法,并专门设计了两种定向装置。算法一是基于共面点的绝对定向,该算法是基于共面点的物方平面与其像平面之间的单应性矩阵确定摄站的位姿,仿真实验验证了算法的正确性,并分析了像素噪声水平对定向精度的影响。算法二是混合式相对定向,该算法通过本质矩阵分解获得两个摄站位姿参数的初值,再采用非线性优化求取精确解,当两个摄站处在各种复杂位姿关系时,均能实现正确定向。两种定向装置分别是立体定向靶标和移动式平面定向靶标,它们适用于具有多面体、回转体和大尺寸型面等结构特征物体的三维形貌测量,主要作用是确立摄站位姿和局部点云拼接。4.针对传统近景摄影测量中粘贴人工标志提取三维点方法的费时耗力、点云数据稀疏等不足,提出了两种高效便捷的三维点光学提取技术,即点阵结构光和光学探针。点阵结构光技术获取物体表面的稠密三维点云,其投影图案设计成密集排列的发光圆点矩阵。提出一种灰度指数加权法,精确提取结构光图像中圆点中心的像素坐标。针对结构光图案的特征,提出一种串珠式匹配算法,融合基于极线约束的三幅像片匹配算法,精确实现点阵的逐行逐列排序。光学探针技术用于物体表面遮挡区域、深孔及凹槽等部位单个三维点的提取,标定了测头在探针自身坐标系下的精确三维坐标。摄像机位置固定时,在1800mm?1200mm的视场范围内,光学探针用于距离测量的相对精度约为7?1 0-5。5.在上述理论和技术的研究基础上,研制了基于立体定向靶标、移动式平面定向靶标的三维形貌测量系统和基于立体定向靶标的探针式多视场三维形貌测量系统。针对大口径卫星天线、空客A380飞机模型、多面体结构的实体模型、具有大型面结构以及含有遮挡区域等特征的工业产品,进行了三维形貌测量实验和数据分析,并取得良好的应用效果。