随着计算机视觉理论和图像采集设备的发展，基于计算机视觉的测量方法因其具有非接触、测量范围广、成本低、自动化程度高等优点而在越来越多的领域中得到了广泛的应用。本文的主要任务就是设计视觉测量系统实现对三轴气浮转台的三维姿态的测量，研究内容主要包括总体方案设计、相机标定、标定模板角点坐标提取、测量靶标设计、特征点中心坐标定位、特征点位置预测、特征点中心坐标定位误差分析和定位偏差补偿等方面的内容。首先，从测量原理和位姿解算算法两个方面分别对单目视觉相对位姿测量系统和双目视觉相对位姿测量系统进行了分析，并用仿真方法比较了两个系统相对位姿的测量精度和鲁棒性，确定了单目视觉测量方案。其次，对张正友标定法和圆环点标定法进行了分析和比较，研究了相机标定精度和标定距离之间的关系，并针对黑白棋盘格X型角点附近的图像灰度分布的独特性质，提出了一种简单、稳定、鲁棒性较好的X型角点检测算法。再次，从减少特征点定位误差、保证位姿求解的唯一性、易于确定特征点之间的拓扑关系三个方面对特征点的布局进行了特殊设计，研究了相应的特征点中心定位方法，并提出了一种搜索区域自动调节的算法来预测特征点的搜索区域、提高图像处理速度。然后，根据图像传感器的性能指标详细分析了图像的随机噪声来源，从图像数字化的过程中分析了特征点中心定位的系统误差来源，并研究了由投射投影带来的成像平面上椭圆特征点中心定位偏差的补偿方法。最后，搭建单目视觉相对位姿的实验测量系统，完成了相机标定实验和相对位姿测量实验，并对实验结果进行了分析。