在航空、航天、船舶、汽车等现代数字化制造领域,对大型工件几何尺寸、表面形状的现场测量工作越来越多,精度要求越来越高。然而,以三坐标测量机为代表的传统测量设备及技术,已经难以满足当代工业生产日益提高的检测需求。近年来,基于视觉的光笔式坐标测量系统,因其具有体积小、重量轻、测量空间大、便于携带等优点,已成为国内外研究的热点并具有广阔的应用前景。本文对基于单目视觉的大型工件现场测量系统中涉及的若干关键技术及理论进行了深入研究,主要研究内容和成果包括:1、在对LED点光源亮度控制方式进行分析的基础上,设计并实现了靶点亮度自适应控制系统,以保证大跨度测量范围内光笔在不同位置处其靶点成像的一致性和稳定性。该系统采用以多级电压切换单元确定LED的驱动电流,并配合PWM方波信号确定LED点亮频率的控制方式,解决了远距离靶点亮度强度不足和近距离靶点亮度调节分辨率不够的问题。为了实现对多个靶点亮度的独立控制,提出以“一主多从”的方式产生多路完全独立可调的PWM控制信号,弥补了现有驱动芯片不能完全独立控制LED亮度的不足。靶点亮度控制系统通过建立与计算机之间的交互式通信,形成反馈机制从而实现了对靶点亮度的自适应控制。2、通过深入研究光学成像系统的工作原理及靶点光斑成像规律,设计并实现了主动离焦模糊成像系统。本文以理论分析结果为依据,结合大量验证实验合理配置了离焦成像系统的相关参数。通过在摄像机镜头中安装固定尺寸的圆形光阑,解决了靶点成像光斑带有星芒的问题。该离焦成像技术恰当利用几何光学中的圆孔衍射,有效增大了远距离靶点成像光斑的尺寸,降低了靶点光斑灰度梯度,为实现高精度的光斑质心定位奠定了良好基础。以主动离焦模糊技术和靶点亮度自适应控制技术相结合的靶点光斑图像生成技术,保证了在2~10m测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像。3、针对基于单目视觉测量系统中的光笔标定问题,提出一种基于一维标定尺的光笔现场快速标定方法。该方法仅需要单目视觉测量系统本身的摄像机、多个与光笔上的靶点具有相同视觉特征的辅助靶点、一个具有2个以上间距已知的圆锥孔的一维标定尺,即可精确标定光笔上靶点和光笔测头在光笔坐标系下的三维空间坐标。通过自由布置的辅助靶点与光笔上的靶点同时参与多视图几何问题的解算,来提高多视图几何求解的精度和稳定性。利用已知间距的多个圆锥孔,巧妙解决了单目视觉测量系统所面临的测量现场绝对几何量值传递困难的问题。整个方法只需要用测量系统本身的摄像机拍摄多幅图像即可完成,十分简便易行,适合现场标定。4、在基础理论和关键技术研究的基础上,搭建了基于单目视觉的大型工件现场测量系统Free Probe。根据Free Probe测量系统的实际应用需求,设计了各硬件设备并开发了配套的三维检测软件,实现了包括光笔标定、摄像机标定以及光笔测量等系统功能。利用自主研制的原型系统进行了大量测量实验,验证了Free Probe系统的测量精度和稳定性,同时证明了本文提出的若干关键技术及方法的实用性和有效性。