光栅投影三维测量技术具有非接触、高精度、高速度、低成本和全场测量等特点,在工业检测、逆向工程、文物保护、仿生设计、人体建模和医学诊断等领域应用广泛。光栅投影三维测量的关键技术主要包括光栅条纹的非正弦性校正、测量系统标定、解相位(相位计算)以及三维点云配准等。本文主要围绕光栅条纹的非正弦性校正和解相位技术两个方面展开研究,重点对解相位精度、测量效率以及特殊物体、动态物体的三维测量等问题进行研究。(1)由于测量系统的非线性响应,导致相机采集的光栅条纹不具有良好的正弦性,从而降低了解相位精度。虽然双N步相移算法可以较大程度地减小相位误差,但需要增加一倍的投影条纹数量。为此,提出了两种误差校正方法。一是相位误差自校正算法,该方法将原包裹相位变换后,得到类似于双N步相移法中的附加包裹相位,并融合两个包裹相位以达到减小误差的目的。实验结果表明,相较于传统相移算法,所提算法的测量误差降低了34.2%,相较于现有的双N步相移算法,测量效率提高了48.4%。二是基于彩色条纹投影的相位误差校正技术,该方法将原始和附加相移条纹融入到一幅彩色图像的两个通道中,采集图像的两通道信息分离后,分别求解两包裹相位信息后进行融合,以减小误差。所提第二种方法在降低测量误差和提高测量效率两方面同样有效。(2)在光栅投影三维测量技术中,枝切法是一种路径相关的局部算法,其枝切线搜索为局部寻优,且枝切线与预先设置的最大搜索半径有关,而最大搜索半径是不确定的。此外,在残差点密集区域,枝切线易于自我封闭而形成“孤岛”。为此,提出了一种基于改进遗传算法的快速最短枝切搜索算法。该算法将最近邻算法和改进遗传算法相结合,以正、负残差点匹配代替旅行商问题中的路径,采用类似于遗传算法的选择、交叉和变异算子进行全局寻优,避免枝切线自我封闭,为解决最短枝切线问题提供了一种快速、鲁棒的方法。(3)直接搜索最大模的光栅条纹二维小波变换小波脊提取算法简单、快速,但易受到噪声干扰。现有的基于价值函数二维小波变换小波脊提取算法虽然有效,但没有对价值函数中两项指标的权值进行调整,且小波脊候选点的提取冗余,增加了运算量。为此,提出了基于权值优化价值函数的二维小波变换小波脊提取算法。该方法提取二维小波变换系数模的最大值点和最大值点90%的局部极值点共同组成小波脊候选点;采用对数Logistic模型对价值函数中两项指标的权值进行调整,以获取更加合理的价值估计。该算法不但提高了小波脊提取精度,而且有效地降低了运算量。但是,上述价值函数仅引入了与瞬时频率信息有关的尺度因子梯度,而与条纹结构方向信息有关的旋转因子梯度没有考虑。为此,提出了第二种算法,该算法在原价值函数上引入旋转因子的梯度,从而建立了一种改进的价值函数,同样采用对数Logistic模型调整价值函数中三项指标的权值。实验结果表明,相较于现有算法,第二种所提算法的测量误差降低了的19.03%,但处理时间增加了 17.4%。(4)在实际应用中,存在许多大范围反射率变化的物体,这对于任何光学测量方法而言都是非常具有挑战性的。目前,一般通过调整投影条纹的强度或相机曝光来获得不同亮度的条纹图像序列,并从中选择不饱和的最大值,组成最终的条纹图像。但上述方法影响了条纹图像的信噪比;此外,相机曝光的调整无法被量化且调整非常耗时。为此,提出了一种大范围反射率变化物体表面的高速三维测量方法。首先,将投影条纹的光强设为最大,投影过程中不做调整,以提高条纹图像的信噪比;其次,将8位灰度条纹二值化以提高投影仪的刷新频率,并且对投影仪进行离焦以滤除高次谐波;最后,利用投影仪本身的彩色光投影,从而得到不同亮度的条纹序列,并从多组条纹图像序列中选择灰度值最大但不饱和的像素,组成用于三维重建的最优条纹图像。该方法具有测量速度快、硬件成本低、测量精度高、算法简单和易于扩展等优点。(5)动态物体的三维测量是一项极具挑战性的工作。针对两种特定情况,对应提出了两种解决方法。一是针对物体表面连续变化的物体。当采用高速相机采集时,相邻两帧图像之间的包裹相位差的绝对值远小于π,当沿着包裹相位图的x和y坐标无法正确展开相位时,可以沿着时间t展开相位。该方法能实现表面不满足连续性假设的动态物体的三维测量。二是针对自动化传输线上的刚性、快速移动、轮廓不连续产品的三维测量。当采用相移法和三频外差法对其高精度测量时,由于物体的移动导致多幅条纹之间存在帧间误差,致使无法准确重建物体的三维面形。为此,提出了一种新的方法,该方法首先对投影条纹进行相位偏移,然后再对采集条纹进行像素偏移,从而消除了条纹图像之间的帧间误差,获得了近似于静态物体三维测量精度的良好结果。(6)光栅投影三维测量技术的潜在应用需求巨大。本文对两个工程应用进行了研究与实践:基于高速三维测量技术的手语学习和小尺寸物体的三维测量。此外,还对高温锻件的三维测量进行了探索性研究。