复杂面形物体三维测量在逆向工程、机械制造、航空航天、电力、汽车、人体测量、医疗及3 D打印技术等领域都有广泛的应用。如农业机械及航空航天中发动机、发动机机匣、减速器及一些螺母等关键零部件大多形状复杂、面形不规则,这些关键零部件的设计制造水平关系到国家安全与核心竞争能力。当前,随着机械零件产品数字化设计与制造技术的发展,各种机械零件集成整体结构件用量的急剧增加以及对产品制造精度要求的不断提高,致使传统的测量技术已无法满足复杂面形机械零部件准确、快速检测及测量的要求。当前基于视觉的三维测量技术,已成为提升复杂零部件的测量效率和水平的关键技术环节。目前,现有的基于投影光栅的三维测量商品化设备价格昂贵。为此,本文针对复杂面形物体的轮廓测量问题,对基于投影光栅的复杂面形三维轮廓测量的基本原理及实现关键技术进行深入研究,充分利用面结构光扫描和双目立体视觉原理相结合,实现一种非接触、快速和高精度的复杂面形物体的轮廓测量,并在农业机械制业、航空部件及人体三维测量等方面进行应用验证。论文的主要研究内容如下:(1)摄像机参数标定是结构光三维测量技术中的关键步骤之一,其标定结果精度直接影响后续三维重建的精度。为此,提出一种高效的摄像机标定方法。首先采用一种基于双锥模型的简单的、高精度的椭圆圆心提取方法提取出标定板图像中椭圆圆心,该方法直接利用包含一个椭圆的边界邻域里的原始梯度信息,不需要精确提取每个椭圆的边界点。因此,计算过程被简化。另外,通过最小化代数距离,取得较高精度。其次,提出一种基于随机抽样一致性算法即RANSAC(Random Sample Consensus)的简单、快速的自动匹配算法,一次性把空间标定特征点和它的像点完全匹配上。匹配时首先按一定顺序对标定靶中的标定点进行排序,由于摄像头畸变,所得标定图像中提取出来的标定特征点顺序与空间标定板中特征点顺序不符,通过RANSAC算法完成正确的对应点匹配。根据正确的匹配点对,按照摄像机标定模型进行标定,得到高精度的单个摄像机内、外参数以及两个摄像机之间的相对参数。最后,通过实验验证提出的标定方法具有较高的精度。(2)相位计算包括相位提取和相位展开两个过程。相位提取是基于光栅投影的三维测量中的关键步骤之二。兼顾测量复杂物体的效率和精度,在相位提取时,利用基于广义Morse小波的相位提取方法,只需单帧条纹图像。用广义Morse小波作为母小波,对由物体表面高度调制而发生变形的条纹图像进行连续小波变换,根据小波变换的相位与物体高度之间的关系确定物体3 D轮廓。并与当前最为流行的复Morlet小波作为母小波的相位提取方法及傅立叶变换轮廓术提取方法进行详细比较。模拟和实验对比均表明,由于广义Morse小波具有灵活的时频局部特性及严格解析性,广义Morse小波作为母小波是适合的,并且测量物体3 D轮廓效果优于目前流行的用复Morlet小波作为母小波轮廓测量及傅立叶变换轮廓术测量效果。(3)在条纹投影轮廓术中,完全消除包裹相位中的相位包裹或极大地减少相位包裹数量,有助于后续的相位展开。因此,为了完全消除或极大减少相位包裹数量,提出了一种高效的方法。首先,通过2个1 D迭代的局部傅立叶变换实现亚像素地确定谱峰位置;其次,在空间域中完成频谱搬移;通过这两步运算可以达到快速、高精度地减少相位包裹。最后,通过模拟条纹图像和实际条纹图像对提出的方法进行测试,并与频率域搬移频谱减少相位包裹算法及零填充空间域搬移频谱减少相位包裹算法进行比较,验证提出的包裹减少方法的高效性。(4)相位展开是基于投影光栅的光学三维测量中的关键步骤之三,尤其对于复杂面形物体的相位展开更是困扰光学三维测量主要问题之一。利用一种高效的相位包裹减少算法与三频外差原理相结合实现相位展开,首先利用相位包裹减少算法处理包裹相位图,再利用三频外差原理展开处理后的包裹相位图。可以更好地解决遮挡以及空间不连续等相位展开难题。(5)立体匹配是后续三维重建的先决条件,立体匹配的精度直接影响三维重建的效果。为此,根据极线约束和同点对应相位相同的原理,利用极线与相位相结合实现立体匹配。首先,通过校正消除畸变影响;其次,根据极线约束,对左图中任意像素点,其在右图的匹配点一定在其极线上,在该极线上查找相位相同的点即为匹配点,根据匹配的点对,利用双目立体视觉原理计算空间三维点坐标,对得到的点云数据进行去噪、精简、网格化及优化处理,得到重建的网格模型,把物体的三维实体模型和得到的网格模型进行比对,进而分析点云数据的误差。根据上述关键技术构建了一套基于投影光栅的复杂面形三维测量系统,通过应用能够满足工业应用对三维测量精度及速度的要求。