光学三维测量技术以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像处理、图形学、信号处理等科学技术为一体,是二十世纪科学技术飞速发展所催生出的现代测量技术,在工业生产控制与检测、机器人视觉、空间遥感、医学诊断以及打击犯罪等领域具有重要意义和广泛的应用前景。本文主要研究基于光栅投影的三维测量的理论、方法及其关键技术,并将相应成果应用到三维测量系统的开发实现中,具体包括： (1)对光栅投影技术的关键环节进行分析,指出了影响系统性能的关键因素。介绍了当今三维测量技术的发展现状,对光栅投影技术的理论基础展开研究,即基于三角法的测量原理和基于相位法的光栅图像处理。经过深入的研究,指出在测量原理方面,对系统空间结构的建模是影响测量及标定精度的主要因素；在光栅图像处理方面,投影光栅的正弦性和解相位的效率是影响相位求取精度和速度的重要因素。 (2)提出了新的光栅投影原理模型和标定方法。传统的光栅投影法对系统的光路结构,即投影装置、摄像机和参考面的相对位置关系要求严格,实际操作中很难达到。深入分析了光栅投影系统中的相位一高度关系以及系统空间结构的约束条件,将传统二维模型中的相位.高度关系推广到三维空间中,建立了新的相位法测量模型。基于新的系统模型,提出一种快速标定方法。新模型对系统结构并无任何严格的平行,垂直或相交的要求,在标定过程中,对标定面的位置也没有严格的要求。实验结果表明,系统结构易于实现,标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性以及标定速度,标定时间在2分钟以内,系统的测量精度较传统方法有较大提高。 (3)提出了投影光栅的相位自校正方法。在三维测量技术中,投影出具有标准正弦分布的光栅条纹直接影响到相位求取的精度。对投影光栅的正弦性进行深入研究,提出了一种针对数字投影仪的光栅相位自校正方法,对投影仪投出的光栅条纹,应用n步相移法通过条纹图像得到其理想的相位分布,然后根据理想相位分布和实际相位分布的映射关系,对投影仪的光栅模式进行自校正。实验结果表明,经过3～5次自校正后,投影仪投影出的光栅条纹正弦性误差降低80％～90％,可以得到较理想的正弦分布的投影光栅。 (4)提出了基于条纹摄动的快速解相位方法。总结了现有的解相位方法,针对时域和空域解相位方法在精度和速度方面的问题,提出了一种快速可靠的4步相移编码-解相位方法。通过对中心条纹的光强进行摄动,将编码信息加入到基本相移光栅中,使4幅基本相移图不但包含了相位场主值信息,还包含了解相位所需的编码信息。建立了摄动度函数描述相移图的摄动信息进而得到编码信息,解出完整的相位值。对摄动度函数的误差和噪声进行分析,提出方向滤波方法来消除噪声,极大的减少了编码信息的误判情况。仿真和试验说明了本方法的可行性。与传统相移法相比,通过对4幅基本相移图可以解出完整的相位值,解相位的速度和可靠性得到明显的提高。 (5)实现了光栅投影三维测量系统。在上述关键技术研究的基础上,将研究成果应用到实际中,开发了一台便携式的可移动光栅投影三维测量系统。系统结构中,投影仪和摄像机等测量元件集成在测量头上,系统结构灵活、构建方便快捷。采用模块化设计方法,编制了一套集光学控制、计算处理和三维立体显示于一体的软件,实现了光栅投影系统的标定、光栅的自动生成和投影、相位自校正、摄动法解相位及三维测量等功能。系统集成了本文对光栅投影法关键技术的研究成果,整体测量精度为0.06mm,标定时间在2分钟以内,测量时间为3～5秒,整体性能达到并部分超过国际先进水平(如Atos等)。