反求工程从三维数据测量开始，最终目的是要得到精确的实体模型，数据测量和特征提取在这一过程中具有十分关键的作用。本文基于三角测量原理，对提出的融合特征捕捉的光学三维测量方法及其关键技术进行了详细深入的研究，开发出了高精度光学三维测量系统，取得了满意的效果。 针对基于点云数据的特征提取方法效率低的问题，提出了融合特征捕捉的光学三维测量新方法，研究了基于多种测量过程信息相融合的特征捕捉方法，在三维测量的同时实现特征捕捉。首先基于格雷码有序性和相移图像的分析有效去除阴影，基本消除了光学测量中由于遮挡等原因引起的噪声。其次，基于无光栅图像、格雷码矩阵、相位梯度图等信息分别进行了表面特征捕捉的研究。基于无光栅图像几乎可以获得表面的所有特征，但由于表面颜色、灰度等因素的影响而存在大量伪特征；基于格雷码编码矩阵可以获得表面的不连续特征，但无法检测出连续特征；基于相位梯度图的方法可以检测出表面的突变特征和连续特征，并且消除了无光栅图像表面颜色的影响。基于上述多种测量过程信息的融合最后获得完整的表面特征，试验结果表明该特征达到了一个测量采样点的精度。该方法极大地提高了特征提取的效率，同时由于采用单独的点云输出，保证了特征表达的精度，对提高后续的模型重建工作的效率和精度具有显见的积极意义。 在分析光学三维测量原理和技术特点的基础上，对格雷码相移融合测量方法及其若干关键技术进行了深入研究，并提出了一种基于等周期线性修正和加权中值平滑相结合的相位误差补偿新方法。首先对基于结构光编码的格雷码方法、相移法分别进行了试验研究，并采用亚像素级解码技术对格雷码方法进行了改进，测量的高度分辨率从0.22mm提高到0.1mm以内，点云数据的光顺性得到明显改善，从而扩大了该方法的应用范围。根据格雷码方法和相移法各自的特点，将两者结合起来，可以实现大场景、高分辨率的测量，并能同时获得表面突变信息和细节信息。本文对格雷码相移融合测量方法及其若干关键技术进行了深入研究。在分析全场结构关系的基础上详细推导了该方法的数学模型，给出了精确的三维坐标表达式。基于格雷码和相位梯度检测进行全场相位解码，实现了精确的绝对相位计算。针对相位测量技术中普遍存在的相位扰动误差问题，在研究OPTF方法的基础上，提出了一种基于等周期线性修正和加权中值平滑相结合的相位误差补偿新方法，取得了良好的效果。试验结果表明，OPTF方法对点云扰动误差的改善为25﹪，采用本文方法后点云扰动误差平均降低了62.5﹪。 对三维测量系统标定技术进行了深入研究，提出了基于全场结构关系模型的系统综合标定方法。在通过摄像机标定获得内部参数的基础上，根据全场结构关系模型分析系统测量误差与系统参数问的定量关系，然后根据对特定标定模板的测量误差不断迭代修正系统参数，从而实现系统的综合标定。试验证明了该方法的有效性，可以达到较好的标定精度。 在上述研究成果的基础上，以自制的高精密物理光栅器件为核心实现了结构光投影系统的开发，进而开发出了光学三维测量样机系统。测量系统包括硬件和软件两部分，硬件部分包括光栅投影装置和图像采集系统、以及系统控制单元，软件主要实现数字图像的处理及三维坐标计算，测量点云的显示、操作和输出等功能。最后，通过标准试样的测量和工业应用，对研发的非接触三维光学测量系统进行了试验验证，结果表明，系统测量场景大，精度高，完全可以满足复杂型面物体的测量需求。