相位测量轮廓术作为目前研究较为热门的一种结构光三维重建技术,已经较为广泛地应用在军事、农业、娱乐、医学和科学研究等领域中。现阶段,研究者们集中于快速相位展开算法和高速动态三维测量的研究,而忽略对系统标定和精确相位展开算法的优化研究。同时向高精度、高速率和多场合等方向发展过程中,仍然面对诸多问题和挑战。基于此,本文对影响基于条纹投影系统的相位测量技术精度的摄像机标定、投影仪标定、精确相位展开算法和不同场景下三维重建等关键问题进行了研究,针对其中的问题提出了可靠的解决方案,保证了相位测量轮廓术的精度。本文的研究内容可以概括为:1.结构光系统中摄像机的标定:现有摄像机标定技术很难对离焦场景中的摄像机进行精确标定。本文基于相移算法的技术特点,提出了三种适应离焦摄像机的标定方法。这些方法简化了标定工作,能够实现精确的离焦摄像机标定。其中彩色契形圆光栅阵列对彩色摄像机的离焦标定提供了解决方案。实验证明了这三种方法的有效性。2.投影仪的标定:一般投影仪标定是将投影仪视为伪摄像机,通过摄像机像面特征点坐标与投影仪像面相位分布的约束关系,求解出投影仪像面的“特征点”坐标。但是并未考虑设备非线性问题对标定的影响。本文使用希尔伯特变换对标定过程中的相位误差进行补偿,提高了投影仪标定精度。3.相位展开算法:时间相位展开算法中,由于环境随机噪声或设备离焦等问题造成的相位误差,导致绝对相位展开失败或较大的相位误差。本文结合截断相位性质,提出了基于半周期校正的灰度编码法和K-means算法优化的相位编码法,这两种方法能够消除相位展开误差。基于数列编码提出了优化的变移相法,测量过程中只需要4幅图像,适用于高速动态的三维重建并提高了条纹频率。4.多场景三维重建:利用伪双目视觉模型,推导绝对相位与空间坐标之间的关系,将图像坐标转换成空间三维坐标,实现了目标物体的三维点云重构。对不同场景中的目标物体进行了三维重建,如投影仪聚焦下的静态和动态目标物体的重建,投影仪离焦下的静态目标物体重建。实验中对比了文中提出的相位展开方法的性能,证明了方法的有效性。