结构光(SL)技术由于其非接触,高分辨率,高速度和全场自动化的优点而被广泛开发用于三维(3D)测量。条纹投影轮廓术(FPP)是三维测量中应用最广泛的结构光技术之一,例如逆向工程、工业检测、制造和机器人导航。FPP系统将条纹图投影到被测物体上,并记录被物体调制后的变形条纹图,然后利用特定的条纹分析方法,使用处理/分析系统从记录的图像中计算出调制相位。提取相位的准确性直接影响被测物体的三维重建结果。本论文旨在提高基于相位编码结构光的三维测量系统的性能,力图为条纹投影轮廓术拓宽实用范围奠定理论基础。针对投影仪非线性Gamma标定和矫正、分段量化相位编码方法和基于N步相移的三维测量方法等关键问题进行如下研究工作:1、研究了传统相位编码方法及其一系列改进方法。码字在基于相位编码的相位解包裹方法中具有重要意义,每个相位编码条纹用一个唯一的码字标记,然后用于确定条纹级次。然而,传统的相位编码方法相邻码字之间的差值为1,相邻码字之间的差值过小。由于系统的非线性效应和离焦影响,在高频条纹情况下条纹级次的计算容易产生误差,从而导致相位展开误差。传统相位编码方法受到码字数量的限制,导致条纹数量不能过大,影响其测量精度。2、数字条纹的正弦性是影响测量精度的一个主要因素。在数字投影相移法中,相位误差主要来源于条纹图像的非正弦性,而条纹图像的非正弦性是由于商用投影仪的非线性Gamma效应产生的结果。为此,本文在研究对比分析了各种方法的基础上,采用七阶多项式对投影和成像系统进行建模,确定投影仪非线性Gamma的反函数。并以此生成待投影的预矫正正弦条纹,最终成像系统可以捕获理想正弦条纹。3、为了使相位编码方法的条纹级次计算更准确,同时也为了提高其测量精度,本文提出了一种基于分段量化相位编码的三维测量方法,在不减小相邻量化相位值之间的差异或提高量化等级的情况下实现绝对相位恢复。量化相位由特定的编码序列S“135246”进行调制,然后将其嵌入到相位编码条纹图中,这大大提高了解码的精度。编码时将整个区域分成多个子区域,每个子区域嵌入上述编码序列S,通过相应的解码算法计算出条纹级次,最终得到绝对相位。4、减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。相位编码方法或其他时域相位展开算法通常需要额外的条纹信息来计算条纹级次,从而导致过多数量的条纹图案。从减少条纹图数量这个角度出发,本文提出一种基于N步相移的三维测量方法。该方法仅需要N步标准相移正弦条纹图案来完成绝对相位计算。首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜Mask;然后,直接利用包裹相位和Mask,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,且数据处理速度快。