基于结构光条纹投影的成像系统因其无接触、高效率和高精度等优点,被广泛地运用于三维测量等计算成像领域。而结构光系统的非线性失真和光学畸变等因素降低了结构光三维测量的精度。本研究在结构光成像系统非线性模型的基础上,分析了各系统参数对展开相位估计精度的影响;提出了一种针对结构光三维测量系统空间几何畸变和光强非线性失真问题的预矫正方法;设计了一种实现结构光系统复合标定的快速方法。针对几何畸变和光强失真,建立了结构光成像系统各子系统的数学模型,分析了影响三维测量精度的关键因素。推导了标准相移法的相位主值、调制光强和背景光强误差公式,论证了调制光强、相移步数以及系统随机噪声是影响系统测量精度的三个最主要因素。基于七阶多项式建立了投影机灰度值响应模型,并结合光学畸变模型,对投影图案进行预矫正处理,同时校正投影图案的光学畸变和失真。预矫正方法截取平缓的灰度值区间作为调制光强取值范围,能有效避免平台效应造成的量化误差。通过与后补偿方法的对照实验,实验数据表明:预矫正方法更有效抑制投影系统的非线性误差,其展开相位方差比后补偿方法低40%以上;预矫正方法的相位误差仅为0.016rad。尤其在离焦状态下,预矫正方法仍然对非线性误差有着良好的抑制作用,且能避免复杂的畸变补偿运算。引入圆形阵列标定板,设计了一套结构光系统复合标定方法。为了避免不同特征点之间串扰,将投影平面分成若干投影区域,每个区域单独建立单应性矩阵。通过射影变换中交比不变性来确定投影特征点的亚像素坐标,提高了标定精度。该标定方法在保证标定效率的同时,在两个方向轴上的最大重投影误差均下降了一个数量级,重投影误差的标准差也降低到传统标定方法的四分之一左右。