基于结构照明的计算三维彩色成像与测量技术具有非接触式、高分辨率、高精度、高保真度、高速等优点,是光学三维成像及测量领域最具代表性的技术之一,在工业制造、文化遗产、医疗美容、娱乐消费等领域有着广泛应用。本文围绕基于结构照明的计算三维彩色成像与测量技术中的非线性响应、复合编码、彩色纹理重建和自动化整体三维成像的关键技术开展相关研究,探索非线性相位误差的通用模型及补偿方法、基于相移条纹与随机条纹复合编码的快速三维重建方法、彩色纹理重建中的高精度纹理映射和高质量纹理融合方法,以及机器人辅助自动化三维重建方法,解决三维成像及测量中的精度、速度、色彩和自动化问题。在基于结构照明的三维测量中,数字投影仪和相机之间的非线性响应会引起相位误差,从而影响三维重建精度,是三维测量的主要误差源之一。通过特定的辅助条件,例如,构建相位基准、标定系统gamma值、以及拟合响应曲线等,能够有效补偿非线性相位误差,然而,这会影响测量方法的灵活性和稳健性。在条纹分析中引入希尔伯特变换能够实现自适应的非线性相位误差补偿,无需借助辅助条件。但是,当被测表面存在反射率跳变或相位截断时,希尔伯特变换将出现频率混叠或频谱泄露。本文从理论上分析了引起上述问题的原因,并提出一种新的基于希尔伯特变换的非线性相位误差抑制方法。本文对该方法给出了严格的数学推导过程,并通过实验验证了本文算法可以有效地解决非平稳非连续条纹信号导致希尔伯特变换的频率混叠和频谱泄露问题,实验结果证实了在三步相移法中相位误差减少到原始相位误差的7.3%,无需借助额外的辅助条件,从而提高了该方法的普适性和可靠性。基于结构照明的三维成像及测量过程通常包含相位提取和折叠相位展开两个解码环节。增加额外的编码图案有利于提高相位展开的准确性和鲁棒性,其代价是增加了投影采集的时间成本,因而降低三维成像与测量的速度。本文提出一种正弦条纹与随机条纹复合编码的快速三维重建方法,该方法不需要相位展开,仅需一幅随机条纹图案即可完成相位级次匹配,实现同名点定位。通过对局部弱相关的随机条纹的图像生成,灰度校正以及折叠相位的级次匹配等算法的改进,进一步提升复合编码三维重建的准确性、鲁棒性和普适性。在三维重建精度以及不同材质表面的三维成像效果等方面,本文提出的方法与典型的格雷码相位展开算法一致。不同的是,格雷码算法通常需要7幅编码图案进行相位展开,而本文算法仅需1幅随机条纹图案。具有真实感的彩色纹理重建涉及纹理映射和纹理融合两大关键技术。纹理图参数的求解决定了纹理映射的精度,同时直接影响纹理融合的质量。本文提出一种基于标志点的高精度纹理映射算法,该算法通过摄影测量技术同时获得编码标志点的空间坐标和纹理相机参数,然后通过最近点迭代算法优化相机姿态参数,提升纹理映射精度。在纹理融合环节,结合复合权重与双向相似性函数进行全局目标图像的对齐操作,并通过两步法迭代优化能量函数,逐步减少纹理的错位,解决了纹理融合过程中色彩跳变和纹理模糊的问题。最后,利用重心坐标的仿射不变性完成任意纹理贴图的变换,实现任意网格参数化关系下彩色三维模型的纹理贴图快速自动变换。三维彩色成像及测量的自动化的核心是解决视点规划问题,其难点在于未知物体几何尺寸、拓扑结构,表面材质等信息情况下,要求满足三维传感器内在约束条件,自动生成全局最佳扫描视点,以最少的视点数量完成模型的完整扫描。本文提出一种基于未知模型的自动化三维扫描方法,通过红外深度相机快速获取物体的粗略三维模型,根据该模型的表面信息及三维传感器的内在约束条件生成视点能量场,由能量场分布自动生成全局扫描视点。本文对三维扫描系统进行数学建模,同时设计了一种两步标定方法进行系统整体标定,并基于粗略模型进行视点规划,由此实现了自动化三维彩色整体扫描。