光学三维重建技术通过二维图像到三维场景的反向映射重建物体的三维形貌,因此对相机的成像质量具有很强的依赖性。高光物体因其表面的特殊性对光线的反射遵循一定的光线传播规律,并且受表面法线的制约,这将导致不同位姿的光学探测器成像出现盲区或者耀光并影响成像质量。相位测量偏折术通过将结构光投影技术中的投影设备替换为显示设备,利用高光表面的反射特性,从“被动”反射的结构光图像中提取出表面的梯度信息,并恢复三维形貌。相位测量偏折术具有高灵敏度,低成本,全场测量等优点,被认为是最具研究价值和应用前景的高光表面三维重建技术。本文从理论到应用层面对相位测量偏折术展开系统研究,主要工作内容包括以下几个方面:1)介绍并研究相位测量偏折术的基本原理和关键技术。首先从系统框架层面,分析了几类不同偏折术系统结构组成和特点,然后对偏折术系统中的关键技术进行研究。在系统标定中,由于显示器不在相机视场内,需要借助平面镜建立反射对称模型来实现虚拟显示器、真实显示器和相机之间的坐标转换;在基于编码结构光匹配相机与显示器的对应性中,采用互补格雷码加相移法进行全局相位匹配,避免了解包裹相位出现跳变的问题;在梯度积分重建中,推导了多种典型积分重建算法的过程,并分析了各自的优缺点和适用性。2)针对单目偏折术中对标定精度的要求,提出一种基于三维尺度的多误差模型及标定优化算法。该方法将相位测量偏折术的系统标定视为一个全局优化问题,引入平面度、距离和角度三个误差度量准则来评估系标定参数。在此基础上,通过构建多目标误差模型,将初始标定结果作为模型输入,最后求解非线性多目标优化问题,得到最优系统标定参数并用于后续重建中,提高了系统的重建精度。3)针对单目偏折术中的高度-梯度二义性以及立体偏折术中的逐点匹配效率低的问题,在立体偏折术中提出一种基于种子点的迭代重建算法。该方法采用由粗到精的搜索方法获取任意一个点的精确位置并当作种子点。然后,利用待测面梯度和高度之间的耦合关系,建立迭代模型并以种子点高度所在的平面作为初始面形进行迭代重建,最后将收敛的面形作为重建结果输出,提高了重建速度。4)针对偏折术系统重建的动态范围限制,鉴于曲面显示屏相比于平面屏的视场角优势,首次将曲面屏应用在偏折术中。相应地,提出基于柱坐标系的曲面屏偏折术标定方法进行系统标定。其中,为了提高积分算法的精度和适用性,在区域波前法的基础上提出基于二维有限差分的高阶Southwell算法。之后,为进一步扩大重建的动态范围,将曲面屏应用在立体偏折术中,传统的立体偏折术法只能重建两个相机公共视野内且均含有反射条纹信息的反光面。而利用3)中提出的迭代重建算法,可以在仅有局部公共视野的情况下,分别重建各个相机与曲面屏视场内待测面的子区域。最后,根据种子点的法向一致性,提出精配准方法进行融合获取完整面形,提高了系统重建的动态范围。5)分别搭建了单目偏折术,立体偏折术和曲面屏偏折术三套完整系统,实现了标准光学元件以及手机触摸屏的高精度重建,并进行了误差分析。实验结果验证了本文所提算法的可行性和有效性。