数字条纹轮廓技术(Digital Fringe Patterns Profilometry)是近年来十分流行的一种非接触式三维形貌重建技术,它能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础,以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据,因此被广泛地应用于工业制造与检测、医疗工程、国防安全、考古和娱乐等诸多领域。DFPP技术的思想是采用特殊设计的结构光条纹投影到物体表面上,然后通过提取反射的条纹图像中变形条纹的信息获取物体的三维形貌。最初的结构光条纹是由特殊的光学和机械系统产生的,而近年来,随着数字投影技术的飞速发展,数字投影仪凭借着其低成本和简单实用的优点,被广泛应用于基于结构光的三维形貌测量技术,也就是现在的数字条纹轮廓术。然而,现有的DFPP技术在测量精度和速度方面都还不能满足一些实际应用的要求,这也使得DFPP技术还有很大的发展空间。本文对基于数字投影的三维形貌测量技术中的强度比计算、强度比展开和强度比到高度的映射等关键问题进行研究,并搭建一个低成本、高精度、快速的数字条纹三维形貌测量系统。在数字条纹形貌测量中,主要有基于相位的和基于强度比的两类形貌测量方法。本文从相位和强度比的获取、相位和强度比的展开、相位和强度比到高度的映射几个方面,简单的介绍了几种主流的数字条纹形貌测量算法,并比较了两类算法的优缺点。基于强度比算法的优点是处理条纹图像的速度快,但是这类算法的测量精度多少都会受到环境背景光和物体表面反射率的影响。基于相位的算法中,相移法(PSP:Phase Shifting Profilometry)是最常见和高效的算法,它不受背景光和反射率的影响,测量的精度比采用同数量条纹图像的强度比方法要高,但是PSP算法在计算相位的时候,需要计算反正切函数,这样在条纹图像处理的速度上没有仅做四则运算的强度比方法快。此外,这两类方法都没有很好的解决投影仪非线性失真的问题,而非线性失真是影响测量精度的主要误差来源之一。为了设计一种快速而且高精度的三维形貌测量算法,本文提出了一种基于多步三角波的位移估计算法,该算法是基于三角波的强度比计算和空间位移估计算法的。与现有的三角波强度比方法比较,本算法不受系统非线性失真影响,具有更高的测量精度。而且在位移估计算法中,拟合基于三角波强度比函数曲线是非常高效的,因为强度比函数在每个周期内是线性变化的,多项式拟合线性函数的速度比较快。与传统的PSP算法比较,本算法最少只需要两幅条纹图像重建物体三维形貌,而PSP最少也需要3幅图,加上强度比计算的速度本身要比相位计算的速度更快,而且本算法是不受非线性失真影响的,而PSP算法需要配合其他非线性误差补偿算法。实验结果证明了提出的多步三角波的位移估计算法的测量精度要高于传统的多步三角波算法。由于现有三角波强度比计算的方法,强度比的计算受到背景光和物体表面反射率的影响。所以,本文还提出了一种基于改进强度比的位移估计算法,在该算法中,强度比的计算同样是基于三角波条纹图像的,而且仍然只用了四则运算,但是计算方法和公式却不相同于传统的方法。传统强度比方法的优点在于计算强度比的速度快,但是强度比的计算往往要依靠某些特征象素点的信息,而且测量精度受背景光、反射率和非线性失真的影响。而本文提出的新的强度比计算方法是一种点对点的计算方法,强度比不受背景光和反射率的影响,加上本算法结合了位移估计算法,因此测量结果也不受非线性失真的影响。此外,本算法在利用多项式拟合强度比函数曲线时候的拟合速度和传统的强度比计算方法拟合速度相同。实验结果证明了改进强度比算法的测量精度比传统三角波强度比算法的测量精度高,而两种算法测量速度在拟合强度比曲线求位移的过程中是相同的。在研究数字条纹形貌测量技术的基础上,本文搭建了一个基于数字投影的三维形貌测量系统。系统的硬件包括了数字投影仪、cCD相机和高性能计算机等基础设备,还包括了光学平台、电控平移控制台、电控旋转控制台和步进电机等精密的运动控制设备。在系统软件方面,系统实现了各种条纹的投影、条纹图像拍摄、三维数据处理和物体形貌的三维数据显示等功能。在本文的最后对本文进行了总结和未来研究工作的展望。