结构光三维测量方法具有非接触、精度高、成本低、测距大等特点,已经被广泛应用于逆向工程、机械制造、物体识别、医学诊断和文物保护等领域。由于结构光测量过程中存在投影仪的非线性影响、投影仪的离焦量影响、相位展开误差以及标定误差等影响因素,因此如何提高测量的精度和速度是目前结构光三维测量的重要研究方向。本文在国内外相关研究成果的基础上,对结构光三维测量关键方法进行了深入研究,针对现有方法的不足,提出了多种有效的理论和方法,从而提高结构光三维测量的精度和速度。本文主要研究内容和创新成果如下:针对传统F-S离焦抖动光栅存在相位偏移量的问题,提出了一种基于F-S抖动光栅的相位优化方法。该方法首先根据F-S误差扩散核函数生成对称核函数,然后根据正弦光栅的奇偶行,采用连续路径扫描生成F-S对称抖动光栅。在此基础上,为了进一步提高抖动光栅相位精度,提出一种基于加权优化函数的光栅相位优化方法。实验结果表明,该方法能够有效解决F-S离焦抖动光栅的相位偏移量问题。相比于传统F-S抖动光栅,本文方法能够在不同光栅周期下提高F-S抖动光栅相位精度。针对投影仪的离焦量影响抖动光栅测量精度的问题,提出了一种基于全局优化和局部优化的光栅生成方法。该方法首先采用Bayes抖动编码方法生成Bayes抖动光栅。然后对比正弦光栅与离焦抖动光栅对应点的光强分布,并对抖动光栅进行全局优化。根据三步相移对三倍基频分景的鲁棒性,建立残差优化函数,并对半周期局部光栅进行优化。最后根据结构光光栅的周期性和对称性,拼接最优的半周期光栅得到完整的结构光光栅。实验结果表明,该方法能够有效地克服周期和离焦量的影响。相比于传统抖动光栅,本文方法生成的抖动光栅能够在不同的环境下得到更高的测量精度。针对光栅周期影响相位展开速度和精度的问题,提出了一种基于两类阶梯模式的相位展开方法。该方法首先采用光强设置第一类阶梯模式,将全局光栅平分,并根据光强值,确定第一类阶梯模式的等级。在此基础上,采用相位设置第二类阶梯模式,并对第一类阶梯模式进行细分,然后依据相位的平均值确定边界点,最终根据两类阶梯模式关系确定包裹相位等级。实验结果表明,该方法能够准确地展开相位,并且有效解决畸变条纹周期对包裹相位边界的影响。相比于传统相位展开方法,本文提出的方法相位展开速度更快,而且对图像的灰度变化具有很好的鲁棒性。针对投影仪的离焦量影响投影仪标定精度的问题,提出了一种基于抖动光栅的结构光系统标定方法。该方法首先通过相机标定工具箱标定相机参数。然后针对Bayes光栅进行全局优化和局部优化,分别生成水平和竖直两种抖动光栅,并将两种抖动光栅依次投射到标定板,得到水平方向和竖直方向的绝对相位。之后将投影仪看成反向相机,并通过标定角点与绝对相位的关系建立相机图像与投影仪图像的对应关系。最后标定整个结构光系统,得到相机和投影仪的外部参数。实验结果表明,该方法能够准确地得到结构光系统标定参数,并且对投影仪离焦量具有鲁棒性。相比于传统标定方法,本文提出的方法标定精度更高,而且不需要考虑投影仪非线性对于标定的影响,标定过程更加简单。