随着科学技术的发展和工业生产水平的进步,从二维图像获取物体三维形貌的视觉测量技术在越来越多的领域发挥重要作用,同时,由于测量物体形态、大小、粗糙情况及纹理特征的多样性,对于测量精度的要求也在逐步提升。传统的3D成像方法如激光线结构光或条纹投影的面结构光测量系统的测量范围受镜头的景深限制,在Z方向的测量范围比较小,在需要高精度测量的情况下会出现无法清晰成像等问题,影响测量精度,难以满足复杂工件的高精度测量需求。尤其是随着微电子制造技术的快速发展,各种微型元件,如半导体器件、光电子元件和MEMS等,在工业上得到大量的生产,并被广泛应用到各种高端电子产品和精密仪器行业。这要求在高放大倍率甚至显微光路下对被测物体进行高精度的3D测量。而镜头的景深与它的光学放大倍率的平方成反比例关系。因此,成像放大率越大,景深越小,特别是在高放大倍率下的景深会变得很小,被测物体不平行于成像平面的部分将产生虚焦现象,从而影响测量精度。Scheimpflug条件下的移轴镜头由于其特殊的成像特性,当成像平面、镜头平面、物体平面相交于一线时,整个物体平面可以清晰成像,能够在一定范围内扩大景深,已在摄影、医疗等领域有着广泛应用。目前对于Scheimpflug条件下的移轴相机的三维成像研究较少见报道。本文对传统镜头景深过小、圆形标定靶的透视畸变问题进行深入研究,提出一种基于Scheimpflug条件的三维成像系统,主要研究内容及成果如下:(1)研究移轴镜头成像原理,移轴相机的构成,测试其对景深扩大的效果作用。研究在Scheimpflug条件下的透视镜头的标定方法,以厚透镜成像模型为基础,充分考虑镜头两侧光线角度的不同,进一步推导基于厚透镜模型的瞳孔中心成像法的计算公式,根据单应性矩阵推导内参的解析式,完成移轴镜头的标定。(2)研究相机标定过程中存在的畸变,包括镜头径向畸变和切向畸变,在此基础上提出一种优化Scheimpflug相机透视畸变(使用圆点靶进行标定时存在的透视偏差,在Scheimpflug条件下更甚)的方法。以世界坐标系下的标准圆作为参考,建立目标函数,通过非线性优化算法优化消除透视引起的偏差,实验结果表明这种优化标定方法能够提高相机标定的精度,在空间上的误差减小约有80%。(3)搭建基于Scheimpflug条件的移轴相机测量系统,系统由一个移轴相机和一个投影仪组成,在完成高精度的相机标定的基础上,借助投影仪投射虚拟靶标完成投影仪标定,最后进行系统标定,并采用相位辅助双目匹配算法对物体进行三维重建。实验结果表明Scheimpflug条件下的移轴测量系统可实现被测物体的三维精密成像,证明本文提出的移轴相机标定和三维重建方法的正确性。