本文分析了基于结构光投影的不连续物体测量中CCD 采样引入的相位误差，并提出了鉴别错误相位点的方法。在物体表面不连续处，由于CCD 采样的影响相位测量将出现较大的误差。本文从相位、高度和等效波长的关系出发，将相位看作矢量辐角，发现在物体表面不连续区域处CCD 的采样使得相位测量值与等效波长呈非线性关系，从而降低了测量精度，甚至出现错误测量结果。本文引入时间相位展开(TPU)用来鉴别这些错误相位。文中给出了理论分析和实验，结果证明分析的正确性和鉴别方法的可行性，可以为减小CCD 采样导致的局部误差提供分析依据。

提出一种新的二元条码设计方法，可用于绝对式光电位置编码。传统的光电编码器主要基于莫尔光栅条纹技术，把位移量变为电脉冲，结构简单，但由于增量式相对测量方式，从而使得光电编码器的应用受到了限制。本文提出的二元条码设计方法，在单码道上设计了包含三种频率信息的光栅，采用二元脉冲编码调制和误差扩散的方法形成二元条码标尺。在光电位置编码器中，标尺上某一段的条码就成像在线阵CCD 上。对CCD 获取的该段条码信息进行傅里叶变换，滤波和逆傅里叶变换，得到三种频率光栅的相位信息，采用小数重合法得到该段条码的绝对相位分布，从而得到绝对位置信息。新的方法保留了单码道光栅莫尔技术结构简单的优点，同时又能像多码道光栅编码器一样实现绝对位置测量。文中给出了编码方法的详细描述，条码信息处理方法，计算机仿真实验结果，最后给出了绝对式光电位置测量的实验结果。本文提出的方法在绝对式光电位置编码器和数字水准仪等领域具有一定的应用前景。

本文利用抽样莫尔法，对材料变形进行了精密测量。将罗琦光栅紧贴在试件表面，使其和试件材料一起变形，然后用CCD 摄像机获取在不同拉伸状态下的离焦变形条纹图。取出其中一幅变形条纹图，采用抽样和双线性插值等操作获取该状态下的多帧相移莫尔图，通过相移法计算莫尔相位，经相应公式的计算，得到材料的位移和应变分布。文中给出了抽样莫尔法基本原理，推导了位移应变计算公式并给出了实验结果。实验结果表明，由于抽样莫尔法只需一幅变形条纹图并结合相移技术获取材料的位移和应变等数据，因而能以较快速度和较高精度实时完成不同变形状态下材料的位移和应变等重要特性的分析。本文为动态过程中材料的变形提供了一种精密测量的方法。

将相位技术及条纹分析技术引入到光学三维坐标测量中,制作了手持相位标靶。采用这种标靶,利用视觉测量技术可以对待测物体上的任意一个可接触点进行直接测量。利用相位技术及条纹分析技术的全场分析方法,计算出了测头在标靶坐标系下的坐标,提出了标靶特征点到测头距离的计算公式;采用手持相位标靶进行测量时,提出了对测量点的三维坐标获取的计算公式;并对测量点的三维坐标值以及对测量点偏移的距离进行了误差分析。实验得到了比较准确的测量结果,证明了分析方法的正确性。

针对在冲击炮轰等快变化过程的傅里叶变换轮廓术测量中,CCD 的拍摄速度低于物体的运动速度导致对动态条纹的时间采样不足,提出了采用双频正弦光栅进行测量的三维轮廓术,以傅里叶轮廓术为基础,利用低频光栅条纹图的截断相位做标记条纹,跟踪锁定高频光栅条纹图的同一级次条纹,利用高频光栅的变形条纹进行动态破裂物体的三维面形重建,有效的解决了在快变化动态过程的三维测量中因时间采样不足和条纹断裂带来的问题,正确的获得了物体的面形分布。计算机模拟实验和对瓷砖破裂过程的实际测量验证了此种方法的正确性。

提出了一种用于振动物体表面快速测量的光学测试系统和方法。该系统采用结构光三维传感技术，利用时间平均法来实现对振动表面的测量和振动模式分析。用低帧频商用CCD相机记录由光栅投影到振动物体表面上形成的一系列变形正弦条纹，对获取的一帧变形条纹经过二维傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换等处理得到调制物体振幅的零级贝塞尔函数分布。给出了该方法的理论分析，推导了相应的计算公式。计算机模拟和实验验证了该方法的可行性。实验证明，该方法具有数据获取速度快，全场非接触测量以及实验装置简单等优点。

为了消除傅里叶变换轮廓术中零频成分的扩展对测量范围和精度的影响, 将经验模态分解方法引入到傅里叶变换轮廓术中,对变形条纹图进行经验模态分解, 将条纹图分解为一系列的从高频到低频排列的固有模态函数, 达到将高频成分和低频成分相分离的目的, 用以消除零频成分,提高测量范围。同采用相移消除零频成分的技术相比, 此方法只需要一帧条纹图, 测量装置简单、实时性强、计算速度快。文中给出了理论分析和实验验证。

在相位测量型光学三维面形测量中,最终都要将相位信息转换成被测物体的高度分布信息,这个过程往往是通过对已知世界空间坐标的特征点事先标定,获得测量系统的内外特征参数后,完成被测物体的三维坐标转换。因此,标定是三维面形测量的关键环节。本文基于双向二次相位-高度映射方法和摄像机针孔模型线性无畸变标定技术,充分利用傅里叶变换的频谱方向特性,提出了对含有特征点的二维标定物表面变形条纹的频谱进行方向滤波操作,同时获取测量系统XYZ三个方向上的标定数据,对测量系统进行立体校准的系统标定方法。结合旋转风扇叶片形变的测量系统,给出了该方法的标定结果:在XY面内(230mm×230mm)的标准偏差小于0.27mm;在Z方向上小于0.022mm,位移测量灵敏度优于0.05mm。该方法为测量系统的实用化奠定了基础。

针对基于传统三角原理的结构光三维测量方法难以测量阶梯形物体的问题,应用神经网络对获取的变形条纹进行处理,获取物体的三维面形信息.该方法通过对神经网络的训练,直接建立条纹图分布与物体高度之间的对应关系,完成对物体的三维测量,即使在投影系统参数未知的情况下,也能取得较好的结果.论文中提出的神经网络三维面形测量方法测量时间短,测量过程中只需要一幅条纹图就能恢复阶梯物体的高度信息.计算机模拟及试验验证了方法的可行性.

针对现有线结构光双传感器测量系统标定过程中对设备要求高、标定过程复杂等难题, 提出了一种简便的基于平面标定参照物的现场标定方法。该方法不需要设计复杂的校准模型和高精度的辅助调整设备, 只需要将一个绘制有棋盘格图案的平面参照物在两个传感器公共的测量范围内任意摆放几个位置, 即可完成双传感器标定, 并建立两个传感器之间的相互关系, 进一步将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到一个全局世界坐标系中, 从而建立起两个传感器与线结构光平面间的标定方程。实验验证了该方法的可行性, 实测平面高度的均方根(RMS)误差为0.03 mm。