传统基于正弦光栅相位测量轮廓术中, 相位因反正切运算而被截断在(-π, π］之间, 需要利用菱形等相对相位展开算法进行展开, 容易产生相位误差累计, 甚至无法展开相位; 或者利用投影辅助格雷码等额外结构光场来确定条纹级次, 避免相位误差累计, 实现相位的展开。提出了一种基于二元光栅特征提取的相位展开方法。通过投影一组相移二元光栅来实现三维测量, 既避免了投影仪伽玛非线性对三维测量的影响, 又将投影系统的刷新频率提高一个数量级, 同时利用二元光栅本身的图像特性, 在不增加辅助结构光场投影的前提下, 自定条纹级次, 从而将自定的条纹级次相位与截断相位相加, 实现展开相位, 有效避免了相位误差的累计。实验验证了所提方法的可行性和有效性, 解相结果与未发生累计误差的菱形算法解相结果具有很好的吻合效果。

在相位测量轮廓术中，测量系统中投影仪等存在的非线性响应大大影响了相位测量的精度，因此，如何快速高效地消除系统中的非线性误差是提高测量精度的关键。本文建立了相位误差的精确模型，并提出了一种基于相位误差精确模型的相位提取方法，利用高步数相移算法预先标定各频谱分量的比例关系，再通过迭代运算即可得到高精度的相位分布。实验结果表明，该方法可有效补偿非线性误差，从而大大提高相位测量精度，同时，由于各频谱分量是通过高步数相移预先标定的，仅三步相移即可得到高精度相位分布，满足了快速、实时的测量要求。

传统2+1三维实时测量方法需要投影两帧相移光栅加一帧背景光图像，提出了一种新型双色2+1三维实时测量方法，该方法仅需两帧双色光栅。事先编码两帧双色光栅，红色通道分别为相移量相差π的正弦条纹，蓝色通道为与正弦条纹直流分量等值的背景光，由此可以标定出彩色CMOS相机红蓝通道灵敏度之比。测量时按照上述方法编码两帧相移量差π/2的双色光栅并合成为重复视频，重复视频通过投影仪投影到待测物体表面，并利用彩色CMOS相机即可同步实时采集彩色变形条纹图视频。经计算机处理提取不同时刻的彩色变形条纹图序列，从而利用2+1算法实现运动物体实时在线三维测量。此方法利用红蓝通道能有效减少颜色串扰，并且只用投影两帧双色光栅，提高了测量的实时性。实验结果和分析证实了该方法应用于物体实时运动的可行性和有效性。

针对多频外差解相法易产生相位跳跃性误差的问题,提出一种基于多级条纹级数修正的相位误差校正方法。根据叠加条纹的相位周期对叠加条纹级数进行第一级粗修正,可有效避免由伽马效应以及取整函数引起的相位跳跃性误差的累积和传递。优化取整函数,并利用误差绝对相位对初始条纹级数进行第二级精细修正。再根据修正后的条纹级数计算更为精确的目标绝对相位。实验测试结果表明,经本文方法校正后的三维重构模型表面平整光滑、细节清晰且无明显色斑和色块,对相位跳跃性误差有明显的改善作用,提高了结构光三维测量系统的鲁棒性。

采用复合光栅相位测量轮廓术进行三维测量时,从变形复合条纹中能有效地解调出相移变形条纹,此时滤波窗口的选择至关重要。通过分析噪声特征及其对频谱成分不同取向影响的差异性,寻找空间频谱在两个正交方向上的最佳滤波窗口,建立了一种提高测量精度的混合滤波窗口。数字模拟表明,所设计的混合窗口对噪声的抑制均优于矩形、三角形、布莱克曼和汉宁等滤波窗。已知高度平面的测量结果表明,采用均衡噪声和频谱泄漏的混合窗口的重构误差最小,其误差均方根比汉宁滤波窗口减小了9.64%,测量精度得到有效改善。实物测量实验验证了所提方法的可行性和有效性。

针对相位测量轮廓术中由光学成像设备的点扩展函数引起的卷积效应,提出了一种估计点扩展函数卷积模型参数的方法。该方法利用卷积效应对相位测量轮廓术中光强调制度参数的影响,通过计算基频与更高空间频率之间的光强调制比率,实现了对点扩展函数参数的估计,利用估计的参数建立卷积模型对误差区域进行相位校正,从而提高三维重建精度。仿真及实验结果均验证了所提方法的有效性,与校正前相比,相位的均方根误差减小了30.55%。

为了改善高反光对象表面的三维重建的质量,提出了一种基于二值相移编码光栅投影的相位融合算法。该算法对饱和相位误差进行分析,利用二值相移投影图案的周期性与对称性实现了饱和相位误差的检测。研究结果表明,相比于基于光照强度判断的饱和误差检测方法,所提方法可以准确检测出存在饱和误差的区域。与修复前相比,修复后的饱和相位误差的均方根值减少了95.7%,最大相位误差减少了96.1%。与传统的检测方法相比,在使用更少测量组的情况下,替换后的饱和相位误差的均方根值减少了16.7%。所提方法可以有效地重建出高反光物体的表面轮廓,且精度更高,无需非线性校正,抗干扰能力强。

提出了一种非线性相位误差的全场补偿方法,通过对参考面相位的多次测量,提高了参考面的解相精度,提取出一个逼近理想值的期望相位面,并用该期望相位面检测非线性相位误差。重构待测物体时,可直接用物体展开相位值在查找表中查找对应的非线性相位误差,并以此对物体的展开相位进行全场补偿。采用所提方法重构已知具体高度的平面,平均绝对误差的最大值从0.48 mm减小到0.06 mm,方均根误差的最大值从0.55 mm减小到0.07 mm。

由于投影仪与相机普遍存在的伽马非线性效应, 变形条纹图直流项与背景图光强分布并不相等, 会引入测量误差.本文在传统2+1相移算法中引入背景校正, 以所捕获的背景图光强分布为模板, 采用最小二乘原理逼近变形条纹图的直流项, 能有效提高测量精度.所提2+1相移算法中两帧相移正弦光栅的相移量不再固定为π/2, 可任意, 算法更灵活.实验结果验证了该算法的有效性和实用性.

在相位测量轮廓术中,传统的相位-高度映射通过对若干已知高度平面的单次数据采集来完成标定。在标定过程中,不同时刻所采集的数据肯定有所不同,从而在标定时计算出的待标定系数也有所不同,这就影响了相位-高度映射精度。为了提高相位-高度映射精度,提出了对参与标定的平面进行多次测量,从而能得到多组标定系数,采用平均标定系数来代替单次标定系数的标定方法,使标定系数更加真实稳定,受时间的影响减小。通过测量若干给定高度平面验证了该方法的有效性,通过测量“心”形物体的三维面形验证了该方法的实用性,表明该方法能有效提高相位测量轮廓术测量精度。