基于主动散斑投射的双目立体视觉成像技术仅需一次投影拍摄即可实现三维重建，适合于动态成像，但在水下应用时，存在小孔模型失效、极线约束匹配条件不满足，以及投射散斑左右图像因受水下环境吸收、散射影响产生退化等问题。本文重新建立了基于主动投射散斑图案的水下双目视觉成像模型，分析了散斑图案对水下双目对应点匹配精度的影响，搭建了主动散斑水下双目视觉动态三维成像系统实验装置。实验结果表明，基于主动散斑投射的水下双目立体视觉技术具有较好的动态3D成像效果，动态误差在该双目立体视觉实验装置本身结构和系统参数决定的静态误差之内。

散斑投影轮廓术通过投影单幅随机散斑图案编码场景的深度信息，利用散斑匹配技术建立立体图像间的全局对应关系，从而实现单帧3D重建。但由于被测物体表面的复杂反射特性和双相机间存在的视角差异，投影单幅散斑图案无法为整个测量空间中每个像素编码全局唯一的特征，由此带来的误匹配问题导致测量精度较低，难以满足一些工业场景的高精度测量需求。提出一种基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）投影阵列的散斑结构光三维成像技术及其传感器设计方法，所研制的三维结构光传感器集成了3个小型化散斑投影模组，投影一组空间位置不同的散斑图案，对被测场景的深度信息进行高效时空编码。提出一种由粗到精的时空散斑相关算法，以提升测量精度，重建复杂物体的精细轮廓。通过精度分析、三维模型扫描、小目标金属零件检测、复杂场景测量等实验证明，所提三维结构光传感器实现了远距离、大视场的高精度三维测量，可潜在应用于零件分拣、机器人码垛等工业场景。

由于缺少可参考的散斑图案，单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器，提前拍摄不同标准距离处的散斑图像，测量效率较低，且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题，提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿，计算同名散斑点的空间三维坐标，解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，并对其进行迭代优化，生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明，所提方法的位移测量误差低于0.16 mm，标准球的半径测量误差低于0.13 mm，且在一定的深度范围内，深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。

针对粗粒反光表面在一般光源照明条件下产生的局部反光问题，提出一种基于随机散斑投影的图像采集方法。以主动投影照明的方式在工件表面形成系列随机散斑图案，利用组图冗余信息抑制反光，生成光强均匀且高信噪比的融合图像。给出了随机散斑图畸变矫正方法，实现高效的密度均匀散斑投影。实验结果表明，所提方法很好地抑制了工件表面局部反光问题，显著提升了图像对比度与清晰度，为后续图像检测算法设计打下良好基础。

针对数字散斑投影三维测量技术中的立体匹配问题, 提出基于反向合成高斯牛顿的半全局立体匹配算法。该算法采用基于Census变换的匹配代价值来衡量像素点间的相似性, 通过代价聚合算法增强匹配代价对噪声的鲁棒性; 在此基础上, 提出基于一阶形函数的反向合成高斯牛顿算法, 实现亚像素级别的视差优化; 最后, 提出耦合唯一性检查、左右一致性检查以及连通区域约束的错误视差剔除算法, 消除由遮挡和噪声引起的错误视差。实验结果表明, 该算法可精确、稠密、完整地重建出复杂物体的三维形貌, 重建精度优于0.06mm。

传统的纸张厚度测量方法只能测量纸页某一点厚度, 该类方法会因为纸张厚度全场分布不匀带来测量误差。针对该问题, 提出利用数字散斑投影的纸页厚度检测方法, 向待测纸页投射散斑图案, 并构建散斑投影的实验测量系统, 通过三维数字图像相关的算法处理, 得到纸页的形貌以及厚度。实验表明, 对纸张厚度名义值为0.180 mm的实验样品进行测量, 结果为0.177 mm, 对该方法进行重复实验, 测得的相对误差小于4%, 而且该方法能够直观地显示纸页的全场分布。此外, 提出的纸页厚度测量方法具有结构简单、非接触式测量、全场测量等优点, 为纸页生产中的厚度检测提供了新思路。

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术，研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面，由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图，采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布，而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比，具有光学系统简单，可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。