为了使用高频条纹实现对物体三维形貌高精度快速测量, 提出了一种利用双频外差和时空相位展开实现三维测量的方法。该方法仅投影两套高频条纹图片, 利用双频外差方法计算出一个频率较低的截断相位分布, 经空间相位展开得到其对应的连续相位, 用于指导高频条纹截断相位展开, 获得三维重建需要的绝对相位分布。该方法对双频外差后的低频截断相位上进行空间相位展开, 降低了空间相位展开难度, 增加了双频条纹投影三维测量的适用范围。实验结果表明该方法的STD误差为0.06 mm。该方法利用两套高频正弦条纹、不增加投影第三个频率条纹图的情况下, 实现了高精度快速三维形貌测量。

提出了一种N 元编码时间相位展开方法来实现彩色复杂物体的三维测量。传统的阶梯状条纹在测量整个表面反射率范围较大的物体时，条纹数量过多会导致量化困难。利用从相移条纹中提取的N元正弦码元替换传统的量化灰度码元，通过进制转换将N元正弦码元嵌入到所要投影的条纹中来实现条纹级次的编码。在解码时，先通过编码条纹与N步正弦相移条纹的差异逐点计算N元量化条纹，再根据对应的逆进制转换获取唯一的条纹级次，最后利用截断相位消除条纹级次边缘处的错位误差。实验结果表明，相比传统的时间相位展开方法，所提方法有效提高了编码效率，并在测量彩色复杂场景时表现出了较高的鲁棒性。

传统的2+1相移算法在抑制运动误差方面具有良好的性能。针对在展开传统2+1相移算法的截断相位时常有相位展开错误的问题, 提出了一种可同步结合时间相位展开的2+1相移算法。该算法中, 在传统2+1相移算法的基础上增加了一帧低频辅助正弦光栅条纹, 然后结合希尔伯特变换计算出该低频变形条纹的截断相位, 之后利用几何约束法对该截断相位进行相位展开, 最后利用上述的展开相位指导2+1算法中截断相位的展开。实验结果表明, 该算法能够成功地恢复出具有大尺寸深度和复杂面形物体的相位信息, 同时, 具有较高的测量精度和较快的测量速度。

二值条纹离焦投影技术很好地克服了条纹投影三维测量技术中的非线性影响，有效抑制了投影设备Gamma效应带来的误差。多频条纹二值离焦投影结合时间相位展开算法，是常用的复杂物体三维测量方法。该方法在使用中要保证多个频率二值条纹离焦获得大致相当的正弦性品质，投影时不同频率条纹对应的离焦量不一样，不利于其广泛使用。分析了不同二值化方法条纹的离焦量与正弦性品质之间的关系，提出了采用不同二值化方法生成待投影的不同频率条纹，在同一固定离焦量下进行三维面形测量的方法。提出的组合二值条纹方法与单一二值条纹方法的仿真和实验测量结果表明，该方法能保证测量精度，且实际使用时不同频率条纹的离焦量固定不变，方便易行。

基于光栅条纹投影的三维测量技术通过相移法提取相位主值,相位主值展开的准确性是决定整个三维测量系统精度的关键因素。时间相位解包裹算法能够实现对孤立及表面不连续物体的相位展开,但受传感器及环境噪声的影响,得到的解相结果误差较大。为了选择出抗噪性能好的算法,本文通过仿真及实验对比了几种时间相位解包裹算法的抗噪性能。结果表明,多频层级相位展开法和负指数拟合法具有良好的抗噪性能,解相精度高,而多波长外差法和基于条纹定位的多波长外差法的抗噪性能差,解相误差大。本文的研究结果可为研究人员在选择解相方式上提供参考,具有重要的应用价值。

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景, 提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案, 每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量; 将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体, 通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005 rad, 峰谷值误差不超过0.015 rad, 其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法; 通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开, 在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明, 本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。

搭建了一套小视场的三维面形测量系统。该测量系统采用基于DLP4500 芯片开发的高速数字投影模块套件实现条纹图像的高速投影和相机的同步触发图像采集。利用该投影模块向小视场物体表面投影三种不同频率的相移条纹图，相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹，分别计算出三组条纹对应的截断相位图，再进行两次外差得到频率为1 的相位分布，以此为基准往回展开得到连续的相位分布，从而重建被测物体的三维面形分布。实验成功重建了以硬币为代表的小视场(8 mm×6 mm)物体在100 μm 深度范围内的表面三维形貌。

为了提升反向条纹测量系统的精度，提出了利用三频时间相位补偿算法来改善投影机-相机测量系统非线性误差的测量方法。在测试物体上投影两套具有特定相位偏移的结构光条纹，基于三频时间相位展开方法获得展开相位。具有特定相位偏移的两套条纹测量得到的系统非线性相位误差具有大小相等、符号相反的特性，因此可以通过简单的算术计算来消除或减弱系统的非线性影响，从而提升测量精度。设计了模拟仿真和实物对比实验对所提方法进行验证，实验得到的相位标准差分别为6.6122×10-4 rad和0.0087 rad。实验结果表明，所提方法使反向条纹测量的精度有了大幅改进，验证了该方法的有效性。

针对结构光解码问题, 在传统相位测量轮廓术(PMP)理论的基础上, 提出一种结构光周期图案的统一解码方法。通过把经典PMP的相位计算公式运用到任何周期波图案中, 比如三角波、锯齿波、方波图案等, 通过多频时间相位展开算法实现了对包含高频率的图案的相位展开。实验结果表明, 提出的方法达到了相对高的精度, 验证了此方法的有效性。

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。