在条纹投影轮廓术中，投影仪标定作为系统标定的重要组成部分，其标定精度是保证系统测量精度的关键。但投影仪不能直接捕捉图像，无法直接建立目标点与对应投影仪像素点之间的关系，标定过程复杂且精度不高。针对这一问题，分析了投影仪标定的影响因素，提出了一种基于局部单应性矩阵的投影仪标定新方法。首先，通过实验确定局部区域的最佳尺寸；然后，计算圆心所在区域的局部单应性矩阵，完成投影仪坐标的映射；最后，采用相机标定方法完成投影仪的标定。实验结果表明，该方法减小了圆心偏差和相位误差对投影仪标定精度的影响，并基于局部线性化的思想，建立了相机图像坐标到投影仪图像坐标的亚像素级映射，提高了投影仪标定的精度。

格雷码辅助实现的相位测量轮廓术具有较好的鲁棒性和抗噪能力,是三维测量领域的一个研究热点。在已有测量方法的基础上,提出了一种把格雷码嵌入相移条纹进行复合图案投影的三维面形测量方法,通过将传统的3幅格雷码图案整体向右移动半个条纹周期,共得到6幅格雷码图,将其交替嵌入三组相同的四步相移条纹中并结合二值离焦技术依次进行投影。通过拍摄得到一系列变形复合条纹图案后,沿时序综合前后三组变形复合图案信息并进行解码,从而获得两组错位的条纹级次,这可从源头上避免格雷码级次边沿的错误;同时采用传统相移算法计算得到对应的截断相位分布,时序上的综合解码结果可用于指导截断相位产生并重建被测物体的三维面形信息。静态和动态场景的三维测量实验结果验证了该方法的可靠性、高效性和鲁棒性。该方法每多记录5幅图案就可以对应新重建出一个三维面形,在高速动态三维测量中具有较好的实用性。

首先从理论上推导准相干或宽带光照明下空间光干涉光场的分布,由此可得准相干或宽带光照明下的四步相移法。其次,通过搭建绿光空间光干涉显微镜(SLIM)系统,以直径为6 μm的聚苯乙烯微球分散于显微镜物镜用油模拟细胞的微环境。最后,利用4幅SLIM图像成功重建出油浸微球的相位分布,平均半径相对误差为6.5%,光程差体积相对误差为8.4%。由于相干光的四步相移法和宽带光的四步相移法重建结果相差较小,因此,在追求成像速度的场合且细胞厚度较小时,可不对四步相移法进行修正,以加快相位重建的速度。

相位测量系统中投影仪输出与CCD输入变形条纹光强之间的非线性导致频谱混叠,影响测量精度,为了消除他们之间的非线性关系,提高相位测量精度,分析了系统非线性产生的基本原因,提出了一种基于系统非线性校正与滤波的相位测量方法.首先校正由投影仪中伽马畸变产生的系统非线性,然后采用低通滤波器对校正后输出的频谱进行滤波,只保留频谱中的基频成份,最后采用四步相移法对变形条纹进行相位测量.MATLAB仿真与实际实验结果表明,所提方法的系统非线性校正与滤波效果较好,有助于提高相位测量精度.

为了解决机器视觉测量中,由被测物体表面结构差异或反射率不同而引起的视觉质量问题,提出一种新型的基于投影仪-相机系统的自适应照明方法。该方法采用双频光栅条纹,可以结合高低频相移方法的特点进行相位解包,因而比传统单一频率的条纹进行解包相位精度更高,能够提升测量过程中所必须获取深度值的精度。同时,该方法利用彩色图像多通道的特点,不同通道处理不同频率的条纹光栅,相较于黑白图像测量的方法速度提升一倍。所提出的双频相移自适应照明方法,可以满足机器视觉测量中的高精度高速度需求,提升机器视觉在线检测的能力,可以广泛应用于工业检测领域与图像识别领域。

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测，一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射，选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜，双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹，被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹，不需要轴向扫描装置记录条纹变化，相位调节精确，成像直观。此外，该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化，不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路，系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度，以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验，实验结果显示，所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm（2σ）。

为了加强相位展开过程的准确性和鲁棒性, 提出了一种新颖的梯形相位展开算法。该算法结合了灰度和相位两种编码方式进行相位展开。基于灰度的相位展开可以通过投射不同的灰度确定不同的等级, 但是当条纹周期非常小, 相应的灰度差异也非常小, 使相位展开出现错误。相位展开具有很强的鲁棒性, 但本身计算量很大。与传统算法相比, 该算法设计了两类模式快速地恢复绝对相位。第一类模式是基于灰度信息对全局调制光栅进行分割, 第二类模式是基于相位进行编码, 同时在第一模式中对全局调制光栅进行更加细致的分级, 第二类模式变化的周期与包裹相位的截断周期一致。因为颜色能够简单而且准确地确定边界, 同时相位有很好的鲁棒性, 因此, 能够准确地恢复绝对相位。实验结果表明: 提出的算法能够准确地确定包裹相位的等级, 而且能够快速地得到物体表面的三维信息。

结合结构光投影三维扫描的原理,设计了数字微镜器件(DMD)作为结构光的发生装置,主控芯片为FPGA,实现了高速的DMD的控制和相机的同步采集。搭建了一个嵌入式三维扫描光学平台,并应用四步相移法完成实验。首先指定不同方向和周期的正弦条纹结构光,同步采集图像;然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位的解调、相位的展开、相位-高度映射还原得到三维的深度信息并建模;最终获得最高464.8帧/s不同方向和周期的正弦条纹结构光显示,达到194帧/s的相机触发采集,三维扫描效果图清晰,还原和重建效果理想。

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题, 提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像, 经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上, 相机同步采集标定板图像, 叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图, 对叠加相位主值图相位展开, 利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值, 最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明: 仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4 pixel, 均方根误差为0.132 96 pixel; 实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46 pixel, 均方根误差为0.143 12 pixel; 实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%, 均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比, 投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足, 标定准确度和标定效率均得到提高.