设计由两个红外相机和一个紧凑散斑结构光投射器构成的三维人脸采集系统,可根据采集精度和运算效率的折衷配置采集散斑图像。散斑模板固定在垂直于投射器光轴的齿轮上,使用齿轮机构驱动散斑模板作旋转运动,使用波长为735 nm的LED照亮散斑,在测量空间中形成时间和空间上互不相关的散斑编码结构光图案,采用时空相关立体匹配算法实现人脸三维重建。通过理论分析和实验验证散斑模板的旋转角度对测量精度的影响,进而确定最佳的旋转角度。采用德国ATOS高精度工业3D扫描仪获取人脸面具三维数据并将其作为真值,同时测试真实人脸的三维采集效果。实验结果表明,当投射散斑数量为5时,三维重建的平均误差为0.063 mm,误差标准差为0.111 mm。

提出了一种应用于结构光投影三维测量的二值时空编码方法。通过投影3幅二值编码条纹图，利用条纹边界左右两侧的编码值对截断相位图中的截断线进行编码。测量时，根据截断线提供的初始位置，在3幅编码图中读取其左右两侧的黑白编码值，从而每根截断线可以得到一个二进制码，解码后可以计算出该截断线的级次，从而确定其对应正弦条纹的级次。根据该级次对截断相位图进行展开得到绝对相位图。实验结果表明，该编码方法在保证测量精度和可靠性的前提下，有效减少了编码的幅数，提升了测量的速度，非常适用于高速三维测量系统。

为了减小编码光系统中的颜色耦合与颜色失衡的干扰, 提高形状与颜色重建的准确度, 建立了彩色编码光系统, 并对其所采用的编解码方法、颜色重建的两个相关环节及颜色校正方法进行了研究。首先, 给出了系统的彩色梯形相移强度比编解码法, 分析了编解码过程中存在的RGB基色相互耦合现象, 设计了应用Caspi模型硬件标定的颜色耦合校正方案; 然后, 给出了系统的逐点颜色重建法, 分析了颜色重建过程中由表面曲率导致的颜色失衡现象, 设计了利用表面几何信息校正颜色失衡的方案。实验结果表明: 校正后单一绿色图像中的红色分量值约为校正前的1/10; 单色表面色差约为01, 趋近于人眼颜色分辨率, 远低于校正前的04; 重建的单色复杂被测表面颜色均匀、视觉效果良好, 符合实际情况。提出的方法符合编码光系统抗干扰能力强的要求, 有助于提高形状与颜色重建的准确度。

提出了一种部分编码结构光三维面形测量方法，将相位展开技术与条纹编码结合起来，既有效地减少了投影和拍摄的图像数量又提高了相位展开的可靠性。该方法利用部分编码技术对相邻的多根条纹进行整合，减小了条纹密度，然后再对整合后的条纹相位进行展开，最终得到整个图像的相位分布。实验证明，该方法可以较大程度地减少重建所需的画幅数，同时具有良好的精度和可靠性。Three-dimensional Shape Measurement

根据编码结构光检测原理，建立了结构光测量系统的数学模型，研究了该模型各参量之间的相互关系及误差，得到了优化的系统结构参数。按照系统的几何结构，建立了深度信息的计算模型。分析了系统参数对模式成像的影响，实现了测量系统的模式像在不同参数值下的动态变形，并确定了图像坐标随深度值变化的几何关系。通过分析系统参数与深度信息的误差关系，确定了系统集成应遵守的约束条件，集成了最优系统结构。实验结果表明，按照优化参数建立的系统，其测量相对误差约为0.3%，基本满足编码结构光测量系统三维重建的高精度要求。

为了克服光学三维传感中相位恢复困难的问题，提出了一种基于最大色差彩色组合编码的三维面形测量方法。这种方法的特点之一是使得垂直于条纹方向特定长度的颜色序列是唯一的，从而建立了空间位置与颜色的对应关系。特点之二是相邻条纹之间具有最大色差，因而具有最大可区分性。将得到的彩色组合条纹投影到物体表面得到变形条纹，通过计算各种颜色条纹相对参考平面上条纹移动的距离，可以恢复出物体的高度。实验证明，该方法需要获取的图像少、计算时间少、精度较高，具有很强的抗干扰能力。