随着社会经济和科学技术水平的提高,人们对获取物体立体形貌的需求也逐渐提高,光学三维测量技术以其非接触、全场性、自动化程度高等特点,在逆向工程、装备制造与质量检测、信息安全、医疗整形行业等领域得到广泛的应用。近年来,基于主动式光栅投影结构光的光学三维测量技术得到广泛的研究,出现了各种基于该技术的优秀产品,当前三维测量相关产品价格昂贵,影响了光学三维测量技术进一步普及。目前数字投影设备因相移稳定、操控简单等优异性能,代替物理光栅产生条纹投影结构光,与此同时也改变了三维测量系统的灰度响应,引入了非线性误差,需要对相位进行优化减小误差影响。相机作为单目条纹投影三维测量系统唯一输入设备,相机成像质量是后续工作正常进行的保证,有必要对相机成像退化情况的进行研究,且在光学三角测量法中,相机和作为逆向相机使用的投影仪的标定工作尤为重要,标定精度直接影响系统对物体形貌恢复的精度。本文基于相位测量轮廓术的结构光三维测量技术,借鉴主流产品的设计思路和结构,设计实现了一套包含软、硬件的单目条纹投影三维测量系统,对系统的重建原理进行研究,在建立相机图像退化模型,分析系统灰度响应误差后,对系统使用的相机和投影仪进行高精度标定,最终实现高精度、高密度点云的三维数字化测量系统。在设计实现三维测量系统的过程中主要做了以下工作和研究:1、研究了相机成像过程的图像噪声水平,边缘退化模型,并根据该模型,提出了一种曲线拟合与边缘灰度局部区域效应相结合亚像素边缘提取方法,对边缘灰度变化平滑的区域使用高斯曲线拟合方式,求解曲线极值点作为亚像素边缘,对边缘灰度变化剧烈的区域,通过建立边缘的二次曲线方程,使用灰度局部区域效应的亚像素边缘提取算法。针对部分低成本扫描方案里,相机噪声大且分辨率较低的情况,本文亚像素边缘提取算法特别适合相机的标定工作,亚像素边缘提取过程中参与计算的点较多,对噪声有抑制作用。2、研究了圆形阵列标定板图像特点,标志点排列规律,根据标定板定位标志点分布特征,提出了基于透视变换的相机标志点自动排序的方法,配合基于形态学操作标志点定位方法,实现了标志点图像坐标与世界坐标的一一对应,进而实现了基于张氏标定法的相机自动化标定技术,相机重投影误差在0.06个像素。3、分析系统的灰度非线性响应,模拟受噪声和非线性影响的相移条纹,分析多步相移不同相移步数情况下,条纹相位误差水平,对比空域解包裹和时域解包裹的特点,选用多频相移的方法,以求对形貌变化剧烈、存在孔洞物体相位的准确展开。4、投影仪标定中,分析标志点中心处相位质量情况,使用基于径向基的线性插值方法,使用多点相位值,减小了相位误差、噪声的影响,提高了标定的稳定性;在获得标定板定位标志点圆心的投影仪图像坐标后,使用透视变换、反向插值的方式赋予了投影仪拍摄图像的能力,便于在标定中观察投影仪与标定板的相对位置,投影仪的重投影误差在0.12个像素。5、搭建了一套单目条纹投影三维测量系统,编写了系统标定软件和三维扫描软件。对系统的精度进行测试分析,一米处测量物体,点云的平面拟合标准差在0.2mm,使用系统对物体、人像进行三维扫描,获得较好的效果。