作为现代结构光投影三维测量方法之一,光栅投影三维测量技术(FPP,fringe projectionprofilometry)具有测量速度快、测量精度高、获取数据量大、测量设备简单和对环境光较为鲁棒等显著特点,在先进制造、虚拟现实、工业检测和文物保护等诸多领域得到了广泛应用和深入研究。近年来,随着新型加工制造工艺的迅速发展以及机械、电子、生物医疗和新型材料等领域中微型器件的应用越来越广,针对尺寸微小(小于50 mm)的物体的精密测量变得越来越重要。本文主要内容为将传统FPP测量技术用于微小尺寸物体三维测量场景当中,深入研究系统标定和相位质量两大方面中的若干关键问题,具体如下:(1)提出新的基于远心成像的FPP测量系统标定算法。本文先从理论上分析了远心成像系统和小孔成像系统的异同,然后借助传统的二维平面标定方法对远心系统进行标定。此外提出了额外的两步优化算法,以进一步提高系统的标定精度。使用所提出的标定和优化算法,可以将远心成像相机标定至0.07个像素的重投影误差。用该方法同时对视场(FOV,fieldofview)较小的投影仪完成标定,便可以实现完整的FPP测量系统。实验部分采用原型测量设备证明了所提出的标定算法的鲁棒性和准确性。应用该标定算法后,测量系统在视场为28.43 mm × 21.33 mm,工作距离为110 mm的情况下测量精度可以达到5 μm。(2)提出基于全自动多重曝光的高动态范围(HDR,high dynamic range)三维测量方法。在测量微小尺寸物体时,物体表面的纹理和相机随机噪声一起,会对由光栅图像计算得到的相位质量造成负面影响。在对表面纹理复杂的物体进行三维测量时,基于多重曝光的高动态范围FPP测量技术是十分有效的方法。但是现有的方法通常需要根据经验选择不同的快门时间,这使得测量过程较为复杂,且所选择的快门时间难以保证可以获取高质量的相位。本文提出了一种基于全自动多重曝光的FPP技术。该方法的两大贡献在于:第一,整个测量过程完全自动化,不需要任何人为干预,极大地简化了整个测量过程。第二,该方法中所有的快门时间均遵循严谨的数学计算,并非凭经验设定。本文从数学上证明,一旦图像像素的调制度大于某个阈值,就可以认为该像素的相位质量受噪声影响较小。该调制度阈值可以用来计算测量过程中所需的快门时间。然后软件会自动调整相机的快门时间并拍摄所需的光栅图像。实验表明利用这些拍摄的图像,所提出算法可以准确简便地获得具有高动态范围的三维测量结果。(3)提出针对局部模糊现象的相位误差校正算法。在测量微小尺寸物体时,采集的图像中容易出现由各类全局光照(Globallight)引起的局部模糊现象,比如相机/投影仪离焦现象和半透明材质物体的次表面散射现象等。这些局部模糊现象会在FPP系统中引起较为明显的系统误差。本文深入分析了局部模糊现象对相位质量的影响,提出了一种简便的误差校正算法来补偿相位误差。对于由系统景深不够引起的离焦现象,该方法借助于点扩散函数(PSF,point spread function)和局部正向平面假设(Local frontal plane assumption),利用解析表达式对误差进行补偿。对于次表面散射场景,如果半透明物体由多重散射现象主导,则一旦测量得到物体材料的双向次表面散射反射分布函数(BSSRDF,bidirectional scattering-surface reflectance distribution function),所提出的方法也可以校正次表面散射现象引起的相位误差。(4)提出一种基于神经网络的彩色解耦合算法。在一些三维测量应用场景中,需要用到彩色相机来获取物体表面彩色纹理。但是彩色相机固有的彩色耦合现象会明显影响拍摄光栅的质量,从而影响求解得到的相位信息和最终FPP测量系统的精度。本文通过深入分析彩色耦合现象的形成原理,创新地将该彩色耦合现象描述为一个非线性过程,并利用前馈反向传播神经网络的泛化和插值能力来拟合该非线性函数。在实际测量之前先对神经网络进行训练,然后便可以实现测量过程中的彩色解耦合。实验部分充分证明所提出的方法可以有效地提高光栅正弦性和求解得到的相位质量。(5)提出基于体视显微镜的FPP测量系统标定算法。在应用景深较小的体视显微系统进行微尺度微小物体三维测量时,传统基于多平面的方法无法用于相机的标定。为了提高基于单平行平面标定方法的稳定性,本文结合单应性变换和高斯成像模型,提出新的鲁棒性较高的标定方法。该方法首先利用一个便捷准确的方法计算出整个显微镜光学系统的物理焦距F,然后利用高斯成像模型计算出显微镜的等效焦距f。获得f后即得到了相机的内部参数(Internal parameters)矩阵初值,进一步可以通过单应矩阵计算出相机的外部参数(Extrinsicparameters)。最后,将所有的内外参数和镜头畸变一起,通过一个非线性优化过程进行优化,从而完成显微镜的标定。本方法仅需要对平行标定板拍摄两次图像即可完成标定。虽然需要额外计算光学系统的物理焦距,但也克服了现有方法标定显微镜时求解不稳定的问题,较为显著地提高了标定结果的稳定性和精度,十分适用于基于显微镜的光学测量系统的标定任务。本文基于该标定算法,实现了用于测量微尺度微小物体的FPP三维测量系统,通过对不同的物体进行实际三维测量,充分证实了本文标定算法和测量系统的有效性和鲁棒性。