光栅投影三维测量技术因其具有非接触、无损、高效率、高分辨率、全场测量等特点,在产品设计与制造、产品检测与质量控制、医学工程、虚拟现实、智能安防等行业都有很大的应用发展潜力,已成为三维测量领域近年来的一个研究热点。典型的基于数字光栅投影的结构光三维测量系统由一个数字摄像机（相机）和一个数字投影仪组成。目前,现有研究工作主要围绕数字光栅投影三维测量系统实现中的相位-三维坐标映射关系建立、绝对相位获取、系统参数标定、误差补偿及高速测量等方面进行研究。近年来不断有研究学者开始关注大尺寸测量,尤其三维场景检测,一个典型应用就是工业自动化生产中的人机协同工作的安全监测。目前,已有利用多个相机的多目结构实现场景三维检测的解决方案,如Pilz公司生产的Safety Eye。但其由于属于被动测量,因此存在特征点匹配困难且运算量大等问题。考虑到光栅投影三维测量中的相机与投影仪可工作在一个相对比较大的深度范围,通过对光栅投影三维测量方法的研究,可将其应用到大尺寸测量及三维场景检测。因此本文研究不仅局限于光栅投影的相位-三维坐标数学模型建立、三维测量系统实现及误差分析等基础研究,并且着眼于以实现大尺寸复杂场景三维测量为目标的探索性研究,从复杂场景相位获取及深度范围扩展两方面进行了深入的研究和探讨。首先,论文对光栅投影三维测量实现中的关键技术进行了研究,构建了几何模型,提出了全新的无几何约束的相位-三维坐标转换新方法,并给出了完整的数学描述,并依据建立的相位-三维坐标转换数学关系式获取被测物体表面的三维信息。其次,搭建了基于DLP Light Crafter投影仪与VC6210nano智能相机测试平台,并通过实验验证了几何模型及相位-三维坐标转换数学关系式的正确性。最后,在上述研究基础上,论文对光栅投影三维测量技术进行了更深入的研究,为了将其应用范围扩展到复杂场景的三维检测,对空间不连续多目标的绝对相位获取进行了深入的研究,提出了基于频率分析的正弦条纹光栅编码方法。此外,论文对测量范围的深度方向扩展进行了初步探索研究,提出了基于数据拟合的深度扩展方法。本论文创新性研究成果主要有以下三个方面:1.经典几何模型通过严格光路结构建立相位-三维坐标转换关系,对安装精度要求高,实际无法满足从而导致测量精度下降,针对这一问题,本文提出了全新的无几何约束的测量系统几何三角模型,并给出了完整的绝对相位到三维坐标转换的数学描述。新系统模型中相机与投影仪无相对位置关系的约束,即相机与投影仪光心连线不需要平行于参考面,且相机与投影仪光轴不需要相交,更不需要相机与投影仪光轴交于参考面,达到了消除系统硬件安装误差、提高配置灵活性及扩展应用范围的目的,为实现三维场景检测提供了坚实的理论基础。2.针对基于格雷码的相位展开方法获取空间不连续多目标表面绝对相位的实时性及抗干扰能力较差的问题,本文提出一种单幅的与灰度无关的基于频率分析的正弦条纹编码光栅（光栅条纹灰度呈正弦分布）相位展开方法,只需投射一幅带有编码信息的正弦光栅条纹图像,不依赖被测物体的灰度信息,即可获取相位展开所必需的条纹级数信息,进而得到整个被测不连续多目标表面的绝对相位信息。相较于依赖灰度信息且需投射至少几幅格雷码编码图像的相位展开方法,基于频率分析的正弦编码光栅方法具有更好的实时性及抗干扰能力,使三维场景空间中的多目标相位快速获取成为可能。3.针对目前光栅投影三维测量应用局限在纵深比较窄的空间物体表面测量的问题,本文分析了相机及投影仪镜头离焦对相位获取及三维测量的影响,提出了基于数据拟合的测量范围扩展方法,使得基于光栅投影的三维测量方法不局限于深度范围很窄的表面测量,扩大了光栅投影三维测量的应用范围,其应用可以扩展到大尺寸及大场景三维测量。