- 文献综述（或调研报告）：
光学三维测量技术是通过光学仪器和电子设备对物体空间外形进行扫描，运用计算机图形图像学的理论来数字化再现物体的三维形态的一种技术。按照是否需要主动发射光的这点，而可以分为两大类：一类是不用附加光源的被动式测量方法；另一类则是需要使用额外光源的主动式测量方法[1]。
被动式三维测量技术是指在自然条件下，直接从一个或多个摄像系统获取的二维图像中提取物体的三维信息[2]。这类方法虽然硬件结构简单，但测量精度不高，如果被测物体表面形貌信息过于简单或过于复杂，将使得各点反射率差别不明显从而导致计算出错，此方法的关键在于使用相关算法从不同的图像中找出匹配点，只适合对被测物体细节要求不高的场合[3]。
随着光源性能和成像设备的进步，主动式的光学三维测量技术越来越多的在各领域使用。主动式光学三维测量技术一般基于结构光、飞行时间技术[4-6]、激光三角测量[7]和光学干涉测量[8-10]等等。这些方法基于光学测量的不同原理，并具有特定的测量范围、测量灵敏度和时空分辨率[11]。
飞行时间法是由一个信号发射系统将激光脉冲信号发射到被测物体上，经过被测物体反射回来，由信号接收系统接收信号，记录发射到接收的时间间隔，再根据光的传播速度就可以计算出被测反射物体表面与信号发射器直接的距离，进而求出被测物体的三维空间坐标[12]。飞行时间法原理简单，测量精度在达毫米级别，因此，该方法对于较小尺寸的表面复杂的物体效果不是很好，适合测量尺寸较大的物体，如大型建筑，地形地貌，船舶等。由于该方法采用逐点扫描方式，所以会影响动态三维测量的效率。
激光三角测量法实质是利用三角测量原理来完成三维物体测量的。由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上,通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到[13]。激光三角测量又根据激光光源可分为点光源激光三角测量和线光源激光三角测量。线光源激光三角测量按线扫描测量的，因此，对大视角的测量效果很好，通常在20到30度。点光源激光三角测量由于是按点扫描测量的，具有更好的深度分辨率，背景光对测量的影响更小。目前市场是使用的激光测量设备都是点光源，其测量范围为40-650毫米。测量精度在10微米左右。然后，该测量设备若要测量整个被测场景，该系统就会非常的复杂，测量速度也非常慢。但其好处也十分的明显，整个测量过程没有复杂的计算，系统的处理时间很短[4]。所以，激光三角法测量精度较高，系统相对简单，且对激光器功率大小和待测物体表面粗糙程度要求较低，但是它的缺点与时间飞行法类似：扫描式的工作方式会影响测量效率。
基于结构光和数字条纹投影的三维测量技术是主动式测量方法的典型代表。其基本原理是由数字投影仪投影强度和形状可控光点、光带或光面到物体表面，形成物体场景光场，并由摄像机拍摄图像，根据设计的编解码方案获得物体场景光场的变形量，然后根据标定获得的光学系统参数，利用三角法测量原理计算出场景物体的三维信息。数字投影结构光三维测量方法具有计算简单、体积小、价格低、高精度和高分辨率等优点。结构光编码方法按投影和解码原理方面不同可以分为空间编码和时间编码两种；按结构光图案的灰度值分布不同可以分为空间二级灰度值编码和多级灰度值编码；按结构光投影图案和成像相机颜色通道不同可以分为彩色编码和单色编码。空间编码仅需要单帧或者少量帧数即可对场景进行编码，适用于动态场景编码，但这种编码图案易受物体表面特性影响而产生噪声于扰。而时间编码方案利用序列编码图案进行编解码，物体表面特性影响导致的误差大为减少，但这种方法要求物体场景静止，不适用于动态场景[14]。应用最广泛的条纹分析方法是傅立叶变换法[15-17]和相移法[18-21]。
傅立叶变换法1983年由日本研究者Takeda等人首次提出，它成功的将傅立叶变换引入到了条纹分析领域，对物体形貌具有较高的灵敏度，还降低了对光学装置的要求[15,16]。其原理是先设计一种正弦光栅投影到待测物体表面，再利用傅里叶变换把照相机拍摄到的变形条纹从空间域变换到频率域，在空间频率足够大的条件下，在频域内利用滤波去除载波和噪声，最后利用反傅里叶变换从频域还原到空间域再处理，获得相位分布[17]。这种方法由于只需一幅变形光栅条纹图像就能解调出相位信息，测量速度快，符合很多实际应用场合的要求，适合在线测量和动态物体测量。但由于傅立叶的正反变换较为复杂，计算量大，有例如相位包裹、频谱混叠等问题且要设计合适的滤波器干净地滤出基频分量相对复杂，并且滤波操作也会导致测量范围受到一定限制，测量精度相对较低。
相移法首先由V. Srinivasan等人[18]提出，是目前应用最多的条纹形貌测量方法。相移法投射多位正弦条纹光栅或者准正弦条纹光栅图像，投射的幅数一般为三幅、四幅或五幅，最少也需要三幅。測量过程中使用的条纹图像数目越多，三维重建的精度越高。相移法由于采用光强相减运算，所以对采集图像的对比度、噪声、背景等因素的变化不敏感，它的计算仅仅包含基本的四则运算和反正切函数的求解，避免了傅立叶正反变换带来的大计算量，提髙了计算速度，而且它是直接测量变形光栅条纹的相位值，测量精度较髙且容易实现自动测量。但是因为要投影和拍摄的图片较多，速度较傅立叶变换法慢，同时需保证被测物体在拍摄过程中是静止不动的，它更适合于静态物体的三维测量[19]。所以，为了提高条纹投影和测量的效率，一些新颖的测量方式出现了，例如多通道即彩色条纹法，利用彩色条纹红绿蓝三个独立的色彩通道一次完成三幅条纹图像的投影和拍摄，与灰度投影相比彩色条纹投影包含了更多的信息同时也增加了对系统抗干扰能力的要求,并且使得解码过程变得复杂[20]；或者引入通信技术中的调制解调技术，将多幅条纹图像调制组合，比如一种正弦脉冲宽度调制条纹结合相位编码条纹的三维测量方法，原理是离焦投影编码的两种条纹到被测对象上，使用相移算法，由正弦脉冲宽度调制条纹得到截断相位，由相位编码条纹解码得到条纹级次，从而恢复测量对象的三维形貌[21]等等。
在对相位进行提取时，由于反正切函数的截断作用使得求解出的相位值被限制在了 [-pi, pi]的范围内，呈锯齿形不连续状，也称为包裹相位，它不能真实反映物体表面的空间相位分布。因此，为了通过相位来求解被测物体表面三维信息，就必须要对包裹相位进行相位展开操作使得相位恢复成连续变化的。展开以后的相位才是变形条纹图像中所有像素点对应的真实相位，通过该相位分布才能计算出被测物体的三维形貌信息。所以相位展开是基于相位的三维形貌测量中的一个关键问题[3]。
1982 年K. Itoh提出了传统的一维相位解包裹算法，他采用了积分法求解包裹相位，即在相邻点进行主值差的积分[22]。在二十世纪七十年代末出现了二维相位解包裹的研究，之后，随着计算机和图像处理技术的不断发展，二维相位解包裹技术也取得了快速发展。目前，所有相位解包裹算法的实现主要有两步：首先是基于包裹相位计算得到包裹相位的相位梯度估计值，其次是积分，根据所采用的积分方式的不同，相位解包裹算法可以分为路径无关法和路径相关法（即最小范数法和路径跟踪算法）这两大类[23]。
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