在这个科技蓬勃发展的时代,光学三维测量技术正在逐渐走入人类的生产生活。相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry,PMP)是光学三维测量的典型代表,具有非接触、精度高、速度快的优点,广泛应用于工业检测、逆向工程等领域中。铁路工业是国民经济发展的核心之一,尤其是高铁事业正在获得国家的大力支持和推广。铁路运输安全是一个十分现实的问题,而钢轨的安全检测尤其重要。钢轨形貌的准确测量是进行钢轨检测、保障钢轨安全的前提。因此,本文在全面分析光学三维测量技术的基础上,选择使用PMP进行钢轨形貌三维测量,并重点研究PMP在实际钢轨三维测量中遇到的一些关键技术问题,给出了行之有效的解决思路和方法。基于PMP进行钢轨形貌测量的关键技术问题包括:斜投影导致的条纹失真、参考平面板难以选取和放置、钢轨表面存在镜面反射等。针对斜投影导致的条纹失真问题,本文研究了两种解决方法:基于条纹周期曲线分析的条纹预校正和基于单应矩阵的条纹预校正。通过理论分析和仿真实验,证明基于条纹周期曲线分析的条纹预校正方法能够较好地校正条纹的周期失真问题,而基于单应矩阵的条纹预校正主要采用单应矩阵条纹生成法和本文提出的改进的单应矩阵条纹生成法,不仅能够校正条纹的周期失真和形状失真,还能校正条纹的光强均匀性失真。通过钢轨形貌测量实验,证明这两种方法能够使PMP得到更好的测量结果。面对参考平面板难以选取和放置问题,本文开展了基于虚拟参考条纹的相位测量轮廓术的研究。该方法通过使用插值算法获取虚拟参考条纹,而不采用实际参考条纹即可完成PMP测量。同时,本研究在基于新边缘定向插值法的基础上,研究了一维新边缘定向插值法用于虚拟参考条纹的生成。通过仿真实验,将虚拟参考条纹用于PMP测量中,证明了方法的可行性。通过钢轨形貌测量实验,证明该方法能够在不使用参考平面板的情况下,成功对钢轨三维形貌进行测量。对于钢轨表面存在镜面反射问题,本文通过研究改进单应矩阵条纹生成法来予以应对。通过将光强均匀性校正引入原来的单应矩阵条纹生成法,实现了镜面反射抑制。通过仿真以及钢轨形貌测量实验,证明改进单应矩阵条纹生成法能够消除镜面反射造成的较大的局部误差,从而在一定程度上抑制钢轨表面的镜面反射问题。