自由曲面以各种形式存在于社会生产和生活中,其测量在多个领域有着广泛的应用。本文围绕基于闭合光刀法的多摄像机自由曲面测量展开,设计并搭建了测量系统,实现对自由曲面的快速准确测量。论文的主要内容包括:基于闭合光刀法的原理设计并搭建了多摄像机测量系统,包括测量模型的建立、机械结构的设计、电气设备的控制和软件模块的编写等。对多个摄像机的视场、扫描运动控制、图像采集、图像处理、三维形貌重构等进行了研究并用于系统,实现了测量目标。提出了基于灰度梯度的光刀中心亚像素提取算法。将光刀曲线的法线方向简化为灰度的梯度方向,在该方向上利用灰度重心法求取光刀中心,省去了求Hessian矩阵以确定法向的繁琐计算。实验证明,此方法能够满足光刀图像处理中对精确性和实时性的要求。研究了光刀图像质量评价函数和等级划分标准。利用归一化的灰度和来评价照明度对光刀图像质量的影响,用光刀灰度分布曲线的宽度来表示不同被测物体对光刀的散射程度。对光刀图像质量进行等级划分,对于不同质量的光刀图像采用不同的处理方法和处理参数。提出了基于液晶靶标和特征点图像序列的多摄像机全局标定方法。通过时间脉冲同步,在液晶靶标上显示一系列含有特征点的图像序列的同时,多个CCD进行拍摄,对用于显示的特征图像和CCD拍摄的图像进行处理和计算,即可得到特征点的图像坐标和世界坐标。采用多项式模型建立由像平面到光平面的非线性映射,通过一次坐标变换得到像平面与光平面的映射关系,减小了坐标变换的次数,克服了常规方法中特征点难以被所有摄像机全部拍到的困难。对特征点的类型、大小、个数与标定精度的关系进行了研究。采用唯一的世界坐标,3个摄像机测量所得的数据无须进行额外的坐标变换即可自动拼接。测量得到的数据完整准确地反应了被测物体的表面形貌,证明了标定方法的有效性。对闭合光刀法多摄像机自由曲面测量系统的误差进行了理论估计和实际测定。整个系统测量的3σ误差小于0.30mm。完成了对叶片、雕像、人体脚型、鞋楦等物体的三维测量。人体脚型的三维数据为“量脚制鞋”提供了依据。