本文针对重轨表面复杂的几何特征和低反射、高辐射的表面光学特性，基于机器视觉的理论和技术，对重轨表面缺陷成像方法进行研究，实现了相机成像角度的优化设计和异型光源照明系统的开发，最终完成重轨表面缺陷成像系统的设计，进一步提升了重轨表面缺陷的成像效果，为重轨表面缺陷在线实时检测系统的研究奠定了基础。本文主要的研究工作如下：(1)从重轨轧制工艺方法入手详细分析了重轨表面的几何特征和表面缺陷，总结表面缺陷产生的原因和规律；结合物理光学理论和辐射理论对重轨表面材质光学性质进行研究，详细分析了热态下重轨表面对入射光的透射和反射特性以及热态重轨的热辐射特性；在此基础上结合机器视觉系统理论提出重轨表面缺陷成像系统的总体方案设计。(2)针对重轨表面几何特征选取最佳视场分割方案，结合相机镜头参数选型完成重轨表面图像采集系统的设计，基于视场分割方案对相机的成像角度进行优化，并建立重轨表面成像质量评价体系对优化结果进行评价，最终得到相机环绕重轨布置的最佳成像角度，完成重轨表面缺陷图像采集方案的优化设计。(3)为了提高重轨表面图像中的特征信息，分析了光源参数和光照方式对图像特征的影响，采用图像增强技术对重轨表面缺陷在不同光照方式下的图像进行滤波处理；然后基于图像分割和边缘检测对缺陷图像的检测效果对缺陷的光照方式做出最优选择，并结合重轨表面的特性完成对异型光源照明系统的设计。(4)针对重轨在冷态和热态下的不同特性，分别开发了冷态重轨表面缺陷成像与检测实验台和热态重轨在线成像实验装置。通过在实验室中和在重轨生产现场进行多次重轨表面成像实验，对于系统框架的确立、机器视觉相关部件选型、光照模型的建立以及图像处理软件的开发等工作提供了大量的数据，验证了系统的可行性，为重轨表面缺陷在线检测系统的研制提供了实验基础。