现代靶场为适应武器系统快速发展的需要，提出了对小、暗、多、快目标测量的新要求。由于目标具有小、多、不发光和速度快等特点，要获取目标的清晰图像，相应的光学测量设备必须具有高帧频、高灵敏度和大视场的特性。基于对成本和安全性的要求，光学测量设备的布站位置距目标相对较远，因此无法给出对小、暗、多、快目标作用过程的细节。本文结合现代电子通信技术与摄像测量方法从低成本高速CMOS摄像机设计、图像采集存储、摄像机标定和目标测量等关键技术对该问题进行了深入的研究。本文的研究内容主要集中在以下几个方面：（1）根据测量要求并考虑研制成本，本文设计了一款分辨率为2K×1K、最高帧频为280帧、曝光可调的低成本高速CMOS摄像机，并详细说明了高速摄像机设计中的关键技术，尤其对高速数据采集中的位对齐和字对齐技术做了重点论述。为了适应测量设备小型化、便携化和低功耗的发展趋势，本文设计了一套基于高速SATA传输接口的嵌入式图像存储系统。实验结果表明，该图像存储系统最高图像存储速度可以达到294MB/s。（2）摄像机标定算法在本文中做了详细讨论和深入研究。以平面棋盘为标定工具，采用平面标定算法标定测量系统摄像机的内外参数，并针对该算法在实际标定中标定结果不收敛的问题，在随机抽样一致性（RANSAC）算法的基础上，提出了一种改进的标定算法。实验结果表明，改进的标定算法与传统方法相比，在降低算法迭代次数，优化算法运行效率的同时，标定精度提高了35%。（3）根据小、暗、多、快目标测量的实际需求，本文采用平面摄像测量方法单目测量目标的脱靶量和落点坐标，该方法具有测量简便、灵活性高的优点。在此基础上，针对点目标抛物线运动测量的问题，证明了二次抛物线的射影几何性质，并提出了一种针对抛物线运动目标三维信息测量的单目测量方法。通过仿真和实际小球投掷实验，验证了方法的正确性和可行性。该方法与双目测量结果比较，小球三维坐标测量误差在1.2%以内。（4）针对更一般的交汇测量任务，本文首先详细介绍了交汇测量中的关键技术，包括三维欧式重构、立体匹配与外参数标定等；其次，重点分析了外参数对测量精度的影响，通过仿真得到了最优的结构参数；最后，针对小、暗、多、快目标的落点测量问题，提出了一种无需标定的平面交汇测量方法，该方法可以应用于大范围、远距离、粗测量的场合。