数字图像相关方法业已成为实验力学领域内使用最广泛的非接触式变形测量方法,结合数字图像相关方法和双目视觉原理的三维数字图像相关方法,能实现曲表面物体三维形貌和变形的同步测量,在科学研究、工程实际中都有丰富的应用。然而,针对三维数字图像相关方法的测量精度研究还是不足的,只有充分研究从相关计算、相机标定、三维重建到变形测量等各个过程的测量不确定度,才能建立健全三维数字图像相关方法的量值传递溯源体系,提升三维数字图像相关方法的公信力。本人博士期间对相关计算中的插值偏差和相机标定计算误差进行了分析研究,主要研究内容和成果如下:1.研究了应变存在时的插值偏差,首次发现了应变存在时插值偏差的规律和机制,解释了应变和子区对于插值偏差的耦合作用机理,为其它形式的计算误差研究提供了新思路。在此基础上,提出使用预变形参考子区的的方法来消除插值偏差。2.基于数值模拟和真实实验,研究了相机标定计算过程中的误差传递问题。分析了标定板加工误差和特征点提取误差对于不同标定计算方法的影响,证明了固定三点方法的宽适用性和高测量精度。此外,还推导了标定计算过程中的误差传递公式,为三维数字图像相关方法的误差溯源奠定了研究基础。3.提出了基于数字图像相关方法的无标定板成像畸变测量方法。在屏幕上显示设计散斑图案并采集含畸变散斑图像,使用数字图像相关方法计算全场匹配关系,利用投影变换中的不变形建立含畸变参数的约束关系并求解,本工作探索了无标定数字图像相关方法。除了对三维数字图象相关方法的计算误差进行分析和研究外,本文还将三维数字图像相关方法应用到仪器开发和工程实际中,取得的成果如下:1.研制了基于单相机三维数字图像相关方法的实时视频引伸计系统,使用单个相机实现多视角分画幅成像。提出了基于“虚拟物体”的成像光路分析方法和分步标定方法,在单轴拉伸试验中证明了本系统测量应变的准确性和稳定性。2.提出了结合三维数字图像相关方法和全站仪-棱镜转站技术的高铁轨道承轨台三维位形测量方法。在双相机系统上固定四个反射棱镜,使用全站仪测量棱镜的位置来追踪相机移动并完成测量数据的融合,实现了连续多个承轨台形貌和位置的测量,为高速铁路轨道施工提供了新测量方法。