随着科学技术和工业生产的快速发展，具有自由曲面形状的产品越来越多，对其加工和测量精度的要求也越来越高，如何快速、准确地测量自由曲面产品的三维信息，是工业领域急待解决的技术难题。视觉测量因具有测量速度快、幅面广、精度高等优点，成为自由曲面测量方法中的研究热点。基于相位匹配的双目视觉测量法是实现自由曲面测量的主要视觉方法之一。本文以自由曲面的三维测量为目标，搭建了双目视觉测量平台，并对基于相位匹配的双目视觉测量方法中的关键技术进行了深入研究。其内容包括：（1）针对传统摄像机畸变校正模型的局限性和现有光束平差方法存在的问题，推导了像素坐标系下的畸变校正等效模型。基于该等效模型，对光束平差数学关系式作了修正，并使用修正的光束平差数学关系式对摄像机参数进行非线性优化。该方法能有效地避免光束平差优化过程中容易出现病态矩阵的问题，获得较高的标定精度。（2）对多频外差相位展开过程中，误差的产生机理进行了分析，给出了多频外差相位展开与外差光栅频率之间的关系，并通过实验进行了验证，为多频外差光栅频率的选择和外差相位展开误差的减小提供了新的思路。（3）针对双目视觉图像中阴影区域相位混乱对立体匹配的干扰问题，定义了相位相似度函数。利用该函数对立体匹配过程进行约束，能有效抑制阴影区域混乱相位对立体匹配的干扰，达到快速、准确地实现立体匹配的目的。最后，使用本文的双目视觉三维测量方法，对叶片、球体、石膏头像等具有自由曲面形状的物体进行了三维测量或模型重构。实验结果表明，本文的三维测量方法能有效地对自由曲面进行测量，并能获得较高的测量精度。