在土工三轴试验的力学性能测试过程中,土样体积变化的测量是非常重要的环节。对于饱和土,土样体积变化的测量技术相对成熟,可利用量筒间接测量流体吸入或排出饱和试样的体积来实现。然而,对于非饱和土,土样内部不可避免地存在空隙、气泡等,传统饱和土体积变化的测量手段已无法准确测量非饱和土的状况。数字图像技术因其测量精度高、不扰动试样,在土样体积变化测量方面具有显著的优势。本论文引入数字图像测量技术开展土样体积变化测量的研究,结合前人的研究成果和三轴试验中土样的变形特点,针对土样的不同变形程度,提出了亚像素边缘检测和轮廓法三维重建的测试策略,提供了一套简单、经济的测量方法。论文的主要工作如下:（1）提出了基于Sobel算子、三次样条插值和高斯拟合相结合的亚像素边缘检测算法（Sobel Operator,Cubic Spline Interpolation and Gaussian Fitting,SCG）测量土样小变形的方法。通过对典型的亚像素边缘检测技术进行仿真对比分析,针对土样特点和测量精度要求,改进出了一种亚像素边缘检测算法（SCG）,该算法具有定位精度高、运行速度快和抑制噪声等优势。构建了圆柱体三维模型,并获取图像,将该算法应用于该圆柱体体积测量,相对误差在0.17%左右,所用时间仅为1.21s。（2）提出了基于轮廓法三维重建技术（Shape From Silhouette,SFS）测量土样大变形的方法。根据相机模型和常用的相机标定方法,以及单相机旋转获取图像的方式,完成了一种改进的多相机标定方法,使用圆柱体圆点标定物、归一化DLT和L-M算法计算出单相机矩阵,通过相机与目标物的空间位置关系,计算出其它的相机外部参数。使用OSTU阈值分割法、形态学算子和最大连通域法获取图像轮廓信息,并将传统视觉壳体雕刻方法改进为粗-细结合的雕刻方法,引入分层光一致性检测来解决体素过量的问题。模拟相机标定和拍摄场景,拍摄不规则圆柱体,进行三维重建仿真,相机标定的重投影误差平均为0.02个像素,三维重建所得体积的相对误差为0.21%,所用时间为94.22s。（3）将SCG-SFS体变测量技术应用于三轴试验的土样体变测量,完成实验研究。设计了三轴试验装置的图像采集系统,使用改进的多相机标定算法获取相机的内外参数。在三轴装置中安装标准的不锈钢圆柱体,验证了SCG-SFS体积测量方法的精确性（优于0.22%）,根据三维重建效果和实际情况使用36张图像最为可行。将SCG-SFS体变测量方法应用于三轴试验,捕捉不同轴向压力下土样的变形图像,完成了土样体积变化的测量。