三维数据测量在医学诊断、人脸识别、无人驾驶等领域具有重要的理论意义和应用价值,是工业3.0时代信息获取的重要手段。传统三维成像技术受成像距离、环境和设备价格等因素影响,难以满足低成本高精度的三维成像需求;不同于传统三维成像技术利用光强信息,偏振三维成像技术利用光偏振特性恢复目标表面,具有成像设备简单、性价比高的优点。偏振三维成像技术根据目标表面反射光偏振特性与表面几何结构的关系恢复目标表面形状。本文从光波的反射和折射定律出发,分析目标表面漫反射光偏振特性及其与目标三维表面的映射关系,研究基于法线梯度场的三维重建方法。利用目标表面漫反射光偏振特性能够恢复目标表面形状,但由于目标表面法线方向存在不确定性,会导致目标表面出现严重畸变的问题;此外,基于漫反射的偏振三维成像方法获取表面法线方向而非法线真实模值,因此偏振三维成像无法恢复目标表面真实三维信息。针对基于漫反射的偏振三维成像方法中存在法线方向不确定性的问题,本文提出了一种基于明暗恢复形状的法线梯度场校正方法。该方法基于双色反射模型反射光分量分离方法获取漫反射光分量,在此基础上利用明暗恢复形状方法得到目标表面法线梯度场先验信息,根据梯度场先验信息对法线梯度场进行校正。实验结果表明该方法能准确确定法线方向,避免由于法线方向不确定性造成的重建目标表面畸变问题,恢复精确目标表面形状,将法线方位角误差角度导致的重建误差降低了35%左右。此外,不同类型反射光的梯度场校正重建结果表明该方法不受目标表面反射光分量影响,具有较强的适用性。针对基于漫反射的偏振三维成像中无法获取目标真实三维信息的问题,本文提出了基于单目视觉的真实三维信息恢复方法。该方法结合相机标定和相机测量技术,由相机成像模型推导目标空间距离获取方式,根据实际比例关系由空间距离和表面形状恢复目标真实三维信息。实验结果证明,利用该方法对目标空间距离测量中,深度距离测量误差<10%,平面距离测量误差<2%;利用该方法能恢复目标真实三维信息,且恢复三维信息的相对误差<10%。通过选取多种表面形状目标进行真实三维信息恢复结果表明该方法不受目标表面形状的影响,能保持较高的精度,具有较强的鲁棒性。本文所研究的单目偏振三维成像方法能解决目标表面法线方向不确定性和不能获取目标真实三维信息的问题,实现高精度三维成像。该研究成果为实现高性能低成本的三维成像提供理论基础和技术支持。