空间圆广泛存在于各种物品中，其三维重建理论是计算机视觉领域研究的热点，并被应用到了摄像机标定、物体位姿估计和几何测量等方面。一般的，空间圆三维重建根据圆的半径已知或者未知可划分成两类问题，一类是使用半径已知的空间圆的单幅图像重建空间圆的法向量和圆心位置；另一类是使用半径未知的空间圆的两幅图像重建空间圆的法向量、圆心位置和半径。本文针对这两类问题进行了相应研究，对半径已知的情形，通过代数方法得到了空间圆的法向量，推导出投影椭圆上一条直径是空间圆上一条直径的投影。进而计算出了空间圆上这条特殊的直径，其中点给出了空间圆的圆心位置，其模长给出了空间圆的直径。同时，计算光心-空间圆圆心连线和图像平面的交点，得到了空间圆圆心在图像平面上的投影点坐标。对半径未知的情形，首先计算出空间圆在左右两个摄像机坐标系下的法向量，将这两组法向量进行匹配，得到空间圆法向量的真解，然后计算出空间圆圆心在左右图像平面上的投影点，则空间圆圆心就是左光心-圆心左投影连线和右光心-圆心右投影连线的交点，最后推导出半径。将空间圆三维重建理论应用到物体的位姿估计，研究了使用单目视觉对带有两个已知半径的共面圆特征的物体进行位姿估计的方法。进一步将该方法应用到机床对刀领域，建立了机床坐标系-摄像机坐标系位姿标定的方法。从而可以方便的得到工件特征点的机床坐标，最后得到工件-机床位姿矩阵。对空间圆三维重建和机床对刀进行的实验表明建立的这些理论的有效性。